CN118040453A - 提高氮化镓基激光器管芯焊接强度的结构及方法 - Google Patents

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CN118040453A CN202211420232.3A CN202211420232A CN118040453A CN 118040453 A CN118040453 A CN 118040453A CN 202211420232 A CN202211420232 A CN 202211420232A CN 118040453 A CN118040453 A CN 118040453A
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Guangdong Zhongke Semiconductor Micro Nano Manufacturing Technology Research Institute
Suzhou Institute of Nano Tech and Nano Bionics of CAS
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Abstract

本申请公开了一种提高氮化镓基激光器管芯焊接强度的结构及方法。所述的方法包括：提供氮化镓基激光器的外延结构：在导电衬底的第二面即激光器的N侧面上加工形成一个以上沟槽，第二面与第一面相背设置，之后在导电衬底的第二面上形成N型电极，然后通过导热焊料层将N型电极表面与高导热率过渡热沉焊接结合，其中各沟槽被N型电极和导热焊料层的局部区域填充。本申请通过在氮化镓基激光器管芯的N侧表面形成沟槽结构，并将该N侧表面与高导热率过渡热沉通过共晶焊方法焊接，可以大幅增加焊接面积，显著提高焊接强度，使得管芯与高导热率过渡热沉不易脱落，有效提升了氮化镓基激光器管芯焊接的可靠性和成品率。

Description

提高氮化镓基激光器管芯焊接强度的结构及方法
技术领域
本申请涉及一种氮化镓基激光器，具体涉及一种提高氮化镓(GaN)基激光器管芯焊接强度的结构及方法，属于半导体技术领域。
背景技术
氮化镓(GaN)材料被称为第三代半导体材料，其光谱范围覆盖了近红外、可见光和紫外全波段，在光电子学领域有重要的应用价值。其中，GaN基化合物半导体及其量子阱结构激光器已在激光显示、激光照明、激光加工、激光通信及激光存储等领域得到初步应用。
在GaN基激光器管芯的封装过程中，为了更好地散热和提高激光器工作的可靠性，一般需要将激光器管芯的N型电极表面与高热导率过渡热沉通过过渡热沉表面的AuSn等焊料层焊接在一起，然后进行二次封装，但是由于焊接工艺的波动，两个金属平面层融化不充分，往往会导致两者粘附强度差，管芯与过渡热沉脱落或接触不紧密，从而严重影响激光器管芯的散热效果和激光器的可靠性。
发明内容
本申请的主要目的在于提供一种提高氮化镓基激光器管芯焊接强度的结构及方法，以克服现有技术中存在的上述问题。
为了达到前述发明目的，本申请采用了以下方案：
本申请的一个方面提供了一种提高氮化镓基激光器管芯焊接强度的方法，其包括：
提供氮化镓基激光器的外延结构，所述外延结构包括依次生长在导电衬底第一面上的N型电极接触层、N型光学限制层、N型波导层、发光有源区、P型波导层、P型光学限制层和P型电极接触层，其中所述P型电极接触层、P型光学限制层及部分的P型波导层配合形成氮化镓基激光器的脊型结构，并且所述脊型结构的高度小于所述P型电极接触层和P型光学限制层及P型波导层的厚度之和；
在所述导电衬底的第二面上加工形成一个以上沟槽，所述第二面与第一面相背设置，之后在所述导电衬底的第二面上形成N型电极，然后通过导热焊料层将N型电极表面与高导热率过渡热沉焊接结合，其中所述沟槽被所述N型电极和导热焊料层的局部区域填充，且所述N型电极与导电衬底形成欧姆接触。
