(57)【要約】  半導体レーザチップ（３０２）の第１接触面（３１０）が、拡散バリア層厚さよりも十分小さい山対谷高さを有するように選択した表面粗さに形成される。非金属の導電性化合物を含み、バリア層厚さを有する拡散バリア層は、第１接触面に適用され、半導体レーザチップは、はんだ組成物（３０６）を使用して、第１接触面に沿って、バリア層が、はんだ組成物に溶け出す閾値温度未満まではんだ組成物を加熱することによって、キャリアマウント（３０４）にはんだ付けされる。これにより、拡散バリアが接触状態を保つ。非金属の導電性化合物は、窒化チタン、チタンオキシナイトライド、窒化タングステン、酸化セリウム及びセリウムガドリニウムオキシナイトライドのうち少なくとも１つを含むことができる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体レーザチップの第１接触面を、目標表面粗さを有するように形成することであって、前記目標表面粗さがバリア層厚さよりも十分に薄い山対谷高さを有するように選択されるものであることと、
前記第１接触面に前記バリア層厚さを有するバリア層を適用することであって、前記バリア層が非金属の導電性化合物を含むものであることと、
はんだ組成物を使用して、前記半導体レーザチップを前記第１接触面に沿ってキャリアマウントにはんだ付けすることであって、前記はんだ付けすることは、前記はんだ組成物を、前記バリア層が前記はんだ組成物に溶け出す閾値温度未満まで加熱することによって前記はんだ組成物を融解させることを含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記はんだ付けの後に、前記半導体レーザチップの半導体材料と前記はんだ組成物とが直接接触しないように前記バリア層が接触したままであることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記はんだ付けの後に、前記半導体レーザチップ、前記はんだ組成物、及び前記キャリアマウントのいずれかの構成要素が前記バリア層に拡散可能な直接路が存在しないように前記バリア層が十分接触したままであることを特徴とする、請求項１から２のいずれかに記載の方法。
【請求項４】
前記はんだ付けの後に、前記はんだ組成物が時間的に十分安定な電気伝導性および熱伝導性によって特徴付けられることを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載の方法。
【請求項５】
実質的に非酸化性のはんだプリフォーム及び実質的に非酸化性の堆積層のうち少なくとも１つとしての前記はんだ組成物を提供することをさらに含むことを特徴とする、請求項１から４のいずれかに記載の方法。
【請求項６】
前記はんだ付けすることは、還元性雰囲気及び非酸化性雰囲気のうち少なくとも１つの条件下で前記はんだ組成物を融解させることをさらに含むことを特徴とする、請求項１から５のいずれかに記載の方法。
【請求項７】
前記閾温度が約４００℃未満であることを特徴とする、請求項１から６のいずれかに記載の方法。
【請求項８】
前記閾温度が約３７０℃未満であることを特徴とする、請求項１から６のいずれかに記載の方法。
【請求項９】
前記閾温度が約３４０℃未満であることを特徴とする、請求項１から６のいずれかに記載の方法。
【請求項１０】
前記はんだ組成物が、金ゲルマニウム（AuGe）、金ケイ素（AuSi）、金スズ（AuSn）、銀スズ（AgSn）、銀スズ銅（AgSnCu）、銀スズ鉛（AgSnPb）、銀スズ鉛インジウム（AgSnPbIn）、銀スズアンチモン（AgSnSb）、スズ鉛（SnPb）、鉛（Pb）、銀（Ag）、ケイ素（Si）、ゲルマニウム（Ge）、スズ（Sn）、アンチモン（Sb）、ビスマス（Bi）、インジウム（In）及び銅（Cu）からなる群から選択されることを特徴とする、請求項１から９のいずれかに記載の方法。
【請求項１１】
