连续大功率半导体激光器的研制图文精.docx
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连续大功率半导体激光器的研制图文精
西安电子科技大学
硕士学位论文
连续大功率半导体激光器的研制
姓名：
王辉
申请学位级别：
硕士
专业：
电子与通信工程
指导教师：
安毓英;花吉珍
20071008
摘要
摘要
连续大功率激光器的研制目标主要是降低阈值电流，提高光功率。
激光器的输出特性与工作温度密切相关，激光器工作中产生的热量必须及时散出。
为解决散热问题，进行了激光器设计和制作工艺的研究。
热阻表现了激光器的散热性能，分析热阻和内部温度分布对系统散热设计有重要意义。
利用ＡＮＳＹＳ有限元软件进行了稳态热分析、瞬态热分析、热应力分析，分析了激光器内部的稳态温度分布、瞬态的温度变化情况，分析了焊料和载体对激光器热阻、应力的影响。
通过光谱法测出了激光器热阻，验证了模拟结果。
激光器芯片常倒装烧焊在载体上，载体、焊料以及烧结质量成为影响散热的关键因素。
铟和锡铅焊料都是软焊料，有形成晶须和热疲劳等问题。
为提高烧结质量，采用了金锡焊料烧结激光器新技术。
研究掌握了金锡焊料的制各和烧结技术，并与铟和锡铅焊料进行了对比实验。
实验显示采用金锡焊料烧结激光器能提高激光器的性能。
关键词：
半导体激光器金锡焊料热阻
摘要Ａｂｓｔｒａｃｔ
３
Ｆａｌｌｉｎｇｔｈｒｅｓｈｏｌｄａｎｄｉｎｃｒｅａｓｅｐｏｗｅｒｉｓｔｈｅｍａｉｎ
ｇｏａｌｏｆｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ－ｗａｖｅＭｇｈ．ｐｏｗｅｒｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｌａｓｅｒ．Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｆｆｅｃｔｔｈｅ
ｃｈａｒａｃｔ商ｓｔｉｃｏｆｌａｓｅｒｓ．Ｈｅａｔｎｅｅｄｔｏｓｐｉｌｔｏｕｔｉｎｔｉｍｅ．Ｄｅｓｉｇｎａｎｄｍａｎｕｆａｃｔｕｒｏｆｌａｓｅｒｓｉｓｓｔｕｄｉｅｄ．
Ｔｈｅｒｍａｌｒｅｓｉｓｔａｎｔｍａｔｅｒｉａｌｉｚｅｈｅａｔｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｏｆｌａｓｅｒｓ．Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｆｆｅｃｔｉｓｉｍｐｏｒｔａｎｔｔｏｓｙｓｔｅｍｄｅｓｉｇｎ．ＴｒａｎｓｉｅｍａｎｄｓｔａｔｉｏｎａｒｙｔｈｅｒｍａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｏｆｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｌａｓｅｒｗｅｒｅｓｉｍｕｌａｔｅｄｂｙＡＮＳＹＳｓｏＲｗａｒｅ．ＩｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｔｈｅＣａｌＴｉｅｒＳａｎｄｔｈｅｓｏｌｄｅｒｓｉｓ
ｓｉｍｕｌａｔｅｄ．Ｔｈｅｒｍａｌｒｅｓｉｓｔａｎｔｏｆｔｈｅｌａｓｅｒｗａｓａｌｓｏｍｅａｓｕｒｅｄｂｙｖｅｒｔｉｃａｌ．ｍｏｄｅ
ｓｐｅｃｔｒｕｍｍｅｔｈｏｄ，ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｗｅｒｅｂａｓｉｃａｌｌｙｃｏｉｎｃｉｄｅｎｔｗｉｔｈｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓ．
