許佩東，張路，王斌，曲軼，王憲濤

（長春理工大學 理學院，長春 130022）

半導體激光器作為應用最為廣泛的光電器件之一，隨著其性能的改善與提高，以及生產(chǎn)成本的降低，并以亮度高、高功率、壽命長、光電轉換效率高且性能穩(wěn)定的優(yōu)勢逐漸被應用到更多的領域，如航天、軍事以及醫(yī)療領域。對半導體激光器的要求也愈來愈高，尤其是輸出功率以及散熱問題方面，逐漸被人們所重視，如散熱不均，對半導體激光器的壽命將產(chǎn)生致命的影響，嚴重的甚至會燒損激光器。因此，采用相應的封裝形式對半導體激光器進行“制冷”是至關重要的，而且不同的封裝結構、尺寸對激光器的散熱性能有著不同的影響。目前，封裝技術發(fā)展的主要趨勢是：輸出功率高、亮度高、無銦化封裝且光譜窄。本文提出了一種新型C-Mount封裝結構單發(fā)射腔，其輸出功率為8W，波長為808nm的可改變電極極性的高功率半導體激光器，比傳統(tǒng)C-Mount封裝結構的光電轉換效率高、性能更好更可靠，且又進一步的提高了輸出功率，達到了良好的效果。

1 傳統(tǒng)封裝結構

C-Mount封裝為工業(yè)中常用的封裝模式，圖1（a）為傳統(tǒng)C-Mount封裝結構，圖1（b）為實物圖，此結構采用808nm、8W的單管半導體激光器芯片，熱沉為導熱系數(shù)良好的無氧銅，焊料為熱膨脹系數(shù)以及熱應力相對適合的焊料，熱沉與電極飄帶之間有匹配的襯底作為絕緣材料，該結構具有良好的散熱性以及穩(wěn)定的輸出功率，其特點是將芯片貼在過渡熱沉上，利用金屬薄膜焊料將其倒裝焊接在銅熱沉上，最后通過金絲鍵合完成其封裝結構的制作。其中，右側電極飄帶為正極，左側電極飄帶為負極。

圖1 傳統(tǒng)C-Mount封裝結構以及實物圖

2 新型封裝結構

圖2（a）為正負極可變的新型C-Mount封裝結構，熱沉不帶電，左正右負，材料與制作過程均與傳統(tǒng)結構相同。

圖2 新型C-Mount封裝結構介紹以及實物圖

1、7為左右兩側電極飄帶，2、6為熱沉主體兩側凸臺，3、5、4分別為兩側金屬層及中心金屬層，1、2與6、7之間存有絕緣的縫隙，3、4、5金屬層之間相互絕緣，且以陶瓷襯底作為絕緣載體，金屬層材料為金錫焊料。若需改變電極，則只需改變金絲鍵合位置即可。圖2（b）、（c）、（d）為另外三種不同電極方向的新型結構。在圖2（a）的基礎上，將1、2金絲鍵合，得到熱沉與左側飄帶帶正電，右側為負電結構，如圖2（b）所示。將1和3、4和5以及5和7金絲鍵合，得到如圖2（c）所示的熱沉不帶電，左負右正的結構，在此基礎上，將6、7鍵合，即可得到圖2（d）熱沉帶電，左負右正的結構。圖2（e）為實物圖?？筛鶕?jù)實際需要，通過改線的方式對合適的結構進行選擇。

3 特性分析

通過P-V-I測試曲線、數(shù)據(jù)對比、光譜光斑測試、腔面檢測、壽命測試以及發(fā)散角測試，對新型封裝結構半導體激光器進行特性分析。

3.1 P-V-I測試

對10個傳統(tǒng)結構與10個新型結構的平均數(shù)據(jù)進行P-V-I（功率-電壓-電流）曲線測試，圖3為P-V-I曲線測試圖。

圖3 P-V-I測試曲線及數(shù)據(jù)

通過功率測試儀對其進行測試，在CW條件下，P-V-I曲線中的功率隨電流的增加呈線性增長。

圖4為傳統(tǒng)結構與新型封裝結構半導體激光器的平均數(shù)據(jù)對比圖。

圖4 平均數(shù)據(jù)對比圖

在相同溫度、電流的條件下，新型結構的半導體激光器具有較低的工作電流、閾值電流以及相對較高的光電轉換效率。半導體激光器為典型的閾值器件，當電流較小時，有源區(qū)不能實現(xiàn)粒子數(shù)反轉，自發(fā)輻射占主導地位，激光器沒有輸出功率，當電流增加至一定值時，有源區(qū)實現(xiàn)粒子數(shù)反轉，受激輻射占主導地位，會出現(xiàn)輸出功率，發(fā)射出光譜尖銳、模式明確的激光，這個電流值即為閾值電流。諧振腔的長短是影響閾值電流的大小，諧振腔越長，相對閾值電流越大，諧振腔越短，相對閾值電流就越小。閾值電流Ith為半導體激光器開始產(chǎn)生激光的最小電流，閾值電流受溫度影響，其關系為：

