用于提高频率稳定性的半导体激光器安装座的制作方法

用于提高频率稳定性的半导体激光器安装座的制作方法
【专利摘要】半导体激光器芯片（302）的第一接触表面（310）可形成为具有目标表面粗糙度，该目标表面粗糙度选择为具有基本上小于要施加至第一接触表面（310）的金属阻挡层的阻挡层厚度的最大峰谷高度。具有该阻挡层厚度的金属阻挡层可施加至第一接触表面；以及利用焊料组成物（306），通过将焊接组成物加热至小于发生金属阻挡层溶解进入焊接组成物的阈值温度，可以将半导体激光器芯片（302）沿第一接触表面（310）焊接至载体安装座。还公开了有关的系统、方法、制造的制品等等。
【专利说明】用于提高频率稳定性的半导体激光器安装座
[0001]相关申请交叉引用
[0002]本申请根据美国法典第35部分119条要求2011年3月16日提交的题为“Laser Mounting for Improved Frequency Stability” 的共同未决美国临时专利申请n0.61/453, 523的优先权，并涉及2011年2月14 H提交的题为“Spectrometer withValidation Cell”的共同未决且共同拥有的美国专利申请n0.13/026,921,以及还涉及2011 年2月 14 日提交的题为“Validation and Correction of Spectrometer PerformanceUsing a Validation Cell”的共同未决且共同拥有的美国专利申请n0.13/027，000。本段落中指出的各个申请的公开内容在此通过引用而全部并入。
【技术领域】
[0003]本文所述主题涉及半导体激光器的频率稳定，特别涉及用于这些激光器的安装座技术。
【背景技术】
[0004]可调激光器基示踪气体分析仪，例如可调二极管激光器吸收光谱仪(TDLAS)，可针对气体的一个样本容量的每一测量采用窄线宽(例如近似单频率)激光源，该激光源在目标分析物的示踪气体吸收频率范围上被调谐。理想地，这种分析仪中的激光源在恒定激光注入电流和操作温度下，在逐行激光扫描的开始和结束频率中不会展现出材料改变。此外，激光器的频率调谐率的长期稳定性在扫描范围上随激光注入电流改变，且在延长的服务周期下的过度重复扫描也是可取的。
[0005]但是，取决于操作波长，现行的可调激光源(例如二极管激光器和半导体激光器)会典型地展现出若干微微米(千兆赫左右)/每天至零点几微微米/每天的波长漂移。典型的示踪气体吸收带线宽在某些情况下可为零点几纳米至微米左右。因此，激光源的输出强度中的漂移或其他变化可随时间流逝而在示踪气体分析物，特别是具有一种或多种本底化合物的气体(其吸收波谱会干扰目标分析物的吸收特征)的识别和量化中引入关键性误差。

【发明内容】

[0006]在一方面中，一种方法包括将半导体激光器芯片的第一接触表面形成为具有目标表面粗糙度，选择该目标表面粗糙度所具有的最大峰谷高度基本上小于要施加至第一接触表面的金属阻挡层(例如扩散阻挡层)的阻挡层厚度。随后将金属阻挡层以该阻挡层厚度施加至第一接触表面。利用焊接组成物将半导体激光器芯片焊接至载体安装座。焊接包括通过将焊接组成物加热至小于发生金属阻挡层溶解进入焊接组成物的阈值温度而熔化焊接组成物。
[0007]在一个相关方面中，制造的制品包括半导体激光器芯片的第一接触表面，其被形成为具有目标表面粗糙度。目标表面粗糙度包括基本上小于阻挡层厚度的最大峰谷高度。制造的制品还包括施加至第一接触表面的具有该阻挡层厚度的金属阻挡层以及利用焊接组成物焊接半导体激光器芯片的载体安装座。通过焊接工艺将半导体激光器芯片沿第一接触表面焊接至载体安装座，焊接工艺包括通过将焊接组成物加热至小于发生金属阻挡层溶解进入焊接组成物的阈值温度而熔化焊接组成物。
[0008]在某些变型中，一个或多个以下特征可视情况涵盖在任何可执行的组合中。在焊接工艺之后，阻挡层可被持续保留，以致在焊接组成物和半导体激光器芯片的材料之间没有发生直接的接触，和/或以致半导体激光器芯片、焊接组成物中任一个的成分中没有存在直接通路，且载体安装座可设置在整个阻挡层上。而且在焊接工艺之后，焊料组成物的特征可以在于基本上暂时稳定的电传导性和热传导性。金属阻挡层可视情况包括包含以下至少之一的一个或多个金属阻挡层:钼(Pt)、钯(Pd)、镍(Ni)、钨(W)、钥(Mo)、钛(Ti)、钽(Ta)、锆(Zr)、铈(Ce)、钆(Gd)、铬(Cr)、锰(Mn)、铝(Al)、铍(Be)和钇(Y)。