Ｌａｓｅｒｃｈｉｐｉｓｉｎｖｅｒｓｅｗｅｌｄｅｄ
ｏｎｔｈｅｃａｒｒｉｅｒ．ＴｈｅＩｎｄｉｕｍａｎｄＰｂ／Ｓｎｓｏｌｄｅｒｓｔｈａｔｗｅｒｅｃｏｍｍｏｎｌｙａｄｏｐｔｅｄ
ｉｎＣｈｉｎａａｒｅｂｏｔｈｓｏｆｔｓｏｌｄｅｒｓ．Ｓｏｆｔｓｏｌｄｅｒｓｅｘｉｓｔｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｐｒｏｂｌｅｍｓｓｕｃｈ
ａｓｗｈｉｓｋｅｒｓｇｒｏｗｔｈａｎｄｔｈｅｒｍａｌｆａｔｉｇｕｅ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｉｍｐｒｏｖｅｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｏｆｓｉｎｔｅｒｉｎｇ，ａｎｅ％ｖｔｅｃｈｎｉｑｕｅｏｆｓｉｍｅｒｉｎｇｌａｓｅｒｗｉｔｈＡｕ／ＳｎｓｏｌｄｅｒＷａｓａｄｏｐｔｅｄ．Ｔｈｅ
ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＡｕ／ＳｎｓｏｌｄｅｒａｎｄｓｉｎｔｅｆｉｎｇＷａＳｍａｓｔｅｒｅｄｂｙｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｒｅｓｅａｒｃｈ．ＴｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｂｅｔｗｅｅｎＡｕ／Ｓｎ，ＩｎｄｍｍａｎｄＰｂ／Ｓｎ
ｓｏｌｄｅｒｓｗａｓｓｔｕｄｉｅｄｗｉｔｈｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ．Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ’Ｓ
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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：
ＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＬａｓｅｒＡｕ／ＳｎＳｏｌｄｅｒｔｈｅｒｍａｌｒｅｓｉｓｔａｎｔ
西安电子科技大学
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导师签名：
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第一章绪论
第一章绪论
１．１半导体激光器的发展
半导体激光器的出现和发展是许多研究工作者共同智慧的结晶。
在１９５３年９月，美国的冯・纽曼（ＪｏｈｎＶｏｎＮｅｕｍａｎｎ）第一个论述了在半导体中产生受激发射的可能性，认为可以通过向ＰＮ结注入少数载流子来实现受激发射。
苏联巴索夫（Ｂａｓｏｖ）等人于１９５８年首次提出在半导体中实现粒子数反转的理论论述。
又于１９６１年最先发表将载流子注入半导体ＰＮ结以实现“注入激光器”的论述，并论证了在高度简并的ＰＮ结中实现载子数反转（这是产生受激发射的必要条件）的可能性，而且还认为有源区周围高密度的多数载流子造成有源区边界两边的折射率有一差值，因而产生光波导效应。
