Brevet FR2631751A1 — publié le 19891124

EMBASE DE MONTAGE INTERMEDIAIRE POUR UN LASER A SEMICONDUCTEURS La présente invention concerne une embase de mon- tage intermédiaire pour un laser à semiconducteurs, et elle porte plus particulièrement sur une embase de ce type per- mettant de fabriquer un laser à semiconducteurs ayant une fiabilité élevée. La figure 2 montre une coupe d'une structure d'embase de montage intermédiaire en Si pour le montage d'une puce de laser à semiconducteurs conforme à l'art an- térieur. Sur la figure 2, la référence 1 désigne un subs- trat monocristallin en Si. La référence 2 désigne une cou- che de barrière qui est formée à la fois sur les surfaces supérieure et inférieure du substrat en Si 1, pour être en contact ohmique avec ces surfaces. Cette couche de barrière 2 comprend une première couche en Ti 21, une seconde couche en Ni 22 et une troisième couche en Ag 23, qui sont formées successivement à partir du côté intérieur. La référence 4 désigne une couche de brasure consistant en Pb ou Sn (ou une couche d'alliage) qui est formée par évaporation sur la couche de barrière 2. On va maintenant décrire la fonction de cette em- base de montage intermédiaire pour un laser à semiconduc- teurs. De façon générale, lorsqu'un laser à semiconduc- teurs oscille en régime permanent, il produit de la chaleur, ce qui fait que le laser est fixé à un bloc ayant une fonc- tion de radiateur, et on utilise de façon générale dans ce but un bloc en Ag ou un bloc en Cu, ayant une conductivité thermique élevée. Cependant, du fait qu'il existe une gran- de différence de coefficients de dilatation thermique entre un laser à semiconducteurs consistant par exemple en AlGaAs et un bloc en Ag ou un bloc en Cu, on intercale entre le laser à semiconducteurs et le bloc de radiateur thermique une embase de montage intermédiaire consistant en un mono- cristal de Si, et on utilise cette embase de montage inter- médiaire à titre de matériau d'atténuation des contraintes thermiques. On décrira ci-après un procédé pour fabriquer une embase de montage intermédiaire pour un laser à semiconduc- teurs qui est représentée sur la figure 2. On dépose successivement par évaporation sur les surfaces avant et arrière du substrat 1 consistant une tranche de Si, une première couche en Ti, 21, une seconde couche en Ni, 22 et une troisième couche en Ag, 23. La pre- mière couche en Ti 21 présente une forte adhérence au subs- trat en Si 1, et elle peut avoir une propriété de contact ohmique avec le substrat en Si 1. La seconde couche en Ni 22 est une couche qui évite la réaction d'alliage de métaux entre la couche de brasure du type Pb/Sn 4 et la première couche en Ti 21. La troisième couche en Ag 23 est une cou- che qui est capable d'empêcher l'oxydation de 'la seconde couche en Ni 22 et qui peut conserver une propriété favo- rable pour le dépôt de brasure de type Pb/Sn. On peut for- mer ces couches de métal par un procédé de pulvérisation cathodique. Ensuite, on évapore respectivement Pb et Sn sur la troisième couche en Ag 23, ou bien on évapore un alliage de Pb et Sn sur la troisième couche en Ag 23, pour produire ainsi une couche de brasure 4. Lorsqu'un laser à semiconducteurs est monté sur un bloc de radiateur thermique au moyen de l'embase de montage intermédiaire en Si décrite cidessus, on utilise dans le but de diminuer la résistance thermique un procédé de fabrication "jonction en bas", dans lequel le point d'émission de lumière du laser à semiconducteurs est placé près de l'embase de montage intermédiaire. Ce procédé de fabrication "jonction en bas" devient le procédé principal pour un laser de forte puissance ou un laser d'imprimante devant avoir des caractéristiques correspondant à un faible échauffement. Dans ce cas, lorsqu'on utilise une brasure à base d'or, bien que les propriétés d'adhérence soient bonnes, cette brasure a un point de fusion élevé et une résistance mécanique élevée, résultant de la nature du matériau, ce qui fait qu'une déformation due à une contrainte thermique est susceptible d'être appliquée à la puce de laser à semi- conducteurs après le durcissement de la brasure, dégradant ainsi la fiabilité à long terme. On utilise donc principa- lement en tant que matériau de brasure pour le procédé de fabrication "jonction en bas", une brasure du type Pb/Sn, qui a un bas point de fusion et qui est également tendre, en ce qui concerne la résistance mécanique du matériau. Du fait que la brasure Pb/Sn est une brasure tendre, lorsqu'on l'utilise pour braser une puce de laser à semiconducteurs, on obtient de bonnes caractéristiques de durée de vie du laser à semiconducteurs (qu'on appelle habituellement une diode laser). Il apparaît cependant les problèmes sui- vants. Un laser à semiconducteurs comporte une paire de surfaces d'extrémités de résonateur, et de la lumière laser est émise par la surface avant et la surface arrière du résonateur. Il existe une relation de proportionnalité