CN1601771A - 半导体发光器件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的一个目的是通过改善安装中的成品率提供一种具有长寿命的半导体发光器件。为了达到这一目的，半导体发光器件包括：具有n型GaN衬底的半导体发光元件芯片；其上安装半导体发光元件芯片的由SiC制成的散热器；将n型GaN衬底连接到散热器的由AuSn制成的焊料；其上安装散热器的支撑底座；以及将散热器连接到支撑底座的由In或SnAgCu制成的第二焊料。焊料的厚度范围从1μm或更大至20μm或更小，散热器的厚度范围从100μm或更大至500μm或更小。

Description

半导体发光器件及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种半导体发光器件(包括半导体激光器件)及其制造方法。更确切地，本发明涉及一种半导体发光元件芯片的安装和散热器(heatsink)的安装。
背景技术
半导体激光器件含有包含有源层的激光器芯片，该有源层由GaN、InN、AlN为代表的氮基半导体制成并且这些半导体的混合晶体已作为原型被制造出来。由氮基半导体制成的激光元件具有高工作电压，而用于驱动该激光器的驱动器具有低驱动电压。因此，为使用这样的驱动器，应用了浮置型(floating type)激光器，并且还需要在该激光器和支撑底座(support base)之间插入和安装绝缘散热器。
在传统的半导体激光器件的组件中，激光器芯片被安装在散热器上，接着，薄片形焊料箔被安置在支撑底座的安装部分上。此后，其上已安置了激光器芯片的散热器被安装在焊料箔上。传统上，焊料箔的厚度是30μm或更大。
在日本专利申请2003-31895中，形成半导体激光器件使得半导体激光器芯片的主表面弯曲，使它获得长的寿命并改善它的可靠性。在这一公开中，没有描述将管座(支撑底座)连接到基台(散热器)的焊料的厚度。
然而，由氮基半导体制成的半导体激光器件具有激光元件的高工作电压并产生大量的热。因此，在使用焊料箔的情况下，在激光器芯片中产生的热量不能有效地消散到支撑底座，从而在发光部分的温度升高时造成特性的劣化。此外，根据上述方法的激光器芯片很容易在安装时移动，当安装后的激光器芯片的安装角度的变化很大时会产生问题。
发明内容
本发明的一个目的是通过改善安装中的成品率，提供一种具有长寿命的半导体发光器件。此外，本发明的另一目的是提供这种半导体发光器件的制造方法。
为了达到上述目的，本发明提供了一种半导体发光器件，包括：具有由氮基化合物半导体制成的衬底的半导体发光元件芯片；其上安装半导体发光元件芯片的由SiC制成的散热器；将衬底与散热器接合的由AuSn制成的第一焊料；其上安装散热器的支撑底座；以及将散热器与支撑底座接合的由SnAgCu或In制成的第二焊料。
这种结构使得在半导体发光元件芯片中产生的热量有效地消散到支撑底座，从而避免由发光部分的温度升高所导致的特性劣化。因此，可延长器件的寿命。
此处，第二焊料的厚度范围从1μm或更大至20μm或更小；因此，消除了安装角度中的变化并改善了安装中的成品率，导致了长的寿命。
优选地，散热器的厚度范围从100μm或更大至500μm或更小。
在散热器的厚度小于100μm的情况下，在芯片键合时的输运期间以及在散热器的放置中会产生问题，因而降低了安装的成品率。另一方面，在散热器的厚度超过500μm的情况下，寿命变为3000小时或更少，使得在器件实际使用中的问题增多。
此外，本发明还提供了一种半导体发光器件的制造方法，该半导体发光器件包括：具有由氮基化合物半导体制成的衬底的半导体发光元件芯片，其上安装了半导体发光元件芯片的散热器，将衬底与散热器接合的第一焊料，其上安装了散热器的支撑底座，将散热器与支撑底座接合的第二焊料。所述方法包括以下步骤：将由SnAgCu或In制成的并被制造成薄片形式的第二焊料转录到支撑底座上；以及将其上安装了半导体发光元件芯片的散热器经由第二焊料安装到支撑底座上。
