CN100468893C - 半导体激光二极管的辅助装配座及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种半导体激光二极管的辅助装配座及其制造方法，该辅助装配座倒装焊接到一个具有阶梯状第一和第二电极的半导体激光二极管芯片上。该辅助装配座包括：一个具有第一和第二表面的衬底，所述第一和第二表面隔开与所述第一和第二电极之间的高度差相当的阶跃高度；第一和第二金属层，分别形成于所述第一和第二表面上且厚度相同；以及第一和第二焊料层，分别形成于所述第一和第二金属层上且厚度相同，并且分别焊接到所述第一和第二电极上。通过一个工序同时形成厚度相同的两焊料层，由此具有相同的化学成分比，提供几乎相同的熔融特性；可通过辅助装配座有效地排放出在半导体激光二极管芯片工作期间产生的热量。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体激光二极管。更具体地说，本发明涉及一种倒装焊接到一个具有形成于同一侧面上的两个阶梯状电极(stepped electrode)的激光二极管芯片上的辅助装配座(submount)及其制造方法，并涉及使用该辅助装配座的半导体激光二极管组件。
背景技术
随着对高密度信息记录需求的不断增长，对可见光半导体激光二极管的需求不断增加。因此，人们正在开发由各种能够发出可见光激光的化合物制成的半导体激光二极管。特别是，III-V族氮化物半导体激光二极管受到人们大量的关注，因为其光跃迁是诱发高频激光辐射的直接跃迁类型并且由于其发射出蓝光激光。
图1显示出传统以GaN为基的、III-V族氮化物半导体激光二极管芯片的横截面视图，其具有形成于同一侧面上的n型和p型电极以及脊形波导(ridge waveguide)。
如图1所示，传统以GaN为基的、III-V族氮化物半导体激光二极管芯片具有形成于同一侧面上的n型和p型电极、以及形成于p型电极区内的脊形波导。
详细地说，在蓝宝石衬底10上形成一n-GaN层12。该n-GaN层12分成第一和第二区R1和R2。一n型电极14形成于n-GaN层12的第二区R2上。接着，在n-GaN层12的第一区R1上按照折射率从小到大的顺序形成一n-AlGaN/GaN层16、一n-GaN层18以及作为有源层的一InGaN层20。在InGaN层20上按照折射率从大到小的顺序形成一p-GaN层22、一p-AlGaN/GaN层24以及一p-GaN层26。p-AlGaN/GaN层24的上中心部以脊或肋的形式突出，在该脊的顶部上形成p-GaN层26。该p-AlGaN/GaN层24覆盖有一具有与p-GaN层26联通的通道27的保护层28。一个p型电极30形成于保护层28和p-GaN层26的露出中央面上，并通过通道27与p-GaN层26的两端相接触。在该结构中，p型电极30和n型电极14隔开一个阶跃高度(step height)h1。
通常，温度对半导体激光二极管激光发射的临界电流和激光模式稳定性有影响。随着温度的升高，这两个特性都降低。因此，需要除去激光发射期间在有源层(active layer)中所产生的热，由此防止激光二极管过热。在使用前述传统以GaN为基的、III-V族半导体激光二极管的情况下，由于衬底的导热系数非常低(对于蓝宝石衬底来说，约为0.5W/cmK)，因此大部分热仅仅通过脊来排放。然而，由于通过脊排放的热量有限，因此很难进行有效的热量排放。因此，不能有效地防止由激光二极管过热引起的半导体器件性能的降低。
对于这种情况，可以将图2所示的倒装焊接技术(flip-chip bondingtechnology)应用到图1所示的结构中，以便排放有源层中产生的热量。
参见图2，参考标记50表示半导体激光二极管芯片，其具有图1所示的传统以GaN为基的、III-V族半导体激光二极管的倒置结构。参考标记40表示一个辅助装配座(submount)，参考标记41表示一个衬底，参考标记42a和42b分别表示第一和第二金属层。参考标记44a和44b表示第一和第二焊料层，它们分别熔合到半导体激光二极管芯片50的n型电极14和p型电极30上。
