大功率半導(dǎo)體激光器制備工藝

閆昊 長春理工大學(xué)國家重點(diǎn)實驗室

1 概述

半導(dǎo)體激光器又稱激光二極管，是用半導(dǎo)體材料作為工作物質(zhì)的激光器。由于物質(zhì)結(jié)構(gòu)上的差異，不同種類產(chǎn)生激光的具體過程比較特殊。常用工作物質(zhì)有砷化鎵、硫化鎘、磷化銦、硫化鋅等。激勵方式有電注入、電子束激勵和光泵浦三種形式。半導(dǎo)體激光器件，可分為同質(zhì)結(jié)、單異質(zhì)結(jié)、雙異質(zhì)結(jié)等幾種。同質(zhì)結(jié)激光器和單異質(zhì)結(jié)激光器在室溫時多為脈沖器件，而雙異質(zhì)結(jié)激光器室溫時可實現(xiàn)連續(xù)工作。

大功率半導(dǎo)體激光器主要是指具有單個發(fā)射腔的輸出功率大于200mW的半導(dǎo)體激光器單管（SLD），以及由多個發(fā)光點(diǎn)組成的輸出功率大于10W的半導(dǎo)體激光器陣列（LDA）。

半導(dǎo)體激光器的制備過程中包含了半導(dǎo)體工藝的大部分內(nèi)容，從外延材料的生長、光刻刻蝕、絕緣介質(zhì)膜的制備、金屬膜的制備、光學(xué)膜的制備，到散熱封裝工藝等。對于半導(dǎo)體激光器來說，每一項工藝的優(yōu)劣直接影響著激光器的性能的好壞，因此需要不斷優(yōu)化和改進(jìn)，從而得到穩(wěn)定的、重復(fù)性高的半導(dǎo)體激光器工藝。

2 制備工藝

大功率半導(dǎo)體激光器的制備工藝是實現(xiàn)其設(shè)計功能非常重要的一個環(huán)節(jié)，一直以來都受到許多研究機(jī)構(gòu)關(guān)注和研究。不同的設(shè)備以及工藝會產(chǎn)生不同的影響，本章主要介紹了大功率半導(dǎo)體激光器的制備工藝和封裝工藝。

2.1 材料生長工藝

現(xiàn)今普遍應(yīng)用的是金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉積（MOCVD）和分子束外延（MBE）等氣象外延方法，MOCVD和MBE方法能夠?qū)ν庋訉拥暮穸群徒M分進(jìn)行精確的控制，利于制備結(jié)構(gòu)復(fù)雜的半導(dǎo)體激光器。

MBE技術(shù)利用不同元素的分子束進(jìn)行外延生長，除了對外延層組分、摻雜和厚度可以得到很好的控制外，更可以制備高純度的外延層。MBE方法的主要缺點(diǎn)是外延層的均勻性對分子束的均勻性有強(qiáng)烈的依賴性，以及設(shè)備成本較高，這限制了MBE技術(shù)在大規(guī)模生產(chǎn)中的應(yīng)用。

金屬有機(jī)物化合物化學(xué)氣相沉積是一種常用的外延生長技術(shù)[1]，MOCVD系統(tǒng)大致包括以下幾個系統(tǒng)：原材料輸運(yùn)系統(tǒng)、反應(yīng)室系統(tǒng)、尾氣處理系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和原位監(jiān)測系統(tǒng)。

其主要工作原理是用氫氣將金屬有機(jī)化合物和氫化物分子連續(xù)輸運(yùn)到反應(yīng)室內(nèi)加熱的襯底上，在襯底表面生成外延層。H2作為運(yùn)載氣體攜帶MO源和氫化物等反應(yīng)物進(jìn)入到反應(yīng)室里，在逐漸升溫的環(huán)境下，金屬有機(jī)物與非金屬氫化物或有機(jī)化合物之間形成加合物，隨著溫度的進(jìn)一步升高，MO源和氫化物及加合物的逐步熱分解，甚至氣相成核。氣相中的反應(yīng)物擴(kuò)散到襯底表面，然后吸附在襯底表面，吸附的品種會在襯底表面遷移并繼續(xù)發(fā)生反應(yīng)，最終并入晶格形成外延層。表面生成的副產(chǎn)物會從生長表面脫附，通過擴(kuò)散，又回到主氣流，被載氣帶出反應(yīng)室。還有部分氣相反應(yīng)產(chǎn)物被氣流直接帶出反應(yīng)室。

總之，制備出高功率半導(dǎo)體激光器要求具有高質(zhì)量的外延片，需要在材料生長過程中精確控制摻雜水平、外延層組分組分、純度、厚度（單原子層到微米量級）、組分和摻雜的突變等，對結(jié)晶質(zhì)量、生長均勻性和可重復(fù)性也提出了很高的要求。目前，MOCVD和MBE這兩種材料生長方法都可以生長出效率、功率、壽命和電光特性良好的半導(dǎo)體激光器材料。

