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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Lichtemissions-Halbleitervorrichtung,
insbesondere eine Lichtemissions-Halbleitervorrichtung, bei der
ein Lichtemissions-Halbleiterelement
auf eine Wärmesenke
aufgebondet ist, auf der metallische Schichten übereinander ausgebildet sind.
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Beschreibung
des Standes der Technik
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Wenn
ein Lichtemissions-Halbleiterelement, zum Beispiel ein Halbleiterlaser,
auf eine Wärmesenke
zu bonden ist, so ist es besonders wichtig, den Wärmewiderstand
zu verringern, um die Verzerrung zu minimieren, und um dies zu erreichen,
wurde eine Wärmesenke
eingesetzt, die aus einem Werkstoff mit relativ niedrigem Wärmewiderstand
bestand, wobei sich die Notwendigkeit ergab, die Bondfläche derart abzuflachen,
daß das
Lichtemissions-Halbleiterelement gleichförmig auf die Wärmesenke
aufgebondet werden konnte.
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Da
die Wärmesenke
hauptsächlich
aus einem Kupfermaterial besteht, ergeben sich Probleme insofern,
als dann, wenn sie längere
Zeit in der Atmosphäre
belassen wird, die Wärmesenke
oxidiert mit dem Ergebnis, daß der
elektrische Widerstand und der Wärmewiderstand
größer werden
und das Oxid und andere Verunreinigungen die Neigung haben, in das
Lichtemissions-Halbleiterelement einzudiffundieren.
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Eine
der Lösungen
dieser Probleme, die versucht wurden, besteht darin, die betreffende
Fläche der
Wärmesenke
einer Oberflächenbehandlung
zu unterziehen, sie beispielsweise zu polieren oder durch chemisches Ätzen zu
bearbeiten, um eine nicht oxidierte Schichtoberfläche zu erhalten,
unmittelbar anschließend
an der Wärmesenke
eine metallische Sperrschicht aus Ni, Ti oder einem anderen Metall anzubringen,
welches nicht direkt mit Kupfer reagiert, um die Diffusion zu unterdrücken, und
darauf schließlich
eine Dünnschicht
aus Au, Pt oder einem anderen Material mit guter Korrosionsbeständigkeit
auszubilden. Außerdem
ist es erforderlich, auf der oberen Schicht beispielsweise eine
Schicht in Form einer Pt-Dünnschicht
auszubilden, die eine gute Benetzbarkeit bezüglich eines In-Lots besitzt, um
das Lichtemissions-Halbleiterelement an der Wärmesenke anzubringen.
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Ein
Beispiel, welches den obigen Anforderungen genügt, ist eine Wärmesenke,
auf der Ni- und Pt-Schichten nacheinander ausgebildet sind. Bei
diesem Aufbau allerdings ist die Stelle, an der metallische Schichten
auf der Wärmesenke
ausgebildet werden, beschränkt
auf die eine Seite, an der das Lichtemissions-Halbleiterelement
angebondet wird, was bedeutet, daß die Beeinträchtigung
eines Metalls von der Kante her fortschreitet, was schließlich zu
einer Verschlechterung des Lichtemissions-Halbleiterelements führt. Wenn
dann die Absicht besteht, auf sämtlichen
Seiten Ni- und Pt-Schichten auszubilden, so sind, obschon die Schichtbildung
selbst in einfacher Weise durch Plattieren, zum Beispiel Pt-Plattieren,
erfolgen kann, die Kosten für
das Metallisierungsbad hoch, so daß sich durch die besondere
Spezialität
eine geringe Produktivität
ergibt. Um eine metallische Dünnschicht
auf sämtlichen
Seiten aufzudampfen oder aufzusputtern, ist es erforderlich, daß die Lage
der Wärmesenke
für die
jeweilige Schichtbildung geändert
wird, was zu dem Problem geringer Produktivität und hoher Kosten führt.
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Deshalb
wurde das Verfahren angewendet, bei dem nur die Ni-Schicht auf sämtlichen
Seiten durch Plattieren ausgebildet wird, während anschließend eine
teilweise Ausbildung einer Pt-Schicht durch Aufdampfen oder Film-Sputtern
erfolgte. Aber auch bei diesem Verfahren hat sich das Problem ergeben,
daß, weil
ein Ni-Film und ein Pt-Film nicht nacheinander ausgebildet werden
können,
auf der Oberfläche
der Ni-Schicht sich während
der Unterbrechung der Filmerzeugung eine oxidierte Ni-Schicht bildet,
so daß sich
an der Grenzfläche
zwischen dem Ni und dem Pt leicht Wärme bilden kann, was die Haftung
beeinträchtigt
und zu einer minderen Zuverlässigkeit
führt.
