DE3915590C2

DE3915590C2 - Zwischenhalterung für Halbleiterlaser-Elemente

Info

Publication number: DE3915590C2
Application number: DE3915590A
Authority: DE
Inventors: Mitsuo Ishii; Seiichi Nagai; Kazuyoshi Hasegawa; Toshio Tanaka
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1988-05-23
Filing date: 1989-05-12
Publication date: 1994-06-16
Anticipated expiration: 2009-05-13
Also published as: US4947238A; DE3915590A1; JPH0750813B2; FR2631751B1; JPH01293691A; FR2631751A1

Description

Gegenstand der Erfindung ist eine Zwischenhalterung oder Zwischenunterlage (Submount) für Halbleiterlaser-Elemente, mit der Halbleiterlaser-Elemente mit hoher Betriebssicherheit und Verläßlichkeit gebildet werden können.

Die Fig. 2 zeigt die Schnittansicht des Aufbaus einer herkömmlichen Silicium-Zwischenhalterung zur Montage eines Halbleiterlaser-Chips. In der Fig. 2 steht die Bezugsziffer 1 für ein monokristallines Siliciumsubstrat. Die Bezugsziffer 2 bezeichnet eine Sperrschicht, die auf sowohl der oberen als auch der unteren Oberfläche des Siliciumsubstrats 1 abgeschieden ist und damit in ohmschem Kontakt steht. Diese Sperrschicht 2 umfaßt eine erste Schicht 21 aus Titan, eine zweite Schicht 22 aus Nickel und eine dritte Schicht 23 aus Silber, die nacheinander von innen nach außen schichtweise angeordnet sind. Die Bezugsziffer 4 steht für eine Lotschicht aus Blei oder Zinn (oder einer Legierungsschicht), die durch Aufdampfen auf die Sperrschicht 2 gebildet worden ist.

Die Wirkung dieser Zwischenhalterung für Halbleiterlaser-Elemente sei im folgenden näher erläutert.

Im allgemeinen entwickelt ein Halbleiter-Element wenn es unter kontinuierlicher Oszillation steht, Wärme, so daß es erforderlich ist, den Laser auf einen die Wärme abführenden Strahlungsblock anzuordnen, wobei in großem Umfang Blöcke aus Silber oder Kupfer mit hoher thermischer Leitfähigkeit verwendet werden. Da das Halbleiterlaser-Bauelement aus beispielsweise AlGaAs und die Blöcke aus Silber oder Kupfer einen großen Unterschied in den thermischen Ausdehnungskoeffizient aufweisen, wird eine Zwischenhalterung aus einkristallinem Silicium zwischen das Halbleiterlaser-Bauelement und den Wärmeabführungsblock angeordnet, so daß diese Zwischenhalterung als Material für die Aufnahme von Wärmespannungen dient.

Das Verfahren zur Herstellung der Zwischenhalterung für das Halbleiterlaser-Element, wie es in der Fig. 2 dargestellt ist, sei im folgenden näher erläutert.

Zunächst werden die ersten Schichten 21 aus Titan, die zweiten Schichten 22 aus Nickel und die dritten Schichten 23 aus Silber nacheinander durch Aufdampfen auf die vorderen und hinteren Oberflächen des Silicium-Wafersubstrats 1 aufgebracht. Die erste Schicht 21 aus Titan besitzt eine starke Haftung an dem Siliciumsubstrat 1 und erzeugt einen guten ohmschen Kontakt mit dem Siliciumsubstrat 1. Die zweite Schicht 22 aus Nickel unterdrückt eine Metallegierungsreaktion zwischen der Blei/Zinn-Lotschicht 4 und der ersten Schicht 21 aus Titan. Die dritte Schicht 23 aus Silber ist eine Schicht, welche die Oxidation der zweiten Schicht 22 aus Nickel verhindert und welche ein gutes Lötverhalten und Beschichtungsverhalten gegenüber dem Blei/Zinn-Lot zeigt. Diese Metallschichten können auch durch Aufsputtern erzeugt werden. Anschließend werden Blei bzw. Zinn oder eine Metallegierung aus Blei und Zinn auf die dritte Schicht 23 aus Silber aufgedampft unter Bildung der Lotschicht 4.

