Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Halbleiteranordnung, insbesondere ei nes Diodenlasers und einen Diodenlaser. Der Diodenlaser umfasst einen Laserbarren, der zwi schen einem Wärmeleitkörper und einem Deckel angeordnet ist. Der Wärmeleitkörper und der Deckel dienen als elektrische Kontakte, durch die der Betriebsstrom zum Laserbarren geleitet wird.

Stand der Technik

Seit langer Zeit bekannt sind Verfahren zum Herstellen eines Diodenlasers, bei welchen ein La serbarren p-seitig auf eine Wärmesenke gelötet wird und n-seitig eine Kontaktierung über Bond drähte erfolgt, z.B. aus US5105429A und US4716568A. Nachteilig ist die begrenzte Stromtrag fähigkeit der Bonddrähte.

Eine höhere Stromtragfähigkeit des n-seitigen Stromanschlusses kann durch die Verwendung eines massiven Deckels, der als zweiter Wärmeleitkörper ausgebildet sein kann, erreicht wer den. Aus W02009143835 und aus W02009146683 ist bekannt, den Laserbarren zwischen zwei Wärmeleitkörpern anzulöten. Der Lötprozess kann zu Verspannungen im Laserbarren füh ren, welche die elektrooptischen Eigenschaften beeinträchtigen können. Aus WO2011029846 ist ein Verfahren zum Herstellen eines Diodenlasers ohne Beteiligung eines Lötprozesses be kannt, bei dem eine erste metallische Schicht zwischen der ersten Kontaktfläche des Laserbar rens und dem ersten Wärmeleitkörper und eine zweite metallische Schicht zwischen der zwei ten Kontaktfläche des Laserbarrens und dem zweiten Wärmeleitkörper verwendet werden.

Diese Schichten, die beispielsweise aus Indium bestehen können, bewirken bei der Montage einen Stoffschluß.

Aus W02016135160A1 ist ein Verfahren bekannt, einen Laserbarren bei niedriger Temperatur zwischen einem Wärmeleitkörper und einem Deckel zu befestigen.

Sämtliche Löt- und sonstigen Verbindungsverfahren verwenden eine Indiumschicht, die meh rere pm dick ist und nach der Montage in der fertigen Halbleitervorrichtung noch vorhanden ist. Das wird für vorteilhaft erachtet, damit die Indiumschicht durch plastische Deformation die un terschiedliche thermische Ausdehnung von Wärmesenke und Halbleiterchip ausgleichen kann, um thermische Spannungen zu vermeiden. Eine hinreichende Dicke der Indiumschicht wird bis her für erforderlich gehalten, da intermetallische Mischphasen wie beispielsweise Auln ₂ , die beim Löten oder durch Diffusion entstehen können, vergleichsweise hart und spröde sind. Nachteilig ist, dass insbesondere beim Impulsbetrieb eines herkömmlichen Diodenlasers eine Migration von Material der Indiumschichten auftreten kann. Dadurch kann es zum Ausfall des Lasers kommen. Um Indiumschichten zu vermeiden, wird die Verwendung ausdehnungsange- passter Wärmesenkenmaterialien empfohlen.

Aufgabe der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Herstellen eines Diodenlasers anzugeben, welcher eine verbesserte Lebensdauer im Pulsbetrieb aufweist.

Lösung der Aufgabe

Es hat sich herausgestellt, dass überraschenderweise intermetallische Mischphasen wie AuPb ₂ , AuCd ₃ , Auln ₂ , Auln, AuSn ₄ , AuSn ₂ , AuSn durchaus zum Herstellen einer dauerhaften Verbin dung eines Halbleiterchips mit einem Wärmeleitkörper geeignet sind. Es hat sich sogar heraus gestellt, dass es günstig sein kann, die üblicherweise zum Verbinden verwendeten weichen Me talle In oder Sn möglichst in harten intermetallischen Mischphasen mit Gold (Au) zu binden.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen einer Halbleiteranordnung, ge kennzeichnet durch folgende Schritte: a. Bereitstellen wenigstens eines Halbleiterchips, der auf einer ersten Seite eine erste Kontaktfläche aufweist, und auf einer der ersten Seite gegenüberliegenden Seite zweiten Seite eine zweite Kontaktfläche aufweist, b. Bereitstellen eines Wärmeleitkörpers mit einer ersten Anschlußfläche, c. Bereitstellen eines Deckels mit einer zweiten Anschlußfläche, d. Herstellen einer ersten metallischen Schicht umfassend ein oder mehrere der Weichmetalle Blei, Cadmium, Indium, Zinn, e. Herstellen einer zweiten Metallschicht, wobei entweder die erste metallische Schicht auf der ersten Anschlußfläche und die zweite Metallschicht auf der ersten Kontaktfläche hergestellt werden oder umgekehrt, f. Anordnen des Halbleiterchips zwischen dem Wärmeleitkörper und dem Deckel, wobei die erste Kontaktfläche der ersten Anschlußfläche des Wärmeleitkörpers zugewandt ist und die zweite Kontaktfläche der zweiten Anschlußfläche des De ckels zugewandt ist, g. Erzeugen wenigstens einer Kraft, die eine Komponente aufweist, welche den De ckel in Richtung des Wärmeleitkörpers drückt, wobei unter der Einwirkung der Kraft die erste metallische Schicht flächig auf die zweite Metallschicht gedrückt wird, h. Einrichten einer mechanischen Verbindung des Deckels zum Wärmeleitkörper, welche die Kraft wenigstens teilweise aufrechterhält, i. Ausbilden einer intermetallischen Schicht durch Festkörperdiffusion der ersten metallischen Schicht in die zweite Metallschicht und/oder umgekehrt, wobei die erste metallische Schicht überwiegend in intermetallischen Mischphasen und/o der oxydisch gebunden wird.