这种结构消除了半导体发光元件芯片的安装角度的变化并改善了安装中的成品率，从而导致了长的寿命。
理想地，第二焊料的厚度范围从1μm或更大至20μm或更小。
根据本发明，由于特定的焊接材料和制造方法，在半导体发光元件芯片中产生的热量能够有效地消散到支撑底座并且避免由发光部分的温度升高所导致的特性劣化。此外，与现有技术相比，焊料的厚度减小，从而消除了半导体发光元件芯片的安装角度的变化并改善了安装中的成品率。因此，实现了发光元件的长寿命。
附图说明
图1是根据第一实施例的半导体激光器件的侧视图；
图2是根据第一实施例的半导体激光器芯片的剖面图；
图3的图表表示了在第一实施例以及第一至第三比较示例中的安装成品率；
图4图表表示了在第二实施例以及第四至第六比较示例中的安装成品率；
图5的曲线表示了根据本发明的元件的寿命和散热器厚度之间的关系。
具体实施方式
下文中，将参照附图描述本发明的实施例。
第一实施例
图1是根据第一实施例的半导体激光器件100的侧视图。在图1中，氮基半导体分层体102形成在GaN衬底101上。此外，p电极103设置在氮基半导体分层体102的上表面上，n电极104和用于金属化的多层金属膜105a设置在GaN衬底101的下表面之下。
用于根据第一实施例的半导体激光器件100中的半导体激光器芯片的基本结构如上所述，以下将描述其细节。
经由散热器110，半导体激光器芯片被保护并在支撑底座120上分层。经由焊料112与多层金属膜105b，半导体激光器芯片与朝上的p电极103一起连接到散热器110。然后，经由多层金属膜105c和焊料113，散热器110连接到支撑底座120。此处，SiC用作散热器110的材料，AuSn用作焊料112的材料，In用作焊料113的材料。
此外，p电极103通过连线114a电连接到引脚111而n电极104通过连线114b电连接到引脚116，从而形成了浮置安装(floating mounting)。此处，引脚111和116电连接到与支撑底座120隔离的外部连接端子。通过这种结构，电流能够从外部施加到半导体激光器芯片。图2是根据第一实施例的半导体激光器芯片的剖面图。在图2中，在GaN衬底101上按顺序叠置n-GaN接触层202，n-AlGaN镀层(clad layer)203，n-GaN引导层(guidelayer)204，GaInN多量子井有源层205，p-AlGaN汽化阻止层(vaporizationpreventing layer)206，p-GaN引导层207，p-AlGaN镀层208以及p-GaN接触层209。在谐振器的方向上延伸的条形脊被设置到p-AlGaN镀层208和p-GaN接触层209。绝缘膜210被设置在p电极103和p-AlGaN镀层208之间以及p电103和p-GaN接触层209之间，除了脊的部分。
此处，半导体激光器芯片的材料不限于图2所示的这些，还可使用其他氮基化合物半导体。例如p-AlGaN镀层208可以用p-AlGaInN代替，而GaInN多量子井有源层205可以用GaInNAs，GaInNP或类似材料代替。此外镀层203和208可具有多层结构或使用多量子井。另外，例如InGaN的裂缝阻止层可以插入在n-GaN接触层202和n-AlGaN镀层203之间，而缓冲层可以插入在GaN衬底101和n-GaN接触层202之间。此外，除p-AlGaN镀层208和p-GaN接触层209之外，在谐振器的方向上延伸的条形脊还可形成在GaInN多量子井有源层205，p-AlGaN汽化阻止层206，p-GaN引导层207的纵深处。
如上所述，用于本实施例中的半导体激光器芯片具有所谓脊的条型结构。下文中，将参照图1和2描述根据本发明实施例的半导体激光器件100的制造方法。
首先，适当应用用于制造半导体元件的工艺步骤从而获得在GaN衬底101上的半导体激光器晶片，其中每个均在图2中表示的多个半导体激光器结构被单独地形成。用于获得这样的晶片的工艺众所周知，因而此处不给出对其的详细描述。在这里，p电极103的材料从距p-GaN接触层209更近的一侧为Pd(15nm)/Mo(15nm)/Au(200nm)。
