半導體雷射二極體的輔助裝配座及其製造方法
2023-08-11 04:05:21
專利名稱：半導體雷射二極體的輔助裝配座及其製造方法
技術領域：
本發明涉及一種半導體雷射二極體。更具體地說，本發明涉及一種倒裝焊接到一個具有形成於同一側面上的兩個階梯狀電極(stepped electrode)的雷射二極體晶片上的輔助裝配座(submount)及其製造方法，並涉及使用該輔助裝配座的半導體雷射二極體組件。
背景技術：
隨著對高密度信息記錄需求的不斷增長，對可見光半導體雷射二極體的需求不斷增加。因此，人們正在開發由各種能夠發出可見光雷射的化合物製成的半導體雷射二極體。特別是，III-V族氮化物半導體雷射二極體受到人們大量的關注，因為其光躍遷是誘發高頻雷射輻射的直接躍遷類型並且由於其發射出藍光雷射。
圖1顯示出傳統以GaN為基的、III-V族氮化物半導體雷射二極體晶片的橫截面視圖，其具有形成於同一側面上的n型和p型電極以及脊形波導(ridge waveguide)。
如圖1所示，傳統以GaN為基的、III-V族氮化物半導體雷射二極體晶片具有形成於同一側面上的n型和p型電極、以及形成於p型電極區內的脊形波導。
詳細地說，在藍寶石襯底10上形成一n-GaN層12。該n-GaN層12分成第一和第二區R1和R2。一n型電極14形成於n-GaN層12的第二區R2上。接著，在n-GaN層12的第一區R1上按照折射率從小到大的順序形成一n-AlGaN/GaN層16、一n-GaN層18以及作為有源層的一InGaN層20。在InGaN層20上按照折射率從大到小的順序形成一p-GaN層22、一p-AlGaN/GaN層24以及一p-GaN層26。p-AlGaN/GaN層24的上中心部以脊或肋的形式突出，在該脊的頂部上形成p-GaN層26。該p-AlGaN/GaN層24覆蓋有一具有與p-GaN層26聯通的通道27的保護層28。一個p型電極30形成於保護層28和p-GaN層26的露出中央面上，並通過通道27與p-GaN層26的兩端相接觸。在該結構中，p型電極30和n型電極14隔開一個階躍高度(step height)h1。
通常，溫度對半導體雷射二極體雷射發射的臨界電流和雷射模式穩定性有影響。隨著溫度的升高，這兩個特性都降低。因此，需要除去雷射發射期間在有源層(active layer)中所產生的熱，由此防止雷射二極體過熱。在使用前述傳統以GaN為基的、III-V族半導體雷射二極體的情況下，由於襯底的導熱係數非常低(對於藍寶石襯底來說，約為0.5W/cmK)，因此大部分熱僅僅通過脊來排放。然而，由於通過脊排放的熱量有限，因此很難進行有效的熱量排放。因此，不能有效地防止由雷射二極體過熱引起的半導體器件性能的降低。
對於這種情況，可以將圖2所示的倒裝焊接技術(flip-chip bondingtechnology)應用到圖1所示的結構中，以便排放有源層中產生的熱量。
參見圖2，參考標記50表示半導體雷射二極體晶片，其具有圖1所示的傳統以GaN為基的、III-V族半導體雷射二極體的倒置結構。參考標記40表示一個輔助裝配座(submount)，參考標記41表示一個襯底，參考標記42a和42b分別表示第一和第二金屬層。參考標記44a和44b表示第一和第二焊料層，它們分別熔合到半導體雷射二極體晶片50的n型電極14和p型電極30上。
通過將半導體雷射二極體焊接到圖2所示的單獨製備的熱量排放結構上，可以提高熱量排放效率。
然而，如圖2所示，為了補償n型電極14和p型電極30之間的階躍高度h1，第一和第二焊料層44a和44b具有不同的厚度。也就是說，如果第一金屬層42a的厚度與第二金屬層42b的厚度相同，則第一焊料層44a比第二焊料層44b厚了h1的高度。在這種情況下，由於第一和第二焊料層44a和44b在分別焊接到兩個電極14和30上時熔化不均勻，因此其焊接狀態之間有差別。圖3是顯示了圖2所示的傳統輔助裝配座中焊料層的熔化狀態的照片。如圖3所示，在不均勻熔化時，第一焊料層44a和第二焊料層44b變壞(run down)。