Wenn ein Halbleiterlaser-Element mit Hilfe der oben beschriebenen Silicium-Zwischenhalterung auf einem Wärmeabführungsblock montiert wird, wird ein Aufbau mit dem Übergang nach unten angewandt, gemäß dem der Lichtemissionspunkt des Halbleiterlaser-Elements in der Nähe der Zwischenhalterung angeordnet wird, um in dieser Weise den Wärmewiderstand zu erniedrigen. Diese Anordnung mit nach unten gerichtetem Übergang setzt sich als Hauptmethode für Hochenergie- Laser oder Drucker-Laser durch, die geringe Wärmecharakteristika aufweisen müssen.

Wenn in diesem Fall ein Lot auf Goldbasis eingesetzt wird, welches eine hohe Haftung zeigt, ergibt sich der Nachteil, daß wegen des hohen Schmelzpunktes und der Festigkeit aufgrund der Art des Materials Wärmespannungen im Bereich des Halbleiterlaserchips nach dem Verfestigen des Lotes erzeugt werden, wodurch die Langzeit-Betriebssicherheit beeinträchtigt wird. Demzufolge wird als Lotmaterial für den Aufbau mit nach unten gerichtetem Übergang ein Lot überwiegend auf Blei/Zinn-Basis mit niedrigem Schmelzpunkt und weicher Materialfestigkeit eingesetzt. Da Blei/Zinn-Lote weiche Lote sind, ergibt sich beim Befestigen des Halbleiterlaserchips mit einem solchen Lot eine gute Lebensdauer des Halbleiterlasers (der im allgemeinen auch als Laserdiode bezeichnet wird). Es treten hierbei jedoch die folgenden Probleme auf.

Ein Halbleiterlaser besitzt ein Paar von Resonator-Endoberflächen, wobei das Laserlicht von der vorderen Oberfläche und der hinteren Oberfläche des Resonators emittiert wird. Es besteht eine proportionale Beziehung zwischen der Austrittsleistung des Lichtes, welches aus der vorderen Oberfläche und der hinteren Oberfläche des Lasers emittiert wird. Im allgemeinen wird, um den Laser so anzusteuern, daß ein konstanter Laserlichtstrahl aus der vorderen Oberfläche emittiert wird (APC- Driving), eine Monitor-Photodiode vorgesehen, welches das von der hinteren Oberfläche emittierte Laserlicht auffängt und überwacht. Im Fall des oben beschriebenen Aufbaus mit nach unten gerichtetem Übergang (Junction) ergibt sich als auf die Monitor-Photodiode auffallendes Laserlicht das direkte Licht eines Laserstrahls, welches von der hinteren Oberfläche des Laser-Resonators emittiert wird und das von der Oberfläche des Lots auf Blei/Zinn-Basis, welches auf der obersten Oberfläche der Zwischenhalterung vorgesehen ist, reflektierte Licht. Im Falle eines Lots auf Blei/Zinn-Basis variiert dessen Reflektionsvermögen in Abhängigkeit von dessen Wärmezyklusverhalten, wie es in der Fig. 3(a) dargestellt ist, wobei die Menge des auf die Monitor-Photodiode auffallenden Lichtes variiert, was das oben beschriebene APC-Driving verhindert, so daß ein zu hoher Strom an das Halbleiterlaser-Element angelegt wird, was zu dessen Beschädigung führen kann.

Weiterhin leiden Lote auf Blei/Zinn-Basis an thermischer Ermüdung, so daß es zu Ablösungen des Chips als Folge der nicht ausreichenden Haftung nach etwa 100 Wärmezyklen gekommen ist.

