具有金刚石和金属或含金属合金的交替图案的复合衬底的制作方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2015年2月5日提交的美国临时申请第62/112,296号和于2016年2月1日提交的题为“compositesubstratewithalternatingpatternofdiamondandmetalormetalalloy(具有金刚石和金属或含金属合金的交替图案的复合衬底)”的美国专利申请号第15/011,805号的权益，这些申请通过引用并入本文。

本发明涉及由电绝缘材料和导电材料的交替图案组成的复合衬底。更具体地，复合衬底包括金刚石和金属部分、片或片段的交替图案。

背景技术：

包括p-n结的有源电子器件在工作中产生热量。这种有源器件的实例包括半导体激光器、发光二极管和激光二极管。理想地这样的热量应该被迅速地去除以避免有源器件中不期望的温度上升，这可能对有源器件的暂时性能或长期性能产生不利影响。

在实例中，结合激光二极管，温度变化会导致由激光二极管产生的激光的波长偏移。这种波长偏移，甚至微小的，也是不期望的。在实例中，高功率激光二极管可以具有10％至50％之间的电能到光的转换效率。其余的电能被转换为需要去除的热量，否则半导体结温度上升到不期望的水平。另外，由于热消除不足导致的温度上升对输出波长和带隙具有直接影响。在实例中，对于每三摄氏度的温度变化，二极管激光器的波长可以改变近1nm。此外，激光二极管的输出功率随着温度的升高而降低。

通常，这种有源器件耦合到热沉衬底，其辅助通过各种接合机构(例如粘合剂或焊料)去除热量。在有源器件是半导体激光器或激光二极管的实例中，形成这种有源器件的材料的热膨胀系数(cte)可以在3×10^-6米/米-开氏度(m/m-k)之间)至7×10^-6m/m-k。相反，根据选择用于形成热沉衬底的材料，安装这种有源器件的热沉衬底材料可以具有10×10^-6m/m-k至25×10^-6m/m-k之间的cte。从该实例可以看出，形成有源器件的材料的cte(3×10^-6m/m-k至7×10^-6m/m-k之间)与形成热沉衬底的材料的cte(10×10^-6m/m-k和25×10^-6m/m-k之间)之间存在明显的不匹配。

在本领域中已知的是，有源器件的材料和上述的热沉衬底之间的cte的差异可能导致有源器件和热沉衬底之间的响应于有源器件工作期间的温度变化的接合故障。为了避免这个问题，迄今为止，形成热沉衬底和有源器件的材料的cte被选择为尽可能的接近。但是，这些努力还没有取得令人满意的结果。

迄今为止，在通过选择高热导率的热沉衬底来达到从有源器件高效除热的同时实现热沉衬底的材料和有源器件的材料之间的紧密的cte匹配方面存在真正的挑战。在现有技术的一个实例中，可以通过制造铜-钨、铜-钼等的金属复合物来调整热沉衬底的cte。cu-w和cu-mo的cte可以从铜的cte17×10^-6m/m-k调整到6×10^-6m/m-k与9×10^-6m/m-k之间，取决于铜水平的百分比。例如，钨中15％的铜具有7.2×10^-6m/m-k的cte，而其热导率为约210w/m-k。在另一个实例中，钼中20％的铜具有为7.5×10^-6m/m-k的cte，而其热导率仅为约165w/m-k。

热导率最好的材料之一是具有高达2,200w/m-k以上的热导率的金刚石。因此，金刚石是用于从有源器件散热的理想材料。然而，金刚石具有约1×10^-6m/m-k的cte，基本上偏离有源器件材料的cte(3×10^-6m/m-k至7×10^-6m/m-k)。因此，安装在金刚石热沉衬底上的有源器件的工作期间的温度升高在有源器件上产生热压缩应力。由于有源器件和金刚石热沉衬底之间的cte失配导致的这种热应力可能导致有源器件与金刚石热沉衬底的不希望的接合故障。

在另一实例中，可以通过在金属或含金属基体(例如铝，铜和/或银)内形成金刚石颗粒的复合物来调整热沉衬底的cte。这种复合材料的金刚石体积百分比可以在这种金属或含金属基体中达到高达70％。金刚石颗粒和金属或含金属基体的这种复合材料的热导率可以在300至650w/m-k的范围内，从未达到复合材料的理论上的热导率值(通过给出金刚石颗粒的体积百分比和金属基体的体积百分比，由线性模型确定)。对于70体积％的金刚石颗粒和作为基体的30体积％的铜的复合材料，使用线性模型的理论热导率计算为约1320w/m-k。

据信，不能实现金刚石颗粒和金属铜基体的复合材料的这种理论热导率可能是由于金刚石颗粒的表面和金属基体之间的空隙和/或界面材料而导致的。在一个实例中，金刚石颗粒和金属或含金属基体的直接混合和熔融可以导致在金刚石颗粒和金属或含金属基体的界面上形成空隙，导致金刚石颗粒的较低负载，这又可导致较低的热导率。金刚石颗粒的表面可以用诸如一层碳化硅、碳化钨、碳化钼或其它任何其它合适的金属碳化物的界面材料进行改性，这允许将金刚石颗粒更高负载到金属或含金属基体中。然而，这种界面材料的热导率通常明显低于金刚石的热导率。在一个实例中，碳化硅和碳化钨的热导率分别为100w/m-k至225w/m-k。因此，金刚石颗粒和金属基体之间的这种界面材料在从有源器件通过热沉衬底输送热能期间给予实质的热阻。

