制造激光器件的方法

专利名称：制造激光器件的方法
技术领域：
本发明涉及一种制造激光器件的方法，所述激光器件用作光盘驱动器、测试仪、照明装置、分析仪等装置的光源。具体而言，本发明涉及用于制造诸如氮化镓半导体激光器件的短波长激光器件的方法，其发射处于短波长范围的蓝色、紫色、近紫外或紫外激光束。
背景技术：
诸如GaN、AlGaN、GaInN和AlGaInN的III族氮化物半导体(下文简称为“氮化镓系半导体”)比AlGaInAs系半导体或AlGaInP系半导体具有更宽的能带带隙。因此，这样的半导体材料能够发射具有短波长的光，并且由于其属于直接跃迁型，因此在发光效率方面更加优越。具有这些特征的氮化镓系半导体作为构成半导体光发射元件的材料已经引起了注意，例如能够发射从紫外到绿色的宽波长范围的光的半导体激光器，或者覆盖从紫外到红色的宽发光范围的发光二极管(LED)。其应用领域覆盖范围广，包括高密度光盘驱动器、全彩色显示器、环境领域和医学领域。
氮化镓系半导体比GaAs系半导体等具有更高的导热性，因此，希望将其用作在高温和高输出运转下工作的元件。此外，AlGaAs系半导体含有有害的砷(As)，ZnCdSSe含有有害的镉(Cd)，而氮化镓系半导体则不含有这样的有害材料。此外，用于制造氮化镓系半导体的氨(NH3)的毒性比用于制造AlGaAs系半导体的胂(AsH3)的毒性低，因此，它是一种对环境施加的压力小的材料。
通常采用对于激光束而言透明的管壳(cap)密封地封闭半导体激光器芯片，由此制造诸如氮化镓系半导体激光器件的短波长半导体激光器件。在这一制造过程中，污染物可能侵入到半导体激光器芯片和管壳的内部空间，并且，污染物可能沉积在半导体激光器芯片的发光表面上，从而导致激光特性劣化。将这一问题称为发光端面的劣化。
上述污染物被认为是硅氧烷系材料、碳氢化合物等。认为所述污染物的来源包括人体、微生物、结构材料、用于制造机器的油脂或机油以及制造过程中的气氛。此外，激光器件的制造过程中采用的压敏粘结片也可以是污染物的来源。一旦在激光器件的制造过程中在激光器芯片或管壳上附着了污染物，就不能去除管壳内的污染物，即使在管壳内封装激光器芯片的步骤是在洁净室内完成的。
例如，人们认为在下述步骤中，在发光端面上沉积了在压敏粘结片所采用的粘合剂中含有的污染物。在氮化镓系半导体激光器芯片的制造过程中，将在其上形成了多个氮化镓系半导体激光器芯片的晶片划分为具有发光端面的棒料(下文中将每一个条块称为“激光器条”)。在芯片划分步骤中将这一激光器条进一步划分为各个氮化镓系半导体激光器芯片。在这一步骤中，所述激光器条临时附着于压敏粘结片。接下来，采用金刚石划片工具等在激光器条上形成划线。之后，将激光器条划分为芯片。在这种情况下，由于激光器条附着于压敏粘结片，防止了氮化镓系半导体激光器的分立芯片变成碎片。
将分立的氮化镓系半导体激光器芯片从压敏粘结片上一个一个地分离。这时，压敏粘结片的粘合剂可能仍然残留在氮化镓系半导体激光器芯片上。在执行完芯片测试之后，将与压敏粘结片分离的各个氮化镓系半导体激光器芯片固定到芯柱(stem)上。此外，安装管壳，从而将氮化镓系半导体激光器芯片密封地封闭到封装当中，完成激光器件的制造。人们认为在密封之前，在诸如基座(sub mount)、芯柱和管壳的其他元件上可能附着有机物质。
在完成的激光器件封装的内部，附着的污染物可能汽化并漂浮。这时，汽化的污染物可能通过由氮化镓系半导体激光器芯片发出的短波激光束导致的光化学气相淀积(CVD)效应引起光化学反应，从而生成以硅(Si)或碳(C)作为主要成分的光化学反应物质。在光强最高的发光端面上沉积光化学反应物质。此外，由激光器件的工作导致的热量引起了填充气体的对流，使得填充气体中含有的光化学反应物质被连续提供至激光器芯片的发光端面。
在每个光子具有高能量并且促进化学反应的550nm或更短振荡波长(发光波长)的激光器中，尤其是在采用了420nm或更短振荡波长的氮化镓系半导体激光器芯片的激光器件中，这一现象变得显著。
在如上文所述在发光端面上沉积光化学反应物质时，其引起了发光端面上的光吸收的增大和反射系数的波动。因此，提高了获得相同功率所需的激光器驱动电流，显著缩短了激光器的寿命。
为了避免这一问题，在JP-A-2004-14820中公开了一项技术，其消除了填充气体中的污染物漂浮，防止了反应物质在发光端面上的沉积。这一技术采用了在以管壳密封的半导体激光器件内部淀积的沸石吸收剂(zeoliteabsorbent)。但是，根据发明人完成的试验结果，采用这项技术不能充分消除填充气体中的污染物。人们发现在长期工作过程中，半导体激光器芯片的发光端面上沉积了反应物质。
作为另一项现有技术，JP-A-2004-40051公开了一种在去除了附着到氮化镓系半导体激光器芯片和管壳上的污染物之后，采用管壳密封地封闭用于固定氮化镓系半导体激光器芯片的芯柱的方法，其采用紫外线照射所述芯柱，或者采用由电子回旋共振(ECR)法产生的等离子体辐射。但是，根据发明人完成的试验结果，发现在采用这一方法时，能量射束对半导体激光器芯片自身造成了损害，从而产生了诸如工作电压升高的劣化。此外，在照射紫外线或等离子体之后，如果诸如芯柱或氮化镓系半导体激光器芯片的元件暴露到了空气当中，那么在密封地封闭之前所述元件可能被污染物再次污染。具体而言，如果在照射紫外线或等离子体的步骤和密封步骤之间具有采用含有大量有机溶剂的Ag浆料的步骤，或者在照射紫外线或等离子体的步骤和密封步骤之间将所述元件长时间地暴露于空气之中，那么所述再污染将变得显著。
作为另一项现有技术，JP-A-2004-273908公开了一种去除附着到氮化镓系半导体激光器芯片和管壳上的污染物的方法，所述方法在臭氧气氛下采用管壳密封性地封闭固定氮化镓系半导体激光器芯片的芯柱，之后照射紫外线。但是，根据发明人完成的试验结果发现，除了Au和Pt之外，半导体激光器芯片所采用的金属均受到了氧化，因此，在采用这种方法时产生了诸如工作电压升高的劣化。例如，如果将氮化镓系半导体激光器芯片固定到芯柱上的焊料或者氮化镓系半导体激光器芯片所采用的电极被臭氧氧化，那么可能产生性能的劣化或缩短寿命。另一方面，如果仅仅是不在臭氧气氛下执行紫外线照射，就不能获得足够的效果。我们发现，尤其是在60℃的环境温度下进行连续工作时将产生劣化(驱动电流增大)。

发明内容
本发明的目的在于提供一种制造具有长寿命的激光器件的方法，其采用的方式是在不劣化激光器芯片所采用的焊料和电极的情况下去除附着在包括激光器芯片、芯柱和管壳的封装元件上的污染物，并在激光器芯片工作时抑制光化学反应物质在发光端面上沉积。
一种根据本发明的制造激光器件的方法，其包括的步骤有在高于具有低熔点的金属的熔点的温度下使所述金属熔化，从而通过所述金属将激光器芯片固定到支架上，在低于所述熔点的加热温度下加热固定了所述激光器芯片的支架，并且在加热步骤之后，采用管壳覆盖固定了所述激光器芯片的支架，由此密封所述激光器芯片。
假定的污染物是含有硅的硅氧烷系材料或碳氢化合物。此外，假定的污染物形成机制是附着到诸如芯柱、基座或激光器芯片上的污染物在密封封装内汽化，并由激光器芯片发出的激光束引起化学反应，由此在发光端面上沉积了反应物质。为了防止沉积反应物质，有可能在密封之前去除污染物。但是，必须在对其去除之后防止污染物的再次附着。因此，希望恰好在密封之前，在激光器芯片固定到了诸如芯柱或基座的支架上的状态下执行去除步骤。但是，如果采用具有低熔点的金属将激光器芯片固定到芯柱上，可能在通过加热去除污染物的步骤中熔化具有低熔点的金属。因此，在根据本发明的制造方法中，在低于所采用的具有低熔点的金属的熔点的温度下执行热处理，从而通过加热去除所述污染物，同时保持激光器芯片在芯柱上固定的状态。
