引 言
20世纪70年代初实现了半导体激光器的室温、连续激射后，开创了半导体激光器发展的新时期。随着半导体激光器激射波长范围的扩展、光谱特性的改善和输出功率的增加，半导体激光器的优越性更加明显，应用领域越来越广。
半导体激光器又称为激光二极管，其所发射激光依波长及应用，可分为短波长与长波长激光两大类。短波长激光包含发光波长由390纳米到950纳米的激光，主要用于光驱、激光打印机、条形码机、扫描仪及指示器等光信息及显示的应用；长波长激光则涵盖发光波长由980纳米至1550纳米之激光，主要用于光纤通信。
长波长激光二极管主要用砷化铝镓铟和砷磷化铟镓材料所制成，其中最重要的是使用具有单模、稳频操作的1310纳米或1550纳米激光二极管，以作为光纤通信的光源。另外，也有用在光纤放大器的激发源的980纳米或1480纳米激光二极管。由于长距离光纤通信朝向高传输功率及波长多任务系统发展，使用光纤放大器取代传统的电子式中继站正迅速发展。
激光二极管的寿命与其制备工艺密切相关，每一步工艺都可能对其可靠性产生重大影响。本文将着重研究长波长激光二极管的原理及制作工艺，力求降低激光器的阈值电流，提高激光器的光功率，延长激光器的工作寿命。
第一章 激光理论基础
激光是20世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后，人类的又一重大发明，被称为“最快的刀”、“最准的尺”。本章介绍了激光的产生及其特性。
1.1 激光的产生原理
1.1.1 普通光源的发光——受激吸收和自发辐射
普通常见光源的发光是由于物质在受到外来能量（如光能、电能、热能等）作用时，原子中的电子就会吸收外来能量而从低能级跃迁到高能级，即原子被激发。激发的过程是一个“受激吸收”过程。处在高能级（E2）的电子寿命很短，在没有外界作用下会自发地向低能级（E1）跃迁，跃迁时将会产生光（电磁波）辐射。辐射光子能量为hv=E2-E1 这种辐射称为自发辐射。原子的自发辐射过程完全是一种随机过程，各发光原子的发光过程各自独立，互不关联，即所辐射的光在发射方向上是无规则的射向四面八方，另外相位、偏振状态也各不相同。由于激发能级有一个宽度，所以发射光的频率也不是单一的，而有一个范围。
在通常热平衡条件下，处于高能级E2上的原子数密度N2，远比处于低能级的原子数密度低，这是因为处于能级E的原子数密度N的大小随能级E的增加而指数减小，即 N∝exp(-E/kT)，这是著名的波尔兹曼分布规律。于是在上、下两个能级上的原子数密度比为N2/N1∝exp｛-（E2-E1）/kT｝式中k为波尔兹曼常量，T为绝对温度。因为 E2＞E1，所以N2《N1。所以普通广义的发光是包含了受激吸收和自发辐射两个过程。
1.1.2 受激辐射和光的放大
由量子理论知识知道，一个能级对应电子的一个能量状态。电子能量由主量子数 n(n=1,2,„)决定。但是实际描写原子中电子运动状态，除了能量还有轨道角动量L和自旋角动量S，它们都是量子化的，由相应的量子数来描述。对轨道角动量，波尔曾给出了量子化公式Ln=nh，但这不严格，因这个式子还是在把电子运动看作轨道运动基础上得到的。严格的能量量子化以及角动量量子化都应该有量子力学理论来推导。
量子理论告诉我们，电子从高能态向低能态跃迁时只能发生在量子数相差±1的两个状态之间，这就是一种选择规则。如果选择规则不满足，则跃迁的几率很小，甚至接近零。在原子中可能存在这样一些能级，一旦电子被激发到这种能级上时，由于不满足跃迁的选择规则，可使它在这种能级上的寿命很长，不易发生自发跃迁到低能
级上。这种能级称为亚稳态能级。但是，在外加光的诱发和刺激下可以使其迅速跃迁到低能级，并放出光子。这种过程是被“激”出来的，故称为受激辐射。
受激辐射的过程大致如下：原子开始处于高能级E2，当一个外来光子所带的能量 hv正好为某一对能级之差E2-E1，则这原子可以在此外来光子的诱发下从高能级E2向低能级E1跃迁。这种受激辐射的光子有显著的特点，就是原子可发出与诱发光子全同的光子，不仅频率（能量）相同，而且发射方向、偏振方向以及光波的相位都完全一样。于是，入射一个光子，就会出射两个完全相同的光子。这意味着原来光信号被放大，这种受激过程中产生并被放大的光就是激光。
1.1.3 粒子数反转
当频率一定的光射入工作物质时，受激辐射和受激吸收两过程同时存在，受激辐射使光子数增加，受激吸收却使光子数减小。物质处于热平衡态时，粒子在各能级上的分布，遵循平衡态下粒子的统计分布律。按统计分布规律，处在较低能级E1的粒子数必大于处在较高能级E2的粒子数。这样光穿过工作物质时，光的能量只会减弱不会加强。要想使受激辐射占优势，必须使处在高能级E2的粒子数大于处在低能级E1的粒子数。这种分布正好与平衡态时的粒子分布相反，称为粒子数反转分布，简称粒子数反转。如何从技术上实现粒子数反转是产生激光的必要条件。
1.2 激光的特性
1.2.1 方向性
不同类型激光器的方向性差别很大，它与工作物质的类型和均匀性、光腔类型和腔长、激励方式以及激光器的工作状态有关，气体激光器由于工作物质有良好的均匀性，并且腔长一般较大，所以有最好的方向性，可达到m≈10-3弧度，He—Ne激光器甚至可达310-4 弧度，这已十分接近其衍射极限m。固体激光器方向性较差，一般在10-2弧度量级。其主要原因是，有许多因素造成固体材料的光学非均匀性，以及一般固体激光器使用的腔长较短和激励的非均匀性等。半导体激光器的方向性最差， 一般在(5～10)10-2，弧度量级。
1.2.2 单色性
在实际的激光器中，有一系列不稳定因素(如温度、振动、气流、激励等)导致光腔谐振频率的不稳定，因此单纵模激光器的单色性主要由其频率稳定性决定。单模稳频气体激光器的单色性最好，在采用最严格稳频措施的条件下，曾在He—Ne 激光器中观察到约2Hz的带宽。固体激光器的单色性较差，主要是因为工作物质的增益曲线很宽，故很难保证单纵模工作。半导体激光器的单色性最差。
1.2.3 相干性
激光的相干性分为空间相干性、时间相干性和相干光强。激光的方向性越好，它的空间相干性程度就越高。激光的相干时间c和单色性Δv存在简单的关系：c=1/Δv