１９６０年贝尔实验室的布莱（Ｂｏｙｌｅ）和汤姆逊提出了用半导体的平行解理面作为产生光反馈的谐振腔，ｔ９６１年伯纳德（Ｂｅｒｎａｒｄ）与杜拉福格（Ｄｕｒａｆｆｏｕｒｇ）幂Ｕ用准费米能级的概念推导出在半导体有源介质中实现粒子数反转的条件。
按照半导体激光器的发展历史和发展水平，可将其分为三个大的阶段，即同质结半导体激光器阶段，单异质结半导体激光器阶段和双异质结半导体激光器阶段。
１９６２年美国宣布研制成功ＧａＡｓ同质结半导体激光器，同质结型半导体激光属于半导体激光器发展的第一阶段，它由单一半导体材料组成，是一种只能在液氮温度和脉冲状态工作的半导体激光器。
１９６８年美国成功研制出单异质结构激光器，进入半导体激光器发展的第二阶段，它是利用异质结提供的势垒把注入电子限制在ＧａＡｓｐ－ｎ结的Ｐ区之内，以此来降低阈值电流密度，其数值比同质结激光器降低了～个数量级。
１９７０年前苏联的阿尔费洛夫等人研制成功双异质结激光器，进入半导体激光器发展的第三阶段，其结构特点是有源层两侧的包层是宽带隙材料，对注入窄带隙有源区的载流子有限制作用，利于产生高的增益，有源区是高折射率材料，两侧包层是低折射率材料，形成的光波导能将光场的大部分限制在有源区内，因而注入较少的电流就可以实现载流子数的反转，双异质结激光器的阈值电流密度比单异质结激光器又降低了一个数量级。
进入８０年代以来，随着半导体超薄层生长技术，如ＭＯＣＶＤ、ＭＢＥ、ＣＢＥ
等的发展，人们已能精确控制半导体薄膜材料生长厚度达原子层的精度。
１９７８年研制出了第一只量子阱半导体激光器，其结构特点是窄带隙的有源区厚度小于
２连续大功率半导体激光器的研制
电子在该材料中的德布罗意波长，有源区成了势阱区，两侧的宽带隙材料成为势垒区，势阱中的电子和空穴沿垂直阱壁方向的运动呈现量子化特点，电子的状态密度也变为类阶梯状，这时只需要很小的注入电流就可以达到粒子数反转。
因此，量子阱激光器具有阈值电流低、温度稳定性好和电光转换效率高等优点。
Ｙ
Ａｒａｋａｗａ和Ｈ．Ｓａｋａｋｉ于１９８２年提出了量子线激光器和量子点激光器的设想，继续在更多维度上对电子运动进行限制，但由于量子线、量子点制造技术的困难，目前还处在实验阶段。
量子阱激光器单管输出功率现己大于１０Ｗ，为了得到更大的输出功率，通常可以把许多单个半导体激光器组合在一起形成半导体激光器列阵，量子阱激光器采用ｌｃｍ单条阵列的连续输出功率最大可达几百瓦。
１９９１年研制成功的分布反馈半导体激光器是伴随光纤通信和集成光学的发展而出现的，完全实现了单纵模运作，激光振荡是由周期结构（或衍射光栅１光反馈形成的，容易与光纤耦合，特别适宜作集成光路的光源。
２０世纪９０年代出现的面发射激光器是在芯片上下表面镀上反射膜构成垂直方向的Ｆ－Ｐ腔，光输出沿着垂直于衬底片的方向发出。
采用作为激光媒质的半导体材料有几十种，如砷化镓、砷化铟、锑化铟、硫化镉、碲化镉、硒化铅、碲化铅、铝镓砷、铟磷砷等，制作方法有扩散法、液相外延法（ＬＰＥ）、气相外延法（ＶＰＥ）、分子束外延法（ｒＯｍＥ）、金属有机化合物汽相淀积法（ＭＯＣＶＤ）、化学束外延法（ＣＢＥ）等。
由于需要不同，半导体激光器向着两个不同方向发展，一类是传递信息为耳的的信息型激光器，另一类是提高光功率为目的的功率型激光器，它们都在各自领域得到了越来越广泛的应用。
ｆ１１｜２｜［３１
１．２半导体激光器的工作原理
半导体激光器以直接带隙半导体材料构成ｐ．ｎ结，具有光反馈结构，常称为激光二极管。
半导体激光器激射发光，必须具备三个基本条件：