在根据本发明的制造方法中，可以在激光器芯片固定到了诸如芯柱或基座的支架上的状态下执行去除污染物的热处理。因此，可以在去除污染物之后立即实施密封，以防止污染物再次附着。因此，能够抑制反应物质沉积在发光端面上，从而能够防止由激光器件的驱动电流增大引起的劣化，进而能够实现具有长使用寿命的激光器件。
作为优选实施例，在产生臭氧的气氛中执行加热步骤。在通过热处理去除污染物时，必须将热处理温度设置到低于用来将激光器芯片固定到支架上的具有低熔点的金属的熔点的温度。因此，存在不能有效去除污染物的可能性。将臭氧处理与热处理结合，能够氧化并分解通过热处理不能充分汽化的高分子污染物。因此，能够有效去除污染物。
作为另一优选实施例，在产生氧等离子体的气氛中执行加热步骤。在通过热处理去除污染物时，必须将热处理温度设置到低于用来将激光器芯片固定到支架上的具有低熔点的金属的熔点的温度。因此，存在不能充分去除污染物的可能性。将热处理与氧等离子体处理结合，能够氧化并分解不能充分汽化的高分子污染物。因此，能够有效去除污染物。
作为另一优选实施例，在低于熔点20℃或更多的热处理温度下执行加热步骤。这一条件实现了在将激光器芯片固定到了支架上的状态下对支架进行热处理。
作为另一优选实施例，执行10分钟或更长时间的加热步骤，这一条件实现了从固定了激光器芯片的支架上去除污染物。此外，热处理时间优选小于等于4小时。
作为另一优选实施例，所述具有低熔点的金属是在重量上含有大于等于15％，小于等于90％的Sn的Au-Sn合金，并在大于等于175℃的热处理温度下执行加热步骤。所述Au-Sn合金在具有低熔点的金属当中具有较高的熔点。采用Au-Sn合金，有可能实现比典型的硅氧烷系材料的沸点高的热处理温度，因而能够有效去除污染物。
此外，在产生臭氧的气氛中执行的热处理步骤优选包括防止用于生成臭氧的紫外线直接照射激光器芯片。因此，有可能避免采用紫外线直接照射时可能对激光器芯片造成的损伤，同时能够有效去除污染物。
此外，优选在填充了从下述气体构成的集合中选出的气体或者从所述集合中选出的两种或更多气体的组合的气氛中执行加热步骤氮气、氢气、氦气和氙气。这些气体为惰性气体，不会对激光器芯片造成损伤。
此外，所述密封步骤包括在填充了露点为-10℃或更低的填充气体之后对激光器芯片密封。因此，保护了激光器芯片不受湿气影响。
此外，所述加热步骤包括在露点为-10℃或更低的气氛下加热固定了激光器芯片的支架和管壳。因此，能够有效去除污染物，同时保护激光器芯片不受湿气的影响。
此外，所述密封步骤优选包括在填充了从下述气体构成的集合中选出的气体或者填充从所述集合中选出的两种或更多气体的组合之后密封地封闭所述激光器芯片干空气、氮气、氧气、氢气、氩气、氦气和氙气。这些气体不会对激光器芯片产生有害影响。
此外，优选在加热步骤和密封步骤之间提供60分钟或更短的时间间隔，将固定了激光器芯片的支架暴露于大气当中。如果所述时间间隔小于等于60分钟，那么由大气当中的污染物附着引起的再次污染的影响很小。
此外，激光器芯片优选具有小于等于500nm的发光波长。如果发光波长为500nm或更短，那么可能产生由短波长光引起的污染物的化学反应。如果发光波长为450nm或更短，那么将产生显著的化学反应。如果发光波长为420nm或更短，那么化学反应将更为显著。在这一情况下，能够通过采用本发明的制造方法实现激光器件的长寿命。
此外，激光器芯片优选为氮化物半导体激光器芯片。氮化物半导体激光器芯片适于小尺寸和有效产生短波长激光。
根据本发明的制造激光器件的另一方法包括的步骤有将激光器芯片固定到具有光透射窗的封装的内部；密封地封闭所述封装的内部；并且通过所述光透射窗向所述封装的内部照射具有420nm或更短波长的光，与此同时在70℃或更高的温度下加热所述激光器件。
所述的封装的内部是指(例如)由固定了激光器芯片的芯柱和与所述芯柱接合的管壳封闭的空间。在70℃或更高的温度下加热时，被认为是污染物的一些物质在封装的内部被汽化，如下文所述。然后，通过照射波长为420nm或更短的光(下文称为“紫外线等”)分解并去除汽化的污染物。于是，也去除了在未充分照射紫外线的部分存在的污染物。此外，本发明的制造方法具有极小的再次污染的可能性，因为在密封之后照射紫外线等。因此，防止了在激光器件的工作过程中在发光端面上沉积光化学反应物质，因而能够抑制光吸收的提高和反射率的波动。因此，能够实现激光器芯片在长时间期限内具有稳定的驱动电流的长寿命激光器件。
作为优选实施例，光照射步骤包括在280℃或更低的温度下加热激光器件。由于这一加热温度低于诸如AuSn的焊料的熔点，因此能够在保持激光器芯片固定到封装上的状态的同时照射紫外线等。
作为另一优选实施例，照射的光的波长大于等于150nm且小于等于290nm。波长大于等于150nm的光能够穿过光透射窗，波长小于等于290nm的光能够切断被认为是污染物的硅氧烷系材料的硅氧烷键，从而使所述污染物分解。
作为另一优选实施例，所述密封封闭步骤包括向封装内填充由干空气或惰性气体构成的气体。因此，能够使封装内采用的焊料或电极的金属抵抗氧化或腐蚀。
作为另一优选实施例，填充气体的露点为-10℃或更低。这样，封装内部采用的焊料或电极的金属能够抵抗氧化或腐蚀。
作为另一优选实施例，所述光透射窗由从下述材料构成的集合中选出的一种或更多种材料，或者含有所述一种或更多种材料为作为基础材料的材料构成石英玻璃、石英和蓝宝石。这些材料对紫外线具有良好的透射性，因此从外部发射的紫外线等能够不被光透射窗吸收而达到封装的内部。
作为另一优选实施例，激光器芯片具有420nm或更短的发光波长。具有这一范围的波长的光能够分解有机物质。因此，光化学反应物质可能在发光端面上沉积。因此，根据本发明的制造方法，能够有效防止光化学反应物质的沉积。
作为另一优选实施例，激光器芯片为氮化镓系半导体激光器芯片。作为蓝色、紫色或近紫外光源的氮化镓系半导体激光器芯片的尺寸能够得到降低，并且具有出众的效率。


图1A是说明根据本发明第一实例的氮化物半导体激光器件的示意性结构的顶视图；图1B是说明所述氮化物半导体激光器件的示意性结构的侧视图；图2示出了从发光面一侧观察的激光器芯片固定支架；图3A是根据本发明的第一实例的氮化物半导体激光器芯片的横截面图；图3B是氮化物半导体激光器芯片的横截面图；图4A示出了作为芯片划分步骤的前半段的划片步骤；图4B示出了作为芯片划分步骤的后半段的分离步骤；图5是说明管芯接合步骤的示范性图示；图6说明了热处理和密封步骤所采用的炉子的结构；图7说明了根据本发明的第二实例的制造方法所采用的臭氧发生器的结构；图8说明了根据本发明的第三实例的制造方法所采用的等离子体发生器的结构；图9A是根据本发明的第四实例的氮化物半导体激光器件的顶视图，其示出了去除管壳的状态；图9B是根据本发明的第四实例的氮化物半导体激光器件的侧视图；图9C是说明根据本发明第四实例的氮化物半导体激光器件的管壳的顶视图；图10是根据第四实例的氮化镓系半导体激光器芯片的横截面图；图11A是说明根据第四实例的安装步骤的前半段的示意图；图11B是说明根据第四实例的安装步骤的后半段的示意图；图12是说明根据第四实例的密封步骤的示意图；图13是说明根据第四实例的紫外线照射步骤的示意图；图14是说明由根据第四实例的制造方法获得的半导体激光器件的测试结果的图示；图15是说明由根据第五实例的制造方法获得的半导体激光器件的测试结果的图示；图16是说明由根据第一对比实例的制造方法获得的半导体激光器件的测试结果的图示；以及图17是说明由根据第二对比实例的制造方法获得的半导体激光器件的测试结果的图示。
具体实施例方式
在下文中，作为本发明的优选实例，将对氮化镓系半导体激光器件予以说明。但是，本发明所要解决的问题，即抑制由发光端面上沉积的光化学反应物质导致的特性劣化，是具有550nm或更短发光波长，尤其是具有420nm或更短发光波长的激光器件所共有的。因此，也可以将本发明应用到诸如SHG激光器的其他激光器中，所述SHG激光器例如采用具有大约810nm波长的激光器和用于发出具有(例如)405nm左右波长的光的二次谐波发生(SHG)元件。此外，也可以将本发明应用于其他激光器件，例如采用有机物质的激光器件或采用氧化锌系半导体的激光器件。此外，在不限于短波激光器的AlGaAs系红外半导体激光器、AlGaInP系红光半导体激光器等半导体激光器中也可以获得在工作过程中通过去除污染物防止污染物或反应物质在激光器的端面沉积的效果。