Mit diesem Verfahren kann ein Diodenlaser nach Anspruch 12 hergestellt werden, der die Auf gabe der Erfindung löst. Vorteilhaft kann zur Herstellung einer Klemmverbindung im o.g. Ver fahren eine als Noppenstruktur ausgebildete zweite metallische Schicht gemäß Anspruch 15 verwendet werden.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren kann zum Herstellen eines Diodenlasers vorteilhaft verwen det werden, welcher für einen hohen Betriebsstrom und/oder für einen Pulsbetrieb ausgelegt ist.

Beschreibung

Die erfindungsgemäße Halbleiteranordnung kann ein Diodenlaser sein, insbesondere eine Vor richtung zur Emission von Laserstrahlung, welche einen Laserbarren als Strahlquelle aufweist. Der Halbleiterchip kann also als ein Laserbarren ausgebildet sein. Der Halbleiterchip kann aber auch beispielsweise als MOSFET, IGBT, Thyristor, Gleichrichterdiode oder ähnliches ausgebil det sein. Der Laserbarren kann in bekannter Weise als kantenemittierender Diodenlaserbarren ausgebildet sein und einen oder bevorzugt mehrere Emitter umfassen, welche in einer x-Rich- tung jeweils versetzt zueinander angeordnet sein können. Der Laserbarren kann bevorzugt in x- Richtung eine Breite zwischen 0,3 mm und 12 mm haben. Er kann bevorzugt 1 bis 49 Emitter aufweisen. Die Dicke des Laserbarrens kann in einer y-Richtung bevorzugt zwischen 0,05 mm und 0,2 mm betragen. Die Länge der Emitter des Laserbarrens in einer z-Richtung kann bevor zugt zwischen 0,5 mm und 6 mm liegen. Die Richtung der Zentralstrahlen der emittierten Laser strahlung kann die z-Richtung sein. Die Richtungen x,y und z können rechtwinklig zueinander sein. Der Laserbarren kann eine bekannte epitaktisch hergestellte Schichtfolge als p-n-Über- gang mit einem oder mehreren Quantengräben aufweisen. Die Epitaxieschicht kann erheblich dünner sein als das Substrat. Die Epitaxieschicht kann beispielsweise zwischen 3pm und 20pm dick sein. Das Substrat kann beispielsweise zwischen 50pm und 200pm dick sein. Die einzel nen Emitter können bevorzugt als Breitstreifenemitter oder als Stegwellenleiter oder als Trapez laser ausgebildet sein. Es können auch mehrere Schichtfolgen, d. h. mehrere elektrisch in Serie liegende p-n Übergänge vorhanden sein. Solche Barren werden auch als Nanostack bezeich net. In diesem Fall können mehrere Emitter in y-Richtung übereinander gestapelt sein. Die Facetten des Laserbarrens können mit Spiegeln versehen sein, beispielweise kann an der rückwärtigen Facette des Laserelements eine hochreflektierende Spiegelschicht angebracht sein und an der gegenüberliegenden austrittsseitigen Facette, welche die Austrittsapertur ent hält, eine niedrig reflektierende Spiegelschicht mit einem Refelxionsgrad von beispielsweise 0,1% bis 10%. Die Spiegel können einen Laserresonator definieren, der einen Laserbetrieb er möglicht. Der Laserbarren kann aber auch als Gewinnelement ausgebildet sein, welches erst im Zusammenwirken mit einem externen Resonator zum Laserbetrieb vorgesehen ist. Dabei kann beispielsweise eine wellenlängenabhängige Rückkopplung durch den externen Resonator vor gesehen sein, die zur Festlegung der Wellenlänge des Lasers dient. Auch ein solches elektro optisches Gewinnelement ist als Laserbarren im Sinne der Erfindung zu verstehen.

Der Laserbarren kann durch einen elektrischen Strom gepumpt werden. Der Betriebsstrom kann beispielsweise 1A bis 1000A betragen. Zum Stromeintrag sind eine erste Kontaktfläche und eine zweite Kontaktfläche am Laserbarren vorgesehen. Die p seitige Kontaktfläche kann als erste Kontaktfläche bezeichnet werden. Die erste Kontaktfläche kann die Anode des Dio denlaserbarrens sein. Die n-seitige Kontaktfläche des Laserbarrens kann als zweite Kontaktflä che bezeichnet werden. Die zweite Kontaktfläche kann die Kathode des Laserbarrens sein. Die erste und die zweite Kontaktfläche können jeweils in einer xz-Ebene liegen. Die erste Kontakt fläche kann auf der Epitaxieseite des Laserbarrens, die als erste Seite bezeichnet werden kann, angeordnet sein, während die zweite Kontaktfläche auf der Substratseite des Laserbarrens, die als zweite Seite bezeichnet werden kann, angeordnet sein kann. Die erste und/oder die zweite Kontaktfläche können eine Metallisierung aufweisen.

