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CN1299170A - 制造半导体激光器的方法及安装板和支撑板 - Google Patents

制造半导体激光器的方法及安装板和支撑板 Download PDF

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CN1299170A
CN1299170A CN00135381A CN00135381A CN1299170A CN 1299170 A CN1299170 A CN 1299170A CN 00135381 A CN00135381 A CN 00135381A CN 00135381 A CN00135381 A CN 00135381A CN 1299170 A CN1299170 A CN 1299170A
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semiconductor laser
supporting bracket
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CN00135381A
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小泽正文
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Abstract

一种能减少制造时间并避免由加热引起的性能变坏的制造半导体激光器的方法和用于该方法的安装板及支撑板。通过将激光器基片、辅助固定件和散热片层叠并将它们彼此粘接来形成半导体激光器。激光器基片具有在晶态衬底的同一面上形成p端电极和n端电极的结构。辅助固定件具有正面焊料膜和背面焊料膜的结构。对层叠的激光器基片、辅助固定件和散热片加热来熔化正面焊料膜和背面焊料膜,从而激光器基片、附加固定件和散热片彼此同时粘接。

Description

制造半导体激光器的方法及安装板和支撑板
本发明涉及制造半导体激光器的方法和用于所述制造半导体激光器的方法中的安装板和支撑板，所述半导体激光器包括激光器基片，在该基片中半导体层和各电极膜形成在衬底的同一面上。
最近几年中，已经研究出包括半导体激光器的半导体光发射装置，其中使用了诸如GaN的氮化物半导体作为短波长光的光源。通常，在使用氮化物半导体的半导体激光器的情况下，在由蓝宝石(Al2O3)制成的衬底上依次层叠由氮化物半导体制得的n型层、有源层和p型层。在半导体激光器的一对电极膜中，在所述半导体层最上层的n型层上形成p侧(p-side)电极，而在通过刻蚀p型层和有源层而露出的n型层上形成n侧电极。这里，衬底、半导体层、p端电极和n端电极合起来称为激光器基片。
通常，为了使半导体层有效地释放所产生的热，由具有较高导热性的金属制成的支撑板(也称为散热片)来支撑激光器基片。另外，在激光器基片和支撑板之间设置安装板(也称为辅助固定件)，安装板具有引线电极，后者在由绝缘材料制成的支撑体上。对于制造半导体激光器的传统方法而言，焊料将安装板粘接到支撑板上，然后，另外的焊料将安装板粘接到激光器基片。
可是，对于制造半导体激光器的这种传统方法，需要执行两个粘接处理步骤，这就产生了需要比较长的时间来制造半导体激光器的问题。另外，为了融化焊料，需要两个加热处理步骤，由于重复加热，引起半导体激光器性能变坏。
考虑到上述问题而产生了本发明。本发明的目的是提供一种制造半导体激光器的方法和安装板及支撑板，其中所述方法能够减少制造所需的时间并且消除由加热引起的性能变坏。
本发明的制造半导体激光器的方法包括将激光器基片、安装板和支撑板彼此同时粘接的步骤。