在下述说明中，“氮化物半导体”表示至少由AlxGayInzN(其中，0≤x≤1，0≤y≤1，0≤z≤1且x+y+z＝1)构成的半导体。在这种情况下，从As、P和Sb构成的集合中选出的任何原子都可以替代氮化物半导体中的氮原子的20％左右或更低。此外，可以向氮化物半导体掺杂Si、O、Cl、S、C、Ge、Zn、Cd、Mg或Be。
(第一实例)(氮化物半导体激光器件的结构)图1A和图1B分别是说明根据本发明的氮化物半导体激光器件的示意性结构的顶视图和侧视图。图2示出了构成氮化物半导体激光器件的激光器芯片固定支架的示意性结构。
如图1B所示，氮化物半导体激光器件101包括激光器芯片固定支架100和覆盖并封闭所述激光器芯片固定支架100的管壳106。激光器芯片固定支架100包括在其上安装了氮化物半导体激光器芯片103的基座102和具有固定了基座102的台部分(block portion)105的芯柱104。芯柱104及其台部分105是一体模压得到的，其由诸如铜或铁的金属构成，在所述金属之上镀覆Au等。
如图1A所示，管壳106配有光透明窗107，激光束从布置在管壳内的氮化物半导体激光器芯片103向外发射。光透明窗由激光束能够穿过的，诸如石英、玻璃、树脂或蓝宝石的透明材料构成。可以在透明材料上涂覆波长选择性膜。管壳106由其上镀覆Au等的诸如铜或铁的金属构成。
图2示出了从发光面一侧观察的激光器芯片固定支架100；在芯柱104的台部分105上，按这一顺序布置芯柱侧焊料层151、基座102、芯片侧焊料层152和氮化物半导体激光器芯片103。
基座102包括绝缘SiC板140和分别在SiC板140的上侧和下侧形成的金属膜141、142。每一金属膜141和142包括(例如)从SiC板140侧按这一顺序形成的钛(Ti)层、铂(Pt)层和金(Au)层。基座102具有扩散氮化物半导体激光器芯片103产生的热量的作用。
芯柱104配有一对引脚110和111。每一引脚110和111由诸如铜或铁的金属构成，在其表涂覆金(Au)等构成的薄膜。芯柱104分别通过由玻璃等构成的绝缘环112和113与引脚110和111绝缘。将引脚110连接至由Au等构成的引线121的末端。这一引线121的另一末端连接至位于基座102表面上的金属膜141，金属膜141通过芯片侧焊料层152电连接至氮化物半导体激光器芯片103的n侧电极201。将引脚111连接至由Au等构成的引线122的末端。这一引线122的另一末端连接至氮化物半导体激光器芯片103的p侧电极202。
(氮化物半导体激光器芯片)图3A是根据本发明的第一实例的氮化物半导体激光器芯片103的横截面图。提供n型GaN衬底161，在n型GaN衬底161上形成包括n型包覆层162A、InGaN有源层162B和p型包覆层162C的氮化物半导体层162。此外，在隆脊135的每侧上，蚀刻掉一部分p型包覆层162C，并在该处形成氧化硅绝缘体嵌入层203。在p型包覆层162C的隆脊135和位于其两侧的氧化硅绝缘体掩埋层203上形成p侧电极202。在n型GaN衬底161之下形成n侧电极201。
n侧电极201包括(例如)从n型GaN侧排列的由Hf和Al构成的叠层201A和由Mo、Pt和Au构成的叠层201B。p侧电极202包括(例如)从p型包覆层162C一侧排列的由Pd和Mo构成的叠层202A和由Pt和Au构成的叠层202B。
图3B是氮化物半导体激光器芯片103的横截面图。芯片宽度235为400μm，芯片谐振长度236为600μm。此外，如图3B所示，在激光束的发光端面221上形成由氧化铝层构成的抗反射(AR)涂层231，在发光端面221的反面222上形成高反射(HR)涂层232。HR涂层232由交替布置的九层氧化硅层和氧化钛层构成。
(氮化物半导体激光器芯片的制造过程)如图3A所示的多个氮化物半导体激光器芯片103是在按照如下所述的说明制造的晶片上形成的。首先，采用通常采用的公知技术，在n型GaN衬底161上形成氮化物半导体层162和p侧电极202。然后，对n型GaN衬底161的后侧进行打磨和蚀刻，从而将晶片的厚度从350μm的初始厚度降低至40-150μm左右。之后，形成n侧电极201。
采用这种方法，在晶片上形成了氮化物半导体层162、p侧电极202和n侧电极201，并对这一晶片解理。通过真空蒸镀法或ECR溅射法在所述解理面上形成AR涂层231和HR涂层232。在这种情况下，执行晶片的解理，使得氮化物半导体激光器芯片103的谐振长度变成600μm。可以通过对晶片蚀刻，而不是解理的方法形成发光端面。
(氮化物半导体激光器芯片的芯片分割步骤)采用这种方式，通过晶片解理获得了激光器条，将激光器条进一步划分为氮化物半导体激光器芯片103。图4A示出了芯片划分步骤的前半段的划片步骤，图4B示出了作为芯片划分步骤的后半段的分离步骤。
如图4A所示，将附着到压敏粘结片250的激光器条240放到划片装置(未示出)上，并通过金刚石划片工具等切割装置在激光器条240上形成划线241。压敏粘结片250的粘合剂部分可以粘到分立的氮化物半导体激光器芯片103上，并保留在其上。接下来，如图4B所示，沿垂直于划线241的由箭头251和252所示的方向扩展压敏粘结片250，从而将激光器条240划分为各个氮化物半导体激光器芯片103。由于氮化物半导体激光器芯片103附着于压敏粘结片250，防止了其跌落为碎片。可以采用切割成片(dicing)法、激光烧蚀法等芯片划分方法，而不是采用金刚石划片工具。
通过特性评估试验对通过上述步骤获得的氮化物半导体激光器芯片103进行测试，在所述试验中通过脉冲电流驱动所述芯片。如果其阈值电流值小于预定值，那么将芯片选为优质芯片。
(同时进行管芯接合和引线接合)接下来，对氮化物半导体激光器芯片103进行封装，制作氮化物半导体激光器件101。这一制造过程如下文所述。图5是说明管芯接合步骤的示范性图示。如图5所示，在管芯接合(die bonding)装置的支持台261上设置芯柱104。在芯柱的台部分105上布置在两侧具有芯柱侧焊料层151和芯片侧焊料层152的基座102。接下来，通过管芯接合装置的夹持器(collet)270吸附氮化物半导体激光器芯片103，并将其移动至芯片侧焊料层152之上的位置。之后，将氮化物半导体激光器芯片103布置在芯片侧焊料层152上，并停止吸附。芯柱侧焊料层151和芯片侧焊料层152接触基座102的两侧。芯柱侧焊料层151和芯片侧焊料层152均含有比率为80％到20％(重量百分比)的Au和Sn，并且具有280℃的熔点。在这一状态下，管芯接合装置的夹持器270通过负载F挤压半导体激光器芯片103，并在310℃下对其加热5秒钟。之后，芯柱侧焊料层151和晶片侧焊料层152熔化。在室温下冷却之后，芯柱侧焊料层151和芯片侧焊料层152变硬，从而实施了同时管芯接合(换句话说，同时将氮化物半导体激光器芯片103、基座102和芯柱104相互固定)。
接下来，将芯柱104等移动至引线接合装置(未示出)。如图2所示，引线122连接在p侧电极202和引脚111之间(引线接合)，引线121连接在位于基座102上的金属膜141和引脚110之间，以制作激光器芯片固定支架100。
例如，对于芯柱侧焊料层151和芯片侧焊料层152，有可能采用含有10％重量比的Au和90％重量比的Sn的Au-Sn焊料(所述焊料具有217℃的熔点)。如果Sn的重量百分比组份为15％或更高，将获得实用的熔点。因此，Sn的重量百分比组份优选大于等于15％，并小于等于90％。具体而言，所述重量百分比组份优选处于15-30％的范围内和80-90％的范围内，所述重量百分比组份为Au和Sn的低共熔点，而处于30-40％的重量百分比组份范围内则导致了高熔点。