（１）实现粒子数反转，建立起有源区内载流子的反转分布，即处在高能态导带底的电子数比处在低能态价带顶的空穴数大很多，这靠给ｐ－Ｉｌ结加正向偏压，向有源层内注入必要的载流子来实现，将电子从能量较低的价带激发到能量较高的导带中去，电子与空穴复合产生自发辐射和受激辐射。
（２）必须有谐振腔，使受激辐射在其中得到多次反馈而形成激光振荡。
半导体激光器可以利用晶体的自然解理面形成Ｆ呻谐振腔（法布里一珀罗腔），在不出光的一端镀上高反膜，而出光面镀上增透膜。
（３）为了形成稳定振荡，激光媒质必须能提供足够大的增益，以弥补谐振腔内部光损耗和腔面输出光损耗等，使光增益等于或大于各种损耗之和。
这就必须要有足够强的电流注入，即要求必须满足一定的电流阈值条件，当电流达到阈值时，
第一章绪论光就在谐振腔内振荡并被放大，最后形成激光输出。
因此，半导体激光器是在直接带隙半导体ＰＮ结中加一定的正向电压，用注入载流子的方法实现粒子数反转，在ｐ－ｎ结附近，由高度简并的电子和空穴复合产生受激光辐射，在光学谐振腔内振荡并得到放大，最后产生相干激光输出。
３
１．３半导体激光器的应用
半导体激光器是直接的电子一光子转换器，转换效率很高；半导体激光器所覆盖的波长范围很宽（从波长４５０衄附近的蓝绿光激光器，直到波长为几微米的中红外激光器），可以通过选用不同的半导体有源材料或改变多元化合物的组分比例，而得到范围很广的激射波长以满足不同的需求；半导体激光器具有直接调制的能力，调制带宽范围大；半导体激光器使用寿命长，其工作寿命可达ｉ０５－－１０％；半导体激光器的制造工艺与半导体电子器件和集成电路的生产工艺兼容，便于与其它器件实现单片光电子集成。
半导体激光器由于具有制作简单，成本低，易于大量生产，体积小，重量轻，电光转换效率高，寿命长，波长范围宽，易于调制这些优点，在工业、军事、医学等方面得到了广泛的应用，应用范围覆盖了整个光电子学领域，己用于光纤通讯、光纤传感、光盘记录、激光打印、气体检测、光纤放大器、固体激光器泵浦、材料加工、热处理激光测距、激光雷达、激光通信、激光模拟、激光制导跟踪、引燃引爆、自动控制、检测仪器、核爆模拟、环境检测和医疗等。
半导体激光器的应用越来越广泛，已成为各国发展工业及军事装备不可缺少的重要基础器件。
…
１．４连续大功率半导体激光器的现状和发展趋势
１．４．１国外研究背景
国外连续半导体激光器水平发展很快，以美国的Ｃｏｈｅｒｅｎｔ、Ａ１ｆａｌｉｇｈｔ、ＪＤＳＵ、ｎＬｉｇｈｔ，德国的Ｙｅｎｏｐｔｉｋ、Ｌｉｍｏ等几个大公司为代表，其大功率半导体激光器ｌｃｍ阵列条已经推出连续６０Ｗ～ＩＯＯＷ的产品。
２００５年Ｙｅｎｏｐｔｉｋ报道了ｌｃｍ单条连续输出功率１２０Ｗ的产品。
最大输出功率水平不断提高，功率密度增大，大功率可靠性水平不断提高：
２００４年初日本ＨａｍａｍａｔｓｕＰｈｏｔｏｎｉｃｓ公司和大阪大学报道了８０８ｎｍ单条最大Ｃ１】Ｉ『短时间输出功率为２５５Ｗ，８０Ｗ输出时寿命可达到几千小时。
ｎＬｉｇｈｔ公司２００４年９月报道了７９５ｎｍ－８１０ｍ波长单条最大ｃｗ输出功率达到３６４Ｗ，ＩＯＯＷ输出寿命可达几千小时。
美国Ｓｐｅｃｈａ．ＰｈｙｓｉｃｓＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＬａｓｅｒｓ２００５年初报道９４０ｎｍ单条（腔长３咖）最大伽输出功率３３６Ｗ，为当时世界最高水平，２００５年８月Ｙｅｎｏｐｔｉｋ就将９４０ｈｍ单条连续输出功率提高到４５４Ｗ，１２０Ｗ工作寿命可达到几千小时，连续
４连续大功率半导体激光器的研制
１０００Ｗ阵列工作寿命也达到几千小时。