本申请的另一个方面提供了一种提高氮化镓基激光器管芯焊接强度的结构，包括：
氮化镓基激光器的外延结构，包括依次生长在导电衬底第一面上的N型电极接触层、N型光学限制层、N型波导层、发光有源区、P型波导层、P型光学限制层和P型电极接触层，其中所述P型电极接触层、P型光学限制层及部分的P型波导层配合形成氮化镓基激光器的脊型结构，并且所述脊型结构的高度小于所述P型电极接触层和P型光学限制层及P型波导层的厚度之和；
P型电极、N型电极，分别与所述外延结构电连接；
以及，高导热率过渡热沉，与所述导电衬底的第二面导热连接，所述第二面与第一面相背设置；
其中，所述导电衬底的第二面上设置有一个以上沟槽；所述N型电极连续覆设在导电衬底的第二面上，并与导电衬底形成欧姆接触；所述N型电极与高导热率过渡热沉通过导热焊料层焊接结合；以及，所述N型电极和导热焊料层的局部区域设置在所述沟槽内。
与现有技术相比，本申请通过在氮化镓基激光器管芯的N侧表面形成沟槽结构，并将该N侧表面与高导热率过渡热沉通过共晶焊方法焊接，可以大幅增加焊接面积，显著提高焊接强度，使得管芯与高导热率过渡热沉不易脱落，有效提升了氮化镓基激光器管芯焊接的可靠性和成品率。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是实施例1中一种氮化镓基激光器在衬底减薄后的示意图；
图2是在图1所示氮化镓基激光器的N侧面(衬底背面)加工出多个沟槽的示意图；
图3是在图2所示氮化镓基激光器的N侧面上形成N型电极的示意图；
图4是实施例1中一种高导热率过渡热沉的结构示意图；
图5是实施例1中氮化镓基激光器管芯与高导热率过渡热沉焊接结合后的示意图；
附图标记说明：10、氮化镓导电衬底；11、N型GaN电极接触层；12、N型AlGaN光限制层；13、N型GaN波导层；14、发光有源区；15、P型GaN波导层；16、P型A1GaN光限制层；17、P型GaN电极接触层；20、脊型结构；30、P型电极；40、加厚电极；50、沟槽；60、N型电极；70、高导热率过渡热沉：71、AlN基底：72、Ti/Pt/Au金属过渡层；72、AuSn导热焊料层。
具体实施方式
针对现有技术的缺陷，本申请人经过大量研究和实践，得以提出本申请的技术方案，如下将予以详细解释说明。
本申请的一些实施例提供的一种提高氮化镓基激光器管芯焊接强度的方法包括：
提供氮化镓基激光器的外延结构，所述外延结构包括依次生长在导电衬底第一面上的N型电极接触层、N型光学限制层、N型波导层、发光有源区、P型波导层、P型光学限制层和P型电极接触层，其中所述P型电极接触层、P型光学限制层及部分的P型波导层配合形成氮化镓基激光器的脊型结构，并且所述脊型结构的高度小于所述P型电极接触层和P型光学限制层及P型波导层的厚度之和；
在所述导电衬底的第二面上加工形成一个以上沟槽，所述第二面与第一面相背设置，之后在所述导电衬底的第二面上形成N型电极，然后通过导热焊料层将N型电极表面与高导热率过渡热沉焊接结合，其中所述沟槽被所述N型电极和导热焊料层的局部区域填充，且所述N型电极与导电衬底形成欧姆接触。
在一个实施例中，所述的方法具体包括：自所述导电衬底的第二面对导电衬底进行减薄处理，之后在所述导电衬底的第二面上加工形成所述沟槽结构。
优选的，经所述减薄处理后的导电衬底厚度为70～100μm。
在一个实施例中，所述的方法具体包括：在所述导电衬底的第二面上设置掩膜，并至少利用离子刻蚀技术在所述导电衬底的第二面上加工形成一个以上所述沟槽。
在一个实施例中，所述沟槽的深度为0.5～5μm、宽度为2～20μm。
在一个实施例中，所述沟槽为多个，并且沟槽之间的距离在沟槽宽度的2倍以下，优选为大于或等于单个沟槽的宽度，而小于或等于单个沟槽宽度的两倍。