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Weiterhin
besitzt die Pt-Dünnschicht
eine hohe Membranspannung im Vergleich zu derjenigen der Schicht
aus einem anderen Metall, so daß bei
Erhöhung
der Schichtdicke möglicherweise
eine Verzerrung an der Bindungsfläche aufgrund der Membranspannung
entsteht, was zu einer minderen Bindungsstärke führt, was wiederum die Zuverlässigkeit des
Bauelements aufgrund der Verformung senkt.
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Die
Patentanmeldung
GB 2 300 375 zeigt
ein Verfahren zum Bonden eines Lichtemissions-Halbleiterelements
an einer Wärmesenke,
bei dem sämtliche
Flächen
der Wärmesenke
mit einem Nickelfilm überzogen
werden, wobei eine metallische Barrierenschicht und eine die Benetzbarkeit
verbessernde metallische Schicht auf derjenigen Seite der Wärmesenke
aufgestapelt werden, an der das Lichtemissions-Halbleiterelement
angebracht wird.
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Wie
oben ausgeführt,
ist es zum Verbinden des Lichtemissions-Halbleiterelements mit dem
Gehäuse
wesentlich, die Verformung oder Verzerrung und den Wärmewiderstand
der Bondfläche
zu minimieren, nicht nur die Anfangs-Kennwerte sondern auch die
Langzeitzuverlässigkeit
zu verbessern, und die metallische Struktur der Wärmesenke
und den Filmbildungsprozeß zu
optimieren im Hinblick auf Anforderungen bezüglich Kosten und Produktivität.
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Die
erfindungsgemäße Lichtemissions-Halbleitervorrichtung
ist eine Vorrichtung mit einem Lichtemissions-Halbleiterelement,
welches oben auf eine Wärmesenke
aufgebondet ist, wobei die Lichtemissionsfläche in die Nähe einer
Seitenfläche
der Wärmesenke
gerückt
ist, wobei
die Wärmesenke
auf sämtlichen
Seiten mit einer Ni-Dünnschicht
ausgestattet ist, und auf derjenigen Seite der Wärmesenke, an der das Lichtemissions-Halbleiterelement
angebracht ist, und auf der Ni-Dünnschicht
an der Seitenfläche
eine metallische Sperrschicht und eine die Benetzbarkeit verbessernde
metallische Schicht nacheinander aufgebracht sind.
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Vorzugsweise
besteht die metallische Sperrschicht aus Ni, Ti oder einer NiTi-Legierung.
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Vorzugsweise
ist die die Benetzbarkeit verbessernde metallische Schicht aus Pd,
Pt oder einer PdPt-Legierung gebildet.
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Vorzugsweise
enthält
die Wärmesenke
Cu oder CuW.
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Vorzugsweise
ist die Ni-Dünnschicht
durch stromloses Plattieren oder Galvanisieren unter Einsatz eines
Sulfaminsäurebads
gebildet und besitzt eine Schichtdicke von 2 μm bis 6 μm.
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Vorzugsweise
besitzen die metallische Sperrschicht und die Benetzbarkeit verbessernde metallische
Schicht eine Schichtdicke von jeweils 50 nm bis 150 nm.
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Vorzugsweise
besitzt die metallische Schicht eine Fläche, die größer ist als die Bondfläche des Lichtemissions-Halbleiterelements.
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Vorzugsweise
besitzt die Wärmesenke,
auf der die metallische Schicht ausgebildet ist, eine Flachheit
von Rmax von 6 μm
oder weniger.
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Das
Verfahren zum Herstellen einer Lichtemissions-Halbleitervorrichtung
gemäß der Erfindung ordnet
sequentiell eine metallische Sperrschicht und eine die Benetzbarkeit
verbessernde metallische Schicht auf zwei einander benachbarten
Seiten einer Wärmesenke
an, die auf sämtlichen
Seiten mit einer Ni-Dünnschicht
versehen ist, um anschließend
ein Lichtemissions-Halbleiterelement mit einer der beiden Flächen zu
verbinden, während
die andere Fläche
und die Lichtemissionsfläche
des Lichtemissions-Halbleiterelements nahe zusammengerückt sind,
wobei
die metallische Sperrschicht und die die Benetzbarkeit
verbessernde metallische Schicht nacheinander in derselben Vakuumatmosphäre gebildet
werden.
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Vorzugsweise
werden die oben erwähnte metallische
Sperrschicht und die die Benetzbarkeit verbessernde metallische
Schicht durch Aufdampfen oder Sputtern gebildet.