实现金刚石颗粒和金属基体的复合材料的理论热导率的失败也可能是由于热传导机制的混合。具体地说，电子通过扩散的运动主导了金属基体中的热传导。即使没有自由电子，通过沿着金刚石晶格的声子分散，强的sp³碳-碳共价键也负责金刚石中高热导率。金刚石/金属或含金属基体的金刚石材料中的声子传导和金刚石/金属或含金属基体的金属材料中的电子扩散之间的能量交换可以从根本上减缓从有源器件通过金刚石颗粒和金属基体的复合物制成的热沉衬底进行的整体热传输。

发明概述

本文公开了复合衬底，其在实施例中包括热沉衬底，热沉衬底包括金刚石部分和金属或含金属部分的交替图案。热沉传输的金刚石部分可以通过沿着金刚石sp³碳-碳键的晶格的声子传输扩散热能，而金属或含金属部分通过电子运动传输和扩散热能。这种组合允许安装在热沉上的有源器件在较低温度或较高功率下或者两者的组合下工作，这是非常需要的。

在实施例中，可以通过改变金刚石部分和/或金属部分的几何形状来调整热沉衬底的复合cte。以这种方式，可以控制有源器件的cte和热沉衬底的复合cte之间的cte差异，以降低当对有源器件的供电在开和关之间循环时由于安装在热沉衬底上的有源器件的工作期间的温度波动而导致的有源器件的热应力。这种减小的热应力可以导致有源器件具有更长的工作寿命，和/或允许有源器件以更高的功率电平工作。

当有源器件或有源器件阵列被安装并直接对准在热沉衬底的金刚石部分之上时，穿过阵列的温升平稳段在安装在现有技术的热沉衬底上的类似阵列上减小，并且跨阵列的温度振荡也在安装到现有技术的热沉衬底上的类似阵列上受抑制，导致跨越有源器件阵列的降低的热应力和相应的温度振荡。

在实施例中，具有在笛卡尔坐标系的相应x，y和z方向上延伸的长度，宽度和高度的热沉衬底，金刚石部分和金属或含金属部分的宽度(y方向)在x方向上横向地交替；复合衬底的金刚石部分和金属或含金属部分的长度在y方向上延伸；并且一个或多个有源器件在z方向上被安装在热沉衬底之上。在实施例中，其中单排两个或更多个有源器件安装在热沉衬底之上，每个有源器件可以安装在独特的一个金刚石部分上。

另一实施例的复合衬底包括由安装在金属或含金属层的一侧上的金刚石层组成的热沉衬底。一个或多个有源器件可以安装在金属或含金属层的另一侧上，即与金刚石层相对的金属或含金属层的一侧。

现在将在以下编号的条款中描述和阐述本发明的各种优选和非限制性的实施例或方面：

条款1：复合衬底包括：一组间隔开的电导体；用于支撑间隔开的电导体的装置；以及一组电绝缘体，其中在每对隔开电导体之间定位与所述一对电导体接触的所述电绝缘体之一。

条款2：条款1的复合衬底还可以包括定位在以下的一个或两个上的至少一个有源器件：一个所述电绝缘体的部分；和一个所述电导体的部分。

条款3：条款1或2的复合衬底，其中用于支撑间隔开的电导体的装置可以位于有源器件和所述一个电绝缘体之间。

条款4：条款1-3中任一项的复合衬底，其中有源器件可以是具有至少一个p-n结的半导体器件。

条款5：条款1-4中任一项的复合衬底，其中复合衬底的热膨胀系数(cte)与有源器件的cte之间的比率可以在0.4和2之间或在0.5之间和1.8，或在0.6和1.6之间，或在0.7和1.4之间，或在0.8和1.2之间。

条款6：条款1-5中任一项的复合衬底，其中每个电绝缘体可以由金刚石构成。

条款7：条款1-6中任一项的复合衬底，其中每个电导体可以由金属或含金属合金构成。

条款8：条款1-7中任一项的复合衬底，其中每个电导体可以由铜-钨(cu-w)合金构成。

条款9：条款1-8中任一项的复合衬底，其中用于支撑间隔开的电导体的装置可以包括以下之一：每个电导体的一端耦合到的轴或底座；或每个电导体的一侧耦合到的板。

条款10：条款1-9中任一项的复合衬底，其中间隔开的电导体和用于支撑间隔开的电导体的装置可以是由相同材料形成的整体件。

条款11：条款1-10中任一项的复合衬底，其中每个电绝缘体可以是：在与所述电绝缘体接触的所述对电导体上直接生长；或者可以与与所述电绝缘体接触的所述对电导体接合；或者可以直接接触所述对电导体，例如摩擦配合。

条款12：条款1-11中任一项的复合衬底，其中直接生长在与所述电绝缘体接触的所述对电导体上的每个电绝缘体可以通过化学气相沉积(cvd)生长。

条款13：条款1-12中任一项所述的复合衬底，其中，与与所述电绝缘体接触的所述对电导体接合的每个电绝缘体可通过粘合剂接合。

条款14：条款1-13中任一项的复合衬底还可以包括在有源器件与一个电绝缘体的所述部分以及一个电导体的所述部分中的一个或两个之间的电介质材料。

条款15：条款1-14中任一项的复合衬底可以进一步包括在所述电介质上的至少一个导体，其被配置为将电信号传送到有源器件的触点和/或从有源器件的触点传送电信号。

条款16：复合衬底包括：金刚石部分、片或片段和金属或含金属部分、片或片段的交替图案；以及用于支撑金刚石部分、片或片段和金属部分、片或片段的交替图案的装置，其中每个金属部分、片或片段具有的热膨胀系数(cte)<12×10^-6米/米-开氏度，<11×10^-6米/米-开氏度，<10×10^-6米/米-开氏度，或<9×10^-6米/米-开氏度。