通过将半导体激光二极管焊接到图2所示的单独制备的热量排放结构上，可以提高热量排放效率。
然而，如图2所示，为了补偿n型电极14和p型电极30之间的阶跃高度h1，第一和第二焊料层44a和44b具有不同的厚度。也就是说，如果第一金属层42a的厚度与第二金属层42b的厚度相同，则第一焊料层44a比第二焊料层44b厚了h1的高度。在这种情况下，由于第一和第二焊料层44a和44b在分别焊接到两个电极14和30上时熔化不均匀，因此其焊接状态之间有差别。图3是显示了图2所示的传统辅助装配座中焊料层的熔化状态的照片。如图3所示，在不均匀熔化时，第一焊料层44a和第二焊料层44b变坏(run down)。
第一和第二焊料层44a和44b必须具有相同的化学成分比。即使第一和第二焊料层44a和44b的化学成分比彼此略微不同，在它们的熔化温度之间也将有很大的差异。结果，在分别焊接到两个电极14和30上时，第一焊料层44a和第二焊料层44b不会同时熔化，由此引起焊接状态之间的差异。对于这种情况，需要在同一工序中同时形成第一和第二焊料层44a和44b。
然而，如上所述，第一和第二焊料层44a和44b厚度不同。因此，在制造辅助装配座的方法中，第一和第二焊料层44a和44b不能同时形成。相反，这两个焊料层必须相继地形成。由于这个缘故，第一和第二焊料层44a和44b具有不同化学成分比的可能性很高。
如上所述，如果第一焊料层44a和n型电极14之间的焊接状态不同于第二焊料层44b与p型电极30之间的焊接状态，在半导体激光二极管芯片50工作时产生的热不能有效地传递到辅助装配座40上，由此降低了热量排放特性。结果，有源层20中的热不能有效地排放。因此，半导体激光二极管芯片50的温度增加，并且有源层20的激光发射特性降低。
发明内容
本发明是鉴于上述问题而作出的。本发明的一个目的是提供一种具有厚度和化学成分比相同的焊料层的辅助装配座及其制造方法。本发明还提供一种包括该辅助装配座的半导体激光二极管组件。
根据本发明的一个方面，提供一种辅助装配座，其倒装焊接到一个具有阶梯状第一和第二电极的半导体激光二极管芯片上，该辅助装配座包括：一个具有第一和第二表面的衬底，所述第一和第二表面隔开与所述第一和第二电极之间的高度差相同的阶跃高度；第一和第二金属层，分别形成于所述第一和第二表面上且厚度相同；以及第一和第二焊料层，分别形成于所述第一和第二金属层上且厚度相同，并且分别焊接到所述第一和第二电极上。
根据本发明的另一个方面，提供一种半导体激光二极管组件，其包括一个具有阶梯状第一和第二电极的半导体激光二极管芯片以及一个倒装焊接到所述半导体激光二极管芯片上的辅助装配座，该辅助装配座包括：一个具有第一和第二表面的衬底，所述第一和第二表面隔开与所述第一和第二电极之间的高度差相同的阶跃高度；第一和第二金属层，分别形成于所述第一和第二表面上且厚度相同；以及第一和第二焊料层，分别形成于所述第一和第二金属层上且厚度相同，并且分别焊接到所述第一和第二电极上。
根据本发明的又一个方面，提供一种辅助装配座的制造方法，该辅助装配座倒装焊接到一个具有阶梯状第一和第二电极的半导体激光二极管芯片上，该方法包括：(a)蚀刻一个衬底，以便形成隔开与所述第一和第二电极之间的高度差相同的阶跃高度的第一和第二表面；(b)在所述第一和第二表面上沉积一种金属，以便形成厚度相同的第一和第二金属层；以及(c)在所述第一和第二金属层上沉积一种焊料，以便形成厚度相同的第一和第二焊料层，以便分别焊接到所述第一和第二电极上。
根据本发明的具体实施例，在步骤(a)中，所述衬底可以被干蚀刻。
所述衬底由AlN、SiC和GaN中的一种制成。所述第一和第二金属层可以由从包括Cr、Ti、Pt和Au的组中选取的两种或多种的合金制成。所述第一和第二焊料层可以由从包括Cr、Ti、Pt、Au、Mo和Sn的组中选取的两种或多种的合金制成。