Der Laserbarren kann im Betrieb Abwärme entwickeln, welche abgeführt werden muss. Dazu ist ein Wärmeleitkörper mit einer ersten Anschlussfläche vorgesehen. Da sich der pn-Übergang des Diodenlasers in der Epitaxieschicht (d.h. nahe der ersten Seite) befinden kann und der überwiegende Teil der Abwärme im pn-Übergang entstehen kann, kann der Wärmeleitkörper bevorzugt an die erste Seite des Laserbarrens angeschlossen werden. Die erste Kontaktfläche kann elektrisch und thermisch mit der ersten Anschlussfläche verbunden werden und die zweite Kontaktfläche kann elektrisch mit der zweiten Anschlussfläche verbunden werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Fierstellen einer Flalbleiteranordnung. Dazu wird ein Halbleiterchip, beispielsweise ein Laserbarren, bereitgestellt, der auf einer ersten Seite eine erste Kontaktfläche aufweist, und auf einer der ersten Seite gegenüberliegenden Seite zweiten Seite eine zweite Kontaktfläche aufweist. Die erste Kontaktfläche kann als eine Kontaktfläche für alle Emitter ausgebildet sein. Sie kann aber auch aus mehreren einzelnen Teilflächen beste hen, die voneinander getrennt sein können, beispielsweise eine Teilfläche für jeden Emitter. Die erste Kontaktfläche kann beispielsweise eine Metallisierung sein, die äußere Schicht kann bei spielsweise eine Goldschicht sein. Bevorzugt kann dabei eine galvanisch verstärkte Goldschicht mit einer Dicke bevorzugt größer als 0,5 gm, besonders bevorzugt zwischen 1 gm und 10 pm, verwendet werden. Diese galvanisch hergestellte Goldschicht kann die außenliegende Schicht sein. In dem Fall, dass diese galvanisch hergestellte Goldschicht die außenliegende Schicht ist, soll diese Schicht als zweite Metallschicht bezeichnet werden. Alternativ kann auf dieser galva nisch hergestellten Metallschicht eine Diffusionsbarriereschicht angeordnet sein, welche im Fol genden zur Unterscheidung als zweite Diffusionsbarriereschicht bezeichnet wird. Diese kann beispielsweise Ti, Ni, Cr, Pt, Mo and/or W umfassen. Auf der zweiten Diffusionsbarriereschicht kann außen eine weitere Metallschicht, vorteilhaft aus Gold, angeordnet sein, die beispiels weise wenigstens 80nm, vorteilhaft wenigstens 120nm, besonders vorteilhaft wenigstens 200nm dick sein kann. In diesem Fall wird im Folgenden diese außenliegende Metallschicht - insbesondere Goldschicht- als zweite Metallschicht bezeichnet. In diesem Fall kann die optional vorhandene unter der zweiten Diffusionsbarriereschicht angeordnete galvanische Goldschicht, im Folgenden als Dickgold-Unterschicht bezeichnet, für die erfindungsgemäße Ausbildung der intermetallischen Phasen irrelevant sein.

Die zweite Kontaktfläche kann als eine Kontaktfläche für alle Emitter eines Laserbarrens bzw. im Falle eines allgemeinen Halbleiterchips als eine große Kontaktfläche zum Stromeintrag aus gebildet sein. Sie kann aber auch aus mehreren einzelnen Teilflächen bestehen, beispielsweise eine Teilfläche für jeden Emitter eines Laserbarrens bzw. Stromkontakt für verschiedene Ele mente eines Halbleiterchips. Die zweite Kontaktfläche kann beispielsweise eine Metallisierung sein, die äußere Schicht kann beispielsweise eine Goldschicht sein. Diese kann beispielsweise 50nm bis 200nm dick sein.

Es können auch mehrere Laserbarren bereitgestellt werden, die beispielsweise nebeneinander oder übereinander auf der Wärmesenke angeordnet sein können.

Außerdem wird ein Wärmeleitkörper mit einer ersten Anschlußfläche bereitgestellt. Der Wärme leitkörper kann beispielsweise wenigstens zum Teil aus Kupfer, Aluminium oder aus einem Kupfer-Diamant Aluminium-Diamant oder Silber-Diamant-Verbundwerkstoff bestehen oder ein solches Material umfassen. Er kann beispielsweise als Kupferkörper mit einem Inlay aus einem Verbundwerkstoff ausgeführt sein. Er kann aber beispielsweise auch ganz aus Kupfer gefertigt sein. Der Wärmeleitkörper kann eine Metallisierung aufweisen, beispielsweise Ag/Au, oder Ni/Au oder Ti/Pt/Au, wobei die Goldschicht (Au) vorzugsweise außen vorgesehen ist. Die darun ter angeordnete Ag, Ni, Ti oder Pt-Schicht kann als eine erste Diffusionsbarriereschicht vorge sehen sein, indem sie eine Diffusion von Atomen der ersten metallischen Schicht verhindert.

Die erste Anschlußfläche kann mit einer besonders guten Ebenheit ausgeführt sein, um her nach einen geringen smile-Wert (Abweichung der einzelnen Emitter von einer geraden Linie) zu erreichen. Es können noch weitere erste Anschlußflächen für weitere Laserbarren vorgesehen sein.

Außerdem wird wenigstens ein Deckel mit einer zweiten Anschlußfläche bereitgestellt. Der De ckel kann zur elektrischen Kontaktierung des n-Kontakts des Laserbarrens vorgesehen sein. Er kann, muß aber nicht, ebenfalls zur Wärmeableitung vorgesehen sein. Er kann aus einem elektrisch gut leitfähigen Material, beispielsweise wenigstens zum Teil aus Kupfer, Aluminium oder aus einem Kupfer-Diamant Aluminium-Diamant oder Silber-Diamant-Verbundwerkstoff be stehen oder ein solches Material umfassen. Er kann beispielsweise als Kupferkörper mit einem Inlay aus einem Verbundwerkstoff ausgeführt sein. Er kann aber beispielsweise auch ganz aus Kupfer gefertigt sein. Der Deckel kann eine Metallisierung aufweisen, beispielsweise Ag/Au, o- der Ni/Au oder Ti/Pt/Au, wobei die Goldschicht vorzugsweise außen vorgesehen ist.

