TWI747436B - 光半導體裝置及其製造方法 - Google Patents
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Abstract
具備在表面形成有擴散接合層（23b）的安裝部材（22）、設有發光部（21b）且在背面形成有擴散接合層（23a）的光半導體元件（21）、和藉由擴散接合層（23b）與擴散接合層（23a）的擴散接合所形成的電極層（23），光半導體元件（21）之發光部（21b）在光半導體元件（21）的側面利用安裝部材（22）來設置且不需要焊料及Ag膏等的使用，除了防止在光半導體元件的發光部中焊料所造成的污染以外，還使發光部更靠近安裝部材側以設法提高散熱性。
Description
本發明是有關於光半導體裝置及其製造方法。
在光半導體裝置中，伴隨著半導體雷射元件的高輸出化，正在使用散熱性優異之下表面發光型的半導體雷射元件。如專利文獻1所記載，在下表面發光型的半導體元件中，雷射光的振盪部（發光部）形成於半導體雷射元件的下表面側（與焊料的接合部側）。如此一來，藉由將產生熱的發光部配置於更靠近座（mount）的位置，可以得到散熱性優異的半導體裝置。
[先前技術文獻]
[專利文獻]
[專利文獻1] 日本專利特開2002-359427號公報（段落0006、圖13）
[發明所欲解決的問題]
但是，在這種下表面發光型的半導體雷射元件中，如果焊料爬上其端面上，會在發光部產生焊料所造成的短路等不良。因此，有在半導體雷射元件之雷射光變得無法振盪之不良產生的問題。
本發明揭示了用於解決上述問題的技術，以提供在半導體雷射元件中確實進行雷射光的振盪之能夠以低成本得到的光半導體雷射裝置及其製造方法為目的。
[用以解決問題的手段]
本發明中所揭示的光半導體裝置之特徵為：具備在表面形成有第一接合材或是接合層的安裝部材、設置發光部或受光部且在背面形成有第二接合材或是接合層的光半導體元件、和藉由前述第一接合材或是接合層與前述第二接合材或是接合層的擴散接合來形成的電極層，前述光半導體元件之前述發光部或前述受光部是在前述光半導體元件的側面利用前述安裝部材來設置。
本發明所揭示的光半導體裝置的製造方法之特徵為包含下列步驟：複數並列地排列將光半導體元件載置於安裝部材的組合，其中前述光半導體元件設有發光部或受光部且在背面形成有第二接合材、或是接合層，前述安裝部材在表面形成有第一接合材、或接合層，並且以治具夾持前述組合；以及在真空中加熱以前述治具夾持的安裝部材與光半導體元件的複數的組合，且利用前述第一接合材或是接合層與前述第二接合材或是接合層的擴散接合來接合前述安裝部材與前述光半導體元件，並且在前述光半導體元件的前述發光部或前述受光部所設置的面將絕緣膜成膜。
[發明的效果]
根據本發明，不需要焊料及Ag膏等的使用，除了防止在光半導體元件的發光部或受光部中焊料所造成的污染以外，還可以使發光部或受光部更靠近安裝部材側，能夠設法提高散熱性。
實施形態1
第1圖所示為關於本發明的實施形態1的光半導體裝置101的構成的正面圖。第2圖所示為關於本發明的實施形態1的光半導體裝置101的構成的側面圖。如第1圖及第2圖所示，在光半導體裝置101，光半導體元件21搭載於安裝部材22的表面。
光半導體元件21是接合至安裝部材22的表面。光半導體元件21為了提高排熱效率，光半導體元件21之中溫度最高的發光部21b在光半導體元件21的厚度方向是設置為使其靠近光半導體元件所接合的安裝部件側。另外，在此，儘管是設定為發光部，但也可以是受光部。
安裝部材22，在其表面接合光半導體元件21，將在光半導體元件21產生的熱散熱。特別是為了使從光半導體元件21的發光部21b產生的熱有效率地排熱，安裝部材22在發光部21b的附近接合。作為構成安裝部材22的材料，也可以使用陶瓷、半導體、或是金屬。
先前，光半導體元件與安裝部材的接合，雖然一直是使用焊料或Ag膏等，由於會從安裝部件的邊緣突出光半導體元件等，如果不在具有發光部的面與安裝部件的邊緣間保持距離，會因焊料或Ag膏等從安裝部件的邊緣擠出，附著至發光部而使特性劣化。