附图说明
通过参照附图对本发明的示范性实施例的详细描述，本发明的上述的和其他的特征和优点将变得更加明显，其中：
图1是传统以GaN为基的、III-V族氮化物半导体激光二极管芯片的截面图，其具有形成于同一侧的n型和p型电极、以及一个脊形波导；
图2是焊接到图1所示的半导体激光二极管芯片上的辅助装配座的截面图；
图3是显示出图2所示的传统辅助装配座的焊料层熔化状态的照片；
图4是根据本发明一个实施例的半导体激光二极管组件的截面图；
图5是显示出图4所示的辅助装配座的第一和第二焊料层熔化状态的照片；
图6A至6D是显示出根据本发明一个实施例的辅助装配座的制造工艺的截面图；以及
图7是显示出经历了图6A所示的刻蚀过程以后的衬底的照片。
具体实施方式
下文中，将参照附图更加详细地描述本发明的实施例。
图4是根据本发明一个实施例的半导体激光二极管组件的截面图。图4的半导体激光二极管组件的图示已被放大，以便更清楚地显示出本发明的特性。
图4显示出倒装焊接到半导体激光二极管芯片100上的辅助装配座200。半导体激光二极管芯片100是以GaN为基的、III-V族氮化物半导体激光二极管芯片。
半导体激光二极管芯片100包括一衬底110、一第一材料层120、一有源层130、以及一第二材料层140，它们顺序叠层在衬底110上。
详细地说，一第一半导体层121设置在衬底110上。衬底110可以是以GaN或SiC为基的、III-V族半导体衬底或者是一个高阻衬底，如蓝宝石衬底。第一半导体层121可以是n型以GaN为基的、III-V族氮化物半导体材料层或者是一未掺杂的材料层。优选是一n-GaN层。第一半导体层121分成第一和第二区域R1和R2。一个用作第一电极的n型电极180设置在第二区域R2上。
第一覆层(cladding layer)122和一共振层150顺序设置在第一半导体层121上。第一覆层122是一n-AlGaN/GaN层。共振层150包括顺序设置在第一覆层122上的一第一波导层123、一有源层130、一第二波导层141。第一半导体层121、第一覆层122和第一波导层123形成第一材料层120，其引起用于激光发射的激光作用。因此，第一半导体层121形成第一材料层120的最底层。有源层130是用来通过电子和空穴的复合而引发激光发射的材料层。优选地，有源层是具有多量子阱(multi-quantum well，MQW)结构的、以GaN为基的III-V族氮化物半导体层，更为优选地，是一InxAlyGal-x-yN层，其中0≤x≤1，0≤y≤1，并且x+y≤1。另外，有源层130可以是含有预定比例的铟(In)的、以GaN为基的III-V族氮化物半导体层，例如InGaN层。第一和第二波导层123和141是以GaN为基的、III-V族氮化物半导体层，优选地分别是一n-GaN层和一p-GaN层。第一和第二波导层123和141具有低于有源层130和高于第一覆层122和后面描述的第二覆层的反射指数。第二覆层142和第二半导体层143顺序设置在共振层150上。第二波导层141、第二覆层142以及第二半导体层143形成第二材料层140，其引发有源层130中的用于激光发射的激光作用。因此，第二半导体层143形成第二材料层140的最高层。
第二覆层142包括一个与共振层150的中心部相对应的、呈脊形的突出部144以及一个比突出部144薄的部分145。作为第二材料层140最高层的第二半导体层143设置在第二覆层142的突出部144上。第二覆层142由与第一覆层122相同的材料制成，除了掺杂了p型材料以外。第二半导体层143是以GaN为基的、III-V氮化物半导体层，优选为是一p型导电杂质掺杂的直接跃迁层，更为优选的是一p-GaN层。另外，与第一半导体层121一样，第二半导体层143可以是一GaN层、或者是含有预定比例Al或In的AlGaN层或InGaN层。第二覆层142覆盖有具有通道161的保护层160，该通道与第二半导体层143联通。一个用作第二电极的p型电极170设置在保护层160上并且在第二半导体层143的露出的中央面上，并且通过通道161与第二半导体层143的两端相接触。