在本实施例中，尽管在晶体生长时GaN衬底101的厚度是350μm，但在n电极104形成之间，通过抛光或蚀刻从GaN衬底101的底侧去除一部分衬底，从而将晶片的厚度通常减小到大约40至150μm。此后，从距n-GaN接触层202更近的一侧形成Ti(30nm)/Al(150nm)以作为n电极104，并且，形成Mo(8nm)/Pt(15nm)/Au(250nm)以作为多层金属膜105a。
接下来，通过分裂形成激光器边缘表面从而具有500μm的谐振器长度，进一步地，晶片被划分成激光器芯片。激光器边缘表面可通过蚀刻形成，而划分芯片可根据切割、激光光行差法(laser aberration method)或类似方法进行。根据本工艺得到的激光器芯片的特性通过驱动处于芯片状态的激光器芯片的脉冲来测量，从而找到3.5kA/cm2的阈值密度。
接下来，将描述将焊料箔113转录到支撑底座120上的方法。制备具有500mm长度和500μm宽度的特氟纶带(Teflon tape)，并且In从蒸气形态中淀积在特氟纶带上从而具有大约10μm的厚度。随后，具有In焊料的特氟纶带相对于支撑底座120放置。在放置后，大约80kHz的超声振动通过特氟纶带施加到In焊料上，从而使尺寸为500μm长度×500μm宽度×10μm厚度的In焊料113被转录到支撑底座120上。此处，从蒸气形态中淀积焊料的方法可以是通过加热和熔化金属而使用的传统方法、喷镀方法(spattering method)、电子束方法、MBE方法或类似方法。
接着，根据芯片键合法(die bonding method)，激光器芯片被安装到其上已转录有In焊料113的支撑底座120上。更具体地说，其上淀积了3μm厚的Au0.8Sn0.2焊料112并且其上形成有多层金属膜105b和105c的散热器110，被加热到略高于焊料112的熔点的温度。当焊料112熔化时，在上述工艺中得到的激光器芯片与朝下的n电极104一起被安置在散热器110上，在散热器110上适当施加进一步的压力从而使激光器芯片和散热器110与焊料112相容。此后，冷却散热器110使焊料112固化。
接下来，其上已转录了In焊料113的支撑底座120被加热到略高于焊料113的熔点的温度。当焊料113熔化时，放置其上已分层制成激光器芯片的散热器110使得散热器110和支撑底座120与焊料113相容，当焊料固化时，完成了这一步骤。
最后，具有玻璃窗的盖罩在氮气氛中被安装到支撑底座120从而获得半导体激光器件100，其中所述玻璃窗具有涂层并在激光器芯片振荡波长的±10nm范围内具有98％或更大的透射率。
此外，在本实施例中，尽管Pd/Mo/Au被用作p电极103，也可用例如Co，Cu，Ag，Ir，Sc，Au，Cr，Mo，La，W，Al，Tl，Y，La，Ce，Pr，Nd，Sm，Eu，Tb，Ti，Zr，Hf，V，Nb，Ta，Pt，Ni或其化合物来代替Pd；可用例如Co，Cu，Ag，Ir，Sc，Au，Pd，La，W，Al，Tl，Y，La，Ce，Pr，Nd，Sm，Eu，Tb，Ti，Zr，Hf，V，Nb，Ta，Pt，Ni或其化合物来代替Mo；可用Ni，Ag，Ga，In，Sn，Pb，Sb，Zn，Si，Ge，Al或其化合物来代替Au。薄膜的厚度并不限于上述厚度。
此外，尽管Ti/Al被用作n电极104，可用Hf来代替Ti，并且薄膜的厚度并不限于上述厚度。另外，盖罩的安装可在空气中进行。此外，在本实施例中，尽管GaN衬底用于激光器芯片的制造，但该衬底也可用InN，AlN或GaN、InN和AlN的混合晶体半导体来代替GaN制成。
此外，SiC的散热器110可以是任何类型的单晶体，多晶体和非晶体，只要其具有绝缘特性。另外，焊料112不限于Au0.8Sn0.2，还可以具有Au对Sn的任何比例，只要其由AuSn制成。此处，支撑底座120由主要组分是Cu或Fe的金属制成，并在支撑底座120的表面上顺序放置Ni膜/Au膜或Ni膜/Cu膜/Au膜。