[0009]在某些实例中，焊料组成物可包括基本上不被氧化的焊料预型以及基本上不被氧化的焊料沉积层的至少一种。在其他实例中，将焊料材料蒸发或溅射在热沉上可形成基本上不被氧化的焊料组成物。此外或可替换地，焊接工艺可还包括在非氧化或可替换地还原气氛下执行焊接组成物的熔化。阈值温度在某些实施方式中可小于约210°C，例如，焊料组成物包括但不限于以下一种或多种:约48%Sn和约52%In ;约3%Ag和约97%In ;约58%Sn和约 42%In ;约 5%Ag、约 15%Pb 和约 80%In ;约 100%In ;约 30%Pb 和约 70%In ;约 2%Ag、约 36%Pb和约 62%Sn ;约 37.5%Pb、约 37.5%Sn 和约 25%In ;约 37%Pb 和约 63%Sn ;约 40%Pb 和约 60%In ；约 30%Pb 和约 70%Sn ;约 2.8%Ag、约 77.2%Sn 和约 20%In ;约 40%Pb 和约 60%Sn ;约 20%Pb 和约 80%Sn ;约 45%Pb 和约 55%Sn ;约 15%Pb 和约 85%Sn ;以及约 50%Pb 和约 50%In。
[0010]第一接触表面的形成可包括在施加金属阻挡层之前对第一接触表面进行抛光以
实现目标表面粗糙度。目标表面粗糙度可小于约rms或可替换地小于约40A rms。
载体安装座的第一热膨胀特性可与半导体激光器芯片的第二热膨胀特性匹配。可在施加金属阻挡层之前将金属化层施加至第一接触表面，且在施加金属阻挡层之后且焊接工艺之前将焊料预备层施加至第一接触表面。金属化层视情况可包括约600 A厚度的钛，阻挡金属层视情况可包括约1200 A厚度的钯和/或另一金属；且焊料预备层视情况可包括约2000至5000 A厚度的金。
[0011]在某些实施方式中可以是可调二极管激光器吸收光谱仪的设备可还包括:光源，其包括载体安装座和半导体激光器芯片；检测器，其量化沿路径长度从光源发射的光的接收强度；路径长度至少穿过一次的样品室以及自由空间容积中的至少之一；以及至少一个处理器，其执行的操作包括控制到激光源的驱动电流以及从检测器接收强度数据。载体安装座可包括和/或用作热扩散器、热沉等等。至少一个处理器可视情况使激光源提供具有波长调制频率的光并可解调从检测器接收的强度数据，以执行谐波光谱分析方法。至少一个处理器可算术地校正测量光谱以说明穿过路径长度的样本气体中的化合物的吸收。在某些实例中，算术校正可包括从测量光谱中减去参考光谱，其中在目标分析物的浓度已经降低的情况下针对样本气体的一个样本收集参考光谱。
[0012]与此方法一致的系统和方法也描述为包括可操作以使一个或多个机器(例如计算机等等)产生本文所述的操作的表现为可触摸的机器可读介质的制品。类似地，计算机系统也描述为可包括处理器以及连接至处理器的存储器。存储器可包括使处理器执行本文所述的一个或多个操作的一个或多个程序。
[0013]本文所述主题的一种或多种变型的细节阐述于附图和以下说明书中。本文所述主题的其他特征和优点将从说明书和附图以及权利要求中变得显而易见。
【专利附图】

【附图说明】
[0014]并入且构成本说明书一部分的附图示出本文公开的主题的某些方面，且与说明书一起有助于解释与公开的实施方式有关的一个或多个特征或原理。在附图中，
[0015]图1是示出激光漂移对激光器吸收光谱仪的性能的影响的曲线图；
[0016]图2是示出激光漂移对激光器吸收光谱仪的性能的其他影响的第二曲线图；
[0017]图3是示出固定至载体安装座的半导体激光器芯片的示意图；
[0018]图4是示出具有与当前主题的实施方式一致的一个或多个特征的方法的方面的工艺流程图；
[0019]图5是示出诸如通常用于安装半导体激光器芯片的常规TO-外壳安装座的端视图的不意图；
[0020]图6是示出载体安装座以及固定至其的半导体激光器芯片的放大图的示意图；
[0021]图7是示出半导体激光器芯片和载体安装座之间的焊接点的扫描电子显微照片；
[0022]图8是示出通过X射线衍射测量的随图7中所示的设备中的深度变化的磷浓度的图表；
[0023]图9是示出通过X射线衍射测量的随图7中所示的设备中的深度变化的镍浓度的图表；
[0024]图10是示出通过X射线衍射测量的随图7中所示的设备中的深度变化的铟浓度的图表；
[0025]图11是示出通过X射线衍射测量的随图7中所示的设备中的深度变化的锡浓度的图表；
[0026]图12是示出通过X射线衍射测量的随图7中所示的设备中的深度变化的铅浓度的图表；
[0027]图13是示出通过X射线衍射测量的随图7中所示的设备中的深度变化的钨浓度的图表；
