半导体激光器巴条封装应力及评价

张哲铭，薄报学，张晓磊，顾华欣，刘力宁，徐雨萌，乔忠良，高 欣

(长春理工大学,高功率半导体激光国家重点实验室，吉林 长春 130022)

1 引 言

随着大功率半导体激光器的芯片加工与封装技术的快速发展，其应用范围也日趋广泛，进而对大功率半导体激光器的可靠性要求日渐提高。在高功率半导体激光器(HPLD)的封装过程中，减小封装应力有利于保证HPLD设计的优良工作参数，减小由于封装引入有源区的应变及晶格缺陷，从而延长激光器的使用寿命[1-4]。

近年来，国内外学者发表了大量研究应力与半导体激光器器件性能的文献，其中最有代表性的是德国的TOMM领导的课题组提出了诸如微区拉曼光谱、微区光致发光、电致发光光谱法等众多方法[5-8]，其检测原理是通过测量微米或纳米级别有源区材料的带隙变化或晶格变化，计算出由于封装引入有源区的应力大小。其优点是可以探测出芯片每一个发光单元甚至各个点的应力变化，分辨率最高可达纳米级别。但由于其要求实验设备较为昂贵，测量方法较为繁琐，且着重于理论研究，对大批量实际商业应用涉及较少。

本文利用应力与半导体能带的关系，设计了一种快速有效的检测半导体激光器巴条封装应力的实验装置。通过理论推导封装应力对半导体激光器波长、偏振的影响，并测量巴条各个单元偏振度、阈值电流的变化趋势，较为详细地解释了实验数据。实验证明，利用偏振法测量半导体激光器的封装应力是一种快捷而有效的试验方法。

2 应变理论与分析

应力会改变半导体材料的能带结构与带隙宽度。在张应力的情况下，半导体能带中导带下移，价带上移，造成其禁带宽度变窄从而激射波长红移；在压应力的情况下，造成带隙宽度变宽，激射波长蓝移。在半导体材料的带隙宽度随应力改变的同时，价带底部也会发生微小变化。如图1所示，C(Conduction band)为导带，HH(Heavy hole)、LH(Light hole)和SO(Spin-orbit split band)分别为重空穴带、轻空穴带和自旋-轨道分裂带。在压应变或无应力状态下，重空穴带(HH)在上，轻空穴带(LH)在下，由此被激发时，TE模占主导。封装过后张应力将导致LH上升，由此造成TE模减小TM模增大。

图1 应力对半导体能带的影响[9-12]Fig.1 Effect of stress on semiconductor energy band[9-12]

在半导体激光器巴条封装过程中，由于巴条宽度约为1 cm，腔长为0.1～0.3 cm，长宽比很大，为计算简便可用单轴应力模型[9-10]：

ΔEhh,lh(ε)biaxial=

(1)

其中，ΔEhh,lh(ε)biaxial为应变造成的禁带宽度变化量，ε为封装引入有源区的应力，C11、C12分别为弹性劲度系数，a、b分别为静压形变势和切形变势。本实验采用巴条芯片为GaAs，其各项参数如下：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)

由于半导体激射波长由禁带宽度决定，代入上式即可得到波长漂移与封装应力的关系：

(3)

半导体激光器在阈值以上工作时，由于热效应及载流子的重新分布，偏振特性不能准确得出封装引入的应变量，而较小电流工作时的增益不足以补偿腔内损耗，即只有自发发射时，偏振特性才可以直接反映其受到的应力变化。LD激射光束的偏振特性可用偏振度表示[6-8]：

(4)

ITE、ITM分别表示由光电二极管探测得出的TE、TM模光电流强度。对于同一个激光器，TE模和TM模的自发发射功率主要差别体现在发射速率与光子频率不同。自发发射速率可表示为[11-12]：

(5)

(6)

(7)

其中d为有源区厚度。依据应变与半导体激光器有源区的带隙关系[10]，可推导出

ΔEj=ajε+bjε2,j=TE,TM，

(8)

当测出封装后巴条的偏振度变化后，通过对(4)、 (6)、(7)、(8)方程组求解就可得出封装后引入有源区的应变值。GaAs材料相关物理参数如表1所示。

表1 砷化镓材料参数Tab.1 GaAs material parameters

本文建模采用巴条、铟焊料、铜热沉三层结构，具体实验参数及模型参照表2及图2。设定环境温度从铟焊料的熔点430 K降至室温298 K。为了接近真实焊接情况以及避免模型无限转动，边界约束条件选取A、B、C 3点，AB点连线与X轴平行，BC点连线与Y轴平行，B点约束X、Y、Z轴分量移动，A点约束Y、Z轴分量移动，C点约束Z轴分量移动。

表2 模拟材料参数Tab.2 Material parameters for simulation

有关文献表明，半导体材料的偏振特性仅由平面应力影响，与垂直应力无关，定义偏振等效应力为Dop=δx-δz[13-15]。激光器芯片的前腔面应力仅对器件的可靠性及COD阈值有较大影响[5]，故选取巴条有源区中心从左至右的路径提取应力变化情况(图3)。

