一、半导体激光器产业链及工艺环节
半导体激光器上游主要包括外延材料和管芯制备;中游主要是器件的封装;下游主要是利用半导体激光器封装的光模块和泵浦源。
上游:
1)外延材料。目前可以选择的外延材料主要有(GaAs)、磷化铟(InP)、氮化镓(GaN)等,分别用于不同波长的半导体激光器,原因在于不同的材料就决定了发出激光的波长;
2)管芯制备主要包含单芯片和巴条阵列芯片。
中游主要涉及器件的封装,例如单管封装、巴条封装、叠阵封装、光纤耦合封装等,不同封装形式的功率范围不同,应用领域也不同。
下游一般用在光模块和光泵浦源中。
来源:华光光电公开转让说明书
半导体激光器的结构设计不同,制造工艺差异也不同,但均大同小异。基本工艺主要包含以下9道工序:衬底选择制备、外延生长、腐蚀、扩散、电极制作、解理或划片、烧焊、键合、封装。
半导体制造工艺基本工序
二、半导体材料与衬底
半导体材料是指电阻率在10的7次方Ω·cm~10负3次方Ω·cm,界于金属和绝缘体之间的材料,是衡量一个国家经济发展、科技进步和国防建设水平的标志。半导体按照不同的划分标准,可以分为多种类别。
半导体种类划分
半导体材料容易出现固熔体偏析等问题,而薄膜材料的纯度和晶体完整性较好,适用于三维电路的制造。
半导体材料发展到现在已经经历过三代的发展,第一代半导体为硅和锗的材料;第二代半导体是化合物半导体;第三代半导体主要是宽禁带半导体。
半导体代表材料
衬底是磊晶生长的基础材料,目前产业化的半导体激光器常用的工作介质有砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)、氮化镓(GaN)等,分别适用于不同波长的半导体激光器。激光器的衬底材料基本决定了半导体激光器的波长、频率和颜色。
一般材料的应用基础在于其物理性质。发射光的波长是由禁带宽度决定的,禁带宽度越大,发射光的波长越短(蓝光发射),禁带宽度越小,发射光波长越长,电子迁移率决定了半导体低压条件下的高频工作性能,饱和速率决定了半导体材料高压条件下的高频工作性能。
主要半导体材料比较
目前已经探明的硅储量较为丰富,材料价格较为便宜,机械性能和热性能均非常优异,容易生长成为大尺寸,此外得到的晶体的纯度较高,处于成熟阶段的产业,预计在未来一段时间内仍将处于主导和核心地位。
硅材料的缺点在于光学性能不好,无光学应用。同硅材料相比,砷化镓材料的电子迁移率是硅材料的6倍多,具有较好的高频、高速和光电性能。在同一芯片上可以处理不同的光电信号,是理想的通信用材料。
GaN材料的禁带宽度是硅材料的3倍多,相较于硅材料和砷化镓材料,在大功率、高温、高频、高速和光电方面的性能更好,可以制造成蓝绿光、紫外光的发光和探测器件。
半导体材料主要用途