(热处理和密封步骤)在根据第一实例的制造方法中，接下来对上述激光器芯片固定支架100执行下述步骤。
根据图6，将激光器芯片固定支架100和管壳106放置在炉子280中。通过进气口281将大气压下的氮气(具有99.9999％的纯度和-20℃的露点)引入并通过出气口282逐渐喷出。将炉子280内氮气的温度设置为255℃，使得激光器芯片固定支架100和管壳106的热处理温度在255℃下保持30分钟。将热处理之后的激光器芯片固定支架100从炉子280中取出，并在10分钟之后，将其放入密封设备当中(未示出)。在密封设备中填充露点为-20℃的干空气。在这一气氛下，将管壳106放置在激光器芯片固定支架100上，从而通过电阻加热法使其彼此焊接，从而达到密封的目的，之后，将其从密封设备中取出。这样，填充了干空气，使得内部的氮化物半导体激光器芯片103与外部气氛隔离。电阻加热法利用了这样一种现象，即在向管壳106和芯柱104的接触部分施加短时间的电流时，所述接触部分受热并相互熔接。这样，就完成了氮化物半导体激光器件101的制作。
(根据第一实例的半导体激光器的特性)共制造100个氮化物半导体激光器件，并在70℃下，利用自动功率控制(APC)以80mW的连续振荡条件对其进行测试作为寿命测试。结果发现平均无故障时间(MTTF)为7852小时。
此外，在寿命测试之后观察100个氮化物半导体激光器件中的每一个的发光端面，没有一个出现劣化，例如出现了被视为沉积了反应物质的结果的黑色污点。
(加热温度和时间的范围)引线接合步骤之后的热处理温度的理论上限为芯柱侧焊料层151和芯片侧焊料层152的熔点。但是，实际上，在接近所述熔点的温度下，焊料层中的合金将变软，因此，所述热处理温度的上限优选设置为低于所述熔点约20℃或更多的温度。如果焊料层151和152包含80％的Au和20％的Sn，那么优选在260℃或更低的温度下进行热处理，因为熔点为280℃。
作为可能的污染物的典型硅氧烷系材料的沸点如下。八甲基环四硅氧烷的沸点为175℃，十甲基环五硅氧烷的沸点为211℃，十二甲基环六硅氧烷的沸点为245℃。此外，作为可能的污染物的典型烃类的沸点如下。癸烷的沸点为174℃，十二烷的沸点为213℃，十四烷的沸点为254℃，乙酸环己酯的沸点为177℃，2-乙基乙酸己酯的沸点为199℃，磷酸酯的沸点为215℃。
上述污染物可能是压敏粘结片250所采用的添加剂或粘合剂，也可能是由作为粘合剂的主要成分的高分子有机物质分解生成的。此外，人体、微生物、结构材料以及制造设备所采用的机油或油脂都可能是污染物的来源。在将这些物质加热至其沸点时，可以有效去除汽化了的污染物。因此，为了去除(例如)硅氧烷系材料，热处理温度优选为175℃或更高。更为优选的热处理温度为211℃或更高。热处理温度为245℃或更高则更为优选。热处理温度为175℃或更高，能够有效去除诸如癸烷的烃类。如果由于含有低熔点金属而难以升高温度，那么最好结合在下文中作为第二实例或第三实例予以说明的万法。
此外，优选进行十分钟或更长时间的热处理，五分钟或更短时间的热处理难以获得足够的效果。此外，即使进行四个小时以上的热处理，效果也不再增强。因此，热处理时间的适当范围是10分钟到4小时。
(第一对比实例)如第一对比实例所述，在同时管芯接合和引线接合步骤之后，在没有热处理的情况下，将激光器芯片固定支架100和管壳106移到填充了干空气的密封设备当中。其他步骤与第一实例的步骤类似。
采用这种方法共制造了100个氮化物半导体激光器件，并在70℃下，利用APC以80mW的连续振荡条件对其进行测试。作为结果，MTTF为756小时。此外，在寿命测试之后观察100个氮化物半导体激光器件中的每一个的发光端面，92个器件(92％)出现了劣化，例如出现了被视为沉积了反应物质的结果的黑色污点。
从上述结果可以确认，根据本发明的第一实例的热处理能够提高氮化物半导体激光器件的可靠性。
(第二对比实例)作为第二对比实例，在根据第一实例的制造方法中，在热处理之后，将激光器芯片固定支架100和管壳106在空气中暴露90分钟，之后，将其移到填充了干空气的密封设备中。其他步骤与第一实例的步骤类似。
采用这种方法共制造了100个氮化物半导体激光器件，并在70℃下，利用APC以80mW的连续振荡条件对其进行测试。作为结果，MTTF为1520小时。此外，在寿命测试之后观察100个氮化物半导体激光器件中的每一个的发光端面，72个器件(72％)出现了劣化，例如出现了被视为沉积了反应物质的结果的黑色污点。
从上述结果发现，在热处理之后，将激光器芯片固定支架100暴露到空气中的时间优选为60分钟或更短。不认为暴露时间大于60分钟是优选的，因为绝缘层吸收了一定量湿气，或者在氮化物半导体激光器芯片的表面或外围部分上附着了一定量湿气，所述湿气能够影响激光器的工作特性。
(第三对比实例)作为第三对比实例，在第一实例中，在热处理之后，将激光器芯片固定支架100和管壳106从炉子280中取出，并在十分钟之后，将其移到填充了露点为0℃的干空气的密封设备当中。将管壳106放置在激光器芯片固定支架100上，通过电阻加热法将其相互熔接，从而达到密封的目的。之后，将其从密封设备中取出。
采用这种方法共制造了100个氮化物半导体激光器件，并在70℃下，利用APC以80mW的连续振荡条件对其进行测试。作为结果，MTTF为1859小时。此外，在寿命测试之后观察100个氮化物半导体激光器件中的每一个的发光端面，54个器件(54％)出现了劣化，例如出现了被视为沉积了反应物质的结果的黑色污点。
从上述结果发现，填充氮化物半导体激光器芯片的密封空间的填充气体的露点优选为-10℃或更低。我们认为高于-10℃的露点不可取是因为，在管壳内存在能够影响激光器的工作特性的一定量湿气，并且激光束可能引起湿气和Si或C发生反应，从而导致发光端面的劣化。
(第二实例)接下来，将主要围绕与上述第一实例中的制造方法的差异对根据本发明的第二实例的制造方法予以说明。直到氮化物半导体激光器芯片103、基座102和芯柱104的同时管芯接合和引线接合为止的步骤均与根据第一实例的制造方法中的步骤类似。在完成所述步骤之后，将激光器芯片固定支架100和管壳106放入图7所示的臭氧发生器290中。通过进气口291引入大气压下的氧气295(具有99.9999％的纯度和-10℃的露点)，并通过出气口292逐渐喷出，此时，在臭氧发生器290中几乎只填充氧气。将激光器芯片固定支架100和管壳106加热至220℃的预定温度，紫外线灯293以5.1mW/cm2的照度投射具有185nm波长和254nm波长的紫外线294，持续时间为30分钟。这样，生成了臭氧296，并实施臭氧处理。在这一情况下，采用如下方式布置激光器芯片固定支架100不采用紫外线294直接对其照射，采用遮光板297遮挡，使其仅暴露于臭氧当中。
在所述处理之后，使激光器芯片固定支架100自然冷却至50℃以下的温度，并将其从臭氧发生器290中取出置于大气当中。十分钟之后，在填充了露点为-20℃的干空气的密封设备当中，将管壳106放置在激光器芯片固定支架100上，并通过电阻加热法使其相互熔接，从而达到密封的目的。这时，将其从密封设备中取出。采用这种方式，使封装填充了干空气，使得内部的氮化物半导体激光器芯片103与外部环境隔离。电阻加热法利用了这样一种现象，即在向管壳106和芯柱104的接触部分施加短时间的电流时，所述接触部分受热并相互熔接。
采用这种方法共制造了100个氮化物半导体激光器件，并在70℃下，利用APC以80mW的连续振荡条件对其进行测试。作为结果，MTTF为8011小时。此外，在寿命测试之后观察100个氮化物半导体激光器件中的每一个的发光端面，没有一个出现了劣化，例如出现了被视为沉积了反应物质的结果的黑色污点。