前記非金属の導電性化合物は、窒化チタン（TiNX）、チタンオキシナイトライド（TiNXOY）、窒化タングステン（WNX）、酸化セリウム（CeO2）及びセリウムガドリニウムオキシナイトライド（CeGdOYNX）のうち少なくとも１つを含むことを特徴とする、請求項１から１０のいずれかに記載の方法。
【請求項１２】
前記第１接触面に第２金属バリア層を適用することをさらに含み、前記第２金属バリア層がプラチナ（Pt）、パラジウム（Pd）、ニッケル（Ni）、タングステン（W）、モリブデン（Mo）、チタン（Ti）、タンタル（Ta）、ジルコニウム（Zr）、セリウム（Ce）、ガドリニウム（Gd）、クロム（Cr）、マンガン（Mn）、アルミニウム（Al）、ベリリウム（Be）及びイットリウム（Y）のうち少なくとも１つを含むことを特徴とする、請求項１から１１のいずれかに記載の方法。
【請求項１３】
前記第１接触面を前記形成することが、前記バリア層を適用する前に、前記第１接触面を研磨して、前記目標表面粗さを達成することを特徴とする、請求項１から１２のいずれかに記載の方法。
【請求項１４】
前記目標表面粗さが約１００Åｒｍｓ未満であることを特徴とする、請求項１から１３のいずれかに記載の方法。
【請求項１５】
前記目標表面粗さが約４０Åｒｍｓ未満であることを特徴とする、請求項１から１４のいずれかに記載の方法。
【請求項１６】
前記キャリアマウントの第１熱膨張特性を、前記半導体レーザチップの第２熱膨張特性と一致させることをさらに含むことを特徴とする、請求項１から１５のいずれかに記載の方法。
【請求項１７】
前記バリア層を適用する前にメタライズ層を前記第１接触面に適用することと、
前記バリア層を適用した後であって前記はんだ付けの前にはんだ調製層を前記第１接触面に適用することをさらに含むことを特徴とする、請求項１から１６のいずれかに記載の方法。
【請求項１８】
前記メタライズ層は、厚さ約６００Åのチタンを含み、前記バリア層は、厚さ約１２００Åのプラチナ（Pt）、パラジウム（Pd）、ニッケル（Ni）、タングステン（W）、モリブデン（Mo）、タンタル（Ta）、ジルコニウム（Zr）、セリウム（Ce）、ガドリニウム（Gd）、クロム（Cr）、マンガン（Mn）、アルミニウム（Al）、ベリリウム（Be）、イットリウム（Y）、窒化チタン（TiNX）、チタンオキシナイトライド（TiNXOY）、窒化タングステン（WNX）、酸化セリウム（CeO2）及びセリウムガドリニウムオキシナイトライド（CeGdOYNX）のうちの１つまたは複数を含み、前記はんだ調製層は、厚さ約２０００〜５０００Åの金を含むことを特徴とする、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
第２バリア層を前記キャリアマウントの第２接触面に適用することをさらに含み、前記半導体レーザチップを前記はんだ付けすることは前記第２接触面に沿って行われることを特徴とする、請求項１から１８のいずれかに記載の方法。
【請求項２０】
前記はんだ処理工程の前、前記キャリアマウントの前記第１接触面と第２接触面の間のはんだ付けを容易にする層を加えることをさらに含み、前記はんだ付けを容易にする層は、第１接触面か第２接触面のいずれかまたは両方に、はんだ調製層の構成要素ではない金属を含むことを特徴とする、請求項１から１９のいずれかに記載の方法。
【請求項２１】
前記はんだ付けを容易にする層を前記追加することは、前記はんだ付けすることの前に前記第１接触面と前記第２接触面の間に前記金属のシートを配置すること及び前記はんだ付けすることの前に前記第１接触面と前記第２接触面の１つまたは両方に前記はんだ組成物の構成要素でない前記金属の層を堆積することのうち少なくとも１つを含むことを特徴とする、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
目標表面粗さを有するように形成された半導体レーザチップの第１接触面であって、前記目標表面粗さがバリア層厚さよりも相当薄い山対谷高さを有するものと、
