【正文】 研究 高質(zhì)量的外延材料生長是最基本而又關(guān)鍵的器件制備基礎(chǔ)。高性能的外延材料體現(xiàn)在器件較低的閾值電流密度、高的量子效率、小的串聯(lián)電阻和低的內(nèi)部缺陷密度。高性能的外延設(shè)備是獲得高質(zhì)量外延材料的重要前提。我公司將利用MOCVD制備各種高功率半導(dǎo)體激光器材料。工藝穩(wěn)定性也是材料生長需要解決的一個問題，以有利于提高器件性能的穩(wěn)定性和一致性，同時有利于生產(chǎn)成本的降低。 主要研究：針對公司現(xiàn)有產(chǎn)品性能和應(yīng)用目標(biāo)的之間的差距（例：半高寬度、量子效率、光斑等）進(jìn)行技術(shù)突破：主要有高功率半導(dǎo)體激光器無鋁量子阱（GaInAsP材料體系）有源區(qū)的優(yōu)化、激光器橫向結(jié)構(gòu)優(yōu)化、外延材料生長條件的優(yōu)化、量子阱生長界面的優(yōu)化、外延結(jié)構(gòu)生長的均勻性和重復(fù)性、材料特性分析和評價等。 ①量子阱的生長條件優(yōu)化 有源區(qū)采用的是GaInP/InGaAsP無鋁應(yīng)變單量子阱,是激光器的核心，既要考慮激射波長，又要考慮器件可靠性和壽命的要求，還要考慮到對光學(xué)模式的適當(dāng)控制。為了選擇最佳的有源區(qū)，需要進(jìn)行多項結(jié)構(gòu)設(shè)計和生長工藝優(yōu)化，如材料組分、V/III比、生長溫度、應(yīng)變控制與晶格匹配、量子阱的生長界面及其氣體轉(zhuǎn)換（涉及界面組分突變及As、P的記憶效應(yīng)）。另外，對635nm激光器而言，AlGaInP/GaInP量子阱的應(yīng)變需要優(yōu)化進(jìn)行波長控制，同時防止晶格馳豫。 ②AlGaInP外延材料生長技術(shù) 光限制層AlGaInP材料的p型摻雜直接決定載流子的符合效率，特別是635nm激光器，為此我們采用Mg摻雜技術(shù)，即可以得到高的空穴濃度，也降低摻雜劑的擴(kuò)散效應(yīng)。我們的808與635nm激光器都采用AlGaInP材料體系，降低了材料研發(fā)難度，同時，也與我們公司大批量生產(chǎn)的紅色LED采用一樣的材料，使得我們較全面地掌握了該材料體系的生長規(guī)律。 光學(xué)限制層的優(yōu)化：優(yōu)化限制層厚度主要有以下幾個優(yōu)點：首先能夠節(jié)省外延生長時間和源材料；其次由于半導(dǎo)體材料的熱導(dǎo)率不是很高，優(yōu)化限制層能夠有效地減少結(jié)構(gòu)的熱阻；摻雜工藝：雜質(zhì)在半導(dǎo)體材料中起著重要的作用，采取鎂摻雜代替鋅摻雜技術(shù)，降低雜質(zhì)擴(kuò)散，獲得理想的摻雜分布，可以說，沒有精確的半導(dǎo)體外延摻雜工藝，就沒有高性能的量子阱激光器。 低成本高功率半導(dǎo)體激光器芯片制作技術(shù)理論研究 主要研究：高致密性SiOSi3N4沉積技術(shù)，高選擇比光刻腐蝕工藝、新型腔面膜層結(jié)構(gòu)設(shè)計、鍍膜工藝、腔面鈍化處理技術(shù)、激光器無吸收腔面窗口技術(shù)、優(yōu)化歐姆接觸電極制作工藝。①半導(dǎo)體工藝中絕緣膜的沉積技術(shù)是一項非常關(guān)鍵的技術(shù)，它決定了器件等效電路的實現(xiàn)。因此介質(zhì)膜的致密性和均勻性對器件的性能具有很大的影響。同時絕緣膜的低的散熱特性也是需要考慮的因素，因此需要設(shè)計并優(yōu)化介質(zhì)膜的致密性和厚度，提高器件的可靠性。我們利用高性能的PECVD沉積設(shè)備設(shè)計優(yōu)化SiOSi3N4等不同成分的絕緣膜，獲得性能良好的絕緣介質(zhì)膜。