-

封装工艺对半导体激光器偏振特性的影响

2025-05-20

0 引 言

高功率半导体激光器由于体积小、效率高、寿命长、功率高等特点,被广泛应用于工业加工领域,其中高功率和高亮度是近年来对半导体激光器提出的迫切需求。通常,获得高功率激光有两种方案,一是cm-bar阵列激光器技术,二是多单管激光器技术。因cm-bar阵列激光器存在封装工艺难度高、耦合效率低、制冷系统复杂等缺点[1],难以满足激光加工低成本的需求,因此多单管激光器合束技术是获得高功率激光的首选方案。该技术主要采用空间合束和偏振合束,将多个半导体激光器输出的光束合成一束,然后通过光学系统聚焦耦合进光纤。偏振合束是利用偏振合束器将两束偏振态相互垂直的激光合成一束,在保持光束质量不变的情况下 使 功 率 密 度 加 倍,从 而 提 高 激 光 输 出 的 亮度[2-3]。两束激光具有相同的偏振态,分别经过快轴准直后,其中一束激光通过半波片将其偏振态旋转90°,然后经偏振合束器将两束偏振态相互垂直的激光束叠加[4]。由于偏振分束镜只能通过一种偏振状 态 的 光,因 此 提 高 偏 振 度 能 有 效 提 高 合 束效率。

国外半 导 体 激 光 器 偏 振 特 性 研 究 起 步 较 早,2008年,J.Wagner等人[5]为了提高量子级联激光器的功率,将两只激射波长为4.5~5μm 的量子级联激光器进行了偏振合束,偏振合束效率达到82%。近年来,国内在半导体激光器偏振研究方面也取得了长足进展,2012年,张凯平[6]研究了半导体激光器的偏振特性及其在光纤耦合中的应用,实验验证808nm 波长的量子阱半导体激光器连续输出功 率 2 W,横 电 (TE)模 偏 振 度 在 94% ~96%的范围内,通过偏振合束提高激光输出总功率。2014 年, 薛 常 佳[7] 对 波 长 905 nm、 功 率75 W 脉冲激光器偏振耦合进行了研究,测试该激光器偏振度为94.3%,提出采用薄膜型干涉偏振分束镜将两个偏振度垂直的激光器合成一束光,提高激光器总输出功率。2023年,张欢欢等人[8]对5只 COS封装的880nm、10 W 连续激光器进行偏振 测 试,TE 模 偏 振 度 测 试 结 果 为 86.45% ~89.51%。

影响半导体激光器芯片偏振特性的主要因素有两方面:一个是在芯片加工工艺过程中晶格缺陷产生的应力;另一个是在 COS封装工艺过程中对芯片产生的应力。封装工艺作为半导体激光器制作过程的关键环节,对激光器的性能具有决定性的影响,特别是偏振特性,作为衡量半导体激光器性能的重要指标,其稳定性和一致性直接关系到激光器的使用效果。深入研究封装工艺对半导体激光器偏振特性的影响,有助于更深入地理解封装过程中各种因素对偏振特性的作用机制,更能为优化封装工艺提高理论依据。本研究将通过分析封装结构、封装材料以及封装工艺参数等因素对偏振特性的影响,优化工艺,最大限度地提高激光器的性能。

1 理论分析

半导体激光器偏振特性有 TE 和横磁(TM)模式。能带结构受应变影响示意图如图1所示,电子跃迁发生在重空穴 (HH)时,这种跃迁的偏振是 TE 模式;电子跃迁发生在轻空穴 (LH)时,这种跃迁的偏振是 TM 模式。当量子阱层中存在压应变时,HH 会上升,LH 会下降,相当于增大了 TE模式的能量;当量子阱层中存在张应变时,LH 会 上 升,HH 会 下 降, 造 成 TE 模 式 减 弱,TM 模式光增强[9]。

