張哲銘，薄報(bào)學(xué)，張曉磊，顧華欣，劉力寧，徐雨萌，喬忠良，高 欣

(長(zhǎng)春理工大學(xué),高功率半導(dǎo)體激光國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長(zhǎng)春 130022)

1 引 言

隨著大功率半導(dǎo)體激光器的芯片加工與封裝技術(shù)的快速發(fā)展，其應(yīng)用范圍也日趨廣泛，進(jìn)而對(duì)大功率半導(dǎo)體激光器的可靠性要求日漸提高。在高功率半導(dǎo)體激光器(HPLD)的封裝過程中，減小封裝應(yīng)力有利于保證HPLD設(shè)計(jì)的優(yōu)良工作參數(shù)，減小由于封裝引入有源區(qū)的應(yīng)變及晶格缺陷，從而延長(zhǎng)激光器的使用壽命[1-4]。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者發(fā)表了大量研究應(yīng)力與半導(dǎo)體激光器器件性能的文獻(xiàn)，其中最有代表性的是德國的TOMM領(lǐng)導(dǎo)的課題組提出了諸如微區(qū)拉曼光譜、微區(qū)光致發(fā)光、電致發(fā)光光譜法等眾多方法[5-8]，其檢測(cè)原理是通過測(cè)量微米或納米級(jí)別有源區(qū)材料的帶隙變化或晶格變化，計(jì)算出由于封裝引入有源區(qū)的應(yīng)力大小。其優(yōu)點(diǎn)是可以探測(cè)出芯片每一個(gè)發(fā)光單元甚至各個(gè)點(diǎn)的應(yīng)力變化，分辨率最高可達(dá)納米級(jí)別。但由于其要求實(shí)驗(yàn)設(shè)備較為昂貴，測(cè)量方法較為繁瑣，且著重于理論研究，對(duì)大批量實(shí)際商業(yè)應(yīng)用涉及較少。

本文利用應(yīng)力與半導(dǎo)體能帶的關(guān)系，設(shè)計(jì)了一種快速有效的檢測(cè)半導(dǎo)體激光器巴條封裝應(yīng)力的實(shí)驗(yàn)裝置。通過理論推導(dǎo)封裝應(yīng)力對(duì)半導(dǎo)體激光器波長(zhǎng)、偏振的影響，并測(cè)量巴條各個(gè)單元偏振度、閾值電流的變化趨勢(shì)，較為詳細(xì)地解釋了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)證明，利用偏振法測(cè)量半導(dǎo)體激光器的封裝應(yīng)力是一種快捷而有效的試驗(yàn)方法。

2 應(yīng)變理論與分析

應(yīng)力會(huì)改變半導(dǎo)體材料的能帶結(jié)構(gòu)與帶隙寬度。在張應(yīng)力的情況下，半導(dǎo)體能帶中導(dǎo)帶下移，價(jià)帶上移，造成其禁帶寬度變窄從而激射波長(zhǎng)紅移；在壓應(yīng)力的情況下，造成帶隙寬度變寬，激射波長(zhǎng)藍(lán)移。在半導(dǎo)體材料的帶隙寬度隨應(yīng)力改變的同時(shí)，價(jià)帶底部也會(huì)發(fā)生微小變化。如圖1所示，C(Conduction band)為導(dǎo)帶，HH(Heavy hole)、LH(Light hole)和SO(Spin-orbit split band)分別為重空穴帶、輕空穴帶和自旋-軌道分裂帶。在壓應(yīng)變或無應(yīng)力狀態(tài)下，重空穴帶(HH)在上，輕空穴帶(LH)在下，由此被激發(fā)時(shí)，TE模占主導(dǎo)。封裝過后張應(yīng)力將導(dǎo)致LH上升，由此造成TE模減小TM模增大。

圖1 應(yīng)力對(duì)半導(dǎo)體能帶的影響[9-12]Fig.1 Effect of stress on semiconductor energy band[9-12]

在半導(dǎo)體激光器巴條封裝過程中，由于巴條寬度約為1 cm，腔長(zhǎng)為0.1～0.3 cm，長(zhǎng)寬比很大，為計(jì)算簡(jiǎn)便可用單軸應(yīng)力模型[9-10]：

ΔEhh,lh(ε)biaxial=

(1)

其中，ΔEhh,lh(ε)biaxial為應(yīng)變?cè)斐傻慕麕挾茸兓?，ε為封裝引入有源區(qū)的應(yīng)力，C11、C12分別為彈性勁度系數(shù)，a、b分別為靜壓形變勢(shì)和切形變勢(shì)。本實(shí)驗(yàn)采用巴條芯片為GaAs，其各項(xiàng)參數(shù)如下：a=-8.33,b=-1.7,C11=11.879,C12=5.376，由胡克定律整理可得

ΔEhh,lh(ε)biaxial=2.0357ε，

(2)

由于半導(dǎo)體激射波長(zhǎng)由禁帶寬度決定，代入上式即可得到波長(zhǎng)漂移與封裝應(yīng)力的關(guān)系：

(3)

