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半導體激光器具有輸出波長范圍廣、結構簡單和易于集成等優勢，廣泛應用于醫療、傳感、光學通訊、軍事和航空航天等領域。本文主要介紹了半導體激光器的封裝結構及失效機理與典型案例分析及半導體激光器的發展趨勢。

一、封裝結構

半導體激光器，即采用半導體材料作為工作物質的激光器。其結構以半導體PN 結為主要工作區，在正向偏壓下，通過向激光器的PN 結有源區注入載流子，引起有源區內的載流子數反轉分布，位于導帶的電子與價帶的空穴在有源區進行復合，輻射出光子。半導體的兩端的解理面構成光學諧振腔，提供光學反饋和控制輸出光的方向與頻率。

圖1  半導體激光器結構圖

半導體激光器中的芯片主要通過薄膜沉積、勻膠顯影、金屬沉積、金屬刻蝕及去膠等步驟完成芯片的制作。

半導體激光器的封裝通常為全金屬化焊接的氣密性封裝結構，保證器件良好的氣密性及高可靠。半導體激光器的封裝形式通常為TO（同軸）封裝、插拔式同軸封裝、窗口式同軸封裝、尾纖式同軸封裝、蝶式封裝、氣密小室封裝、子載體封裝等。

半導體激光器的封裝工藝流程參考表1。

二、失效機理與案例分析

半導體激光器失效模式主要表現為工作期間無輸出光強，或在恒定驅動電流下輸出光功率退化失效，當輸出功率退化至特定閾值，就會導致激光器失效。

可靠性研究分析中心是國內最早專業從事電子元器件和各種電子產品失效分析技術研究和技術服務的權威機構。在對半導體激光器開展的失效分析工作中，經總結，半導體激光器的主要失效機理包括電極退化、歐姆接觸、腔面退化、環境污染等因素，失效機理介紹及相關案例如下文所示。

1）電極退化

電極退化通常發生在金屬與半導體材料的交界面，由于焊料材料擴散進半導體內部形成缺陷結構，大電流作用下導致缺陷位置熱量積累，最終燒毀附近的金屬化層[2]。

2）歐姆接觸

如果芯片和焊料存在較大的熱失配，激光器在焊接或工作時會導致材料界面產生應力集中，進而引起焊料開裂或芯片裂損。此外，在焊接激光器時，芯片和焊料間存在焊接空隙會導致激光器發生失效，同時焊接中的焊料溢出也易導致PN結短路[2]。

3）腔面退化

腔面退化是激光器區別于其他微電子器件的一個失效模式。由于激光器有源區材料中含有Al或In元素，且當芯片設計制造工藝均勻性或一致性較差時，Al、In元素在高功率工作下會發生融化或再結晶，導致腔面出現雜質或缺陷，從而使該區域溫度不斷升高，端面的電流密度繼續增大導致該區域溫度進一步升高，最終導致災變光學損傷[2]。

4）環境污染

環境污染是導致半導體激光器失效的外界因素，主要原因為灰塵、水汽、離子污染物等顆粒進入半導體激光器內部，附著在芯片表面引起短路或開路，最終導致器件失效。

三、半導體激光器發展趨勢

許多新的應用領域要求半導體激光器具有更高的輸出功率。增加輸出功率主要有兩種方式：

1）提高芯片生長技術從而增加單發射腔半導體激光器輸出功率。

2）提陣列高半導體激光器發光單元的個數從而提高輸出功率。為進一步提高光輸出功率，提出了多種封裝技術，其中包括多單管模組、水平疊陣、垂直疊陣、面陣。

大功率半導體激光器封裝技術中，主要有三個趨勢[4]。

（1）無銦化：銦焊料是最常用的焊料之一。由于銦焊料在高電流下易產生電遷移和電熱遷移的問題，影響半導體激光器的穩定性。通常采用金錫焊料封裝取代銦焊料封裝。

（2）高散熱：針對熱管理盡管已提出了多種散熱方式，例如金剛石傳導散熱和微通道散熱技術，如何提高散熱效率仍然是阻礙陣列半導體激光器高功率輸出的主要因素。熱應力通常是由于陣列激光器和襯底的熱膨脹系數（CTE）失配所導致。熱應力不僅限制了用于封裝的襯底材料/熱沉的選擇，而且影響半導體激光bar的可靠性、光譜寬度和光束的“smile”效應（各發射腔的近場非線性效應）。為了減小熱應力，目前通過采用高的熱傳導率和熱膨脹系數更加匹配的襯底/熱沉材料（無氧銅、純銀、金剛石、硅）。

（3）“無空洞”貼片技術：對于單陣列半導體激光器，由于陣列半導體激光器各個發光單元產生的熱量相互干擾和整體散熱不均勻，導致器件性能穩定性降低和限制功率上升；如果貼片層中存在空洞將明顯的影響陣列半導體激光的性能，包括輸出功率和可靠性等。現已有兩種降低貼片層中的空洞的方法：一種是在合理的控制環境溫度和壓力情況下使用貼片技術；另一種方法是真空回流技術。

四、結語

近年來，半導體激光器在醫療、傳感、光學通訊、軍事和航空航天等領域的應用市場不斷擴大，半導體激光器的種類和制造工藝也更加豐富多樣。本文通過針對半導體激光器的結構、工藝進行分析，對主要失效機理、典型失效形貌進行介紹，最后對半導體激光器的發展方向進行總結，期望能為從事半導體激光器研發、制造的技術人員提供幫助。

參考文獻

[1]半導體激光器封裝工藝與設備

[DB/OL].https://wenku.baidu.com/view/2f30fb32910ef12d2bf9e77a.html.

[2]    孫天宇,夏明俊,喬雷.半導體激光器失效機理與檢測分析研究進展[J/OL].激光與光電子學進展:1-19[2021-04-20].http://kns.cnki.net/kcms/detail/31.1690.TN.20210311.1626.039.html.

[3]    高松信, 魏彬, 呂文強, 等. 高功率二極管激光器失效特性研究[J]. 強激光與粒子束, 2005, 17(S0):97-100.

[4]    劉興勝, 王警衛, 張恩濤,等. 大功率半導體激光器封裝技術發展趨勢及面臨的挑戰[C]// 2009年先進光學技術及其應用研討會. 0.