本发明的半导体激光器的安装板粘接到激光器基片上，其中在衬底上形成半导体层，为了应用，所述安装板包括支撑体和第一焊料膜及第二焊料膜，各焊料膜分别形成在所述支撑体的两个面上。
本发明的半导体激光器的支撑板支撑包括半导体层的激光器基片，中间具有预定的安装板，所述支撑板包括至少在所述支撑体的一个面上的焊料膜。
采用本发明的制造半导体激光器的方法，所述激光器基片、安装板和支撑板彼此同时粘接在一起，从而不需要两个粘接处理步骤。
采用本发明的半导体激光器的安装板，所述激光器基片设置在所述安装板的一个面上，而所述支撑板设置在所述安装板的另一个面上，这样，所述第一焊料膜将所述激光器基片粘接到所述安装板上，同时，所述第二焊料膜将所述安装板粘接到所述支撑板上。
采用本发明的半导体激光器的支撑板，所述安装板装在所述支撑板的一个面上，从而所述焊料膜将所述安装板粘接到所述支撑板上。
通过下面的描述，将更加充分地显示出本发明的其它目的、特征和优点。
图1是显示半导体光发射装置结构的透视图，其中使用了本发明实施例的半导体激光器；
图2是显示图1所示的半导体光发射装置中的半导体激光器结构的剖面图；
图3是显示图1所示的半导体激光器的激光器基片结构的剖面图；
图4是显示图2所示的半导体激光器的安装板结构的剖面图；
图5是显示图2所示的半导体激光器的支撑板结构的剖面图；
图6是说明在制造图2所示的半导体激光器的方法中的粘接处理过程的剖面图；和
图7是用于描述制造按照本发明实施例的改型的半导体激光器的方法的剖面图。
下文将参考附图来描述本发明的实施例。
[第一实施例]
图1示出半导体光发射装置100的一个例子，其中使用了按照第一实施例的半导体激光器1。半导体光发射装置100包括半导体激光器1和按预定形状覆盖半导体激光器1的封装10。封装10包括支撑盘11和连接到支撑盘11的柱形罩12。柱形罩12纵向上的一端被封闭但留有窗口12a，从半导体激光器1发射的激光束通过窗口12a射出封装10。柱形罩12由诸如铜(Cu)或铁(Fe)等金属制成，而窗口12a由透明玻璃或树脂制成。支撑盘11由诸如铜或铁等金属制成，并且半导体激光器1在支撑盘11的面(图1中正面)上形成。这里，半导体激光器1对应于本发明的“半导体激光器”的一个特定例子。
图2是半导体激光器1结构的剖面图。半导体激光器1包括：激光器基片20，它包括半导体层；辅助固定件30，激光器基片20安装在该辅助固定件30上；和散热片40，它支撑半导体激光器1和辅助固定件30。散热片40由高导热性金属制成并释放激光器基片20产生的热。辅助固定件30安装在激光器基片20和散热片40之间并具有引线电极层32和33，引线电极层32和33分别连接到后面将要描述的激光器基片20的电极2a和2b。这里，激光器基片20对应于本发明的“激光器基片”的一个特定例子。辅助固定件30对应于本发明的“安装板”的一个特定例子。散热片40对应于本发明的“支撑板”的一个例子。在稍后将描述的图2和图3到7中，强调激光器基片20、辅助固定件30和散热片40的厚度方向上的尺寸。
图3是显示图2所示的半导体激光器1的激光器基片20的结构的剖面图。激光器基片20包括由蓝宝石(Al2O3)制成的晶态衬底21。除蓝宝石外，晶态衬底21还可由尖晶石(MgAl2O4)、氮化镓(GaN)、硅(Si)或碳化硅(SiC)制成。在晶态衬底21的面上形成n型接触层22，后者由掺杂例如硅的n型杂质的n型GaN制成。例如，n型接触层22的厚度大约为4μm。在n型接触层22的面上形成n型覆盖层23，后者由掺杂例如硅的n型杂质的n型AlGaN制成。例如，n型覆盖层23的厚度大约为1.2μm。