在加热条件下实施臭氧处理时，我们认为降低了污染物的沸点，因为切断了高分子污染物的分子键(binding)，从而形成了低分子污染物。因此，我们认为即使在低温下结合臭氧处理也能促进污染物的去除，因此，与只是简单地实施热处理的情况相比，获得了更长的寿命。在降低热处理温度时，有可能避免由低熔点金属软化导致的半导体激光器芯片的配准不良(misregistration)。
(第三实例)接下来，将主要围绕与上述第一实例中的制造方法的差异对根据本发明的第三实例的制造方法予以说明。直到氮化物半导体激光器芯片103、基座102和芯柱104的同时管芯接合和引线接合为止的步骤均与根据第一实例的制造方法中的步骤类似。在完成所述步骤之后，将激光器芯片固定支架100和管壳106放入到图8所示的等离子体发生器300中，并通过进气口311引入氩气和氧气。将氩气的流量设置为100sccm，将氧气流量设置为100sccm。连接至出气口312的真空泵313将等离子体发生器300内部的压力降至10Pa。
接下来，将激光器芯片固定支架100和管壳106的温度设置为220℃，并进行30分钟的氧等离子体处理。通过向电极303施加交变电压进行氧等离子体处理，同时，将电极305连接至地电势。通过耦合电容器302向电极303施加由高频电源301产生的交变电压(具有13.56MHz的RF频率和300W的RF功率)，从而在电极303和305之间产生等离子体304。电极303和305为平行布置的平板电极。由于在氧等离子体处理过程中，将引脚110和111的电势设置成了与芯柱104相同的电势，因此，可以避免以不均匀(heterogeneous)的方式累积电荷的充电现象。
在所述处理之后，使激光器芯片固定支架100自然冷却至50℃以下的温度，并将其取出置于大气当中。十分钟之后，将其放入密封设备(未示出)。在填充了露点为-20℃的干空气的密封设备当中，将管壳106放置在激光器芯片固定支架100上，并使其相互熔接。这样，密封了内部的氮化物半导体激光器芯片103。即使将其从密封设备中取出，在管壳106的内部空间也填充了干空气，从而将内部的氮化物半导体激光器芯片103与外部环境隔离。
采用这种方法共制造了100个氮化物半导体激光器件，并在70℃下，利用APC以80mW的连续振荡条件对其进行测试。作为结果，MTTF为8151小时。
在加热条件下实施氧等离子体处理时，我们认为降低了污染物的沸点，因为切断了高分子污染物的分子键，从而形成了低分子污染物。因此，我们认为即使在低温下结合氧等离子体处理也能促进污染物的去除，因此，与只是简单地实施热处理的情况相比，获得了更长的寿命。在降低热处理温度时，有可能避免由低熔点金属软化导致的半导体激光器芯片的配准不良。
(变型)在上述第一至第三实例中，对其上同时安装了氮化物半导体激光器芯片、基座和芯柱的激光器芯片固定支架实施了热处理、臭氧处理或氧等离子体处理。但是，可以对包含了不采用基座而直接安装在芯柱上的氮化物半导体激光器芯片的激光器芯片固定支架执行热处理、臭氧处理或氧等离子体处理。此外，可以对包含了安装在基座上的氮化物半导体激光器芯片的激光器芯片固定支架实施热处理、臭氧处理或氧等离子体处理，之后，在芯柱上安装激光器芯片固定支架。
在上述第一至第三实例中，采用芯柱作为固定激光器芯片的支架。但是，有可能采用框架或其他封装作为支架。
在上述第一至第三实例中，在热处理之后，实施密封，从而使激光器芯片与外部环境隔离。但是，有可能通过覆盖树脂或其他密封件实施塑性密封，从而与外部环境隔离。
在上述第一至第三实例中，所述管壳具有光透射窗。但是，所述光透射窗可以位于支架侧上，使得所述管壳仅起到密封作用。
在上述第一至第三实例中，对激光器固定支架和管壳都实施热处理、臭氧处理或氧等离子体处理。但是，至少对激光器芯片固定支架实施热处理、臭氧处理或氧等离子体处理足以获得所述效果。
在上述第一至第三实例中，采用SiC板作为基座102。但是，基座可以由AlN、金刚钻、Si、Ag、Fe、CuW、BeO、Al2O3、GaAs等制成。此外，可以将激光器芯片直接固定到芯柱上，而不采用基座。
在上述第一至第三实例中，采用Au-Sn焊料作为芯柱侧焊料层151和芯片侧焊料层152。但是，有可能采用其他焊料，例如含有InPb、InSn、InAg、InAgPb等材料的In系焊料，含有Sn、SnPb、SnSb、SnAg、SnSb、SnAgPb、SnPbSb、SnAgCu等材料的Sn焊料，含有PbSn、PbSb、PbAg、PbZn等材料的Pb焊料，或含有AlZn、SnZn、SnZnBi等材料的高温焊料。不仅可以采用淀积法形成焊料层，还可以采用涂敷法、溅射法、印刷法、镀覆法等。还有可能在芯柱上放置焊料片。
在上述第一至第三实例中，对发光端面221及其相反端面222进行涂覆。但是，也可以将本发明应用到未在发光端面进行涂覆的情况，通过防止在发光端面上沉积反应物质而获得了延长寿命的效果。
在上述第一至第三实例中，n侧电极201的叠层201A包括Hf和Al两层。但是，可以采用从下述集合中选出的元素替代HfTi、Co、Cu、Ag、Ir、Sc、Au、Cr、Mo、La、W、Al、Tl、Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Tb、Zr、V、Nb、Ta、Pt、Ni和Pd，或其化合物。可以采用从下述集合中选出的元素替代AlAu、Ni、Ag、Pb、Sb、Zn、Si和Ge，或其化合物。此外，所述膜的厚度不只限于上述实例。
此外，可以在固定激光器芯片的基座的表面上布置引线接合的焊盘部分，或者在实施管芯接合时提供用于对准的标记。还可能将本发明应用到这样的激光器件中，所述激光器件包括具有三个或更多电极的激光器芯片，类似于所谓的多光束激光器。
此外，可以在焊料层和基座衬底之间布置各种公知的膜。例如，在必要时，有可能在基座和焊料层之间形成用于改善粘附特性的膜，在基座和焊料层之间形成用于防止反应的膜，或者在它们之间形成用于改善粘附特性和防止氧化的膜。还可以出于相同的目的在焊料、焊盘和基座中的两个之间布置各种膜。
在上述的第一至第三实例中，采用n型GaN衬底161作为氮化物半导体激光器芯片103的衬底。但是，有可能采用其他类型的衬底，例如p型GaN、蓝宝石、SiC、GaAs等。
此外，上述第一到第三实例中的每一个均具有被称为“上置结(junction-up)”的结构，其中，在基座的相对侧布置变成光波导部分的隆脊135。但是，也可以将本发明应用于被称为“下置结(junction-down)”的结构当中，其中，在基座侧布置隆脊。
此外，在上述的第一至第三实例中，所述激光器件包括一个固定至芯柱的激光器芯片，并且具有一个光发射波长。但是，也可以将本发明应用于具有两个或两个以上光发射波长的多波长激光器件中。
此外，可以将氮化物半导体激光器芯片103以外的半导体元件，例如光接收元件等固定到芯柱104上。
(第四实例)(半导体激光器件的结构)图9A是根据本发明的第四实例的氮化物半导体激光器件的顶视图，其示出了去除管壳的状态，图9B是同一氮化物半导体激光器件的侧视图，图9C是同一氮化物半导体激光器件的管壳的顶视图。
半导体激光器件440包括激光器芯片固定支架400和管壳430，使二者相互熔接，从而密封由芯柱420和管壳430构成的封装的内部。
激光器芯片固定支架400包括通过基座410固定到芯柱420的台部分421的氮化镓系半导体激光器芯片450。管壳430的一端部是敞开的，另一端部配有光透射窗口430A。管壳430由诸如铜或铁的金属构成，光透射窗430由石英、石英玻璃、玻璃、塑料或蓝宝石等对于从氮化镓系半导体激光器芯片450发出的激光束和从外部照射的紫外线透明的材料构成。