en- tre l'émission de lumière laser par la surface avant et l'émission de lumière laser par la surface arrière. De façon générale, dans le but d'exciter le laser de façon à obtenir une émission de laser constante par la surface avant (excitation avec commande automatique de puissance), une photodiode de contrôle qui reçoit la lumière émise par la surface arrière est incorporée dans un bottier, pour contrôler la lumière laser qui est émise du côté arrière. Dans le cas de la construction "jonction en bas" décrite ci-dessus, la lumière laser qui tombe sur la photodiode de contrôle comprend une lumière directe qui est la lumière laser émise par la surface arrière du résonateur laser, et une lumière réfléchie provenant de la surface de la brasure du type Pb/Sn, à la surface supérieure de l'embase de mon- tage intermédiaire. La réflectance de la brasure du type Pb/Sn varie lorsqu'on lui fait subir des cycles thermiques, comme le montre la figure 3(a), et la quantité de lumière que reçoit la photodiode de contrôle change, ce qui rend impossible l'excitation avec commande automatique de puis- sance, et ce qui fait qu'un courant excessif est appliqué au laser à semiconducteur et détériore ce dernier. En outre, la brasure du type Pb/Sn est suscepti- ble de subir une fatigue thermique, et on a constaté un décollement de la puce dû à un manque de force d'adhérence au bout d'environ 100 cycles thermiques. Dans l'embase de montage intermédiaire pour un laser à semiconducteur qui est fabriqué de cette manière, l'état de surface de la brasure est susceptible de changer et la quantité de lumière qui tombe sur la photodiode de contrôle varie également, ce qui fait varier le courant de contrôle et conduit à l'incapacité d'effectuer une excita- tion avec commande automatique de puissance. La brasure du type Pb/Sn est donc susceptible d'être soumise à une fati- gue thermique, et elle est également susceptible de con- duire au décollement de la puce, sous l'effet de cycles thermiques. Un but de l'invention est de procurer une embase de montage intermédiaire pour un laser à semiconducteurs capable d'éliminer la variation du courant de contrôle, d'éliminer l'insuffisance de la force d'adhérence due à la fatigue thermique, et ayant une fiabilité élevée, y compris en ce qui concerne les caractéristiques de vieillissement à long terme. Conformément à l'invention, on réalise la couche de surface supérieure d'une embase de montage intermédiaire pour un laser à semiconducteurs, au moyen d'une couche de brasure en alliage métallique comprenant Sn, Ag et Sb, sur la couche de barrière comprenant Au ou Ag. La couche de brasure en alliage métallique a ainsi une adhérence suffisante et elle a peu de chances de subir une fatigue thermique sous l'effet de cycles thermi- ques. En outre, l'insuffisance de la force d'adhérence est éliminée et l'état de surface de la brasure a peu de chan- ces de changer, ce qui réduit la variation des caractéris- tiques du courant de contrôle et conduit à une diode laser ayant une fiabilité élevée. Un aspect de l'invention porte sur une embase de montage intermédiaire pour un laser à semiconducteurs com- prenant: un substrat conducteur ou isolant; des couches de barrière supérieure et inférieure dont la surface supérieu- re est une couche en Au ou une couche en Ag, déposées sur les surfaces supérieure et inférieure du substrat; et une couche de brasure en alliage métallique comprenant les trois éléments Sn, Ag et Sb, déposée sur la totalité de la surface de la couche de barrière inférieure et sur la tota- lité ou sur une partie de la surface de la couche de bar- rière supérieure. D'autres caractéristiques et avantages de l'in- vention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre d'un mode de réalisation, donné à titre d'exemple non limitatif. La suite de la description se ré- fère aux dessins annexés sur lesquels: La figure 1 est une coupe montrant la structure d'une embase de montage intermédiaire pour un laser à se- miconducteurs conforme à un mode de réalisation de l'inven- La figure 2 est une coupe montrant une embase de montage intermédiaire pour un laser à semiconducteurs con- forme à l'art antérieur; La figure 3(a) est un graphique montrant des ca- ractéristiques de cycles thermiques d'un courant de con- trôle d'un laser à semiconducteurs fabriqué en utilisant une embase de montage intermédiaire pour laser à semicon- ducteurs conforme à l'art antérieur; et La figure 3(b) est un graphique qui montre des caractéristiques de cycles thermiques d'un courant de con- trôle d'un laser à semiconducteurs fabriqué en utilisant une embase de montage intermédiaire pour laser à semicon- ducteurs conforme à un mode de réalisation de l'invention. La figure 1 montre une embase de montage intermé- diaire pour un laser à semiconducteurs conforme à un mode de réalisation de l'invention. Sur la figure 1, la référen- ce 1 désigne un substrat conducteur en Si. La référence 2 désigne