單模激光二極管

1、單模半導(dǎo)體激光二極管（濟南福來斯光電技術(shù)有限公司，）1 前言當(dāng)前人類正進入信息和智能化的時代。以光電子、微電子為基礎(chǔ)的通信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已成為高技術(shù)的核心，正在深刻地影響著國民經(jīng)濟、國防建設(shè)的各個領(lǐng)域，成為世界發(fā)達國家競相發(fā)展的高新技術(shù)，其中以半導(dǎo)體激光二極管起著舉足輕重的作用。2半導(dǎo)體激光器的制備工藝32，33半導(dǎo)體激光器的壽命與其制備工藝密切相關(guān)，每一步工藝都可能對其可靠性產(chǎn)生重大影響。為研究其壽命和失效機理，首先應(yīng)了解器件的制備工藝。盡管各種半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)設(shè)計不同，制作工藝存在差別，但都大同小異?；竟に噾?yīng)包括：襯底的選擇和制備、外延生長、化學(xué)腐蝕、擴散、電極制作、解理或劃片、裝架制管、

2、老化篩選、封裝耦合、終測等。2.1管芯制作工藝（前工藝）襯底是用于外延生長的基片。由于外延生長的質(zhì)量明顯地受襯底結(jié)晶質(zhì)量的影響，因此要求襯底應(yīng)該具備規(guī)定的晶向及一定的偏離范圍；一定的厚度；適宜的摻雜濃度；表面光亮、平整、無劃痕；內(nèi)部基本無位錯或是低位錯。這就需要選擇一定摻雜濃度的低腐蝕的單晶材料作襯底并對其進行精細(xì)拋光。外延生長就是在襯底片上生長多層的二元或多元化合物或合金（固溶體），以使其形成同質(zhì)結(jié)或異質(zhì)結(jié)。外延生長技術(shù)有液相外延（LPE）、氣相外延(VPE)、有機金屬化合物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)和分子束外延(MBE)等，它是決定器件性能、成品率和可靠性的關(guān)鍵工藝。化學(xué)腐蝕就是根據(jù)設(shè)計的

3、激光器結(jié)構(gòu)和所用半導(dǎo)體材料來制備所需各種形狀的重要工藝環(huán)節(jié)，選擇適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)腐蝕液。腐蝕液的選擇及腐蝕過程控制對器件的制備水平和可靠性有重要影響。擴散技術(shù)可以改變半導(dǎo)體材料的電學(xué)、光學(xué)性質(zhì)，是半導(dǎo)體器件制造中采用十分普遍的通用工藝，占有重要地位。電極制作又稱歐姆接觸制備是制造半導(dǎo)體激光器中看來簡單但十分重要的工藝。它的好壞不僅影響器件的電光轉(zhuǎn)換效率，而且關(guān)系到器件工作的熱狀態(tài)，直接影響到器件的可靠性和壽命。解理技術(shù)是將金屬化（歐姆接觸制作）后的外延片解理成單個管芯，并獲得平行反射腔面（即F-P腔）的一項技術(shù)。根據(jù)半導(dǎo)體晶體的特點，這些平行的端面容易用半導(dǎo)體晶體的解理面獲得。用金剛石刀在具有金屬電

4、極的外延片上沿解理面方向切劃，即可得到完全平行的腔鏡面，最后再金剛石刀或線鋸垂直于鏡面切割出所設(shè)計尺寸的單個芯片。半導(dǎo)體激光器的腔面質(zhì)量對器件的性能和可靠性都有很大影響。2.2半導(dǎo)體激光器的后工藝半導(dǎo)體激光器的后工藝主要包括選擇熱沉、燒焊、鍵合、耦合和封裝等。熱沉的選擇激光器工作時要發(fā)熱，為了使其能夠維持穩(wěn)定的輸出，必須散熱，而熱沉就是用于激光器工作時產(chǎn)生熱量消散的主要零部件。因此為了達到良好的散熱目的，必須對熱沉材料進行選擇。一方面，熱沉材料應(yīng)是熱良導(dǎo)體、不污染且與激光器管芯的物理性質(zhì)相匹配，主要是熱膨脹系數(shù)應(yīng)相同或接近；另一方面，還應(yīng)具有易于加工和與激光器管芯燒焊容易、可靠等特點。目前使用