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Bei
der erfindungsgemäßen Lichtemissions-Halbleitervorrichtung
wird eine Wärmesenke verwendet,
bei der auf sämtlichen
Seiten eine Ni-Dünnschicht
gebildet ist, was bedeutet, daß das die
Wärmesenke
bildenden Cu-Element am Korrodieren gehindert wird, daß die Diffusion
von Verunreinigungen von der Wärmesenke
in das Lichtemissions-Halbleiterelement
unterdrückt
werden kann, und daß sich
die Zuverlässigkeit
verbessern läßt. Durch Anwenden
des Plattierungsverfahrens bei der Ausbildung der Ni-Dünnschicht
läßt sich
bei geringen Kosten eine Schicht bilden, bei der in einfacher Weise Flachheit
erzielt werden kann.
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Durch
Ausbilden einer Ni-Barriere mit einer Dicke von 50 nm bis 150 nm
auf der Wärmesenke, auf
der bereits vorher eine Ni-Dünnschicht
ausgebildet wurde, fungiert, wenn die Verunreinigungen in der Schichtoberfläche nach
Ausbildung der Ni-Dünnschicht
durch Plattieren in die Ni-Sperrschicht hineindiffundieren sollten,
diese Ni-Sperrschicht als Pufferschicht, was bedeutet, daß die Diffusion
in die die Benetzbarkeit verbessernde metallische Schicht und das
Lichtemissions-Halbleiterelement ebenfalls unterdrückt werden
kann und die Beeinträchtigung
des Lichtemissions-Halbleiterelements verhindert werden kann, was
zu einer gesteigerten Zuverlässigkeit führt.
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Indem
die Schichtdicke der Pt-Dünnschicht im
Bereich von 50 nm und 150 nm gehalten wird, läßt sich eine Verformung der
Bindungsfläche
aufgrund einer Membranspannung unterdrücken, was die Erzielung einer
gleichmäßigen Benetzbarkeit
gestattet. Hierdurch wiederum läßt sich
die Zuverlässigkeit
steigern.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
zum Herstellen der Lichtemissions-Halbleitervorrichtung werden nacheinander
unter Vakuum die Ni-Dünnschicht
und die Pt-Dünnschicht
ausgebildet, so daß sich
nicht so leicht Fremdmaterial auf der Ni-Oberfläche absetzen kann, diese Metallschichten
durch verschiedene Verfahren hergestellt werden können, und die
Schichten in einem Zug ausgebildet werden können, so daß die Anzahl von Prozeßschritten
verringert und damit die Kosten gesenkt werden.
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OFFENBARUNG
DER ERFINDUNG
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Zweck
der Erfindung ist es, ein Lichtemissions-Halbleiterelement mit hoher
Langzeitzuverlässigkeit
zu geringen Kosten zu schaffen, außerdem ein entsprechendes Herstellungsverfahren.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine perspektivische Darstellung eines Lichtemissions-Halbleiterelement-Bauteils gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung.
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2 ist
eine graphische Darstellung, die die Abhängigkeit der Verschlechterungsgeschwindigkeit des
erfindungsgemäßen Lichtemissions-Halbleiterelements
von der Ni-Schichtdicke
darstellt.
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3 ist
eine graphische Darstellung, die die Abhängigkeit der Verschlechterungsgeschwindigkeit des
erfindungsgemäßen Lichtemissions-Halbleiterelements
von der Pt-Schichtdicke
darstellt.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Im
folgenden werden Ausführungsformen der
Erfindung anhand der Zeichnung näher
erläutert.
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1 ist
eine bauliche Darstellung eines Lichtemissions-Halbleiterelement-Bauteils
als Ausführungsform
der Erfindung.
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Wie
in 1 gezeigt ist, ist auf sämtlichen Seiten einer Wärmesenke 1 eine
Ni-Dünnschicht
mittels Plattierung zu einer Schichtdicke von 2 μm bis 6 μm ausgebildet. Anschließend ist
auf der Seite, an der ein Lichtemissions-Halbleiterelement 5 anzubringen
ist, und der Fläche
auf der Seite, von der Licht emittiert werden soll, eine metallische
Sperrschicht 2, die nicht direkt mit Kupfer reagiert, durch
Aufdampfen und Film-Sputtern zu einer Schichtdicke von 50 nm bis
150 nm in einer Zone ausgebildet, die das Vierfache der Fläche des
Verbindungsbodens des Lichtemissions-Halbleiterelements 5 entspricht.
