氮化物半导体发光器件及其制造方法
专利名称：氮化物半导体发光器件及其制造方法
技术领域：
本发明涉及即使在高输出下使用仍具有高可靠性和长寿命的氮化物基半导体发光器件及其制造方法。
背景技术：
近年来，使用氮化物基半导体作为用于半导体发光器件的发光二极管(LED)、半导体激光器等的短波发光元件的材料已经得到发展。此处使用的半导体发光器件指的是发光元件芯片，诸如LED芯片，或半导体激光器芯片，其集成安装在作为热沉的支撑基座的安装部件上。例如，安装在安装部件上的半导体激光器芯片被称作半导体激光器件。对于LED芯片，已经实际使用了氮化物基半导体。然而，在将氮化物基半导体用于半导体激光器芯片时，必须要解决如何改善可靠性和高温性能、如何提供高输出等问题。半导体激光器件需要高度有效的散热从而防止由于工作中温度升高而导致发光部分劣化。因此，将半导体激光器芯片安装在支撑基座上从而获得高热导率是十分关键的。
安装的方法可以粗略地分为两类结在上法(junction-up method)，借助该方法，通过使芯片的衬底侧面对支撑基座而将其上形成有叠层体的芯片设置在支撑基座上；以及结在下法(junction-down method)，借助该方法，通过使芯片的生长层侧面对支撑基座而将其上形成有叠层体的芯片设置在支撑基座上。结在下结构在散热效率方面出色，因为产生大量热的有源层与支撑基座之间的距离短。然而，其安装过程难于执行，由此导致产量降低。相比之下，结在上结构通过相对容易的安装工艺获得，因为通过使形成在衬底背面的电极结构面对次底座(submount)，芯片被安装在次底座上，随后被安装在管座(stem)上。然而，其散热效率较低，因为有源层与支撑基座之间的距离较大。因此，在半导体激光器的输出增大时，由有源层产生的热量增大，这对于可靠性和寿命产生不利影响。为确保发光元件的散热性能和电流电压特性，需要选择适用于诸如次底座、管座或焊料材料的安装部件、以及n型电极材料的材料。然而，具有优异散热性质且不对发光元件的性能产生负面影响的安装部件和安装结构尚未开发出来，由此仍未实现足够的可靠性和寿命。
对于改善使用导电衬底的半导体发光器件中电极性能的方法，例如提出了一种制造半导体发光器件的方法，该半导体发光器件具有支撑基座和半导体发光元件，而该半导体发光元件具有设置在GaN衬底上的氮化物基半导体的叠层体并安装在支撑基座之上，该方法包括步骤在GaN衬底的与叠层体侧背对的一侧上设置由可以与GaN衬底形成欧姆接触的材料制成并作为N型电极的第一金属膜、由具有高熔点的金属制成并作为阻挡层的第二金属膜、以及由可以轻易与焊料混合的材料制成的第三层；以及在第三金属层与支撑基座之间设置焊料(专利文献1)。在此方法中，电极可以与GaN衬底形成良好欧姆接触，由此可以改善电极的性能。然而，对于在半导体发光器件在高输出下使用时由半导体发光元件产生的热而言，其散热性能不足，由此不能获得令人满意的可靠性和寿命。
还提出了一种制造半导体发光器件的方法，使得当自衬底上形成的有氮化物基化合物半导体的功能层观察时，半导体发光元件芯片的主表面在衬底侧被形成为弯曲的，特别是凸出的(专利文献2)。在此方法中，次品率可以通过使半导体发光元件芯片的表面具有一定的形状而降低。然而，对于在半导体发光器件在高输出下使用时由半导体发光元件芯片产生的热而言，其散热性能不足，由此无法获得令人满意的寿命。
专利文献1日本专利公开No.2002-134822专利文献2日本专利公开No.2003-31895发明内容本发明的目的在于提供一种氮化物基半导体发光器件，其可以解决上述问题且具有出色的可靠性和长寿命，即使其在高输出下使用，以及提供制造该器件的方法。
本发明为一种氮化物基半导体发光器件、及其制造方法，该器件的特征在于其中氮化物基半导体层和第一电极顺序形成在导电衬底的一表面上且导电类型与第一电极不同的第二电极形成在导电衬底的背面的氮化物基半导体发光元件芯片通过使其第二电极侧面对次底座并使第一焊料材料置于其间而安装在次底座上；以及其上安装有该氮化物基半导体发光元件芯片的该次底座通过使第二焊料材料置于其与管座之间而安装在管座上。
在本发明中，半导体发光器件涉及集成安装在作为热沉的支撑基座的安装部件上的发光元件芯片，例如LED芯片或半导体激光元件芯片。例如，安装在安装部件上的半导体激光元件芯片被称作半导体激光器件。安装部件表示其上将直接安装半导体发光元件芯片的部件，并且涉及例如次底座；管座，若半导体发光元件芯片直接安装在支撑基座上而不使用次底座时；框架；或封装。第一电极和第二电极具有不同的导电类型，包括第一电极为p型且第二电极为n型的情形、以及第一电极为n型且第二电极为p型的情形。通过将氮化物基半导体发光元件芯片安装在次底座上再安装在管座上，从而提供高安装强度和相对于有源层及其附近产生的热的优异散热效率，根据本发明的氮化物基半导体发光器件可以确保高可靠性和长寿命。
在本发明中，通过提供在氮化物基半导体发光元件芯片与安装部件之间具有高粘合强度的安装结构和优异的散热性能，可以制造即使在高输出下工作仍具有出色可靠性和长寿命的氮化物基半导体发光器件。
图1为根据本发明一实施例的半导体激光器件的截面图；图2为根据本发明一实施例的半导体激光器件的示意透视图；图3为示出该半导体激光器件中激光元件的结构的截面图；以及图4为示出该半导体激光器件的激光器结构的截面图。
附图标记说明101半导体激光元件芯片，102第一焊料材料，103次底座，104第二焊料材料，105管座，106引脚，107引线，108整个管座，201导电衬底，202n型GaN层，203n型包层，204n型光导层，205有源层，206载流子阻挡层，207 p型光导层，208 p型包层，209 p型接触层，210 SiO2膜，211第一电极，212第二电极。
具体实施例方式
现在将通过以半导体激光器件为例介绍根据本发明的氮化物基半导体发光器件的示例性构造。在半导体激光器件的以下介绍的某些部分中，电极的导电类型被限定为p型或n型。然而，这样的介绍仅是为了提供便于理解本发明的实施例，不应限于其导电类型。
如图1和2所示，氮化物基半导体激光元件芯片101通过使第二电极212面对次底座103并使第一焊料材料102置于其间而安装在次底座103上，其中氮化物基半导体层和第一电极211顺序形成在导电衬底的表面上，且第二电极212形成在导电衬底的背面上。通过使其次底座侧面对作为支撑基座的管座105并使第二焊料材料104置于其间，次底座进一步被安装在管座105上。另外，管座的引脚106经引线107电连接于第一电极211，从而形成半导体激光器件。接下来，将介绍本发明的呈半导体激光器件形式的实施例，其作为根据本发明的氮化物基半导体发光器件的示例。
<半导体激光元件芯片的制造>
图3中，最初，通过诸如MOCVD法的一般用于制造半导体元件的方法，顺序层叠例如n型GaN层202、n型包层203、n型光导层204、有源层205、载流子阻挡层206、p型光导层207、p型包层208、以及p型接触层209，从而在导电衬底201上形成氮化物基半导体层，从而获得其上设置有氮化物基半导体层的激光元件结构。
在本发明中，导电衬底用作衬底。借助导电衬底的使用，氮化物基半导体层中的有源层及其附近处产生的热经该衬底有效地向安装部件散发。对于用于本发明的导电衬底，优选具有高热导率的材料。例如，通常用于生长氮化物基半导体层的衬底的蓝宝石由于其热导率低而不是优选的。生长在导电衬底上的氮化物基半导体层具有约几个微米的厚度，而导电衬底即使在被研磨和抛光后仍具有几百微米的厚度。因此，若导电衬底具有较差的热导率，则经衬底从氮化物基半导体层至安装部件的热传播的效率下降，导致半导体激光元件的散热效率降低。
具有高热导率的导电衬底的示例包括氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)、氧化锌(ZnO)、及其它。其中，可以优选使用GaN等制成的氮化物基半导体衬底。在此情况下，可以有效散热。另外，与蓝宝石相比，氮化物基半导体衬底具有与生长层的晶格常数区别更小的晶格常数，这可以改善生长层的结晶性，由此改善元件的性能和可靠性。另外，若用蓝宝石形成衬底，例如，元件不可避免地构造成为具有横向结构，其中n型电极和p型电极设置在其顶面上，因为蓝宝石为非导体。相比之下，通过氮化物基半导体衬底的使用，元件可以构造成为具有如本发明中那样的垂直结构，因为氮化物基半导体衬底可以通过掺杂而制成导电的。因此，可以简化元件形成工艺。