5、的熱沉材料主要有無氧銅、硅、金剛石、純銀等。其中銅和硅用得較多。燒焊及其焊料燒焊就是將管芯焊接在熱沉上。目的是增加散熱能力，減少熱沉和管芯之間由于熱膨脹系數(shù)不同而造成的退化。燒焊方法很多，主要應(yīng)根據(jù)焊料性質(zhì)（如熔點、是否易氧化）及工藝要求而定。包括真空燒焊、惰性氣體保護燒焊以及直接燒焊等。不論何種方式都要求作到不能破壞解理面，溫度不能過高以及均勻沾潤等。焊料主要有純In、純Sn、Au-Sn或Au-Ge易熔合金，也有采用Pb-Sn（含Pb40%）合金的。鍵合鍵合是將50m左右的金絲或幾十m寬的金箔帶用超聲焊或熱壓焊，或兩者兼有的方法將電極連接到管芯上，以作電流注入的引線。焊點要牢固，但不能加壓太

6、厲害，否則在管芯內(nèi)會產(chǎn)生微損傷。耦合與封裝半導(dǎo)體激光器發(fā)散角大，直接使用不方便，因此需要將其光束耦合到光纖或經(jīng)過透鏡壓縮光斑后使用，這樣的工藝過程成為耦合過程。由于光纖很細(xì)，光束在垂直和平行方向上又不對稱，因此為了保證耦合效率，需要研究耦合問題，包括研究光纖斷面的形狀、光纖與激光器間的距離、高精度的耦合機械調(diào)整裝置等等。封裝的種類很多，但目前國內(nèi)外主要有蝶型(BTF)、TO、雙列直插和同軸型等。結(jié)構(gòu)是有光纖耦合輸出和光窗輸出兩種。某些情況下，管殼內(nèi)還裝有溫控、光控以及半導(dǎo)體制冷器（TEC），有的還裝有驅(qū)動電路。不論何種封裝形式，都是圍繞提高器件可靠性這個核心。因此器件的封裝應(yīng)該是全金屬化的。即

7、管殼、蓋板與管座，光纖與管殼之間應(yīng)該是全金屬化焊接，而不能采用膠接。此外還必須保持良好的氣密性。這樣器件不受環(huán)境影響，從而達到提高激光器可靠性的目的。另外，管殼的散熱情況，即其熱阻對器件的工作條件和可靠性影響很大。要盡可能降低管殼的熱阻，因為熱是半導(dǎo)體激光器加速退化的主要因素。3半導(dǎo)體激光器可靠性測試標(biāo)準(zhǔn)綜述21,34光電子器件的可靠性問題一直是通信業(yè)一個十分關(guān)心的問題。1990年美國BELLCORE發(fā)表了TA-NWT-000983（光纖環(huán)路應(yīng)用光電子器件的可靠性保證規(guī)程）技術(shù)報告，規(guī)定了保證通信用光電器件的最低要求。1998年12月經(jīng)修改后，又發(fā)表了GR-468-CORE代替TA-NWT-0

8、00983，下面簡要敘述一下對半導(dǎo)體激光器的要求。3.1半導(dǎo)體激光器質(zhì)量保證方案激光器從芯片襯底開始，直至制作出激光器，每步工藝都貫穿著質(zhì)量控制（QC），圖1-1和1-2分別是二極管芯片和組件質(zhì)量保證的流程方案。襯底檢查和準(zhǔn)備QC檢查：位錯取向表面厚度F-P型QC檢查：周期和深度衍射效率QC檢查：腔面質(zhì)量腔 長100%樣品試驗芯片切割100%芯片視覺檢查外延生長QC檢查：外延厚度晶體缺陷和表面形態(tài)晶片制作和金屬化QC檢查：條寬和調(diào)準(zhǔn)腔面的形成光學(xué)和電學(xué)測量記錄功率老化1（ACC）評估（參數(shù)變化）功率老化2（APC）評估最后芯片測試DFB型A光學(xué)驗收試驗圖1-1激光二極管質(zhì)量保證方案流程組 裝1