在一个实施例中，所述沟槽的截面形状可以是半圆形、矩形、三角形等规则形状的，也可以是不规则形状的。
在一个实施例中，所述沟槽被N型电极和导热焊料层的局部区域完全填充，且所述N型电极与高导热率过渡热沉通过导热焊料层无缝结合。
在一个实施例中，所述的方法还包括：制作P型电极，并使所述P型电极至少连续覆设在所述脊型结构表面：所述P型电极与N型电极接触层形成欧姆接触，与所述脊型结构的侧壁形成肖特基接触。
在一个实施例中，所述的方法还包括：在所述P型电极上形成加厚电极，且使所述加厚电极与P型电极电性结合。
在一个实施例中，所述的方法具体包括：通过导热焊料层将所述N型电极表面与高导热率过渡热沉共晶焊接结合。
在一个实施例中，所述高导热率过渡热沉包括基底和依次叠设在基底上的金属过渡层、导热焊料层。优选的，所述金属过渡层、导热焊料层均连续覆设在基底上。
其中，所述基底的材质包括AlN等；所述金属过渡层的材质包括Ti、Pt、Au等或其合金；所述导热焊料层的材质包括AuSn焊料等；且均不限于此。
在一个实施例中，所述衬底包括氮化镓、碳化硅、硅或砷化镓衬底等，且不限于此。
在本申请中，所述外延结构中的各半导体材料层可以利用MOCVD(金属有机化学气相沉积)、MBE(分子束外延)等方式生长形成，且不限于此。
在本申请中，所述N型电极、P型电极、加厚电极可以采用金属蒸镀、磁控溅射等方式形成，其材质可以是Ti、Al、Au、Ag、Cu、Ni、Pt、Pd、Cr、ITO等，且不限于此。
本申请的一些实施例提供的一种提高氮化镓基激光器管芯焊接强度的结构包括：
氮化镓基激光器的外延结构，包括依次生长在导电衬底第一面上的N型电极接触层、N型光学限制层、N型波导层、发光有源区、P型波导层、P型光学限制层和P型电极接触层，其中所述P型电极接触层、P型光学限制层及部分的P型波导层配合形成氮化镓基激光器的脊型结构，并且所述脊型结构的高度小于所述P型电极接触层和P型光学限制层及P型波导层的厚度之和；
P型电极、N型电极，分别与所述外延结构电连接；
以及，高导热率过渡热沉，与所述导电衬底的第二面导热连接，所述第二面与第一面相背设置；
所述导电衬底的第二面上设置有一个以上沟槽；所述N型电极连续覆设在导电衬底的第二面上，并与导电衬底形成欧姆接触；所述N型电极与高导热率过渡热沉通过导热焊料层焊接结合；以及，所述N型电极和导热焊料层的局部区域设置在所述沟槽内。
在一个实施例中，所述导电衬底是经减薄处理过的，且厚度为70～100μm。
在一个实施例中，所述沟槽被N型电极和导热焊料层的局部区域完全填充，且所述N型电极与高导热率过渡热沉通过导热焊料层无缝结合。
在一些情况下，可以认为所述N型电极共形沉积在所述导电衬底的第二面上，从而使所述N型电极具有与所述沟槽对应的槽状结构。
在一个实施例中，所述N型电极表面与高导热率过渡热沉通过导热焊料层共晶焊接结合。
在这些实施例中，所述沟槽的尺寸、形状、间距等如前文所述。
在这些实施例中，所述高导热率过渡热沉、衬底的结构及材质等亦如前文所述。
在一个实施例中，所述P型电极至少连续覆设在所述脊型结构表面，而且所述P型电极与P型电极接触层形成欧姆接触，并与所述脊型结构的侧壁形成肖特基接触。
在一个实施例中，所述提高氮化镓基激光器管芯焊接强度的结构还包括加厚电极，所述加厚电极覆设在P型电极上，并与P型电极电性结合。
在一个实施例中，所述外延结构的材质选自GaN基半导体材料，包括GaN、AlGaN、InGaN、InN或AlInGaN等，且不限于此。
在一个较为典型的实施方式中，一种提高氮化镓基激光器管芯焊接强度的方法包括如下步骤：
1)利用MOCVD或MBE法等在导电衬底的正面(可定义为第一面)上外延生长N型GaN电极接触层、N型A1GaN光限制层、N型AlInGaN波导层、发光有源区、P型波导层、P型AlGaN光限制层和P型GaN电极接触层，形成氮化镓基激光器外延结构；