下面将介绍制造半导体激光器件的方法。图4中，第一电极211形成在氮化物基半导体层上，第二电极212形成在衬底的背面，从而制得激光器结构。p型接触层209通过干法蚀刻等被蚀刻至p型包层208中，使得留下具有例如2μm宽度的其条状部分，从而形成光波导。然后，SiO2膜210被蒸镀于其上作为绝缘层。在去除脊上的SiO2后，顺序层叠例如Pd、Mo和Au，从而在p型接触层209处形成第一电极211。作为对Pd和Mo叠层结构的替代，可以使用由Pd、Co、Cu、Ag、Ir、Sc、Au、Cr、Mo、La、W、Al、Tl、Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Tb、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Pt和Ni中的至少一种的单质或化合物形成的层。作为对Au层的替代，可以使用由Au、Ni、Ag、Ga、In、Sn、Pb、Sb、Zn、Si、Ge和Al中的至少一种的单质或化合物形成的层。
接着，第一电极可以通过电极合金化来被合金化。通过合金化，可以形成具有良好欧姆性质的电极。
其后，研磨并抛光导电衬底201。研磨是将制得的半导体激光元件分成单独的芯片所需的工艺。通过研磨衬底并减小其厚度，制得的半导体激光元件可以轻易地分为芯片。抛光是去除研磨中在衬底背面上产生的大量划痕并将其平整化所需的工艺。若衬底的背面未经抛光并将电极形成于其上，则附着强度降低，导致电极剥落等。
研磨可以通过利用研磨机研磨导电衬底的背面至约200μm来进行。抛光可以通过用金刚石浆料等平整化衬底的背面并用砂布和诸如氧化铝的研磨剂对其进行磨光使得抛光表面达到镜面光滑状态来进行。
对于抛光后的导电衬底的背面，优选通过诸如干法蚀刻的预处理来去除保留于其上的损伤层，并随后在其上形成第二电极。通过如此，可以形成具有良好欧姆性质的电极。对于干法蚀刻的条件，可以应用例如通过RIE工艺和其它工艺将导电衬底的表面蚀刻掉0.1至3.0μm的方法，RIE工艺中，诸如氯的卤素用作反应气体。特别地，若导电衬底的表面被蚀刻掉0.5至3.0μm，则可以完全去除其上的损伤层，且衬底不会具有RIE处理导致的表面粗糙。通过去除损伤层，可以形成衬底与电极间的良好欧姆接触。此处，使用氯气作为反应气体是特别优选的，因为氯气具有改性导电衬底的表面从而改善其电导率的效果。
在以这样的方式平整过的导电衬底的背面上，形成第二电极212。第二电极优选具有通过多个金属层形成的电极结构。若元件具有如根据本发明的氮化物基半导体发光器件中那样的垂直结构，且第二电极形成在导电衬底的背面上，则电极需要具有出色的欧姆性质以及出色的与安装部件的附着性。因此，使电极具有叠层结构，该叠层结构由例如以下层构成第一层，用作提供欧姆性质的金属；第二层，用作设置在第一层与第三层之间以防止此两层中的金属混合的阻挡金属；以及用作粘接金属的第三层，从而可以获得具有令人满意的欧姆性质以及令人满意的安装性质的电极。上述每一层可以由单层或多层形成。具有其它功能的层可以进一步包括在以上每一层中，只要该每一层具有上述功能。
第一层起到用于为电极提供良好欧姆性质的层的作用，并使其具有叠层结构，其包括将Hf、Co、Cu、Ag、Ir、Sc、Au、Cr、Mo、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Tb、Zr、Ti、V、Nb、Ta和Pt中的至少一种作为单质或化合物使用的层、以及将Al、Au、Ni、Ag、Ga、In、Sn、Pb、Sb、Zn、Si和Ge中的至少一种作为单质或化合物使用的层。特别地，若该叠层结构包括从Ti、Hf和Al中选取的两种或更多种金属，则可以提供优异的欧姆特性，且更加优选使用HfAl。对于HfAl，通过顺序形成Hf和Al并且随后借助电极合金化将其合金化，可以形成良好的欧姆接触。在此情况下，对于Hf和Al而言优选的是分别具有1至30nm和30至500nm的厚度，因为在衬底与电极之间的界面处提供了高的接合强度。除使用Hf和Al的方法外，可以使用利用含Hf、Al和GaN等的化合物的由单层形成的结构或由两层或更多层形成的叠层结构的方法。电极合金化可以在450至700℃的温度条件下，特别是500℃，在真空或诸如N2的不活泼气体中进行。
第二层起阻挡金属的作用，第三层充当用于以获得高附着性的方式将提供良好欧姆性质的电极金属粘接至次底座的层。对于第二层，优选使用由Mo和Pt制成的双层结构。对于第三层，优选使用Au。
第二层充当阻挡层，其具有防止由第一层与第三层之间的接触和这些层的合金化导致的欧姆性质的退化的作用。第二层优选具有由Mo和Pt按此顺序形成的叠层结构。由于Mo是具有高熔点的金属，所以其不易扩散。因此，Mo提供了防止第一层中的Al和第三层中的Au因其间的接触导致的合金化的效果。少量的Pt可以扩散到Mo中，且进入第三层中的Au内，其具有改善第一层与第二层之间和第二层与第三层之间的附着强度的效果。
优选地，Mo具有5nm至100nm的厚度，因为其它金属不能扩散到Mo层中。
对于第三层，优选使用具有与焊料材料的高亲和性的Au。由于Au的使用允许半导体激光元件以获得高附着性的方式安装于次底座上，所以可以有效防止电极的剥落。若Au具有50至750nm的厚度，尤其是100至500nm，则其以有利的方式充当粘接层。
为形成第二导电类型的电极，优选可以使用EB蒸镀法。或者，这样的电极可以通过例如溅镀形成。
激光器的端面可以通过设置谐振腔长度为例如300至1500μm借助所形成的激光器结构中的解理来制成。形成激光器的端面的方法不限于解理。通过包括蚀刻等的任何已知的方法，获得其上设置有多个半导体激光元件的条状部件。
该部件通过诸如划片方法、切片法、以及激光划片法的公知方法分为半导体激光元件芯片。在划片法中，例如，划线从导电衬底的背面侧形成，且导电衬底沿该划线被分开。如此，完成半导体激光元件芯片。
<安装>
安装通过两个工序进行，包括用于在次底座上安装半导体激光元件芯片的次安装工序、以及用于进一步在管座上安装次底座的安装工序，从而制得半导体激光器件。在本发明中，安装结构优选使用次底座，因为产生在半导体激光元件处的热被有效去除从而确保可靠性。在此情况下，在半导体激光元件的有源层及其周边处产生的热被传输至导电衬底。由于通过使焊料材料置于其间，导电衬底安装在由具有高热导率的材料制成的次底座上，所以传输至导电衬底的热经焊料材料有效传输至次底座。
次底座的材料优选具有比导电衬底的热导率更高的热导率。由此来看，可以优选使用AlN。可以使用诸如单晶、多晶或非晶态的AlN的任何状态，只要AlN具有足够强度，且AlN可以具有约100至750μm的厚度。
在次安装工序和安装工序中，焊料材料用于将半导体激光元件芯片接合在次底座上，将次底座接合在管座上。此处，焊料材料是用于接合的合金或单质金属。接合方法无具体限定，可通过如下的所谓芯片焊接来进行在次安装工序中，例如焊料材料事先设置在次底座上，且半导体激光元件芯片放置在焊料的预定位置。其后，加热次底座从而熔化焊料材料。在此状态下，向半导体激光元件芯片施加压力从而将其接合于次底座，随后通过降低温度使焊料材料凝固。根据该方法，半导体激光元件芯片可以按照获得高热导率的方式接合于次底座。而且在安装工序中，接合可以利用与次安装工序的方法类似的方法来进行。
参照图1，在次底座103的预定位置，第一焊料材料102起初形成为具有约3μm的厚度。半导体激光元件芯片101通过使其第二电极212侧面对第一焊料材料102而设置在第一焊料材料102上。次底座103被加热至等于或高于第一焊料材料102的熔点的温度，从而熔化焊料材料，使得半导体激光元件芯片101接合于次底座103。温度降低从而使第一焊料材料102凝固。