即单色性越高，相干时间越长。
1.2.4 高强度
激光器发出的激光是集中在沿轴线方向的一个极小发射角内（仅十分之一度左右），激光的亮度就会比同功率的普通光源高出几亿倍。
以上激光的四个特性本质上可归结为一性，即激光具有很高的光子简并度。也就是说，激光可以在很大的相干体积内有很高的相干光强。激光的这一特性正是由于受激辐射的本性和光腔的选模作用才得以实现的。
第二章 长波长激光二极管的结构与工作原理
2.1 长波长LD的基本结构
最早的半导体激光器要求很高的电流密度才能达到激光阈值，因此它们只能以脉冲方式运转以避免发热对器件的损伤，而且还必须用低温冷却和高效的热壑。直到1970年，双导质结构的发展才使室温连续运转成为可能。
不像简单的p-n同质结，双异质结由一个很薄的直接带隙半导体夹在两个较厚的半导体层之间组成（图2.1）。
图2.1 双异质结LD结构
这种结构的关键是薄的p型层（称为激活层）是由比两面较厚的p和n型层的带隙更小的材料做成，所以称为双异质结构（要画图）。当这结构是正向偏置时，电压将空穴和电子从外面的p和n区域注入中心激活层，在该处它们被捕获在由较宽带隙材料建立的势垒之间。于是在正向偏置的双异质结构中，电子和空穴可以进入激活区，但它们不能像在p-n同质结中的那样容易地逃逸。这种所谓载流子约束使大量的电子和空穴装在一个很小的体积内，这样就导致更高的增益、更低的阈值电流和更高的效率。显然，更高的效率意味着更强的光和更少的热耗。
为了获得更高的效率，可将双异质结构激光二极管的激活层在二维方向减窄而做成条状激光二极管，今天的商品激光二极管绝大多数都用这种结构。条状结构激光二极管有两种基本类型：增益波导和折射率波导。
有几种技术可以限制通过增益波导激光二极管激活层的电流的横向面积。一种简单的方法是在带正电的金属电极和其余结构之间设置一个开槽的诸如二氧化硅的绝缘层，留下一个薄的金属板条，电流可以通过该板条流入半导体层。条状的电流流过激活层建立起激光的增益区域，激光器就像一个窄的光波导（要画图）。
折射率波导激光二极管用光波导结构将激光约束在激活层的一个窄区域中，
最有
效的设计之一是埋置式异质结构激光二极管，它利用宽带隙材料的、较低的折射率通过全反射来约束激光。在这种器件中，窄的激活区域的四周被低折射率的宽带隙材料所包围以约束光和电荷载流子。
由于折射率波导结构使电荷载流子和光的窄约束（激活板条宽度仅1m）成为可能，这种结构的激光二极管的效率是很高的。窄的激活区域还产生发散度很小的相干光束，因此折射率波导常用于光通讯、光存储和光打印。增益波导二极管产生的光束发散角较大，相干性较差，但是输出功率比折射率波导二极管高。
为了获得很高的功率，必须将单个激光二极管包装成阵列，单块二极管阵列可由折射率波导或增益波导条状结构制成。图2.1b（？）画出锁相的增益波导阵列，其中，每个激活板条之间的间隔仅10m，它用周期的离子注入区来隔离通过各个增益区域的电流。激活板条之间的接近在它们之间形成光耦合，有助于相邻光束相位的同步或锁相，并影响整体阵列的光束质量。
锁相已在折射率波导阵列和反波导阵列中实现，在折射率反波导阵列中，激活板条的折射率低于周围材料的折射率，使它们之间发生光串扰。如果板条之间的间距等于半波长的奇数倍，则它们之间的光串扰就在相位上共振地耦合起来，这种二极管阵列称为共振光波导（ROW）阵列。ROW阵列已获得0.5W的衍射极限连续功率输出，脉冲功率输出为2.1W。功率最高的二极管阵列是由排列成约1cm长的激活板条簇组成的单块棒，这器件在室温下的连续输出功率达100W。
2.2 双异质结（DH）半导体激光器工作原理
由于限制层的带隙比有源层宽，施加正向偏压后， P层的空穴和N层的电子注入有源层。 P层带隙宽，导带的能态比有源层高，对注入电子形成了势垒，注入到有源层的电子不可能扩散到P层。
同理， 注入到有源层的空穴也不可能扩散到N层。这样，注入到有源层的电子和空穴被限制在厚0.1-0.3m的有源层内形成粒子数反转分布，这时只要很小的外加电流，就可以使电子和空穴浓度增大而提高效益。另一方面，有源层的折射率比限制层高，产生的激光被限制在有源区内，因而电/光转换效率很高，输出激光的阈值电流很低，很小的散热体就可以在室温连续工作。
第三章 长波长激光二极管设计和制作工艺
3.1 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，要求所选的材料能够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，但由于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，并配合霍尔测量、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。
优化波导结构能够优化半导体激光器的阈值电流密度、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阈值，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：
ifcfcx(1) 式（3-1）
其中为光场限制因子，fc为自由载流子吸收损耗，fcx为波导层外的自由载流子吸收损耗。而fc与初始载流子浓度N（对GaAs材料掺杂）有如下关系：fc=0.51017N，当有源区掺杂浓度在1018cm3以下时，fc恒定不变为10cm1，而达到10cm时，吸收系数随掺杂浓度增加。对fcx有同样的关系，所以有源区和183
波导区都不掺杂。要优化包层的厚度，减小包层厚度可以减小激光器的热阻，为了减小载流子的泄露，必须保证它与波导层有一个能带隙差，如果太小会导致载流子通过波导层泄露，从而使量子效率和特征温度降低。
3.2 芯片设计
3.2.1 单管芯的结构参数设计
对于单个管芯，其结构参数主要有发射孔径和腔长，发射孔径决定单管芯的输出功率，通常在50-500m之间，腔长与增益和光谱宽度有关，一般在600-1200m之间，单管芯的结构示意图如图3.2所示。