条款17：条款16的复合衬底，其中用于支撑金刚石部分、片或片段和金属部分、片或片段的交替图案的装置包括以下之一：每个金属部分的一端耦合到的轴或底座；或每个金属部分的一侧耦合到的板。

条款18：条款16-17的复合衬底还可以包括定位在以下之一或两者上的有源器件：金刚石部分、片或段之一的部分；以及金属部分、片或片之一的部分，其中有源器件包括p-n结。

条款19：条款16-18中任一项的复合衬底，其中复合衬底的热膨胀系数(cte)与有源器件的cte之间的比可以在0.4和2之间；或0.5至1.8之间；或在0.6和1.6之间；或0.7和1.4之间；或在0.8和1.2之间。

条款20：条款16-19中任一项的复合衬底，其中金刚石和金属部分、片或片段的交替图案限定了热沉，并且复合衬底还可以包括：在有源器件和在热沉的至少一部分之间的介电层；以及形成在介电层上的导体，所述导体与有源器件的触点电连续。

附图说明

图1a-6显示了不同的实施例的复合衬底，包括安装在不同实施例的热沉衬底上以形成复合衬底的有源器件；和

图7是可用于在图1a-6所示的一个或多个实施例的热沉衬底上沉积金刚石膜的实施例微波等离子体化学气相沉积(mpcvd)系统的示意图。

发明详述

将参考附图描述以下实施例，其中相同的附图标记对应于相似或功能等同的元件。

图1a-5示出了各种实施例的复合衬底2，每个实施例的复合衬底2包括由金刚石部分、片或片段4和金属或含金属部分、片或片段6的交替图案组成的热沉衬底62。下文中，对金属部分6和含金属部分6的提及可互换地用于指由单一金属或金属合金构成的部分6。复合衬底2还可以包括有源器件10或有源器件10的阵列，例如激光二极管，其可以用不同的接合机制(例如焊料，粘合剂等)安装在热沉衬底62之上。热沉衬底62可以是任何几何形状。图1a-6示出尺寸为x，y和z的矩形几何形状，其中x与z的比值和y与z的比值均为≥1。

金刚石部分4可以是多晶或单晶金刚石。每个金刚石部分4可以是矩形条、梯形条、弧形条、三角形条或任何规则或不规则形状的形式。在实施例中，每个金刚石部分4基本上是连续的，并且可以连接到热沉衬底62的含金属部分6上或在热沉衬底62的金属部分6上生长，该含金属部分6可以是任何几何形状。

金刚石部分4可以通过化学气相沉积(cvd)工艺直接生长在金属部分6的表面上，例如热丝等离子体cvd，dc喷射等离子体cvd，激光诱导等离子体cvd，乙炔-炬cvd，射频-等离子体cvd，火焰-等离子体cvd或微波等离子体辅助cvd(mpcvd)。生长在金属部分6上的金刚石部分4的暴露表面可以可选地被研磨并进一步抛光，以获得期望的表面光洁度，用于接合有源器件10或其它有源或无源器件，这些器件的操作将通过散热而受益。

热沉衬底62的表面可以镀或沉积一层或多层金属，例如镍，银，金，铂等，和/或介电层，例如，氮化铝，氮化硼，氧化铍，氧化铝，二氧化硅等。

金属部分6可以包括能够形成碳化物键的化学元素。碳化物形成金属的实例可以包括例如钨，钼，钛，硅，铬，铌，锆，钽，铪等。金属部分6可以包括另外的元素，例如铜，铝，银或元素周期表中的贱金属之一，用于将金属部分6的热膨胀系数(cte)调谐到小于12×10^-6m/m-k，并提高碳化物结合形成金属的热导率。

为了实现金刚石部分4和金属部分6之间的内聚表面接合，金属部分6的表面可以任选地经过化学处理，以便将金刚石材料直接接种在金属部分6上。在实施例中，化学处理可以对金属部分6进行化学蚀刻，例如蚀刻铜-钨合金(形成金属部分6)的表面，以更好地将金刚石部分4粘附到金属部分6。用于蚀刻的化学品可以是酸、碱、盐、螯合剂、氧化剂和/或还原剂，以及任选的液体或气体介质(例如水或气体)。用于蚀刻的酸可以是硝酸，盐酸，硫酸，磷酸，氯酸，高氯酸，铬酸等。

金属部分6，单一金属元素或与另一元素的金属合金可以具有热膨胀系数αmetal。金刚石部分4可以具有在1.0m/m-k和1.2×10^-6m/m-k之间的热膨胀系数αdia。可以有m个金属部分6和n个金刚石部分4。金属部分6，metalj的尺寸(例如，宽度)不必相同。金刚石部分4diai的尺寸(例如，宽度)也不一定相同。形成有源器件10的材料的cte被指定为αactive-material。金属部分6和金刚石部分4之间的关系可表示如下：

其中，在参考图1a的实施例中：

diai＝金刚石层i的宽度(在x方向上)；和

metalj＝金属层j的宽度(在x方向上)。

该方程右侧的主要系数，即δ，是热沉衬底62的cte与有源器件10的cte之间的cte匹配水平的指示，例如，有源器件是由gaas制成的激光二极管。当δ参数接近1时，热沉衬底62的cte和形成有源器件10的材料的cte紧密匹配。为了减小热沉衬底6和有源器件10之间的热应力，δ参数可以在例如0.4至2之间变化；在另一个实施例中，从0.5至1.8；在另一实施例中从0.6至1.6；在又一实施例中为从0.7至1.4；在又一实施例中从0.8至1.2。