2)根据氮化镓基激光器管芯的结构和相应管芯分割道的设计尺寸，利用光刻胶或介质膜等做掩膜，采用干法刻蚀和/或湿法腐蚀工艺等将所述外延结构刻蚀至P型AlGaN光限制层，并刻去部分P型波导层，形成氮化镓基激光器的脊型结构；
3)利用蒸发或磁控溅射等方法在所述脊型结构的表面沉积P型电极，退火，使P型电极与所述脊型结构顶端面形成欧姆接触，并使之与脊型结构侧壁形成肖特基接触；
4)在所述P型电极的表面光刻，然后利用蒸发或磁控溅射等方法在P型电极表面蒸镀金属形成加厚电极；
5)采用研磨或化学机械抛光等方式将所述衬底自背面(可以定义为第二面)减薄到70～100μm；
6)在所述衬底的背面利用光刻胶或介质膜等做掩膜，通过离子刻蚀技术在表面形成多个沟槽；
7)利用蒸发或磁控溅射等方法在所述衬底背面蒸镀金属形成N型电极，并使之与所述衬底形成良好的欧姆接触特性；
8)采用切割法或划片法等沿所述管芯分割道对步骤(7)制得的器件结构进行分割，形成单个激光器的管芯。
9)将步骤(8)所获激光器管芯的N型电极表面与高热导率过渡热沉通过过渡热沉表面的AuSn焊料层等共晶焊接在一起，然后再进行二次封装。
在一些情况下，步骤(1)中可以先在所述衬底正面生长N型GaN缓冲层等，之后依次生长N型GaN电极接触层、N型AlGaN光限制层等。
该典型实施案例通过在氮化镓基激光器管芯的N侧表面形成沟槽结构，显著增大了其表面积，再利用AuSn焊料等将其与高热导率过渡热沉焊接，由于焊接面积明显增大，焊接强度得以大幅提高，进而使得管芯与过渡热沉结合更为牢固紧密，不易脱落，提高了管芯焊接的可靠性和成品率，而且因N型电极和金属焊料层局部填充入前述沟槽结构，还可以在一定程度上缩短外延结构与热沉的导热路径，提高了氮化镓基激光器管芯的散热效率，能更好的保障其工作性能。
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本申请的具体实施例进行详细说明。这些优选实施例在附图中进行了例示。附图中所示和根据附图描述的本申请的实施例仅仅是示例性的，并且本申请并不限于这些实施例。
在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本申请，在附图中仅仅示出了与根据本申请的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本申请关系不大的其他细节。
实施例1一种提高氮化镓基激光器管芯焊接强度的方法包括如下步骤：
(1)制作氮化镓基激光器管芯，具体包括如下步骤：
(11)利用MOCVD方法在GaN衬底10上依次外延生长N型GaN电极接触层11，N型AlGaN光限制层12，N型GaN波导层13，发光有源区14，P型GaN波导层15，P型AlGaN光限制层16和P型GaN电极接触层17，形成外延片。其中N型GaN电极接触层11的厚度约1.6μm，Si掺杂浓度约1.3×1018cm-3；N型AlGaN光限制层12的厚度约1.8μm、Si掺杂浓度约1.5×1018cm-3；N型GaN波导层13是非故意掺杂的，厚度约0.3μm；发光有源区14采用能发射约450nm蓝光的GaN/InGaN量子阱有源区；P型GaN波导层15也是非故意掺杂的，厚度约0.2μm；P型AlGaN光限制层16的厚度约0.7μm、Mg掺杂浓度约1.5×1019cm-3：P型GaN电极接触层17的厚度约10nm，Mg掺杂浓度约1.5×1020cm-3。
(12)利用光刻胶做掩膜，用离子束技术在所述外延片上刻蚀出激光器的脊型结构20，脊型宽度为15微米左右。
(13)采用蒸发方法在所述脊型结构上沉积镍/金金属层，并在500℃氮气气氛中合金化5分钟，从而在脊型结构表面形成具有良好欧姆接触的P型电极30，采用蒸发方法在所述P型电极上沉积/>金属层，形成加厚电极40。