前記第１接触面に適用される前記バリア層厚さを有するバリア層であって、前記バリア層が非金属の導電性化合物を含むものと、
前記半導体レーザチップがはんだ組成物を使用して前記第１接触面に沿ってはんだ付けされるキャリアマウントであって、前記半導体レーザチップが、前記バリア層が前記はんだ組成物に溶け出す閾値温度未満まで前記はんだ組成物を加熱することによって前記はんだ組成物を融解させることを含むはんだ処理工程によって前記キャリアマウントにはんだ付けされるものを含むことを特徴とする製造品。
【請求項２３】
前記はんだ処理工程の後、前記半導体レーザチップの構成要素が前記はんだ組成物に拡散可能な直接路が存在しないように前記バリア層が十分接触したままであることを特徴とする、前記請求項２２に記載の製造品。
【請求項２４】
前記はんだ処理工程の後、前記半導体レーザチップ、前記はんだ組成物、及び前記キャリアマウントのいずれかの構成要素が前記バリア層に拡散可能な直接路が存在しないように前記バリア層が十分接触したままであることを特徴とする、請求項２２から２３のいずれかに記載の製造品。
【請求項２５】
前記はんだ処理工程の後、前記はんだ組成物が時間的に十分安定な電気伝導性および熱伝導性によって特徴付けられることを特徴とする、請求項２２から２４のいずれかに記載の製造品。
【請求項２６】
前記はんだ処理工程の前、前記はんだ組成物は、実質的に非酸化性のはんだプリフォーム及び実質的に非酸化性の堆積層のうち少なくとも１つを含むことを特徴とする、請求項２２から２５のいずれかに記載の製造品。
【請求項２７】
前記はんだ処理工程は、還元性雰囲気及び非酸化性雰囲気のうち少なくとも１つの条件下で前記はんだ組成物を前記融解させることを含むことを特徴とする、請求項２２から２６のいずれかに記載の製造品。
【請求項２８】
前記はんだ組成物は、金ゲルマニウム（AuGe）、金ケイ素（AuSi）、金スズ（AuSn）、銀スズ（AgSn）、銀スズ銅（AgSnCu）、銀スズ鉛（AgSnPb）、銀スズ鉛インジウム（AgSnPbIn）、銀スズアンチモン（AgSnSb）、スズ鉛（SnPb）、鉛（Pb）、銀（Ag）、ケイ素（Si）、ゲルマニウム（Ge）、スズ（Sn）、アンチモン（Sb）、ビスマス（Bi）、インジウム（In）及び銅（Cu）からなる群から選択されることを特徴とする、請求項２２から２７のいずれかに記載の製造品。
【請求項２９】
前記非金属の導電性化合物は、窒化チタン（TiNX）、チタンオキシナイトライド（TiNXOY）、窒化タングステン（WNX）、酸化セリウム（CeO2）及びセリウムガドリニウムオキシナイトライド（CeGdOYNX）のうち少なくとも１つを含むことを特徴とする、請求項２２から２８のいずれかに記載の製造品。
【請求項３０】
前記第１接触面を前記目標表面粗さに前記形成することは、前記バリア層を適用する前に、前記第１接触面を研磨して、前記目標表面粗さを達成することを特徴とする、請求項２２から２９のいずれかに記載の製造品。
【請求項３１】
前記目標表面粗さが約１００Åｒｍｓ未満であることを特徴とする、請求項２２から３０のいずれかに記載の製造品。
【請求項３２】
前記目標表面粗さが約４０Åｒｍｓ未満であることを特徴とする、請求項２２から３０のいずれかに記載の製造品。
【請求項３３】
前記キャリアマウントの第１熱膨張特性は、前記半導体レーザチップの第２熱膨張特性と一致することを特徴とする、請求項２２から３０のいずれかに記載の製造品。
【請求項３４】
前記バリア層を適用する前に前記第１接触面に適用されるメタライズ層と、
前記非金属の導電性バリア層を適用した後であって前記はんだ付けする前に前記第１接触面に適用されるはんだ調製層をさらに含むことを特徴とする、請求項２２から３３のいずれかに記載の製造品。
【請求項３５】