Erfindungsgemäß wird eine erste metallische Schicht bereitgestellt. Die erste metallische Schicht kann aus einem weichen Metall bestehen, das vorzugsweise eine Fließgrenze unter Druckbelastung (Quetschgrenze) von weniger als 50MPa, besonders bevorzugt weniger als 20MPa oder ganz besonders bevorzugt weniger als 10MPa aufweist. Die erste metallische Schicht umfasst ein oder mehrere der Weichmetalle Blei, Cadmium, Indium, Zinn. Vorteilhaft kann diese aus reinem Blei, reinem Indium oder reinem Zinn bestehen. Eine solche Schicht kann beispielsweise durch einen Beschichtungsprozeß wie Bedampfen oder Sputtern herge stellt werden. Diese Schicht kann im Vergleich zu bisherigen Verbindungstechnologien wie un ten ausgeführt, erheblich dünner sein. Diese Schicht kann als gleichmäßige Schicht ausgebildet sein. Sie kann aber auch strukturiert sein, beispielsweise als Noppenstruktur. Bevorzugt sind Indium und/oder Zinn zu verwenden, da Blei und Cadmium weniger umweltverträglich sind.

Erfindungsgemäß wird eine zweite metallische Schicht aus einem anderen Metall als die erste Metallschicht bereitgestellt, vorteilhaft aus Gold. Im Folgenden wir diese Schicht auch als zweite Metallschicht bezeichnet. Diese kann Verunreinigungen oder Dotierungen enthalten, kann aber vorteilhaft im Wesentlichen aus Gold bestehen, sie kann beispielsweise mehr als 95%, besser mehr als 99% der Stoffmenge, Gold umfassen. Diese Schicht kann durch Beschichten, bei spielsweise Bedampfen, Sputtern oder galvanisch hergestellt werden.

Die erste metallische Schicht kann auf der ersten Anschlußfläche und die zweite Metallschicht auf der ersten Kontaktfläche hergestellt werden. Alternativ ist es möglich, die erste metallische Schicht auf der ersten Kontaktfläche und die zweite Metallschicht auf der ersten Anschlußfläche herzustellen.

Erfindungsgemäß wird der Laserbarren zwischen dem Wärmeleitkörper und dem Deckel ange ordnet, wobei die erste Kontaktfläche der ersten Anschlußfläche des ersten Wärmeleitkörpers zugewandt ist und die zweite Kontaktfläche der zweiten Anschlußfläche des Deckels zugewandt ist und die zweite metallische Schicht zumindest abschnittsweise zwischen der zweiten An schlußfläche und der zweiten Kontaktfläche angeordnet ist,

Erfindungsgemäß wird wenigstens eine Kraft erzeugt, die eine Komponente aufweist, welche den Deckel in Richtung des Wärmeleitkörpers drückt. Das kann die Richtung -y sein. Unter der Einwirkung der Kraft wird die erste Kontaktfläche flächig auf die erste Anschlußfläche gedrückt. Das kann zu einer Klemmverbindung führen. Bei diesem Andruck können Unebenheiten ausge glichen werden. Dabei kann der Laserbarren elastisch verformt werden. Unter der Einwirkung der Kraft wird die erste metallische Schicht flächig auf die zweite Metallschicht gedrückt.

Außerdem ist das Einrichten einer mechanischen Verbindung des Deckels zum Wärmeleitkör per vorgesehen. Vorteilhaft kann eine elektrisch isolierende Verbindung vorgesehen werden, damit der Laserbarren nicht kurzgeschlossen wird. Die Verbindung kann mittels eines Fügemit tels erfolgen. Als Fügemittel kann beispielsweise ein Klebstoff verwendet werden. Besonders vorteilhaft kann eine flächige Verklebung mit einem Wärmeleitklebstoff verwendet werden. Zwi schen dem Laserbarren und der Fügefläche kann ein Abstand oder ein Trenngraben vorgese hen sein, um eine Benetzung des Laserbarrens mit Klebstoff zu vermeiden. Das Einrichten der mechanischen Verbindung kann mit einem Volumenschrumpf des Fügemittels einhergehen. Die mechanische Verbindung kann zum Erzeugen und/oder zur Aufrechterhaltung der Kraft vorge sehen sein. Dabei kann es ausreichen, wenn die Kraft wenigstens teilweise aufrechterhalten wird. Eine teilweise Relaxation der Kraft nach dem Verbindungsprozess kann vorgesehen oder tolerabel sein. Durch die Kraft oder den aufrechterhaltenen Anteil der Kraft kann die Klemmver bindung des Laserbarrens zwischen dem Wärmeleitkörper und dem Deckel aufrechterhalten werden. Dadurch kann ein Bruch der unten beschriebenen intermetallischen Schicht vermieden werden. Alternativ oder zusätzlich kann eine Schraubverbindung zum Verbinden des Deckels mit dem Wärmeleitkörper vorgesehen sein.

Erfindungsgemäß vorgesehen ist das Ausbilden einer intermetallischen Schicht durch Festkör perdiffusion der ersten metallischen Schicht in die zweite Metallschicht und/oder umgekehrt. Unter einer Festkörperdiffusion kann man verstehen, dass der Diffusionsprozess ohne Auf schmelzen erfolgt. Das Diffundieren kann ohne Erwärmung bei Zimmertemperatur erfolgen. Es kann aber auch eine Erwärmung vorgesehen sein, so dass die Diffusion bei einer erhöhten Temperatur stattfinden kann. Vorteilhaft kann die Temperatur unterhalb der niedrigsten Solidus temperaturen der ersten metallischen Schicht und deren Mischphasen mit der zweiten Metall schicht liegen. Dadurch kann ein Aufschmelzen der ersten metallischen Schicht und der Misch phasen vermieden werden. Dadurch können mechanische Spannungen vermieden werden.

