Способ создания межсоединений в полупроводниковых лазерах

Способ создания межсоединений в полупроводниковых лазерах

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к полупроводниковой электронике, в частности к производству СВЧ мощных арсенид-галлиевых дискретных приборов и интегральных микросхем, силовых гибридных модулей, компьютерных микросхем и плат, а также может быть использовано в оптоэлектронике для исследования, разработки и производства мощных полупроводниковых лазеров, лазерных полупроводниковых матриц и лазерных систем на их основе.

Мощные полупроводниковые лазеры на гетероструктурах A3 B5 и твердых растворах на их основе являются наиболее эффективными для работы в диапазоне длин волн 0,5-1,8 мкм; коэффициент преобразования электрической энергии в направленную световую волну достигает 75%. Такие лазеры используются для накачки волоконных усилителей и твердотельных лазеров, для записи информации, в производстве принтеров, систем навигации, медицинской аппаратуры и мощных технологических обрабатывающих устройств.

Особенно перспективным может быть применение лазерных матриц для создания сверхмощных космических излучателей, использующих энергию солнца, поскольку для работы полупроводниковых лазеров требуется низковольтный постоянный ток, вырабатываемый солнечными батареями.

Экспериментальный сравнительный анализ полупроводниковых лазеров ряда ведущих фирм и анализ патентной литературы показал, что все фирмы используют классический вариант создания межсоединений в системе (LDB-LDC), используя либо прокладку из индия, фиг.1, либо прокладки из эвтектических сплавов на основе индия, либо классические эвтектики - (IN-AG; Sn-Au; Sn-Pb).

В работе 1 приведена схема полупроводникового лазера, фиг.1, и дается описание технологии изготовления лазера, в частности детализируется способ соединения кристалла с термокомпенсатором: кристалл 1 присоединяется к электродам 2 через прокладки 3, которые изготовлены из многокомпонентной эвтектики на основе индия (мягкий припой) способом эвтектической пайки. Технологическую схему создания межсоединений в системе (LDB-LDC), приведенную ниже, наглядно можно описать посредством символов химических элементов следующим образом: межсоединение из чистого индия (In) - 1, эвтектическая пайка с прокладкой из эвтектики Ag-In - 2, контактно-реактивная эвтектическая пайка (КРЭП), в процессе которой образуется (нерегулярная эвтектическая структура) - 3 (прототип), фиг.3.1. И, наконец, векторная градиентная реактивная эвтектическая пайка (ГРЭП) - 4, приводящая к образованию регулярной эвтектической структуры в межсоединении в системе (LDB-LDC), фиг.3.2:

Значительная разница в KTP между полупроводниковыми лазерными кристаллами (LDB), теплоотводом (LDC), изготовленным из меди (Cu), и межсоединениями, характеризующимися низкой теплопроводностью - причина пониженной мощности лазерного излучения, искривления кристаллов (Smile) и уменьшения, времени наработки на отказ полупроводникового лазера.

Целью изобретения является увеличение теплопроводности в межсоединениях полупроводникового лазера и уменьшение напряжения в линейке лазерных диодов.

Известен способ эвтектической пайки (2). В этом способе используется сплав In-Ag эвтектического состава. Нерегулярная структура промежуточного слоя - это низкая теплопроводность межсоединения. Усложнение состава припоя на основе индия при некотором увеличении теплопроводности промежуточного слоя уменьшает его пластичность и, в общем, не является эффективным.

Помимо способа эвтектической пайки припоями, имеющими эвтектическую структуру (In-Ag; Sn-Au; Sn-Pb; Ag-Cu), в полупроводниковой электронике широко используется способ КРЭП - Контактно-Реактивная Эвтектическая Пайка. Этот способ (3) применяется в основном для монтажа кремниевых кристаллов на теплоотвод с покрытием из золота; он имеет много преимуществ перед классическими способами создания межсоединений:

1 - не требуется применение припоев;

2 - устраняется производство припойных фольг, прокладок, проволок, дисков, шайб, стержней, микрошариков…;

3 - не требуется применение флюсов;

4 - упрощается процесс прецезионного (точного) совмещения соединяемых элементов, поскольку исключаются припойные профили, что исключительно важно при создании оптоэлектронных устройств;

5 - улучшается качество межсоединений и резко увеличивается производительность сборочного оборудования.