为了在金刚石部分4和金属部分6之间具有可接受的热应力水平，在实施例中，金属部分6(单一金属或含金属合金)可以具有小于12×10^-6m/m-k的热膨胀系数(cte)；在另一实施例中小于11×10^-6m/m-k；在另一实施例中小于10×10^-6m/m-k；在另一实施例中小于9×10^-6m/m-k。因此，金刚石部分4和金属部分6的cte的局部不匹配可以被最小化，使得热沉衬底62的金刚石部分4的边界与金属或含金属部分6的边界之间的局部热应力减小。

除了减少由有源器件10和热沉衬底62之间的紧密cte匹配引起的热应力之外，图1a-6中的复合衬底2的附加优点包括：跨越金刚石部分4沿着y方向的优异的散热；以及通过金刚石部分4沿着z方向对例如用于最终除热的子层材料(例如装备有水冷却通道的散热器)进行优异的散热。为了获得最佳的散热性能，热沉衬底62的高度(z)可以尽可能薄，并且热沉衬底62的宽度(y)可以尽可能宽，因此在实施例中宽度(y)与高度(z)之比可以大于1或大于2。为了便于安装一个或多个有源器件10的实际原因，热沉衬底62的长度(x)与热沉衬底62的高度(z)之比可以大于1或大于2。在实施例中，热沉衬底62的长度(x)与宽度(y)的比率可以从0.001至1000之间变化；在另一实施例中，可以在0.01至100之间变化；在另一实施例中，可以在0.05至20之间变化；而在另一实施例中，可以在0.1至10之间变化。

在图1a-5所示的每个实施例热沉衬底62中，通过沿着金刚石sp³晶格的声子传输机制在金刚石部分4中同时发生水平(x)散热和垂直(z)散热。声子运输是已知的最快速的传热机制。虽然金属部分6不如金刚石部分6那样有效，但通过金属部分6的热导率，金属部分6进行水平(x)散热和垂直(z)散热。

每个有源器件10可以直接安装和对齐在金刚石部分4之一的部分上，或者在金属部分6之一的部分上方或金刚石部分4和金属部分6的混合部分之上。在实施例中，有源器件10可以安装在具有一个或多个金刚石部分4、一个或多个金属部分6或两者的混合物的热沉衬底62的区域的上方或直接安装于其上。该有源器件10的宽度可以大于、等于或小于金刚石部分4的宽度。金刚石部分4可以具有比有源器件10的有源区域的宽度窄的宽度，这有利于抑制温度振荡。

每个有源器件10在工作中产生热量。相邻对的有源器件对10之间的空间通常不产生热量。因此，在有源器件10或有源器件10的阵列的工作期间，在每个有源器件10的有源区域(例如，激光二极管、发光二极管等的发射极的pn结区域)中产生的热量跨越有源器件10或有源器件10的阵列形成温度分布图，而有源区域旁边或之间的区域(例如在两个二极管发射极之间)具有温度最小值，尽管温度最小值仍然是高于空转有源器件10或空转有源器件10的阵列的温度。这种不均匀的加热会导致高温平稳段上的温度振荡。这种温度振荡可能由于振荡的热膨胀而在每个有源器件10上产生振荡的热应力。例如，如果热沉衬底62的cte大于有源器件10的活性材料的cte，则可以在有源器件10的有源区域上产生拉伸应力，特别是对于有源器件10与热沉衬底62的高度不匹配的cte。如果它们之间存在cte不匹配，则温度平稳段还在有源器件10和热沉衬底62之间产生热应力。因此，当有源器件10(例如激光二极管发射器)安装并对准在热沉衬底62的金刚石部分4的(上方)之上时，由有源器件10在工作期间产生的热快速吸收到金刚石部分4以沿着z方向被移除，如图1a-5中所示。从有源器件10移除的热量也迅速地在金刚石部分4中沿y方向水平地扩展，如图1a-5所示，然后下沉；在z方向上进入金刚石部分4的下部而去除，这有效地导致可用于散热的更多面积(在金刚石下面)。因此，有源器件10的工作期间的总体温度上升较低(达到较低的温度平稳段)，这对于最小化热应力是非常需要的，允许有源器件10更高效地工作，具有更长的寿命和/或工作在更高的功率电平下。同时，因为在金刚石部分4中产生的热量比在金属部分6中更快地被去除的事实，温度平台上的温度振荡基本上被抑制，这对于实现温度振荡抑制是理想的，因此具有在有源器件10或有源器件阵列10上被抑制的热应力振荡。

在实施例中，有源器件10和热沉衬底62之间的全局级别的cte匹配在将有源器件10安装到热沉衬底62期间和或当有源器件10经历温度波动时工作期间最小化或避免了所谓的“微笑(smile)”问题。例如，在安装在金刚石部分14之上的单个有源器件10内的压缩应力可能不会被完全消除，但是这种压缩应力可以是最小的(由于较小的温度升高或较小的温度平稳段)，并且可以是限于局部区域，允许有源器件10的阵列具有长的使用寿命。为了进行比较，如果有源器件10的阵列安装在金刚石条上或铜条，铝条，银条或其对应的金属合金条上，施加于有源器件10的压缩或拉伸应力线性地积累，这可能导致有源器件10的阵列与条之间的分层。