[0028]图14是示出通过X射线衍射测量的随图7中所示的设备中的深度变化的金浓度的图表。
[0029]在实际中，类似的附图标记表示类似的结构、特征或元件。
【具体实施方式】
[0030]实验数据已经揭示，在采用可扫描或可调激光源的激光吸收光谱仪中的光谱扫描之间以小到I微微米(Pm)或更小的量改变的激光发射波长可关于借助处于初始校准状态下的光谱分析仪可获得的测量值本质上改变示踪气体浓度测定。采用差示光谱方法的光谱激光光谱学的一个实例公开在共同拥有的美国专利N0.7，704，301中，在此整体并入其公开内容。其他实验数据已经表明，设计用于低分析物浓度检测和量化(例如，天然气中的硫化氢(H2S)的百万分之一(ppm)量级)并采用谐波(例如2f)波长调制光谱减除方法的可调二极管激光器基分析仪会以不可接受的方式偏离其校准状态，这是由恒定注入电流和恒定温度下(例如通过热电冷却器控制)的小至20微微米(pm)的激光器输出偏移造成的。
[0031]一般来说，对于将分析仪定标保持在其精确要求范围内来说可接受的激光频率偏移随目标分析物浓度减小而降低，且还随目标分析物吸收位置处的样本混合物的其他成分的光谱干扰增大而降低。对于在基本上非吸收本底中的目标分析物的较高水平的测量来说，可容许较大的激光频率偏移，同时保持分析仪校准状态。
[0032]图1和图2中所示的曲线图100和200分别示出了说明可由半导体激光源的特性(例如物理的、化学的等等)随时间改变而造成的激光输出变化的潜在负面影响的实验数据。借助可调二极管激光器光谱仪针对包含约25%乙烷和75%乙烯的参考气体混合物获得图1的曲线图100中所示的参考曲线102。利用相同的光谱仪在经过某一时间之后针对包含约25%乙烷和75%乙烯的本底下的Ippm乙炔获得测试曲线104。乙炔在图1的图表100的波长轴上的约300至400的范围内具有光谱吸收特征。如果不以某种方式调整光谱仪以补偿测试曲线104中相对于参考曲线102所观测到的漂移，则光谱仪的乙炔测量浓度例如将为-0.29ppm而不是Ippm的正确值。
[0033]类似地，在图2中，图表200示出借助可调二极管激光器光谱仪针对包含约25%乙烷和75%乙烯的参考气体混合物获得的参考曲线202。测试曲线204是针对包含约25%乙烷和75%乙烯的本底下的Ippm乙炔的测试气体混合物获得的。如图2中所示，测试曲线204的线形状相对于参考曲线202的线形状失真，这是由随时间影响激光器吸收光谱仪的性能的漂移或其他因素造成的。如果没有校正测试曲线204以补偿测试曲线204中相对于参考曲线202而观测到的失真，则光谱仪确定的测试气体混合物中的乙炔的测量浓度例如将为
1.8Ippm而不是Ippm的真正浓度。
[0034]根据欧姆定律(即P=I2R,其中P是功率，I是电流且R是电阻)，电流驱动的半导体激光器芯片将产生废热，其近似地随驱动激光器的注入电流的平方而增大。虽然半导体二极管激光器组件的电阻R没有典型地随温度改变而线性变化或恒定，但是废热随电流增加而近似平方地增加通常表示真实性能。会典型地发生其中激光器的功率输出在过度温度下降低的热翻转，这是因为典型带隙型直接半导体激光二极管的激光效率随P-η操作温度的升高而降低。这对于红外激光器，例如基于磷化铟(InP)或锑化镓(GaSb)材料系统的激光器来说是特别成立的。
[0035]可通过采用DFB (分布式反馈)方案实现红外半导体激光器的单频率操作，该方案通常使用光栅，光栅或者并入半导体激光器晶体的半导体晶体折射率周期形式的激光器脊中，或者作为金属棒横向于激光器脊设置。决定激光发射波长的各种光栅手段的有效光学周期通常取决于光栅的金属棒的物理间隔或取决于具有不同折射率以及相应半导体材料的折射率的脊再生半导体材料区的物理尺寸。换言之，例如通常用于可调二极管激光器光谱仪的半导体激光二极管的发射波长主要取决于激光器的p-n结和激光器晶体操作温度，且其次取决于激光器内部的载流子密度。激光器晶体温度可随激光器晶体沿其长光学腔轴的温度相关热膨胀以及随温度相关折射率而改变光栅周期。
[0036]可用于可调二极管激光示踪气体分析仪的红外激光器的典型注入电流相关和温度相关波长调谐率可以为约0.1纳米每。C以及约0.1纳米每毫安的量级。因此，为了精密的TDLAS装置希望将半导体激光二极管保持在几千摄氏度的恒定操作温度以及控制在几毫微安培范围内的注入电流。