Способ КРЭП применительно к лазерным полупроводниковым кристаллам (A₃B₅, A₂B₆, A₄B₆) имеет два существенных ограничения:

1 - лазерные структуры ряда (A₃B₅, A₂B₆, A₄B₆) не обладают свойством вступать в низкотемпературную эвтектическую реакцию с высокотеплопроводными металлами 1-й группы системы элементов Менделеева Д.И., и, следовательно, способ КРЭП (Контактно-Реактивная Эвтектическая Пайка) для монтажа этих кристаллов на теплоотвод невозможен;

2 - межсоединение (промежуточный слой между кристаллом и теплоотводом), выполненное методом КРЭП, имеет низкую теплопроводность; коэффициент термического расширения (КТР) резко отличается от КТР лазерных кристаллов.

Нерегулярная двухфазная эвтектическая структура неприемлема для межсоединения в системе (LDB-LDC); в лазерном межсоединении требуется, чтобы фаза, имеющая KTP, равный KTP полупроводниковых лазерных кристаллов, была бы «фундаментом» для LDB, а фаза, имеющая теплопроводность, равную теплопроводности LDC, была бы частью эффективного теплоотвода.

Одна из важнейших задач при разработке лазерных технологий - исследование и нахождение наиболее общих закономерностей и способов образования эвтектических низкотемпературных межсоединений кристаллами (A₃B₃, A₂B₆, A₄B₆) и твердыми растворами на их основе при контакте с высокотеплопроводными металлами 1-й группы системы элементов Менделеева Д.И. с целью использования способа КРЭП в производстве полупроводниковых лазеров.

В новых технологиях предполагается исключение элементов классического способа создания межсоединений, широко применяемых в производстве изделий оптоэлектроники (припои, прокладки, шарики, индий, и т.п.). Для кристаллов арсенида галлия трудность, отмеченная в п.1, на предыдущей странице, устранена при использовании технологии, представленной в патенте «Линейка Лазерных диодов» (4), фиг.2.

В патенте 4 линейка лазерных диодов (состоящая из параллельно включенных полупроводниковых лазерных диодов на основе полупроводниковых A₃B₅ лазерных гетероструктур, многослойных окислов (заднее и передние зеркала), а также многослойной контактной металлизации на верхней и нижней плоскостях линейки лазерных диодов), отличается тем, что внешние проводящие слои выполнены из элементов, сходных (по типу, параметрам кристаллической решетки и по коэффициенту термического расширения) с A₃A₅ лазерной гетероструктурой и твердыми растворами на основе A₃B₅; одним из таких элементов является германий. Правильное соотношение толщин между внешними слоями Ge на верхней и нижней плоскостях LDB (линейки) позволяет получить нулевое искривление линейки (Smile=0) и минимальное напряжение в лазерных кристаллах. Кроме того:

1. Германий не окисляется в рабочем интервале температур;

2. Твердая поверхность германия (в отличие от золота) легко

полируется, что позволяет получить идеальную плоскость

без какой-либо шероховатости;

3. Использование германия не вносит дислокации в LDB;

4. Германий не адсорбирует элементы из окружающей среды;

5. Технология производства полупроводниковых лазеров с применением линеек по заявлению №2010110430/28 приобретает новое качество и обеспечивает высокий выход годной продукции.

6. Ни одна фирма мира не производит линейки лазерных диодов без золотого покрытия внешних плоскостей линейки;

7. Ни одна фирма мира не производит линейки лазерных диодов с покрытием внешних плоскостей линейки германием.

В этом заключается преимущество способа КРЭП при использовании структуры на фиг.2 перед технологиями, представленными в (4, 5, 6). Для кристаллов A₃B₃ (GaAs), применяемых в разных фирмах, элементная база лазерного блока (электрод - кристалл - электрод) выглядит следующим образом:

ЕР 0905838 A1, 31.03.1999 [Au - GaAs - Au],

RU 2007804 C1, 15.02.1994 [Au - GaAs - Au],

EP 1519458 A2, 30.02.2005 [Au - GaAs - Au],

Пат. РФ №2455739, 2012 [Ge - A₃B₅ - Ge].