前記メタライズ層は、厚さ約６００Åのチタンを含み、前記非金属の導電性バリア層は、厚さ約１２００Åの窒化チタン（TiNX）、チタンオキシナイトライド（TiNXOY）、窒化タングステン（WNX）、酸化セリウム（CeO2）及びセリウムガドリニウムオキシナイトライド（CeGdOYNX）のうちの１つまたは複数を含み、前記はんだ調製層は、厚さ約２０００〜５０００Åの金を含むことを特徴とする、請求項３４に記載の製造品。
【請求項３６】
前記第１接触面に適用される第２金属バリア層をさらに含み、前記第２金属バリア層がプラチナ（Pt）、パラジウム（Pd）、ニッケル（Ni）、タングステン（W）、モリブデン（Mo）、チタン（Ti）、タンタル（Ta）、ジルコニウム（Zr）、セリウム（Ce）、ガドリニウム（Gd）、クロム（Cr）、マンガン（Mn）、アルミニウム（Al）、ベリリウム（Be）及びイットリウム（Y）のうち少なくとも１つを含むことを特徴とする、請求項２２から３５のいずれかに記載の製造品。
【請求項３７】
前記キャリアマウントの第２接触面に適用される第２バリア層をさらに含み、前記半導体レーザチップを前記はんだ付けすることは、前記第２接触面に沿って行われることを特徴とする、請求項２２から３６のいずれかに記載の製造品。
【請求項３８】
前記はんだ付けの前に、前記キャリアマウントの前記第１接触面と第２接触面の間に追加されるはんだ付けを容易にする層をさらに含み、前記はんだ付けを容易にする層は、前記第１接触面か第２接触面のいずれかまたは両方に、はんだ調製層の構成要素ではない金属を含むことを特徴とする、請求項２２から３７のいずれかに記載の製造品。
【請求項３９】
前記はんだ付けを容易にする層は、前記はんだ付けすることの前に前記第１接触面と前記第２接触面の間に前記金属のシートを配置することと、前記はんだ付けすることの前に前記第１接触面と前記第２接触面の１つまたは両方に前記はんだ組成物の構成要素でない前記金属の層を堆積することのうち少なくとも１つによって追加されることを含むことを特徴とする、請求項３８に記載の製造品。
【請求項４０】
前記キャリアマウントと前記半導体レーザチップを含む光源、
光路長に沿って前記光源から放出される受信光強度を定量化する検出器、
前記光路長が少なくとも１回通過するサンプルセルとフリー空間体積のうち少なくとも１つ、及び
前記レーザ光源への駆動電流を制御し、前記検出器からの光強度に関するデータを受信することを含む動作を行う少なくとも１つのプロセッサ、
をさらに含むことを特徴とする、請求項２２から３９のいずれかに記載の製造品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［関連する出願］
本出願は、２０１１年８月１７日に申請された米国特許出願番号第１３／２１２，０８５号“SEMICONDUCTOR LASER MOUNTING WITH INTACT DIFFUSION BARRIER LAYER”によって主張される優先権を享受する利益を主張し、この出願は、本明細書で、その全体を参照することによって組み込まれる。また、本出願は、２０１１年２月１４日に申請された同時係属出願であり、共有された米国特許出願番号第１３／０２６，９２１号“SPECTROMETER WITH VALIDATION CELL”と、２０１１年２月１４日に申請された同時係属出願であり、共有された米国特許出願番号第１３／０２７，０００号“VALIDATION AND CORRECTION OF SPECTROMETER PERFORMANCE USING A VALIDATION CELL”にも関連する。この段落で明らかにされた各出願の開示内容は、本明細書で、その全体を参照することによって組み込まれる。
【０００２】
本明細書に記載する発明事項は、半導体レーザの周波数安定化に関し、より具体的には、レーザのマウント（取り付け）技術に関する。
【背景技術】
【０００３】