第二焊料材料104随后形成在管座105的预定位置处。
通过使其次底座侧面对第二焊料材料104，其上如上所述地形成有半导体激光元件的次底座103设置在第二焊料材料104上。次底座103被加热至等于或高于第二焊料材料104的熔点的温度，从而熔化第二焊料材料104，使得次底座103接合于管座105。温度降低，从而使焊接剂凝固。
对于第一焊料材料，可以使用Au0.8Sn0.2。除AuSn外，可以使用SnSb、SnAg、SnAgCu、InSn、InAg、In等。若使用AuSn，可以明显增大AlN次底座与半导体激光元件芯片之间的附着力。
对于第二焊料材料，优选使用能够牢固接合AlN次底座至管座上的材料。例如，优选可以使用包括SnAgCu、AuSn、SnSb、SnAg、SnSn、InSn、InAg、Sn和In中的至少一种的材料。特别地，优选可以使用SnAg0.03Cu0.005和In。
从安装强度的角度来看，优选的是，第二焊料材料具有近似等于或低于第一焊料材料的熔点。
通过使用各种已知的方法，其它层可以置于次底座与焊料材料之间、以及管座与焊料材料之间。置于其间的层的示例包括用于改善次底座或管座与焊料材料之间的附着力的层、用于抑制次底座或管座与焊料材料之间的反应的层等。这些层可以是单层或由多个层形成的叠层结构。
<接合>
其后，通过引线107将引脚106连接于半导体激光元件芯片的第一电极211，使得半导体激光元件芯片电连接于管座。对于引线107，优选使用由Au制成的细引线，并利用引线接合装置进行接合。最后，将盖子附着在管座上，优选在其内封入诸如氮气的不活泼气体从而抑制元件性能的下降。
利用上述方法，完成了作为本发明示例的半导体激光器件。现在将介绍制造半导体激光器件的本发明的实施例。
(第一实施例)<半导体激光元件芯片的制造>
将作为导电衬底201的GaN衬底引入MOCVD装置，其中使N2和氨气(NH3)分别以5L/分钟的流速流过，并且将温度升高至1050℃。在升温后，H2用作N2的替代作为载气。三甲基镓(TMG)和硅烷(SiH4)分别以100μmol/分钟和10nmol/分钟的流速引入，从而生长厚度为4μm的n型GaN层202。其后，将TMG的流速调整至50μmol/分钟，并将三甲基铝(TMA)以40μmol/分钟的流速引入，从而生长作为n型包层203的Al0.1Ga0.9N，使其具有0.5μm的厚度。生长Al0.1Ga0.9N后，停止TMA的供给，并且将TMG的流速调整至100μmol/分钟，从而生长作为n型光导层204的GaN，使其具有0.1μm的厚度。之后，停止TMG和SiH4的供给。N2再次被用作H2的替代作为载气，并将温度下降至700℃。分别以10μmol/分钟和15μmol/分钟的流速引入作为铟的原料的三甲基铟(TMI)和TMG，从而生长由In0.05Ga0.95N制成的垒层，使其具有4nm的厚度。其后，增大TMI的供给至50μmol/分钟，从而生长由厚度为2nm的In0.2Ga0.8N制成的阱层。以与上述类似的方法生长总计三层阱层，从而生长具有多重量子阱(MQW)结构的有源层205，其中三层阱层中的每一层被总计四层垒层中的两层夹持。在完全生长MQW后，停止TMI和TMG的供给并再次将温度升高至1050℃。H2再次作为N2的替代作为载气，然后以分别为50μmol/分钟、30μmol/分钟、以及10nmol/分钟的流速引入TMG、TMA、以及作为p型掺杂的原料的双环戊二烯镁(Cp2Mg)，从而生长作为p型载流子阻挡层206的Al0.2Ga0.8N，使其具有20nm的厚度。在完全生长了载流子阻挡层后，停止TMA的供给并调整TMG的供给至100μmol/分钟，从而生长作为p型光导层207的GaN，使其具有0.1μm的厚度。之后，调整TMG的供给至50μmol/分钟并以40μmol/分钟的流速引入TMA，从而生长作为p型包层208的Al0.1Ga0.9N至具有0.4μm的厚度。最后，TMG的供给被调整至100μmol/分钟且停止TMA的供给，使得作为p型接触层209的GaN被生长为具有0.1μm的厚度。然后，停止TMG和Cp2Mg的供给并降低温度。在室温下从MOCVD装置中取出衬底，激光元件结构被完成。
从MOCVD装置取出的激光元件结构用于制造激光器结构。首先，利用干法蚀刻装置蚀刻p型接触层209至p型包层208中，使得留下宽度为2μm的其条状部分，从而形成光波导。作为绝缘膜的SiO2膜210随后被蒸镀于其上。在去除脊上的SiO2后，将Pd、Mo和Au顺序蒸镀到p型接触层209上，使其分别具有15nm、15nm和200nm的厚度，从而形成作为第一电极211的p型电极。制造p型电极后，在真空中500℃下对其进行电极合金化10分钟。
随后研磨和抛光作为导电衬底201的GaN衬底。起初，使用研磨机研磨GaN衬底的背面，至近似200μm的厚度。GaN衬底的研磨过的背面随后用金刚石浆料平整化，并通过使用砂布和作为研磨剂的氧化铝对其进行磨光，从而使其表面达到镜面光滑的状态。
另外，在GaN衬底的背面上进行使用氯等离子体的RIE处理。RIE处理在压强为45mtorr且氯气的流速为80ccm的条件下进行。GaN衬底的背面的抛光面在深度上被干法蚀刻掉约1μm。
作为第二电极212的n型电极随后形成在GaN衬底的背面上。使用EB蒸镀装置来形成该电极。起初，为了形成欧姆层，蒸镀Hf和随后的Al至分别具有5nm和150nm的厚度，并在真空中500℃下对其进行电极合金化3分钟，使得电极的金属和GaN衬底被部分地合金化而成为第一层。在第一层上，顺序层叠Mo和Pt至分别具有30nm和15nm的厚度，从而形成作为第二层的阻挡金属层。此外，在第二层上，蒸镀Au至具有250nm的厚度，从而形成作为第三层的粘接金属层。
利用上述方法，制造出其中半导体激光元件安装在GaN衬底上的激光器结构。激光器结构随后通过划片法被分为多个芯片。通过自GaN衬底的背面侧形成划线并向衬底施加力，半导体激光元件沿划线分开成为独立的半导体激光元件芯片。
<安装>
随后将半导体激光元件芯片安装在支撑基座上。安装通过两个工序进行，包括用于将半导体激光元件芯片安装在次底座上的次安装工序、以及用于将次底座设置在用作支撑基座的管座上的安装工序。
在次安装工序中，在AlN制成的次底座103的预定位置处，作为第一焊料材料102的Au0.8Sn0.2焊料通过EB蒸镀法形成至具有3μm的厚度。通过使第二电极212面对Au0.8Sn0.2焊料，半导体激光元件芯片按照对准的方式设置在Au0.8Sn0.2焊料上。在此状态下，将次底座加热至300℃，从而熔化第一焊料材料。向半导体激光元件芯片施加压力从而将其粘接并固定于次底座上。其后，降低温度从而使第一焊料材料凝固，完成次安装工序。
在安装工序中，将次底座103接合于作为半导体器件的支撑基座的管座105上。起初，将具有箔状形状且厚度为约10μm的SnAg0.03Cu0.005焊料设置在管座的预定位置处，从而作为第二焊料材料104。在SnAg0.03Cu0.005焊料上，通过使次底座面对SnAg0.03Cu0.005焊料，其上安装有半导体激光元件芯片的次底座按照对准的方式设置。随后升高温度至300℃从而熔化SnAg0.03Cu0.005焊料。向半导体激光元件芯片安装于其上的次底座上施加压力，从而将次底座粘接于管座。最后，降低温度从而使SnAgCu焊料凝固，完成安装工序。
利用上述方法，可以安装AlN次底座和半导体激光元件芯片于管座的预定位置上。
<接合>
由Au细引线制成的p型电极引线用作引线107。管座的引脚106通过引线焊接装置连接于第一电极211。最后，盖子连接于管座，氮气封闭于其中。利用上述方法，完成半导体激光器件。
<性能评估>
对于根据第一实施例的方法通过分割安装在相同晶片上的半导体激光元件获得的五十个半导体激光元件芯片，比较安装前后的阈值电流。为了比较，对于五十个半导体激光元件芯片，计算了安装前阈值电流值的平均值和安装后阈值电流值的平均值。对于安装后的阈值电流值，由于初期故障而具有极差元件性能的两个半导体激光元件芯片的值从平均值计算中排除。元件性能涉及阈值电流、以及30mW下的驱动电流和驱动电压。