9、00%內(nèi)部目檢光學(xué)和電學(xué)測量記錄功率老化1（ACC）評估（參數(shù)變化）LD載體、TEC和熱敏電阻組裝光纖耦合組裝100%內(nèi)部目檢管帽烘烤管殼封焊100%氣密性檢查（粗檢和細(xì)檢）光學(xué)和電學(xué)測量記錄100%監(jiān)視PD的HTRB試驗評估批驗收試驗鍵合強度管芯剪切強度100%溫度循環(huán)光纖拉力測量評估光學(xué)和電學(xué)測量記錄功率老化1（ACC）評估（參數(shù)變化）A族試驗100%目檢和機械檢查包裝發(fā)貨A測定末期 QC要素圖1-2 半導(dǎo)體激光器組件質(zhì)量保證方案流程3.2半導(dǎo)體激光器可靠性試驗根據(jù)激光器的封裝狀態(tài)不同可靠性實驗要求內(nèi)容不同，如激光二極管（芯片）主要是耐久實驗，而激光器組件則包括機械（物理）試驗和耐久性試驗

10、，詳實項目要求、參考標(biāo)準(zhǔn)如表1-1和表1-2所示。表1-1激光二極管可靠性實驗項目試驗參考條件抽樣環(huán)境LTPDSSCCORT/UNC加速老化BELLCORE標(biāo)準(zhǔn)5.1885；額定功率5,000h10,000h2510RO70；額定功率5,000h10R溫度循環(huán)MIL-STD-883方法-40/7050循環(huán)20110O-40/8550循環(huán)20110O注意:（1）可靠性實驗樣品應(yīng)該是通過老化篩選后的器件，老化篩選的方法我們將再第三章敘述。（2）LTPD用%表示，表示批容許不合格率；SS表示最小可接收樣品數(shù)；C表示允許的失效數(shù)目。（3）R表示“應(yīng)該”或“必須”，O表示目標(biāo)，表示沒有要求。CO（Cen

11、tral Office Environment）中心辦公環(huán)境，RT(Remote Terminal Environment)遠程終端環(huán)境，UNC(Uncontrolled Environment)為非控環(huán)境。（4）加速老化中25只有10只保持10,000小時。（5）加速老化試驗條件可根據(jù)Arrhenius關(guān)系改變，激活能Ea可以算出，要大于0.7ev。（6）可靠性測試前、后必須進行電性能及光性能測試，以便監(jiān)視激光二極管的特性變化或管芯退化?？煽啃栽囼炌ㄟ^/失效判斷至少應(yīng)包括（1）光譜變化，（2）P-I曲線及其一次微分的變化。（7）加速老化試驗是在升高的溫度下進行，耐久試驗的目的是論證器件的長期

12、可靠性，所以不需要規(guī)定允許失效數(shù)，但應(yīng)提供測試樣品外推預(yù)測壽命的分布曲線。一般在自動功率控制（APC）下完成，某些情況也可以在ACC（自動電流控制）下完成，應(yīng)定期地測量驅(qū)動電流和閾值電流，并對比所定義的壽命終止判據(jù)來檢查。（8）壽命終止的判據(jù)是初始輸出光功率下降50%或額定輸出光功率下的驅(qū)動電流增加50%。對于閾值低于20mA的低閾值激光器50%的閾值增加可能太苛刻，通常以10mA作為壽命終止的判據(jù)。表1-2激光器組件可靠性實驗項目試驗參考條件抽樣環(huán)境LTPDSSCCORT/UNC熱沖擊MIL-STD-883方法1011T=100010020110RR高溫存貯最大儲存溫度2,000h20110