[0037]相对于原始仪器校准的TDLAS校准状态的长期保持和再生以及相关的长期测量保真度，需要对于任何给定测量都能在波长空间中基本上复制正确的激光操作参数的能力。这就希望采用光谱示踪减除(例如差示光谱)的光谱技术，例如共同拥有的美国专利N0.7，704，301 ;未决美国专利申请 N0.13/027，000 和 13/026，091 以及 12/814，315 ;和美国临时申请N0.61/405，589中所描述的，通过引用将上述文献的公开内容并入本文。
[0038]已经发现处于700nm至3000nm光谱范围内的适用于示踪气体光谱法的市售单频率半导体激光器通常展现出其中心频率随时间漂移。通过在10天至>100天的周期下执行实际分子示踪气体光谱分析，已经确认几微微米(Pm)至零点几Pm每天的漂移率。表现为上述情况的激光器可包括但不限于通过将光栅蚀刻成激光脊而限于单频率操作的激光器(例如常规电信级激光器)、布拉格光栅(例如垂直腔表面发射激光器或VCSEL)、多层窄带介质反射镜、横向I禹合光栅等等。借助半导体二极管激光器；VCSEL ;横向腔表面发射激光器(HCSEL);基于包括但不限于磷化铟(InP)、砷化镓(GaAs)、锑化镓(GaSb)、氮化镓(GaN)、磷化铟镓砷(InGaAsP )、磷化铟镓(InGaP )、氮化铟镓(InGaN)、砷化铟镓(InGaAs )、磷化铟镓铝(InGaAlP)、砷化铟铝镓(InAlGaAs)、砷化铟镓(InGaAs)以及其他单和多量子阱结构的半导体材料的量子串级激光器，已经观察到频率漂移行为。
[0039]已经预先说明的方法以重新证实可调激光器的性能。例如，如上述美国专利申请13/026，921和13/027，000中所述，在分析仪的校正状态过程中收集的参考吸收线形状可与后续收集的测试吸收线形状进行对比。可调整分析仪的一个或多个操作参数，以使测试吸收线形状更类似于参考吸收线形状。
[0040]还希望使半导体基可调激光器中的频率不稳定性的根本原因降低，这至少是因为为了保持分析仪校准而通过调整半导体二极管激光器操作温度或中间驱动电流进行的激光器偏移和输出线形状的补偿仅能在有限波长偏移下进行，这是由于半导体激光二极管中的注入电流和频率偏移之间通常存在非线性相关性(例如因为如上所述的热翻转)。随注入电流改变的频率偏移的非线性会随由温度控制装置(例如热电冷却器或TEC)设定的激光器操作温度和中间注入电流改变。在较高的控制温度下，热翻转会发生在较低注入电流下，而在较低控制温度时，翻转会发生在较高注入电流下。因为控制温度和注入电流一起决定激光发射波长，因此不是用于将激光波长调整至所需目标分析物吸收线的所有控制温度和中间注入电流的组合都将提供相同的频率扫描和吸收光谱。
[0041]因此，当前主题的一个或多个实施方式涉及方法、系统、制造的制品等等，它们的优点包括提供具有充分改进的稳定性特征的半导体基激光器，这是由于将更加临时稳定的化学成分的材料用于将半导体激光器芯片固定至安装装置。当前主题的某些实施方式可提供或包括位于半导体激光器芯片和安装表面之间的接触表面处或其附近的基本上连续且完整的金属扩散阻挡层。根据一个或多个实施方式，通过采用降低在导热性、在有源激光器上的应力和应变以及在注入电流路径的电阻率方面随时间的改变的半导体激光器设计、激光处理、电连接以及散热零件，可降低甚至最小化单频率激光器的漂移。
[0042]图3示出设备300的一个实例，其包括通过插入半导体激光器芯片302的接触表面310和安装装置304之间的焊料层306固定至安装装置304的半导体激光器芯片302。安装装置可用作热沉且可提供与半导体激光器芯片302的一个或多个电连接。可提供一个或多个其他电连接312以将半导体激光器芯片302的P或η结例如通过与载体安装座304直通的焊料层306而连接至第一极性，且将另一结连接至第二极性。
[0043]图4示出的工艺流程图说明包括可出现在当前主题的一个或多个实施方式中的特征的方法。在402，半导体激光器芯片的第一接触表面形成为具有目标表面粗糙度。目标表面粗糙度选择为最大峰谷高度基本上小于将要施加至第一接触表面的阻挡层的阻挡层厚度。在404，将金属阻挡层以该阻挡层厚度施加至第一接触表面。在406，将半导体激光器芯片利用焊料组成物沿第一接触表面焊接至载体安装座。焊接包括通过将焊接组成物加热至小于发生金属阻挡层溶解进入焊接组成物的阈值温度而熔化焊接组成物。
[0044]在某些实施方式中，激光器半导体芯片302的接触表面310可被抛光或被制备成具有小于约IOOArras或可替换地小于约40Α rms的目标表面粗糙度。常规方法通常不集中在接触表面310的表面粗糙度上且因此具有大于约Ium rms的表面粗糙度值。在制备足够光滑的接触表面310之后，可处理接触表面310以形成一个或多个金属阻挡层。金属阻挡层可视情况包括包含至少一种以下金属的一个或多个金属阻挡层:钼(Pt)、钯(Pd)、镍(Ni)、钨(W)、钥(Mo)、钛(Ti)、钽(Ta)、锆(Zr)、铈(Ce)、钆(Gd)、铬(Cr)、锰(Mn)、铝(Al)、铍(Be)和钇(Y)。