图3.1 单管芯结构示意图
在大功率半导体激光器中，通过镀高反膜和增透膜，不但可以降低阈值电流，提高激光器的量子效率和电光转换效率，还可以提高腔面的光损伤阈值，保护腔面，防止氧化，提高工作的可靠性。
前腔面的反射率Rf须进行优化，取得最佳值，以保证阈值电流密度、外量子效率d等在合适范围内。
阈值电流密度Jth可表示为
激光器腔面反射率：激光器后腔面反射率Rr尽可能高，以减少无用功率损耗。
i(1)c111Jth()ln()式(3-2) gggLRrRfJ0
外微分量子效率d如下式
1di1(1 2iL)1ln(RrRf)式(3-3) 其中：i、i、L、、d分别为内量子效率、内损耗因子、腔长、限制因子、有源区厚度，、J0是与增益有关的常数。
由式（3-11）可见，Jth随RrRf增大而减小，要取得低的阈值电流密度，要求有较高的反射率。但式（3-12）表明，外量子效率随RrRf增大而减小。要取得最大输出功率，RrRf有一个最佳值。通过实验优化，在保证Rr＞0.95时，Rf取值0.8左右。构成多层介质的两种材料折射率差越大，膜层反射率越高，故用Si作高折射材料。计算表明，如下膜系满足反射率大于95﹪的要求：S/L/H/L/H/L/H/L/H/A（其中：L为光学厚度为200nm的Al2O3，H为光学厚度为200nm的Si，S为出光面，A为环境)。
对于前腔面，采用不同光学厚度的Al2O3，可以得到不同的剩余反射率：光学厚度为
232nm，剩余反射率为5﹪；光学厚度为263nm，剩余反射率为11﹪；光学厚度为288nm，剩余反射率为18﹪。
3.2.2 连续大功率半导体激光器阵列
主要是阵列单元结构参数（包括发射孔径、腔长、隔离槽宽度及形状等）设计设计，在结构上抑制相邻的单元间的横向耦合，避免横向放大而降低效率。
由于激光器是高功率器件，且电光转换效率对有源区温度很敏感，降低器件串联电阻尤为重要。腔面镀膜工艺利用电子束蒸发台，优化腔面反射率，提高输出功率和效率。
3.3 可靠性设计
对于半导体激光器的各种应用来说，半导体激光器可靠性和寿命是非常重要的。因此有必要对半导体激光器的可靠性进行分析，针对已出现的问题进行可靠性设计。激光器工作的稳定性受温度影响非常明显，这是由激光器的工作原理所决定的，所以，为使激光器稳定地工作，通常要对激光器的载体进行温度自动控制，以使其波长和功率稳定。对于半导体激光器影响工作可靠性和寿命除了使用温度、工作条件以外，其本身的原因是有源区内高的功率密度和谐振腔面的退化。激光器退化的主要表现形式有：光输出功率的降低，阈值电流密度的增加，效率下降，光束质量变坏，模式特性
变化和P-I特性发生“扭折”。
材料内部退化可以分为两类：通过有源区发生的均匀退化；强烈吸收光的暗线缺陷和暗点缺陷。这些缺陷的形成主要是材料衬底、外延生长和工艺工程引入的，而且它还与非辐射电子空穴复合引起的结构微观变化有关。
端面损伤主要有两种：灾变性端面损坏、腔面的化学腐蚀损坏。当表面激光器的光吸收、表面复合使电流密度增加，局部大量发热，而温度又使吸收系数加大，形成一个恶性循环，造成了端面的灾变性损坏。腔面的化学腐蚀损坏是由于光化学作用是表面氧化，并在腔面上形成点缺陷，这会导致腔面的局部反射系数的变化，影响激射光丝位置的稳定性，增加了非辐射复合速率。腔面氧化腐蚀形成了吸收层，从而使激光器产生自脉冲。
衬底材料中的缺陷以及工艺过程中出应力引入的缺陷都将导致激光器短期失效。因大功率激光器几乎全部采用裸封装，环境净化质量和气氛会影响激光器的寿命。结温的高低是影响激光器寿命的最直接因素，结温越高，工作寿命越短，因此必须降低激光器的热阻，提高光电转换效率。
激光器的失效模式主要有三种，即DLD（dark line defets）,VOD（visible optical damage）和COD（catastrophic optical damage）。
DLD失效表现为激光器突然停止工作或效率逐渐下降，在近场图中表现为局部不发光，其失效机理为：衬底中的缺陷或芯片加工过程中引起的机械损伤，在激光器工作过程中受热应力的作用，逐渐延伸到有源层，形成非辐射复合中心，使激光器停止工作或效率降低。
为避免该类失效，可以采取以下方法：
选用缺陷密度尽可能低的衬底；
尽量减小芯片加工工艺过程中的应力储存，特别是划片和P面金属化工艺； 将划片区用化学腐蚀方法腐蚀一个槽，这样将使划片引起的机械损伤限制在衬底层。
VOD失效表现为激光器腔面有沉积物，在近场图中表现为发光强度略有降低，其失效机理为：有机物在腔面上发生了光化学反应，形成沉积物。该类失效仅发生在密封封装的器件中，因此在此不予讨论。
COD失效在近场图中表现为发光强度很弱，在EBIC图中表现为由腔面指向有源区的“手指状”损伤区。其失效机理为：激光器的出光面能够承受的功率密度是有限的，当激光器的功率密度超过这一极限时，激光器的腔面将被高温熔融，发生所谓的
“灾变损伤”。为避免该类失效，我们采取对功率密度进行降额设计。有时虽然设计的功率密度远低于COD极值，但仍发生COD失效，这是由于激光器的功率密度不均匀，局部功率密度高所致。因此要保证材料和器件工艺的均匀性，另外，要防止腔面的有机物玷污，因为发生VOD现象再继续工作将导致COD的发生。
激光器的寿命是结温的函数，结温越低寿命越长，这是由于上述失效现象发生的可能性和速度随温度的增长而增长，降低热阻是降低结温的最有效途径。
但bar载体的加工质量直接影响器件的性能，是半导体激光器散热的关键工艺。载体必须平整一致。只有提高载体的光洁度才可减低焊料镀层厚度，即降低热阻。使用高精度研磨抛光机对载体进行加工，可保证载体的加工质量。
3.4 半导体激光器制作工艺
1、衬底挑选：衬底是用于外延生长的基片，由于外延生长的质量明显地受衬底晶体质量的影响，因此要求衬底应该具有规定的晶向及一定的偏离范围、一定的厚度、适宜的掺杂浓度，表面光亮、平整、无划痕，内部基本无位错或低位错；