第一和第二焊料層44a和44b必須具有相同的化學成分比。即使第一和第二焊料層44a和44b的化學成分比彼此略微不同，在它們的熔化溫度之間也將有很大的差異。結果，在分別焊接到兩個電極14和30上時，第一焊料層44a和第二焊料層44b不會同時熔化，由此引起焊接狀態之間的差異。對於這種情況，需要在同一工序中同時形成第一和第二焊料層44a和44b。
然而，如上所述，第一和第二焊料層44a和44b厚度不同。因此，在製造輔助裝配座的方法中，第一和第二焊料層44a和44b不能同時形成。相反，這兩個焊料層必須相繼地形成。由於這個緣故，第一和第二焊料層44a和44b具有不同化學成分比的可能性很高。
如上所述，如果第一焊料層44a和n型電極14之間的焊接狀態不同於第二焊料層44b與p型電極30之間的焊接狀態，在半導體雷射二極體晶片50工作時產生的熱不能有效地傳遞到輔助裝配座40上，由此降低了熱量排放特性。結果，有源層20中的熱不能有效地排放。因此，半導體雷射二極體晶片50的溫度增加，並且有源層20的雷射發射特性降低。
發明內容
本發明是鑑於上述問題而作出的。本發明的一個目的是提供一種具有厚度和化學成分比相同的焊料層的輔助裝配座及其製造方法。本發明還提供一種包括該輔助裝配座的半導體雷射二極體組件。
根據本發明的一個方面，提供一種輔助裝配座，其倒裝焊接到一個具有階梯狀第一和第二電極的半導體雷射二極體晶片上，該輔助裝配座包括一個具有第一和第二表面的襯底，所述第一和第二表面隔開與所述第一和第二電極之間的高度差相當的階躍高度；第一和第二金屬層，分別形成於所述第一和第二表面上且厚度相同；以及第一和第二焊料層，分別形成於所述第一和第二金屬層上且厚度相同，並且分別焊接到所述第一和第二電極上。
根據本發明的另一個方面，提供一種半導體雷射二極體組件，其包括一個具有階梯狀第一和第二電極的半導體雷射二極體晶片以及一個倒裝焊接到所述半導體雷射二極體晶片上的輔助裝配座，該輔助裝配座包括一個具有第一和第二表面的襯底，所述第一和第二表面隔開與所述第一和第二電極之間的高度差相當的階躍高度；第一和第二金屬層，分別形成於所述第一和第二表面上且厚度相同；以及第一和第二焊料層，分別形成於所述第一和第二金屬層上且厚度相同，並且分別焊接到所述第一和第二電極上。
根據本發明的又一個方面，提供一種輔助裝配座的製造方法，該輔助裝配座倒裝焊接到一個具有階梯狀第一和第二電極的半導體雷射二極體晶片上，該方法包括(a)蝕刻一個襯底，以便形成隔開與所述第一和第二電極之間的高度差相當的階躍高度的第一和第二表面；(b)在所述第一和第二表面上沉積一種金屬，以便形成厚度相同的第一和第二金屬層；以及(c)在所述第一和第二金屬層上沉積一種焊料，以便形成厚度相同的第一和第二焊料層，以便分別焊接到所述第一和第二電極上。
根據本發明的具體實施例，在步驟(a)中，所述襯底可以被幹蝕刻。
所述襯底由AlN、SiC、GaN和具有與AlN、SiC和GaN中的一種的傳熱係數相當的傳熱係數的絕緣材料中的一種製成。所述第一和第二金屬層可以由從包括Cr、Ti、Pt和Au的組中選取的兩種或多種的合金製成。所述第一和第二焊料層可以由從包括Cr、Ti、Pt、Au、Mo和Sn的組中選取的兩種或多種的合金製成。
通過參照附圖對本發明的示範性實施例的詳細描述，本發明的上述的和其他的特徵和優點將變得更加明顯，其中圖1是傳統以GaN為基的、III-V族氮化物半導體雷射二極體晶片的截面圖，其具有形成於同一側的n型和p型電極、以及一個脊形波導；圖2是焊接到圖1所示的半導體雷射二極體晶片上的輔助裝配座的截面圖；圖3是顯示出圖2所示的傳統輔助裝配座的焊料層熔化狀態的照片；圖4是根據本發明一個實施例的半導體雷射二極體組件的截面圖；圖5是顯示出圖4所示的輔助裝配座的第一和第二焊料層熔化狀態的照片；圖6A至6D是顯示出根據本發明一個實施例的輔助裝配座的製造工藝的截面圖；以及圖7是顯示出經歷了圖6A所示的刻蝕過程以後的襯底的照片。
具體實施例方式