半導(dǎo)體激光器在閾值以上工作時(shí)，由于熱效應(yīng)及載流子的重新分布，偏振特性不能準(zhǔn)確得出封裝引入的應(yīng)變量，而較小電流工作時(shí)的增益不足以補(bǔ)償腔內(nèi)損耗，即只有自發(fā)發(fā)射時(shí)，偏振特性才可以直接反映其受到的應(yīng)力變化。LD激射光束的偏振特性可用偏振度表示[6-8]：

(4)

ITE、ITM分別表示由光電二極管探測(cè)得出的TE、TM模光電流強(qiáng)度。對(duì)于同一個(gè)激光器，TE模和TM模的自發(fā)發(fā)射功率主要差別體現(xiàn)在發(fā)射速率與光子頻率不同。自發(fā)發(fā)射速率可表示為[11-12]：

(5)

(6)

(7)

其中d為有源區(qū)厚度。依據(jù)應(yīng)變與半導(dǎo)體激光器有源區(qū)的帶隙關(guān)系[10]，可推導(dǎo)出

ΔEj=ajε+bjε2,j=TE,TM，

(8)

當(dāng)測(cè)出封裝后巴條的偏振度變化后，通過對(duì)(4)、 (6)、(7)、(8)方程組求解就可得出封裝后引入有源區(qū)的應(yīng)變值。GaAs材料相關(guān)物理參數(shù)如表1所示。

表1 砷化鎵材料參數(shù)Tab.1 GaAs material parameters

本文建模采用巴條、銦焊料、銅熱沉三層結(jié)構(gòu)，具體實(shí)驗(yàn)參數(shù)及模型參照表2及圖2。設(shè)定環(huán)境溫度從銦焊料的熔點(diǎn)430 K降至室溫298 K。為了接近真實(shí)焊接情況以及避免模型無限轉(zhuǎn)動(dòng)，邊界約束條件選取A、B、C 3點(diǎn)，AB點(diǎn)連線與X軸平行，BC點(diǎn)連線與Y軸平行，B點(diǎn)約束X、Y、Z軸分量移動(dòng)，A點(diǎn)約束Y、Z軸分量移動(dòng)，C點(diǎn)約束Z軸分量移動(dòng)。

表2 模擬材料參數(shù)Tab.2 Material parameters for simulation

有關(guān)文獻(xiàn)表明，半導(dǎo)體材料的偏振特性僅由平面應(yīng)力影響，與垂直應(yīng)力無關(guān)，定義偏振等效應(yīng)力為Dop=δx-δz[13-15]。激光器芯片的前腔面應(yīng)力僅對(duì)器件的可靠性及COD閾值有較大影響[5]，故選取巴條有源區(qū)中心從左至右的路徑提取應(yīng)力變化情況(圖3)。

圖2 巴條模擬模型Fig.2 Laser bar simulation model

圖3 沿出光面有源區(qū)中心偏振等效應(yīng)力側(cè)向分布
Fig.3 Polarization equivalent stress lateral distribution along the surface active region

由模擬結(jié)果可知，芯片的偏振等效應(yīng)力在左右兩端急劇變化，兩端壓應(yīng)力為主，中心張應(yīng)力為主。這是由于在焊接溫度降至室溫的過程中，焊料兩端散熱較快首先凝固，而芯片材料的CTE系數(shù)比熱沉材料小，造成凝固后芯片兩端下壓中心向上翹曲，使得兩端以壓應(yīng)力為主，中心則以張應(yīng)力為主。

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

引起半導(dǎo)體激光器芯片應(yīng)力變化的原因有很多，本文著重研究由于封裝引起的封裝應(yīng)力，即從焊接溫度降至室溫時(shí)，由于半導(dǎo)體芯片與熱沉的熱膨脹(CTE)系數(shù)差異造成熱沉材料和芯片收縮程度不一致而產(chǎn)生的封裝應(yīng)力，使得半導(dǎo)體芯片晶格收縮或膨脹，進(jìn)而造成半導(dǎo)體能帶的改變，具體情況如圖1所示。

實(shí)驗(yàn)測(cè)試樣管為CS封裝798 nm波長(zhǎng)的19單元發(fā)光巴條。測(cè)試系統(tǒng)包括偏振片、柱透鏡、狹縫、光電二極管探測(cè)器，如圖4所示。為排除由于溫度升高所造成的熱應(yīng)力影響[16-17]，設(shè)定工作脈寬500 μs，占空比5%。CS封裝的巴條采用銦焊料P面向下封裝在銅熱沉上，腔面安裝快慢軸準(zhǔn)直鏡，底部為微通道板散熱，溫度設(shè)定為20 ℃。光束經(jīng)過偏振片后通過柱透鏡形成放大的巴條發(fā)光光斑。通過固定在多軸位移平臺(tái)上的狹縫，由移動(dòng)狹縫及光電二極管探測(cè)器獲得巴條側(cè)向光強(qiáng)分布。具體實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示。