波長可変ダイオードレーザ吸収スペクトロメータ（ＴＤＬＡＳ）などの波長可変レーザトレースガス分析計は、ガスサンプルの測定量毎に対象となる被分析物のトレースガスの吸収周波数範囲にわたって調整される狭い線幅（例えば、ほぼ単一の周波数）のレーザ光源を採用することができる。このような分析計のレーザ光源は、レーザ注入電流及び作動温度が一定のときに、連続するレーザ走査開始時の周波数と終了時間の周波数に大きな変化がないことが理想的である。加えて、走査範囲、及び長期にわたる使用期間に繰り返し行われる走査に対しても、レーザ注入電流の関数としてのレーザの周波数同調範囲が長期的に安定することが望ましい。
【０００４】
しかしながら、動作波長によって、現在使用可能な波長可変レーザ光源（例えば、ダイオードレーザや半導体レーザ）は、１日に約数ピコメートル（ギガヘルツ）からピコメートルの何分の一かに及ぶ波長ドリフトを示すのが一般的である。いくつかの例において、一般的なトレースガス吸収バンドラインの幅は、ナノメートルの何分の一から約数ミクロンに及ぶことがある。従って、レーザ光源の出力強度におけるドリフトその他の変化は、特にその吸収スペクトルが、分析対象物の吸収特性を妨げる虞のある１つ以上のバックグランド化合物を有するガスにおいて、時間の経過とともに、トレースガスの分析対象物の同定や定量化に重大なミスをもたらすことがある。
【発明の概要】
【０００５】
１つの実施形態において、本発明の方法は、第１接触面に適用するために、半導体レーザチップの第１接触面をバリア層（例えば拡散バリア層）のバリア層厚さよりも十分小さい山対谷高さ（maximum peak to valley height）を有するように選択した目標表面粗さに形成することを含む。その後、非金属の導電性化合物を含むバリア層が、そのバリア層の厚さで第１接触面に適用される。半導体レーザチップは、はんだ組成物を使用してキャリアマウントにはんだ付けされる。このはんだ付けは、バリア層が、はんだ組成物に溶け出す閾値温度未満まではんだ組成物を加熱し、これを融解させることを含む。
【０００６】
関連する実施形態において、製造品は、目標表面粗さを有するように形成された半導体レーザチップの第１接触面を含む。目標表面粗さは、バリア層厚さよりも十分に薄い山対谷高さを含む。また、製造品は、第１接触面に適用されるバリア層高さを有するバリア層と、はんだ組成物を用いて半導体レーザチップがはんだ付けされるキャリアマウントを含む。バリア層は、非金属の導電性化合物を含む。半導体レーザチップは、バリア層が、はんだ組成物に溶け出す閾値温度未満まではんだ組成物を加熱して、これを融解させることを含むはんだ処理工程によって第１接触面に沿ってキャリアマウントにはんだ付けされる。
【０００７】
いくつかの変形において、以下の特徴事項の１つまたは複数が、任意の実施可能な組み合わせにおいて任意に含められる。はんだ組成物と半導体レーザチップの材料とが直接接触しないように、及び／または、半導体レーザチップ、はんだ組成物、キャリアマウントのいずれかの構成要素がバリア層に拡散可能な直接路が存在しないように、バリア層は、はんだ処理工程の後も接触したままとすることができる。また、はんだ処理工程の後、はんだ組成物は、時間的に十分安定な電気伝導性及び熱伝導性によって特徴付けられることができる。いくつかの実施例において、はんだ処理工程にて使用されるはんだ組成物を、実質的に非酸化のはんだプリフォーム（solder preform）として提供することができる。その他の実施例では、蒸着やスパッタリングなどにより、ヒートシンクまたはその他のキャリアマウントに、はんだ組成物を堆積させて、実質的に非酸化のはんだ組成物を形成することができる。これに加えて、または、これに代えて、はんだ処理工程は、非酸化性または還元性雰囲気の下で、はんだ組成物を融解させることをさらに含むことができる。
【０００８】