2、外延生长：外延材料是采用金属有机化学气相沉积外延技术制作的。外延生长工艺提供比离子注入更好的杂质分布控制，对异质结构器件的电荷分布有更严格的控制；
3、介质膜沉积：在沉积介质膜之前，外延片一定要经过处理，以去除潮气。在P面沉积绝缘介质膜。这里用溅射的方法在样品表面淀积SiO2；
4、光刻：光刻的目的是复制一个三维图形，该图形的尺寸要和光刻板的图形一致。如果复制图形与原形一致，则为正性复制。若相反，为负性复制。图形区与非图形区的差别是通过显影方法得到的。显影可除去曝光或没曝光的光刻胶，留下的形成图形的光刻胶，保护衬底免受工艺处理过程中的化学侵蚀。
5、腐蚀SiO2：在腐蚀的过程，腐蚀液的温度、浓度和腐蚀的时间是非常关键的，它们都会影响腐蚀的效果；
6、欧姆接触和P面金属化：P面欧姆接触的材料是TiPtAu。外延片在淀积TiPtAu之前，应使用丙酮等有机溶剂反复水浴清洗。我们采用电子束蒸发方法淀积TiPtAu，在这其中，钛用作粘附材料；铂作为扩散势垒，阻止金与钛反应及金进入GaAs；金提供非常低的电阻通路，可支持高密度电流。另外，从热应力方面来看，TiPtAu结构稳定；
7、合金：合金过程是为激活离子注入物、钝化表面，释放不同种材料间的应力。其原理是用热激励方法引发可控制的晶片内的原子交换。
8、减薄、抛光：减薄的目的是有良好的电学接触、良好的导热能力。因为衬底太厚不但影响导电，而且也影响导热。减薄衬底片，可以提高导热能力。机械研磨方法减薄，方法简单易行，但受人为因素影响较大，而且减薄后表面较粗糙；
9、N面金属化：电子束蒸发淀积AuGeNi，在淀积前处理表面，保证淀积表面的清洁。
10、解理及中测：因为半导体激光器的谐振腔是半导体材料的自然解理面，所以解理的好坏直接关系的激光器的出光效率。现在划片机一般采用金刚石划片，先在衬底片上用金刚石刀刻痕，然后用一个精密控制的压棒在衬底片上滚动，在压棒滚过的地方，品片沿刻痕自然解理开。这样做的好处是不用很大的压力即可使晶片解理。我们用划片机将样片解理成条。
11、腔面蒸镀光学膜：蒸发速率对折射率、散射、应力、硬度等有明显影响，衬底温度影响材料的粘附系数和薄膜的厚度、结构等。蒸发速率和衬底温度等工艺条件决定了薄膜的特性，如折射率、应力、硬度。我们在管芯的前后腔面分别用电子束蒸镀了反射率为5﹪和95﹪的介质膜；
12、载体制作：激光器工作时产生大量热，必须及时散热以维持其正常工作，载体是激光器散热的主要环节。因此，为了达到良好的散热目的，必须对载体的材料进行选择。一方面，载体材料应是热的良导体、不污染且与激光器管芯的物理性质相匹配，主要是热膨胀系数相同或接近；另一方面，载体材料还应有易于加工，与激光器管芯烧焊容易，可靠性高等特点。散热载体的表面要光滑平整，加工合格的散热载体可有效降低焊料层的厚度，使器件的热阻降低，结温减小，提高器件的光功率。我们使用的载体材料是钨铜，钨铜热膨胀系数和管芯近似，可减小载体和管芯之间由于热膨胀系数不同造成的退化；
13、烧结：激光器的结温是影响寿命的重要因素，结温越高，寿命越短。结温受多种因素影响的。经过实验，我们选用了金锡合金作为烧结大功率半导体激光器芯片的焊料，采用电镀工艺在钨铜载体上镀金锡焊料，并严格掌握镀层的厚度。在气体保护下，加热载体上的金锡，使其融化。芯片探出或缩后于载体都会使芯片在使用过程中受热不均匀，从而严重影响寿命。气体保护有效地减少因氧化造成的热阻的升高，降低接触电阻率，实现良好的焊接。
14、测试：用外延层X射线双晶衍射曲线可以评价外延材料的晶体质量，外延层之间的平整度，计算出外延材料中的Al组分，计算出波导层和限制层得Al组分是否已经达到设计要求。由I-V曲线计算得到IdV/dI-I曲线，由IdV/dI-I曲线得到阈值
电流、串联电阻、节特征参数m、下沉高度h、纵轴截距b、初始峰个数。下沉高度h与器件材料结构和串联电阻有关，h小的可靠性差。纵轴截距b变大，表明漏电流增加。初始峰个数多的器件容易退化。
结 论
本论文首先介绍了激光的原理、特性等相关理论知识，紧接着引出激光器的基本结构和工作原理，本文主要以长波长半导体激光器进行论述。在此基础上，提出了长波长激光二极管的设计方法，主要包括材料生长和设计、管芯设计、可靠性设计，最后进行了制作工艺研究。
激光的发光原理是光的受激辐射，使处在激发态的原子受到外来光的激励作用而跃迁到低能级，同时发出一个与外来激励光子完全相同的光子，从而实现光的放大。欲使受激辐射成为主要的发光过程，需要使发光物质处于激发态的高能级上的粒子多于低能级上的粒子，即粒子数反转分布，同时还要使这样的介质中受激辐射占绝对优势。电子技术的发展提供了激励能源，精密加工技术制造出谐振腔，材料科学的研究提供了各种激光工作物质，在这种条件下各种激光器陆续诞生，其中就包括长波长半导体激光器。
长波长半导体激光器目前来说主要的激光工作物质是砷化铝镓铟和砷磷化铟镓材料，能发出980纳米至1550纳米波长的激光。双异质结半导体激光器在激活区两侧有两个异质结，激活区注入的电子和空穴，由于两侧高势垒的限制，深度剧增，激活区厚度变窄，d0.5m。同时，由于激活区两侧折射率差都很大，“光波导效应”非常显著，使光波导传输损耗大大减小，所以双异质结激光器的阈值电流密度更低，可降到102～103A/cm2。室温下可获得几毫瓦至几十毫瓦的连续功率输出。
本文第三章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，从设计和制作工艺入手，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。
注 释
〈1〉×××××××××××××××××××××××××××××××××× 〈2〉×××××××××××××××××××××××××××××××××× „„„ 说明：
毕业论文注释一律采用篇末注（将全部注释集中在文章末尾）。
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学术会议论文集.北京.航空工业出版社.2004：12－21
说明：