在n型覆盖层23的面上形成有源层24，后者由InGaN制成。有源层24作为例如具有光阱层的所谓光发射层。在有源层24A的面上形成p型覆盖层25，后者由掺杂例如Mg的p型杂质的p型AlGaN制成。例如，p型覆盖层25的厚度大约为0.8μm。在p型覆盖层25的面上形成p型接触层26，后者由掺杂例如Mg的p型杂质的p型GaN制成。例如，p型接触层26的厚度大约为0.3μm。部分p型覆盖层25和p型覆盖层26被蚀刻。形成由诸如氧化硅或氧化铝(Al2O3)的绝缘膜制成的限制层27，后者夹在p型覆盖层25和p型接触层26当中。
在p型接触层26的面上形成p端电极2a。例如，通过从p型接触层26侧依次层叠镍(Ni)层和金(Au)层，然后进行加热来溶合成合金p端电极2a。对部分n型接触层22、n型覆盖层23、有源层24、p型覆盖层25和p型接触层26进行蚀刻，于是n型接触层22部分地露出。在n型接触层22的露出面上形成n端电极2b。例如，通过从n型接触层22侧依次层叠钛(Ti)层、铝(Al)层和金层，然后进行加热来溶合成合金n端电极2b。形成带状p端电极2a和n端电极2b，后者沿着垂直于图2纸张的方向延伸。例如，p端电极2a的面和n端电极2b的面之间的高度差大约为3.5μm。
这里，晶态衬底21对应于本发明的“衬底”的一个特定例子。包括限制层27的、从n型接触层22到p型接触层26的层叠对应于本发明的“半导体层”的一个特定例子。p端电极2a和n端电极2b对应于本发明的“一对电极膜”的一个特定例子。
以垂直于图3纸张的方向在激光器基片20的两端形成一对反射镜膜(未示出)。例如，这些反射镜膜具有交替地层叠二氧化硅膜和氧化锆(ZrO)膜的结构。一个反射镜膜的反射率比另一个反射镜膜的反射率低。通过在一对反射镜膜之间往复，在有源层24中产生的光被放大，并且从一个反射镜膜发射激光束形成的放大的光。
图4示出辅助固定件30的结构的剖面图。辅助固定件30具有这样的结构：在矩形板形状的支撑体31上形成引线电极层32及33和正面焊料膜3a及3b。支撑体31由诸如金刚石(C)、氧化铍(BeO)、钨铜合金(CuW)、氮化铝(AlN)、立方晶氮化硼(cBN)、硅(Si)或碳化硅(SiC)等具有高导热性的绝缘材料制成。例如，支撑体31厚200μm、宽(图中左右方向长度)0.6mm、深(图中深度方向的长度)1mm。
支撑体31具有平的顶面。在支撑体31的平顶面上形成例如厚10μm的一对引线电极层32和33。可以由金、金锡合金(AuSn)等来形成引线电极层32和33。引线电极层32和33可以具有从辅助固定件30一侧依次层叠钛层、铂层和金层的结构。如图1所示，引线电极层32和33分别经由导线W电连接到装在支撑盘11(图1)上的引脚17和18(图1)上。另外，引线电极层32和33之一经由引线电极(未出)电连接到背面焊料膜3c(图4)。左引线电极层32和右引线电极层相距大约50μm。这里，支撑体31对应于本发明的“支撑体”的一个特定例子。引线电极层32和33对应于本发明的“一对引线电极”的一个特定例子。
分别在辅助固定件30的引线电极层32和33的面上形成正面焊料膜3a和3b。正面焊料膜3a和3b由诸如锡(Sn)、金锡合金、锡铂合金(SnPt)、铟锡合金(InSn)和铟(In)的低熔点金属制成。图4中左边的正面焊料膜3a大约厚3.5μm，而图4中右边的正面焊料膜36大约厚7μm。即，正面焊料膜3a的面与正面焊料膜3b的面之间的高度差大约为3.5μm。这里，正面焊料膜3a和3b中的每一个都对应于本发明的“第一焊料膜”的一个特定例子。
在辅助固定件30的支撑体31的背面(与形成引线电极层32和33的面相反的面)形成背面焊料膜3c。背面焊料层3c由与正面焊料膜3a和3b相似的诸如锡的低熔点金属制成，并且背面焊料层3c的厚度大约为4μm。背面焊料膜3c设置辅助固定件30上，因为这比在诸如散热片40(图5)的结构上设置焊料容易。