此外，在先前的光半導體裝置中，因為應用於發光部或是受光部的膜材是絕緣膜，使光半導體元件與安裝光半導體元件的安裝部件間的熱阻值、電阻值增大，有關熱阻值的增大，光半導體元件的發光、或是受光時的發熱所造成之光半導體元件本身的溫度升高，會使發光輸出、或是受光輸出降低等，使特性劣化。特別是在近年的晶片微小化且高輸出化的趨勢中影響非常顯著。此外，由於電阻值的增大會使電力消耗顯著，無法貢獻於近年的低電力消耗化。另外如果熱阻值及電阻值變化，由於特性也變化，因此品質惡化。
於是，在關於本發明的實施形態1的光半導體裝置101中，其特徵為：透過由利用形成於光半導體元件21的背面的第一接合層（或接合材）之擴散接合層（或擴散接合材）23a與形成於安裝部材22的表面的第二接合層（或接合材）之擴散接合層（或擴散接合材）23b的擴散接合所形成的金屬所構成的電極層23，接合光半導體元件21與安裝部材22。作為電極層23的材料，可以舉出例如Au。
利用本發明所揭示的構成，藉由將來自電極層23之擴散接合層23a、23b所造成的擴散接合用於光半導體元件21與安裝部材22的接合，不需要焊料及Ag膏等的使用，除了防止在光半導體元件的發光部中焊料所造成的污染以外，還可以使發光部更靠近安裝部材側，能夠設法提高散熱性。
接著，根據第3圖及第4圖以說明關於實施形態1的光半導體裝置101的製造方法。第3圖所示為關於實施形態1的光半導體裝置101的製造步驟的圖。第4圖所示為關於實施形態1的光半導體裝置101的製造方法的順序的流程圖。
首先最初如第3（a）圖所示，準備藉由濺鍍法或蒸鍍法等在背面形成作為擴散接合層23a的Au層的光半導體元件21、和藉由濺鍍法或蒸鍍法等在表面形成作為擴散接合層23b的Au層的安裝部材22，如第3（b）圖所示，將光半導體元件21載置於安裝部材22以重疊擴散接合層23a之Au層與擴散接合層23b之Au層（步驟S401）。另外，在光半導體元件21的表面形成未圖示的表面電極，在安裝部材22的背面形成未圖示的背面電極。
接下來，如第3（c）圖所示，複數並列地排列將光半導體元件21載置於安裝部材22上的組合，在各個組合之間配置用於防止光半導體元件21的表面電極及安裝部材22的背面電極的反應（擴散接合）之虛設棒24，藉由治具25a與治具25b夾持，使得壓力從A方向施加至全體（步驟S402）。虛設棒24是使用例如Si製之物。
接著，如第3（d）圖所示，將以治具25a、25b夾持之在安裝部材22上載置光半導體元件21的複數的組合設置於腔室26之中，在真空中加熱（步驟S403）。加熱溫度設為200℃左右。
如果在真空中加熱到上述指定的溫度為止，擴散接合層23a之Au層與擴散接合層23b之Au層Au彼此相互擴散而接合（步驟S404）。上述光半導體元件21與安裝部材22接合的接合步驟是賦予將光半導體元件的發光、或是受光時產生的熱排出的功能，且對光與電的轉換效率等的特性、或是可靠性給予顯著影響之重要步驟。
此外，達到指定的溫度後，利用濺鍍法或蒸鍍法等，在光半導體元件21的設置有發光部21b的面側，包含安裝部材22以全面地將絕緣膜成膜（無圖示）（步驟S405）。由於這個絕緣膜的成膜步驟是為了控制光半導體元件的發光部的光的反射率，其為對光半導體元件閾值等的特性、或是可靠度給予顯著影響之重要步驟。
藉由以上的步驟，如第3（e）圖所示，光半導體元件21與安裝部材22可以得到在電極層23的擴散接合層23a與擴散接合層23b擴散接合的光半導體裝置101。
在先前的製造方法中，只有單獨地複數並列以排列光半導體元件，在光半導體元件間配置虛設棒以藉由治具夾持，且在發光部的面將絕緣膜成膜製膜，在成膜後使用焊料接合光半導體元件與安裝部材。
根據本發明的製造方法，藉由同時進行接合步驟與成膜步驟，可以設法簡略化製造步驟，能夠削減製造時間及成本。
如上所述，根據關於本實施形態1的光半導體裝置101，具備在表面形成有擴散接合層23b的安裝部材22、設置發光部21b且在背面形成有擴散接合層23a的光半導體元件21、和以擴散接合層23b與擴散接合層23a的擴散接合形成的電極層23，由於光半導體元件21是設置為發光部21b在光半導體元件21的側面靠近安裝部材22，藉由將來自電極層的擴散接合層所造成的擴散接合用於光半導體元件與安裝部材的接合，不需要焊料及Ag膏等的使用，除了在光半導體元件的發光部防止焊料所造成的污染以外，可以使發光部更靠近安裝部材側，且能夠設法提高散熱性。