Bei Zwischenhalterungen für Halbleiterlaser-Elemente des obigen Aufbaus besteht die Möglichkeit der Änderung des Oberflächenzustandes des Lotes, so daß die Menge des auf die Monitor-Photodiode einfallenden Lichtes entsprechend variiert wird, was den Monitorstrom entsprechend ändert und zur Folge hat, daß das APC- Driving unmöglich wird. Weiterhin unterliegen, wie bereits ausgeführt, Blei/Zinn- Lote der thermischen Ermüdung, so daß es zu Ablösungen des Chips nach mehreren Wärmezyklen kommen kann.

Die JP-A-59-17 27 86 beschreibt eine Zwischenhalterung für Halbleiterlaser-Elemente, bei der ein Laserelement mittels eines Lotes an eine Halterung angelötet ist und ein wärmeableitendes Glied ebenfalls mittels eines Metallotes an die Halterung angelötet ist. Das wärmeableitende Glied besteht dabei aus einem Metall mit guter thermischer Leitfähigkeit, beispielsweise Kupfer und Silber, und die Halterung ist aus Silizium gefertigt, wobei als Lötmasse Indium, Zinn oder eine Indium-Zinnlegierung verwendet wird. Eine ähnliche Halterung für Halbleiterlaser-Elemente ist ebenfalls aus der GB-A-20 62 346 bekannt. Die US-A-44 80 261 beschreibt die Verbindung eines Halbleiterelements mit einer Halterung, wobei eine Vielschichtmetallelektrode mit der Oberfläche der Halterung über eine Lötschicht verbunden ist, und wobei das Halbleiterelement mit einer ersten Chromschicht der Vielschichtelektrode verbunden ist und auf dieser Schicht eine weitere Chrom-Nickellegierungsschicht, eine Nickelschicht und eine Edelmetallschicht ausgebildet sind. Die von dem Halbleiterelement entfernte Edelmetallschicht ist mittels einer Lötschicht auf die Oberfläche der Halterung aufgebracht. Als Lötmasse dient eine Legierung aus Silber, Antimon und Zinn. Die DD-A-254 819 beschreibt eine Halbleiterlaser-Einrichtung mit einem Substrat, wobei eine Oberfläche des Substrats zwei Metallschichten trägt, die nicht in direktem Kontakt stehen, sondern durch eine Isolierschicht getrennt sind, während eine Edelmetallschicht über eine Isolierschicht der unteren Oberfläche des Substrats vorgesehen ist.

Die US-A-41 70 472 beschreibt die Verwendung einer Lötmasse aus Zinn, Silber und Antimon zum Verbinden von metallbeschichteten Halbleitern an ein metallisches Teil.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Zwischenhalterung für Halbleiterlaser-Elemente anzugeben, welches die Beseitigung der Änderung des Monitor-Stroms ermöglicht, die Veränderung der Haftungsintensität als Folge von thermischer Ermüdung vermeidet und eine hohe Betriebssicherheit aufweist, einschließlich eines guten Langzeit-Alterungsverhaltens.

Diese Aufgabe wird nun gelöst durch die Merkmale des Patentanspruchs.

Gegenstand der Erfindung ist daher eine Zwischenhalterung für Halbleiterlaser-Elemente mit einem leitenden oder isolierenden Substrat, auf der oberen und unteren Oberfläche des Substrats angeordneten Sperrschichten und einer auf den Sperrschichten abgeschiedenen Metallegierungs- Lotschicht, welche dadurch gekennzeichnet ist, daß die auf dem Substrat ausgebildeten Sperrschichten durch eine erste Schicht aus Titan, eine zweite Schicht aus Nickel und eine dritte Schicht aus Silber oder Gold gebildet sind, wobei die Schichten nacheinander gemäß vorstehend genannter Reihenfolge auf den oberen und unteren Oberflächen des Substrats angeordnet sind und daß eine Metallegierungs-Lotschicht aus den Elementen Zinn, Silber und Antimon gebildet ist und auf der gesamten Oberfläche der unteren Sperrschicht und der gesamten oder einem Teil der Oberfläche der oberen Sperrschicht abgeschieden ist.

