袁慶賀， 張秋月， 井紅旗*， 仲 莉， 劉素平， 馬驍宇

(1. 中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所 光電子器件國家工程中心， 北京 100083;2. 中國科學(xué)院大學(xué) 材料科學(xué)與光電技術(shù)學(xué)院， 北京 100049)

1 引 言

隨著半導(dǎo)體激光技術(shù)的進(jìn)步和應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，大功率半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用覆蓋了眾多領(lǐng)域，成為光電子器件的核心。由于大功率半導(dǎo)體激光器具有體積小、質(zhì)量輕、轉(zhuǎn)換效率高、易于調(diào)制等優(yōu)點(diǎn)[1-2]，被廣泛應(yīng)用于通訊與存儲、激光醫(yī)療與美容、激光打標(biāo)與切割、材料加工和軍事等領(lǐng)域[3-4]。相比于傳統(tǒng)的固體和氣體激光器，半導(dǎo)體激光器具有較高的電光轉(zhuǎn)換效率，最高達(dá)80%[5]， 但在工作時仍會產(chǎn)生大量的熱，若不將這些多余的熱量及時散出，會嚴(yán)重影響器件的光電特性、空間特性和可靠性[6-10]，因此對半導(dǎo)體激光器的封裝工藝提出了較高的要求。

為了提高大功率半導(dǎo)體激光器巴條的可靠性及使用壽命，采用金錫焊料取代銦焊料作為封裝焊料。Au80Sn20焊料屬于硬焊料，其抗疲勞、抗蠕變性能優(yōu)異，屈服強(qiáng)度高，導(dǎo)熱性能好，無需助焊劑，也不存在嚴(yán)重的電遷移現(xiàn)象[11]，廣泛應(yīng)用于氣密封裝、射頻和微波封裝、發(fā)光二極管封裝等[12]。本文以本實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的百瓦級GaAs基半導(dǎo)體激光器巴條為基礎(chǔ)，在管式爐中進(jìn)行封裝實(shí)驗(yàn)，深入研究了不同燒結(jié)時間和爐管溫度對燒結(jié)質(zhì)量的影響，為使用管式爐進(jìn)行半導(dǎo)體激光器巴條批量生產(chǎn)提供實(shí)踐參考。

2 實(shí)驗(yàn)過程

2.1 管式爐介紹

如圖1所示，管式爐被廣泛應(yīng)用于材料或化學(xué)實(shí)驗(yàn)室，在真空或其他氣氛條件下燒結(jié)新材料。管式爐加熱溫區(qū)配備有熱電偶、數(shù)顯式智能調(diào)節(jié)器(PID)和可控硅組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)，采用高精度SCR控制器，精度為±1 ℃，并具有51段程序，可實(shí)現(xiàn)自動精確控溫，操作方便。

圖1 管式爐示意圖Fig.1 Tube furnace schematic

2.2 芯片制作

利用AIXTRON MOCVD設(shè)備，在GaAs襯底上生長出應(yīng)變量子阱大光腔808 nm激光器外延片，量子阱采用InGaAs材料，波導(dǎo)層和限制層采用具有不同Al組分的AlGaAs材料，外延層結(jié)構(gòu)見圖2。生長完成的外延片經(jīng)光刻、金屬化、減薄等工藝，做成具有19個發(fā)光區(qū)的半導(dǎo)體激光器巴條，填充因子為40%，腔長1 mm，前后腔面分別鍍增透膜和高反膜，單巴條脈沖條件下輸出功率大于100 W。

圖2 外延結(jié)構(gòu)Fig.2 Epitaxial structure

2.3 燒結(jié)工藝

本實(shí)驗(yàn)采用雙面金錫焊料燒結(jié)封裝半導(dǎo)體激光器巴條，結(jié)構(gòu)如圖3所示。從圖中可以看出，共有5層結(jié)構(gòu)，從下至上依次為WCu熱沉、Au80Sn20焊料、半導(dǎo)體激光器巴條、Au80Sn20焊料、WCu熱沉。將上述結(jié)構(gòu)依照次序放置到本實(shí)驗(yàn)室自行設(shè)計(jì)的燒結(jié)夾具上，放入管式爐進(jìn)行燒結(jié)。