高功率转换效率的研究进展快速：
其代表是２００３年９月美国ＤＡＲＰＡ发布了超高效率二极管光源项目。
以ｎｌｉｇｈｔ、Ｍｆａｌｉｇｈｔ、ＪＯＳＵｎｉｐｈａｓｅ为代表的研究单位致力于提高现有半导体激光器的功率转换效率。
ｈｌｆａｌｉｇｈｔ在２００４年７月，９７０ａｍ连续激光器获得６５％总功率转换效率，１１月提高到２５。
ｃ下５０Ｗｂａｒ具有７１％功率转换效率（ＰｃＥ），１０。
Ｃ下是７３％。
ＪＤｓＵｎｉｐｈａｓｅ在２００５年５月９４０ｎｍ连续激光器阵列在室温下达到了７２．７％的功率转换效率，输出８０Ｗ连续波功率。
随后ｎＬｉｇｈｔ也报道了７３％的９４０ｎｍ和９７０ｎｍ的连续激光器。
以下为国际大功率半导体激光器列阵Ｉｃｍ单条连续输出功率近２０年来的发展。
图１．１近２０年来国际上激光器Ｉｃｍ单条列阵连续输出功率的发展
主要公司的产品报导情况
Ｃｏｈｅｒｅｎｔ公司
产品：
８０８ｎｍ单条ａｍ输出８０Ｗ，单条Ｑ凹输出ＩＯＯＷ；９８０ｎｍ单条ｃｗ输出ｌＯＯＷ。
ｎＬｉｇｈｔ公司
产品；单条３０％填充因子，传导制冷四４０Ｗ，
单条８０％填充因子，水冷，Ｃ＇ＷＩＯＯＷ，
单条Ｑ四输出ＩＯＯＷ。
Ｂｏｏｋｈａｍ公司
９１５ｒｕｎ，９４０ｎｍ，９８０ｈｍ单条ＯＣＷ输出１２０Ｗ。
最大输出功率的实验研究水平报导：
美国Ｓｐｅｃｈａ．ＰｈｙｓｉｃｓＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＬａｓｅｒｓ２００５年报导９４０ｈｍ单条（腔长３ｍ）最大ｃＷ输出功率３３６Ｗ，但仅５０Ｗ输出时寿命可达几千小时。
２００５年日本Ｈａｍａｍａｔｓｕ
Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ公司和大阪大学研制出新型散热器，８０８ｒｉｍ
第一章绪论
单条最大四短时间输出功率为２５５Ｗ，但仅８０Ｗ输出时寿命可达到几千小时。
超高效率研究报道：
２００３年９月美国ＤｈＲＰＡ，发布了超高效率二极管光源项目。
参加该项目的美国三家公司：
ｈｌｆａｌｉｇｈｔ采用无铝有源区技术，实现了大功率半导体激光器的功率转换效率从５０％提高到６５％的目标；ｎＬｉｇｈｔＰｈｏｔｏｎｉｃｓ通过设计和工艺优化，目前在９４０ｈｍ波段功率转换效率（ＰＣＺ）已达到了７０％；ＪＯＳＵｎｉｐｈａｓｅ采用根本非对称波导技术减小电光的损耗而优化性能，在９４０ａｍ波段室温下达到了７２．７％的功率转换效率，阵列条输出８０Ｗ连续波功率。
１．４．２国内研究现状
国内大功率半导体激光器的研究相对落后，目前产品只达到了９０年代中后期国际先进水平，单条连续输出４０ｗ／６０Ｗ，研究水平为单条最大连续输出ＩＯＯＷ，最高功率转换效率５０～６０％左右。
国内载体加工及组装技术发展较快，其中叠层微通道载体周期厚度已经实现１．２ｍ－２．５ｍｍ，叠层功率达到４００ｗ～６００Ｗ。
可靠性研究明显滞后，寿命较短，连续阵列寿命只有１０００小时左右。
“１
１．４．３连续大功率半导体激光器的发展趋势
近几年连续半导体大功率激光器的发展越来越快，其峰值功率不断上升，国内连续激光器线阵列的输出功率已达几十瓦，国外连续工作线阵列输出功率可达几百瓦。
大功率半导体激光器研究重点集中在进一步提高输出功率和光电转换效率上，主要的研究方向有；超大光腔，ｔａｐｅｒ注入等新型激光器结构；外延片生长精密控制技术；新的封装工艺和结构等。
１．５连续大功率半导体激光器需要解决的问题
