新型单发射腔高功率半导体激光器封装结构特性研究

许佩东，张路，王斌，曲轶，王宪涛

（长春理工大学 理学院，长春 130022）

半导体激光器作为应用最为广泛的光电器件之一，随着其性能的改善与提高，以及生产成本的降低，并以亮度高、高功率、寿命长、光电转换效率高且性能稳定的优势逐渐被应用到更多的领域，如航天、军事以及医疗领域。对半导体激光器的要求也愈来愈高，尤其是输出功率以及散热问题方面，逐渐被人们所重视，如散热不均，对半导体激光器的寿命将产生致命的影响，严重的甚至会烧损激光器。因此，采用相应的封装形式对半导体激光器进行“制冷”是至关重要的，而且不同的封装结构、尺寸对激光器的散热性能有着不同的影响。目前，封装技术发展的主要趋势是：输出功率高、亮度高、无铟化封装且光谱窄。本文提出了一种新型C-Mount封装结构单发射腔，其输出功率为8W，波长为808nm的可改变电极极性的高功率半导体激光器，比传统C-Mount封装结构的光电转换效率高、性能更好更可靠，且又进一步的提高了输出功率，达到了良好的效果。

1 传统封装结构

C-Mount封装为工业中常用的封装模式，图1（a）为传统C-Mount封装结构，图1（b）为实物图，此结构采用808nm、8W的单管半导体激光器芯片，热沉为导热系数良好的无氧铜，焊料为热膨胀系数以及热应力相对适合的焊料，热沉与电极飘带之间有匹配的衬底作为绝缘材料，该结构具有良好的散热性以及稳定的输出功率，其特点是将芯片贴在过渡热沉上，利用金属薄膜焊料将其倒装焊接在铜热沉上，最后通过金丝键合完成其封装结构的制作。其中，右侧电极飘带为正极，左侧电极飘带为负极。

图1 传统C-Mount封装结构以及实物图

2 新型封装结构

图2（a）为正负极可变的新型C-Mount封装结构，热沉不带电，左正右负，材料与制作过程均与传统结构相同。

图2 新型C-Mount封装结构介绍以及实物图

1、7为左右两侧电极飘带，2、6为热沉主体两侧凸台，3、5、4分别为两侧金属层及中心金属层，1、2与6、7之间存有绝缘的缝隙，3、4、5金属层之间相互绝缘，且以陶瓷衬底作为绝缘载体，金属层材料为金锡焊料。若需改变电极，则只需改变金丝键合位置即可。图2（b）、（c）、（d）为另外三种不同电极方向的新型结构。在图2（a）的基础上，将1、2金丝键合，得到热沉与左侧飘带带正电，右侧为负电结构，如图2（b）所示。将1和3、4和5以及5和7金丝键合，得到如图2（c）所示的热沉不带电，左负右正的结构，在此基础上，将6、7键合，即可得到图2（d）热沉带电，左负右正的结构。图2（e）为实物图。可根据实际需要，通过改线的方式对合适的结构进行选择。

3 特性分析

通过P-V-I测试曲线、数据对比、光谱光斑测试、腔面检测、寿命测试以及发散角测试，对新型封装结构半导体激光器进行特性分析。

3.1 P-V-I测试

对10个传统结构与10个新型结构的平均数据进行P-V-I（功率-电压-电流）曲线测试，图3为P-V-I曲线测试图。

图3 P-V-I测试曲线及数据

通过功率测试仪对其进行测试，在CW条件下，P-V-I曲线中的功率随电流的增加呈线性增长。

图4为传统结构与新型封装结构半导体激光器的平均数据对比图。

图4 平均数据对比图

在相同温度、电流的条件下，新型结构的半导体激光器具有较低的工作电流、阈值电流以及相对较高的光电转换效率。半导体激光器为典型的阈值器件，当电流较小时，有源区不能实现粒子数反转，自发辐射占主导地位，激光器没有输出功率，当电流增加至一定值时，有源区实现粒子数反转，受激辐射占主导地位，会出现输出功率，发射出光谱尖锐、模式明确的激光，这个电流值即为阈值电流。谐振腔的长短是影响阈值电流的大小，谐振腔越长，相对阈值电流越大，谐振腔越短，相对阈值电流就越小。阈值电流Ith为半导体激光器开始产生激光的最小电流，阈值电流受温度影响，其关系为：

式中，Ith(T)为在温度为T时的阈值电流；Ith(Tr)为室温下的阈值电流，为定值；Ts为阈值电流的特征温度。

影响激光器阈值的主要有以下三点因素：①器件的结构；②有源区材料；③激光器工作温度。当电流较小时，在有源区中不会发生粒子数的反转，但随着电流的逐渐增大，粒子数发生反转，因此受激辐射占据了主导地位，当电流达到一定值（即阈值电流），才会出现功率以及明显的光谱，随着电流的增大，功率呈现线性增长。此外，有源区的温度影响着激光器的特性，随着有源区温度的增加，阈值电流呈指数形式增长，电光转换效率呈指数形式下降，亦会使激光器的寿命缩短，非复合辐射会导致COMD等问题。

3.2 光谱测试以及光斑图像

通过光谱测试仪对其进行光谱测试，测试结果如图5（a）所示。

图5 新型封装光谱测试图及光斑图像

通过光谱图可以看出，光谱曲线为单峰，峰值波长为808.73nm，半高宽（FWHM）为1.98，中心波长为808.59nm。此外，在输出功率8W的条件下，光斑非常均匀如图5（b）所示。随着温度的升高、功率的增加，所对应的激射波长会逐渐变长，对于808nm的激光器而言，温度每升高1℃，波长飘移0.28nm。