图片

在应变量子阱半导体激光器材料中,由于晶格适配 (图2)可以给有源区造成压应变或张应变,从而改变能带结构,激光偏振特性有所变化。

图片

同样封装应力也会改变激光偏振特性。由于芯片与热沉材料的热膨胀系数不匹配、焊料熔点等因素,在芯片烧结时,温度的变化会引入应变 (ε),即

图片

式中:Δα为热沉与芯片热膨胀系数之差;ΔT 为焊料凝固温度和室温之差。所以芯片会受到热应力。这是理想化模型,未考虑降温过程中温度不均匀造成的芯片内部不同的应变以及烧结压力引起的应变。影响热应力的因素有:芯片与热沉热膨胀系数间的差异、焊料、烧结压力以及烧结参数等。

通过测量半导体激光器的偏振特性可以直接反应受到应力的情况。半导体激光器的偏振特性可用偏振度 (ρ)描述,即

图片

式中ITE 和ITM 分别为 TE模和 TM 模的光强。

本文通过研究不同材料热沉、焊料的厚度、组分、烧结压力和烧结曲线参数等减少烧结应力,提高激光器偏振特性[10]。

2 实验设计

2.1 热沉材料选型

热沉基本结构见图3,氮化铝或碳化硅上下两面覆有100μm 厚度的铜,正面有图形,且预制金锡焊料。

图片

主要使 用 两 种 热 沉 材 料 进 行 了 封 装 实 验 研究。表1是两种热沉材料和激光器芯片的热膨胀系数对比。

图片

对上述两种热沉封装的激光器芯片封装应力进行模拟,图4为 AlN 覆铜热沉封装激光器芯片应力模拟结果,芯片受应力最大约为8.16 MPa。图5为SiC覆铜热沉封装激光器芯片应力模拟结果,芯片应力最大约为8.98 MPa,AlN 覆铜热沉热膨胀系数与激光器芯片热膨胀系数相对更匹配,对芯片产生的应力更小。

图片
图片

2.2 焊料分析

半导体激光器封装焊料有硬焊料和软焊料,其典型焊料分别是金锡焊料和铟焊料。行业内,大功率单管激光器使用了可靠性高、不易氧化的金锡焊料。两者硬度性能比较见表2。

图片

从表2中可以看出金锡焊料的硬度远大于铟焊料,金锡焊料对热应力影响较大[11],导致芯片烧结后不能很好地释放热应力,需展开实验研究以减少烧结热应力。本研究中选用的四种金锡焊料厚度以及组分,见表3。

图片

2.3 烧结工艺研究

烧结热应力主要来自芯片与热沉间热膨胀系数不匹配,同时封装升降温过程中造成芯片内部温度的不均匀、烧结温度偏高、烧结过程中施加在芯片表面的压力都会造成应力应变。半导体激光器典型的烧结曲线如图6所示,优化烧结曲线参数主要包括升温速率、预热时间、烧结温度和降温速率等[12-13]。

图片

3 结果与讨论

根据激光偏振原理,建立了一套半导体激光器偏振测试系统[8],如图7所示,左侧是激光器,其发出的激光射到偏振片上后,偏振片在某一角度只允许透过一种偏振状态的光,在其旋转90°后,则只允许另一种偏振状态的光通过,再经过透镜汇聚,功率计接收全部激光测出功率,再通过式 (2)计算出偏振度。

图片

3.1 热沉材料优化结果

使用氮化铝覆铜热沉和碳化硅覆铜热沉,金锡焊料 Au组分77%~79%、焊料厚度6~8μm、烧结压力70gf (1gf=9.8mN)、预热10s、烧结温度330 ℃以及降温速率10℃/s条件下,分别封装10只25 W、976nm 单管半导体激光器,偏振度测试结果见表4,碳化硅热沉激光器和氮化铝热沉激光器偏振度均值分别为93.4%和95.5%。