實(shí)驗(yàn)過程中，為防止元器件在高溫下發(fā)生氧化，燒結(jié)時爐管內(nèi)通入保護(hù)氣氮?dú)猓獨(dú)獾牧髁繛?.2 L/min。金錫合金的熔點(diǎn)在共晶溫度附近對金錫配比非常敏感，當(dāng)金的組分比重大于80%時，隨著金組分比重的增加，熔點(diǎn)急劇提高。在燒結(jié)過程中被焊件金層的微量金熔入焊料，會使熔點(diǎn)迅速上升而凝固，不會使管芯移位，能夠承受隨后在相對低的溫度下的后續(xù)組裝工藝[13]。需要特別注意的是，應(yīng)防止過量的金熔入焊料，不然會導(dǎo)致凝固點(diǎn)明顯上升，引入較大焊裝應(yīng)力。通過前期的研究可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)爐體設(shè)定溫度較低(<650 ℃)時，焊料不能完全融化，導(dǎo)致焊接質(zhì)量差；而爐體設(shè)定溫度較高(>750 ℃)時，將造成芯片有源區(qū)損傷，導(dǎo)致結(jié)電壓偏小甚至短路。本文燒結(jié)實(shí)驗(yàn)首先在680，700，720 ℃3個溫度(均指爐體設(shè)定溫度，實(shí)際燒結(jié)溫度應(yīng)略高于AuSn焊料熔點(diǎn)，約280 ℃)條件下進(jìn)行，固定燒結(jié)時間為100 s，然后根據(jù)不同溫度下燒結(jié)樣品的檢測結(jié)果，確定最優(yōu)燒結(jié)溫度。在最優(yōu)燒結(jié)溫度下，分析不同燒結(jié)時間對燒結(jié)質(zhì)量的影響，采用的燒結(jié)時間分別為80,90,100 s。

圖3 半導(dǎo)體激光器巴條燒結(jié)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of soldered structure of semiconductor laser bars

3 器件測試與分析

3.1 X射線檢測

利用本實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的VJ Electronix公司生產(chǎn)的X射線檢測設(shè)備，對封裝完成的大功率半導(dǎo)體激光器巴條進(jìn)行X射線檢測。通過X射線檢測，可以直接觀測到燒結(jié)后的焊料是否完全熔化，熱沉與巴條是否充分浸潤，降溫后有無空洞的存在，從而判斷各條件下燒結(jié)質(zhì)量的好壞。對燒結(jié)時間為100 s、爐體設(shè)定溫度分別為680，700，720 ℃3個條件下的樣品進(jìn)行X射線檢測，結(jié)果如圖4所示。

金錫二元相圖較為復(fù)雜，存在大量中間相，在接近共晶配比處，AuSn合金由金錫中間相δ(AuSn)和密排六方相ζ(Au5Sn)組成[14]。由圖4(a)可以看出，在燒結(jié)時間為100 s、爐體設(shè)定溫度為680 ℃時，有大面積空洞出現(xiàn)。這是由于低溫?zé)Y(jié)時焊料熔化時間短，合金反應(yīng)不充分，Au和Sn兩種原子未能得到充分?jǐn)U散和結(jié)晶，形成密集分布的晶粒團(tuán)簇，從而導(dǎo)致焊料分布不均勻，有大量空洞產(chǎn)生[15]。當(dāng)爐體設(shè)定溫度上升至700 ℃時，從圖4(b)中可以看出，焊料已經(jīng)完全融化且與巴條浸潤良好，結(jié)構(gòu)致密，沒有空洞產(chǎn)生，表面也比較平坦光滑，說明此時燒結(jié)溫度適中。在爐體設(shè)定溫度為720 ℃高溫過燒時，由于合金晶粒在高溫下的不斷生長，會形成較大尺寸的枝狀晶，如圖4(c)所示，最終焊料層內(nèi)部出現(xiàn)較大的顆粒，形成較粗糙的表面形貌。因此，爐體溫度設(shè)定為700 ℃是適合的燒結(jié)溫度。

圖4 爐體設(shè)定溫度。(a)680 ℃，(b)700 ℃，(c)720 ℃，燒結(jié)時間100 s。Fig.4 Furnace set temperature. (a) 680 ℃. (b) 700 ℃. (c) 720 ℃. Soldered time 100 s.