在实施例中，热沉衬底62可以在其上安装有激光二极管条，其在实施例中具有10个发射器，和作为这些激光二极管的活性材料的gaas。在实施例中，激光二极管条可以是有源器件10的一维阵列，例如激光二极管，其水平地安装在热沉衬底62的顶部并且沿着热沉衬底62的边缘(参见图1a-5)并发射平行于热沉衬底的顶表面的光，即沿图1a-5中的y方向发射。单个激光二极管发射器的宽度(x)可以是100微米。阵列的重复图案的间距可以是200微米。热沉衬底62的简单设计可以包括10个金刚石部分4和11个金属部分6(例如，包含20％铜和80％钨cu-w合金，具有约7.70ppm/k的cte)的交替图案，其包括热沉衬底62的两端。每个金刚石部分4可以位于有源器件10之一的中心下方的一对金属部分6之间，并且可以在实施例中为60微米宽(x方向)。每个金属部分6的宽度(x方向)可以是140微米，主要位于有源器件10之间。对于每个200微米的间距，计算热沉衬底62的cte(使用上述等式)为约5.75ppm/k，δ参数为0.991；与gaas的cte(5.8ppm/k)非常紧密匹配。将金刚石部分4的宽度增加到70微米并将cu-w金属部分的宽度减小到130微米将导致具有约5.425ppm/k的计算cte、δ参数为0.935的热沉衬底62(基于上述等式计算)。将金刚石部分4的宽度减小到40微米并且将cu-w金属部分6的宽度增加到160微米将导致具有大约6.4ppm/k的计算cte、δ参数为1.10的热沉衬底62。有源器件10的材料和热沉衬底62的材料之间的全局cte匹配可以帮助避免“微笑”问题。

利用本文所描述的热沉衬底62，有源器件10的cte和热沉衬底62的全局cte可以紧密地匹配。因此，“微笑”问题可以通过δ值在0.4和2.0之间的范围内最小化，或者以δ值等于1来避免。此外，通过金刚石部分4和金属部分6的交替图案可以使升温平稳段和温度振荡最小化，其中每个金刚石部分4有助于比金属部分6更快地散热和扩散，特别是当有源器件10(诸如激光二极管)直接安装在金刚石部分4的正上方(在其上居中)。金刚石部分4的宽度也可以被调整以使温度平稳段尽可能平坦。实现这一点的一个方法是沿着边缘(相邻的金属部分6)具有较窄的金刚石部分4，并且在中心(相邻的金属部分6的中间)具有更宽的金刚石部分4，与金刚石部分4的中心相比，这可以减缓金刚石部分4的边缘的冷却。

在另一实施例中，热沉衬底62可以是用于vcsel(垂直腔表面发射激光器)阵列的衬底，其具有例如225个发射器(有源器件10的15×15阵列)和作为这些激光器二极管的活性材料的gaas。在该实施例中，vcsel阵列是激光二极管的二维阵列，其安装在热沉衬底62的顶表面上并且发射垂直于热沉衬底6的顶表面的光，即沿着在图1a-6中所示的z方向。在该实施例中，vcsel被布置成15行(x方向)和15列(y方向)，每列中的15个vcsel位于单个金刚石部分4的上方(例如，在其上面位于中心)。假设每个激光二极管具有直径为100微米的发射面积。还假设这些发射器的重复图案的间距为约250微米。热沉衬底62的简单实施例设计可以包括15个金刚石部分4和16个金属部分6(例如，包含20％铜和80％钨的cu-w合金，具有约7.70×10^-6m/m-k的cte)的交替图案，在热沉衬底62的两端具有含金属部分6。金刚石部分4的宽度可以为100微米(图1a-5中的x方向)，并且cu-w部分的宽度可以为150微米(图1a-5中的x方向)。对于每个这样的间距，可以计算热沉衬底62的全局cte(使用上述等式)为约5.10ppm/k，δ参数为0.88，与gaas的cte(5.8ppm/k)紧密匹配。减小金刚石部分4的宽度至75微米，同时将cu-w部分的宽度增加到175微米将导致具有约5.75ppm/k的全局cte、δ参数为0.999的热沉衬底62衬底。减小金刚石部分4的宽度至40微米，同时将cu-w部分的宽度增加到210微米将导致具有约6.66ppm/k的全局cte、δ参数为1.15的热沉衬底62。

实现有源器件10材料(例如由gaas制成的vcsel)的cte和本文所述的实施例的热沉衬底62之间的cte匹配可有助于避免有源器件10的物理变形。有源器件10的安装通常包括在高温(例如200至400℃)下将有源器件10焊接到诸如热沉衬底62的衬底。利用热沉衬底62，有源器件10的cte和热沉衬底62的全局cte可以紧密匹配，因此可以减小有源器件10的物理形状变形，δ参数在0.4和2.0之间的范围内，或当δ参数等于1时避免。

另外，可以通过金刚石部分4和金属部分6的交替图案来最小化在温度平稳段上的3d温升平稳段和温度振荡，其中每个金刚石部分4允许热量比金属部分6更快地下沉并且扩散，特别是如果每个有源器件10(诸如激光二极管)例如直接安装在金刚石部分4之上(居中)。每个金刚石部分4的宽度也可以被调谐使温度平稳段尽可能平坦。实现这一点的一个方法是通过在相邻的金属部分6的边缘中具有较窄的金刚石部分4，并且在金刚石部分的中心具有更宽的金刚石部分4，与在中心冷却，这样有意地减慢了边缘的冷却。