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引 言
20世纪70年代初实现了半导体激光器的室温、连续激射后，开创了半导体激光器发展的新时期。随着半导体激光器激射波长范围的扩展、光谱特性的改善和输出功率的增加，半导体激光器的优越性更加明显，应用领域越来越广。
半导体激光器又称为激光二极管，其所发射激光依波长及应用，可分为短波长与长波长激光两大类。短波长激光包含发光波长由390纳米到950纳米的激光，主要用于光驱、激光打印机、条形码机、扫描仪及指示器等光信息及显示的应用；长波长激光则涵盖发光波长由980纳米至1550纳米之激光，主要用于光纤通信。
长波长激光二极管主要用砷化铝镓铟和砷磷化铟镓材料所制成，其中最重要的是使用具有单模、稳频操作的1310纳米或1550纳米激光二极管，以作为光纤通信的光源。另外，也有用在光纤放大器的激发源的980纳米或1480纳米激光二极管。由于长距离光纤通信朝向高传输功率及波长多任务系统发展，使用光纤放大器取代传统的电子式中继站正迅速发展。
激光二极管的寿命与其制备工艺密切相关，每一步工艺都可能对其可靠性产生重大影响。本文将着重研究长波长激光二极管的原理及制作工艺，力求降低激光器的阈值电流，提高激光器的光功率，延长激光器的工作寿命。
第一章 激光理论基础
激光是20世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后，人类的又一重大发明，被称为“最快的刀”、“最准的尺”。本章介绍了激光的产生及其特性。
1.1 激光的产生原理
1.1.1 普通光源的发光——受激吸收和自发辐射
普通常见光源的发光是由于物质在受到外来能量（如光能、电能、热能等）作用时，原子中的电子就会吸收外来能量而从低能级跃迁到高能级，即原子被激发。激发的过程是一个“受激吸收”过程。处在高能级（E2）的电子寿命很短，在没有外界作用下会自发地向低能级（E1）跃迁，跃迁时将会产生光（电磁波）辐射。辐射光子能量为hv=E2-E1 这种辐射称为自发辐射。原子的自发辐射过程完全是一种随机过程，各发光原子的发光过程各自独立，互不关联，即所辐射的光在发射方向上是无规则的射向四面八方，另外相位、偏振状态也各不相同。由于激发能级有一个宽度，所以发射光的频率也不是单一的，而有一个范围。
在通常热平衡条件下，处于高能级E2上的原子数密度N2，远比处于低能级的原子数密度低，这是因为处于能级E的原子数密度N的大小随能级E的增加而指数减小，即 N∝exp(-E/kT)，这是著名的波尔兹曼分布规律。于是在上、下两个能级上的原子数密度比为N2/N1∝exp｛-（E2-E1）/kT｝式中k为波尔兹曼常量，T为绝对温度。因为 E2＞E1，所以N2《N1。所以普通广义的发光是包含了受激吸收和自发辐射两个过程。
1.1.2 受激辐射和光的放大
由量子理论知识知道，一个能级对应电子的一个能量状态。电子能量由主量子数 n(n=1,2,„)决定。但是实际描写原子中电子运动状态，除了能量还有轨道角动量L和自旋角动量S，它们都是量子化的，由相应的量子数来描述。对轨道角动量，波尔曾给出了量子化公式Ln=nh，但这不严格，因这个式子还是在把电子运动看作轨道运动基础上得到的。严格的能量量子化以及角动量量子化都应该有量子力学理论来推导。
量子理论告诉我们，电子从高能态向低能态跃迁时只能发生在量子数相差±1的两个状态之间，这就是一种选择规则。如果选择规则不满足，则跃迁的几率很小，甚至接近零。在原子中可能存在这样一些能级，一旦电子被激发到这种能级上时，由于不满足跃迁的选择规则，可使它在这种能级上的寿命很长，不易发生自发跃迁到低能
级上。这种能级称为亚稳态能级。但是，在外加光的诱发和刺激下可以使其迅速跃迁到低能级，并放出光子。这种过程是被“激”出来的，故称为受激辐射。
受激辐射的过程大致如下：原子开始处于高能级E2，当一个外来光子所带的能量 hv正好为某一对能级之差E2-E1，则这原子可以在此外来光子的诱发下从高能级E2向低能级E1跃迁。这种受激辐射的光子有显著的特点，就是原子可发出与诱发光子全同的光子，不仅频率（能量）相同，而且发射方向、偏振方向以及光波的相位都完全一样。于是，入射一个光子，就会出射两个完全相同的光子。这意味着原来光信号被放大，这种受激过程中产生并被放大的光就是激光。
1.1.3 粒子数反转
当频率一定的光射入工作物质时，受激辐射和受激吸收两过程同时存在，受激辐射使光子数增加，受激吸收却使光子数减小。物质处于热平衡态时，粒子在各能级上的分布，遵循平衡态下粒子的统计分布律。按统计分布规律，处在较低能级E1的粒子数必大于处在较高能级E2的粒子数。这样光穿过工作物质时，光的能量只会减弱不会加强。要想使受激辐射占优势，必须使处在高能级E2的粒子数大于处在低能级E1的粒子数。这种分布正好与平衡态时的粒子分布相反，称为粒子数反转分布，简称粒子数反转。如何从技术上实现粒子数反转是产生激光的必要条件。
1.2 激光的特性
1.2.1 方向性
不同类型激光器的方向性差别很大，它与工作物质的类型和均匀性、光腔类型和腔长、激励方式以及激光器的工作状态有关，气体激光器由于工作物质有良好的均匀性，并且腔长一般较大，所以有最好的方向性，可达到m≈10-3弧度，He—Ne激光器甚至可达310-4 弧度，这已十分接近其衍射极限m。固体激光器方向性较差，一般在10-2弧度量级。其主要原因是，有许多因素造成固体材料的光学非均匀性，以及一般固体激光器使用的腔长较短和激励的非均匀性等。半导体激光器的方向性最差， 一般在(5～10)10-2，弧度量级。
1.2.2 单色性
在实际的激光器中，有一系列不稳定因素(如温度、振动、气流、激励等)导致光腔谐振频率的不稳定，因此单纵模激光器的单色性主要由其频率稳定性决定。单模稳频气体激光器的单色性最好，在采用最严格稳频措施的条件下，曾在He—Ne 激光器中观察到约2Hz的带宽。固体激光器的单色性较差，主要是因为工作物质的增益曲线很宽，故很难保证单纵模工作。半导体激光器的单色性最差。
1.2.3 相干性