安装前后的半导体激光元件芯片的平均阈值电流值分别为41mA和37mA，表明阈值电流在安装后稍微下降。可见，通过安装半导体激光元件芯片在支撑基座上，由半导体激光元件产生的热更加有效地散发，并且由此降低了阈值电流。除受初期故障影响的两个半导体激光元件芯片以外，四十八个芯片未表现出元件性能的下降，这使得安装在支撑基座上的芯片具有高产率。
制得的半导体激光器件随后被引入老化装置并进行寿命测试。在寿命测试中，在60℃的环境温度下和30mW的输出下驱动电流增大为1.5倍所需的时间作为寿命。经历寿命测试的四十八个半导体激光器件中的四个发生故障，其似乎是原始劣化。除表现出原始劣化的半导体激光器件外，在1000小时的寿命测试期间没有驱动电流增大为1.5倍的半导体激光器件。可见，60℃和30mW下的寿命至少为1000小时。
(第二实施例)在此实施例中，作为第二焊料材料104的SnAg0.03Cu0.005被预先转移到管座。
开始，根据第一实施例的方法进行将半导体激光元件芯片安装在次底座上的次安装步骤。然后，半导体激光元件芯片安装于其上的次底座103安装在管座105上。此时，作为第二焊料材料104的SnAgCu已经预先转移到管座上。将SnAg0.03Cu0.005转移到管座的方法如下进行首先制备具有约500nm长度和约500μm宽度的特氟隆(Teflon(R))带。然后，在Teflon(R)带上蒸镀SnAg0.03Cu0.005至具有约8μm的厚度。其后，其上附着了SnAg0.03Cu0.005焊料的Teflon(R)带与管座105对准。对准后，约80kHz的超声振动经过Teflon(R)带作用到该焊料上，这使得可以将500μm长、500μm宽和10μm厚的SnAg0.03Cu0.005焊料转移到管座105上。
然后，次底座103连接于管座105。通过使次底座面对SnAg0.03Cu0.005焊料，以对准的方式将其上安装有半导体激光元件芯片的次底座设置在转移的SnAg0.03Cu0.005焊料上。接着，温度升高至300℃，从而熔化SnAg0.03Cu0.005焊料，并且向其上安装有半导体激光元件芯片的次底座施加压力，从而将次底座粘接于管座。最后，降低温度从而固化SnAg0.03Cu0.005焊料，完成安装工序。
利用上述方法，AlN制成的次底座103、以及半导体激光元件芯片101安装在管座105的预定位置上，随后如第一实施例中地进行接合，从而完成半导体激光器件。
对于通过上述方法获得的半导体激光器件，如第一实施例中那样评价其性能。
结果表明，尽管五十个半导体激光元件芯片中的三个出现故障，但剩余的四十七个半导体激光元件芯片在安装前后分别具有43mA和40mA的阈值电流。因此，可见安装后的性能良好。
在上述四十七个无故障的半导体激光元件芯片分别安装于其上的四十七个半导体激光器件的寿命测试中，四个半导体激光器件表现出由于原始劣化导致的故障。然而，剩余四十三个器件中没有一个显示出驱动电流在1000小时后超过初始驱动电流的1.5倍。因此，可见，该器件具有至少1000小时的寿命。
(第三实施例)在本实施例中，In用作第二焊料材料，且In转移到管座上。
根据第一实施例中的方法，进行将半导体激光元件芯片101设置到次底座103上的次安装工序。半导体激光元件芯片安装于其上的次底座随后被安装在管座105上。此时，In已经预先转移到管座上。下面介绍将In转移到管座上的方法。
制备500nm长和500μm宽的Teflon(R)带。In蒸镀到Teflon(R)带上，从而具有约10μm的厚度。其后，其上附着有In焊料的Teflon(R)带与管座105对准。完成对准后，约80kHz的超声振动经过Teflon(R)带施加到焊料上，从而将500μm长、500μm宽和10μm厚的In焊料转移到管座。
次底座103随后接合于管座105。通过使次底座面对In焊料，以对准的方式将半导体激光元件芯片101安装于其上的次底座设置在转移的In焊料上。接着，温度升高至300℃，从而熔化In焊料。向其上安装有半导体激光元件芯片的次底座施加压力，从而将次底座接合于管座。最后，降低温度从而凝固In焊料，完成安装工序。
利用上述方法，AlN次底座和半导体激光元件芯片安装在管座的预定位置上。之后，如第一实施例中那样进行接合，从而完成半导体激光器件。
对于通过上述方法获得的半导体激光器件，按照与第一实施例的类似的方法评价其性能。
在安装五十个半导体激光元件芯片时，其中的三个具有由于初期故障而导致的性能下降。剩余的四十七个半导体激光元件芯片在安装前后分别具有42mA和39mA的阈值。
对于上述四十七个半导体激光元件芯片分别安装于其上的半导体激光器件的寿命测试，四个器件表现出由于原始劣化导致的故障。剩余四十三个器件中没有一个显示出1000小时后驱动电流超过初始驱动电流的1.5倍。因此，可见器件具有至少1000小时的寿命。
尽管已经详细地介绍和示出了本发明，但应清楚理解，其仅是借助了示范和示例的方式，且不应构成限制，本发明的主旨和范围仅由所附权利要求限定。
工业应用在本发明中，通过提供在氮化物基半导体发光元件芯片与安装部件之间具有高附着强度的安装结构和出色的散热性能，可以制造具有出色可靠性和长寿命性能的氮化物基半导体发光器件，即使其在高输出下使用。
权利要求
1.一种氮化物基半导体发光器件，包括形成在导电衬底上的氮化物基半导体发光元件芯片、以及均用作被视作用于安装该氮化物基半导体发光元件芯片的支撑基座的安装部件的次底座(103)、焊料和管座(105)，其中其中氮化物基半导体层和第一电极(211)顺序形成在该导电衬底的表面上且导电类型与该第一电极的导电类型不同的第二电极(212)形成在该导电衬底背面的所述氮化物基半导体发光元件芯片通过使其第二电极侧面对该次底座(103)并使第一焊料材料(102)置于其间而安装在该次底座(103)上，其上安装有所述氮化物基半导体发光元件芯片的所述次底座(103)通过使其次底座侧面对该管座(105)并使第二焊料材料(104)置于其间而进一步安装在该管座(105)上。
2.根据权利要求1所述的氮化物基半导体发光器件，其中所述次底座(103)由AlN制成。
3.根据权利要求1所述的氮化物基半导体发光器件，其中所述第一焊料材料(102)由AuSn制成，所述第二焊料材料(104)由SnAgCu和In之一制成。
4.根据权利要求1所述的氮化物基半导体发光器件，其中所述导电衬底(201)为n型氮化物基半导体衬底。
5.根据权利要求1所述的氮化物基半导体发光器件，其中所述第二电极(212)通过在该导电衬底上顺序形成三层来制成，该三层包括第一层，其是由单层或多层制成的金属层或是具有混合的多个层的金属层，且使得可以在该导电衬底上形成欧姆电极；第二层，其是用作阻挡金属并由单层或多层制成的金属层；以及第三层，其是由单层或多层制成并且与所述第一焊料材料具有亲和性的金属层。
6.根据权利要求1所述的氮化物基半导体发光器件，其中所述第二电极(212)具有包括从Ti、Hf和Al中选取的至少两种金属的第一层、具有由Mo和Pt按此顺序形成的叠层结构的第二层、以及使用Au的第三层。
7.一种制造氮化物基半导体发光器件的方法，其中在形成所述第二电极(212)时，作为预处理干法蚀刻所述导电衬底(201)，从而制造根据权利要求1的该氮化物基半导体发光器件。
全文摘要
公开了一种具有出色可靠性和长寿命的氮化物半导体发光器件及制造这样的氮化物半导体发光器件的方法。氮化物半导体发光芯片安装在次底座(103)上，该芯片中，氮化物半导体层和第一电极(211)形成在导电衬底的前面上，第二电极(212)形成在导电衬底的背面上。安装有氮化物半导体发光芯片的次底座(103)安装在管座(105)上，由此形成氮化物半导体发光器件。
文档编号H01S5/042GK1816952SQ20048001881
公开日2006年8月9日 申请日期2004年6月18日 优先权日2003年6月30日
发明者山本秀一郎, 小河淳, 石田真也, 神川刚 申请人:夏普株式会社
技术领域：