在一个实施例中，其中热沉衬底62具有15个金刚石部分4(x方向)和16个金属部分6(y方向)，用于15×152dvcsel阵列，vcsel阵列中的每个有源器件(激光二极管)可以被直接安装在其中一个金刚石部分4的上方(居中)，其中15个vcsel安装在单个金刚石部分4上。这些激光二极管在运行中产生的热量通过金刚石部分4快速吸收或扩散，以便通过下层(未示出)移除——有时装有水冷却通道)，这允许vcsel在较低的温度或较高的功率(在相同的温度)或两者都起作用。

现在将参照图1a-6描述各种实施例的复合衬底2的细节。

参考图1a-1d，实施例的复合衬底2包括金刚石部分、片或片段4和金属或含金属部分、片或片段6的交替图案。在实施例中，金属或含金属部分6可以由每个金属部分6的一侧耦合的金属或含金属板8支撑。这里，对“金属”或“含金属”的每个提及意图包括单一金属或由两种或更多种金属组成的金属合金。

在该实施例中，金属板8包括用于支撑金刚石部分4和金属部分6的交替图案的装置。在该实施例中，金属板8和金属部分6是由相同材料制成的整体件的一部分，其包括相邻成对的金属部分6之间的通道12。然而，作为整体件的金属板8和金属部分6的描述不应被解释为限制，因为可以设想金属板8和金属部分6可以是单独的元件。

在该实施例中，金属部分6包括一组间隔开的电导体；金属板8包括用于支撑间隔开的电导体的装置；并且金刚石部分4包括一组电绝缘体，其中在每对电导体6之间定位与所述一对电导体6接触的电绝缘体4中的一个。

图1a所示的实施例的复合衬底2具有长度x、宽度y和高度z。金刚石部分4、金属部分6和金属板8包括热沉衬底62，一个或多个有源器件10可以安装在热沉衬底62上，以形成图1a所示的完成的复合衬底2。

每个有源器件10可以被定位在一个金刚石部分4的部分上，一个或多个金属部分6的部分上或两者的部分上。例如，每个有源器件10可以具有落在下面的金刚石部分4的宽度(在x方向上)内的宽度12(在x方向上)。在另一实施例中，每个有源器件10可以具有这样的宽度，使得有源器件10定位在一个金刚石部分4的部分和一个或多个金属部分6的部分上，如图1a所示。更一般地，每个有源器件10可以定位在以下的一个或两个上：金刚石部分4的不与金属部分6之一接触的部分，金属部分6之一的一部分不与金刚石部分6中的至少一个接触的部分，或一个或多个金刚石部分4的部分和一个或多个金属部分6的部分。在如图1a所示的实施例的复合衬底中，每个有源器件10位于金刚石部分4之一的部分上，并且位于相邻金属部分6的部分上。然而，图1a中的每个有源器件10位于金刚石部分4和金属部分6的组合之上的特定方式不被解释为限制性的。

在实施例中，每个有源器件10可以是可以包括p-n结的半导体器件。每个有源器件10也可以在工作中产生热量。包括p-n结的每个有源器件10的描述不应被解释为限制意义，因为可以设想每个有源器件10还可以或者可选地包括在工作中产生热量的一个或多个无源元件。

在实施例中，每个金刚石部分4可以被预先形成并插入限定在相邻的一对金属部分6和金属板8的下面部分之间的通道12之一中。在另一实施例中，所有金刚石部分4可以以本领域已知的方式直接生长在每个通道12中，一对金属部分6和限定所述通道12的金属板8的下面部分上。在实施例中，所有的金刚石部分4可以通过化学气相沉积(cvd)同时沉积在通道12中。

在实施例中，每个有源器件10可以是在图1a所示的y方向上发射led光的侧发射激光二极管或如图1a所示的在z方向发射激光的垂直腔表面发射激光器(vcsel)。

在其中金刚石部分4形成为插入通道12中的分开的部件的实施例中，粘合剂14(图1b)可用于将每个金刚石部分4与金属部分6和限定所述通道12的金属板8的下面部分接合。在另一实施例中，每个金刚石部分4可以摩擦配合到对应的通道12中。

在实施例中，每个有源器件10可以经由层16例如粘合剂层(例如，粘合剂层，例如导电粘合剂)结合到由金刚石部分4和金属部分6组成的热沉衬底62的顶表面。当层16专门用作粘合剂层时，可以通过所述有源器件10顶部上的触点18-1和18-2将电信号提供给每个有源器件10。在提供多个有源器件10作为单个条的实施例中(图1a)，每个器件10上的触点18-1和18-2可以分别连接到公共导电迹线20-1和20-2，这可以将经由导体22-1和22-2来自外部源(未示出)的电信号从外部源经由一组触点18-1—18-2提供给每个有源器件10，如图1a所示。

在另一实施例中，参考图1c和id，而不是将导体22-1和22-2连接到安装在热沉衬底62上的有源器件10的暴露(顶部)表面上的触点18-1和18-2以及迹线20-1和20-2上，如图1a所示，导体22-1和22-2可以耦合到形成在热沉衬底62上的层16的触点24-1和24-2。在该实施例中，层16可以由绝缘材料构成，有源器件10安装在绝缘材料上。导电迹线26-1和26-2可分别将触点24-1和24-2电耦合到触点28-1和28-2。接下来，触点28-1和28-2可以以本领域已知的方式(例如，用于倒装芯片安装的球栅阵列)耦合到单一有源器件10的表面或有源器件阵列的至少一个有源器件10上的触点30-1和30-2。迹线32-1和32-2可以将触点30-1和30-2耦合到图1d所示的有源器件阵列的其它有源器件10上的类似触点。