下文中，將參照附圖更加詳細地描述本發明的實施例。
圖4是根據本發明一個實施例的半導體雷射二極體組件的截面圖。圖4的半導體雷射二極體組件的圖示已被放大，以便更清楚地顯示出本發明的特性。
圖4顯示出倒裝焊接到半導體雷射二極體晶片100上的輔助裝配座200。半導體雷射二極體晶片100是以GaN為基的、III-V族氮化物半導體雷射二極體晶片。
半導體雷射二極體晶片100包括一襯底110、一第一材料層120、一有源層130、以及一第二材料層140，它們順序疊層在襯底110上。
詳細地說，一第一半導體層121設置在襯底110上。襯底110可以是以GaN或SiC為基的、III-V族半導體襯底或者是一個高阻襯底，如藍寶石襯底。第一半導體層121可以是n型以GaN為基的、III-V族氮化物半導體材料層或者是一未摻雜的材料層。優選是一n-GaN層。第一半導體層121分成第一和第二區域R1和R2。一個用作第一電極的n型電極180設置在第二區域R2上。
第一覆層(cladding layer)122和一共振層150順序設置在第一半導體層121上。第一覆層122是一n-AlGaN/GaN層。共振層150包括順序設置在第一覆層122上的一第一波導層123、一有源層130、一第二波導層141。第一半導體層121、第一覆層122和第一波導層123形成第一材料層120，其引起用於雷射發射的雷射作用。因此，第一半導體層121形成第一材料層120的最底層。有源層130是用來通過電子和空穴的複合而引發雷射發射的材料層。優選地，有源層是具有多量子阱(multi-quantum well，MQW)結構的、以GaN為基的III-V族氮化物半導體層，更為優選地，是一InxAlyGal-x-yN層，其中0≤x≤1，0≤y≤1，並且x+y≤1。另外，有源層130可以是含有預定比例的銦(In)的、以GaN為基的III-V族氮化物半導體層，例如InGaN層。第一和第二波導層123和141是以GaN為基的、III-V族氮化物半導體層，優選地分別是一n-GaN層和一p-GaN層。第一和第二波導層123和141具有低於有源層130和高於第一覆層122和後面描述的第二覆層的反射指數。第二覆層142和第二半導體層143順序設置在共振層150上。第二波導層141、第二覆層142以及第二半導體層143形成第二材料層140，其引發有源層130中的用於雷射發射的雷射作用。因此，第二半導體層143形成第二材料層140的最高層。
第二覆層142包括一個與共振層150的中心部相對應的、呈脊形的突出部144以及一個比突出部144薄的部分145。作為第二材料層140最高層的第二半導體層143設置在第二覆層142的突出部144上。第二覆層142由與第一覆層122相同的材料製成，除了摻雜了p型材料以外。第二半導體層143是以GaN為基的、III-V氮化物半導體層，優選為是一p型導電雜質摻雜的直接躍遷層，更為優選的是一p-GaN層。另外，與第一半導體層121一樣，第二半導體層143可以是一GaN層、或者是含有預定比例Al或In的AlGaN層或InGaN層。第二覆層142覆蓋有具有通道161的保護層160，該通道與第二半導體層143聯通。一個用作第二電極的p型電極170設置在保護層160上並且在第二半導體層143的露出的中央面上，並且通過通道161與第二半導體層143的兩端相接觸。
在這個半導體雷射二極體晶片100中，p型電極170和n型電極180隔開一個階躍高度。
輔助裝配座200在被倒裝焊接到半導體雷射二極體晶片100上時用來排放在半導體雷射二極體晶片100工作期間產生的熱。輔助裝配座200包括一個襯底210、第一和第二金屬層221和222、以及第一和第二焊料層231和232。
襯底210具有一個第一表面211和一個第二表面212。第一和第二表面211和212分別與p型電極170和n型電極180相對形成。優選地，第一和第二表面211和212之間的高度差(h2)與p型電極170和n型電極180之間的高度差相同。優選地，襯底2 0由AlN、SiC、GaN以及具有與AlN、SiC和GaN中一種的傳熱係數相當的傳熱係數的絕緣材料中的一種製成。