本发明涉及即使在高输出下使用仍具有高可靠性和长寿命的氮化物基半导体发光器件及其制造方法。
背景技术：
近年来，使用氮化物基半导体作为用于半导体发光器件的发光二极管(LED)、半导体激光器等的短波发光元件的材料已经得到发展。此处使用的半导体发光器件指的是发光元件芯片，诸如LED芯片，或半导体激光器芯片，其集成安装在作为热沉的支撑基座的安装部件上。例如，安装在安装部件上的半导体激光器芯片被称作半导体激光器件。对于LED芯片，已经实际使用了氮化物基半导体。然而，在将氮化物基半导体用于半导体激光器芯片时，必须要解决如何改善可靠性和高温性能、如何提供高输出等问题。半导体激光器件需要高度有效的散热从而防止由于工作中温度升高而导致发光部分劣化。因此，将半导体激光器芯片安装在支撑基座上从而获得高热导率是十分关键的。
安装的方法可以粗略地分为两类结在上法(junction-up method)，借助该方法，通过使芯片的衬底侧面对支撑基座而将其上形成有叠层体的芯片设置在支撑基座上；以及结在下法(junction-down method)，借助该方法，通过使芯片的生长层侧面对支撑基座而将其上形成有叠层体的芯片设置在支撑基座上。结在下结构在散热效率方面出色，因为产生大量热的有源层与支撑基座之间的距离短。然而，其安装过程难于执行，由此导致产量降低。相比之下，结在上结构通过相对容易的安装工艺获得，因为通过使形成在衬底背面的电极结构面对次底座(submount)，芯片被安装在次底座上，随后被安装在管座(stem)上。然而，其散热效率较低，因为有源层与支撑基座之间的距离较大。因此，在半导体激光器的输出增大时，由有源层产生的热量增大，这对于可靠性和寿命产生不利影响。为确保发光元件的散热性能和电流电压特性，需要选择适用于诸如次底座、管座或焊料材料的安装部件、以及n型电极材料的材料。然而，具有优异散热性质且不对发光元件的性能产生负面影响的安装部件和安装结构尚未开发出来，由此仍未实现足够的可靠性和寿命。
对于改善使用导电衬底的半导体发光器件中电极性能的方法，例如提出了一种制造半导体发光器件的方法，该半导体发光器件具有支撑基座和半导体发光元件，而该半导体发光元件具有设置在GaN衬底上的氮化物基半导体的叠层体并安装在支撑基座之上，该方法包括步骤在GaN衬底的与叠层体侧背对的一侧上设置由可以与GaN衬底形成欧姆接触的材料制成并作为N型电极的第一金属膜、由具有高熔点的金属制成并作为阻挡层的第二金属膜、以及由可以轻易与焊料混合的材料制成的第三层；以及在第三金属层与支撑基座之间设置焊料(专利文献1)。在此方法中，电极可以与GaN衬底形成良好欧姆接触，由此可以改善电极的性能。然而，对于在半导体发光器件在高输出下使用时由半导体发光元件产生的热而言，其散热性能不足，由此不能获得令人满意的可靠性和寿命。
还提出了一种制造半导体发光器件的方法，使得当自衬底上形成的有氮化物基化合物半导体的功能层观察时，半导体发光元件芯片的主表面在衬底侧被形成为弯曲的，特别是凸出的(专利文献2)。在此方法中，次品率可以通过使半导体发光元件芯片的表面具有一定的形状而降低。然而，对于在半导体发光器件在高输出下使用时由半导体发光元件芯片产生的热而言，其散热性能不足，由此无法获得令人满意的寿命。
专利文献1日本专利公开No.2002-134822专利文献2日本专利公开No.2003-31895发明内容本发明的目的在于提供一种氮化物基半导体发光器件，其可以解决上述问题且具有出色的可靠性和长寿命，即使其在高输出下使用，以及提供制造该器件的方法。
本发明为一种氮化物基半导体发光器件、及其制造方法，该器件的特征在于其中氮化物基半导体层和第一电极顺序形成在导电衬底的一表面上且导电类型与第一电极不同的第二电极形成在导电衬底的背面的氮化物基半导体发光元件芯片通过使其第二电极侧面对次底座并使第一焊料材料置于其间而安装在次底座上；以及其上安装有该氮化物基半导体发光元件芯片的该次底座通过使第二焊料材料置于其与管座之间而安装在管座上。
在本发明中，半导体发光器件涉及集成安装在作为热沉的支撑基座的安装部件上的发光元件芯片，例如LED芯片或半导体激光元件芯片。例如，安装在安装部件上的半导体激光元件芯片被称作半导体激光器件。安装部件表示其上将直接安装半导体发光元件芯片的部件，并且涉及例如次底座；管座，若半导体发光元件芯片直接安装在支撑基座上而不使用次底座时；框架；或封装。第一电极和第二电极具有不同的导电类型，包括第一电极为p型且第二电极为n型的情形、以及第一电极为n型且第二电极为p型的情形。通过将氮化物基半导体发光元件芯片安装在次底座上再安装在管座上，从而提供高安装强度和相对于有源层及其附近产生的热的优异散热效率，根据本发明的氮化物基半导体发光器件可以确保高可靠性和长寿命。
在本发明中，通过提供在氮化物基半导体发光元件芯片与安装部件之间具有高粘合强度的安装结构和优异的散热性能，可以制造即使在高输出下工作仍具有出色可靠性和长寿命的氮化物基半导体发光器件。
图1为根据本发明一实施例的半导体激光器件的截面图；图2为根据本发明一实施例的半导体激光器件的示意透视图；图3为示出该半导体激光器件中激光元件的结构的截面图；以及图4为示出该半导体激光器件的激光器结构的截面图。
附图标记说明101半导体激光元件芯片，102第一焊料材料，103次底座，104第二焊料材料，105管座，106引脚，107引线，108整个管座，201导电衬底，202n型GaN层，203n型包层，204n型光导层，205有源层，206载流子阻挡层，207 p型光导层，208 p型包层，209 p型接触层，210 SiO2膜，211第一电极，212第二电极。
具体实施例方式
现在将通过以半导体激光器件为例介绍根据本发明的氮化物基半导体发光器件的示例性构造。在半导体激光器件的以下介绍的某些部分中，电极的导电类型被限定为p型或n型。然而，这样的介绍仅是为了提供便于理解本发明的实施例，不应限于其导电类型。
如图1和2所示，氮化物基半导体激光元件芯片101通过使第二电极212面对次底座103并使第一焊料材料102置于其间而安装在次底座103上，其中氮化物基半导体层和第一电极211顺序形成在导电衬底的表面上，且第二电极212形成在导电衬底的背面上。通过使其次底座侧面对作为支撑基座的管座105并使第二焊料材料104置于其间，次底座进一步被安装在管座105上。另外，管座的引脚106经引线107电连接于第一电极211，从而形成半导体激光器件。接下来，将介绍本发明的呈半导体激光器件形式的实施例，其作为根据本发明的氮化物基半导体发光器件的示例。
<半导体激光元件芯片的制造>
图3中，最初，通过诸如MOCVD法的一般用于制造半导体元件的方法，顺序层叠例如n型GaN层202、n型包层203、n型光导层204、有源层205、载流子阻挡层206、p型光导层207、p型包层208、以及p型接触层209，从而在导电衬底201上形成氮化物基半导体层，从而获得其上设置有氮化物基半导体层的激光元件结构。
在本发明中，导电衬底用作衬底。借助导电衬底的使用，氮化物基半导体层中的有源层及其附近处产生的热经该衬底有效地向安装部件散发。对于用于本发明的导电衬底，优选具有高热导率的材料。例如，通常用于生长氮化物基半导体层的衬底的蓝宝石由于其热导率低而不是优选的。生长在导电衬底上的氮化物基半导体层具有约几个微米的厚度，而导电衬底即使在被研磨和抛光后仍具有几百微米的厚度。因此，若导电衬底具有较差的热导率，则经衬底从氮化物基半导体层至安装部件的热传播的效率下降，导致半导体激光元件的散热效率降低。
具有高热导率的导电衬底的示例包括氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)、氧化锌(ZnO)、及其它。其中，可以优选使用GaN等制成的氮化物基半导体衬底。在此情况下，可以有效散热。另外，与蓝宝石相比，氮化物基半导体衬底具有与生长层的晶格常数区别更小的晶格常数，这可以改善生长层的结晶性，由此改善元件的性能和可靠性。另外，若用蓝宝石形成衬底，例如，元件不可避免地构造成为具有横向结构，其中n型电极和p型电极设置在其顶面上，因为蓝宝石为非导体。相比之下，通过氮化物基半导体衬底的使用，元件可以构造成为具有如本发明中那样的垂直结构，因为氮化物基半导体衬底可以通过掺杂而制成导电的。因此，可以简化元件形成工艺。