在这个半导体激光二极管芯片100中，p型电极170和n型电极180隔开一个阶跃高度。
辅助装配座200在被倒装焊接到半导体激光二极管芯片100上时用来排放在半导体激光二极管芯片100工作期间产生的热。辅助装配座200包括一个衬底210、第一和第二金属层221和222、以及第一和第二焊料层231和232。
衬底210具有一个第一表面211和一个第二表面212。第一和第二表面211和212分别与p型电极170和n型电极180相对形成。优选地，第一和第二表面211和212之间的高度差(h2)与p型电极170和n型电极180之间的高度差相同。优选地，衬底210由AlN、SiC、GaN以及具有与AlN、SiC和GaN中一种的传热系数相当的传热系数的绝缘材料中的一种制成。
第一和第二金属层221和222分别设置在第一和第二表面211和212上。优选地，第一和第二金属层221和222由从包括Cr、Ti、Pt和Au的组中选取的两种或多种的合金制成，如Cr/Au和Ti/Pt/Au。
分别焊接到p型和n型电极170和180上的第一和第二焊料层231和232分别设置在第一和第二金属层221和222上。优选地，第一和第二焊料层231和232由从包括Cr、Ti、Pt、Au、Mo和Sn的组中选取的两种或多种的合金制成，如Au/Sn、Pt/Au/Sn和Cr/Au/Sn。
优选地，第一金属层221和第一焊料层231分别与第二金属层222和第二焊料层232绝缘。为了达到这种绝缘，辅助装配座可进一步包括一个在第一金属层221和第二金属层222之间的绝缘层240。如图4所示，绝缘层240从第一表面211与第二表面212之间的界面213延伸至第一金属层221。
优选地，第一和第二金属层221和222具有相同的厚度，第一和第二焊料层231和232具有相同的厚度。在这种结构中，第一和第二焊料层231和232之间的高度差与P型和n型电极170和180之间的高度差相同。
因此，当辅助装配座200安装到半导体激光二极管芯片100上时，p型电极170与第一焊料层231接触，n型电极180与第二焊料层232接触。这时，当施加热时，第一和第二焊料层231和232在相同的温度下同时熔化并且分别均匀地焊接到p型和n型电极170和180上。由于第一和第二焊料层231和232具有相同的厚度，因此这种同时熔化是可能的。图5是显示出第一和第二焊料层231和232的熔化状态的照片。从图5中可以看出，与图3相比较，第一和第二焊料层231和232已经均匀地熔化了。因此，由辅助装配座200进行的热量排放效率提高了，由此提高了半导体激光二极管芯片100的发光特性。
现在将参照图6A至6D描述根据本发明一个实施例的辅助装配座的制造方法。
如图6A所示，首先，将蚀刻掩模M放置在衬底210的表面上，衬底210由AlN、SiC、GaN以及传热系数相当于AlN、SiC和GaN其中之一的传热系数的绝缘材料中的一种制成的。当衬底210的未掩蔽表面被蚀刻至预定深度时，除去蚀刻掩模M。蚀刻之后，如图6B所示，形成了蚀刻过的第一表面211和未经蚀刻的第二表面212。图7中显示出蚀刻过的衬底210的照片。在这种情况下，蚀刻深度被调节，从而使得第一表面211和第二表面212之间的高度差等于半导体激光二极管芯片100的p型和n型电极170和180之间的高度差。干蚀刻是优选的。
接下来，在第一和第二表面211和212上进行掩模工艺(maskingprocess)，以便定义用于第一和第二金属层221和222的区域。接着，从由Cr、Ti、Pt和Au组成的组中选取的两种或多种的合金，如Cr/Au和Ti/Pt/Au，被沉积至预定厚度。当除去掩模时，如图6C所示，第一和第二金属层221和222分别形成在第一和第二表面211和212上。优选地，第一和第二金属层221和222具有相同的厚度。