如图9A所示，氮化镓系半导体激光器芯片450包括n型GaN衬底401，由在所述n型GaN衬底401上形成的多个氮化镓系半导体层等构成的叠层402，在所述叠层402的上侧形成的p侧电极403，以及从n型GaN衬底401一侧按这一顺序形成的n侧电极(内层)404A和n侧电极(外层)404B。n侧电极(外层)404B通过含有70％Au和30％Sn的焊料412固定到基座410的上侧。
基座410包括SiC板和分别在SiC板的上侧和下侧形成的金属多层膜407和408。每一金属多层膜407和408包括(例如)从与基座410的SiC板接触的一侧按顺序形成的钛(Ti)、铂(Pt)和金(Au)。将基座410的下侧通过含有3％SnAg和0.5％Cu的焊料(层)413固定到芯柱的台部分421。基座410具有扩散氮化镓系半导体激光器芯片450内产生的热量的作用。
此外，p侧电极403通过引线414A电连接至引脚416，n侧电极(内层)404A通过n侧电极(外层)404B、焊料412、金属多层膜407和引线414B电连接至引脚411。此外，分别在芯柱420以及引脚411和416之间布置绝缘环411A和416A。芯柱420和作为其一部分的台部分421通过绝缘环411A和416A与引脚411和416电绝缘。通过这些引脚411和416，将电流提供至氮化镓系半导体激光器芯片450。此外，引脚422电连接至芯柱420。
(氮化镓系半导体激光器芯片的结构)接下来，将对氮化镓系半导体激光器芯片450的结构予以说明。图10是根据第四实例的氮化镓系半导体激光器芯片450的横截面图。叠层402包括在n型GaN衬底401的上表面按顺序形成的n型GaN接触层502、n型AlGaN包覆层503、n型GaN导引层504、InGaN多量子阱有源层505、p型AlGaN蒸镀保护层506、p型GaN导引层507、p型AlGaN包覆层508和p型GaN接触层509，以及由SiO2构成的绝缘膜510。
p型AlGaN包覆层508和p型GaN接触层509配有沿谐振器的方向延伸的条状隆脊406。换句话说，图10所示的氮化镓系半导体激光器芯片450具有隆脊条结构。此外，除了隆脊406以外，在p侧电极403和AlGaN包覆层508以及p型GaN接触层509之间提供由SiO2构成的绝缘膜510，用于电流限制。
叠层402中的氮化镓系半导体层的材料不只限于上述材料。可以采用其他氮化镓系半导体，例如p型AlGaInN，制作p型包覆层，以及采用GaInNAs、GaInP等制作多量子阱有源层。此外，n型AlGaN包覆层503或p型AlGaN包覆层508可以具有多层结构或多量子阱结构。此外，在n型GaN接触层502和n型AlGaN包覆层503之间可以插入抗破裂层，例如InGaN层。此外，可以在n型GaN衬底401和n型GaN接触层502之间插入缓冲层。此外，可以通过不只挖掘p型AlGaN包覆层508和p型GaN接触层509，还挖掘p型GaN光导层507、p型AlGaN蒸镀保护层506以及InGaN多量子阱有源层505，来形成沿谐振器方向延伸的条状隆脊406。
此外，在第四实例中采用n型GaN衬底401制作氮化镓系半导体激光器芯片450。但是，衬底的材料不只限于GaN，还可以是InN、AlN或其混晶构成的半导体。而且，也可以是除氮化镓系半导体以外的蓝宝石、尖晶石、SiC、Si或诸如GaAs、GaP的III-V族半导体。
(氮化镓系半导体激光器芯片的制造过程)接下来，将对根据第四实例的激光器件的制造过程予以说明。首先，采用通常用于制造氮化镓系半导体激光器芯片的公知技术制造晶片，所述晶片包括在其上形成了由多个氮化镓系半导体层等构成的叠层402的n型GaN衬底401，并如图10所示形成p侧电极403。p侧电极403包括从p型GaN接触层509一侧按顺序形成的Pd层(具有15nm的厚度)、Mo层(具有15nm的厚度)和Au层(具有200nm的厚度)。
接下来，对n型GaN衬底401的背侧进行研磨或蚀刻，使晶片的厚度从350μm的初始厚度降低至大约40-150μm。之后，从n型GaN衬底401一侧形成用于n侧电极(内层)404A的Ti层(30nm)和Al层(150nm)。此外，形成用于n侧电极(外侧)404B的Mo层(8nm)、Pt层(15nm)和Au层(250nm)。
采用这种方法，在晶片上形成了叠层402、p侧电极403、n侧电极(内层)404A和n侧电极(外层)404B，并对这一晶片解理。通过真空蒸镀法或ECR溅射法在解理面上形成由诸如Al2O3的透明电介质构成的端面涂层(未示出)，从而形成氮化镓系半导体激光器芯片450的发光端面。在这种情况下，执行晶片的解理，使得氮化镓系半导体激光器芯片450的振荡长度变成600μm。有可能通过对晶片蚀刻，而不是解理的方法形成发光端面。
(氮化镓系半导体激光器芯片的芯片划分步骤)采用这种方式，通过晶片解理获得激光器条，并将激光器条进一步划分为氮化镓系半导体激光器芯片450。所述芯片划分步骤与上文参照图4A和图4B予以说明的步骤相同。通过特性评估试验对通过所述芯片划分步骤获得的氮化镓系半导体激光器芯片450进行测试，其中通过脉冲电流驱动所述芯片。如果其阈值电流值小于预定值，那么将芯片选为优质芯片。
(氮化镓系半导体激光器芯片的安装步骤)将通过上述方法获得的氮化镓系半导体激光器芯片450固定(安装)到芯柱的台部分421上。在下文中，将对安装步骤予以说明，其中，采用作为管芯接合法的焊接法实现固定。
如图11A所示，在填充了氮气的安装设备中，将基座410放置在支持部分261上。将厚度为200μm左右，并且含有重量百分比为70％的熔点为280℃的Au和重量百分比为30％的Sn的片状焊料(层)412布置在基座410的表面上。接下来，基座410加热至稍高于焊料412的熔点的温度。当焊料412熔化时，通过夹持器270吸附上述氮化镓系半导体激光器芯片450，并以n侧电极(外层)404B一侧接触焊料412的方式放置。此外，适当施加重量F，使得氮化镓系半导体激光器芯片450和基座410与焊料412吻合良好。这时，对其冷却，使焊料412变硬。于是，将氮化镓系半导体激光器芯片450固定到了基座410上。
接下来，如图11B所示，在安装设备中将芯柱420设置到支持部分261上，并将含有重量百分比为3％，熔点为220℃的SnAg和重量百分比为0.5％的Cu的焊料(层)413布置在芯柱的台部分421上。这时，将芯柱的台部分421加热至稍高于焊料413的熔点的温度。当焊料413熔化时，通过夹持器270吸附上述固定了氮化镓系半导体激光器芯片450的基座410，使得在其背侧形成的金属多层膜408一侧面对台部分421一侧，并将其放置在芯柱的台部分421上。此外，施加适当的重量F，从而使固定了氮化镓系半导体激光器芯片450的基座410和芯柱的台部分421与焊料413良好地吻合(conform)。之后，冷却芯柱的台部分421，使焊料413变硬，从而获得通过基座410固定到芯柱的台部分421上的氮化镓系半导体激光器芯片450。
将氮化镓系半导体激光器芯片450从安装设备中取出置于大气当中，并将其置于填充了氮气的引线接合设备(未示出)当中。如图9A所示，p侧电极403和引脚416通过引线414A相互电连接，而n侧电极(内层)404A和引脚411通过n侧电极(外层)404B、焊料412、金属多层膜407以及引线414B互相电连接。
尽管在第四实例中p侧电极403采用了Pd/Mo/Au多层膜，但是例如可以采用从下述集合中选出的元素替代Pd例如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，或其化合物。此外，可以采用从下述集合中选出的金属替代AuNi、Ag、Ga、Sn、Pb、Sb、Zn、Si、Ge和Al，或化合物。每一层的厚度不限于上述值。此外，尽管在第四实例中n侧电极(内层)404A采用了Ti/Al多层膜，但是也可以采用Hf替代Ti。每一层的厚度不只限于第四实例中提及的值。