激光的相干性分为空间相干性、时间相干性和相干光强。激光的方向性越好，它的空间相干性程度就越高。激光的相干时间c和单色性Δv存在简单的关系：c=1/Δv
即单色性越高，相干时间越长。
1.2.4 高强度
激光器发出的激光是集中在沿轴线方向的一个极小发射角内（仅十分之一度左右），激光的亮度就会比同功率的普通光源高出几亿倍。
以上激光的四个特性本质上可归结为一性，即激光具有很高的光子简并度。也就是说，激光可以在很大的相干体积内有很高的相干光强。激光的这一特性正是由于受激辐射的本性和光腔的选模作用才得以实现的。
第二章 长波长激光二极管的结构与工作原理
2.1 长波长LD的基本结构
最早的半导体激光器要求很高的电流密度才能达到激光阈值，因此它们只能以脉冲方式运转以避免发热对器件的损伤，而且还必须用低温冷却和高效的热壑。直到1970年，双导质结构的发展才使室温连续运转成为可能。
不像简单的p-n同质结，双异质结由一个很薄的直接带隙半导体夹在两个较厚的半导体层之间组成（图2.1）。
图2.1 双异质结LD结构
这种结构的关键是薄的p型层（称为激活层）是由比两面较厚的p和n型层的带隙更小的材料做成，所以称为双异质结构（要画图）。当这结构是正向偏置时，电压将空穴和电子从外面的p和n区域注入中心激活层，在该处它们被捕获在由较宽带隙材料建立的势垒之间。于是在正向偏置的双异质结构中，电子和空穴可以进入激活区，但它们不能像在p-n同质结中的那样容易地逃逸。这种所谓载流子约束使大量的电子和空穴装在一个很小的体积内，这样就导致更高的增益、更低的阈值电流和更高的效率。显然，更高的效率意味着更强的光和更少的热耗。
为了获得更高的效率，可将双异质结构激光二极管的激活层在二维方向减窄而做成条状激光二极管，今天的商品激光二极管绝大多数都用这种结构。条状结构激光二极管有两种基本类型：增益波导和折射率波导。
有几种技术可以限制通过增益波导激光二极管激活层的电流的横向面积。一种简单的方法是在带正电的金属电极和其余结构之间设置一个开槽的诸如二氧化硅的绝缘层，留下一个薄的金属板条，电流可以通过该板条流入半导体层。条状的电流流过激活层建立起激光的增益区域，激光器就像一个窄的光波导（要画图）。
折射率波导激光二极管用光波导结构将激光约束在激活层的一个窄区域中，
最有
效的设计之一是埋置式异质结构激光二极管，它利用宽带隙材料的、较低的折射率通过全反射来约束激光。在这种器件中，窄的激活区域的四周被低折射率的宽带隙材料所包围以约束光和电荷载流子。
由于折射率波导结构使电荷载流子和光的窄约束（激活板条宽度仅1m）成为可能，这种结构的激光二极管的效率是很高的。窄的激活区域还产生发散度很小的相干光束，因此折射率波导常用于光通讯、光存储和光打印。增益波导二极管产生的光束发散角较大，相干性较差，但是输出功率比折射率波导二极管高。
为了获得很高的功率，必须将单个激光二极管包装成阵列，单块二极管阵列可由折射率波导或增益波导条状结构制成。图2.1b（？）画出锁相的增益波导阵列，其中，每个激活板条之间的间隔仅10m，它用周期的离子注入区来隔离通过各个增益区域的电流。激活板条之间的接近在它们之间形成光耦合，有助于相邻光束相位的同步或锁相，并影响整体阵列的光束质量。
锁相已在折射率波导阵列和反波导阵列中实现，在折射率反波导阵列中，激活板条的折射率低于周围材料的折射率，使它们之间发生光串扰。如果板条之间的间距等于半波长的奇数倍，则它们之间的光串扰就在相位上共振地耦合起来，这种二极管阵列称为共振光波导（ROW）阵列。ROW阵列已获得0.5W的衍射极限连续功率输出，脉冲功率输出为2.1W。功率最高的二极管阵列是由排列成约1cm长的激活板条簇组成的单块棒，这器件在室温下的连续输出功率达100W。
2.2 双异质结（DH）半导体激光器工作原理
由于限制层的带隙比有源层宽，施加正向偏压后， P层的空穴和N层的电子注入有源层。 P层带隙宽，导带的能态比有源层高，对注入电子形成了势垒，注入到有源层的电子不可能扩散到P层。
同理， 注入到有源层的空穴也不可能扩散到N层。这样，注入到有源层的电子和空穴被限制在厚0.1-0.3m的有源层内形成粒子数反转分布，这时只要很小的外加电流，就可以使电子和空穴浓度增大而提高效益。另一方面，有源层的折射率比限制层高，产生的激光被限制在有源区内，因而电/光转换效率很高，输出激光的阈值电流很低，很小的散热体就可以在室温连续工作。
第三章 长波长激光二极管设计和制作工艺
3.1 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，要求所选的材料能够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，但由于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，并配合霍尔测量、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。
优化波导结构能够优化半导体激光器的阈值电流密度、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阈值，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：
ifcfcx(1) 式（3-1）
其中为光场限制因子，fc为自由载流子吸收损耗，fcx为波导层外的自由载流子吸收损耗。而fc与初始载流子浓度N（对GaAs材料掺杂）有如下关系：fc=0.51017N，当有源区掺杂浓度在1018cm3以下时，fc恒定不变为10cm1，而达到10cm时，吸收系数随掺杂浓度增加。对fcx有同样的关系，所以有源区和183
波导区都不掺杂。要优化包层的厚度，减小包层厚度可以减小激光器的热阻，为了减小载流子的泄露，必须保证它与波导层有一个能带隙差，如果太小会导致载流子通过波导层泄露，从而使量子效率和特征温度降低。
3.2 芯片设计
3.2.1 单管芯的结构参数设计