(14)将氮化镓衬底10从背面用研磨方法减薄到约80μm，获得图1所示的器件结构。
(15)利用光刻胶或介质膜做掩膜，通过离子刻蚀技术在氮化镓衬底10背面(激光器的N侧表面)形成均匀分布的多个沟槽50。沟槽的截面为矩形，宽度w约为10μm、深度d约为5μm，沟槽间距l约为10μm，获得图2所示的器件结构。
(16)在氮化镓衬底10背面蒸镀Ti(0.1μm)/Al(0.4μm)Ti(0.1μm)/Al(0.5μm)金属层，形成N型电极60，其与氮化镓衬底10形成欧姆接触，获得图3所示的器件结构。
(17)沿预设的管芯分割道将图3所示器件结构分割，形成单个激光器的管芯，所述管芯的宽度设计为约250μm、长度为约1mm，脊型宽度约为15μm。
(2)将氮化镓基激光器管芯与高导热率过渡热沉焊接结合，具体包括：
(21)提供高导热率过渡热沉70，参阅图4所示，该高导热率过渡热沉70是在AlN基底71表面先蒸镀Ti(0.1μm)/Pt(0.4μm)/Au(0.5μm)金属层，形成Ti/Pt/Au金属过渡层72，然后蒸镀约5μm厚的AuSn，形成AuSn导热焊料层73。
(22)参见图5，将所述导热焊料层73和N型电极60贴合，并在280℃左右将氮化镓基激光器管芯和高导热率过渡热沉70共晶焊焊接在一起，最终获得的器件结构被命名为实施例1产品。
对比例1本对比例提供的一种氮化镓基激光器管芯焊接结构的制作方法与实施例1相似，区别在于：省略了步骤(15)。该对比例制得的器件结构被命名为对比例1产品。
分别测试实施例1、对比例1产品的芯片推力，结果如下表1所示。
表1实施例1产品及对比例1产品的芯片推力测试结果
芯片推力(克)
实施例1产品 476
对比例1产品 395
实施例2本实施例提供的一种提高氮化镓基激光器管芯焊接强度的方法与实施例1基本相同，区别在于：
步骤(14)中氮化镓衬底被减薄到约70μm。
步骤(15)中所形成沟槽的截面形状是三角形，沟槽的深度约为5μm、宽度约为5μm，沟槽间距约为5μm。
该实施例制得的产品的芯片推力496g。。
实施例3本实施例提供的一种提高氮化镓基激光器管芯焊接强度的方法与实施例1基本相同，区别在于：
步骤(14)中氮化镓衬底被减薄到约为70μm。
步骤(15)中所形成沟槽的截面形状是半圆形，沟槽的深度约为5μm、圆形直径约为10μm，沟槽间距约为10μm。
该实施例制得的产品的芯片推力452g。
以上测试结果表明，采用本申请的方案，利用在氮化镓基激光器N侧加工出沟槽结构，再利用N型电极与导热焊接层将氮化镓基激光器管芯与高导热率过渡热沉焊接结合，可以显著增加两者的结合强度，使得两者不易脱落，提高产品可靠性和良品率，而且还能有效改善产品的散热性能等，从而保障和提升氮化镓基激光器的工作性能。
应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例的技术方案也可以经适当组合形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种提高氮化镓基激光器管芯焊接强度的方法，其特征在于包括：
提供氮化镓基激光器的外延结构，所述外延结构包括依次生长在导电衬底第一面上的N型电极接触层、N型光学限制层、N型波导层、发光有源区、P型波导层、P型光学限制层和P型电极接触层，其中所述P型电极接触层、P型光学限制层及部分的P型波导层配合形成氮化镓基激光器的脊型结构，并且所述脊型结构的高度小于所述P型电极接触层和P型光学限制层及P型波导层的厚度之和；
在所述导电衬底的第二面上加工形成一个以上沟槽，所述第二面与第一面相背设置，之后在所述导电衬底的第二面上形成N型电极，然后通过导热焊料层将N型电极表面与高导热率过渡热沉焊接结合，其中所述沟槽被所述N型电极和导热焊料层的局部区域填充，且所述N型电极与导电衬底形成欧姆接触。