いくつかの実装において、金ゲルマニウム（AuGe）、金ケイ素（AuSi）、金スズ（AuSn）、銀スズ（AgSn）、銀スズ銅（AgSnCu）、銀スズ鉛（AgSnPb）、銀スズ鉛インジウム（AgSnPbIn）、銀スズアンチモン（AgSnSb）、スズ鉛（SnPb）、鉛（Pb）、銀（Ag）、ケイ素（Si）、ゲルマニウム（Ge）、スズ（Sn）、アンチモン（Sb）、ビスマス（Bi）、インジウム（In）、及び銅（Cu）を含むがこれらに限定されないはんだ組成物に対する閾値温度は、約４００℃未満とすることができ、或いは任意に３７０℃未満、或いは任意に３４０℃未満などとすることができる。本発明事項の実装に即したはんだ組成物の非限定的な例示を下記においても示す。
【０００９】
第１接触面を形成することは、バリア層に適用する前に、目標表面粗さを達成するため第１接触面を研磨することを含むことができる。目標表面粗さは、約１００Åｒｍｓ未満とすることができ、或いは、約４０Åｒｍｓ未満とすることができる。キャリアマウントの第１熱膨張特性は、半導体レーザチップの第２熱膨張特性と一致させることができる。少なくとも１つのバリア層を適用する前に、メタライズ層を第１接触面に適用することができ、バリア層を適用後かつはんだ処理工程前に、はんだ調製層（solder preparation layer）を第１接触面に適用することができる。メタライズ層は、任意で厚さ約６００Åのチタンを含むことができ、バリア層は、任意で厚さ約１２００Åの窒化チタン（TiNX）、チタンオキシナイトライド（TiNXOY）、セリウムガドリニウムオキシナイトライド（CeGdOYNX）、酸化セリウム（CeO2）、窒化タングステン（WNX）、及び／またはその他の非金属の導電性化合物のうちの１つまたは複数を含むことができ、はんだ調製層は、任意で厚さ約２０００〜５０００Åの金を含むことができる。その他の実装において、バリア層は、任意で、プラチナ（Pt）、パラジウム（Pd）、ニッケル（Ni）、タングステン（w）、モリブデン（Mo）及び金属を含むがこれらに限定されない第２金属バリア層を含むことができ、はんだ調製層は、任意で厚さ約２０００〜５０００Åの金（Au）を含むことができる。さらに、金属バリア層は、第１メタライズ層に直接適用することができ、非金属バリア層は、金属バリア層に適用することができる。代替的な実装において、非金属バリア層は、第１メタライズ層に適用することができ、金属バリア層は非金属バリア層に適用することができる。
【００１０】
はんだ処理工程の前に、キャリアマウント上の第１接触面と第２接触面との間に、はんだ付けを容易にする層（solder facilitation layer）を任意に追加することができる。はんだ付けを容易にする層は、キャリアマウント上の第１接触面か第２接触面のいずれかに、はんだ調製層の構成要素ではない金属を任意に含むことができる。この文脈において「はんだ調製層」とは、はんだ付けを容易にする層を追加する前に第１接触面か第２接触面のいずれかまたは両方の上にある最上層を指すものと理解される。様々な任意の変形において、はんだ調製層は、バリア層、メタライズ層、またはその他の層とすることができる。はんだ付けを容易にする層を追加することは、はんだ付けの前に第１接触面と第２接触面の間にはんだ調製層の構成要素ではない金属のシートを配置することと、はんだ付けの前に第１接触面か第２接触面の１つまたは両方にはんだ調製層の構成要素ではない金属層を堆積させることのうち少なくとも１つを任意に含むことができる。
【００１１】
いくつかの実装において波長可変ダイオードレーザ吸収スペクトロメータである装置は、キャリアマウントと半導体レーザチップを含む光源、光路長に沿って光源から放出される受信光強度を定量化する検出器、光路長が少なくとも１回通過するサンプルセルとフリー空間体積のうち少なくとも１つ、及びレーザ光源への駆動電流を制御し、検出器から光強度に関するデータを受信することを含む動作を行う少なくとも１つのプロセッサをさらに含むことができる。キャリアマウントは、ヒートスプレッダ、ヒートシンクなどを含むことができ、及び／またはこれらの役割を果たすことができる。少なくとも１つのプロセッサは、任意で、レーザ光源に波長変調周波数を有する光を供給させ、また、検出器から受信した光強度に関するデータを復調して、高調波スペクトロスコピー分析法を行うことができる。少なくとも１つのプロセッサは、光路長が１回通過するサンプルガス内の化合物による吸収率を考慮に入れるために、測定スペクトルを数学的に補正することができる。いくつかの実施例において、数学的補正は、分析対象物の濃度が減少したサンプルガスのサンプル用に基準スペクトルが回収される測定スペクトルから基準スペクトルを減算することを含むことができる。