Однако все перечисленные и проанализированные технологии имеют существенный и неприемлемый в полупроводниковой оптоэлектронике недостаток - межсоединения в лазерных блоках полупроводниковых лазерных устройств имеют нерегулярную, неуправляемую структуру, фиг.4. Нерегулярная структура самого распространенного межсоединения из эвтектического сплава системы «олово - свинец» (Sn-Pb), полученного методами эвтектической пайки и методом КРЭП (ΔT=0), показана на фиг.3.1. На фиг.3.2 - то же межсоединение, но полученное способом ГРЭП.

Целью изобретения является создание управляемой регулярной эвтектической структуры в межсоединении методом векторной Градиентной Эвтектической Пайки (ГРЭП).

В этом способе структура одной фазы согласована по KTP с лазерным кристаллом и является продолжением этого кристалла в промежуточном слое, а другая фаза, обладая высокой теплопроводностью, является продолжением теплоотвода и, заполняя пространство между фазами, контактирует с плоскостью LDB; при этом обе фазы параллельны по отношению друг другу и перпендикулярны к плоскостям LDC и LDB. Модель заданной структуры представлена на фиг.5. В основу модели положен факт тождественности уравнений теплопроводности и эвтектической кристаллизации при образовании промежуточного слоя в межсоединении (LDC и LDB). Поток тепла, проходящий через межсоединение (LDB-LDC) за единицу времени от нижней плоскости кристалла, имеющей температуру Т₂, к верхней плоскости теплоотвода с меньшей температурой T₁, можно выразить как

J = κ ( T 2 − T 1 ) A h ,

где κ - теплопроводность (коэффициент пропорциональности), J - поток тепла, А - площадь торца межсоединения, толщина межсоединения, h (Δs) - тощина межсоединения. Если площадь - ΔА, то

Δ J = κ Δ T Δ A Δ s .

Но ΔJ/ΔA - абсолютная величина h - вектора, направленного туда, куда течет тепло, то есть от Т₁+ ΔT к Т₁; вектор перпендикулярен изотермам двух плоскостей, а. ΔT/Δs - максимальная скорость изменения, равная ∇T; направления h и дельта Т противоположны, и дифференциальное уравнение теплопроводности (потока тепла) для межсоединения, образуемого кристаллом прямоугольной формы, можно представить в виде векторного уравнения

h=-κ∇T,

где κ - коэффициент пропорциональности (теплопроводность). Это уравнение получено при анализе лазера, работающего в непрерывном режиме (CW). При изготовлении лазерного блока в процессе кристаллизации эвтектической жидкости, образованной в объеме межсоединения при температуре (Тэ+ΔT) по реакции (А+В)=Lэ, в условиях, соответствующих (Т2-Т1)=-ΔT, то есть когда температура Т₂ нижней плоскости кристалла меньше температуры T₁ верхней плоскости теплообменника, (способ ГРЭП), образуется твердый промежуточный слой, имеющий регулярную структуру, фиг.2в; расстояние между пластинами (стержнями) этой структуры X и скорость их роста (скорость роста твердой фазы R в объеме жидкости) соответствуют соотношениям (7), следовательно:

λ = A R − 0,5 ,  Δ t = BR 0 ,5 , λ = − c Δ T ,                     здесь С = A x B h = − к ∇ T .

Поразительное сходство. Именно поэтому способ создания управляемой регулярной структуры в лазерном межсоединении назван градиентной (векторной) эвтектической пайкой - ГРЭП, ΔТ>0. Фиг.5. Способ КРЭП (ΔT=0). Шаг структуры λ регулируется не только изменением скорости роста твердой фазы R в процессе векторной кристаллизации и температурным градиентом ΔT в межсоединении, но и при введении ультразвуковых колебаний в процессе затвердевания жидкости. Мощность ультразвука Р и шаг структуры λ в межсоединении связаны следующим соотношением, (8):

P = Δ t p ( 1 − λ λ ∗ ) C ρ τ ,

где Δt - переохлаждение при росте кристалла, С - теплоемкость, ρ - плотность, τ - время. Эффективная реализация структуры с заданными свойствами возможна только при хорошей адгезии в системе (контактный слой LDB - контактный слой LDC). Прочность промежуточного слоя (адгезия) F_A определяется по методике, изложенной в (9), по уравнению:

F A = 1 π R ( F x h R − F y R 2 h ) ,                             где:

R - радиус сдвигающего стержня;

F_y - давление на стержень; F_x - горизонтальная сдвигающая сила.