②高選擇比的光刻腐蝕工藝。我們根據(jù)材料的特性，選擇優(yōu)化不同溶液配比的腐蝕液，同時優(yōu)化光刻工藝，實現(xiàn)器件工藝的精確控制。③腔面膜層結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計、鍍膜工藝的優(yōu)化。在激光器腔面鍍光學(xué)膜，不僅能夠改善激光器的性能，同時還能保護(hù)腔面不受污染和氧化。我們設(shè)計優(yōu)化了αSi:H/Al2O3低光學(xué)吸收膜系結(jié)構(gòu)，減小高折射率材料的膜層電場分布，控制膜層熱量產(chǎn)生，采用等離子體增強(qiáng)磁控濺射沉積技術(shù)（ECR）提高膜層的密度，光學(xué)監(jiān)控和晶控技術(shù)精確監(jiān)控膜層厚度，制備高損傷閾值光學(xué)膜。同時設(shè)計研制HfO2/SiO2材料系的前后腔面膜。在腔面膜和襯底之間引入一層過渡層,解決腔面膜附著力不好的問題。④半導(dǎo)體激光器芯片在解理時會在端面留下許多表面態(tài)，這些表面態(tài)很容易與氧、水蒸汽發(fā)生反應(yīng)，使端面氧化，形成非輻射復(fù)合中心，從而吸收激光，端面的溫度升高，端面溫度的增加會使腔面附近的禁帶寬度變窄，致使激光更容易被吸收，導(dǎo)致光學(xué)災(zāi)變損傷發(fā)生。采用激光器端面鈍化技術(shù)減小其表面態(tài)、界面態(tài)形成的非輻射復(fù)合中心的密度，提高半導(dǎo)體激光器的可靠性。 同時，我們采用新型解理技術(shù)，整個過程避免氧和其他雜質(zhì)的污染，有利于降低解理面的污染。同時采用電流非注入?yún)^(qū)，減少腔面附近的載流子濃度，降低表面復(fù)合電流，減少端面處的非輻射復(fù)合，降低腔面熱量的產(chǎn)生，從而提高損傷閾值。 高功率半導(dǎo)體激光器封裝技術(shù)理論研究 主要研究：半導(dǎo)體激光器用新型散熱熱沉設(shè)計與制作；高可靠性半導(dǎo)體激光器封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計；半導(dǎo)體激光器高質(zhì)量燒結(jié)工藝研究與改進(jìn)；新型焊料研究、光學(xué)整形技術(shù)；激光器老化條件優(yōu)化、壽命測試、篩選等。 封裝工藝主要有歐姆接觸工藝、低失配熱沉封裝工藝和低退化焊接工藝。半導(dǎo)體器件中焦耳熱是不可逆轉(zhuǎn)的能量損耗，如果這部分熱不能及時散出去，會引起激光器內(nèi)部溫度的升高，從而引發(fā)一系列與溫度有關(guān)的負(fù)反饋效應(yīng)，最終導(dǎo)致激光器的熱損壞。降低熱損耗對半導(dǎo)體激光器性能的影響是提高半導(dǎo)體激光器的重要因素。半導(dǎo)體材料與歐姆接觸金屬之間接觸不良，界面狀態(tài)不穩(wěn)定是歐姆接觸退化的主要原因。發(fā)展新型封裝結(jié)構(gòu)及高效散熱熱沉技術(shù)等是提高器件熱特性的重要途徑。 高功率半導(dǎo)體激光器列陣、模組封裝及可靠性研究 主要研究：半導(dǎo)體激光器功率衰減的失效機(jī)理、列陣模組的老化篩選研究；高亮度串聯(lián)封裝連續(xù)LD列陣以及大于50%占空比LD列陣研究；半導(dǎo)體激光器列陣的組合、特定偏振研究；微透鏡準(zhǔn)直、光纖整形技術(shù)、耦合技術(shù)；半導(dǎo)體激光器陣列紅移效應(yīng)的抑制方法。 半導(dǎo)體激光器的可靠性是影響器件實際應(yīng)用的決定性因素，采用真空焊接和微波等離子體技術(shù)去除激光芯片、焊料、熱沉表面的氧化層，提高焊接質(zhì)量、減少空洞率、增強(qiáng)器件壽命和可靠性，同時研究激光器失效機(jī)理、老化衰減等提高器件可靠性。 