一种p型金属电极制备焊料的半导体激光器的制造方法
【专利摘要】一种P型金属电极制备焊料的半导体激光器属于半导体光电子【技术领域】。本发明的提出是为了解决倒装焊时，半导体激光器管芯与热沉之间由于共熔性差导致的焊层内部存在空隙、焊接不牢等问题。本发明涉及的半导体激光器关键结构在于在P型金属电极上制备Au-Sn焊料层。该Au-Sn焊料层有两种结构，一种是Au、Sn分层结构，另一种是Au-Sn合金结构，两种结构中Au、Sn的质量比均为80:20。本发明提高了焊接质量，延长了器件的寿命，对于器件长期高可靠性工作十分有利。
【专利说明】一种P型金属电极制备焊料的半导体激光器
【技术领域】
[0001] 一种P型金属电极制备焊料的半导体激光器属于半导体光电子【技术领域】，具体涉 及一种新型的半导体激光器结构。
【背景技术】
[0002] 近几年来随着半导体激光器应用越来越广泛，输出功率越来越大，对其可靠性提 出了更高的要求。焊接质量是影响半导体激光器可靠性的重要因素之一。Au-Sn焊料是半 导体激光器的焊接工艺中应用最广泛的焊料之一。Au-Sn焊料具有良好的抗疲劳性、电特 性、热特性，使其特别适用于对温度敏感的大功率半导体激光器的封装焊接。
[0003] 目前半导体激光器芯片焊接普遍采用的方法是在热沉上制备Au-Sn合金焊料，然 后将芯片P面电极朝下焊接在热沉上。由于半导体激光器管芯上没有焊料层结构，管芯与 热沉的共熔性较差，在焊接过程中若不施加外力，会导致焊层内部出现空洞，焊接不牢固等 问题，降低了焊接质量，影响器件的可靠性和寿命。
【发明内容】
，
[0004] 针对现有的焊接技术存在的问题，本发明的目的在于提供了一种将焊料制备在P 型金属电极上的半导体激光器。该半导体激光器解决了批量生产时，在不施加外力的情况 下，由于管芯和热沉的共熔性较差而导致的焊层内部存在空洞以及管芯与热沉焊接不牢固 的问题。
[0005] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案为一种P型金属电极制备焊料的半导体 激光器，如图1所示，该激光器包括有源区1、P型金属电极2、Au-Sn焊料层3,其在P型金 属电极2之上制备Au-Sn焊料层3 ;Au-Sn焊料层3采用Au、Sn分层结构或者Au-Sn合金层 结构，两种结构中Au层、Sn层的质量比均为80:20 ;所述Au-Sn焊料层3完全覆盖在整个P 型金属电极2之上，P型金属电极2覆盖在有源区1上。所述的激光器为p面朝下的倒装焊 形式，为端面发射结构或者垂直腔面发射结构中的一种；所述的激光器的材料体系为GaAs 系材料、GaN系材料、InP系材料、GaSb系材料中的一种。
[0006] 具体实施步骤为：
[0007] A对制备好P面金属电极2的普通半导体激光器芯片进行清洗，并进行去氧化处 理。
[0008] B制备Au-Sn焊料层3。
[0009] 在步骤B中，若Au-Sn焊料层3采用分层结构，制备工艺采用磁控溅射或者电子束 蒸发或者电镀的方法在P型金属电极2上先沉积Sn焊料，Sn层完全覆盖在整个P型金属 电极2之上；然后在Sn层之上采用磁控溅射或者电子束蒸发或者电镀的方法制备Au层；若 Au-Sn焊料层3采用合金结构，制备工艺为采用合金电镀或者合金磁控溅射在P型金属电极 上沉积Au-Sn合金焊料层。
[0010] 本发明的有益效果是：Au-Sn焊料具有良好的热特性和电特性，较高的焊接强度， 且浸润性好，有效提高了半导体激光器的焊接质量。在P型电极上沉积一层Au-Sn焊料，改 善了管芯与热沉的共熔性，减少了焊层内部存在的空洞，增加了焊接的牢固性，有效增加了 器件的寿命和可靠性。
【专利附图】
【附图说明】
[0011] 图1是一种P型金属电极制备焊料的半导体激光器结构图。
[0012] 图2是一种P型金属电极制备焊料的脊形半导体激光器剖面图。
[0013] 图3是一种P型金属电极制备焊料的锥形半导体激光器结构图。