3.2 光電特性

在3.1中，通過X射線檢測，對樣品的形貌進(jìn)行了初步的分析，可以發(fā)現(xiàn)爐管溫度太高或太低都會導(dǎo)致極薄的焊料層表面出現(xiàn)較大的顆粒，形成較粗糙的表面形貌，致使半導(dǎo)體激光器巴條燒結(jié)質(zhì)量較差。因此在接下來的工作中，主要針對爐體設(shè)定溫度為700 ℃時，不同燒結(jié)時間下的樣品進(jìn)行測試分析。

燒結(jié)時間是影響半導(dǎo)體激光器的燒結(jié)質(zhì)量的一個重要因素，對不同燒結(jié)時間下封裝的半導(dǎo)體激光器巴條樣品，利用大功率半導(dǎo)體激光器參數(shù)測試儀(測試條件為：管座溫度25 ℃，脈沖寬度200 μs，重復(fù)頻率50 Hz)，測量額定輸出功率為100 W時的其他光電參數(shù)，詳細(xì)結(jié)果見表1。

表1給出了爐體設(shè)定溫度700 ℃，燒結(jié)時間分別為100，90，80 s樣品的光電特性參數(shù)。從表中可以看出，燒結(jié)時間分別為100，90，80 s的樣品的閾值電流分別為21.1，19.1，20.2 A，百瓦級輸出時的斜率效率分別為1.14，1.16，1.14 W/A，燒結(jié)時間為90 s的樣品的閾值電流和斜率效率均優(yōu)于燒結(jié)時間為100 s和80 s的樣品。從表1中可以發(fā)現(xiàn)，燒結(jié)時間分別為100 s和80 s的樣品，百瓦級功率輸出時的斜率效率均為1.14 W/A，且閾值電流分別為21.1 A和20.2 A，但燒結(jié)時間為100 s的樣品的輸出功率卻略高于燒結(jié)時間為80 s的樣品，這與閾值電流和輸出功率的對應(yīng)關(guān)系相矛盾，考慮是由于測試誤差引起的。燒結(jié)時間為90 s的樣品的微分電阻最小，為5.2 mΩ，相應(yīng)地其光電轉(zhuǎn)換效率也最高，為48.7%。同時，從表1中可以得出，隨著燒結(jié)時間的增加，半導(dǎo)體激光器巴條的平均結(jié)電壓降低，考慮是由于燒結(jié)時間過長，導(dǎo)致引入較大的應(yīng)力，對器件有源區(qū)造成了損傷。

表1 100 W半導(dǎo)體激光器巴條光電參數(shù)Tab.1 Optoelectronic parameters of 100 W semiconductor laser bars

圖5 封裝前和爐體溫度700 ℃，不同燒結(jié)時間光譜圖。(a)封裝前；(b)80 s；(c)90 s；(d)100 s。Fig.5 Pre-packaged and furnace temperature 700 ℃, spectra of different soldering times. (a) Pre-package. (b) 80 s. (c) 90 s. (d) 100 s.

測量封裝前后峰值波長的變化是半導(dǎo)體激光應(yīng)力分析的常用手段，因此為了更好地驗(yàn)證上述結(jié)論，即當(dāng)燒結(jié)時間過長時，會引入較大的應(yīng)力，對器件有源區(qū)造成損傷，導(dǎo)致半導(dǎo)體激光器巴條結(jié)電壓降低甚至短路，分別測量了焊裝前后的光譜，具體見圖5。圖5(a)表示同一批次、同一片號半導(dǎo)體激光器巴條封裝前的光譜，其峰值波長為808.8 nm，圖5(b)、(c)、(d)表示爐體設(shè)定溫度700 ℃，燒結(jié)時間分別為80，90，100 s的樣品的光譜，其峰值波長分別為809,811.3,813 nm，紅移量分別為0.2,2.5,4.2 nm。紅移量的多少表示引入應(yīng)力的大小，紅移越多，說明引入的應(yīng)力越大，對器件造成的損傷越大[16-17]。從前述內(nèi)容可知，增加燒結(jié)時間，紅移量增加，說明此時引入了較大的應(yīng)力，對器件有源區(qū)造成損傷，與結(jié)電壓隨燒結(jié)時間的變化相對應(yīng)，更好地驗(yàn)證了半體激光器巴條結(jié)電壓的降低甚至短路，是由于焊裝應(yīng)力引起的。

3.3 Smile效應(yīng)分析

大功率半導(dǎo)體激光器巴條由多個發(fā)光區(qū)組成，其工作時由于熱應(yīng)力的存在，導(dǎo)致各發(fā)光區(qū)不在同一條直線上，這種發(fā)光區(qū)整體彎曲的現(xiàn)象稱為smile效應(yīng)[18-19]。smile效應(yīng)的存在會使光束質(zhì)量變差。通過分析半導(dǎo)體激光器巴條的smile效應(yīng)，可以反映出由于封裝工藝所引入應(yīng)力的大小，對優(yōu)化封裝參數(shù)起重要作用。