图2 巴条模拟模型Fig.2 Laser bar simulation model

图3 沿出光面有源区中心偏振等效应力侧向分布
Fig.3 Polarization equivalent stress lateral distribution along the surface active region

由模拟结果可知，芯片的偏振等效应力在左右两端急剧变化，两端压应力为主，中心张应力为主。这是由于在焊接温度降至室温的过程中，焊料两端散热较快首先凝固，而芯片材料的CTE系数比热沉材料小，造成凝固后芯片两端下压中心向上翘曲，使得两端以压应力为主，中心则以张应力为主。

3 实验与结果分析

引起半导体激光器芯片应力变化的原因有很多，本文着重研究由于封装引起的封装应力，即从焊接温度降至室温时，由于半导体芯片与热沉的热膨胀(CTE)系数差异造成热沉材料和芯片收缩程度不一致而产生的封装应力，使得半导体芯片晶格收缩或膨胀，进而造成半导体能带的改变，具体情况如图1所示。

实验测试样管为CS封装798 nm波长的19单元发光巴条。测试系统包括偏振片、柱透镜、狭缝、光电二极管探测器，如图4所示。为排除由于温度升高所造成的热应力影响[16-17]，设定工作脉宽500 μs，占空比5%。CS封装的巴条采用铟焊料P面向下封装在铜热沉上，腔面安装快慢轴准直镜，底部为微通道板散热，温度设定为20 ℃。光束经过偏振片后通过柱透镜形成放大的巴条发光光斑。通过固定在多轴位移平台上的狭缝，由移动狭缝及光电二极管探测器获得巴条侧向光强分布。具体实验装置如图4所示。

图4 偏振测量装置图Fig.4 Polarization measurement device

狭缝过小会造成探测器收集的光强过小，使得实验误差较大；狭缝过大不能较好地分辨各个单元的光束，在能够较好分辨出各个发光单元的光束且保证实验精度的情况下，将狭缝宽度定为100 μm。图5为巴条成像光斑示意图。在激光器阈值电流以上工作时，由于腔内反射的原因，占主导的模式被无限扩大，偏振度变化不能较好地反映应力变化；电流过小，由于光电流的测量精度限制，会使得实验误差较大，因此选取4 A为激光器测试工作电流。

图5 巴条成像光斑示意图Fig.5 Image of the bar graph image

本实验采用的激光器为TE模式，正常工作状态下TE模占主导。如图6所示，巴条偏振度显示为两端较高、中间较低的趋势。由于测试光电流精度受到限制，造成图中13～17单元偏振度趋于一致。2～4、13～18单元处偏振度急剧下降，说明此处受到较大的张应力，利用偏振度计算可得出第4单元偏振等效应力最大值为26.73 MPa；1与19单元偏振度较高，说明此处受到张应力较小或受到压应力，使得TE模增强，TM模下降；中间各单元较为平缓，说明封装应力分布较为平均。

图6 各发光单元偏振度曲线Fig.6 Polarization curve under 4 A

图7为巴条各个发光单元峰值波长分布图。可以看出，2～4单元由于受到封装应力的影响波长红移至799.68 nm。通过公式(8)，可计算出应力差为141.92 MPa，巴条整体波长分布在799 nm附近，通过计算可得封装应力为42.30～141.92 MPa。

图7 各发光单元波长Fig.7 Wavelength of each light emitting unit

图8 第4发光单元光谱Fig.8 The fourth light emitting unit spectrum

图9 各发光单元阈值电流分布曲线Fig.9 Threshold current distribution curve of each light emitting unit

其中偏振度最低的第4发光单元的光谱如图8所示。由于张应力过大，轻空穴上升至重空穴之上，电子从导带向下跃迁至价带时，同时与轻、重空穴发生复合，故出现双峰现象。有关文献[15]表明，随着张应力的增大，芯片的激射波长及阈值发生明显的线性增大。结合图2、6、7、9可知，张应力与波长及阈值电流成正相关，与偏振度成负相关，实验测试结果与理论较为吻合。造成应力过大的原因可能是由于焊料未充分浸润以及有细小空洞等。

4 结 论

半导体激光器芯片在封装过程中引入较大的封装应力会对器件的偏振度、阈值电流、激射波长等性能产生重要影响，并且由于封装应力过大可能会引起暗线缺陷等造成器件突然失效或使用寿命降低。本文通过半导体激光器波长、偏振度与应力的关系分析，并在实验中通过激光器阈值电流、波长、偏振度分布测试，得出CS封装巴条的封装应力(最大141.92 MPa)，偏振等效应力最大为26.73 MPa，可能是由于焊料未充分浸润等原因造成的。测试表明，器件在阈值以下的偏振度较好地反映了封装应力的分布趋势，利用阈值电流以下测量器件的发光偏振特性，可以为选择热沉及焊料、焊接工艺参数的改进等方面提供较为快捷而有效的评价手段。因此在封装过程中，选择合适的封装工艺参数是保证器件性能的基本要求。

[1] 王立军,宁永强,秦莉,等.大功率半导体激光器研究进展 [J].发光学报,2015,36(1):1-19.