Erfindungsgemäß wird die oberste Oberflächenschicht der Zwischenhalterung für das Halbleiterlaser-Element aus einer Metallegierungs-Lotschicht gebildet, welche Zinn, Silber und Antimon enthält und auf der Gold oder Silber enthaltenden Sperrschicht angeordnet ist.

Demzufolge besitzt die Metallegierungs-Lotschicht eine ausreichende Haftung und vermindert die Wahrscheinlichkeit des Auftretens von thermischer Ermüdung als Folge der Einwirkung von vielen Wärmezyklen, so daß der Nachteil der herkömmlichen Zwischenhalterung im Hinblick auf die Haftungsintensität und die Änderung des Oberflächenzustandes des Lots vermieden wird, geringere Änderungen der Monitorstrom-Charakteristika auftreten und eine Laserdiode mit höherer Betriebssicherheit erhalten wird.

Die Erfindung sei im folgenden näher unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. In den Zeichnungen zeigen

Fig. 1 eine Schnittansicht des Aufbaus einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Zwischenhalterung für Halbleiterlaser-Elemente;

Fig. 2 eine Schnittansicht einer herkömmlichen Zwischenhalterung zur Halbleiterlaser-Element;

Fig. 3 (a) eine Kurvendarstellung, welches das Wärmezyklus-Verhalten des Monitorstroms eines Halbleiterlaser-Elements widergibt, welches auf einer Zwischenhalterung für Halbleiterlaser-Elemente nach dem Stand der Technik angeordnet ist; und

Fig. 3 (b) eine Kurvendarstellung, welches das Wärmezyklus-Verhalten des Monitorstroms eines Halbleiterlaser-Elements wiedergibt, welches auf einer Zwischenhalterung der Halbleiterlaser-Elemente gemäß eine Ausführungsform der Erfindung angeordnet ist.

Die Fig. 1 zeigt eine Zwischenhalterung oder Zwischenunterlage bzw. Submount für ein Halbleiter-Element gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In dieser Fig. 1 steht die Bezugsziffer 1 für ein leitendes Siliciumsubstrat. Die Bezugsziffer 2 bezeichnet eine Sperrschicht, welche eine erste Schicht 21 aus Titan, eine zweite Schicht 22 aus Nickel und eine dritte Schicht 23 aus Silber aufweist, welche nacheinander durch Aufdampfen auf beide Oberflächen des Siliciumsubstrats 1 aufgebracht worden sind. Die Bezugsziffer 3 steht für eine Metallegierungs-Lotschicht, welche Zinn, Silber und Antimon enthält und durch Aufdampfen auf die Sperrschicht 2 aufgebracht worden ist.

Im folgenden sei der Betrieb und die Wirkung dieser Zwischenhalterung näher erläutert.

Bei der beschriebenen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Lotschicht mit Hilfe einer Metallegierung ausgebildet, die Zinn, Silber und Antimon enthält. Die folgende Tabelle 1 gibt die mechanischen Eigenschaften des Lotmatrials wieder. Wie in dieser Tabelle angegeben ist, besitzt ein Metallegierungslot aus den drei Elementen Zinn, Silber und Antimon eine Härte von 3,5 H_v, was ein weiches Lot darstellt, welches weicher ist als Lote aus der Reihe der Blei/Zinn-Lote. Weiterhin leidet das Metallegierungslot, welches die drei Elemente Zinn, Silber und Antimon enthält nicht an thermischer Ermüdung und hat den weiteren Vorteil, daß sich der Oberflächenzustand des Lotes nicht ändert.