接下来，在第一和第二金属层221和222上进行掩模工艺，以便定义用于第一和第二焊料层231和232的区域。接着，从由Cr、Ti、Pt、Au、Mo和Sn组成的组中选取的两种或多种的合金，如Au/Sn、Pt/Au/Sn和Cr/Au/Sn，被沉积至预定厚度。当除去掩模时，如图6D所示，分别在第一和第二金属层221和222上形成第一和第二焊料层231和232。优选地，第一和第二焊料层231和232同时形成为相同的厚度。结果，第一和第二焊料层231和232具有几乎相同的化学成分比。
根据前述方法，可以形成第一和第二焊料层231和232之间的高度差与p型和n型电极170和180之间的高度差相同的辅助装配座。
从上述描述显然可以看出，本发明的半导体激光二极管组件及其制造方法具有下列效果。
熔合到半导体激光二极管芯片的两个阶梯状电极上的辅助装配座的两个焊料层通过一个工序同时形成为相同的厚度。结果，这两个焊料层具有相同的化学成分比，由此提供几乎相同的熔融特性。
当辅助装配座倒装焊接到半导体激光二极管芯片上时，两个焊料层均匀熔合到两个电极上。在这种情况下，可以通过该辅助装配座有效地排放出在半导体激光二极管芯片工作期间产生的热量。结果，半导体激光二极管芯片的发光效率可以得到提高。
尽管本发明针对其示范性实施例进行了具体地显示和描述，本领域普通技术人员很清楚可以对此作出各种形式上和细节上的变化，而不会背离由权利要求所限定的本发明的精神和范围。
Claims (10)
1.一种辅助装配座，其倒装焊接到一具有阶梯状第一和第二电极的半导体激光二极管芯片上，所述辅助装配座包括:
一具有第一和第二表面的衬底，所述第一和第二表面隔开与所述第一和第二电极之间的高度差相同的阶跃高度；
第一和第二金属层，分别形成于所述第一和第二表面上且厚度相同；以及
第一和第二焊料层，分别形成于所述第一和第二金属层上且厚度相同，并且分别焊接到所述第一和第二电极上。
2.如权利要求1所述的辅助装配座，其中所述衬底由AlN、SiC和GaN中的一种制成。
3.如权利要求1所述的辅助装配座，其中所述第一和第二金属层由从包括Cr、Ti、Pt和Au的组中选取的两种或多种的合金制成。
4.如权利要求1所述的辅助装配座，其中所述第一和第二焊料层由从包括Cr、Ti、Pt、Au、Mo和Sn的组中选取的两种或多种的合金制成。
5.一种半导体激光二极管组件，包括一具有阶梯状第一和第二电极的半导体激光二极管芯片以及一倒装焊接到所述半导体激光二极管芯片上的辅助装配座，所述辅助装配座包括:
一具有第一和第二表面的衬底，所述第一和第二表面隔开与所述第一和第二电极之间的高度差相同的阶跃高度；
第一和第二金属层，分别形成于所述第一和第二表面上且厚度相同；以及
第一和第二焊料层，分别形成于所述第一和第二金属层上且厚度相同，并且分别焊接到所述第一和第二电极上。
6.一种辅助装配座的制造方法，该辅助装配座倒装焊接到一具有阶梯状第一和第二电极的半导体激光二极管芯片上，该方法包括:
(a)蚀刻一衬底，以便形成第一和第二表面，所述第一和第二表面隔开与所述第一和第二电极之间的高度差相同的阶跃高度；
(b)在所述第一和第二表面上沉积一金属，以便形成厚度相同的第一和第二金属层；以及
(c)在所述第一和第二金属层上沉积一焊料，以便形成将分别焊接到所述第一和第二电极上的、厚度相同的第一和第二焊料层。
7.如权利要求6所述的方法，其中在步骤(a)中，所述衬底被干蚀刻。
8.如权利要求6所述的方法，其中所述衬底由AlN、SiC和GaN中的一种制成。
9.如权利要求6所述的方法，其中所述第一和第二金属层由从包括Cr、Ti、Pt和Au的组中选取的两种或多种的合金制成。
10.如权利要求6所述的方法，其中所述第一和第二焊料层由从包括Cr、Ti、Pt、Au、Mo和Sn的组中选取的两种或多种的合金制成。
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