2.2 光刻

光刻是一種將圖形復(fù)印功能和腐蝕（或刻蝕）功能相結(jié)合的精密表面加工技術(shù)，是在半導(dǎo)體激光器的制備工藝中非常關(guān)鍵的工藝步驟。光刻質(zhì)量的好與壞，直接會影響半導(dǎo)體激光器的性能和成品率。光刻的工藝步驟主要分為勻膠、前烘、曝光、顯影、堅膜、腐蝕和去膠等步驟。光刻過程中必須用到掩膜版、光刻膠及其對應(yīng)的顯影液。

2.3 刻蝕

光刻堅膜之后，通過刻蝕的方法在晶片表面制備需要的圖形結(jié)構(gòu)，可以是隔離槽、接觸孔、金屬線等。刻蝕分為濕法化學(xué)刻蝕和干法化學(xué)或物理刻蝕。濕法化學(xué)腐蝕操作簡單，成本低，可多外延片同時進(jìn)行。在半導(dǎo)體材料的不同晶向上具有不同的化學(xué)腐蝕的速率，因此影響芯片表面圖形的形狀。化學(xué)刻蝕的速率受溫度影響非常大。由于半導(dǎo)體激光器外延層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由多個薄層組成，因此腐蝕速率是不均勻的，刻蝕不同深度時，要分別進(jìn)行精確的條件實驗。

2.4 薄膜技術(shù)

(1）制備絕緣介質(zhì)膜：

大功率半導(dǎo)體激光器一般采用二氧化硅做為絕緣介質(zhì)膜，SiO2絕緣介質(zhì)膜沉積在半導(dǎo)體材料表面的主要方法包括：等離子體化學(xué)氣相沉積（CVD）、射頻濺射沉積和熱蒸發(fā)。

(2）制備金屬膜：

采用蒸發(fā)或濺射的方法在半導(dǎo)體激光器芯片的N面和P面制備金屬膜，獲得良好的歐姆接觸，利于電流的注入和散熱。根據(jù)半導(dǎo)體材料及摻雜的不同來選擇金屬膜的材料和厚度。

圖1 大功率半導(dǎo)體激光器單管側(cè)視圖及制備過程

如圖1所示，是基本的單管器件結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖及制備過程。首先，刻蝕溝道，兩個溝道之間形成臺面，之后在表面沉積SiO2絕緣層并在臺面上刻蝕出電流注入窗口，最后在表面蒸發(fā)Ti/Pt/Au金屬膜[7]并把電流窗口兩側(cè)的金屬刻蝕掉，這樣半導(dǎo)體激光器P面上的結(jié)構(gòu)已基本制備完成。

(3）制備腔面膜：

激光器的P面結(jié)構(gòu)制備完成后，需要把外延片按照一定的腔長解理成Bar條，以便進(jìn)一步制備前后腔面膜，形成激光器的諧振腔。制備具有高腔面損傷閾值的激光器腔面膜是芯片工藝的核心技術(shù)之一，主要作用是防止腔面氧化，提高激光器的穩(wěn)定性和可靠性，增加單面出光功率，從而提高激光器的效率。大功率半導(dǎo)體激光器的出光面處光功率密度非常高，達(dá)到107W/cm2數(shù)量級。

在腔面膜材料的選擇上，要求膜系材料純度高，附著力和穩(wěn)定性好，與激光器解理面具有良好的應(yīng)力匹配和熱匹配，膜系材料之間的晶格匹配也很重要。對于大多數(shù)紅外高功率半導(dǎo)體激光器，高反射率的前腔面膜（HR）可以采用Si O/TiO膜系、Al O和Si，反射率達(dá)到98%，高透射率的后腔面膜（AR）可以采用AlO或Si ON，反射率為5%-2%。

2.5 封裝

封裝技術(shù)的優(yōu)劣直接影響到大功率半導(dǎo)體激光器陣列的輸出光功率、波長、壽命等主要特征參數(shù)，而且從技術(shù)和成本兩個方面影響到激光器的應(yīng)用。陣列對準(zhǔn)的精確度、焊接過程的控制、高度專門化的設(shè)備及操作人員，這些都是高標(biāo)準(zhǔn)的激光器陣列封裝中不可缺少的組成部分，這導(dǎo)致封裝過程的成本占到制備激光器陣列總成本的50%。

3 結(jié)語

大功率激光器在工業(yè)與國防等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，是現(xiàn)代激光材料加工、激光再制造、國防安全領(lǐng)域中必不可少的核心組件。經(jīng)過近20年來的開發(fā),我國大功率半導(dǎo)體激光器的研制和生產(chǎn)技術(shù)已有了一些基礎(chǔ)和實力，但與國際迅猛發(fā)展的勢頭相比[2]，我們還有一定的差距。