半导体激光器具有输出波长范围广、结构简单和易于集成等优势，广泛应用于医疗、传感、光学通讯、军事和航空航天等领域。本文主要介绍了半导体激光器的封装结构及失效机理与典型案例分析及半导体激光器的发展趋势。

一、封装结构

半导体激光器，即采用半导体材料作为工作物质的激光器。其结构以半导体PN 结为主要工作区，在正向偏压下，通过向激光器的PN 结有源区注入载流子，引起有源区内的载流子数反转分布，位于导带的电子与价带的空穴在有源区进行复合，辐射出光子。半导体的两端的解理面构成光学谐振腔，提供光学反馈和控制输出光的方向与频率。

图1  半导体激光器结构图

半导体激光器中的芯片主要通过薄膜沉积、匀胶显影、金属沉积、金属刻蚀及去胶等步骤完成芯片的制作。

半导体激光器的封装通常为全金属化焊接的气密性封装结构，保证器件良好的气密性及高可靠。半导体激光器的封装形式通常为TO（同轴）封装、插拔式同轴封装、窗口式同轴封装、尾纤式同轴封装、蝶式封装、气密小室封装、子载体封装等。

半导体激光器的封装工艺流程参考表1。

二、失效机理与案例分析

半导体激光器失效模式主要表现为工作期间无输出光强，或在恒定驱动电流下输出光功率退化失效，当输出功率退化至特定阈值，就会导致激光器失效。

可靠性研究分析中心是国内最早专业从事电子元器件和各种电子产品失效分析技术研究和技术服务的权威机构。在对半导体激光器开展的失效分析工作中，经总结，半导体激光器的主要失效机理包括电极退化、欧姆接触、腔面退化、环境污染等因素，失效机理介绍及相关案例如下文所示。

1）电极退化

电极退化通常发生在金属与半导体材料的交界面，由于焊料材料扩散进半导体内部形成缺陷结构，大电流作用下导致缺陷位置热量积累，最终烧毁附近的金属化层[2]。

2）欧姆接触

如果芯片和焊料存在较大的热失配，激光器在焊接或工作时会导致材料界面产生应力集中，进而引起焊料开裂或芯片裂损。此外，在焊接激光器时，芯片和焊料间存在焊接空隙会导致激光器发生失效，同时焊接中的焊料溢出也易导致PN结短路[2]。

3）腔面退化

腔面退化是激光器区别于其他微电子器件的一个失效模式。由于激光器有源区材料中含有Al或In元素，且当芯片设计制造工艺均匀性或一致性较差时，Al、In元素在高功率工作下会发生融化或再结晶，导致腔面出现杂质或缺陷，从而使该区域温度不断升高，端面的电流密度继续增大导致该区域温度进一步升高，最终导致灾变光学损伤[2]。

4）环境污染

环境污染是导致半导体激光器失效的外界因素，主要原因为灰尘、水汽、离子污染物等颗粒进入半导体激光器内部，附着在芯片表面引起短路或开路，最终导致器件失效。

三、半导体激光器发展趋势

许多新的应用领域要求半导体激光器具有更高的输出功率。增加输出功率主要有两种方式：

1）提高芯片生长技术从而增加单发射腔半导体激光器输出功率。

2）提阵列高半导体激光器发光单元的个数从而提高输出功率。为进一步提高光输出功率，提出了多种封装技术，其中包括多单管模组、水平叠阵、垂直叠阵、面阵。

大功率半导体激光器封装技术中，主要有三个趋势[4]。

（1）无铟化：铟焊料是最常用的焊料之一。由于铟焊料在高电流下易产生电迁移和电热迁移的问题，影响半导体激光器的稳定性。通常采用金锡焊料封装取代铟焊料封装。

（2）高散热：针对热管理尽管已提出了多种散热方式，例如金刚石传导散热和微通道散热技术，如何提高散热效率仍然是阻碍阵列半导体激光器高功率输出的主要因素。热应力通常是由于阵列激光器和衬底的热膨胀系数（CTE）失配所导致。热应力不仅限制了用于封装的衬底材料/热沉的选择，而且影响半导体激光bar的可靠性、光谱宽度和光束的“smile”效应（各发射腔的近场非线性效应）。为了减小热应力，目前通过采用高的热传导率和热膨胀系数更加匹配的衬底/热沉材料（无氧铜、纯银、金刚石、硅）。

（3）“无空洞”贴片技术：对于单阵列半导体激光器，由于阵列半导体激光器各个发光单元产生的热量相互干扰和整体散热不均匀，导致器件性能稳定性降低和限制功率上升；如果贴片层中存在空洞将明显的影响阵列半导体激光的性能，包括输出功率和可靠性等。现已有两种降低贴片层中的空洞的方法：一种是在合理的控制环境温度和压力情况下使用贴片技术；另一种方法是真空回流技术。

四、结语

近年来，半导体激光器在医疗、传感、光学通讯、军事和航空航天等领域的应用市场不断扩大，半导体激光器的种类和制造工艺也更加丰富多样。本文通过针对半导体激光器的结构、工艺进行分析，对主要失效机理、典型失效形貌进行介绍，最后对半导体激光器的发展方向进行总结，期望能为从事半导体激光器研发、制造的技术人员提供帮助。

参考文献

[1]半导体激光器封装工艺与设备

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

[2]    孙天宇,夏明俊,乔雷.半导体激光器失效机理与检测分析研究进展[J/OL].激光与光电子学进展:1-19[2021-04-20].http://kns.cnki.net/kcms/detail/31.1690.TN.20210311.1626.039.html.

[3]    高松信, 魏彬, 吕文强, 等. 高功率二极管激光器失效特性研究[J]. 强激光与粒子束, 2005, 17(S0):97-100.

[4]    刘兴胜, 王警卫, 张恩涛,等. 大功率半导体激光器封装技术发展趋势及面临的挑战[C]// 2009年先进光学技术及其应用研讨会. 0.