Darauf ist eine die Benetzbarkeit verbessernde Metallschicht 3 zur
Verbesserung der Benetzbarkeit mit Lot anschließend im selben Vakuum zu einer
Schichtdicke von 50 nm bis 150 nm gebildet.
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Das
Lichtemissions-Halbleiterelement 5 ist hier hergestellt
durch Schichten einer AlGaAs-Schicht, einer GaAs-Schicht, einer GaAsP-Schicht
und einer InGaAs-Schicht auf einem GaAs-Substrat und anschließendes Ausbilden
einer N-Elektrode aus AuGe/Ni/Au und einer P-Elektrode aus Au/Pt/Ti/Pt/Ti.
Dieses Lichtemissions-Halbleiterelement 5 wird gegen die
Bondfläche
der Wärmesenke 1 mit
einer Last von 10 g bis 30 g gedrückt, während ein In-Lot 4 bei
einer Temperatur von etwa 200°C
bis 250°C
geschmolzen wird, gefolgt von einem Abkühl- und Fixiervorgang.
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Für die Wärmesenkung
wird Cu oder CuW verwendet, das einen geringen Wärmewiderstand besitzt.
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Als
metallische Sperrschicht ist es bevorzugt, Ni oder Ti zu verwenden,
während
für die
die Benetzbarkeit verbessernde metallische Schicht vorzugsweise
Pd oder Pt verwendet wird.
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2 zeigt
eine graphische Darstellung der Abhängigkeit der Verschlechterungsgeschwindigkeit für Lichtemissions-Halbleiterelemente
mit einer 50 μm
betragenden Rückenbreite
und einer 750 μm
betragenden Hohlraumlänge
von der Ni-Schichtdicke, wenn die Elemente 100 Stunden lang bei
einer Temperatur von 50°C
vorgealtert sind und die Ausgangsleistung 500 mW beträgt. Aus 2 ist
ersichtlich, daß,
indem man die Schichtdicke der Ni-Dünnschicht als metallische Barrierenschicht
im Bereich von 50 nm bis 150 nm hält, die Verschlechterungsgeschwindigkeit
gering gehalten werden kann.
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3 zeigt
eine graphische Darstellung der Abhängigkeit der Verschlechterungsgeschwindigkeit von
der Pt-Schichtdicke, wenn eine Voralterung unter den gleichen Bedingungen
wie jenen gemäß 2 erfolgt.
Aus 3 ist ersichtlich, daß, indem man die Schichtdicke
der Pt-Dünnschicht
als die die Benetzbarkeit verbessernde metallische Schicht im Bereich von
50 nm bis 150 nm hält,
die Verschlechterungsgeschwindigkeit gering gehalten werden kann.
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Bei
dem in oben beschriebener Weise hergestellten Lichtemissions-Halbleiterelement-Bauteil wird also
eine Ni-Dünnschicht
durch Plattieren auf sämtlichen
Seiten der Wärmesenke
angebracht, was bedeutet, daß das
Cu-Teil an Korrosion gehindert wird, daß die Diffusion der Verunreinigungen
aus der Wärmesenke
in das Lichtemissions-Halbleiterelement
unterdrückt
werden kann, und mit geringen Kosten und in einfacher Weise eine
Schicht hergestellt werden kann, die zur Erzielung von Flachheit dient.
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Darüber hinaus
wird erneut auf der bereits mit einer Ni-Dünnschicht versehenen Wärmesenke eine
Ni-Barriere gebildet, so daß,
wenn die Verunreinigungen, beispielsweise Reste von der Plattierung der
Ni-Dünnschicht,
in die Ni-Sperrschicht hineindiffundieren sollten, diese als Pufferschicht
fungiert, was bedeutet, daß die
Diffusion in die die Benetzbarkeit verbessernde metallische Schicht
und das Lichtemissions-Halbleiterelement ebenfalls unterdrückt werden
kann und verhindert wird, daß sich
das Lichtemissions-Halbleiterelement
verschlechtert, was zu einer Verbesserung der Zuverlässigkeit
führt.
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Außerdem sind
die Ni- und die Pt-Dünnschicht
in Vakuumatmosphäre
ausgebildet, so daß die
Schicht in einem Zug ausgebildet werden kann, was bedeutet, daß die Anzahl
von Prozeßschritten verringert
und damit die Kosten gesenkt werden. Die aufeinanderfolgende Ausbildung
dieser beiden Dünnschichten
erlaubt das Verhindern der Niederschlagung von Fremdmaterial, beispielsweise Feuchtigkeit,
außerdem
eine Verbesserung der Zuverlässigkeit.