直接測量10 mm 長度的發(fā)光單元在垂直于 P-N 結(jié)方向發(fā)生的偏移量d<10 μm是非常困難的，因此采用對半導(dǎo)體激光器巴條發(fā)光腔面成像放大的方法[20]。測量系統(tǒng)如圖6所示，典型快軸準(zhǔn)直鏡(FAC)透鏡[21]有效焦距小于1 mm，快軸方向準(zhǔn)直光束，光束全寬0.8 mm，發(fā)散角5 mrad，準(zhǔn)直后光束包含了95%的激光能量，對出射激光在慢軸方向無影響，焦距為fc。柱面鏡對慢軸進(jìn)行一定程度準(zhǔn)直，最后半導(dǎo)體激光器巴條發(fā)光圖案成像在接收屏上。實(shí)驗(yàn)中對 smile 效應(yīng)在接收屏上的像Δy進(jìn)行觀察記錄。

半導(dǎo)體激光器巴條實(shí)際smile 效應(yīng)的大小Δy0可利用下列公式[22]計(jì)算得出：

fc/Δy0=z/Δy，

(1)

式(1)中，z為屏與快軸準(zhǔn)直鏡之間的距離。

圖6 半導(dǎo)體激光器巴條smile測量系統(tǒng)Fig.6 Semiconductor laser bar smile measurement system

根據(jù)上述半導(dǎo)體激光器巴條smile測量系統(tǒng)，對爐體設(shè)定溫度700 ℃，燒結(jié)時間分別為100,90,80 s 3個條件下的樣品進(jìn)行測試，測試結(jié)果如圖7所示。

圖7 爐體設(shè)定溫度700 ℃，燒結(jié)時間100 s(a)、90 s(b)、80 s(c)的smile效應(yīng)成像。Fig.7 Smile effect imaging of furnace set temperature 700 ℃ and soldered time 100 s(a)， 90 s(b)， 80 s(c).

通過分析接收屏上像的彎曲，利用式(1) 計(jì)算相應(yīng)半導(dǎo)體激光器巴條的的實(shí)際彎曲值。實(shí)驗(yàn)時快軸準(zhǔn)直透鏡的焦距fc=0.9 mm，屏與快軸準(zhǔn)直鏡之間的距離z=1 200 mm。經(jīng)計(jì)算可得，爐體設(shè)定溫度700 ℃，燒結(jié)時間為100,90,80 s的smile效應(yīng)值分別為45,7.5,13.5 μm。從上述的計(jì)算結(jié)果可知，燒結(jié)時間100 s的樣品smile效應(yīng)值為80 s的6倍，而燒結(jié)時間為90 s的樣品smile效應(yīng)值約為80 s的2倍，與2.2中半導(dǎo)體激光器巴條的結(jié)電壓隨燒結(jié)時間的增加而降低相對應(yīng)。從圖中可以看出，燒結(jié)時間過長會引入較大的應(yīng)力，不僅會對半導(dǎo)體激光器巴條造成損傷，而且會影響其光學(xué)特性。

綜合分析3.2與3.3，管式爐中半導(dǎo)體激光器巴條封裝，適合的工藝條件為爐體設(shè)定溫度700 ℃，燒結(jié)時間90 s，可以得到較高的封裝質(zhì)量。

4 結(jié) 論

本文對大功率半導(dǎo)體激光器巴條的燒結(jié)工藝進(jìn)行研究，通過管式爐進(jìn)行燒結(jié)實(shí)驗(yàn)，對比分析了不同溫度、不同時間對燒結(jié)質(zhì)量的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)溫度過低時焊料不能完全融化，致使有大量空洞產(chǎn)生；溫度過高會對半導(dǎo)體激光器巴條產(chǎn)生損傷，導(dǎo)致結(jié)電壓偏低甚至短路。根據(jù)smile效應(yīng)檢測結(jié)果可知，燒結(jié)時間過長或過短均會產(chǎn)生巨大應(yīng)力，導(dǎo)致光學(xué)特性嚴(yán)重惡化。在管式爐中進(jìn)行半導(dǎo)體激光器巴條燒結(jié)適合的工藝條件為爐體設(shè)定溫度700 ℃，燒結(jié)時間90 s。該結(jié)果為以后的半導(dǎo)體激光器的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)提供了重要的參考依據(jù)。