WANG L J,NING Y Q,QIN L,etal..Development of high power diode laser [J].Chin.J.Lumin.,2015,36(1):1-19.(in Chinese)

[2] 陈华,李静,周兴林,等.封装热应力致半导体激光器“Smile”效应的抑制方法 [J].发光学报,2017,38(5):655-661.

CHEN H,LI J,ZHOU X L,etal..Measures to reduce smile effect of semiconductor laser diode arrays caused by packaging thermal stress [J].Chin.J.Lumin.,2017,38(5):655-661.(in Chinese)

[3] 王文知,井红旗,祁琼,等.大功率半导体激光器可靠性研究和失效分析 [J].发光学报,2017,38(2):165-169.

WANG W Z,JING H Q,QI Q,etal..Reliability test and failure analysis of high power semiconductor laser [J].Chin.J.Lumin.,2017,38(2):165-169.(in Chinese)

[4] 王昭,雷军,谭昊,等.基于mini-bar的二极管激光器焊接实验研究 [J].强激光与粒子束,2016,28(8):9-12.

WANG Z,LEI J,TAN H,etal..Experimental investigation on diode laser bonding based on mini-bars [J].HighPowerLaserandParticleBeams,2016,28(8):9-12.(in Chinese)

[5] TOMM J W,ZIEGLER M,OUDART M,etal..Gradual degradation of GaAs-based quantum well lasers,creation of defects,and generation of compressive strain [J].PhysicaStatusSolidiApplications&Materials,2010,206(8):1912-1915.

[6] TOMM J W,TIEN T Q,CASSIDY D T.Spectroscopic strain measurement methodology:degree of polarization photoluminescenceversusphotocurrent spectroscopy [J].Appl.Phys.Lett.,2006,88(13):133504.

[7] TOMM J W,GERHARDT A,MÜLLER R,etal..Spatially resolved spectroscopic strain measurements on high-power laser diode bars [J].J.Appl.Phys.,2003,93(3):1354-1362.

[8] TOMM J W,GERHARDT A,ELSAESSER T,etal..Simultaneous quantification of strain and defects in high-power diode laser devices [J].Appl.Phys.Lett.,2002,81(17):3269-3271.

[9] LARRY A C,SCOTT W C,MILAN L M.DiodeLasersandPhotonicIntegratedCircuits[M].Hoboken:John Wiley Sons,2012.

[10] BIR G,GE P.Symmetry and strain-induced effects in semiconductors [J].Neurobiol.Aging,1974,37(4):S274.

[11] 王烨,张岩,秦莉,等.高功率半导体激光器列阵封装引入应变的测量 [J].光学 精密工程,2010,18(9):1951-1958.

WANG Y,ZHANG Y,QIN L,etal..Measurement of packaging-induced strain in high power diode laser bar [J].Opt.PresionEng.,2010,18(9):1951-1958.(in Chinese)

[12] 郭长志.半导体激光器能带结构和光增益的量子理论 [M].北京：科学出版社,2016.

GUO C Z.TheQuantumTheoryofBandStructureandLightGainofSemiconductorLasers[M].Beijing:Science Press,2016.(in Chinese)

[13] LECLECHJ,CASSIDY D T,LARUELLE F,etal..Residual mechanical stress decrease in GaAs-based laser diodesviaa bi-material investigation [J].SPIE,2011,8080:808006-1-9.

[14] LECLECH J,CASSIDY D T,BIET M,etal..GaAs-based laser diode bonding-induced stress investigation by means of simulation and degree of polarization of photoluminescence measurements [C].InternationalConferenceonThermal,Mechanical&Multi-PhysicsSimulation,andExperimentsinMicroelectronicsandMicrosystems,IEEE,Bordeaux,France,2010:1-6.

[15] ZHU H,LIU K,XIONG C,etal..The effect of external stress on the properties of AlGaAs/GaAs single quantum well laser diodes [J].Microelectron.Reliab.,2015,55(1):62-65.

[16] 倪羽茜,井红旗,孔金霞,等.高功率半导体激光器陶瓷封装散热性能研究 [J].发光学报,2016,37(5):561-566.

NI Y X,JING H Q,KONG J X,etal..Thermal performance of high-powersemiconductor laser packaged by ceramic submount [J].Chin.J.Lumin.,2016,37(5):561-566.(in Chinese)

[17] 王淑娜,张普,熊玲玲,等.温度对高功率半导体激光器阵列“smile”的影响 [J].光子学报,2016,45(5):0514001.

WANG S N,ZHANG P,XIONG L L,etal..Influence of temperature on “smile” in high power diode laser bars [J].ActaPhoton.Sinica,2016,45(5):0514001.(in Chinese)

张哲铭(1993-)，男，山西侯马人，硕士研究生，2015年于长春理工大学获得学士学位，主要从事半导体激光器方面的研究。

E-mail:zhangzhemingok@foxmail.com

高欣(1965-)，女，吉林省吉林市人，教授，博士生导师，2007年于长春理工大学获得博士学位，主要从事高功率半导体激光器物理与技术的研究。

E-mail:gaoxin@cust.edu.cn