新型單發射腔高功率半導體激光器封裝結構特性研究

許佩東，張路，王斌，曲軼，王憲濤

（長春理工大學 理學院，長春 130022）

半導體激光器作為應用最為廣泛的光電器件之一，隨著其性能的改善與提高，以及生產成本的降低，并以亮度高、高功率、壽命長、光電轉換效率高且性能穩定的優勢逐漸被應用到更多的領域，如航天、軍事以及醫療領域。對半導體激光器的要求也愈來愈高，尤其是輸出功率以及散熱問題方面，逐漸被人們所重視，如散熱不均，對半導體激光器的壽命將產生致命的影響，嚴重的甚至會燒損激光器。因此，采用相應的封裝形式對半導體激光器進行“制冷”是至關重要的，而且不同的封裝結構、尺寸對激光器的散熱性能有著不同的影響。目前，封裝技術發展的主要趨勢是：輸出功率高、亮度高、無銦化封裝且光譜窄。本文提出了一種新型C-Mount封裝結構單發射腔，其輸出功率為8W，波長為808nm的可改變電極極性的高功率半導體激光器，比傳統C-Mount封裝結構的光電轉換效率高、性能更好更可靠，且又進一步的提高了輸出功率，達到了良好的效果。

1 傳統封裝結構

C-Mount封裝為工業中常用的封裝模式，圖1（a）為傳統C-Mount封裝結構，圖1（b）為實物圖，此結構采用808nm、8W的單管半導體激光器芯片，熱沉為導熱系數良好的無氧銅，焊料為熱膨脹系數以及熱應力相對適合的焊料，熱沉與電極飄帶之間有匹配的襯底作為絕緣材料，該結構具有良好的散熱性以及穩定的輸出功率，其特點是將芯片貼在過渡熱沉上，利用金屬薄膜焊料將其倒裝焊接在銅熱沉上，最后通過金絲鍵合完成其封裝結構的制作。其中，右側電極飄帶為正極，左側電極飄帶為負極。

圖1 傳統C-Mount封裝結構以及實物圖

2 新型封裝結構

圖2（a）為正負極可變的新型C-Mount封裝結構，熱沉不帶電，左正右負，材料與制作過程均與傳統結構相同。

圖2 新型C-Mount封裝結構介紹以及實物圖

1、7為左右兩側電極飄帶，2、6為熱沉主體兩側凸臺，3、5、4分別為兩側金屬層及中心金屬層，1、2與6、7之間存有絕緣的縫隙，3、4、5金屬層之間相互絕緣，且以陶瓷襯底作為絕緣載體，金屬層材料為金錫焊料。若需改變電極，則只需改變金絲鍵合位置即可。圖2（b）、（c）、（d）為另外三種不同電極方向的新型結構。在圖2（a）的基礎上，將1、2金絲鍵合，得到熱沉與左側飄帶帶正電，右側為負電結構，如圖2（b）所示。將1和3、4和5以及5和7金絲鍵合，得到如圖2（c）所示的熱沉不帶電，左負右正的結構，在此基礎上，將6、7鍵合，即可得到圖2（d）熱沉帶電，左負右正的結構。圖2（e）為實物圖?？筛鶕嶋H需要，通過改線的方式對合適的結構進行選擇。

3 特性分析

通過P-V-I測試曲線、數據對比、光譜光斑測試、腔面檢測、壽命測試以及發散角測試，對新型封裝結構半導體激光器進行特性分析。

3.1 P-V-I測試

對10個傳統結構與10個新型結構的平均數據進行P-V-I（功率-電壓-電流）曲線測試，圖3為P-V-I曲線測試圖。

圖3 P-V-I測試曲線及數據

通過功率測試儀對其進行測試，在CW條件下，P-V-I曲線中的功率隨電流的增加呈線性增長。

圖4為傳統結構與新型封裝結構半導體激光器的平均數據對比圖。

圖4 平均數據對比圖

在相同溫度、電流的條件下，新型結構的半導體激光器具有較低的工作電流、閾值電流以及相對較高的光電轉換效率。半導體激光器為典型的閾值器件，當電流較小時，有源區不能實現粒子數反轉，自發輻射占主導地位，激光器沒有輸出功率，當電流增加至一定值時，有源區實現粒子數反轉，受激輻射占主導地位，會出現輸出功率，發射出光譜尖銳、模式明確的激光，這個電流值即為閾值電流。諧振腔的長短是影響閾值電流的大小，諧振腔越長，相對閾值電流越大，諧振腔越短，相對閾值電流就越小。閾值電流Ith為半導體激光器開始產生激光的最小電流，閾值電流受溫度影響，其關系為：