Для получения требуемой адгезии в системе Ni-Au, применяемой для металлизации почти всех деталей лазера и являющейся исключительно важным элементом в технологии производства мощных лазерных устройств, важно понимать количественную картину диффузии в системе Ni-Au, исследованную в работе 10.

Гипотеза изобретения состоит в том, что разрабатываемая модель лазера может быть осуществлена, если: 1 - межсоединение образуется в результате контакта твердых поверхностей (кристалла и подложки) по реакции с фазовым переходом на твердых плоскостях; 2 - структура межсоединения является двухфазной и управляемой; 3 - отвод тепла от работающей в режиме CW лазерной гетероструктуры осуществляется на высокоэффективном теплоотводе, например, в высокомощных полупроводниковых лазерах, отдающих не менее 250 Вт оптической мощности на один кристалл в верхнем микронном диапазоне длин волн.

Целью изобретения является создание управляемой регулярной эвтектической структуры межсоединения в системе (LDB-LDC) для увеличения теплопроводности межсоединения и уменьшения напряжения в линейке лазерных диодов.

Поставленная цель достигается тем, что:

в способе сборки полупроводниковых лазеров, включающем захват линейки лазерных диодов (LDB) вакуумным инструментом, фиксирование LDB на контактной площадке теплоотвода LDC, сжатие, нагрев в среде инертно-восстановительного газа, выдержку при температуре выше температуры образования многофазного эвтектического межсоединения, охлаждение полученного блока, согласно изобретению при охлаждении блока между соединяемыми поверхностями LDB и LDC в объеме жидкого эвтектического межсоединения создается температурный градиент, вектор которого направлен перпендикулярно соединяемым плоскостям и параллельно направлению роста кристаллизующихся фаз, фиг.5, поз.8, 9.

В результате достигается минимальное напряжение в линейке LDB (смайл близок к нулю). Суммарное тепловое сопротивление Rt (контактный слой лазерной гетероструктуры (кристалла), межсоединение, контактный слой теплоотвода) в полупроводниковом лазере является минимальным, и, следовательно, отдаваемая оптическая мощность излучения лазера - максимальной. Такова предполагаемая модель лазера с максимальным КПД, небольшим временем наработки на отказ.

Изобретение применимо ко всем типам полупроводниковых лазеров и лазерных матриц. Таким образом могут быть изготовлены лазеры однокристальные, то есть лазеры, состоящие из одного лазерного диода, многокристальные лазеры - линейки лазерных диодов и лазерные матрицы, которые могут состоять из десятков линеек лазерных диодов. При этом контактные слои в линейках или в дискретных лазерных кристаллах могут выполняться как с одной стороны (+), так и с двух сторон гетероструктур (A₃B₅, A₂B₆, A₄B₆) (+ и -) или на плоскостях положительного и отрицательного электродов. Изобретение может быть использовано для производства кондуктивных и водоохлаждаемых теплообменников (heat-sink) с регулярной структурой в системах Cu-W, CU-Mo, AlN-Ge, SiC-Ge, Ge-Ag и в системах элементов, имеющих фазовую диаграмму эвтектического типа.

Предлагаемое нами изобретение обладает существенной новизной. Никто и никогда даже не предполагал, что межсоединения в лазерной оптоэлектронике могут быть выполнены методом векторной кристаллизации.

Изобретение направлено на исследование и разработку технологии производства высокоэффективных полупроводниковых лазеров на снове полупроводниковых структур, с использованием двухфазных высокотеплопроводных межсоединений в системе (LDB-LDC); оно может быть использовано для всех способов создания межсоединений, в том числе для системы Au-Sn.