une couche de barrière qui comprend une première couche en Ti 21, une seconde couche en Ni 22 et une troi- sième couche en Ag 23, déposées successivement par évapora- tion sur les deux surfaces du substrat en Si 1. La référen- ce 3 désigne une couche de brasure en alliage métallique comprenant les éléments Sn, Ag et Sb, qui est déposée par évaporation sur la couche de barrière 2. On va maintenant décrire le fonctionnement et l'effet de cette structure. Dans ce mode de réalisation, on forme une couche de brasure au moyen d'un alliage métallique comprenant Sn, Ag et Sb. Le Tableau 1 montre des caractéristiques mécani- ques de matériaux utilisés pour la brasure. Comme le montre ce tableau, une brasure en alliage métallique comprenant les trois éléments Sn. Ag et Sb, a une dureté de 3,5 Hv, et ceci est une brasure tendre, plus tendre que la brasure du type Pb/Sn. En outre, la brasure en alliage métallique com- prenant les trois éléments Sn, Ag et Sb n'est pas suscepti- ble de subir une fatigue thermique, et elle a en outre des caractéristiques telles que l'état de surface de la brasure n'est pas susceptible de changer. Tableau 1 Caractéristiques Condutivité Dureté Contrainte Coefficient électrique de dilata- de dilata- (IACS %) *1 tion (MPa) tion ther- mique Type (x 10-6) Sn65Ag25Sbl0 9 '.10 % 3,5 97-100 ( 229(100 C) Au80Sn20 63 275(23 C) 15,93 (HB) 269(100 C) Pb20Sn80 18,2 61,9(20 C) 23,0 (Hv) 44,6(50 C) Pb95Sn5 8,2% 8,0 30,4 28,7 (brasure LA) (HB) (*1: Dans le cas o la pureté du cuivre est de 100%) Les caractéristiques qui précèdent permettent de voir que dans une structure dans laquelle une puce de laser à semiconducteurs est fixée "jonction en bas" sur une embase de montage intermédiaire pour un laser à semiconducteurs conforme au mode de réalisation présent, il n'y a pas de décollement de la puce et il n'y a pas de variation du courant de contrôle Im au cours d'au moins 700 cycles ther- miques, et on obtient pour le vieillissement à long terme un bon résultat, du même niveau qu'avec une brasure du type Pb/Sn, et l'évaluation se poursuit à l'heure actuelle. De cette manière, dans ce mode de réalisation, on utilise en tant que couche de brasure pour l'embase de mon- tage intermédiaire pour un laser à semiconducteurs, une bra- sure en alliage métallique à trois éléments, comprenant Sn, Ag et Sb, qui est une brasure tendre à faible contraintes thermiques, qui est plus tendre que la brasure du type Pb/ Sn, qui n'est pas susceptible de subir une fatigue thermi- que, et dont l'état de surface n'est pas susceptible de changer; et de ce fait, on obtient de bonnes propriétés de vieillissement à long terme, on élimine le décollement de la puce, et on obtient un laser à semiconducteurs à fiabilité élevée, ne présentant pas de variation des caractéristiques du courant de contrôle. Bien que dans le mode de réalisation décrit ci- dessus, on forme la brasure sur la totalité des deux surfa- ces du substrat en Si, il est possible de former une couche de brasure de façon partielle. Bien que dans le mode de réalisation décrit ci- dessus, on utilise un substrat conducteur en Si, le substrat peut être constitué par un isolant. A titre d'exemple, lorsqu'on monte plusieurs puces de laser sur l'embase de montage intermédiaire, on peut for- mer une couche de brasure de façon partielle sur un substrat isolant, et on peut monter les puces de laser.sur la couche de brasure, ce qui permet d'obtenir aisément des lasers qui sont excités indépendamment. La description qui précède montre de façon éviden- te que, conformément à l'invention, on forme une couche de brasure au moyen d'un alliage métallique à trois éléments comprenant Sn, Ag et Sb, qui est une brasure tendre, plus tendre que la brasure du type Pb/Sn, grâce à quoi les pro- priétés de vieillissement à long terme sont bonnes, du fait que la brasure tendre présente de faibles contraintes ther- miques et n'est pas susceptible de subir une fatigue thermi- que, et il n'y a pas de décollement de la puce et pas de variation des caractéristiques du courant de contrôle du fait d'un changement éventuel de l'état de surface, et on peut fabriquer un élément à semiconducteurs ayant une fiabi- lité élevée. Il va de soi que de nombreuses-modifications peu- vent être apportées au dispositif décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATION Une embase de montage intermédiaire pour un laser à semiconducteurs, caractérisée en ce qu'elle comprend: un substrat conducteur ou isolant (1) ; des couches de barrière supérieure et inférieure (2) dont la surface supérieure est une couche en Au ou une couche en Ag (23), formées conjoin- tement sur les surfaces supérieure et inférieure du substrat (1); et une couche de brasure en alliage métallique (3) com- prenant les trois éléments Sn, Ag et Sb, déposée sur la to- talité de la surface de la couche de barrière inférieure (2) et sur la totalité ou sur une partie de la surface de la couche de barrière supérieure (2).