第一和第二金屬層221和222分別設置在第一和第二表面211和212上。優選地，第一和第二金屬層221和222由從包括Cr、Ti、Pt和Au的組中選取的兩種或多種的合金製成，如Cr/Au和Ti/Pt/Au。
分別焊接到p型和n型電極170和180上的第一和第二焊料層231和232分別設置在第一和第二金屬層221和222上。優選地，第一和第二焊料層231和232由從包括Cr、Ti、Pt、Au、Mo和Sn的組中選取的兩種或多種的合金製成，如Au/Sn、Pt/Au/Sn和Cr/Au/Sn。
優選地，第一金屬層221和第一焊料層231分別與第二金屬層222和第二焊料層232絕緣。為了達到這種絕緣，輔助裝配座可進一步包括一個在第一金屬層221和第二金屬層222之間的絕緣層240。如圖4所示，絕緣層240從第一表面211與第二表面212之間的界面213延伸至第一金屬層221。
優選地，第一和第二金屬層221和222具有相同的厚度，第一和第二焊料層231和232具有相同的厚度。在這種結構中，第一和第二焊料層231和232之間的高度差與P型和n型電極170和180之間的高度差相同。
因此，當輔助裝配座200安裝到半導體雷射二極體晶片100上時，p型電極170與第一焊料層231接觸，n型電極180與第二焊料層232接觸。這時，當施加熱時，第一和第二焊料層231和232在相同的溫度下同時熔化並且分別均勻地焊接到p型和n型電極170和180上。由於第一和第二焊料層231和232具有相同的厚度，因此這種同時熔化是可能的。圖5是顯示出第一和第二焊料層231和232的熔化狀態的照片。從圖5中可以看出，與圖3相比較，第一和第二焊料層231和232已經均勻地熔化了。因此，由輔助裝配座200進行的熱量排放效率提高了，由此提高了半導體雷射二極體晶片100的發光特性。
現在將參照圖6A至6D描述根據本發明一個實施例的輔助裝配座的製造方法。
如圖6A所示，首先，將蝕刻掩模M放置在襯底210的表面上，襯底210由AlN、SiC、GaN以及傳熱係數相當於AlN、SiC和GaN其中之一的傳熱係數的絕緣材料中的一種製成的。當襯底210的未掩蔽表面被蝕刻至預定深度時，除去蝕刻掩模M。蝕刻之後，如圖6B所示，形成了蝕刻過的第一表面211和未經蝕刻的第二表面212。圖7中顯示出蝕刻過的襯底210的照片。在這種情況下，蝕刻深度被調節，從而使得第一表面211和第二表面212之間的高度差等於半導體雷射二極體晶片100的p型和n型電極170和180之間的高度差。幹蝕刻是優選的。
接下來，在第一和第二表面211和212上進行掩模工藝(maskingprocess)，以便定義用於第一和第二金屬層221和222的區域。接著，從由Cr、Ti、Pt和Au組成的組中選取的兩種或多種的合金，如Cr/Au和Ti/Pt/Au，被沉積至預定厚度。當除去掩模時，如圖6C所示，第一和第二金屬層221和222分別形成在第一和第二表面211和212上。優選地，第一和第二金屬層221和222具有相同的厚度。
接下來，在第一和第二金屬層221和222上進行掩模工藝，以便定義用於第一和第二焊料層231和232的區域。接著，從由Cr、Ti、Pt、Au、Mo和Sn組成的組中選取的兩種或多種的合金，如Au/Sn、Pt/Au/Sn和Cr/Au/Sn，被沉積至預定厚度。當除去掩模時，如圖6D所示，分別在第一和第二金屬層221和222上形成第一和第二焊料層231和232。優選地，第一和第二焊料層231和232同時形成為相同的厚度。結果，第一和第二焊料層231和232具有幾乎相同的化學成分比。
根據前述方法，可以形成第一和第二焊料層231和232之間的高度差與p型和n型電極170和180之間的高度差相同的輔助裝配座。
從上述描述顯然可以看出，本發明的半導體雷射二極體組件及其製造方法具有下列效果。