[0045]可通过将第一接触表面310抛光至具有低表面粗糙度来辅助创立可经受住焊接工艺的金属阻挡层。通常，例如由钼制成的金属阻挡层的总厚度仅在有限厚度下被沉积，这是因为阻挡层和半导体材料之间的非常高的应力会导致较厚的层从半导体激光器芯片302的半导体材料上分离。金属阻挡层可包括不同材料的多个层。在一个实施方式中，沉积在半导体接触表面上的第一金属层可以是钛(Ti)。在另一实施方式中，沉积在接触表面310上的第一非金属阻挡层可以是钛-氮(TiNx),且第二金属阻挡层404可包括钼(Pt)、钯(Pd)、镍(Ni)中的至少一种或覆盖第一阻挡层的其他金属。
[0046]在某些实施方式中，焊料组成物可选自液线温度小于约240°C或视情况小于约220°C或小于约210°C的组成物，即在热力学平衡下，合金的固态晶体可与熔体共存的最大温度。与当前主题的一个或多个实施方式一致的焊料组成物的实例可包括但不限于:48%Sn、52%In ;3%Ag、97%In ;58%Sn、42%In ;5%Ag、15%Pb、80%In ；100%In ;30%Pb、70%In ；2%Ag、36%Pb、62%Sn ；37.5%Pb、37.5%Sn、25%In ;37%Pb、63%Sn ;40%Pb、60%In ;30%Pb、70%Sn ；
2.8%Ag、77.2%Sn、20%In ;40%Pb、60%Sn ;20%Pb、80%Sn ;45%Pb、55%Sn ;15%Pb、85%Sn ;50%Pb、50%In,等等。
[0047]图5示出常规晶体管轮廓外壳(TO外壳)安装座500的端视图，其例如通常使用在用于电信应用的半导体激光器芯片的安装中。TO外壳广泛用于用作机械安装、电连接的电子和光学封装平台以及诸如激光器和晶体管的散热半导体芯片，且可应用于各种不同尺寸和构造。外部主体502密封接线柱或热沉构件504，热沉构件504可由注入铜钨烧结金属、铜-金刚石烧结金属或包括科瓦合金42以及合金52铁-镍合金的金属制成。可包括两个绝缘的电通孔506以提供电接触用于半导体激光器芯片302上的P和η结的连接。半导体激光器芯片302可安装至载体子座，其在某些实例中可由硅形成。如上所述，半导体激光器芯片302可通过由于比例约束而未在图5中示出的焊料层306接合至载体安装座304 (也称为载体安装架)。图6示出接线柱或热沉构件504、载体安装座304、半导体激光器芯片302以及将半导体激光器芯片302接合至载体安装座的焊料306的放大图600。载体安装座304又可通过第二焊料层602焊接至接线柱或热沉504。
[0048]图7示出电子显微相片700，其显示高度放大的插入半导体激光器芯片302和载体安装座304之间的焊料层306的。镍阻挡层702也提供在载体安装座304的接触表面704上。垂直轴706显示在电子显微照片的顶部以描绘任选原点坐标(在轴706上标记为“O”)与50微米远的直线距离(在轴706上标记为“50”)之间的距离。图7中所示的半导体激光器芯片302没有制备与根据当前主题的各个实施方式一致的如本文所述的光滑的第一接触表面310。因此，第一接触表面310展现出固有的表面粗糙度，且没有存留连续的阻挡层以在焊接工艺之后将半导体激光器芯片302的材料与焊料隔离。图8至图14示出一系列图表800，900，1000，1100，1200，1300和1400，它们分别示出磷、镍、铟、锡、铅、钨和金随沿图7中的轴706的距离而改变的相对浓度。通过X射线衍射技术确定相对浓度。
[0049]如图8的图表800中所示，在半导体激光器芯片302中(大于约36um的距离)观测到较大的磷浓度，这是因为半导体激光器芯片302是磷化铟(InP)的晶体。在镍阻挡层702中观测到磷的另一较高相对浓度，镍阻挡层702实际上由通过将某些磷混入沉积的镍中的无电镀工艺沉积的镍的第一层710以及通过在沉积的镍中混入较少或不混入磷的电解工艺沉积的镍的第二层形成。在焊料(其由锡-铅合金组成且在其初始状态下不包含任何磷)中和电解的镍的第二层712中都出现磷的非零浓度。这些非零浓度分别由磷从半导体激光器芯片302的晶体结构以及从镍的无电镀的第一层710的扩散造成。