Erfindungsgemäß vorgesehen ist, das Verfahren so durchzuführen, dass die erste metallische Schicht in intermetallischen Mischphasen mit dem Metall der zweiten metallischen Schicht, vor zugsweise Gold, und/oder oxydisch gebunden wird. Es kann vorteilhaft sein, die vorhandene Stoffmenge von Metallatomen der ersten metallischen Schicht überwiegend, d.h. zu mehr als 50%, besonders vorteilhaft zu mehr als 75% und besonders vorteilhaft vollständig, bis auf unbe deutende Restmengen, zu binden. Bereits eine Bindung von 50% der Weichmetallatome kann ausreichend sein, wenn die intermetallische Schicht über die gesamte Schichtdicke von inter metallischen Mischphasen durchsetzt ist. Dazwischenliegende Restgebiete mit reinem Schicht material der ersten metallischen Schicht können dann ebenfalls an einer Migration gehindert sein, so dass deren Vorhandensein die positive Wirkung der Erfindung nicht beeinträchtigt. Bei weniger als 50% gebundener Metallatome der ersten metallischen Schicht hingegen kann die Wirkung ausbleiben oder beeinträchtigt sein. Der o.g Bindungsgrad kann dadurch erreicht wer den, dass die erste metallische Schicht hinreichend dünn ausgeführt wird. Die Schichtdicke der ersten metallischen Schicht kann weniger als 2pm, vorteilhaft weniger als 1 ,6pm, ebenfalls vor teilhaft weniger als 1 ,2pm und ebenfalls vorteilhaft weniger als 800nm betragen. Sie kann min destens 200nm, vorteilhaft mindestens 500nm betragen. Die untere Grenze kann dadurch be dingt sein, dass bei noch dünnerer erster Metallschicht Unebenheiten der ersten Kontaktfläche und/oder der ersten Anschlußfläche nicht mehr ausgeglichen werden könnten.

Bei dem Festkörperdiffusionsprozess entsteht eine intermetallische Schicht. Dadurch kann si chergestellt werden, dass die Verbindung der ersten Kontaktfläche mit der ersten Anschlußflä che, funktional auch als Verbindungsfläche zu bezeichnen, frei von plastisch deformierbaren io reinen Metallen Pb, Cd, In und Sn ist. Die Fließgrenze unter Druckbelastung (Quetschgrenze) und/oder die Fließgrenze unter Scherbelastung der intermetallischen Schicht kann wenigstens das Doppelte, vorteilhaft das Fünffache bezüglich der ersten metallischen Schicht betragen.

Bei herkömmlichen Verbindungsverfahren mit einer Indiumschicht nach dem bisher bekannten Stand der Technik hingegen wird die Fließgrenze kaum erhöht, da nach der Montage immer noch eine Schicht reines Indium vorhanden ist.

Die erste, zweite und dritte metallische Schicht können durch Beschichten hergestellt werden. Unter Beschichten (englisch coating) wird in der Fertigungstechnik eine Hauptgruppe der Ferti gungsverfahren nach DIN 8580 verstanden, die zum Aufbringen einer haftenden Schicht aus formlosem Stoff auf die Oberfläche eines Werkstückes genutzt werden. Der entsprechende Vor gang sowie die aufgetragene Schicht selbst wird auch als Beschichtung bezeichnet. Bei einer Beschichtung kann es sich um eine dünne Schicht oder eine dicke Schicht sowie um mehrere in sich zusammenhängende Schichten handeln, die Unterscheidung ist nicht genau definiert und orientiert sich am Beschichtungsverfahren und Anwendungszweck. Im Sinne der vorliegenden Erfindung kann auch eine Beschichtung mit ortsabhängiger Schichtdicke als Schicht bezeichnet werden.

Die erste metallische Schicht kann durch Beschichten der ersten Anschlußfläche hergestellt werden. Dazu können galvanische oder physikalische (z.B. Bedampfen, Sputtern) Beschich tungsverfahren verwendet werden. Das Beschichten kann mit einer Maske erfolgen, um eine strukturierte Schicht herzustellen. Alternativ kann auch eine gleichmäßig dicke Schicht be schichtet werden. Die zweite metallische Schicht kann vorteilhaft durch Beschichten der zweiten Kontaktfläche des Laserbarrens mit Gold hergestellt sein.

Vorteilhaft kann der Deckel einen Beitrag zur Wärmeableitung von der zweiten Kontaktfläche leistend vorgesehen sein. Die Hohlstellen in einer eventuell vorhandenen dritten metallischen Schicht, d.h. die Stellen zwischen den Noppen, können frei bleiben oder alternativ mit einem weiteren Fügemittel, beispielsweise einem Epoxidharz verfüllt sein. Das Verfüllen der Hohlstel len kann in einem weiteren Verfahrensschritt erfolgen. Gegebenenfalls kann dadurch die me chanische Festigkeit der Verbindung gegenüber einer Verbindung mit unverfüllten Hohlräumen verbessert werden. Der Deckel kann mittels eines elektrisch isolierenden Fügemittels mit dem Wärmeleitkörper thermisch und mechanisch verbunden sein. Vorteilhaft kann ein teilweises Oxidieren der ersten metallischen Schicht vor Schritt f) sein. Das kann durch Dippen der beschichteten Fläche mit Wasserstoffperoxidlösung, mit Wasser und/o der durch Lagern in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre bewerkstelligt werden. Dadurch kann ein Teil der Stoffmenge der Metalle der ersten metallischen Schicht oxidisch gebunden werden. Dadurch kann die erforderliche Schichtdicke der zweiten Metallschicht reduziert werden. Wenn genügend Gold zur Verfügung steht kann auf das Oxidieren verzichtet werden.