此外，尽管在第四实例中采用SiC作为基座410的材料，但是也可以采用诸如AlN、GaAs、Si或金刚石的其他具有良好的导热性的材料。
此外，在基座410表面(位于金属多层膜407一侧上)上布置的焊料不只限于含有70％的Au和30％的Sn的组分。其可以是含有重量百分比为80％的Au和重量百分比为20％的Sn的组分，其具有低共熔点。例如，可以采用诸如SnAgCu、In或PbSn的其他焊接材料。此外，AuSn焊料中的Au和Sn的比率也不是限制性的。此外，基座410(金属多层膜408侧)和芯柱的台部分421之间的焊接材料不只限于SnAg3Cu0.5。可以采用AuSn、In、PbSn、Ag浆料或其他导电浆料的任一种。此外，有可能改变含有3％的SnAg和0.5％的Cu的焊料中Sn、Ag和Cu之间的比率，所述比率不是限制性的。注意，布置在基座410(金属多层膜407侧)上的焊料的熔点大于或等于布置在基座410(金属多层膜408侧)和芯柱的台部分421之间焊料的熔点就足够了。如果两个熔点相等，则能够同时实施两侧的管芯接合。
此外，具有台部分421的芯柱420由含有作为主要成分的Cu或Fe的金属构成，在其表面通过镀覆法按所述顺序形成Ni膜和Au膜，或者Ni膜、Cu膜和Au膜。
(密封步骤)接下来，如图12所示，在密封设备285中将激光器芯片固定支架400放置在密封设备285的基座286上，在密封设备285中填充了露点为-20℃的干空气。通过工具287把持管壳430，并将其放置在激光器芯片固定支架400上。通过电阻加热法在基座286和工具287之间提供电流，使激光器芯片固定支架400和管壳430通过相互焊接达到密封的目的。于是，制造出了半导体激光器件440。采用这种方式，使氮化镓系半导体激光器芯片450的封装的内部与外部环境隔离。
注意，所述封装内的填充空气不只限于干空气，可以是诸如干氮气、氦气、氖气、氩气、氪气等惰性气体，或者干惰性气体和干空气或氧气的混合气体。
(紫外线照射步骤)接下来，将半导体激光器件440放置到图13所示的紫外线照射设备210中，并通过加热器(未示出)将其加热到200℃。紫外线照射设备210配有发射紫外线的汞灯211，所述紫外线具有185nm和254nm的波长。来自汞灯211的紫外线212通过半导体激光器件440的管壳430的光透射窗430A照射到半导体激光器件440的内部，持续10分钟。将汞灯211的照度设置为5mW/cm2。为了有效实施这一步骤，光透射窗430A优选由能够充分透过上述紫外线的材料构成，尤其是石英或石英玻璃。在这一情况下，其能够透过具有150nm或更长波长的光。
就作为可能污染物的硅氧烷系材料而言，形成其架构的硅氧烷键(Si-O)的光吸收中心波长大约为270nm。因此，当照射290nm或更短波长的光时，硅氧烷键变为激发态，从而促进了其光致分解。来自汞灯211的光(具有185nm和254nm的波长)是波长短于290nm的光，因此其能够促进光致分解。此外，即使照射波长大于290nm的光，硅氧烷系材料中的位于Si和侧链之间的键(Si-C等)也将变成激发态，从而促进其光致分解。在硅氧烷系材料分解时，生成以固态氧化硅为主要成分的物质作为光化学反应物质，我们认为其成为污染物的主要成分。
就作为另一种可能的污染物的具有碳键的有机物质而言，通过波长处于290-420nm范围的光促进形成其架构的C-C键的分解。反之，如果具有碳键的有机物质利用光化学反应通过聚合或交联(crosslinkage)变成分子量比初始有机物质的分子量还大的物质，那么光化学反应物质将变为固体残渣。此类具有碳键的有机物质被认为是污染物。
如上所述，所述光源不仅限于汞灯211。其可以是卤素灯、紫外线激光器、紫外线LED和准分子灯中的任何一种，只要其具有小于等于420nm的波长。此外，强度和时间不仅限于上述值。注意，在采用振荡波长小于等于420nm的氮化镓系半导体激光器芯片的激光器件中在发光端面上产生了光化学反应物质的沉积。基于这一事实，可以推断在根据这一实例的制造方法的紫外线照射步骤中采用波长小于等于420nm的光(例如紫外线)是有效的。
如上所述，在向半导体激光器件440中照射紫外线212时，通过加热分解汽化的污染物。将发光端面也暴露到紫外线中。但是，照射紫外线的区域是整个密封的空间，其比发光端面大得多。因此，在这一紫外线照射步骤中可以忽略光化学反应物质在发光端面上的沉积。因此，在元件工作时防止了在发光端面上沉积光化学反应物质。于是，可以实现具有长使用寿命的元件，并且在其工作过程中几乎没有诸如驱动电流升高的特性劣化。
由于在加热过程中执行紫外线照射步骤，因此易于实现污染物的汽化，因此能够促进紫外线照射的效果。作为可能的污染物的典型硅氧烷系材料的沸点如下。1，1，3，3-四甲基二硅氧烷的沸点为70℃。五甲基二硅氧烷的沸点为86℃。六甲基二硅氧烷的沸点为101℃。八甲基三硅氧烷的沸点为153℃。六甲基环三硅氧烷的沸点为188℃。八甲基环四硅氧烷的沸点为175℃。十甲基环五硅氧烷的沸点为211℃。十二甲基环六硅氧烷的沸点为245℃。
此外，作为可能的污染物的具有碳键的典型有机物质的沸点如下所述。苯的沸点为80℃。甲基乙基酮的沸点为80℃。甲苯的沸点为110℃。丁醇的沸点为117℃。二甲苯的沸点为140℃。癸烷的沸点为174℃。乙酸丁酯的沸点为100-150℃。十二烷的沸点为213℃。十四烷的沸点为254℃。环乙酸乙酯的沸点为177℃。2-乙基乙酸乙酯的沸点为199℃。磷酸酯的沸点为215℃。
我们认为这样的污染物是由人体、微生物、结构材料、制造设备所采用的油脂或机油等，或者包含在压敏粘结片中的粘合剂产生的。此外，在分子量大于上述物质的物质分解时也可能产生污染物。通过将所述物质加热至其沸点，并照射紫外线等能够有效去除汽化污染物。因此，为了去除(例如)硅氧烷系材料，优选将温度加热至70℃或更高，更为优选的为101℃或更高，优选得多的为153℃或更高。如果是70℃或更高，那么也能有效去除具有碳键的有机物质，例如苯。
此外，在将填充气体的露点设置为-10℃或更低时，有可能防止湿气附着到元件上。如果湿气附着到了元件上，电极可能受到侵蚀，并且端面的绝缘膜和涂层膜可能吸收湿气(潮气)，从而在元件的工作过程中导致元件劣化。
(老化试验)通过上述步骤共制造5个以405nm的发光波长振荡的半导体激光器件440，并对其进行老化试验，从而检验驱动电流的长期稳定性。在60℃的环境温度条件下，以及30mW的光功率驱动条件下，利用直流(DC)的自动功率控制(APC)实施老化试验。
图14是说明由根据第四实例的制造方法获得的半导体激光器件的测试结果的图示。图14示出了通过第四实例的制造方法获得的5个半导体激光器件440的老化时间和驱动电流之间的关系。如图14所示，在4000小时的老化之后，在200℃下的紫外线照射步骤中处理的半导体激光器件440保持着基本上与初始电流值相等的驱动电流。此外，在初始值中以及在长期老化试验之后，5个半导体激光器件440之间的驱动电流的变化只有10mA左右小。
(第五实例)在第五实例的制造方法中，将紫外线照射步骤中的温度设置为70℃。其他条件与第四实例中相同。但是，要利用由发光的汞灯211导致的温度升高，而不是采用加热器将温度升至70℃。
采用第五实例的制造方法总共制造5个半导体激光器件，并采用与第四实例中的半导体激光器件440相同的方式对其实施老化试验，从而检测驱动电流的长期稳定性。在60℃的环境温度条件下，以及30mW的光功率驱动条件下，利用直流(DC)的自动功率控制(APC)实施老化试验。
图15是说明采用根据第五实例的制造方法获得的半导体激光器件的测试结果的图示。图15示出了采用第五实例的制造方法获得的5个半导体激光器件的老化时间和驱动电流之间的关系。通过第五实例的制造方法获得的，并且在室温下执行了紫外线照射步骤的半导体激光器件的驱动电流随着老化时间的推移只有微小的增长。但是，如果将寿命定义为驱动电流变为初始电流值的1.4倍，那么获得了超过4000小时的寿命。