图5是显示散热片40结构的剖面图。散热片40具有这样的结构：利用电镀法在由诸如铜的具有高导热性的金属制成的物体41的面上形成金层42。图5中的物体41为梯形，但也可以具有不同的形状。因为由锡等制成的背面焊料膜3c易于与金层42熔合，因此在散热片40上形成金层42。另外，金是稳定的金属，因而有害的氧化膜难以在金层42的面上形成。
[制造半导体激光器的方法]
下文将描述本实施例的制造半导体激光器的方法。
首先形成图3所示的激光器基片20。更具体地说，通过金属有机化学气相淀积(MOCVD)方法，在由例如蓝宝石制成的晶态衬底21的面上依次形成由n型GaN制成的n端接触层22、由n型AlGaN制成的n型覆盖层23、由GaIn-N制成的有源层24、由P型AlGaN制成的p型覆盖层25、和由p型GaN制成的p端接触层26。
在生成从n端接触层22到p端接触层26的各层后，利用光刻法部分地蚀刻p型接触层26和p型覆盖层25并在蚀刻的部分上形成限制层27，其中限制层27由例如绝缘材料制成。随后，选择性地去除p端接触层26、p型覆盖层25、有源层24、和n型覆盖层23来露出n端接触层22。其后，选择性地在n端接触层22的暴出区域上形成n端电极2b，并选择性地在p端接触层26上形成p端电极2a。
在形成p端电极2a和n端电极2b之后，按预定的宽度沿着垂直于p端电极2a长度方向的方向(垂直于图8纸张的方向)切割晶态衬底21。在那之后，分别在一对切割的半导体层的侧面上形成一对反射镜膜，然后按预定的宽度沿着平行于p端电极2a长度方向的方向切割晶态衬底21。这样形成激光器基片20。
下一步，形成图4中所示的辅助固定件30。更具体地说，在支撑体31的面上形成引线电极层32和33，其中支撑体31是通过电镀、喷镀、或淀积的方法而由例如金刚石、氧化铍、钨铜合金、氮化铝、立方氮化硼、硅(Si)或碳化硅制成。随后利用淀积的方法，在引线电极层32和33的面上形成低熔点金属制成的正面焊料膜3a和3b。利用淀积的方法，在支撑体31的背面形成低熔点金属制成的背面焊料膜3c。从而形成包括正面焊料膜3a及3b和背面焊料膜3c的辅助固定件30。
形成图5所示的散热片40。具体地说，例如利用电镀法，在金属制成的物体41的面上形成金层42。散热片40是与支撑盘11(图1)整体地形成的，或者预先安装到支撑盘11上。
如图6所示，将激光器基片20、辅助固定件30和散热片40装在一起。这时，因为在辅助固定件30的正面和背面形成正面焊料膜3a及3b和背面焊料膜3c，因而正面焊料膜3a及3b位于激光器基片20和辅助固定件30之间，而背面焊料膜3c位于辅助固定件30和散热片40之间。在这种情况下，将激光器基片20、辅助固定件30和散热片40层叠在一起，然后对它们加热和加压。例如，施加大约5g重的压力。激光器基片20每单位面积上施加的压力大约为1.2×10-4Pa。为了熔化正面焊料膜3a和3b及背面焊料膜3c，加热温度例如大约为280℃。为了避免焊料膜3a和3b的氧化，所述加热和加压处理过程最好在氮气(N2)、或氢气(H2)、或氮气和氢气的混合气体的环境中进行。
这样，如图2所示，正面焊料膜3a和3b将激光器基片20粘接到辅助固定件30上，而背面焊料膜3c将辅助固定件30粘接到散热片40上。激光器基片20的p端电极2a和n端电极2b分别电连接到辅助固定件30的引线电极层3a和3b。按照这种方式，激光器基片20、辅助固定件30和散热片40彼此同时粘接并变成一个整体。随后，辅助固定件30中的引线电极层32和33分别通过导线(未示出)连接到设置在支撑盘11(图1)中的引脚17和18上(图1)。这样制造出图1中所示的半导体光发射装置100。
[本实施例的效果]