[0014] 图中：1.有源区；2.P型金属电极；3.Au-Sn焊料层；4.下波导层，5.上波导层， 6.下限制层，7.上限制层，8.衬底，9.N型电极，10.二氧化硅绝缘层，11.P型欧姆接触层， 12. Sn 层，13. Au 层，14. N 型金属电极，15. InP 衬底，16. AlGaAs，17. AlGalnAs，18. AlInAs， 19.5102绝缘层，20.?型电极，21.511层，22.六11层，23.11^，24.1116&六8,25.锥形台面，26.脊 形台面。 具体实施方案
[0015] 以下结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
[0016] 实施例一：一种在P型金属电极制备焊料的脊形半导体激光器的结构如图2所示， 该焊料层为Au、Sn分层结构。该半导体激光器的结构包括有源区1、P型金属电极2、下波 导层4、上波导层5、下限制层6、上限制层7、衬底8、N型电极9、二氧化硅绝缘层10、P型欧 姆接触层ll、Sn层12、Au层13。
[0017] 该半导体激光器制作的具体步骤如下：
[0018] A、在N型GaAs衬底8上M0CVD外延依次生长AlQ.3GaQ. 7As下限制层6、A1Q. fa^As 下波导层4、InGaAs星子讲有源层1、Α1α iGa。9As上波导层5、Α1α 3Gaa 7As上限制层7。
[0019] B、光刻出脊形结构，湿法腐蚀出脊形台面。
[0020] C、等离子体增强化学气相淀积Si02绝缘层10。
[0021] D、在脊形台面上光刻出引线孔。
[0022] E、溅射Ti/Pt/Au形成P型金属电极2。
[0023] F、对芯片进行彻底清洗，然后利用浓硝酸对其进行去氧化处理。
[0024] G、在P型金属电极上采用磁控溅射的方法沉积Sn层12, Sn层完全覆盖整个P型 金属电极。
[0025] H、在形成的Sn层上采用磁控溅射的方法沉积Au层13, Au用量根据设定的Au: Sn 的质量比80:20设定。
[0026] I、减薄N型衬底并在其上溉射AuGeNi/Au形成N型金属电极9。
[0027] J、退火后解理成条，镀膜。
[0028] 半导体激光器焊接采用P面朝下的倒装焊的方法将其焊接在热沉上，焊接时加温 使Sn首先烙化，烙化的Sn向Au层扩散流动，溶解Au层，从而结晶形成合金化合物，实现 管芯与热沉的牢固粘结。
[0029] 实施例二：一种P型金属电极制备合金焊料的锥形半导体激光器结构如图3所示。 该焊料采用Au、Sn分层结构。
[0030] 该半导体激光器制作的具体步骤如下：
[0031] A.外延生长。在InP衬底15上采用M0CVD依次生长AlGaAsl6,有源区 AlGaInAsl7、AlInAsl8、InP23、InGaAs24。
[0032] B. -次光刻出锥形结构，湿法刻蚀出锥形台面。
[0033] C.溅射Si02，作为绝缘层。
[0034] D.二次光刻出脊形结构，湿法腐蚀出脊形台面。
[0035] E.溅射Si02，作为绝缘层。
[0036] F.三次光刻光反馈限制结构，湿法腐蚀出穿越有源区的阻断结构。
[0037] G.溅射Ti/Pt/Au形成P型金属电极20。
[0038] H.对芯片进行彻底清洗，然后利用浓硝酸对其进行去氧化处理。
[0039] I.在P型金属电极上采用溅射的方法沉积Sn层21，Sn层完全覆盖整个P型金属 电极。
[0040] J.在形成的Sn层上采用溅射的方法沉积Au层22, Au用量根据设定的Au:Sn的 质量比80:20设定。
[0041] K.减薄N型衬底并在其上溉射AuGeNi/Au形成N型金属电极14。
[0042] L.退火后解理成条，镀膜。
[0043] 以上所述仅为本发明较佳的实施例，并不用于限制本发明。本发明涉及的在P型 金属电极制备焊料的结构适用于采用倒装焊方法的半导体激光器，不限制半导体激光器的 材料体系、结构以及P型电极的组分、形状。
【权利要求】