Unter der ersten metallischen Schicht kann eine vierte Metallschicht, beispielsweise eine aus Gold, angeordnet sein. Dazu kann beispielsweise ein vergoldeter Wärmeleitkörper verwendet werden. Der Wärmeleitkörper kann beispielsweise eine übliche Ni/Au Beschichtung aufweisen. Die Nickelschicht kann beispielsweise 1 pm bis 10pm dick sein, die außenliegende vierte Gold schicht 50nm bis 200nm oder 50nm bis 500nm. Auf der vierten Metallschicht kann die erste me tallische Schicht im Bereich der ersten Verbindungsfläche hergestellt werden.

Vorteilhaft kann die erste metallische Schicht pro Fläche weniger als das Vierfache der in der zweiten Metallschicht und der vierten Metallschicht insgesamt enthaltenen Stoffmenge von we nigstens einem Metall, welches mit der ersten Metallschicht Mischphasen bilden kann, vorzugs weise Gold, enthalten. Insbesondere kann die erste metallische Schicht pro Fläche eine gerin gere Stoffmenge der Weichmetalle Blei, Cadmium, Indium und Zinn enthalten als das Vierfache der in der zweiten Metallschicht und in der vierten Metallschicht, soweit vorhanden, insgesamt pro Fläche enthaltenen Stoffmenge von Gold. Daraus läßt sich die erforderliche maximale Schichtdicke der ersten metallischen Schicht berechnen. Alternativ kann man bei einer vorge gebenen Schichtdicke der ersten metallischen Schicht die erforderliche minimale Schichtdicke der zweiten Metallschicht, ggf. unter Berücksichtigung der vierten Metallschicht, berechnen.

Unter der der zweiten Metallschicht und/oder unter der vierten Metallschicht kann eine zweite und/oder erste Diffusionsbarriereschicht angeordnet sein. Die Metalle der ersten metallischen Schicht können im Schritt i) teilweise an die Metalle der zweiten und/oder ersten Diffusionsbarri ereschicht gebunden werden. Beispielsweise kann die zweite und/oder erste Diffusionsbarriere schicht aus Nickel oder Chrom bestehen oder Nickel und/oder Chrom enthalten. Dann kann ein Anteil von Metallatomen der ersten Schicht beispielsweise als Indium-Nickel. Indium-Chrom, Zinn-Nickel oder Zinn-Chrom Mischphasen gebunden werden.

Vorteilhaft kann das Verfahren außerdem ein Herstellen einer dritten metallischen Schicht, be sonders vorteilhaft mit einer Noppenstruktur auf der zweiten Anschlußfläche und/oder auf der zweiten Kontaktfläche sein. Diese kann vorteilhaft aus Pb, In und/oder Sn hergestellt sein. Die dritte metallische Schicht kann vorteilhaft zwischen 0,5pm und 5pm dick sein.

Erfindungsgemäß vorteilhaft ist ein Diodenlaser, umfassend wenigstens einen kantenemittieren den Laserbarren, welcher einen oder mehrere Emitter umfasst, mit einer ersten Kontaktfläche, die als ein p-Kontakt ausgebildet ist, und einer zweite Kontaktfläche, die als n-Kontakt ausgebil det, einen Wärmeleitkörper mit einer ersten Anschlußfläche, einen Deckel mit einer zweiten An schlußfläche, wobei der Laserbarren zwischen dem Wärmeleitkörper und dem Deckel angeord net ist, wobei der Deckel mit dem Wärmeleitkörper mechanisch verbunden ist und die erste Kontaktflä che mit der ersten Anschlußfläche über eine intermetallische Schicht flächig thermisch und elektrisch verbunden ist und die zweite Kontaktfläche mit der zweiten Anschlußfläche elektrisch verbunden ist, wobei die intermetallische Schicht Gold (Au) und wenigstens ein weiteres Metall (ME) der Gruppe Blei, Cadmium, Indium, Zinn umfasst und die intermetallische Schicht über wiegend aus einer oder mehreren Mischphasen AuME ₃ , AuME ₂ und/oder Phasen mit höherem Goldanteil besteht. Überwiegend kann bedeuten, zu mehr als 50% bezogen auf die Stoffmenge, die in Mol angegeben werden kann.

Solche Mischphasen können beispielsweise AuPb ₂ , AuCd ₃ , Auln ₂ , Auln, AuSn ₄ , AuSn ₂ , AuSn sein. Vorteilhaft können überwiegend solche Mischphasen in der intermetallischen Schicht vor handen sein, die höchstens 50% Goldatome enthalten. Besonders vorteilhaft können überwie gend die jeweils goldärmsten Mischphasen, beispielsweise AuPb ₂ , AuCd ₃ , Auln ₂ und/oder AuSn ₄ in der intermetallischen Schicht vorhanden sein. Vorteilhaft kann es sein, die erste metal lische Schicht aus Sn herzustellen. Die Mischphase AuSn ₄ kann bei gleicher Stoffmenge von Gold im Vergleich zu den Mischphasen der anderen Metalle besonders viele Atome der ersten metallischen Schicht binden.

Vorteilhaft kann der Deckel einen Beitrag zur Wärmeableitung von der zweiten Kontaktfläche leistend vorgesehen sein. Vorteilhaft kann der Deckel mittels eines elektrisch isolierenden Fü gemittels mit dem Wärmeleitkörper thermisch und mechanisch verbunden sein.