(第一对比实例)作为第四实例的第一对比实例，在不执行紫外线照射步骤的情况下制造了半导体激光器件440。其他条件与第四实例中相同。通过第一对比实例的制造方法共制造了5个半导体激光器件440，采用与第四实例中的半导体激光器件440相同的方式对其进行老化测试，以检验驱动电流的长期稳定性。在60℃的环境温度条件下，以及30mW的光功率驱动条件下，利用直流(DC)的自动功率控制(APC)进行老化测试。
图16中示出了采用第一对比实例的方法获得的半导体激光器件的测试结果。图16示出了采用第一对比实例的制造方法获得的5个半导体激光器件的老化时间和驱动电流之间的关系。未执行紫外线照射步骤的第一对比实例的半导体激光器件的驱动电流随着老化时间的延长增长显著。此外，可以理解5个半导体激光器件之间的驱动电流的变化大。
(第二对比实例)作为第四实例的第二对比实例，在填充空气的露点为0℃的条件下，制造半导体激光器件440。其他条件与第四实例中相同。采用根据第二对比实例的制造方法共制造5个半导体激光器件，并采用与第四实例的半导体激光器件440相同的方式对其执行老化测试，以检验驱动电流的长期稳定性。在60℃的环境温度条件下，以及30mW的光功率驱动条件下，采用直流(DC)的自动功率控制(APC)进行老化测试。
在图17中示出了采用第二对比实例的制造方法获得的半导体激光器件的测试结果。图17示出了采用第二对比实例的制造方法获得的5个半导体激光器件的老化时间和驱动电路之间的关系。在老化测试过程中5个半导体激光器件中的3个发生了故障。我们发现故障是由电极的腐蚀引起的。采用这种方式，由电极的腐蚀引起了通过第二对比实例的制造方法获得的半导体激光器件的故障状态，这一点与第一对比实例中发现的劣化不同。
(导致特性不同的因素)为了研究导致通过第四实例、第五实例和第一对比实例的制造方法获得的半导体激光器件之间的特性差异的因素，对通过第四实例、第五实例和第一对比实例的制造方法获得的半导体激光器件采用俄歇电子光谱法分析发光端面上沉积的物质。从第一对比实例中的半导体激光器件的发光端面检测到了表明沉积了有机物质的碳和表明沉积了硅化合物的硅，碳的浓度是第四实例的半导体激光器件的十倍。从第五实例的半导体激光器件的发光端面检测到了两倍于第四实例中的半导体激光器件的碳和硅。从上述结果可以认定第一对比实例中的半导体激光器件不具有良好的驱动电流长期稳定性的原因在于在氮化镓系半导体激光器芯片450的发光端面上沉积了含有碳或硅的光化学反应物质，由此增大了光吸收和光反射率的波动，从而造成了诸如驱动电流升高的劣化。
(其他实例)尽管在上述第四和第五实例中采用了由芯柱420和管壳430构成的罐型封装，但是有可能采用(例如)载体(carrier)型封装替代罐型封装。此外，有可能将除氮化镓系半导体激光器芯片450以外的半导体元件，例如光接收元件固定到芯柱420上。
尽管在上述第四和第五实例中提供了光透射窗430A，但是也可以向封装的任何部分提供光透射窗，只要其能够透过激光器芯片发出的或者来自外部的波长小于等于420nm的光。例如，可以向芯柱提供光透射窗。
此外，也可以将本发明应用于除采用氮化镓系半导体激光器芯片的激光器件以外的半导体器件，例如激光耦合器或光拾取器件。
在各个方面都不应将本发明的上述实例视为限制性的。本发明的范围不是由上述说明界定的，而是由权利要求限定的，其包含权利要求及其等同要件范围内的可能修改。
权利要求
1.一种制造激光器件的方法，其包括的步骤有在高于具有低熔点的金属的所述熔点的温度下使所述金属熔化，从而通过所述金属将激光器芯片固定到支架上；在低于所述熔点的热处理温度下加热固定了所述激光器芯片的所述支架；以及在所述加热步骤之后，采用管壳覆盖固定了所述激光器芯片的所述支架，由此密封所述激光器芯片。
2.如权利要求1所述的方法，其中在生成臭氧的气氛中执行所述加热步骤。
3.如权利要求1所述的方法，其中在生成氧等离子体的气氛中执行所述加热步骤。
4.如权利要求1所述的方法，其中在低于所述熔点20℃或更多的所述热处理温度下执行所述加热步骤。
5.如权利要求1所述的方法，其中执行所述加热步骤10分钟或更长时间。
6.如权利要求1所述的方法，其中，所述的具有低熔点的金属是在重量上含有大于等于15％或小于等于90％的Sn的Au-Sn合金，并且在大于等于175℃的所述热处理温度下执行所述加热步骤。
7.如权利要求2所述的方法，其中在生成臭氧的气氛中执行的所述加热步骤包括防止所述激光器芯片直接被用于生成臭氧的紫外线照射。
8.如权利要求1所述的方法，其中，在填充了从下述气体构成的集合中选出的气体或者从所述集合中选出的两种或更多种气体的组合的气氛中执行所述加热步骤氮气、氢气、氦气和氙气。
9.如权利要求1所述的方法，其中，所述密封步骤包括在填充了露点为-10℃或更低的填充气体之后密封地封闭所述激光器芯片。
10.如权利要求1所述的方法，其中，所述加热步骤包括在露点为-10℃或更低的气氛中加热所述管壳和固定了所述激光器芯片的所述支架。
11.如权利要求1所述的方法，其中，所述密封步骤包括在填充了从下述气体构成的集合中选出的气体或者填充从所述集合中选出的两种或更多种气体的组合之后密封地封闭所述激光器芯片干空气、氮气、氧气、氢气、氩气、氦气和氙气。
12.如权利要求1所述的方法，其中，在所述加热步骤和所述密封步骤之间提供60分钟或更短的时间，将固定了激光器芯片的所述支架暴露于大气当中。
13.如权利要求1所述的方法，其中，所述激光器芯片具有500nm或更短的发光波长。
14.如权利要求1所述的方法，其中，所述激光器芯片为氮化物半导体激光器芯片。
15.一种制造激光器件的方法，气包括的步骤有将激光器芯片固定到具有光透射窗的封装的内部；密封地封闭所述封装的内部；以及通过所述光透射窗向所述封装的内部照射具有420nm或更短波长的光，同时在70℃或更高的温度下加热所述激光器件。
16.如权利要求15所述的方法，其中，所述光照射步骤包括在280℃或更低的温度下加热所述激光器件。
17.如权利要求15所述的方法，其中，将要照射的光的波长具有大于等于150nm并小于等于290nm的波长。
18.如权利要求15所述的方法，其中，所述密封地封闭步骤包括向所述封装内填充由干空气或惰性气体构成的气体。
19.如权利要求18所述的方法，其中，所填充的气体的露点为-10℃或更低。
20.如权利要求15所述的方法其中，所述光透射窗由从下述材料构成的集合中选出的一种或更多种材料，或者含有所述一种或更多种材料为作为基础材料的材料构成石英玻璃、石英和蓝宝石。
21.如权利要求15所述的方法，其中，所述激光器芯片具有420nm或更短的发光波长。
22.如权利要求15所述的方法，其中，所述激光器芯片为氮化镓系半导体激光器芯片。
全文摘要
本发明公开了一种制造激光器件的方法，其包括在高于具有低熔点的金属的熔点的温度下使金属熔化，从而通过金属将激光器芯片固定到支架上，在低于所述熔点的加热温度下加热固定了激光器芯片的支架，之后，采用管壳覆盖固定了激光器芯片的支架，由此密封激光器芯片。可以在产生臭氧的环境内，或者产生氧等离子体的环境下执行加热步骤。此外，在干空气或惰性气体中采用管壳覆盖固定了激光器芯片的支架，从而制作密封封闭封装，之后在加热的同时向封装内照射紫外线。本发明在不劣化激光器芯片所采用的焊料和电极的情况下去除附着在包括激光器芯片、芯柱和管壳的封装元件上的污染物，并在激光器芯片工作时抑制光化学反应物质在发光端面上沉积。
文档编号H01S5/343GK1877931SQ20061009160
公开日2006年12月13日 申请日期2006年6月6日 优先权日2005年6月8日
发明者石田真也, 小河淳, 花冈大介 申请人:夏普株式会社