熔合到半導體雷射二極體晶片的兩個階梯狀電極上的輔助裝配座的兩個焊料層通過一個工序同時形成為相同的厚度。結果，這兩個焊料層具有相同的化學成分比，由此提供幾乎相同的熔融特性。
當輔助裝配座倒裝焊接到半導體雷射二極體晶片上時，兩個焊料層均勻熔合到兩個電極上。在這種情況下，可以通過該輔助裝配座有效地排放出在半導體雷射二極體晶片工作期間產生的熱量。結果，半導體雷射二極體晶片的發光效率可以得到提高。
儘管本發明針對其示範性實施例進行了具體地顯示和描述，本領域普通技術人員很清楚可以對此作出各種形式上和細節上的變化，而不會背離由權利要求所限定的本發明的精神和範圍。
權利要求
1.一種輔助裝配座，其倒裝焊接到一具有階梯狀第一和第二電極的半導體雷射二極體晶片上，所述輔助裝配座包括一具有第一和第二表面的襯底，所述第一和第二表面隔開與所述第一和第二電極之間的高度差相當的階躍高度；第一和第二金屬層，分別形成於所述第一和第二表面上且厚度相同；以及第一和第二焊料層，分別形成於所述第一和第二金屬層上且厚度相同，並且分別焊接到所述第一和第二電極上。
2.如權利要求1所述的輔助裝配座，其中所述襯底由AlN、SiC、GaN和具有與AlN、SiC和GaN其中之一的傳熱係數相當的傳熱係數的絕緣材料中的一種製成。
3.如權利要求1所述的輔助裝配座，其中所述第一和第二金屬層由從包括Cr、Ti、Pt和Au的組中選取的兩種或多種的合金製成。
4.如權利要求1所述的輔助裝配座，其中所述第一和第二焊料層由從包括Cr、Ti、Pt、Au、Mo和Sn的組中選取的兩種或多種的合金製成。
5.一種半導體雷射二極體組件，包括一具有階梯狀第一和第二電極的半導體雷射二極體晶片以及一倒裝焊接到所述半導體雷射二極體晶片上的輔助裝配座，所述輔助裝配座包括一具有第一和第二表面的襯底，所述第一和第二表面隔開與所述第一和第二電極之間的高度差相當的階躍高度；第一和第二金屬層，分別形成於所述第一和第二表面上且厚度相同；以及第一和第二焊料層，分別形成於所述第一和第二金屬層上且厚度相同，並且分別焊接到所述第一和第二電極上。
6.一種輔助裝配座的製造方法，該輔助裝配座倒裝焊接到一具有階梯狀第一和第二電極的半導體雷射二極體晶片上，該方法包括(a)蝕刻一襯底，以便形成第一和第二表面，所述第一和第二表面隔開與所述第一和第二電極之間的高度差相當的階躍高度；(b)在所述第一和第二表面上沉積一金屬，以便形成厚度相同的第一和第二金屬層；以及(c)在所述第一和第二金屬層上沉積一焊料，以便形成將分別焊接到所述第一和第二電極上的、厚度相同的第一和第二焊料層。
7.如權利要求6所述的方法，其中在步驟(a)中，所述襯底被幹蝕刻。
8.如權利要求6所述的方法，其中所述襯底由AlN、SiC、GaN和具有與AlN、SiC和GaN其中之一的傳熱係數相當的傳熱係數的絕緣材料中的一種製成。
9.如權利要求6所述的方法，其中所述第一和第二金屬層由從包括Cr、Ti、Pt和Au的組中選取的兩種或多種的合金製成。
10.如權利要求6所述的方法，其中所述第一和第二焊料層由從包括Cr、Ti、Pt、Au、Mo和Sn的組中選取的兩種或多種的合金製成。
全文摘要
本發明提供一種半導體雷射二極體的輔助裝配座及其製造方法，該輔助裝配座倒裝焊接到一個具有階梯狀第一和第二電極的半導體雷射二極體晶片上。該輔助裝配座包括一個具有第一和第二表面的襯底，所述第一和第二表面隔開與所述第一和第二電極之間的高度差相當的階躍高度；第一和第二金屬層，分別形成於所述第一和第二表面上且厚度相同；以及第一和第二焊料層，分別形成於所述第一和第二金屬層上且厚度相同，並且分別焊接到所述第一和第二電極上。通過一個工序同時形成厚度相同的兩焊料層，由此具有相同的化學成分比，提供幾乎相同的熔融特性；可通過輔助裝配座有效地排放出在半導體雷射二極體晶片工作期間產生的熱量。
文檔編號H01S5/022GK1527448SQ20031012020
公開日2004年9月8日 申請日期2003年12月9日 優先權日2003年3月8日
發明者郭準燮, 蔡秀熙, 成演準 申請人:三星電子株式會社