本文描述的用于将外部电信号耦合到每个有源器件10的特定方式不应被解释为限制意义，因为可以设想可以使用用于将外部信号耦合到定位在图1a所示的热沉衬底62上的一个或多个有源器件10的任何合适的和/或期望的装置。

参考图2并且继续参考图1a-1d，另一实施例的复合衬底2类似于图1a-1d所示的实施例的复合衬底2，但有以下例外。在图2所示的实施例的复合衬底2中，省略了金属板8(图1a-1b)，并由金属底座或轴34(图2)代替。在实施例中，金属底座34和金属部分6可以是由相同材料形成的整体件。然而，这不应被解释为有限的意义，因为可以设想金属底座34和金属部分6可以是分离的元件并且可以由相同或不同的材料形成。在该实施例中，金刚石部分4、金属部分6和金属底座34包括热沉衬底62，并且向该热沉衬底62添加有源器件10包括该实施例的复合衬底2。

在该实施例中，金属部分6包括一组间隔开的电导体；金属底座34包括用于支撑间隔开的电导体的装置；并且金刚石部分4包括一组电绝缘体。

除了省略金属板8(图1a)和添加金属底座34(图2)之外，图2所示的实施例的复合衬底2与图1a-1d所示的实施例的复合衬底2相同。因此，图2所示的实施例的复合衬底2的附加细节这里将不描述2以避免不必要的冗余。

此外，关于将一个或多个有源器件10安装到本文所述的任何实施例的热沉衬底62的可选方式的细节以及将导体22-1和22-2耦合到一个或多个有源器件10的触点18-1,18-2或30-1,30-2的可选方式将不在图2等中示出或不在下文描述以避免不必要的冗余。

参考图3且继续参考图1a-1d，图3所示的另一实施例的复合衬底2与图1a-1d所示的实施例的复合衬底2类似，但有以下例外。在图3所示的实施例的复合衬底2中，金属板8位于金刚石部分4的顶部，而不是在图1a中的金刚石部分4之下，并且一个或多个有源器件10经由层16安装在金属板8的顶表面上(如图3所示)。在该实施例中，金刚石部分4、金属部分6和金属板8包括热沉衬底62。在该实施例中，金属部分6包括一组间隔开的电导体；金属板包括用于支撑间隔开的电导体的装置；并且金刚石部分4包括一组电绝缘体。除了这些变化之外，图1a和3所示的复合衬底2是相同的。

参考图4并且继续参考图2，图4所示的实施例的复合衬底2与图2所示的实施例的复合衬底2类似，但有以下例外。图4所示的复合衬底2包括不是图2所示的复合衬底2的部分的金刚石板36。金刚石板36和金刚石部分4可以是整体件。然而，这并不被解释为限制性的。在实施例中，金刚石部分4和金刚石板36可以形成为预制的整体件，并且与金属部分6以及也被制造为整体件的金属底座34配合。在另一实施例中，金属部分6和金属底座34被制造为整体件，并且金刚石部分4通过相邻对金属部分6对之间的金刚石沉积而生长(例如，通过cvd)，直到相邻的金属部分6之间的空间为填充了金刚石，因此金刚石板36的生长通过金刚石的持续沉积而发生。应当理解，在金刚石部分4和金刚石板36的生长期间，金刚石材料通过cvd从包括金属底座34和金属部分6的整体件的与安装有一个或多个有源器件10相对的一侧沉积。此后，一旦已经沉积了金刚石部分4和金刚石板36，则在本实施例中包括的金刚石部分4、金刚石板36、金属部分6和金属底座34的热沉衬底62可以被倒置，并且一个或多个有源器件10可以安装在热沉衬底62的与金刚石板36相对的一侧，以形成图4所示的完成的复合衬底2。

在该实施例中，金属部分6包括一组间隔开的电导体；金属底座34包括用于支撑间隔开的电导体的装置；并且金刚石部分4包括一组电绝缘体。除了在图4中添加金刚石板36之外，图2和图4中所示的复合衬底2是相同的。金刚石板还包括电绝缘体。

参考图5，另一实施例的复合衬底2类似于图4所示的实施例的复合衬底2，但有以下例外。图5所示的实施例的复合衬底2包括金属板8，如图3所示的金属板8，在有源器件10和金刚石部分4、金属部分6和金属底座34之间。图5所示的实施例的复合衬底2中的金刚石板36以与图4所示的实施例的复合衬底2的金刚石板36相同的方式生长。

在该实施例中，金刚石部分4、金属部分6、金属底座34、金刚石板36和金属板8包括热沉衬底62，有源器件10可以安装在热沉衬底62上以形成复合衬底2。在该实施例中，金属部分6包括一组间隔开的电导体；金属板8和金属底座34包括用于支撑间隔开的电导体的装置；并且金刚石部分4包括一组电绝缘体。此外，金刚石板36还包括电绝缘体。

在图1a-5所示的每个复合衬底2中的每一个中，每个金刚石部分4可以通过任何合适的和/或期望的工艺(例如cvd)在相邻对的金属部分6之间生长。如果需要，一旦已经生长了金刚石部分6，金刚石生长可以继续以形成金刚石板36(图4和图5)。可替代地，金刚石部分4以及金刚石板36(如果适用)可以预先形成为单独的或整体的件，并且每个金刚石部分4可以通过合适的粘合剂14或经由摩擦配合插入并固定在一对金属部分6之间(如图1b)。