图片

从表4可以看出,氮化铝覆铜热沉激光器偏振度明显高于碳化硅覆铜热沉激光器偏振度,平均值高出2.1%。这是因为砷化镓热膨胀系数为6.5×10-6。相比于氮化铝热沉,碳化硅热沉的热膨胀系数与芯片砷化镓材料差异大,烧结热应力偏大,且为张应力。根据激光偏振特性原理,张应力下激光TM 模式增强,封装后碳化硅覆铜热沉对芯片的张应力大于氮化铝覆铜热沉对芯片的张应力,所以采用氮化铝覆铜热沉封装单管半导体激光器。

3.2 焊料优化结果

使用氮化铝覆铜热沉,设计焊料分为表3中4种焊料,烧 结 压 力 70gf、预 热 10s、烧 结 温 度330 ℃以及降温速率10 ℃/s条件下,分别封装10只25 W、976nm 单管芯半导体激光器,偏振度测试结果见表5,4种焊料封装的激光器 TE 模偏振度均值分别为95.4%、95.7%、96.8%和94.2%。

图片

从表5中可以看出,金组分相同时,6~8μm厚度焊料激光器偏振度高;焊料厚度相同时,金组分为77%~79%焊料封装的激光器偏振度高。

3.3 烧结工艺优化结果

烧结压力分别设定为 30、50 和 70gf,在 30和50gf压力烧结条件下偏振度测试结果接近,压力增加到70gf时,烧结产生的应力增加,偏振度明 显 降 低。 烧 结 温 度 分 别 设 定 为 310、320 和330 ℃。烧结后观察焊料外观,310℃条件下焊料熔化状态差。330 ℃条件下焊料熔化较好,但是金锡焊料形成 Au5Sn相较多,此相弹性小,产生应力大,激光器偏振度较低。320 ℃烧结条件下,焊料熔化状态好,偏振度测试结果相对较高。预热时间分别设定为0、10和20s。在10和20s预熔条件下,激光器偏振度测试结果没有差异。在没有预热条件下,激光器偏振度偏低。预熔使得热沉、激光器芯片温度均匀性提高,减小烧结应力。降温速率分别设定为6、8和10℃/s,降温速率6℃/s时激光器偏振度明显优于10 ℃/s时激光器偏振度,说明降温速率低、热沉温度均匀性好,而降温速率6 ℃/s时的偏振度与8 ℃/s时的偏振度差异不大,说明两个条件下热沉均匀性相近无异,考虑工作效率,烧结条件选择6 ℃/s作为降温速率。使用氮化铝覆铜热沉,金锡焊料 Au组分77%~79%、焊料厚度6~8μm、设定三组烧结参数,分别封装10只25W、976nm 激光器,测试偏振度见表6,在相同烧结温度下,预热时间和降温速度组合实验中,三组偏振度均值分别为97.5%、98.2%和98.3%。设定三组烧结参数,如表7所示。

图片
图片

通 过 上 述 封 装 工 艺 优 化,采 用 COS 封 装 的25 W、976nm单管半导体激光器 TE 模偏振度有一定提高,从表6中分组3数据可以看出,偏振度达到97.9%~98.6%。一致性很好。由于芯片加工工艺过程和封装工艺过程中不能完全消除应力的影响,偏振度不能达到100%的理论值。

4 结 论

本文系统地研究了封装工艺对激光器偏振度的影响,选择了与半导体激光器芯片材料热膨胀系数匹配度高的氮化铝覆铜热沉,设计了金锡焊料厚度6~8μm 以及焊料金组分77%~79%,优化了烧结压力和烧结温度条件,设定烧结温度为320 ℃、预热时间为10s、降温速率为6℃/s等烧结工艺参数,所 封 装 的 单 管 半 导 体 激 光 器 偏 振 度 达 到97.9%~98.6%,减小了封装应力对半导体激光器偏振度的影响,提高了激光器的偏振度。在工业加工应用中,本研究可以提升半导体激光器的输出功率,对提高光纤耦合激光器的偏振合束效率以及功率稳定性具有重要意义。


分享