将由此得到的半导体激光器件100与第一至第三比较示例中的半导体激光器件进行比较。第一比较示例是其上安装了SiC散热器的半导体激光器件，其中半导体芯片分层制成于放置在支撑底座上的具有50μm厚度的焊料箔上而没有将In焊料转录到支撑底座上。第二比较示例是其中将Cu用作散热器材料的半导体激光器件。第三比较示例是其中将Si用作散热器材料的半导体激光器件。此处，没有在第一至第三比较示例中描述的结构与第一实施例中的相同。
第一实施例以及第一至第三比较示例的半导体激光器件的相应的20个样品被制造出来并进行以下测量。当脉冲以测量阈值的方式被驱动时测量每个半导体激光器件的特性，并且评估安装中的成品率。根据安装中的成品率的评估标准，其阈值升高了5mA或更多的芯片被确定为劣质的(次品)，并且在电子束辐射方向上其偏离角度为±2.5°或更大的芯片也被确定为次品。这一结果如图3所示。第一实施例的安装中的成品率是100％，而在第一至第三比较示例的安装中均出现了次品。
此外，其用于金属化的多层金属膜由Mo(8nm)/Au(250nm)制成的半导体激光器件被制造出来以作为附加的比较示例，该半导体激光器件通过使用与第一实施例相同的散热器和焊接材料来进行安装，其不能获得足够的安装强度而使得安装中的成品率为0％。
接下来，当在60℃的温度下以30mW的输出驱动APC时，在安装后的合格品上进行老化工艺(aging process)。此处，每个样品的脊的宽度是2μm而谐振器的长度是500μm。根据第一实施例的半导体激光器件的100的寿命是10000小时或更长，而根据第一至第三比较示例的所有半导体激光器件的寿命为1000小时或更短。因此，由半导体芯片产生的热量能够有效地消散到根据第一实施例的半导体激光器件100中的支撑底座120，从而避免由发光部分的温度升高所导致的特性劣化。
第二实施例
通过将根据第一实施例的半导体激光器件中转录到支撑底座120的焊料113的材料改变为SnAgCu，就得到根据第二实施例的半导体激光器件。相同的标记表示与第一实施例相同的组成部件，除了表示上述焊料的标记113a被用来描述第二实施例。
制备具有500mm长度和600μm宽度的特氟纶带，并且SnAg0.03Cu0.005从蒸气形态中淀积到特氟纶带上从而具有大约8μm的厚度。随后，其上淀积了SnAgCu焊料113a的特氟纶带相对于支撑底座120放置。在放置后，大约80kHz的超声振动通过特氟纶带施加到焊料113a上，从而使尺寸为500μm长度×500μm宽度×8μm厚度的焊料113a被转录到支撑底座120上。
用于从蒸气形态中淀积焊料113a的方法可以是例如通过加热和熔化金属而使用的传统方法、喷镀方法、电子束方法或MBE方法的任意方法，并且淀积源可以是单独的Sn，Ag和Cu；SnAgCu的混合晶体；SnAg的混合晶体和Cu；SnCu的混合晶体和Ag；或者Sn和AgCu的混合晶体。
接着，根据芯片键合法，激光器芯片被安装到其上已转录有SnAgCu焊料113a的支撑底座120上。这一步骤按如下方式进行。
其上淀积了Au0.7Sn0.3焊料112并且其上形成有多层金属膜105b和105c的散热器110，被加热到略高于焊料112的熔点的温度。当焊料熔化时，通过与第一实施例相同的方式得到的激光器芯片与朝下的n电极104一起被安置在散热器110上，在散热器110上适当施加进一步的压力从而使激光器芯片和散热器110与焊料112相容。此后，冷却散热器110从而使焊料112固化。
接下来，其上已转录了SnAg0.03Cu0.005焊料113a的支撑底座120被加热到略高于焊料113a的熔点的温度。当焊料113a熔化时，放置其上已分层制成激光器芯片的散热器110使得散热器110和支撑底座120与焊料113a相容，当焊料113a固化时，完成了这一步骤。
接着，具有玻璃窗的盖罩在氮气氛中被安装到支撑底座120从而获得半导体激光器件，其中所述玻璃窗具有涂层并在激光器芯片振荡波长的±10nm范围内具有98％或更大的透射率。
此处，焊料113a不限于SnAg0.03Cu0.005，还可以使用Sn、Ag和Cu的任何比例，只要Ag的比例为10％或更少并且Cu的比例为8％或更少。