Tabelle 1

Aufgrund der obigen Eigenschaften ist ersichtlich, daß wenn ein Bauelement mit einem Halbleiter-Laserchip mit dem Übergang nach unten auf die Zwischenhalterung für das Halbleiterlaser-Element gemäß der erfindungsgemäßen Ausführungsform angeordnet ist, ergeben sich keine Ablösung des Chips und keine Änderungen der Eigenschaften des Monitorstroms Im während mindestens 700 Wärmezyklen ergeben, wobei entsprechend gute Ergebnisse im Hinblick auf die Langzeitalterung erhalten werden, wie sie mit Loten aus der Blei/Zinn-Reihe erzielt werden.

Bei dieser Ausführungsform der Erfindung wird ein drei Elemente enthaltendes Metallegierungslot, welches Zinn, Silber und Antimon enthält, eingesetzt, d. h. ein weiches Lot mit niedriger Wärmespannung, welches weicher ist als Lote der Blei/Zinn-Reihe und welches daher nicht an thermischer Ermüdung leidet und keine Veränderung des Oberflächenzustandes zeigt. Bei der erfindungsgemäßen Verwendung dieses Materials zur Ausbildung der Lotschicht auf der Zwischenhalterung für Halbleiterlaser-Elemente erzielt man gute Eigenschaften im Hinblick auf die Langzeitalterung, die Ablösung des Halbleiterchips und damit Halbleiterlaser-Elemente mit hoher Betriebssicherheit, welche keine Änderungen des Monitorstromes zeigen.

Wenngleich bei der oben beschriebenen Ausführungsform das Lot auf beiden gesamten Oberflächen des Siliciumsubstrats abgeschieden wird, kann man die Lotschicht auch nur teilweise ausbilden.

Es ist weiterhin möglich, anstelle des bei der oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsform verwendeten leitenden Siliciumsubstrats ein isolierenden Substrat einzusetzen.

Wenn beispielsweise eine Vielzahl von Laserchips auf der Zwischenhalterung montiert werden, kann eine Lotschicht nur zum Teil auf der Oberfläche eines isolierenden Substrats ausgebildet werden und die Laserchips auf der Lotschicht montiert werden, so daß es möglich wird, ohne weiteres Laser anzuordnen, die unabhängig voneinander angesteuert werden können.

Wie aus der obigen Erläuterung hervorgeht, wird bei der erfindungsgemäßen Zwischenhalterung die Lotschicht aus einem drei Legierungselemente enthaltenden Legierungslot gebildet, welches Zinn, Silber und Antimon enthält, und ein weicheres Lot darstellt, als die Lote auf Blei/Zinn-Basis. Dies hat den Vorteil, daß sich ein gutes Langzeitalterungsverhalten ergibt, da das weiche Lot geringere Wärmespannungen zeigt und weniger zu thermischer Ermüdung neigt, so daß sich keine Chipablösung und keine Änderung der Eigenschaften des Monitorstroms als Folge der Veränderung des Oberflächenzustandes der Lotschicht ergibt, was wiederum zur Folge hat, daß Halbleiterelemente mit hoher Betriebssicherheit gebildet werden können.

Claims

Zwischenhalterung für Halbleiterlaser-Elemente, mit einem leitenden oder isolierenden Substrat, auf der oberen und unteren Oberfläche des Substrats angeordneten Sperrschichten und einer auf den Sperrschichten abgeschiedenen Metallegierungs-Lotschicht, dadurch gekennzeichnet, daß die auf dem Substrat (1) ausgebildeten Sperrschichten (2) durch eine erste Schicht (21) aus Titan, eine zweite Schicht (22) aus Nickel und eine dritte Schicht (23) aus Silber oder Gold gebildet sind, wobei die Schichten nacheinander gemäß vorstehend genannter Reihenfolge auf den oberen und unteren Oberflächen des Substrats (1) angeordnet sind und daß eine Metallegierungs-Lotschicht (3) aus den Elementen Zinn, Silber und Antimon gebildet ist und auf der gesamten Oberfläche der unteren Sperrschicht (2) und der gesamten oder einem Teil der Oberfläche der oberen Sperrschicht (2) abgeschieden ist.