13、RR低溫存貯最低儲存溫度2,000h20110OO加速老化（高溫）BELLCORE標(biāo)準(zhǔn)5.1885；額定功率5,000h10,000h2510RO70；額定功率2,000h5,000h10RO溫度循環(huán)MIL-STD-883方法1010-40/70100次通過/失效500次獲得信息2011110RR-40/85500次通過/失效1000次獲得信息2011110RR濕熱試驗MIL-STD-202方法103或IEC68-2-385，85%相對濕度，1,000h或50，85%相對濕度,3,500h20110RR抗潮濕循環(huán)BELLCORE標(biāo)準(zhǔn)5.2320110RESD閾值6RR注意：（1）熱沖擊只對密封

14、件而言。（2）加速壽命測試是指器件周圍環(huán)境溫度，可以在盒子里或一個小的密封空間，如果組件有TEC，應(yīng)出于正常的開啟狀態(tài)。為了加速老化，可將高溫和高驅(qū)動電流（或高輸出電流）等應(yīng)力同時加在器件上。對加速老化實驗沒有規(guī)定失效數(shù)目，但應(yīng)有測試樣品外推預(yù)測壽命的分布曲線。壽命終止的判據(jù)應(yīng)是應(yīng)用系統(tǒng)的最低限度要求。實驗中增加壽命測試的器件數(shù)和測試時間，增加壽命測試器件小時數(shù)將得到更準(zhǔn)確的隨機失效率。壽命測試結(jié)束后，所有好的器件都要測試參數(shù)變化（光譜，L-I等），確定隨機失效和磨損失效。（3）供應(yīng)商必須提供溫度循環(huán)試驗結(jié)果，包括對為獲取信息而圍繞規(guī)定數(shù)量的組件進行的失效分析。加偏置或不加偏置均可接受。（4）

15、溫度循環(huán)實驗用來驗證激光器組件光學(xué)準(zhǔn)直的長期機械穩(wěn)定性。通過和失效判據(jù)是耦合效率最大變化10%或0.5dB，且閾值電流無明顯變化。實驗時，溫度步長（ramp rate）10/分；帶尾纖的組件，光纖要連接到光學(xué)連接器上；如果是有偏（加電）溫度循環(huán)，熱電制冷器應(yīng)工作。（5）高溫和低溫存貯實驗通過和失效判據(jù)是耦合效率最大變化10%或0.5dB，且閾值電流無明顯變化。（6）濕熱實驗通過和失效判據(jù)是耦合效率最大變化10%或0.5dB，且閾值電流無明顯變化。尾纖的損壞也應(yīng)包含在內(nèi)。（7）抗潮濕實驗通過和失效判據(jù)是耦合效率最大變化10%或0.5dB，且閾值電流無明顯變化。4 可靠性概念35-384.1可靠性

16、可靠性是指產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力。規(guī)定條件：一般指的是使用條件,環(huán)境條件。包括應(yīng)力、溫度、濕度、塵砂、腐蝕等，也包括操作技術(shù)、維修方法等條件；規(guī)定時間：是可靠性區(qū)別于產(chǎn)品其他質(zhì)量屬性的重要特征，一般也可認(rèn)為可靠性是產(chǎn)品功能在時間上的穩(wěn)定程度。因此以數(shù)學(xué)形式表示的可靠性各特征量都是時間的函數(shù)。這里的時間概念不限于一般的年、月、日、分、秒，也可以是與時間成比例的次數(shù)、距離等，例如應(yīng)力循環(huán)次數(shù)、汽車行駛里程； 規(guī)定功能：要明確具體產(chǎn)品的功能是什么，怎樣才算是完成規(guī)定功能。產(chǎn)品喪失規(guī)定功能稱為失效，對可修復(fù)產(chǎn)品通常也稱為故障。怎樣才算是失效或故障，有時很容易判定，但更多情況則