将由此得到的半导体激光器件与第四至第六比较示例中的半导体激光器件进行比较。第四比较示例是其中薄片形SnAg0.03Cu0.005箔被用作支撑底座和散热器之间的焊料的半导体激光器件。第五比较示例是其中Cu被用作散热器材料的半导体激光器件。第六比较示例是其中Si被用作散热器材料的半导体激光器件。此处，没有在第四至第六比较示例中描述的结构部分与第二实施例中的相同。
根据第二实施例以及第四至第六比较示例的半导体激光器件的相应的20个样品被制造出来从而进行与第一实施例相同的测量。这一结果如图4所示。第二实施例的安装中的成品率是100％，而在第四至第六比较示例的安装中均出现了次品。
接下来，当在60℃的温度下以30mW的输出驱动APC时，在安装后的合格品上进行老化工艺。此处，每个样品的脊的宽度是2μm而谐振器的长度是600μm。根据第二实施例的半导体激光器件的寿命是10000小时或更长，而根据第四至第六比较示例的所有半导体激光器件的寿命为1000小时或更短。因此，由半导体芯片产生的热量能够有效地消散到根据第二实施例的半导体激光器件中的支撑底座120，从而避免由发光部分的温度升高所导致的特性劣化。
接下来，改变散热器110的厚度并进行与本实施例相同的安装从而测量安装中的成品率并评估寿命。在散热器110的厚度小于100μm的情况下，当为芯片键合而输运芯片时以及当放置散热器110时会产生问题，因而降低了安装中的成品率。图5的曲线表示了元件的寿命和散热器110的厚度之间的关系。当散热器110的厚度超过500μm时，寿命变为3000小时或更少，从而在半导体激光器件的实际使用中引起问题。这是与第一实施例的情况中相同的结果。如上所述，优选散热器110的厚度从100μm或更大至500μm或更小。
接着，当被淀积到特氟纶薄片上时，改变将被转录的焊料113a的膜厚度，从而制备转录具有不同厚度的焊料113a的支撑底座的SnAgCu焊料，并进行与第二实施例中相同的安装，以及测量安装中的成品率并评估寿命。在焊料113a的厚度小于1μm的情况下，不能获得足够的连接强度，在焊料113a的厚度大于20μm时，发生电子束角度中的偏离，降低了安装中的成品率。关于焊料113a的厚度，第一实施例中的In焊料113表现出类似的倾向，在厚度小于1μm的情况下，不能获得足够的连接强度，在焊料113的厚度大于20μm时，发生电子束角度中的偏离，降低了安装中的成品率。因此，优选焊料113或113a的厚度为1μm或更大至20μm或更小。
本发明可用于半导体发光器件中，其中例如半导体激光器芯片或LED芯片的半导体发光元件芯片被放置在安装构件上并与其集成。

Claims (5)

1.一种半导体发光器件，包括：
一具有由氮基化合物半导体制成的衬底的半导体发光元件芯片；
一其上安装所述半导体发光元件芯片的由SiC制成的散热器；
一将所述衬底和所述散热器接合的由AuSn制成的第一焊料；
一其上安装所述散热器的支撑底座；以及
一将所述散热器与所述支撑底座接合的由SnAgCu或In制成的第二焊料。
2.根据权利要求1的半导体发光器件，其中所述第二焊料的厚度范围从1μm或更大至20μm或更小。
3.根据权利要求1或2的半导体发光器件，其中所述散热器的厚度范围从100μm或更大至500μm或更小。
4.一种半导体发光器件的制造方法，该半导体发光器件包括：一具有由氮基化合物半导体制成的衬底的半导体发光元件芯片，一其上安装了所述半导体发光元件芯片的散热器，一将所述衬底与所述散热器接合的第一焊料，一其上安装了所述散热器的支撑底座，一将所述散热器与所述支撑底座接合的第二焊料，所述方法包括以下步骤：
将由SnAgCu或In制成并被制造成薄片形式的所述第二焊料转录到所述支撑底座上；以及
将其上安装了所述半导体发光元件芯片的散热器经由所述第二焊料安装到所述支撑底座上。
5.根据权利要求4的制造方法，其中所述第二焊料的厚度范围从1μm或更大至20μm或更小。
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