参考图6，另一实施例的复合衬底2包括位于金属板或层38之上的一个或多个有源器件10，金属板或层38又设置在金刚石板或层40之上。如上所述的层16的层16，可以用作一个或多个有源器件10和金属板或层38之间的界面。在实施例中，层16可以是粘合剂层。在另一实施例中，层16可以是一个或多个有源器件10被固定到其上的介电层，并且介电层可以包括用于通过结合图1a-1d所描述的方式将所述有源器件10的触点耦合到外部电信号源的触点和/或迹线。在该实施例中，金刚石板40和金属板38包括热沉衬底62，有源器件10可以安装在热沉衬底62上以形成复合衬底2。在该实施例中，金刚石板40可以预先形成并耦合(粘附)到金属板38或者可以以任何合适或期望的方式(例如cvd)在金属板38上生长。

参考图7，示出了实施例的微波等离子体cvd系统42，其可用于mpcvd生长如图1a-6所示的每个实施例的热沉衬底62的金刚石(4、36和/或40)。在使用cvd系统42时，例如氢气和甲烷的反应气体44的混合物可以流入微波等离子体cvd反应器46中，反应气体44的流速可以通过质量流控制器48来控制。排气50通常通过cvd反应器46流出到真空泵52。微波能量可以由磁控管54产生，并通过石英窗56引导到cvd反应器46。在cvd反应器46内，微波能量被转化成等离子体58，其将气体44的氢分子自由化成氢自由基，以及将气体44的甲烷分子自由化成甲基自由基、亚甲基自由基、甲炔自由基和含有两个或更多的碳原子的二级或三级自由基。在cvd反应器46的底部，存在可以支撑用于金刚石4的cvd生长的金属衬底的衬底保持器或支撑件60。在实施例中，该金属衬底可以包括金属部分6和金属板8和/或金属底座34中的一个或两个。在另一实施例中，该金属衬底可以包括金属板38。

当等离子体58接通时，含有碳原子的自由花的自由基轰击金属衬底的表面，这导致金属衬底上的碳固定和金刚石的形成，以形成热沉衬底62，有源器件10可以如上所述安装到热沉衬底62上以形成完成的复合衬底2。

可以使用任选的光学高温计64来监测在金刚石沉积期间在金属衬底上生长的金刚石的温度。使用cvd系统42通过微波等离子体cvd生长金刚石是本领域公知的，这里不再赘述。

实施例1：带沟槽铜钨上的pcvp金刚石生长

将直径为140mm的金属钨件用作cvd反应器46中的衬底保持器60。铜-钨合金件(标称为20％铜和80％钨)，x×y×z尺寸为8mm×6mm×0.4mm，放置在衬底保持器60的顶部。在放置在衬底保持器60上之前，该cu-w合金片的表面镀有一层镍和一层金，沿着y方向6mm加工深度(z方向)为100微米且宽度(x方向)为500微米宽度的5个沟槽或通道12。在放入用于金刚石生长的cvd反应器46中之前，将该cu-w合金件用硝酸蚀刻30分钟，随后用di(去离子)水冲洗并用乙醇进行超声波清洗。利用在cvd反应器46内的衬底保持器60的顶部上的这种cu-w合金件，将1850ml/min氢气和13.7ml/min甲烷的混合物流入cvd反应器46中。在启动等离子体之后，调整微波功率和cvd反应器46内的压力使得等离子体58的尺寸覆盖衬底保持器60的整个表面。在带沟槽的cu-w合金件上生长金刚石66小时后，从而形成实施例的热沉衬底62，反应停止。

在该生长实施例中，观察到金刚石成功沉积在cu-w合金的表面上。更具体地，观察到金刚石已顺利地沉积到沟槽或通道12中并且沉积在相邻通道12之间的带沟槽的cu-w合金件的顶表面上。在沟槽中的金刚石晶粒比在的带沟槽的cu-w合金件的顶部表面上看起来更大。观察到沟槽或通道12中的金刚石的厚度为125微米，并且观察到相邻通道12之间的带沟槽的cu-w合金件的上表面上的金刚石的厚度为约100微米。

该实施例的热沉衬底62的100微米厚的金刚石部分的顶部表面可以可选地被研磨并任选地被抛光以产生类似于图1a所示的热沉衬底62的实施例的热沉衬底62。该实施例的热沉衬底62的金属或含金属板部分也可以或者可替代地任选地被研磨并任选地被抛光到期望的程度。

实施例2：在普通铜-钨上的pcvd金刚石生长

将直径为140mm的金属钨件用作cvd反应器46中的衬底保持器60。将具有x×y×z尺寸为8mm×6mm×0.4mm的cu-w合金件(标称为20％的铜和80％的钨)放置在衬底保持器60的顶部上。该cu-w合金件的顶表面是普通的，即，没有镀镍和/或金，并且在该cu-w合金件中没有加工沟槽。在放入用于金刚石生长的cvd反应器46中之前，将该cu-w合金件用硝酸蚀刻约30分钟，随后用去离子水冲洗并用乙醇进行超声波清洗。利用cvd反应器46内的衬底保持器60的顶部上的这一cu-w合金件，将2800ml/min的氢气和20.72ml/min的甲烷的混合物流入cvd反应器46中。在启动等离子体之后，调整微波功率和cvd反应器46内部压力，使得等离子体58的尺寸覆盖衬底保持器60的整个表面。金刚石生长43小时后，停止反应并观察到金刚石成功沉积在该cu-w合金件的表面上。已生长金刚石的sem图像显示具有方形顶部形态的金刚石晶体，其可以是[100]取向，并且金刚石厚度为200微米。

已经参考附图描述了这些实施例。在阅读和理解上述实施例后，其他人将会进行修改和更改。因此，上述实施例不应被解释为限制本公开。