半导体激光器由于不可避免地存在各种非辐射复合、自由载流子吸收等损耗机制，注入电功率的相当一部分将转化为热量，连续大功率激光器的电光转换效率为４０％～５０％，即所输入的电能５０％～６０％都转换为热能。
近几年连续大功率半导体激光器发展很快，输出功率大幅度提高，热效应对器件的影响随之增大。
半导体激光器中的热场分布及其相关温度变化对其特性有着重要的影响。
激光器的闽值电流对温度很敏感，输出功率也受工作温度的制约，有源区的温度变化会影响到激光器的激射波长及其模式特性，随着有源区温度的升高将出现波长红移，并伴随着跳模。
有源层内部的温度不均匀性将导致能级问出现能量差异，从而使输出谱线展宽，并更容易出现多模激射的情况。
此外，由于温度的影响，各层材料之间热膨胀系数的差别会导致在内部产生应力，并使材料之间扩散加剧，这将导
６连续大功率半导体激光器的研制
致器件退化，缩短激光器的使用寿命。
“１能否及时地将芯片所产生的热量通过载体散出去决定了连续大功率激光器能否正常工作，如何降低热阻，提高散热能力已成为一个关键问题。
１．６本论文的研究目的和主要工作
研究目的：
本论文课题是与本单位连续大功率激光器的研制课题相结合而确立的。
目前连续大功率激光器的研制目标主要是降低激光器的阀值电流，提高激光器的光功率。
激光器的输出特性与工作温度密切相关，激光器工作中产生的热量必须及时散出。
为解决散热问题，进行了激光器设计和制作工艺的研究。
半导体激光器的波长、闯值电流、输出功率等都与器件的工作温度密切相关。
激光器工作中会产生很大的热量，散热不好会导致半导体激光器阈值电流增加，光功率降低，寿命缩短甚至失效，必须很好地解决散热问题。
这需要通过提高设计和制作工艺水平，分析半导体激光器的热特性，进行载体和焊料的设计和烧结技术研究，降低热阻，解决散热问题。
热阻值的大小直接表现了激光器的散热性能。
分析激光器的热阻和内部温度分布对设计系统如何更好地散热有重要意义。
测量激光器的热阻，需要分别测量有源区的温度和激光器所承受的发热功率。
激光器发热功率可以用驱动电流与驱动电压之积减去输出光功率得出；有源区的温度无法直接测量，通过测量激光器其它特征参数间接求出有源区的温度变化，如光谱法、结电压法等。
激光器的热阻若依靠大量试验来获得器件的结构对大功率半导体激光器的热阻、温度和应力场分布的影响，不仅会消耗大量的人力物力，而且由于激光器有体积小、结构复杂、温度变化快等特点，用试验的方法很难直接准确地测定其热阻和内部的温度分布等。
应用数学物理方法建立模型来表达激光器的热传导过程，并利用有限单元法借助于计算机进行温度场模拟计算，对影响因素作出合理而定量的分析，具有重要的理论和现实意义。
在大功率半导体激光器温度场的数值模拟方面，因为有限单元法在研究温度场方面具有～定的优越性，所以利用ＡＮＳＹｓ有限元软件进行了激光器的热分析。
为利于散热，大功率半导体激光器芯片一般Ｐ面朝下倒装烧焊在载体上，有源区与载体间距只有几微米，因此载体、焊料的厚度、热导率以及管芯载体间的烧结质量成为影响散热的关键因素，直接影响着半导体激光器的散热和可靠性。
提高设计和制作工艺水平，分析半导体激光器的热特性，进行载体和焊料的设计和烧结技术研究，降低热阻，解决散热问题，意义重大。
第一章绪论主要工作：
１、从提高设计和制作工艺水平入手，进行了材料生长和设计、管芯设计、可靠性设计、制作工艺研究，降低激光器的阈值电流，提高激光器的光功率，解决散热问题，减少热功耗，提高转换效率。
２、分析了半导体激光器的热特性：