下面将介绍制造半导体激光器件的方法。图4中，第一电极211形成在氮化物基半导体层上，第二电极212形成在衬底的背面，从而制得激光器结构。p型接触层209通过干法蚀刻等被蚀刻至p型包层208中，使得留下具有例如2μm宽度的其条状部分，从而形成光波导。然后，SiO2膜210被蒸镀于其上作为绝缘层。在去除脊上的SiO2后，顺序层叠例如Pd、Mo和Au，从而在p型接触层209处形成第一电极211。作为对Pd和Mo叠层结构的替代，可以使用由Pd、Co、Cu、Ag、Ir、Sc、Au、Cr、Mo、La、W、Al、Tl、Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Tb、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Pt和Ni中的至少一种的单质或化合物形成的层。作为对Au层的替代，可以使用由Au、Ni、Ag、Ga、In、Sn、Pb、Sb、Zn、Si、Ge和Al中的至少一种的单质或化合物形成的层。
接着，第一电极可以通过电极合金化来被合金化。通过合金化，可以形成具有良好欧姆性质的电极。
其后，研磨并抛光导电衬底201。研磨是将制得的半导体激光元件分成单独的芯片所需的工艺。通过研磨衬底并减小其厚度，制得的半导体激光元件可以轻易地分为芯片。抛光是去除研磨中在衬底背面上产生的大量划痕并将其平整化所需的工艺。若衬底的背面未经抛光并将电极形成于其上，则附着强度降低，导致电极剥落等。
研磨可以通过利用研磨机研磨导电衬底的背面至约200μm来进行。抛光可以通过用金刚石浆料等平整化衬底的背面并用砂布和诸如氧化铝的研磨剂对其进行磨光使得抛光表面达到镜面光滑状态来进行。
对于抛光后的导电衬底的背面，优选通过诸如干法蚀刻的预处理来去除保留于其上的损伤层，并随后在其上形成第二电极。通过如此，可以形成具有良好欧姆性质的电极。对于干法蚀刻的条件，可以应用例如通过RIE工艺和其它工艺将导电衬底的表面蚀刻掉0.1至3.0μm的方法，RIE工艺中，诸如氯的卤素用作反应气体。特别地，若导电衬底的表面被蚀刻掉0.5至3.0μm，则可以完全去除其上的损伤层，且衬底不会具有RIE处理导致的表面粗糙。通过去除损伤层，可以形成衬底与电极间的良好欧姆接触。此处，使用氯气作为反应气体是特别优选的，因为氯气具有改性导电衬底的表面从而改善其电导率的效果。
在以这样的方式平整过的导电衬底的背面上，形成第二电极212。第二电极优选具有通过多个金属层形成的电极结构。若元件具有如根据本发明的氮化物基半导体发光器件中那样的垂直结构，且第二电极形成在导电衬底的背面上，则电极需要具有出色的欧姆性质以及出色的与安装部件的附着性。因此，使电极具有叠层结构，该叠层结构由例如以下层构成第一层，用作提供欧姆性质的金属；第二层，用作设置在第一层与第三层之间以防止此两层中的金属混合的阻挡金属；以及用作粘接金属的第三层，从而可以获得具有令人满意的欧姆性质以及令人满意的安装性质的电极。上述每一层可以由单层或多层形成。具有其它功能的层可以进一步包括在以上每一层中，只要该每一层具有上述功能。
第一层起到用于为电极提供良好欧姆性质的层的作用，并使其具有叠层结构，其包括将Hf、Co、Cu、Ag、Ir、Sc、Au、Cr、Mo、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Tb、Zr、Ti、V、Nb、Ta和Pt中的至少一种作为单质或化合物使用的层、以及将Al、Au、Ni、Ag、Ga、In、Sn、Pb、Sb、Zn、Si和Ge中的至少一种作为单质或化合物使用的层。特别地，若该叠层结构包括从Ti、Hf和Al中选取的两种或更多种金属，则可以提供优异的欧姆特性，且更加优选使用HfAl。对于HfAl，通过顺序形成Hf和Al并且随后借助电极合金化将其合金化，可以形成良好的欧姆接触。在此情况下，对于Hf和Al而言优选的是分别具有1至30nm和30至500nm的厚度，因为在衬底与电极之间的界面处提供了高的接合强度。除使用Hf和Al的方法外，可以使用利用含Hf、Al和GaN等的化合物的由单层形成的结构或由两层或更多层形成的叠层结构的方法。电极合金化可以在450至700℃的温度条件下，特别是500℃，在真空或诸如N2的不活泼气体中进行。
第二层起阻挡金属的作用，第三层充当用于以获得高附着性的方式将提供良好欧姆性质的电极金属粘接至次底座的层。对于第二层，优选使用由Mo和Pt制成的双层结构。对于第三层，优选使用Au。
第二层充当阻挡层，其具有防止由第一层与第三层之间的接触和这些层的合金化导致的欧姆性质的退化的作用。第二层优选具有由Mo和Pt按此顺序形成的叠层结构。由于Mo是具有高熔点的金属，所以其不易扩散。因此，Mo提供了防止第一层中的Al和第三层中的Au因其间的接触导致的合金化的效果。少量的Pt可以扩散到Mo中，且进入第三层中的Au内，其具有改善第一层与第二层之间和第二层与第三层之间的附着强度的效果。
优选地，Mo具有5nm至100nm的厚度，因为其它金属不能扩散到Mo层中。
对于第三层，优选使用具有与焊料材料的高亲和性的Au。由于Au的使用允许半导体激光元件以获得高附着性的方式安装于次底座上，所以可以有效防止电极的剥落。若Au具有50至750nm的厚度，尤其是100至500nm，则其以有利的方式充当粘接层。
为形成第二导电类型的电极，优选可以使用EB蒸镀法。或者，这样的电极可以通过例如溅镀形成。
激光器的端面可以通过设置谐振腔长度为例如300至1500μm借助所形成的激光器结构中的解理来制成。形成激光器的端面的方法不限于解理。通过包括蚀刻等的任何已知的方法，获得其上设置有多个半导体激光元件的条状部件。
该部件通过诸如划片方法、切片法、以及激光划片法的公知方法分为半导体激光元件芯片。在划片法中，例如，划线从导电衬底的背面侧形成，且导电衬底沿该划线被分开。如此，完成半导体激光元件芯片。
<安装>
安装通过两个工序进行，包括用于在次底座上安装半导体激光元件芯片的次安装工序、以及用于进一步在管座上安装次底座的安装工序，从而制得半导体激光器件。在本发明中，安装结构优选使用次底座，因为产生在半导体激光元件处的热被有效去除从而确保可靠性。在此情况下，在半导体激光元件的有源层及其周边处产生的热被传输至导电衬底。由于通过使焊料材料置于其间，导电衬底安装在由具有高热导率的材料制成的次底座上，所以传输至导电衬底的热经焊料材料有效传输至次底座。
次底座的材料优选具有比导电衬底的热导率更高的热导率。由此来看，可以优选使用AlN。可以使用诸如单晶、多晶或非晶态的AlN的任何状态，只要AlN具有足够强度，且AlN可以具有约100至750μm的厚度。
在次安装工序和安装工序中，焊料材料用于将半导体激光元件芯片接合在次底座上，将次底座接合在管座上。此处，焊料材料是用于接合的合金或单质金属。接合方法无具体限定，可通过如下的所谓芯片焊接来进行在次安装工序中，例如焊料材料事先设置在次底座上，且半导体激光元件芯片放置在焊料的预定位置。其后，加热次底座从而熔化焊料材料。在此状态下，向半导体激光元件芯片施加压力从而将其接合于次底座，随后通过降低温度使焊料材料凝固。根据该方法，半导体激光元件芯片可以按照获得高热导率的方式接合于次底座。而且在安装工序中，接合可以利用与次安装工序的方法类似的方法来进行。
参照图1，在次底座103的预定位置，第一焊料材料102起初形成为具有约3μm的厚度。半导体激光元件芯片101通过使其第二电极212侧面对第一焊料材料102而设置在第一焊料材料102上。次底座103被加热至等于或高于第一焊料材料102的熔点的温度，从而熔化焊料材料，使得半导体激光元件芯片101接合于次底座103。温度降低从而使第一焊料材料102凝固。
第二焊料材料104随后形成在管座105的预定位置处。