下面将描述本实施例的效果。如图6所示，激光器基片20、辅助固定件30和散热片40彼此同时粘接，从而，与分开进行粘接激光器基片20和辅助固定件30的处理过程及粘接辅助固定件30和散热片40的处理过程的情况相比较，减少了制造过程所需的时间。另外，只进行一次加热，因此消除了由重复加热引起的激光器基片20的性能变坏。
由于在辅助固定件30的正面和背面设置正面焊料膜3a和3b及背面焊料膜3c，所以，只要对层叠的激光器基片20、辅助固定件30和散热片40加热和加压，激光器基片20、辅助固定件30和散热片40就变成一个整体，从而可以使制造过程变得容易。由于所有容易氧化的焊料膜(正面焊料膜3a和3b及背面焊料膜3c)都设置在辅助固定件30上，因而只需控制辅助固定件30不受氧化，这就简化了部件控制。
对于本实施例，在将激光器基片20、辅助固定件30和散热片40层叠在一起之后，在叠层结构上施加例如5g的压力。下面将描述施加压力的效果。当测量按照本实施例制造的半导体激光器1的热阻时，热阻为12K/W。即，每施加1W的热增加12K(绝对温度)。另一方面，以如下的方式来形成半导体激光器：在不用施加压力的情况下使激光器基片20、辅助固定件30和散热片40彼此粘接。测得的热阻为28K/W。从测量的结果来判断，与没有施加压力的情况相比较，对激光器基片20、辅助固定件30和散热片40施加压力得到较小的热阻(即，每施加一定的热量增加较小的温度)。象本实施例制造半导体激光器的方法所描述的那样，通过实现较小的热阻，半导体激光器的寿命变长并且某种性能长时间保持不变。
当测量按照本实施例制造的半导体激光器1的寿命和不施加压力制造的半导体激光器的寿命时，按照本实施例制造的半导体激光器1的寿命是不施加压力制造的半导体激光器的寿命的2.5倍。
[修改]
图7示出对本实施例的制造半导体激光器的方法的修改。对于所述修改，不是在辅助固定件30A的正面和背面形成焊料膜，而是在辅助固定件30A的一个面上和散热片40A的一个面上形成焊料膜。在此，用相同的标号来表示与第一实施例中相同的元件，并且，对这些元件的描述从略。
如图7所示，在辅助固定件30A的支撑体31的面(在引线电极层32和33)上形成正面焊料膜3a和3b，而不在辅助固定件30A的背面形成象第一实施例中那样的背面焊料膜3c(图4)。可是，在散热片40A的金层42的面上形成由诸如锡的低熔点金属制成的散热片侧焊料膜4A。激光器基片20的结构与第一实施例中的激光器基片20的结构相同。这里，散热片侧焊料膜4a对应于本发明的“第二焊料膜”的特定例子。
这样构成的激光器基片20、辅助固定件30A和散热片40A被层叠并象第一实施例那样被加热加压。因此，正面焊料膜3a将激光器基片20粘接到辅助固定件30A，而散热片侧焊料膜4a将辅助固定件30A粘接到散热片40A。这样，本修改与第一实施例相同，激光器基片20、辅助固定件30A和散热片40A彼此同时粘接，这减少了制造过程所需的时间。而且，在修改的例子中无需重复加热，由此消除了由加热引起的激光器基片20的性能变坏。
尽管是通过解释本发明的实施例和修改来描述本发明的，但本发明不限于所述实施例和修改，各种其它的修改也是可能的。例如对于第一实施例，在辅助固定件30的正面和背面形成正面焊料膜3a和3b及背面焊料膜3c。可是，可以采用箔的形状来形成正面焊料膜3a和3b及背面焊料膜3c，所述箔分别插在所述激光器基片和所述安装板之间及所述安装板和所述支撑板之间。除图1所示的半导体光发射装置100外，可能有各种结构的半导体光发射装置100。
如上所述，按照本发明制造半导体激光器的方法，激光器基片、安装板和支撑板彼此同时粘接在一起，因此，与粘接安装板和支撑板之后粘接激光器基片和安装板的情况相比较，可简化所述制造过程。另外，在粘接过程中加热时，不需要重复加热，从而消除了由加热引起的激光器基片的性能变坏。