3.3 芯片腔面检测

在金相显微镜放大200倍的条件下，对半导体激光器芯片进行检测，检测内容有以下四点：①是否有焊料溢出到发光区；②芯片是否凸出或凹陷；③芯片是否发生倾斜；④表面是否发生脱落。

通过对半导体激光器芯片检测可以看出，此新型封装结构焊接区均匀，如图6所示。

图6 半导体激光器腔面图像

如若在封装过程中出现缺陷，即会形成非辐射复合中心，会增加光吸收，进而造成阈值电流上升，量子效率下降，导致输出功率的下降。随着非辐射复合吸收能量的增加，非辐射复合将能量传递给电子，形成晶格振动，会使附近结构发生改变，从而会形成新的缺陷，最终会使其失效。

3.4 寿命测试

寿命测试试验共选取了10只新型封装结构的半导体激光器，在25℃，电流为9A条件下进行了长达1400h的寿命测试，如图7所示。

图7 寿命测试折线图

由图可见，经过近1400h老化试验，10只器件均无明显的功率衰减或灾变性光学腔面损伤（COMD）等失效现象。测试功率以及工作电流波动稳定在5%范围内。目前，该批半导体激光器仍在老化中。

寿命测试即为半导体激光器的工作寿命，有两种考核方式：①半导体激光器在稳定电流条件下连续工作到其输出功率下降到初始功率80%所需的时间；②稳定功率条件下，其阈值电流高于初始阈值一半所需的时间。导致激光器退化或失效的原因有很多，如不恰当的电流（电流过高或者连续宽脉冲电流）以及过高的温度、污染腔面均可导致激光器的退化或者失效。当然，随着工作时间的增长，非辐射复合不断形成，这样就降低了P-N结的注入效率，半导体激光器的特性逐渐“衰弱”，直至失效。

3.5 发散角的测量与分析

发散角对于激光而言，是评价其质量的重要参数。其发散特性有利于对激光的品质以及传输质量进行有效地评估。半导体激光器的光学谐振腔是由与P-N结垂直的自然解理面构成的。与P-N结垂直方向，即快轴发散角一般在40°左右，与P-N结平行方向，即慢轴发散角一般在6°～10°左右。对十只新型结构的半导体激光器进行远场发散角测试，均在40°左右。图8为远场快轴发散角曲线。

图8 远场发散角曲线

4 结论

本文主要对一种新型C-Mount封装结构进行了研究，此新型封装结构的高功率半导体激光器可改变电极的的极性，更加方便于使用。通过进行大量的实测分析，包括P-V-I曲线、光谱图、腔面检测、光斑亮度及形状、寿命测试等，在25℃、连续工作电流下，平均输出功率达到8.65W，阈值电流1.40A，平均斜率效率为1.14W/A，平均波长为808.8nm，且经近1400h的老化试验，未出现功率衰减以及COMD，明显改善了传统C-Moumt激光器结构的性能，具有更好的应用价值。

参考文献

［1］ Hsu C L，Liu C S，Lu D Y，et al.Package on package devices and methods of packaging semiconductor dies：US，8981559 B2［P］.2015：3-5.

［2］ 倪羽茜，井红旗，孔金霞，等.高功率半导体激光器陶瓷封装散热性能研究［J］.发光学报，2016，37（5）：46-52.

［3］ 王宪涛.一种新型C-Mount单发射腔半导体激光器：中国，201610833435.3［P］.2016-9-20.289-314.

［4］ 王文.高功率半导体激光器封装热特性的分析研究［D］.长春：长春理工大学，2014.

［5］ Pimoff.W，Erbert.G，Klen.A，et al.Mounting of laser bars on copper heat sinks using Au/Sn solder and CuW submounts［C］.IEEE Electronic，Germany，2002.

［6］ Krause V，KoestersA，Koenig H，etal.Brilliant High-PowerDiodeLasersbasedonBroadArea Lasers［J］.SPIE，2008，27（4）：1567-1579.

［7］ 韩立，徐莉，李洋，等.基于C-mount封装的半导体激光器热特性模拟分析［J］.长春理工大学学报：自然科学版，2016，39（3）：27-31.

［8］ 张彦鑫，王警卫，吴迪，等.一种新型大功率单发射腔半导体激光器及其特性［J］.中国激光，2010，37（5）：1186-1191：5-7.

［9］ 魏光华.功率半导体激光器芯片封装结构可靠性研究［D］.北京：北京工业大学，2013.

［10］ Bao L，Leisher P，Wang J，et al.High reliability and high performance of 9xx-nm single emitter laser diodes［C］.International Society for Optics and Photonics.San Francisco California，SPIE，USA，2011.

［11］ 公彬彬.激光光束发散角测量［D］.长春：长春理工大学，2009.

［12］ 王昭.高功率二极管激光器Au80Sn20焊料制备及焊接工艺研究［D］.绵阳：中国工程物理研究院，2012.

［13］ 黄波，陈金强，杨凯，等.用于大功率半导体激光器封装的Au-Sn合金焊料的制备和特性研究［J］.长春理工大学学报：自然科学版，2007，42（03）：3-4.

［14］ 王文，许留洋，王云华，等.热沉尺寸对半导体激光器有源区温度的影响［J］.半导体光电，2013，34（5）：8-9.

［15］ 马祥柱.基于C-Mount热沉封装不同激光器芯片尺寸热分析［D］.长春：长春理工大学，2011.