Изобретение отличается простотой технической реализации. Изобретение способствует совершенствованию технологии производства полупроводниковых лазеров, поскольку получение высокотеплопроводных межсоединений и малонапряженных лазерных линеек с нулевым смайлом в многослойных МОП системах (металл - окисел - полупроводник) представляет сложную технологическую задачу.

На приводимых в описании чертежах изображено следующее:

Фиг.1. Схема полупроводникового лазера (ЕР 1519458 А2, 30.02.2005). Полупроводниковый лазер: 1 - кристалл; 2 - термокомпесатор; 3 - прокладки из мягкого многокомпонетного сплава на основе индия; термокомпесатор; 4 - прокладка из твердого припоя; 5 - элетрод-трубка; 6 - кондуктивный теплообменник; 7 - изолятор; 8 - электрод отрицательный; 9 - прижим.

Фиг.2. Структура линейки лазерных диодов (Патент РФ №2455739, 2012): 1 - Ge ГДГ, 2 - PAlGaAs, 3 - PAlGaAs, 4 - InGaAs, 5 - n A1GaAs, 6 - n AlGaAs, 7 - n AlGaAs, 8 - Ge ГЭС.

Фиг.3. Эвтектика Sn-Pb. 3.1 - нерегулярная; 3.2 - регулярная.

Фиг.4. Алгоритм способа КРЭП. Прототип. Левый столб: 1 - Cu, 2 - Au (Ag), 3 - Ge ГДГ (In), 4 - A₃B₅, 5 - контактная плоскость в системе (LDB-LDC); средний столб: 6 - жидкая эвтектика (Ag-In), (Ge-Au); правый столб: 7 - кристаллы Ge (Ag); твердая нерегулярная эвтектическая структура.

Фиг.5. Алгоритм способа ГРЭП. Изобретение. Прототип. Левый столб: 1 - Cu, 2 - Au (Ag), 3 - Ge ГДГ (In), 4 - A₃B₅, 5 - контактная плоскость в системе (LDB-LDC); средний столб: 6 - жидкая эвтектика (Ag-In), (Ge-Au); правый столб: 8 - кристаллы Ge (Ag), 9 - кристаллы Au (In) - твердая регулярная эвтектическая структура.

Литература

1. ЕР 1519458 А2, 30.02. 2005 г.

2. Аполлонов В.В., Державин С.И., Кузьминов В.В., Машковский Д.А., Прохоров A.M., Филоненко В.А. Теплообменник для мощных полупроводниковых лазеров. Патент РФ №2169977, 2001 г.

3. Филоненко В.А., Топорков А.В. Эвтектическая пайка. Электронная техника, 1973, сер. 2, вып.3(75), 120-124.

4. Филоненко В.А., Аполлонов В.В., Державин С.И. Линейка лазерных диодов. Патент РФ №2455739, 2012 г.

5. RU 2007804 С1, 15.02.1994 г.

6. ЕР 0905838 А1, 31.03.1999 г.

7. Филоненко В.А. Классификация двойных эвтектик. Известия АН СССР, «Металлы», 1971, 6, 154-160.

8. Филоненко В.А., Абрамов О.В. Кристаллизация эвтектик в поле ультразвука. Физика и химия обработки материалов, АН СССР, 1974, 1, 45-47.

9. Филоненко В.А. Механизм адгезии в системах «металл - диэлектрик». ЖФХ АН СССР, 1976, 3, 726-730.

10. Филоненко В.А., Соколов А.К., Буданов Х.Г. Диффузия в системе никель - золото. «Электронная техника», сер. 2, Полупроводниковые приборы, 1977, вып.5(115). Стр.40-42.

Способ сборки полупроводниковых лазеров, включающий захват линейки лазерных диодов (LDB) вакуумным инструментом, фиксирование LDB на контактной площадке теплоотвода LDC, сжатие, нагрев в среде инертно-восстановительного газа, выдержку при температуре выше температуры образования многофазного эвтектического межсоединения, охлаждение полученного блока, отличающийся тем, что при охлаждении блока между соединяемыми поверхностями LDB и LDC в объеме жидкого эвтектического межсоединения создается температурный градиент, вектор которого направлен перпендикулярно соединяемым плоскостям и параллельно направлению роста кристаллизующихся фаз.