此外，藉由降低光半導體元件與安裝部材間的熱阻值，由於對光半導體元件的發光、或是受光時的發熱排更多的熱，能夠抑制發光輸出、或是受光輸出的降低，改善特性。
此外，藉由降低光半導體元件與安裝部材間的電阻值，能夠抑制電力消耗。
此外，藉由使光半導體元件與安裝部材間的熱阻值及電阻值的變化較小，特性變化也較小且能夠提高品質。
由於光半導體元件與安裝部材的接合材不需要焊料及Ag膏等，可以降低部材費、作業費等的價格。
此外，由於光半導體元件與安裝部材的接合材不需要焊料及Ag膏等，能夠抑制從接合部擠出且阻塞發光部或是受光部所造成的不良並提高良率。
因為根據關於本實施形態1的光半導體裝置101的製造方法包含以下步驟：將設置發光部21b且在背面形成擴散接合層23a的光半導體元件21載置於表面形成有擴散接合層23b的安裝部材22的組合複數並列地排列且以治具25a、25b夾持；以及在真空中對以治具25a、25b夾持的安裝部材22與光半導體元件21的複數的組合進行加熱，且利用擴散接合層23a與擴散接合層23b的擴散接合來接合安裝部材22與光半導體元件21，並且在光半導體元件21的設置發光部21b的面成膜絕緣膜，藉由同時進行成膜步驟與結合步驟，能夠設法簡略化製造步驟，可以削減製造時間及成本。
此外，在光半導體裝置的製造步驟中，由於晶圓以階層狀進行製造程序的處理，且有些階層進行矩形等的圖案處理等，應變在每個晶圓階層的面內分布且在薄板化時產生應變所造成的翹曲。由於光半導體元件是由晶圓切出，在成膜於發光部或是受光部的步驟中，光半導體元件在構造上容易發生翹曲，所夾持的光半導體元件與虛設棒間、或是在光半導體元件間會產生微小的空隙。此外，為了使前述空隙狹窄，如果增加夾持力，因為光半導體元件主要是由脆性材所構成，會使裂縫等缺陷產生。此外，為了使前述空隙狹窄，如果使光半導體元件的其後安裝之與安裝部件的接合面電極較厚且以電極的柔軟性吸收間隙，在光半導體元件的價格構成上，由於電極材料相對高價，價格會提高。因此，膜材進入前述空隙，在先前的製造方法中，上述膜材附著於光半導體元件的其後安裝之與安裝部件的接合面。而且由於附著的位置、面積、附著密度取決於間隙的空間形狀，會產生不均一的變化。
本發明也對這些問題回應，不使用焊料及Ag膏等，藉由將Au的擴散接合用於光半導體元件21與安裝部材22的接合，如第5（a）圖所示，即使是翹曲狀態的光半導體元件21，在真空中對載置於以治具25a、25b夾持的安裝部材22上的光半導體元件21進行加熱，接合步驟後，可以繼續進行成膜步驟，如第5（b）圖所示，即使光半導體元件維持翹曲狀態，也不只是可以達到上述實施形態1的效果，還能夠得到膜材沒有附著在接合面，並且沒有間隙的光半導體裝置。
此外，安裝光半導體元件的安裝部材多半使用陶瓷類，在由母材加工為安裝部材時，在藉由切割（dicing）等的切斷以切出的情況下，在形狀的稜線中會有微細的裂縫，且因為接合光半導體元件時的衝擊等而產生微小剝離屑，其附著至光半導體元件的發光部或是受光部，特性會惡化。
根據本發明的製造方法，可以防止微小剝離屑的產生、抑制附著所造成的不良、提高良率。
實施形態2
在實施形態1，在光半導體裝置101的製造方法中，顯示了有關使用虛設棒24的情況；在實施形態2，說明有關不使用虛設棒的情況。
第6圖為用於說明關於實施形態2的光半導體裝置101的製造方法的圖。如第6圖所示，直接複數並列地排列未形成表面電極的光半導體元件21、和未形成背面電極的安裝部材22的組合，且以治具25a、25b夾持。有關根據實施形態2的光半導體裝置101的其他的製造方法，與實施形態1的光半導體裝置101相同，對應的部分標記相同的符號且省略其說明。
在本實施形態2中，光半導體元件21的表面電極及安裝部材22的背面電極是在光半導體元件21與安裝部材22的接合步驟及成膜步驟之後形成。
在先前複數的前述光半導體元件對準發光部或是受光部，且以治具夾持而成膜的情況下，在夾持的時候，為了使光半導體元件彼此不要接合，會在光半導體元件與光半導體元件之間配置由Si等所構成的虛設棒，或是在光半導體元件的表面具有接合防止膜。但是，如果使用虛設棒，會產生虛設棒部材費、插入虛設棒的作業費、移除虛設棒的作業費、成膜於虛設棒的膜材費用等。此外，在不使用虛設棒而在光半導體元件本身夾持時成膜使光半導體元件彼此不接合的膜的情況下，也會因為膜材費用及步驟增加而使價格提高。