本實驗室將深入研究與分析半導(dǎo)體激光器的失效機(jī)理，如腔面退化機(jī)理、燒結(jié)工藝的影響、載流子復(fù)合與吸收的影響、制作工藝中引起的沾污與缺陷損傷、環(huán)境條件的影響等；建立適合于實際的如壽命考核等評價方法，研究提高產(chǎn)品可靠性的技術(shù)改進(jìn)措施，如篩選方法與老化條件、低電阻、低熱阻、高可靠性封裝技術(shù)以及COD閾值技術(shù)等。 關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新點 （一）關(guān)鍵技術(shù)無鋁量子阱有源區(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化和摻雜分布精確控制技術(shù) 量子阱有源區(qū)是半導(dǎo)體激光器最核心的結(jié)構(gòu)，我們擬設(shè)計新型激光器結(jié)構(gòu)，利用原有技術(shù)制作大功率半導(dǎo)體激光器。對于635nmLD采用GaInP/AlGaInP壓應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)，壓應(yīng)變使得輕重空穴分離及態(tài)密度的變化，使激光器易實現(xiàn)激射。調(diào)整Ga 和In的比例，控制應(yīng)變量在35％之間，此組份的變化也影響波長的變化，所以必須選擇合適的應(yīng)變量并輔以阱寬調(diào)整，才能控制波長在635附近。同時為限制住高能量電子，形成有效光激發(fā)必須依靠摻雜分布的精確控制。高的P型摻有利于電子的限制，可以有效提高激光器的性能，這對于635短波長激光器尤為重要，但是過高則會吸起強(qiáng)烈的光子吸收，反而會降低整體激光器的性能，為了揚長避短我公司設(shè)計了陡峭的摻雜分布和精確的分布控制，采用鎂摻雜代替鋅摻雜，大大降低摻雜源的擴(kuò)散距離，生長程序設(shè)計中考慮到不同濃度下的擴(kuò)散深度并給于修正，從而得到限制層內(nèi)高摻雜，波導(dǎo)層內(nèi)無雜質(zhì)的陡峭摻雜分布的外延材料，此舉有效提高了激光器的溫度特性和發(fā)光效率。對于808nmLD我公司采用InGaAsP/InGaP量子阱結(jié)構(gòu)設(shè)計，此結(jié)構(gòu)無鋁具有諸多優(yōu)點，但是此為雙三族雙五族的四元結(jié)構(gòu)，使得生長更難控制，如應(yīng)變量一定時，四元組份的自由度僅為一，另外還要考慮不同溫度時砷烷和磷烷的裂解效率變化和In的遷移率變化，生長過程必須嚴(yán)格控制In和Ga及As和P的比例并精確控制生長溫度，同時考慮氣流分配、反應(yīng)壓力等多項周邊因素保證量子阱結(jié)構(gòu)材料生長的重復(fù)性和一致性。 通過光偏振特性對量子阱結(jié)構(gòu)的優(yōu)化技術(shù) 量子阱結(jié)構(gòu)在激光器中的應(yīng)用不但可以改善半導(dǎo)體激光器的電特性,它對半導(dǎo)體激光器的激射過程、模式行為、閾值和溫度特性起決定性作用。 通過分析TE、TM模式的光躍遷動量矩陣元，不同的量子阱結(jié)構(gòu)，在相同載流子注入條件下計算TE、TM模式的光躍遷方程可得到兩種模式的光增益有較大的差別，這就造成了在相同的條件下，具有較大增益的模式更容易激發(fā)并且得到加強(qiáng)。因此通過控制量子阱的結(jié)構(gòu)可以方便的控制激光器的激射模式，保證光的偏振純度。 利用MOCVD設(shè)備制備高質(zhì)量激光器外延材料技術(shù) 激光器可以激射的重要條件之一是增益大于損耗，這使得外延材料的結(jié)晶質(zhì)量顯得尤為重要，當(dāng)材料內(nèi)部存在過多的缺限與雜質(zhì)則會產(chǎn)生強(qiáng)烈的吸收，使激光器的效率變低，發(fā)熱量變大，高的結(jié)溫會進(jìn)一步惡化激光器的各項性能。