按照本发明一个方面的制造半导体激光器的方法，在激光器基片和安装板之间设置第一焊料膜，而在安装板和支撑板之间设置第二焊料膜。这样，通过简单的方法，激光器基片、安装板和支撑板彼此同时粘接在一起。
按照本发明的半导体激光器的安装板，在安装板的两个面上分别形成第一焊料膜和第二焊料膜，使得易于通过将激光器基片置于安装板的一个面上而将支撑板置于安装板的另一个面上来形成半导体激光器。
按照本发明的半导体激光器的支撑板，至少在支撑板的一个面上形成焊料膜，从而易于通过将安装板置于支撑板上、而将激光器基片置于安装板上、然后施加必要的热和压力，来形成半导体激光器。
显然，按照上述说明，可能有对本发明的许多修改和变化。因此应该理解：在后附权利要求书的范围内，可以不象特别描述的那样来实施本发明。

Claims (17)

1．一种制造半导体激光器件的方法，
所述半导体激光器件包括：激光器基片，其中在衬底上形成半导体层；支撑板，它支撑所述激光器基片；和安装板，它装在所述激光器基片和所述支撑板之间，
所述方法包括所述激光器基片、所述安装板和所述支撑板彼此同时粘接的步骤。
2．按照权利要求1的制造半导体激光器件的方法，其特征在于：在所述粘接步骤中，在所述激光器基片和所述安装板之间设置第一焊料膜，并且在所述安装板和所述支撑板之间设置第二焊料膜。
3．按照权利要求2的制造半导体激光器件的方法，其特征在于：所述粘接步骤包括为熔化所述第一焊料膜和所述第二焊料膜而对所述层叠的激光器基片、所述安装板和所述支撑板加热的步骤。
4．按照权利要求3的制造半导体激光器件的方法，其特征在于：在所述加热步骤中，对所述层叠的激光器基片、所述安装板和所述支撑板加压。
5．按照权利要求2的制造半导体激光器件的方法，其特征在于：所述第一焊料膜和所述第二焊料膜分别形成在所述安装板的两个面上。
6．按照权利要求2的制造半导体激光器件的方法，其特征在于：所述第一焊料膜形成在所述安装板的面上，而所述第二焊料膜形成在所述支撑板的面上。
7．按照权利要求2的制造半导体激光器件的方法，其特征在于：所述第一焊料膜和所述第二焊料膜由相同的材料制成。
8．按照权利要求1的制造半导体激光器件的方法，其特征在于：在所述粘接步骤中，所述激光器基片的形成所述半导体层的面粘接到所述安装板上。
9．按照权利要求8的制造半导体激光器件的方法，其特征在于：在所述激光器基片的形成所述半导体层的面上形成一对电极膜。
10．按照权利要求9的制造半导体激光器件的方法，其特征在于：在所述安装板中粘接所述激光器基片的面上形成一对引线电极，所述一对引线电极连接到所述一对电极膜。
11．按照权利要求1的制造半导体激光器件的方法，其特征在于：在所述激光器基片中，所述半导体层包括由氮化物半导体制成的半导体层。
12．一种粘接到用于半导体激光器件的激光器基片上的安装板，所述激光器基片包括衬底上的半导体层，所述安装板包括具有两个面的支撑体，和
第一焊料膜和第二焊料膜，所述两个焊料膜分别形成在所述支撑体的所述两个面上。
13．按照权利要求12的安装板，其特征在于：所述支撑体用绝缘材料制成。
14．按照权利要求12的安装板，其特征在于还包括一对引线电极，后者连接到形成在所述激光器基片上的一对电极。
15．按照权利要求14的安装板，其特征在于：在所述引线电极对的面上形成所述第一焊料膜。
16．一种在半导体激光器件中支撑激光器基片的支撑板，在所述激光器基片和所述支撑板之间具有预定的安装板，所述激光器基片包括半导体层，所述支撑板至少在物体的一个面上具有焊料膜。
17．按照权利要求16的支撑板，其特征在于：所述支撑板由金属制成。
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