[0050]图9示出某些镍也从镍层702扩散进焊料306且进一步扩散进半导体激光器芯片302的晶体结构。类似地，如图10的图表1000所示，铟扩散进焊料306且从这里穿过镍阻挡层702而扩散进载体安装座。如图11的图表1100中所示，作为焊料306的主要成分的锡不会存留在焊料306中，而是也扩散进半导体激光器芯片302的晶体结构。如图12的图表1200中所示，铅也扩散出焊料层306，但与锡从焊料306扩散出的程度相比较小。如图13和图14的图表1300和1400所示，来自钨-铜载体安装座304的钨以及来自沉积在第一接触表面310和第二接触表面702上的焊料预备层的金扩散进焊料且少量扩散进半导体激光器芯片302。
[0051]因此，允许至少在半导体激光器芯片302的第一接触表面310且还希望在载体安装座304的第二接触表面704保持连续、完整的金属阻挡层的当前主题的特征可有利地用于最小化来自载体安装座和/或半导体激光器芯片的元素穿过金属阻挡层的扩散，且由此有助于焊料层306和半导体激光器芯片302的晶体结构的更临时的一致性组成。磷和/或焊料层306中诸如氧、锑、硅、铁等的其他反应性化合物或元素的存在会增加焊料合金组成物发生反应的趋势，且由此改变晶体结构中的化学组成、密闭度，且更重要地，改变电气和/或热导率。这些改变会导致接触焊料层306的半导体激光器芯片302的激光发射特征的变化。
[0052]而且，诸如铅；银；锡等的焊料成分和/或诸如钨、镍、铁、铜等的载体安装座成分扩散进入半导体激光器芯片302的晶体结构也会导致激光发射特性随时间改变。
[0053]当前主题的实施方式可提供一个或多个优点，包括但不限于在激光器晶体或其他半导体芯片及其物理安装座之间保持连续的金属扩散阻挡层，防止焊料化合物和/或安装装置材料与激光器晶体的相互扩散，以及防止焊料的污染。已经发现相互扩散和/或电迁移导致电阻率的改变，并导致接触的热传导性质的较小范围的改变。即使将驱动电流提供至半导体激光器芯片的一个电接触的非常小的阻热改变也会导致由半导体激光器芯片产生的光的频率改变。
[0054]在使用常规半导体激光器芯片安装方法的某些已观测的实例中，激光器输出中的感应偏移可大于I微微米每天。因此当前主题的实施方式可包括用于改进焊料层306和半导体激光器芯片302之间的一个或多个第一接触表面310处的金属阻挡层以及焊料层306和载体安装座304之间的第二接触层702的一种或多种技术。在一个实例中，第二接触表面702处的改进的金属阻挡层可包括例如保持铜钨子座等的边缘清晰度，由金焊料预备层的沉积之前作为最终层的电解镍层712的最小厚度覆盖的无电镀镍底层710。在另一实例中，包括但不限于镍、钼、钯以及导电非金属阻挡层中的至少一种的溅射阻挡材料的单层可用作位于第一接触表面310处的单阻挡层。在将半导体激光器芯片302焊接至载体安装座304之前的焊料材料的氧化会引入氧和其他潜在的反应性污染物，有利地使用在使用前基本上不允许被氧化的焊料形式。或者，可在还原气氛下或可替换地在包括但不限于真空，氮气(N2),纯氢气(H2),合成气体(95%氮气中约5%氢)的非氧化气氛下执行焊接工艺，且氮载气中的甲酸可移除或至少减少金属化半导体接触表面以及载体安装表面上的焊料组成物中的氧化化合物的存在。
[0055]要沉积在第一接触表面310和/或第二接触表面702上的合适的阻挡层可包括但不限于钼、钯、镍、钛氮化物以及钛氧氮化物以及其他非金属导电材料。
[0056]在某些实施方式中，载体安装座304的热导率可有利地超过50瓦特/米-开或视情况超过100瓦特/米-开或视情况超过150瓦特/米-开。合适的载体安装座材料可包括但不限于铜钨、钨、铜-金刚石、氮化铝、硅、氮化硅、碳化硅、氧化铍、氧化铝(A1203)、科瓦合金42、合金52等等。在某些实施方式中可使用与半导体激光器芯片302的热膨胀匹配的散热器或载体安装座304。在与当前主题的一个实施方式一致的一个实例中，约15%铜约85%钨的烧结金属散热器、氧化铍散热器、氧化铝散热器、蓝宝石散热器或铜-金刚石散热器可提供与锑化镓(GaSb)半导体激光器芯片302匹配的约7ppm°C 1左右的良好热膨胀。在与当前主题的一个实施方式一致的另一实例中，纯钨散热器、硅，氮化硅散热器、碳化硅散热器、蓝宝石散热器、铜-金刚石散热器或氮化铝(AlN)散热器可用作载体安装座304，以提供与磷化铟(InP)半导体激光器芯片302匹配的约4.5ppm°C ―1左右的良好热膨胀。娃、碳化硅、氮化硅、氮化铝、钨或铜-金刚石散热器还可用作例如用于磷化铟(InP)半导体激光器芯片302的载体子座304。