①界面轉(zhuǎn)換技術(shù)：利用MOCVD低壓生長的特性，通過程序各原材料的切換設(shè)計得到良好的異質(zhì)節(jié)界面。這一點對于808nmLD顯得更為重要，因為采用的InGaAsP/InGaP量子阱結(jié)構(gòu)涉及多項材料及界面的切換，特別是五族的砷磷轉(zhuǎn)換必須考慮到生長氛圍的記憶效應(yīng)以及不同三族源進(jìn)行入反應(yīng)室的速度。 ②優(yōu)化生長溫度:高溫生長時銦的遷移率大，有利于GaInP的無序生長，可以有效的降低閾值電流，但是過高的溫度則會使材料的缺限增多，過低的生長溫度則會形成GaInP的有序合金，使材料質(zhì)量變壞，同時過低的溫度也易在生長材料中引入氧等深能級雜質(zhì)，使閾值電流變大，采用不同生長溫度優(yōu)化并精確控溫，使用X光衍射及PL測試確定最佳的生長條件。 ③變速生長技術(shù)：不同生長速度各有優(yōu)缺點，快速生長可節(jié)約時間提高生產(chǎn)效率，結(jié)晶材料氧含量相對較低，但過快時又宜產(chǎn)生缺陷，特別是對于有In這樣大體積元素存在時，由于無足夠的遷移時間更易產(chǎn)生缺陷，而慢速生長效果與之相反，在808nmLD結(jié)構(gòu)設(shè)計中我們采用了快速和慢速生長相結(jié)合的方式,限制層采用快速生長而相對重要的量子阱采用慢速生長，并使用變速生長作為過渡找到效率和質(zhì)量的最佳配合。高損傷閾值的半導(dǎo)體激光器腔面光學(xué)膜蒸鍍技術(shù)腔面鍍膜是大功率半導(dǎo)體激光器制備工藝中最重要的環(huán)節(jié)之一, 它需要分別在兩腔面鍍上增透膜(AR)和高反膜(HR)。無論是單管還是列陣, AR, HR 對器件光電特性起著重要的作用: A、光學(xué)膜的質(zhì)量直接影響器件效率的高低。 B、改變AR 膜的反射率值, 可一定程度地調(diào)節(jié)最終的激射峰值波長。C、腔面光學(xué)膜也是器件的保護(hù)膜。激光器光功率密度比較大，腔面膜在高功率密度激光的作用下,由于近場的不均勻、局部過熱、氧化、腐蝕、介質(zhì)膜的針孔和雜質(zhì)等因素使腔面遭受損傷,增加表面態(tài)復(fù)合和光吸收,使注入電流密度增加,局部大量發(fā)熱,造成解理面局部熔融、分解,而且溫度的增加又使吸收系數(shù)加大,形成惡性循環(huán),最終導(dǎo)致災(zāi)變性的損傷,使器件完全失效。長期以來, 人們主要依靠蒸鍍法來鍍制用于精密光學(xué)的介質(zhì)薄膜。本項目組采用ECR和離子輔助鍍膜技術(shù)鍍膜方法。采用不銹鋼制造此鍍膜機(jī)的真空室, 真空性能好, 抽速快, 基片裝卸方便, 另外箱式的真空室結(jié)構(gòu)提供了長距離的鍍膜路程, 從而保證了多層膜系的均勻性。實驗室研發(fā)人員擬通過建立高功率半導(dǎo)體激光器腔面溫度分布模型、研究半導(dǎo)體激光器解理技術(shù)、探索新型腔面鈍化新工藝（如高質(zhì)量的氮離子鈍化工藝）、高質(zhì)量半導(dǎo)體激光器腔面成膜技術(shù)的研究。從理論與實踐兩方面進(jìn)行高效率半導(dǎo)體激光器腔面光學(xué)膜技術(shù)研究，以大幅度提高激光器的輸出功率，并與半導(dǎo)體激光器可靠性研究相結(jié)合，以大幅度提高半導(dǎo)體激光器的長期工作可靠性及工作壽命。 高質(zhì)量激光器封裝芯片燒結(jié)技術(shù) 大功率半導(dǎo)體激光器陣列工作時,管芯的溫度會很高, 而激光器管芯和焊料的熱膨脹系數(shù)差別很大, 當(dāng)激光器工作時, 激光器管芯和焊料之間的熱膨脹系數(shù)差異將導(dǎo)致激光器管芯的損壞。