对于单个管芯，其结构参数主要有发射孔径和腔长，发射孔径决定单管芯的输出功率，通常在50-500m之间，腔长与增益和光谱宽度有关，一般在600-1200m之间，单管芯的结构示意图如图3.2所示。
图3.1 单管芯结构示意图
在大功率半导体激光器中，通过镀高反膜和增透膜，不但可以降低阈值电流，提高激光器的量子效率和电光转换效率，还可以提高腔面的光损伤阈值，保护腔面，防止氧化，提高工作的可靠性。
前腔面的反射率Rf须进行优化，取得最佳值，以保证阈值电流密度、外量子效率d等在合适范围内。
阈值电流密度Jth可表示为
激光器腔面反射率：激光器后腔面反射率Rr尽可能高，以减少无用功率损耗。
i(1)c111Jth()ln()式(3-2) gggLRrRfJ0
外微分量子效率d如下式
1di1(1 2iL)1ln(RrRf)式(3-3) 其中：i、i、L、、d分别为内量子效率、内损耗因子、腔长、限制因子、有源区厚度，、J0是与增益有关的常数。
由式（3-11）可见，Jth随RrRf增大而减小，要取得低的阈值电流密度，要求有较高的反射率。但式（3-12）表明，外量子效率随RrRf增大而减小。要取得最大输出功率，RrRf有一个最佳值。通过实验优化，在保证Rr＞0.95时，Rf取值0.8左右。构成多层介质的两种材料折射率差越大，膜层反射率越高，故用Si作高折射材料。计算表明，如下膜系满足反射率大于95﹪的要求：S/L/H/L/H/L/H/L/H/A（其中：L为光学厚度为200nm的Al2O3，H为光学厚度为200nm的Si，S为出光面，A为环境)。
对于前腔面，采用不同光学厚度的Al2O3，可以得到不同的剩余反射率：光学厚度为
232nm，剩余反射率为5﹪；光学厚度为263nm，剩余反射率为11﹪；光学厚度为288nm，剩余反射率为18﹪。
3.2.2 连续大功率半导体激光器阵列
主要是阵列单元结构参数（包括发射孔径、腔长、隔离槽宽度及形状等）设计设计，在结构上抑制相邻的单元间的横向耦合，避免横向放大而降低效率。
由于激光器是高功率器件，且电光转换效率对有源区温度很敏感，降低器件串联电阻尤为重要。腔面镀膜工艺利用电子束蒸发台，优化腔面反射率，提高输出功率和效率。
3.3 可靠性设计
对于半导体激光器的各种应用来说，半导体激光器可靠性和寿命是非常重要的。因此有必要对半导体激光器的可靠性进行分析，针对已出现的问题进行可靠性设计。激光器工作的稳定性受温度影响非常明显，这是由激光器的工作原理所决定的，所以，为使激光器稳定地工作，通常要对激光器的载体进行温度自动控制，以使其波长和功率稳定。对于半导体激光器影响工作可靠性和寿命除了使用温度、工作条件以外，其本身的原因是有源区内高的功率密度和谐振腔面的退化。激光器退化的主要表现形式有：光输出功率的降低，阈值电流密度的增加，效率下降，光束质量变坏，模式特性
变化和P-I特性发生“扭折”。
材料内部退化可以分为两类：通过有源区发生的均匀退化；强烈吸收光的暗线缺陷和暗点缺陷。这些缺陷的形成主要是材料衬底、外延生长和工艺工程引入的，而且它还与非辐射电子空穴复合引起的结构微观变化有关。
端面损伤主要有两种：灾变性端面损坏、腔面的化学腐蚀损坏。当表面激光器的光吸收、表面复合使电流密度增加，局部大量发热，而温度又使吸收系数加大，形成一个恶性循环，造成了端面的灾变性损坏。腔面的化学腐蚀损坏是由于光化学作用是表面氧化，并在腔面上形成点缺陷，这会导致腔面的局部反射系数的变化，影响激射光丝位置的稳定性，增加了非辐射复合速率。腔面氧化腐蚀形成了吸收层，从而使激光器产生自脉冲。
衬底材料中的缺陷以及工艺过程中出应力引入的缺陷都将导致激光器短期失效。因大功率激光器几乎全部采用裸封装，环境净化质量和气氛会影响激光器的寿命。结温的高低是影响激光器寿命的最直接因素，结温越高，工作寿命越短，因此必须降低激光器的热阻，提高光电转换效率。
激光器的失效模式主要有三种，即DLD（dark line defets）,VOD（visible optical damage）和COD（catastrophic optical damage）。
DLD失效表现为激光器突然停止工作或效率逐渐下降，在近场图中表现为局部不发光，其失效机理为：衬底中的缺陷或芯片加工过程中引起的机械损伤，在激光器工作过程中受热应力的作用，逐渐延伸到有源层，形成非辐射复合中心，使激光器停止工作或效率降低。
为避免该类失效，可以采取以下方法：
选用缺陷密度尽可能低的衬底；
尽量减小芯片加工工艺过程中的应力储存，特别是划片和P面金属化工艺； 将划片区用化学腐蚀方法腐蚀一个槽，这样将使划片引起的机械损伤限制在衬底层。
VOD失效表现为激光器腔面有沉积物，在近场图中表现为发光强度略有降低，其失效机理为：有机物在腔面上发生了光化学反应，形成沉积物。该类失效仅发生在密封封装的器件中，因此在此不予讨论。
COD失效在近场图中表现为发光强度很弱，在EBIC图中表现为由腔面指向有源区的“手指状”损伤区。其失效机理为：激光器的出光面能够承受的功率密度是有限的，当激光器的功率密度超过这一极限时，激光器的腔面将被高温熔融，发生所谓的
“灾变损伤”。为避免该类失效，我们采取对功率密度进行降额设计。有时虽然设计的功率密度远低于COD极值，但仍发生COD失效，这是由于激光器的功率密度不均匀，局部功率密度高所致。因此要保证材料和器件工艺的均匀性，另外，要防止腔面的有机物玷污，因为发生VOD现象再继续工作将导致COD的发生。
激光器的寿命是结温的函数，结温越低寿命越长，这是由于上述失效现象发生的可能性和速度随温度的增长而增长，降低热阻是降低结温的最有效途径。
但bar载体的加工质量直接影响器件的性能，是半导体激光器散热的关键工艺。载体必须平整一致。只有提高载体的光洁度才可减低焊料镀层厚度，即降低热阻。使用高精度研磨抛光机对载体进行加工，可保证载体的加工质量。
3.4 半导体激光器制作工艺
1、衬底挑选：衬底是用于外延生长的基片，由于外延生长的质量明显地受衬底晶体质量的影响，因此要求衬底应该具有规定的晶向及一定的偏离范围、一定的厚度、适宜的掺杂浓度，表面光亮、平整、无划痕，内部基本无位错或低位错；