對此，在本實施形態2中，由於光半導體元件21的表面與安裝部材22的背面沒有進行擴散接合，不需要在實施形態1中使用的用於防止光半導體元件21的表面電極及安裝部材22的背面電極的反應（擴散接合）的虛設棒24，也不需要使光半導體元件彼此不接合的膜的成膜，可以設法降低製造成本。
如上所述，根據關於本實施形態2的半導體裝置101的製造方法，因為光半導體元件21的表面電極及安裝部材22的背面電極是在光半導體元件21與安裝部材22的接合步驟及成膜步驟之後形成，光半導體元件21的表面與安裝部材22的背面不會進行擴散接合，不需要在實施形態1中使用的用於防止光半導體元件21的表面電極及安裝部材22的背面電極的反應（擴散接合）的虛設棒24，也不需要使光半導體元件彼此不接合的膜的成膜，可以設法降低製造成本，能夠提高產能。
在先前的製造方法中，由於在端面（發光/受光部）進行塗布的步驟、和安裝半導體晶片的步驟是獨立的步驟，（1）在塗布時纏繞於接合部的端面部材（絕緣膜）降低熱/電的傳導度，使特性劣化。此外，（2）為了掩埋塗布時的棒翹曲所造成的間隙，增厚Au以僅用半導體晶片的接合部材掩埋間隙，其中由於配合安裝部材的接合部材的Au厚以填充間隙，就半導體晶片與安裝部材的組合來看價格會提高。特別是（2）的情況，端面塗布時，在不盡可能地矯正翹曲而掩埋翹曲所造成的間隙時，在先前方法中，由於為了不接合而插入虛設棒，虛設棒中沒有接合部材，因此光半導體晶片的接合部材會需要掩埋翹曲所造成的空隙部的厚度。
在本發明中，光半導體晶片的接合部材的厚度與安裝部材的接合部材的厚度的和只要是掩埋翹曲所造成的空隙部的厚度即可。
儘管本發明記載了各種例示性的實施形態及實施例，但是在一個或複數個實施形態中記載的各種特徵、態樣及功能並非限定應用於特定的實施形態，可能單獨地或以各種組合應用於實施形態。因此，在本發明說明書中揭露的技術範圍內可以預見未例示的無數變形例。例如，包含至少一個元件變形的情況，增加的情況或省略的情況，以及至少一個元件被抽出並和其他實施形態的元件組合的情況。
21:光半導體元件
21b:發光部
22:安裝部材
23:電極層
23a,23b:擴散接合層
24:虛設棒
25a,25b:治具
26:腔室
101:光半導體裝置
A:方向
S401,S402,S403,S404,S405:步驟
第1圖所示為關於實施形態1的光半導體裝置的構成的正面圖。
第2圖所示為關於實施形態1的光半導體裝置的構成的側面圖。
第3圖所示為關於實施形態1的光半導體裝置的製造步驟的圖。
第4圖所示為關於實施形態1的光半導體裝置的製造方法的順序的流程圖。
第5圖所示為用於說明關於實施形態1的光半導體裝置的其他的構成的圖。
第6圖所示為用於說明關於實施形態2的光半導體裝置的製造方法的圖。
21:光半導體元件
21b:發光部
22:安裝部材
23:電極層
23a,23b:擴散接合層
101:光半導體裝置
Claims (4)
- 一種光半導體裝置，其特徵為包括：安裝部材，在表面形成有第一接合材或是接合層；光半導體元件，設有複數個不連續的發光部或受光部，且在背面形成有第二接合材或是接合層；以及電極層，是藉由前述第一接合材或是接合層與前述第二接合材或是接合層的擴散接合所形成；其中前述光半導體元件之前述發光部或前述受光部在前述光半導體元件的側面是設置於前述安裝部材附近。
- 如請求項1之光半導體裝置，其中前述第一接合材或是接合層與前述第二接合材或是接合層是由Au所構成。
- 一種光半導體裝置的製造方法，其特徵為包括下列步驟：複數並列地排列將光半導體元件載置於安裝部材的組合，其中前述光半導體元件設有複數個不連續的發光部或受光部且在背面形成有第二接合材或是接合層，前述安裝部材在表面形成第一接合材或是接合層，並且以治具夾持前述組合；以及在真空中加熱以前述治具夾持的安裝部材與光半導體元件的複數的組合，且利用前述第一接合材或是接合層與前述第二接合材或是接合層的擴散接合來接合前述安裝部材與前述光半導體元件，並且在前述光半導體元件的前述發光部或前述受光部所設置的面將絕緣膜成膜。
- 如請求項3之光半導體裝置的製造方法，其中前述第一接合材或是接合層與前述第二接合材或是接合層是由Au所構成。
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