通过使其次底座侧面对第二焊料材料104，其上如上所述地形成有半导体激光元件的次底座103设置在第二焊料材料104上。次底座103被加热至等于或高于第二焊料材料104的熔点的温度，从而熔化第二焊料材料104，使得次底座103接合于管座105。温度降低，从而使焊接剂凝固。
对于第一焊料材料，可以使用Au0.8Sn0.2。除AuSn外，可以使用SnSb、SnAg、SnAgCu、InSn、InAg、In等。若使用AuSn，可以明显增大AlN次底座与半导体激光元件芯片之间的附着力。
对于第二焊料材料，优选使用能够牢固接合AlN次底座至管座上的材料。例如，优选可以使用包括SnAgCu、AuSn、SnSb、SnAg、SnSn、InSn、InAg、Sn和In中的至少一种的材料。特别地，优选可以使用SnAg0.03Cu0.005和In。
从安装强度的角度来看，优选的是，第二焊料材料具有近似等于或低于第一焊料材料的熔点。
通过使用各种已知的方法，其它层可以置于次底座与焊料材料之间、以及管座与焊料材料之间。置于其间的层的示例包括用于改善次底座或管座与焊料材料之间的附着力的层、用于抑制次底座或管座与焊料材料之间的反应的层等。这些层可以是单层或由多个层形成的叠层结构。
<接合>
其后，通过引线107将引脚106连接于半导体激光元件芯片的第一电极211，使得半导体激光元件芯片电连接于管座。对于引线107，优选使用由Au制成的细引线，并利用引线接合装置进行接合。最后，将盖子附着在管座上，优选在其内封入诸如氮气的不活泼气体从而抑制元件性能的下降。
利用上述方法，完成了作为本发明示例的半导体激光器件。现在将介绍制造半导体激光器件的本发明的实施例。
(第一实施例)<半导体激光元件芯片的制造>
将作为导电衬底201的GaN衬底引入MOCVD装置，其中使N2和氨气(NH3)分别以5L/分钟的流速流过，并且将温度升高至1050℃。在升温后，H2用作N2的替代作为载气。三甲基镓(TMG)和硅烷(SiH4)分别以100μmol/分钟和10nmol/分钟的流速引入，从而生长厚度为4μm的n型GaN层202。其后，将TMG的流速调整至50μmol/分钟，并将三甲基铝(TMA)以40μmol/分钟的流速引入，从而生长作为n型包层203的Al0.1Ga0.9N，使其具有0.5μm的厚度。生长Al0.1Ga0.9N后，停止TMA的供给，并且将TMG的流速调整至100μmol/分钟，从而生长作为n型光导层204的GaN，使其具有0.1μm的厚度。之后，停止TMG和SiH4的供给。N2再次被用作H2的替代作为载气，并将温度下降至700℃。分别以10μmol/分钟和15μmol/分钟的流速引入作为铟的原料的三甲基铟(TMI)和TMG，从而生长由In0.05Ga0.95N制成的垒层，使其具有4nm的厚度。其后，增大TMI的供给至50μmol/分钟，从而生长由厚度为2nm的In0.2Ga0.8N制成的阱层。以与上述类似的方法生长总计三层阱层，从而生长具有多重量子阱(MQW)结构的有源层205，其中三层阱层中的每一层被总计四层垒层中的两层夹持。在完全生长MQW后，停止TMI和TMG的供给并再次将温度升高至1050℃。H2再次作为N2的替代作为载气，然后以分别为50μmol/分钟、30μmol/分钟、以及10nmol/分钟的流速引入TMG、TMA、以及作为p型掺杂的原料的双环戊二烯镁(Cp2Mg)，从而生长作为p型载流子阻挡层206的Al0.2Ga0.8N，使其具有20nm的厚度。在完全生长了载流子阻挡层后，停止TMA的供给并调整TMG的供给至100μmol/分钟，从而生长作为p型光导层207的GaN，使其具有0.1μm的厚度。之后，调整TMG的供给至50μmol/分钟并以40μmol/分钟的流速引入TMA，从而生长作为p型包层208的Al0.1Ga0.9N至具有0.4μm的厚度。最后，TMG的供给被调整至100μmol/分钟且停止TMA的供给，使得作为p型接触层209的GaN被生长为具有0.1μm的厚度。然后，停止TMG和Cp2Mg的供给并降低温度。在室温下从MOCVD装置中取出衬底，激光元件结构被完成。
从MOCVD装置取出的激光元件结构用于制造激光器结构。首先，利用干法蚀刻装置蚀刻p型接触层209至p型包层208中，使得留下宽度为2μm的其条状部分，从而形成光波导。作为绝缘膜的SiO2膜210随后被蒸镀于其上。在去除脊上的SiO2后，将Pd、Mo和Au顺序蒸镀到p型接触层209上，使其分别具有15nm、15nm和200nm的厚度，从而形成作为第一电极211的p型电极。制造p型电极后，在真空中500℃下对其进行电极合金化10分钟。
随后研磨和抛光作为导电衬底201的GaN衬底。起初，使用研磨机研磨GaN衬底的背面，至近似200μm的厚度。GaN衬底的研磨过的背面随后用金刚石浆料平整化，并通过使用砂布和作为研磨剂的氧化铝对其进行磨光，从而使其表面达到镜面光滑的状态。
另外，在GaN衬底的背面上进行使用氯等离子体的RIE处理。RIE处理在压强为45mtorr且氯气的流速为80ccm的条件下进行。GaN衬底的背面的抛光面在深度上被干法蚀刻掉约1μm。
作为第二电极212的n型电极随后形成在GaN衬底的背面上。使用EB蒸镀装置来形成该电极。起初，为了形成欧姆层，蒸镀Hf和随后的Al至分别具有5nm和150nm的厚度，并在真空中500℃下对其进行电极合金化3分钟，使得电极的金属和GaN衬底被部分地合金化而成为第一层。在第一层上，顺序层叠Mo和Pt至分别具有30nm和15nm的厚度，从而形成作为第二层的阻挡金属层。此外，在第二层上，蒸镀Au至具有250nm的厚度，从而形成作为第三层的粘接金属层。
利用上述方法，制造出其中半导体激光元件安装在GaN衬底上的激光器结构。激光器结构随后通过划片法被分为多个芯片。通过自GaN衬底的背面侧形成划线并向衬底施加力，半导体激光元件沿划线分开成为独立的半导体激光元件芯片。
<安装>
随后将半导体激光元件芯片安装在支撑基座上。安装通过两个工序进行，包括用于将半导体激光元件芯片安装在次底座上的次安装工序、以及用于将次底座设置在用作支撑基座的管座上的安装工序。
在次安装工序中，在AlN制成的次底座103的预定位置处，作为第一焊料材料102的Au0.8Sn0.2焊料通过EB蒸镀法形成至具有3μm的厚度。通过使第二电极212面对Au0.8Sn0.2焊料，半导体激光元件芯片按照对准的方式设置在Au0.8Sn0.2焊料上。在此状态下，将次底座加热至300℃，从而熔化第一焊料材料。向半导体激光元件芯片施加压力从而将其粘接并固定于次底座上。其后，降低温度从而使第一焊料材料凝固，完成次安装工序。
在安装工序中，将次底座103接合于作为半导体器件的支撑基座的管座105上。起初，将具有箔状形状且厚度为约10μm的SnAg0.03Cu0.005焊料设置在管座的预定位置处，从而作为第二焊料材料104。在SnAg0.03Cu0.005焊料上，通过使次底座面对SnAg0.03Cu0.005焊料，其上安装有半导体激光元件芯片的次底座按照对准的方式设置。随后升高温度至300℃从而熔化SnAg0.03Cu0.005焊料。向半导体激光元件芯片安装于其上的次底座上施加压力，从而将次底座粘接于管座。最后，降低温度从而使SnAgCu焊料凝固，完成安装工序。
利用上述方法，可以安装AlN次底座和半导体激光元件芯片于管座的预定位置上。
<接合>
由Au细引线制成的p型电极引线用作引线107。管座的引脚106通过引线焊接装置连接于第一电极211。最后，盖子连接于管座，氮气封闭于其中。利用上述方法，完成半导体激光器件。
<性能评估>
对于根据第一实施例的方法通过分割安装在相同晶片上的半导体激光元件获得的五十个半导体激光元件芯片，比较安装前后的阈值电流。为了比较，对于五十个半导体激光元件芯片，计算了安装前阈值电流值的平均值和安装后阈值电流值的平均值。对于安装后的阈值电流值，由于初期故障而具有极差元件性能的两个半导体激光元件芯片的值从平均值计算中排除。元件性能涉及阈值电流、以及30mW下的驱动电流和驱动电压。