式中，Ith(T)為在溫度為T時的閾值電流；Ith(Tr)為室溫下的閾值電流，為定值；Ts為閾值電流的特征溫度。

影響激光器閾值的主要有以下三點因素：①器件的結構；②有源區(qū)材料；③激光器工作溫度。當電流較小時，在有源區(qū)中不會發(fā)生粒子數(shù)的反轉，但隨著電流的逐漸增大，粒子數(shù)發(fā)生反轉，因此受激輻射占據(jù)了主導地位，當電流達到一定值（即閾值電流），才會出現(xiàn)功率以及明顯的光譜，隨著電流的增大，功率呈現(xiàn)線性增長。此外，有源區(qū)的溫度影響著激光器的特性，隨著有源區(qū)溫度的增加，閾值電流呈指數(shù)形式增長，電光轉換效率呈指數(shù)形式下降，亦會使激光器的壽命縮短，非復合輻射會導致COMD等問題。

3.2 光譜測試以及光斑圖像

通過光譜測試儀對其進行光譜測試，測試結果如圖5（a）所示。

圖5 新型封裝光譜測試圖及光斑圖像

通過光譜圖可以看出，光譜曲線為單峰，峰值波長為808.73nm，半高寬（FWHM）為1.98，中心波長為808.59nm。此外，在輸出功率8W的條件下，光斑非常均勻如圖5（b）所示。隨著溫度的升高、功率的增加，所對應的激射波長會逐漸變長，對于808nm的激光器而言，溫度每升高1℃，波長飄移0.28nm。

3.3 芯片腔面檢測

在金相顯微鏡放大200倍的條件下，對半導體激光器芯片進行檢測，檢測內容有以下四點：①是否有焊料溢出到發(fā)光區(qū)；②芯片是否凸出或凹陷；③芯片是否發(fā)生傾斜；④表面是否發(fā)生脫落。

通過對半導體激光器芯片檢測可以看出，此新型封裝結構焊接區(qū)均勻，如圖6所示。

圖6 半導體激光器腔面圖像

如若在封裝過程中出現(xiàn)缺陷，即會形成非輻射復合中心，會增加光吸收，進而造成閾值電流上升，量子效率下降，導致輸出功率的下降。隨著非輻射復合吸收能量的增加，非輻射復合將能量傳遞給電子，形成晶格振動，會使附近結構發(fā)生改變，從而會形成新的缺陷，最終會使其失效。

3.4 壽命測試

壽命測試試驗共選取了10只新型封裝結構的半導體激光器，在25℃，電流為9A條件下進行了長達1400h的壽命測試，如圖7所示。

圖7 壽命測試折線圖

由圖可見，經(jīng)過近1400h老化試驗，10只器件均無明顯的功率衰減或災變性光學腔面損傷（COMD）等失效現(xiàn)象。測試功率以及工作電流波動穩(wěn)定在5%范圍內。目前，該批半導體激光器仍在老化中。

壽命測試即為半導體激光器的工作壽命，有兩種考核方式：①半導體激光器在穩(wěn)定電流條件下連續(xù)工作到其輸出功率下降到初始功率80%所需的時間；②穩(wěn)定功率條件下，其閾值電流高于初始閾值一半所需的時間。導致激光器退化或失效的原因有很多，如不恰當?shù)碾娏鳎娏鬟^高或者連續(xù)寬脈沖電流）以及過高的溫度、污染腔面均可導致激光器的退化或者失效。當然，隨著工作時間的增長，非輻射復合不斷形成，這樣就降低了P-N結的注入效率，半導體激光器的特性逐漸“衰弱”，直至失效。

3.5 發(fā)散角的測量與分析

發(fā)散角對于激光而言，是評價其質量的重要參數(shù)。其發(fā)散特性有利于對激光的品質以及傳輸質量進行有效地評估。半導體激光器的光學諧振腔是由與P-N結垂直的自然解理面構成的。與P-N結垂直方向，即快軸發(fā)散角一般在40°左右，與P-N結平行方向，即慢軸發(fā)散角一般在6°～10°左右。對十只新型結構的半導體激光器進行遠場發(fā)散角測試，均在40°左右。圖8為遠場快軸發(fā)散角曲線。

圖8 遠場發(fā)散角曲線

4 結論

本文主要對一種新型C-Mount封裝結構進行了研究，此新型封裝結構的高功率半導體激光器可改變電極的的極性，更加方便于使用。通過進行大量的實測分析，包括P-V-I曲線、光譜圖、腔面檢測、光斑亮度及形狀、壽命測試等，在25℃、連續(xù)工作電流下，平均輸出功率達到8.65W，閾值電流1.40A，平均斜率效率為1.14W/A，平均波長為808.8nm，且經(jīng)近1400h的老化試驗，未出現(xiàn)功率衰減以及COMD，明顯改善了傳統(tǒng)C-Moumt激光器結構的性能，具有更好的應用價值。

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