[0057]与当前主题的实施方式一致的其他载体安装座包括但不限于成形的铜钨散热器，包括但不限于半导体激光器产业标准的c安装座和CT安装座、TO外壳、图案金属化陶瓷、图案金属化硅、图案金属化碳化硅、图案金属化氮化硅、图案金属化氧化铍、图案金属化氧化铝、图案金属化氮化铝、铜-金刚石、具有与一个或多个半导体激光器芯片组成部分匹配的膨胀匹配子座的一个或多个部分的纯铜、铜焊至铜或铜钨c安装座内的钨子座等等。可在不限磷化铟晶体、砷化镓晶体、锑化镓晶体、氮化镓晶体等等的情况下形成半导体激光器芯片302。
[0058]本文所述的主题可实施在系统、设备、方法和/或取决于所需构造的制品中。上述说明书中阐明的实施方式不代表与本文所述的主题一致的所有实施方式。而是，它们仅仅为与所述主题相关的方面一致的某些实例。虽然上文已经详细说明了一些改变，但是其他变型或附加形式都是可能的。特别地，除了本文阐明的那些之外，还可提供其他特征和/或改变。例如，上述实施方式可涉及所公开的特征的各种组合和子组合和/或上述公开的若干其他特征的组合和子组合。此外，附图中所描述和/或本文所述的逻辑流程未必要求所示的特定次序或顺序的次序以实现所需结果。其他实施方式可处于以下权利要求的范围内。
【权利要求】
1.一种方法，包括: 将半导体激光器芯片的第一接触表面形成为具有目标表面粗糙度，该目标表面粗糙度被选择为所具有的最大峰谷高度基本上小于要施加至所述第一接触表面的金属阻挡层的阻挡层厚度； 将具有所述阻挡层厚度的所述金属阻挡层施加至所述第一接触表面；以及 利用焊料组成物将所述半导体激光器芯片沿所述第一接触表面焊接至载体安装座，焊接包括通过将所述焊接组成物加热至小于发生所述金属阻挡层溶解进入所述焊接组成物的阈值温度而熔化所述焊接组成物。
2.根据权利要求1的方法，其中，在焊接之后，金属阻挡层保持连续，以使半导体激光器芯片的半导体材料和焊料组成物之间没有发生直接接触。
3.根据权利要求1的方法，其中，在焊接工艺之后，金属阻挡层保持基本连续，以使不存在半导体激光器芯片、焊料组成物以及载体安装座中任一个的成分穿过金属阻挡层扩散的直接路径。
4.根据权利要求1至3任一项的方法，其中，在焊接工艺之后，焊料组成物的特征在于具有基本上临时地稳定的电导率和热导率。
5.根据权利要求4的方法，还包括以下至少之一: 提供焊料组成物作为基本上不被氧化的焊料预型和/或基本上不被氧化的沉积层，以及 在还原气氛和/或非氧化气氛 下执行焊接组成物的熔化。
6.根据权利要求1至5任一项的方法，其中阈值温度小于约240°C;约2201:以及约210 °C中的至少一个。
7.根据权利要求1至6任一项的方法，其中焊料组成物选自由以下构成的组:约48%Sn和约 52%In ;约 3%Ag 和约 97%In ;约 58%Sn 和约 42%In ;约 5%Ag、约 15%Pb 和约 80%In ;约100%In ；约 30%Pb 和约 70%In ；约 2%Ag、约 36%Pb 和约 62%Sn ；约 37.5%Pb、约 37.5%Sn 和约 25%In ;约 37%Pb 和约 63%Sn ;约 40%Pb 和约 60%In ;约 30%Pb 和约 70%Sn ;约 2.8%Ag、约77.2%Sn 和约 20%In ;约 40%Pb 和约 60%Sn ;约 20%Pb 和约 80%Sn ;约 45%Pb 和约 55%Sn ;约15%Pb 和约 85%Sn ；以及约 50%Pb 和约 50%In。
8.根据权利要求1至7任一项的方法，其中金属阻挡层包括以下至少之一:钼(Pt)、钯(Pd)、镍(Ni)、钨(W)、钥(Mo)、钛(Ti)、钽(Ta)、锆(Zr)、铈(Ce)、钆(Gd)、铬(Cr)、锰(Mn)、铝(Al)、铍(Be)和钇(Y)。
9.根据权利要求1的方法，其中形成第一接触表面包括在施加金属阻挡层之前抛光第一接触表面以实现目标表面粗糙度。
10.根据权利要求1至9任一项的方法，其中目标表面粗糙度小于约100A rms和约40 A rms中的至少一个。
11.根据权利要求1至10任一项的方法，还包括将载体安装座的第一热膨胀特性与半导体激光器芯片的第二热膨胀特性匹配。
12.根据权利要求1至11任一项的方法，还包括: 在施加金属阻挡层之前将金属化层施加至第一接触表面；以及 在施加金属阻挡层之后且焊接之前将焊料预备层施加至第一接触表面。
13.根据权利要求12的方法，其中金属化层包括约600A厚度的钛，阻挡层包括约1200 A厚度的钼且焊料预备层包括约2000至5000 A厚度的金。