Die erfindungsgemäße intermetallische Schicht kann spröde sein bzw. zum Aufreißen neigen. Das kann durch eine normal zur Schicht wirkende Klemmkraft vermieden werden. Vorteilhaft kann daher die Verwendung einer permanenten Klemmkraft sein zum Aufrechterhalten einer Befestigung eines Halbleiterbauelements auf einem Wärmeleitkörper mittels einer intermetalli schen Schicht, wobei die intermetallische Schicht Gold (Au) und wenigstens ein weiteres Metall (ME) der Gruppe Blei, Cadmium, Indium, Zinn umfasst und die intermetallische Schicht über wiegend aus einer oder mehreren Mischphasen AuME ₃ , AuME ₂ und/oder Phasen mit höherem Goldanteil besteht.

Die Figuren zeigen Folgendes:

Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel vor dem Zusammenbau.

Fig. 2 zeigt das erste Ausführungsbeispiel nach dem Zusammenbau.

Fig. 3 zeigt zum Vergleich einen Diodenlaser nach dem Stand der Technik.

Fig. 4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel vor dem Zusammenbau.

Fig. 5 zeigt das dritte Ausführungsbeispiel nach dem Zusammenbau.

Es sei darauf hingewiesen, dass die Figuren nicht maßstäblich gezeichnet sind. Zur Veran schaulichung der Erfindung sind übertriebene Darstellungen insbesondere hinsichtlich der je weiligen Schichtdicken erforderlich.

Fig. 6 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel.

Ausführungsbeispiele:

Die Erfindung soll anhand eines ersten Ausführungsbeispiel in Fig. 1 und Fig. 2 illustriert wer den. Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel vor dem Zusammenbau des Diodenlasers 1. Dargestellt ist ein bereitgestellter Laserbarren 3 mit mehreren Emittern, der auf einer ersten Seite 6 eine erste Kontaktfläche 7 aufweist, die als p-Kontakt (Anode) ausgebildet ist, und auf einer der ersten Seite gegenüberliegenden Seite zweiten Seite 8 eine zweite Kontaktfläche 9 aufweist, die als n-Kontakt (Kathode) ausgebildet ist. Es ist ebenfalls die Lage der Epitaxie schicht 5 nahe der ersten Kontaktfläche des Laserbarrens durch eine punktierte Linie angedeu tet. Der n-Kontakt kontaktiert das Substrat 4 des Laserbarrens.

Die erste Kontaktfläche trägt eine Beschichtung umfassend eine Dickgold-Unterschicht 20, die von einer zweiten Diffusionsbarriereschicht 21 (dargestellt als dicke Linie) abgedeckt ist. Auf der zweiten Diffusionsbarriereschicht 21 ist eine außenliegende zweite Metallschicht aus Gold 15 angeordnet.

Weiterhin ist ein bereitgestellter Wärmeleitkörper 10 mit einer ersten Anschlußfläche 11 darge stellt. Der Wärmeleitkörper 10 ist mit einer Ni/Au Beschichtung versehen, welche eine Ni Unter schicht als erste Diffusionsbarriereschicht 19 und eine außenliegende vierte Metallschicht aus Gold 18 aufweist. Die erste Anschlußfläche ist mit einer ersten metallischen Schicht 14 aus Blei, Indium oder Zinn beschichtet. Weiterhin ist ein bereitgestellter Deckel 12 mit einer zweiten An schlußfläche 13 dargestellt. Auf der zweiten Anschlußfläche ist eine dritte metallische Schicht 17 aus Indium oder Zinn aufgetragen. In einer alternativen Ausführungsform weist diese Schicht eine Noppenstruktur (nicht dargestellt) auf. Die dritte metallische Schicht kann somit zusammen mit dem Deckel bereitgestellt werden. Der Laserbarrens wird zwischen dem Wärmeleitkörper 10 und dem Deckel 12 angeordnet, wobei die erste Kontaktfläche 7 der ersten Anschlußfläche 11 des Wärmeleitkörpers zugewandt ist und die zweite Kontaktfläche 9 der zweiten Anschlußfläche 13 des Deckels zugewandt ist. Der Deckel kann eine Ni/Au Beschichtung (nicht dargestellt), ebenso wie der Wärmeleitkörper, aufweisen.

Dargestellt ist ebenfalls ein aushärtbares Fügemittel 23 welches beispielsweise als noch nicht ausgehärteter viskoser Epoxidharzklebstoff auf die entsprechende Fläche des Wärmeleitkör pers oder des Deckels aufgetragen werden kann.

Fig. 2 zeigt den Diodenlasers 1 während bzw. nach dem Zusammenbau. Es wird wenigstens eine Kraft 22 erzeugt, die eine Komponente aufweist, welche den Deckel 12 in Richtung des Wärmeleitkörpers 10 drückt. Unter der Einwirkung der Kraft wird die erste Kontaktfläche 7 flä chig auf die erste Anschlußfläche 11 gedrückt wird, wobei die erste metallische Schicht 14 flä chig auf die zweite Metallschicht aus Gold 15 gedrückt wird,

Eine mechanischen Verbindung des Deckels 12 zum Wärmeleitkörper 10 wird mittels des elektrisch isolierenden Fügemittels 23 eingerichtet. Das ausgehärtete Fügemittel hält die Kraft 22 wenigstens teilweise aufrecht. Der fertige Diodenlaser emittiert Laserstrahlung 2 in Richtung z.