2.根据权利要求1所述的提高氮化镓基激光器管芯焊接强度的方法，其特征在于具体包括：
自所述导电衬底的第二面对导电衬底进行减薄处理，之后在所述导电衬底的第二面上加工形成所述沟槽结构；
和/或，在所述导电衬底的第二面上设置掩膜，并至少利用离子刻蚀技术在所述导电衬底的第二面上加工形成一个以上所述沟槽。
3.根据权利要求2所述的提高氮化镓基激光器管芯焊接强度的方法，其特征在于经所述减薄处理后的导电衬底厚度为70～100μm；
和/或，所述沟槽的深度为0.5～5μm、宽度为2～20μm；
和/或，所述沟槽为多个，并且沟槽之间的距离在沟槽宽度的2倍以下；
和/或，所述沟槽被N型电极和导热焊料层的局部区域完全填充，且所述N型电极与高导热率过渡热沉通过导热焊料层无缝结合。
4.根据权利要求1所述的提高氮化镓基激光器管芯焊接强度的方法，其特征在于还包括：制作P型电极，并使所述P型电极至少连续覆设在所述脊型结构表面：所述P型电极与N型电极接触层形成欧姆接触，与所述脊型结构的侧壁形成肖特基接触。
5.根据权利要求4所述的提高氮化镓基激光器管芯焊接强度的方法，其特征在于还包括：在所述P型电极上形成加厚电极，且使所述加厚电极与P型电极电性结合。
6.根据权利要求1所述的提高氮化镓基激光器管芯焊接强度的方法，其特征在于具体包括：通过导热焊料层将所述N型电极表面与高导热率过渡热沉共晶焊接结合；
和/或，所述高导热率过渡热沉包括基底和依次叠设在基底上的金属过渡层、导热焊料层；
和/或，所述导热焊料层的材质包括AuSn焊料；
和/或，所述衬底包括氮化镓、碳化硅、硅或砷化镓衬底。
7.一种提高氮化镓基激光器管芯焊接强度的结构，包括：
氮化镓基激光器的外延结构，包括依次生长在导电衬底第一面上的N型电极接触层、N型光学限制层、N型波导层、发光有源区、P型波导层、P型光学限制层和P型电极接触层，其中所述P型电极接触层、P型光学限制层及部分的P型波导层配合形成氮化镓基激光器的脊型结构，并且所述脊型结构的高度小于所述P型电极接触层和P型光学限制层及P型波导层的厚度之和；
P型电极、N型电极，分别与所述外延结构电连接；
以及，高导热率过渡热沉，与所述导电衬底的第二面导热连接，所述第二面与第一面相背设置；
其特征在于：所述导电衬底的第二面上设置有一个以上沟槽；所述N型电极连续覆设在导电衬底的第二面上，并与导电衬底形成欧姆接触；所述N型电极与高导热率过渡热沉通过导热焊料层焊接结合；以及，所述N型电极和导热焊料层的局部区域设置在所述沟槽内。
8.根据权利要求7所述的提高氮化镓基激光器管芯焊接强度的结构，其特征在于：
所述导电衬底是经减薄处理过的，且厚度为70～100μm；
和/或，所述沟槽的深度为0.5～5μm、宽度为2～20μm；
和/或，所述沟槽为多个，并且沟槽之间的距离在沟槽宽度的2倍以下：
和/或，所述N型电极表面与高导热率过渡热沉通过导热焊料层共晶焊接结合；
和/或，所述高导热率过渡热沉包括基底和依次叠设在基底上的金属过渡层、导热焊料层；
和/或，所述导热焊料层的材质包括AuSn焊料；
和/或，所述衬底包括氮化镓、碳化硅、硅或砷化镓衬底；
和/或，所述沟槽被N型电极和导热焊料层的局部区域完全填充，且所述N型电极与高导热率过渡热沉通过导热焊料层无缝结合。
9.根据权利要求7所述的提高氮化镓基激光器管芯焊接强度的结构，其特征在于：所述P型电极至少连续覆设在所述脊型结构表面，而且所述P型电极与N型电极接触层形成欧姆接触，并与所述脊型结构的侧壁形成肖特基接触。
10.根据权利要求9所述的提高氮化镓基激光器管芯焊接强度的结构，其特征在于还包括加厚电极，所述加厚电极覆设在P型电极上，并与P型电极电性结合。
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