圖4 偏振測(cè)量裝置圖Fig.4 Polarization measurement device

狹縫過小會(huì)造成探測(cè)器收集的光強(qiáng)過小，使得實(shí)驗(yàn)誤差較大；狹縫過大不能較好地分辨各個(gè)單元的光束，在能夠較好分辨出各個(gè)發(fā)光單元的光束且保證實(shí)驗(yàn)精度的情況下，將狹縫寬度定為100 μm。圖5為巴條成像光斑示意圖。在激光器閾值電流以上工作時(shí)，由于腔內(nèi)反射的原因，占主導(dǎo)的模式被無限擴(kuò)大，偏振度變化不能較好地反映應(yīng)力變化；電流過小，由于光電流的測(cè)量精度限制，會(huì)使得實(shí)驗(yàn)誤差較大，因此選取4 A為激光器測(cè)試工作電流。

圖5 巴條成像光斑示意圖Fig.5 Image of the bar graph image

本實(shí)驗(yàn)采用的激光器為TE模式，正常工作狀態(tài)下TE模占主導(dǎo)。如圖6所示，巴條偏振度顯示為兩端較高、中間較低的趨勢(shì)。由于測(cè)試光電流精度受到限制，造成圖中13～17單元偏振度趨于一致。2～4、13～18單元處偏振度急劇下降，說明此處受到較大的張應(yīng)力，利用偏振度計(jì)算可得出第4單元偏振等效應(yīng)力最大值為26.73 MPa；1與19單元偏振度較高，說明此處受到張應(yīng)力較小或受到壓應(yīng)力，使得TE模增強(qiáng)，TM模下降；中間各單元較為平緩，說明封裝應(yīng)力分布較為平均。

圖6 各發(fā)光單元偏振度曲線Fig.6 Polarization curve under 4 A

圖7為巴條各個(gè)發(fā)光單元峰值波長(zhǎng)分布圖。可以看出，2～4單元由于受到封裝應(yīng)力的影響波長(zhǎng)紅移至799.68 nm。通過公式(8)，可計(jì)算出應(yīng)力差為141.92 MPa，巴條整體波長(zhǎng)分布在799 nm附近，通過計(jì)算可得封裝應(yīng)力為42.30～141.92 MPa。

圖7 各發(fā)光單元波長(zhǎng)Fig.7 Wavelength of each light emitting unit

圖8 第4發(fā)光單元光譜Fig.8 The fourth light emitting unit spectrum

圖9 各發(fā)光單元閾值電流分布曲線Fig.9 Threshold current distribution curve of each light emitting unit

其中偏振度最低的第4發(fā)光單元的光譜如圖8所示。由于張應(yīng)力過大，輕空穴上升至重空穴之上，電子從導(dǎo)帶向下躍遷至價(jià)帶時(shí)，同時(shí)與輕、重空穴發(fā)生復(fù)合，故出現(xiàn)雙峰現(xiàn)象。有關(guān)文獻(xiàn)[15]表明，隨著張應(yīng)力的增大，芯片的激射波長(zhǎng)及閾值發(fā)生明顯的線性增大。結(jié)合圖2、6、7、9可知，張應(yīng)力與波長(zhǎng)及閾值電流成正相關(guān)，與偏振度成負(fù)相關(guān)，實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與理論較為吻合。造成應(yīng)力過大的原因可能是由于焊料未充分浸潤以及有細(xì)小空洞等。

4 結(jié) 論

半導(dǎo)體激光器芯片在封裝過程中引入較大的封裝應(yīng)力會(huì)對(duì)器件的偏振度、閾值電流、激射波長(zhǎng)等性能產(chǎn)生重要影響，并且由于封裝應(yīng)力過大可能會(huì)引起暗線缺陷等造成器件突然失效或使用壽命降低。本文通過半導(dǎo)體激光器波長(zhǎng)、偏振度與應(yīng)力的關(guān)系分析，并在實(shí)驗(yàn)中通過激光器閾值電流、波長(zhǎng)、偏振度分布測(cè)試，得出CS封裝巴條的封裝應(yīng)力(最大141.92 MPa)，偏振等效應(yīng)力最大為26.73 MPa，可能是由于焊料未充分浸潤等原因造成的。測(cè)試表明，器件在閾值以下的偏振度較好地反映了封裝應(yīng)力的分布趨勢(shì)，利用閾值電流以下測(cè)量器件的發(fā)光偏振特性，可以為選擇熱沉及焊料、焊接工藝參數(shù)的改進(jìn)等方面提供較為快捷而有效的評(píng)價(jià)手段。因此在封裝過程中，選擇合適的封裝工藝參數(shù)是保證器件性能的基本要求。

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張哲銘(1993-)，男，山西侯馬人，碩士研究生，2015年于長(zhǎng)春理工大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，主要從事半導(dǎo)體激光器方面的研究。

E-mail:zhangzhemingok@foxmail.com

高欣(1965-)，女，吉林省吉林市人，教授，博士生導(dǎo)師，2007年于長(zhǎng)春理工大學(xué)獲得博士學(xué)位，主要從事高功率半導(dǎo)體激光器物理與技術(shù)的研究。

E-mail:gaoxin@cust.edu.cn