Bei dem Verfahren kommt es zum Ausbilden einer intermetallischen Schicht 16 durch Festkör perdiffusion der ersten metallischen Schicht 14 in die zweite Metallschicht aus Gold 15 und/oder umgekehrt, wobei die erste metallische Schicht 14 in intermetallischen Mischphasen gebunden wird. Eine oxydische Bindung eines Teils der Atome der ersten metallischen Schicht kann optio nal zusätzlich vorhanden sein. Die zweite Diffusionsbarriereschicht 21 verhindert ein Eindringen von Atomen der ersten metallischen Schicht in die Dickgold-Unterschicht 20. Letztere bleibt dadurch unversehrt. Die intermetallische Schicht 16 wird zwischen der ersten Diffusionsbarrier eschicht 19 und der zweiten Diffusionsbarriereschicht 21 erzeugt.

Fig. 3 zeigt zum Vergleich einen Diodenlaser nach dem Stand der Technik. Der Diodenlaser ist mit einer Indiumschicht 14 als erste metallische Schicht montiert. Die Indiumschicht ist so sick ausgeführt, dass sie als Schicht aus reinem Metall permanent erhalten bleibt. Lediglich in einer grenzflächennahen Zone können sich intermetallische Phasen 16 bilden, die nach bisheriger Lehre unerwünscht sind. Fig. 4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel vor dem Zusammenbau des Diodenlasers 1 . Die zweite Metallschicht aus Gold 15 ist hier als Dickgoldschicht ausgebildet. Eine zweite Diffusi onsbarriereschicht, welche die Dickgoldschicht abdeckt, ist in diesem Beispiel nicht vorhanden.

Fig. 5 zeigt das dritte Ausführungsbeispiel nach dem Zusammenbau. Die auf dem Halbleiterchip angebrachte Dickgoldschicht wird hier als Goldreservoir zur Bildung der intermetallischen Schicht 16 benutzt. Auch die vierte Metallschicht aus Gold trägt zum Reservoir bei.

Fig. 6 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel. Dargestellt ist die schematische Zeichnung nach einer elektronenmikroskopische Aufnahme eines Schliffbildes einer fertigen Flalbleiteranord- nung, hier eines Diodenlasers, in einer vergrößerten Ausschnittdarstellung. Der Laserbarren weist ein Substrat 4 und eine Epitaxieschicht 5 auf. Die erste Kontaktfläche des Laserbarrens trägt eine Beschichtung umfassend eine ca. 1pm bis 5pm dicke metallische Unterschicht 20 (buffer layer), die von einer weniger als 0,5pm dicken zweiten Diffusionsbarriereschicht 21 ab gedeckt ist. Die Diffusionsbarriereschicht 21 ist in der Figur zwischen der metallischen Unter schicht 20 und der intermetallischen Schicht 16 sichtbar. Die metallische Unterschicht kann bei spielsweise überwiegend aus Gold, aus Kupfer oder aus Zinn bestehen. Die metallische Unter schicht 20 bleibt aufgrund der zweiten Diffusionsbarriereschicht 21 auch nach dem Ausbilden der intermetallischen Schicht 16 in Schritt i) des Verfahrens erhalten. Auf der zweiten Diffusi onsbarriereschicht 21 wird vor dem Einrichten der mechanischen Verbindung eine zweite Me tallschicht, vorzugsweise aus Gold, aufgetragen (in der Figur nicht sichtbar). Diese geht beim Ausbilden der intermetallischen Schicht 16 in Schritt i) vollständig in der intermetallischen Schicht 16 auf.

Der Wärmeleitkörper 10 ist mit einer metallischen Beschichtung versehen. Diese umfasst eine ca. 0,5pm bis 10pm dicke erste Diffusionsbarriereschicht 19, die man auch als buffer layer be zeichnen kann. Auf der ersten Diffusionsbarriereschicht 19 wird vor dem Einrichten der mecha nischen Verbindung eine vierte Metallschicht, vorzugsweise aus Gold, aufgetragen (in der Figur nicht sichtbar). Diese geht beim Ausbilden der intermetallischen Schicht 16 in Schritt i) vollstän dig in der intermetallischen Schicht 16 auf.

Auf die zweite Metallschicht und/oder die vierte Metallschicht wird vor dem Einrichten der me chanischen Verbindung die erste metallische Schicht mit einer Dicke von ca. 0,5pm bis 2pm aufgetragen (in der Figur nicht sichtbar). Diese geht beim Ausbilden der intermetallischen Schicht 16 in Schritt i) vollständig in der intermetallischen Schicht 16 auf. Die intermetallische Schicht hat eine Dicke von ca. 0,5pm bis 2,5pm. Die intermetallische Schicht 16 umfasst Mischphasen aus den Metallen der ersten zweiten und vierten metallischen Schicht und gegebenenfalls Oxide des Materials der ersten metallischen Schicht. Die interme tallische Schicht ist frei von reiner metallischer Phase des Materials der ersten metallischen Schicht. Sie umfasst vorzugsweise überwiegend die jeweils goldärmste intermetallische Phase des Metalls der ersten metallischen Schicht mit Gold. In einer Abwandlung des ersten Ausfüh rungsbeispiels umfasst die intermetallische Schicht intermetallische Phasen bis zu 50% Goldan teil gemessen als Stoffmenge, welche in Mol angegeben werden kann.

Bezugszeichen:

1. Diodenlaser

2. Laserstrahlung

3. Laserbarren 4. Substrat

5. Epitaxieschicht

6. erste Seite

7. erste Kontaktfläche

8. zweite Seite 9. zweite Kontaktfläche

10. Wärmeleitkörper

11. erste Anschlußfläche

12. Deckel

13. zweite Anschlußfläche 14. erste metallische Schicht

15. zweite Metallschicht

16. intermetallische Schicht

17. dritte metallische Schicht

18. vierte Metallschicht 19. erste Diffusionsbarriereschicht

20. Dickgold-Unterschicht, metallische Unterschicht

21. zweite Diffusionsbarriereschicht

22. Kraft

23. Fügemittel