14.根据权利要求1至13任一项的方法，还包括将第二金属阻挡层施加至载体安装座的第二接触表面，沿第二接触表面执行半导体激光器芯片的焊接。
15.一种制造的制品，包括: 半导体激光器芯片的第一接触表面，其被形成为具有目标表面粗糙度，该目标表面粗糙度所具有的最大峰谷高度基本上小于阻挡层厚度； 具有所述阻挡层厚度的金属阻挡层，其被施加至所述第一接触表面；以及 载体安装座，所述半导体激光器芯片被利用焊料组成物沿所述第一接触表面焊接至该载体安装座，所述半导体激光器芯片通过焊接工艺而被焊接至所述载体安装座，所述焊接工艺包括通过将所述焊接组成物加热至小于发生所述金属阻挡层溶解进入所述焊接组成物的阈值温度而熔化所述焊接组成物。
16.根据权利要求15的制品，其中，在焊接工艺之后，金属阻挡层保持基本连续，以使不存在半导体激光器芯片、焊料组成物以及载体安装座中任一个的成分穿过金属阻挡层扩散的直接路径。
17.根据权利要求15的制造的制品，其中，在焊接之后，金属阻挡层保持连续，以使半导体激光器芯片的半导体材料和焊料组成物之间没有发生直接接触。
18.根据权利要求15至17任一项的制造的制品，其中，在焊接工艺之后，焊料组成物的特征在于具有基本上临时地稳定的电导率和热导率。
19.根据权利要求15至18任一项的制造的制品，其中，在焊接工艺之前，焊料组成物包括基本上不被氧化的焊料预`型和/或基本上不被氧化的沉积层。
20.根据权利要求15至19任一项的制造的制品，其中焊接工艺还包括在还原气氛和/或非氧化气氛下执行焊接组成物的熔化。
21.根据权利要求15至20任一项的制造的制品，其中阈值温度小于约240°C、约220°C以及约210°C中的至少一个。
22.根据权利要求15至21任一项的制造的制品，其中焊料组成物选自由以下构成的组:约 48%Sn 和约 52%In ;约 3%Ag 和约 97%In ;约 58%Sn 和约 42%In ;约 5%Ag、约 15%Pb 和约 80%In ;约 100%In ;约 30%Pb 和约 70%In ;约 2%Ag、约 36%Pb 和约 62%Sn ;约 37.5%Pb、约37.5%Sn 和约 25%In ;约 37%Pb 和约 63%Sn ;约 40%Pb 和约 60%In ;约 30%Pb 和约 70%Sn ;约2.8%Ag、约 77.2%Sn 和约 20%In ;约 40%Pb 和约 60%Sn ;约 20%Pb 和约 80%Sn ;约 45%Pb 和约55%Sn ;约 15%Pb 和约 85%Sn ;以及约 50%Pb 和约 50%In。
23.根据权利要求15至22任一项的制造的制品，其中金属阻挡层包括以下至少之一:钼(Pt)、钯(Pd)、镍(Ni)、钨(W)、钥(Mo)、钛(Ti)、钽(Ta)、锆(Zr)、铈(Ce)、钆(Gd)、铬(Cr)、锰(Mn)、铝(Al)、铍(Be)和钇(Y)。
24.根据权利要求15至23任一项的制造的制品，其中将第一接触表面形成为具有目标表面粗糙度包括在施加金属阻挡层之前抛光第一接触表面以实现目标表面粗糙度。
25.根据权利要求15至24任一项的制造的制品，其中目标表面粗糙度小于约100Arms 和约40 A rms中的至少一个。
26.根据权利要求15至25任一项的制造的制品，其中载体安装座的第一热膨胀特性与半导体激光器芯片的第二热膨胀特性匹配。
27.根据权利要求15至26任一项的制造的制品，还包括: 在施加金属阻挡层之前将金属化层施加至第一接触表面；以及 在施加金属阻挡层之后且焊接工艺之前将焊料预备层施加至第一接触表面。
28.根据权利要求27的制造的制品，其中金属化层包括约600A厚度的钛，金属阻挡层包括约1200 A厚度的钼且焊料预备层包括约2000至5000 A厚度的金。
29.根据权利要求15至28任一项的制造的制品，还包括施加至载体安装座的第二接触表面的第二金属阻挡层，半导体激光器芯片的焊接沿第二接触表面执行。
30.根据权利要求15至29任一项的制造的制品，还包括: 光源，其包括载体安装座和半导体激光器芯片； 检测器，其量化沿路径长度从光源发射的光的接收强度； 路径长度至少穿过一次的样品室和/或自由空间容积；以及 至少一个处理器，其执行的操作包括控制到激光源的驱动电流和接收来自检测器的强度数据。`
【文档编号】H01S5/022GK103518296SQ201280013579
【公开日】2014年1月15日 申请日期:2012年3月14日 优先权日:2011年3月16日
【发明者】加比·纽鲍尔, 阿尔弗雷德·菲提施, 马蒂亚斯·施里姆佩尔 申请人:光谱传感器公司