1. 一种P型金属电极制备焊料的半导体激光器，其特征在于：该激光器包括有源区 (1) 、P型金属电极（2)、Au-Sn焊料层（3)，其在P型金属电极⑵之上制备Au-Sn焊料层 (3) ;Au-Sn焊料层（3)采用Au、Sn分层结构或者Au-Sn合金层结构，两种结构中Au层、Sn 层的质量比均为80:20 ;所述Au-Sn焊料层（3)完全覆盖在整个P型金属电极（2)之上，P 型金属电极（2)覆盖在有源区（1)上；所述的激光器为p面朝下的倒装焊形式，为端面发射 结构或者垂直腔面发射结构中的一种；所述的激光器的材料体系为GaAs系材料、GaN系材 料、InP系材料、GaSb系材料中的一种； 具体实施步骤为： A对制备好P面金属电极（2)的普通半导体激光器芯片进行清洗，并进行去氧化处理； B制备Au-Sn焊料层（3)。
2. 根据权利要求1所述的一种P型金属电极制备焊料的半导体激光器，其特征在于： 在步骤B中，若Au-Sn焊料层（3)采用分层结构，制备工艺采用磁控溅射或者电子束蒸发或 者电镀的方法在P型金属电极（2)上先沉积Sn焊料，Sn层完全覆盖在整个P型金属电极 (2) 之上；然后在Sn层之上采用磁控溅射或者电子束蒸发或者电镀的方法制备Au层；若 Au-Sn焊料层（3)采用合金结构，制备工艺为采用合金电镀或者合金磁控溅射在P型金属电 极上沉积Au-Sn合金焊料层。
3. 根据权利要求1所述的一种P型金属电极制备焊料的半导体激光器，其特征在于： 该焊料层为Au、Sn分层结构；该半导体激光器的结构包括有源区（1)、P型金属电极（2)、下 波导层（4)、上波导层（5)、下限制层（6)、上限制层（7)、衬底（8)、N型电极（9)、二氧化硅 绝缘层（10)、P型欧姆接触层（11)、Sn层（12)、Au层（13); 该半导体激光器制作的具体步骤如下： A、 在N型GaAs衬底（8)上MOCVD外延依次生长AlQ.3GaQ. 7As下限制层（6)、Α1αι6&α9Α8 下波导层⑷、InGaAs星子讲有源层（1)、Alf^Gao.gAs上波导层（5)、Alo.3Gao.7As上限制层 (7)； B、 光刻出脊形结构，湿法腐蚀出脊形台面； C、 等离子体增强化学气相淀积Si02绝缘层（10); D、 在脊形台面上光刻出引线孔； E、 溅射Ti/Pt/Au形成P型金属电极（2); F、 对芯片进行彻底清洗，然后利用浓硝酸对其进行去氧化处理； G、 在P型金属电极上采用磁控溅射的方法沉积Sn层（12)，Sn层完全覆盖整个P型金 属电极； H、 在形成的Sn层上采用磁控溅射的方法沉积Au层（13)，Au用量根据设定的Au: Sn的 质量比80:20设定； I、 减薄N型衬底并在其上溅射AuGeNi/Au形成N型金属电极（9); J、 退火后解理成条，镀膜； 半导体激光器焊接采用P面朝下的倒装焊的方法将其焊接在热沉上，焊接时加温使Sn 首先熔化，熔化的Sn向Au层扩散流动，溶解Au层，从而结晶形成合金化合物，实现管芯与 热沉的牢固粘结。
4. 根据权利要求1所述的一种P型金属电极制备焊料的半导体激光器，其特征在于： 一种P型金属电极制备合金焊料的锥形半导体激光器结构，该焊料采用Au、Sn分层结构； 该半导体激光器制作的具体步骤如下： A. 外延生长；在InP衬底（15)上采用MOCVD依次生长AlGaAs (16)，有源区 AlGalnAs(17)、AlInAs(18)、InP(23)、InGaAs(24); B. -次光刻出锥形结构，湿法刻蚀出锥形台面； C. 溅射Si02，作为绝缘层； D. 二次光刻出脊形结构，湿法腐蚀出脊形台面； E. 溅射Si02，作为绝缘层； F. 三次光刻光反馈限制结构，湿法腐蚀出穿越有源区的阻断结构； G. 溅射Ti/Pt/Au形成P型金属电极（20); H. 对芯片进行彻底清洗，然后利用浓硝酸对其进行去氧化处理； I. 在P型金属电极上采用溅射的方法沉积Sn层（21)，Sn层完全覆盖整个P型金属电 极； J. 在形成的Sn层上采用溅射的方法沉积Au层（22)，Au用量根据设定的Au:Sn的质 量比80:20设定； K. 减薄N型衬底并在其上溅射AuGeNi/Au形成N型金属电极（14); L. 退火后解理成条，镀膜。
【文档编号】H01S5/02GK104104009SQ201410323169
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2014年7月8日 优先权日:2014年7月8日
【发明者】崔碧峰, 刘梦涵, 凌小涵, 何新 申请人:北京工业大学