安装前后的半导体激光元件芯片的平均阈值电流值分别为41mA和37mA，表明阈值电流在安装后稍微下降。可见，通过安装半导体激光元件芯片在支撑基座上，由半导体激光元件产生的热更加有效地散发，并且由此降低了阈值电流。除受初期故障影响的两个半导体激光元件芯片以外，四十八个芯片未表现出元件性能的下降，这使得安装在支撑基座上的芯片具有高产率。
制得的半导体激光器件随后被引入老化装置并进行寿命测试。在寿命测试中，在60℃的环境温度下和30mW的输出下驱动电流增大为1.5倍所需的时间作为寿命。经历寿命测试的四十八个半导体激光器件中的四个发生故障，其似乎是原始劣化。除表现出原始劣化的半导体激光器件外，在1000小时的寿命测试期间没有驱动电流增大为1.5倍的半导体激光器件。可见，60℃和30mW下的寿命至少为1000小时。
(第二实施例)在此实施例中，作为第二焊料材料104的SnAg0.03Cu0.005被预先转移到管座。
开始，根据第一实施例的方法进行将半导体激光元件芯片安装在次底座上的次安装步骤。然后，半导体激光元件芯片安装于其上的次底座103安装在管座105上。此时，作为第二焊料材料104的SnAgCu已经预先转移到管座上。将SnAg0.03Cu0.005转移到管座的方法如下进行首先制备具有约500nm长度和约500μm宽度的特氟隆(Teflon(R))带。然后，在Teflon(R)带上蒸镀SnAg0.03Cu0.005至具有约8μm的厚度。其后，其上附着了SnAg0.03Cu0.005焊料的Teflon(R)带与管座105对准。对准后，约80kHz的超声振动经过Teflon(R)带作用到该焊料上，这使得可以将500μm长、500μm宽和10μm厚的SnAg0.03Cu0.005焊料转移到管座105上。
然后，次底座103连接于管座105。通过使次底座面对SnAg0.03Cu0.005焊料，以对准的方式将其上安装有半导体激光元件芯片的次底座设置在转移的SnAg0.03Cu0.005焊料上。接着，温度升高至300℃，从而熔化SnAg0.03Cu0.005焊料，并且向其上安装有半导体激光元件芯片的次底座施加压力，从而将次底座粘接于管座。最后，降低温度从而固化SnAg0.03Cu0.005焊料，完成安装工序。
利用上述方法，AlN制成的次底座103、以及半导体激光元件芯片101安装在管座105的预定位置上，随后如第一实施例中地进行接合，从而完成半导体激光器件。
对于通过上述方法获得的半导体激光器件，如第一实施例中那样评价其性能。
结果表明，尽管五十个半导体激光元件芯片中的三个出现故障，但剩余的四十七个半导体激光元件芯片在安装前后分别具有43mA和40mA的阈值电流。因此，可见安装后的性能良好。
在上述四十七个无故障的半导体激光元件芯片分别安装于其上的四十七个半导体激光器件的寿命测试中，四个半导体激光器件表现出由于原始劣化导致的故障。然而，剩余四十三个器件中没有一个显示出驱动电流在1000小时后超过初始驱动电流的1.5倍。因此，可见，该器件具有至少1000小时的寿命。
(第三实施例)在本实施例中，In用作第二焊料材料，且In转移到管座上。
根据第一实施例中的方法，进行将半导体激光元件芯片101设置到次底座103上的次安装工序。半导体激光元件芯片安装于其上的次底座随后被安装在管座105上。此时，In已经预先转移到管座上。下面介绍将In转移到管座上的方法。
制备500nm长和500μm宽的Teflon(R)带。In蒸镀到Teflon(R)带上，从而具有约10μm的厚度。其后，其上附着有In焊料的Teflon(R)带与管座105对准。完成对准后，约80kHz的超声振动经过Teflon(R)带施加到焊料上，从而将500μm长、500μm宽和10μm厚的In焊料转移到管座。
次底座103随后接合于管座105。通过使次底座面对In焊料，以对准的方式将半导体激光元件芯片101安装于其上的次底座设置在转移的In焊料上。接着，温度升高至300℃，从而熔化In焊料。向其上安装有半导体激光元件芯片的次底座施加压力，从而将次底座接合于管座。最后，降低温度从而凝固In焊料，完成安装工序。
利用上述方法，AlN次底座和半导体激光元件芯片安装在管座的预定位置上。之后，如第一实施例中那样进行接合，从而完成半导体激光器件。
对于通过上述方法获得的半导体激光器件，按照与第一实施例的类似的方法评价其性能。
在安装五十个半导体激光元件芯片时，其中的三个具有由于初期故障而导致的性能下降。剩余的四十七个半导体激光元件芯片在安装前后分别具有42mA和39mA的阈值。
对于上述四十七个半导体激光元件芯片分别安装于其上的半导体激光器件的寿命测试，四个器件表现出由于原始劣化导致的故障。剩余四十三个器件中没有一个显示出1000小时后驱动电流超过初始驱动电流的1.5倍。因此，可见器件具有至少1000小时的寿命。
尽管已经详细地介绍和示出了本发明，但应清楚理解，其仅是借助了示范和示例的方式，且不应构成限制，本发明的主旨和范围仅由所附权利要求限定。
工业应用在本发明中，通过提供在氮化物基半导体发光元件芯片与安装部件之间具有高附着强度的安装结构和出色的散热性能，可以制造具有出色可靠性和长寿命性能的氮化物基半导体发光器件，即使其在高输出下使用。
权利要求
1.一种氮化物基半导体发光器件，包括形成在导电衬底上的氮化物基半导体发光元件芯片、以及均用作被视作用于安装该氮化物基半导体发光元件芯片的支撑基座的安装部件的次底座(103)、焊料和管座(105)，其中其中氮化物基半导体层和第一电极(211)顺序形成在该导电衬底的表面上且导电类型与该第一电极的导电类型不同的第二电极(212)形成在该导电衬底背面的所述氮化物基半导体发光元件芯片通过使其第二电极侧面对该次底座(103)并使第一焊料材料(102)置于其间而安装在该次底座(103)上，其上安装有所述氮化物基半导体发光元件芯片的所述次底座(103)通过使其次底座侧面对该管座(105)并使第二焊料材料(104)置于其间而进一步安装在该管座(105)上。
2.根据权利要求1所述的氮化物基半导体发光器件，其中所述次底座(103)由AlN制成。
3.根据权利要求1所述的氮化物基半导体发光器件，其中所述第一焊料材料(102)由AuSn制成，所述第二焊料材料(104)由SnAgCu和In之一制成。
4.根据权利要求1所述的氮化物基半导体发光器件，其中所述导电衬底(201)为n型氮化物基半导体衬底。
5.根据权利要求1所述的氮化物基半导体发光器件，其中所述第二电极(212)通过在该导电衬底上顺序形成三层来制成，该三层包括第一层，其是由单层或多层制成的金属层或是具有混合的多个层的金属层，且使得可以在该导电衬底上形成欧姆电极；第二层，其是用作阻挡金属并由单层或多层制成的金属层；以及第三层，其是由单层或多层制成并且与所述第一焊料材料具有亲和性的金属层。
6.根据权利要求1所述的氮化物基半导体发光器件，其中所述第二电极(212)具有包括从Ti、Hf和Al中选取的至少两种金属的第一层、具有由Mo和Pt按此顺序形成的叠层结构的第二层、以及使用Au的第三层。
7.一种制造氮化物基半导体发光器件的方法，其中在形成所述第二电极(212)时，作为预处理干法蚀刻所述导电衬底(201)，从而制造根据权利要求1的该氮化物基半导体发光器件。
全文摘要
公开了一种具有出色可靠性和长寿命的氮化物半导体发光器件及制造这样的氮化物半导体发光器件的方法。氮化物半导体发光芯片安装在次底座(103)上，该芯片中，氮化物半导体层和第一电极(211)形成在导电衬底的前面上，第二电极(212)形成在导电衬底的背面上。安装有氮化物半导体发光芯片的次底座(103)安装在管座(105)上，由此形成氮化物半导体发光器件。
文档编号H01S5/042GK1816952SQ20048001881
公开日2006年8月9日 申请日期2004年6月18日 优先权日2003年6月30日
发明者山本秀一郎, 小河淳, 石田真也, 神川刚 申请人:夏普株式会社
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