利用ＡＮＳＹＳ有限元软件进行了半导体激光器的稳态热分析、瞬态热分析、热应力分析，得到了激光器内部的稳态温度分布、瞬态温度变化情况，分析了焊料和载体对半导体激光器热阻、应力的影响；通过光谱法，测出了激光器热阻，验证了模拟结果；
３、进行了载体、焊料的设计、制备和烧结技术研究，研究了金锡焊料制备和烧结技术，建立了金锡焊料制备新工艺，进行了锡铅焊料、铟焊料、金锡焊料烧结激光器的对比实验；
４、研制出ＡｕＳｎ焊料烧结的低阈值电流，大功率的连续半导体激光器。
７
８连续大功率半导体激光器的研制
第二章激光器设计和制作工艺
大功率激光器的工作方式有脉冲方式和连续方式（脉冲方式又通常分为窄脉冲、准连续）。
目前我们有连续大功率激光器的相关研制任务，需要通过提高设计和制作工艺水平，来降低激光器的阈值电流，提高激光器的光功率，达到研制目标。
要降低激光器的阙值电流，提高激光器的光功率，必须从设计和制作工艺入手，很好地解决散热问题，提高转换效率，减少热功耗。
２．１材料设计和生长
制作半导体激光器的过程中半导体材料的选择是非常重要的，要求所选的材料能满足所需的发射波长，而且它的晶格常数与所选衬底材料相匹配以有利于外延生长。
在材料的设计上，应当尽量减少芯片中的非辐射复合、自由载流子吸收、自发辐射再吸收和光子的其他损耗。
半导体量子阱结构形成载流子的阶梯状态密度，能非常有效地将电子限制在势阱中，大大提高内量子效率。
材料的生长是整个器件的基础。
尽可能降低材料本身的热阻和电阻，提高电光转换效率。
虽然给出一个基本结构设计并非复杂，但由子生长过程中可变量很多，材料器件性能是多种变数的综合反映，对每一种结构，需要一个优化的外延工艺条件：
（１）外延层厚度、掺杂浓度控制；
（２）设备条件：
重复性、均匀性；
（３）气源及载气的纯度；
（４）生长温度、源流量等一系列工艺条件。
通过对衬底温度、生长温度、生长速率、流量控制、掺杂、生长中断等工艺条件的实验优化，并配合霍耳测量、扫描电镜、ｘ光双晶衍射、Ｃ—ｖ测量和荧光测量以及伏安特性、电致发光测量等手段，对制备的样品进行测量分析，从而优化生长条件，提高晶格质量，消除材料缺陷，实现设备的重复性。
激光器采用分别限制单量子阱异质结结构，光子与电子分别限制，光子的限制即把光场限制在波导结构中。
这种结构有以下特点：
（１）具有较好的光子和电子分别限制作用；（２）能有效的收集注入载流子；（３）单量子阱结构在低的损耗下具有最低的阈值电流密度；（４）有利于增加光斑尺寸，降低器件的端面光功率密度，提高激光器的功率输出水平。
第二章激光器设计和制作工艺优化波导结构能够优化半导体激光器的闯值电流密度、内部损耗及远场特性等。
从理论计算可知，增大有源层和波导层的导带不连续性，可以减少载流子的泄漏，从而提高激光器的量子效率和降低阙值，但是太大就有可能造成有源层和波导层之间异质结的晶格失配，形成更多的界面态，从而影响内量子效率。
半导体材料的内损耗系数可近似表示为：
ａ。
＝ａ女Ｊ＋ａ批？
。
０一Ｆ）式（２一１）９
其中Ｆ为光场限制因子，ａ声为自由载流子吸收损耗，口幻为波导层外的自由载流子吸收损耗。
而口。
与初始载流子浓度Ｎ（对ＧａＡｓ材料掺杂）有如下关系：
口自＝０．５ｘ１０－１７Ｎ，当有源区掺杂浓度在１０１８ｃｍ－３以下时，ａｍ恒定不变为ｌＯｃｍ，而达到１０”硎。
３时，吸收系数随掺杂浓度增加。
对搿。
，有同样的关系，所以我们的有源区和波导层都不掺杂。
要优化包层的厚度，减小包层厚度可以减小激光器的热阻，为了减小载流子的
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