半導(dǎo)體激光器陣列組裝時, 由于陣列面積比單管面積大, 所以需要燒結(jié)的時間長, 在燒結(jié)過程中銦易氧化, 從而在表面形成氧化膜, 這層氧化膜的熔點很高, 一般的燒結(jié)溫度不會使焊料熔化, 管芯就會焊接不上, 如提高燒結(jié)溫度, 使氧化膜熔化, 激光器管芯就會受到損壞,而且高溫?zé)Y(jié)時, 會出現(xiàn)銦須引起激光器就短路, 或阻擋激光器腔面出光,使腔面燒毀。因此, 利用銦作為焊料需要選擇適當(dāng)?shù)闹竸┘昂芎玫膶嶋H封裝操作技巧。實驗室研發(fā)人員在激光器封裝過程中也使用金錫合金和、W/Cu 混合材料, 這兩種材料的熱膨脹系數(shù)與芯片相近的。這種材料在封裝無鋁結(jié)構(gòu)器件時特別適用,可有效提高半導(dǎo)體激光器的散熱和可靠性。低成本、高功率、高質(zhì)量的激光器階梯狀串聯(lián)封裝技術(shù) 激光器的集成封裝技術(shù)對激光器的性能影響至關(guān)重要，主要包括激光器的高散熱特性/集成度等。項目組采用激光器的冷卻塊成階梯型排列，每個階梯上安放一個或兩個單管激光器，然后通過快軸和慢軸壓縮，所用的單管激光器經(jīng)過一套光束整形系統(tǒng)（包括光束重排和聚焦）后輸出。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是每個激光器都是單管輸出，散熱方便，不用經(jīng)過水冷系統(tǒng)，只需要傳導(dǎo)冷卻或者風(fēng)冷就能實現(xiàn)溫度恒定。示意圖如下：圖31 激光器階梯狀串聯(lián)封裝技術(shù)示意圖先進(jìn)的、高效率的老化評價技術(shù)。 在大功率半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用中, 器件的可靠性是一個重要的技術(shù)指標(biāo)。因此, 可靠性和壽命測試的研究成為當(dāng)前器件實用化和產(chǎn)業(yè)化的重點之一。目前, 對半導(dǎo)體激光器可靠性測試一般采用電老化方法, 包括耐久性老化和加速老化兩種方式。采用加速老化方式可以縮短器件老化時間。通過對器件可靠性的測試可以預(yù)測器件在正常工作條件下的壽命。 檢驗器件的制作工藝。 在較短時間內(nèi)暴露器件的失效類型及形式, 便于對失效機(jī)理進(jìn)行研究, 找出失效原因, 淘汰早期失效產(chǎn)品。 測定器件的極限使用條件。 實驗室主要采用耐久性老化方式測試器件的壽命和可靠性, 目前開展了對器件加速老化方式的實驗研究，同時利用了熱阻測試法、節(jié)溫測試法等進(jìn)行了研究，且取得了良好的效果。 （二）創(chuàng)新點 低閾值、高效率應(yīng)變量子阱激光器外延材料規(guī)?；L技術(shù) 低Al光限制層與無鋁有源層結(jié)合的激光器結(jié)構(gòu)。相對全無鋁激光器結(jié)構(gòu)，解決了載流子泄露問題，相對于AlGaAs激光器結(jié)構(gòu)，解決了壽命核心問題；我們采用的結(jié)構(gòu)綜合了兩者的優(yōu)點，克服了器件缺點；同時采用非對稱波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，解決了激光器的效率、光斑等問題，提高激光器工作壽命和可靠性 抗老化、高質(zhì)量的新型腔面膜結(jié)構(gòu)設(shè)計、成膜技術(shù)和腔面處理技術(shù) 高可靠性激光器芯片制作技術(shù)：激光器表面致密絕緣層沉積技術(shù)、脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)GaAs去除技術(shù)、特