2、外延生长：外延材料是采用金属有机化学气相沉积外延技术制作的。外延生长工艺提供比离子注入更好的杂质分布控制，对异质结构器件的电荷分布有更严格的控制；
3、介质膜沉积：在沉积介质膜之前，外延片一定要经过处理，以去除潮气。在P面沉积绝缘介质膜。这里用溅射的方法在样品表面淀积SiO2；
4、光刻：光刻的目的是复制一个三维图形，该图形的尺寸要和光刻板的图形一致。如果复制图形与原形一致，则为正性复制。若相反，为负性复制。图形区与非图形区的差别是通过显影方法得到的。显影可除去曝光或没曝光的光刻胶，留下的形成图形的光刻胶，保护衬底免受工艺处理过程中的化学侵蚀。
5、腐蚀SiO2：在腐蚀的过程，腐蚀液的温度、浓度和腐蚀的时间是非常关键的，它们都会影响腐蚀的效果；
6、欧姆接触和P面金属化：P面欧姆接触的材料是TiPtAu。外延片在淀积TiPtAu之前，应使用丙酮等有机溶剂反复水浴清洗。我们采用电子束蒸发方法淀积TiPtAu，在这其中，钛用作粘附材料；铂作为扩散势垒，阻止金与钛反应及金进入GaAs；金提供非常低的电阻通路，可支持高密度电流。另外，从热应力方面来看，TiPtAu结构稳定；
7、合金：合金过程是为激活离子注入物、钝化表面，释放不同种材料间的应力。其原理是用热激励方法引发可控制的晶片内的原子交换。
8、减薄、抛光：减薄的目的是有良好的电学接触、良好的导热能力。因为衬底太厚不但影响导电，而且也影响导热。减薄衬底片，可以提高导热能力。机械研磨方法减薄，方法简单易行，但受人为因素影响较大，而且减薄后表面较粗糙；
9、N面金属化：电子束蒸发淀积AuGeNi，在淀积前处理表面，保证淀积表面的清洁。
10、解理及中测：因为半导体激光器的谐振腔是半导体材料的自然解理面，所以解理的好坏直接关系的激光器的出光效率。现在划片机一般采用金刚石划片，先在衬底片上用金刚石刀刻痕，然后用一个精密控制的压棒在衬底片上滚动，在压棒滚过的地方，品片沿刻痕自然解理开。这样做的好处是不用很大的压力即可使晶片解理。我们用划片机将样片解理成条。
11、腔面蒸镀光学膜：蒸发速率对折射率、散射、应力、硬度等有明显影响，衬底温度影响材料的粘附系数和薄膜的厚度、结构等。蒸发速率和衬底温度等工艺条件决定了薄膜的特性，如折射率、应力、硬度。我们在管芯的前后腔面分别用电子束蒸镀了反射率为5﹪和95﹪的介质膜；
12、载体制作：激光器工作时产生大量热，必须及时散热以维持其正常工作，载体是激光器散热的主要环节。因此，为了达到良好的散热目的，必须对载体的材料进行选择。一方面，载体材料应是热的良导体、不污染且与激光器管芯的物理性质相匹配，主要是热膨胀系数相同或接近；另一方面，载体材料还应有易于加工，与激光器管芯烧焊容易，可靠性高等特点。散热载体的表面要光滑平整，加工合格的散热载体可有效降低焊料层的厚度，使器件的热阻降低，结温减小，提高器件的光功率。我们使用的载体材料是钨铜，钨铜热膨胀系数和管芯近似，可减小载体和管芯之间由于热膨胀系数不同造成的退化；
13、烧结：激光器的结温是影响寿命的重要因素，结温越高，寿命越短。结温受多种因素影响的。经过实验，我们选用了金锡合金作为烧结大功率半导体激光器芯片的焊料，采用电镀工艺在钨铜载体上镀金锡焊料，并严格掌握镀层的厚度。在气体保护下，加热载体上的金锡，使其融化。芯片探出或缩后于载体都会使芯片在使用过程中受热不均匀，从而严重影响寿命。气体保护有效地减少因氧化造成的热阻的升高，降低接触电阻率，实现良好的焊接。
14、测试：用外延层X射线双晶衍射曲线可以评价外延材料的晶体质量，外延层之间的平整度，计算出外延材料中的Al组分，计算出波导层和限制层得Al组分是否已经达到设计要求。由I-V曲线计算得到IdV/dI-I曲线，由IdV/dI-I曲线得到阈值
电流、串联电阻、节特征参数m、下沉高度h、纵轴截距b、初始峰个数。下沉高度h与器件材料结构和串联电阻有关，h小的可靠性差。纵轴截距b变大，表明漏电流增加。初始峰个数多的器件容易退化。
结 论
本论文首先介绍了激光的原理、特性等相关理论知识，紧接着引出激光器的基本结构和工作原理，本文主要以长波长半导体激光器进行论述。在此基础上，提出了长波长激光二极管的设计方法，主要包括材料生长和设计、管芯设计、可靠性设计，最后进行了制作工艺研究。
激光的发光原理是光的受激辐射，使处在激发态的原子受到外来光的激励作用而跃迁到低能级，同时发出一个与外来激励光子完全相同的光子，从而实现光的放大。欲使受激辐射成为主要的发光过程，需要使发光物质处于激发态的高能级上的粒子多于低能级上的粒子，即粒子数反转分布，同时还要使这样的介质中受激辐射占绝对优势。电子技术的发展提供了激励能源，精密加工技术制造出谐振腔，材料科学的研究提供了各种激光工作物质，在这种条件下各种激光器陆续诞生，其中就包括长波长半导体激光器。
长波长半导体激光器目前来说主要的激光工作物质是砷化铝镓铟和砷磷化铟镓材料，能发出980纳米至1550纳米波长的激光。双异质结半导体激光器在激活区两侧有两个异质结，激活区注入的电子和空穴，由于两侧高势垒的限制，深度剧增，激活区厚度变窄，d0.5m。同时，由于激活区两侧折射率差都很大，“光波导效应”非常显著，使光波导传输损耗大大减小，所以双异质结激光器的阈值电流密度更低，可降到102～103A/cm2。室温下可获得几毫瓦至几十毫瓦的连续功率输出。
本文第三章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，从设计和制作工艺入手，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。
注 释
〈1〉×××××××××××××××××××××××××××××××××× 〈2〉×××××××××××××××××××××××××××××××××× „„„ 说明：
毕业论文注释一律采用篇末注（将全部注释集中在文章末尾）。
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