式中，Ith(T)為在溫度為T時的閾值電流；Ith(Tr)為室溫下的閾值電流，為定值；Ts為閾值電流的特征溫度。

影響激光器閾值的主要有以下三點因素：①器件的結構；②有源區材料；③激光器工作溫度。當電流較小時，在有源區中不會發生粒子數的反轉，但隨著電流的逐漸增大，粒子數發生反轉，因此受激輻射占據了主導地位，當電流達到一定值（即閾值電流），才會出現功率以及明顯的光譜，隨著電流的增大，功率呈現線性增長。此外，有源區的溫度影響著激光器的特性，隨著有源區溫度的增加，閾值電流呈指數形式增長，電光轉換效率呈指數形式下降，亦會使激光器的壽命縮短，非復合輻射會導致COMD等問題。

3.2 光譜測試以及光斑圖像

通過光譜測試儀對其進行光譜測試，測試結果如圖5（a）所示。

圖5 新型封裝光譜測試圖及光斑圖像

通過光譜圖可以看出，光譜曲線為單峰，峰值波長為808.73nm，半高寬（FWHM）為1.98，中心波長為808.59nm。此外，在輸出功率8W的條件下，光斑非常均勻如圖5（b）所示。隨著溫度的升高、功率的增加，所對應的激射波長會逐漸變長，對于808nm的激光器而言，溫度每升高1℃，波長飄移0.28nm。

3.3 芯片腔面檢測

在金相顯微鏡放大200倍的條件下，對半導體激光器芯片進行檢測，檢測內容有以下四點：①是否有焊料溢出到發光區；②芯片是否凸出或凹陷；③芯片是否發生傾斜；④表面是否發生脫落。

通過對半導體激光器芯片檢測可以看出，此新型封裝結構焊接區均勻，如圖6所示。

圖6 半導體激光器腔面圖像

如若在封裝過程中出現缺陷，即會形成非輻射復合中心，會增加光吸收，進而造成閾值電流上升，量子效率下降，導致輸出功率的下降。隨著非輻射復合吸收能量的增加，非輻射復合將能量傳遞給電子，形成晶格振動，會使附近結構發生改變，從而會形成新的缺陷，最終會使其失效。

3.4 壽命測試

壽命測試試驗共選取了10只新型封裝結構的半導體激光器，在25℃，電流為9A條件下進行了長達1400h的壽命測試，如圖7所示。

圖7 壽命測試折線圖

由圖可見，經過近1400h老化試驗，10只器件均無明顯的功率衰減或災變性光學腔面損傷（COMD）等失效現象。測試功率以及工作電流波動穩定在5%范圍內。目前，該批半導體激光器仍在老化中。

壽命測試即為半導體激光器的工作壽命，有兩種考核方式：①半導體激光器在穩定電流條件下連續工作到其輸出功率下降到初始功率80%所需的時間；②穩定功率條件下，其閾值電流高于初始閾值一半所需的時間。導致激光器退化或失效的原因有很多，如不恰當的電流（電流過高或者連續寬脈沖電流）以及過高的溫度、污染腔面均可導致激光器的退化或者失效。當然，隨著工作時間的增長，非輻射復合不斷形成，這樣就降低了P-N結的注入效率，半導體激光器的特性逐漸“衰弱”，直至失效。

3.5 發散角的測量與分析

發散角對于激光而言，是評價其質量的重要參數。其發散特性有利于對激光的品質以及傳輸質量進行有效地評估。半導體激光器的光學諧振腔是由與P-N結垂直的自然解理面構成的。與P-N結垂直方向，即快軸發散角一般在40°左右，與P-N結平行方向，即慢軸發散角一般在6°～10°左右。對十只新型結構的半導體激光器進行遠場發散角測試，均在40°左右。圖8為遠場快軸發散角曲線。

圖8 遠場發散角曲線

4 結論

本文主要對一種新型C-Mount封裝結構進行了研究，此新型封裝結構的高功率半導體激光器可改變電極的的極性，更加方便于使用。通過進行大量的實測分析，包括P-V-I曲線、光譜圖、腔面檢測、光斑亮度及形狀、壽命測試等，在25℃、連續工作電流下，平均輸出功率達到8.65W，閾值電流1.40A，平均斜率效率為1.14W/A，平均波長為808.8nm，且經近1400h的老化試驗，未出現功率衰減以及COMD，明顯改善了傳統C-Moumt激光器結構的性能，具有更好的應用價值。

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