17、很難判定；能力：只是定性的理解是比較抽象的，為了衡量檢驗，后面將加以定量描述。產(chǎn)品的失效或故障均具有偶然性，一個產(chǎn)品在某段時間內(nèi)的工作情況并不很好地反映該產(chǎn)品可靠性的高低，而應(yīng)該觀察大量該種產(chǎn)品的工作情況并進行合理的處理后才能正確的反映該產(chǎn)品的可靠性，因此對能力的定量需用概率和數(shù)理統(tǒng)計的方法。按產(chǎn)品可靠性的形成，可靠性可分為固有可靠性和使用可靠性。固有可靠性是通過設(shè)計、制造賦予產(chǎn)品的可靠性；使用可靠性既受設(shè)計、制造的影響，又受使用條件的影響。一般使用可靠性總低于固有可靠性。4.2可靠度可靠度是產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的概率，一般記為R。它是時間的函數(shù)，故也記為R(t),稱為可

18、靠度函數(shù)。如果用隨機變量T表示產(chǎn)品從開始工作到發(fā)生失效或故障的時間，其概率密度為f(t)，若用t表示某一指定時刻，則該產(chǎn)品在該時刻的可靠度 (1-1)對于不可修復(fù)的產(chǎn)品，可靠度的觀測值是指直到規(guī)定的時間區(qū)間終了為止，能完成規(guī)定功能的產(chǎn)品數(shù)與在該區(qū)間開始時投入工作產(chǎn)品數(shù)之比，即 (1-2)N開始投入工作產(chǎn)品數(shù)；Na(t)到t時刻完成規(guī)定功能產(chǎn)品數(shù)，即殘存數(shù)；Nf(t)到t時刻未完成規(guī)定功能產(chǎn)品數(shù)，即失效數(shù)。4.3可靠壽命、中位壽命和平均壽命可靠壽命T R表示一批產(chǎn)品的可靠度R(t)下降到r時，所經(jīng)歷工作時間。T R的值可由R(T R)=r求解。假如該產(chǎn)品的失效分布輸入指數(shù)分布規(guī)律，則 (1-3)

19、其中為失效率，由(1-3)可求得TR如下TR (1-4)4.3.2中位壽命T0.5表示一批產(chǎn)品的可靠度R(t) 下降到50時的可靠壽命，即： (1-5)對于指數(shù)分布情況，可得 (1-6)即總共有N個器件有N/2個器件壽命終結(jié)時對應(yīng)的時間。4.3.3平均壽命表示一批產(chǎn)品壽命的平均值。常用縮寫MTTF（Mean Time to Failure）表示。從數(shù)理統(tǒng)計的觀點來看，它是壽命的數(shù)學(xué)期望值。如果已知失效分布密度f(t)，則可得到總體平均壽命的表達式 (1-7)假如被檢的半導(dǎo)體激光器產(chǎn)品的失效分布規(guī)律服從指數(shù)分布，即F(t)=1，則f(t)=F(t)= (1-8)平均壽命可表示為 (1-9)當(dāng)產(chǎn)品

20、失效屬于指數(shù)分布的情況，其平均壽命與失效率之間為倒數(shù)關(guān)系。對于一批器件壽命的平均值，如有N個器件，它們的壽命平均值也可以表示為L平均 (1-10)其中ti是第i個器件的壽命。5 半導(dǎo)體激光器/半導(dǎo)體激光二極管列表濟南福來斯常用激光二極管：型號波長連續(xù)功率/mW封裝形式模式FLD405-4040540TO18單模FLD405-130405130TO18多模FLD635-1063510TO18單模FLD635-3063530TO18單模FLD635-500635500TO3/C多模FLD650-1065010TO18單模FLD650-3065030TO18單模FLD650-5065050TO18單

21、模FLD650-100650100TO18多模FLD660-200660200TO18多模FLD660-300660300TO3/C多模FLD660-500660500TO3/C多模FLD660-10006601000TO3/C多模FLD780-100780100TO18單模FLD780-150780150TO18單模FLD780-150780150TO18單模FLD780-20007802000TO3/C多模FLD808-5080850TO18單模FLD808-100808100TO18單模FLD808-200808200TO18多模FLD808-300808300TO18多模FLD808-5008085