【００１２】
１つまたは複数の機械（例えば、コンピュータなど）に対して、本明細書に記載される動作を行わせることができる明確に具体化された機械可読媒体を含む物に加えて、このアプローチに即したシステム及び方法について記載する。同様に、プロセッサと、これと結合するメモリを含むことができるコンピュータシステムについても記載する。メモリは、プロセッサに対して、本明細書に記載された１つまたは複数の動作をさせる１つまたは複数のプログラムを含むことができる。
【００１３】
いくつかの実装において、本発明事項は、１つまたは複数の有利な点を提供することができる。例えば、拡散バリア層に過大な損傷を与えることなく、はんだ付け温度を上昇させることができるため、低温での鉛ベースのはんだの使用を回避することができる。この特徴により、鉛の使用を最小限にすることについての（欧州連合で公布されている）電気・電子機器に含まれる特定有害物質の使用制限に関する欧州議会及び理事会指令及びその他の規制、勧告（the Restriction of Hazardous Substances Directive）などの遵守を強化することができる。また、金めっき表面を接合する際に、通常、金を含むはんだ組成物は、はんだ接合の近接性（solder joint contiguity）とぬれ面性（surface wetting）を高める。一般に、金を含むはんだは、より高温のはんだ温度を要するため、ひどく劣化することなく、かかる要件をクリアできる高温バリア層の使用は極めて有益となり得る。
【００１４】
本明細書に記載の発明事項の１つまたは複数の変形に関する詳細については、添付の図面と以下の発明の詳細な説明において記載する。本明細書に記載された発明事項のその他の特徴及び有利な点は、発明の詳細な説明と図面及び請求の範囲から明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
添付の図面は、本明細書に組み込まれ、または、その部分を構成しているが、本明細書に記載された発明事項の特定の態様を表すものであり、発明の詳細な説明とともに、開示された実装に関連する原理原則の１つまたは複数の特徴を説明する助けとなるものである。図面は以下の通りである。
【図１】図１は、レーザ吸収スペクトロメータの性能に及ぼすレーザドリフトの効果を示したグラフである。
【図２】図２は、レーザ吸収スペクトロメータの性能に及ぼすレーザドリフトの追加的な効果を示した第２グラフである。
【図３】図３は、キャリアマウントに固定された半導体レーザチップを示した概略図である。
【図４】図４は、本発明事項の実装に即した１つまたは複数の特徴を有する方法の形態を示した処理工程の流れ図である。
【図５】図５は、半導体レーザチップを取り付ける（マウントする）のに通常使用される、従来のTO-canマウントの端面図を示した図である。
【図６】図６は、キャリアマウントとこれに取り付けた半導体レーザチップを拡大した図である。
【図７】図７は、半導体レーザチップとキャリアマウントの間のはんだ接合を示した走査型電子顕微鏡写真である。
【図８】図８は、図７に示す装置の深さの関数としてのＸ線回折により測定されたリン濃度を示したグラフである。
【図９】図９は、図７に示す装置の深さの関数としてのＸ線回折により測定されたニッケル濃度を示したグラフである。
【図１０】図１０は、図７に示す装置の深さの関数としてのＸ線回折により測定されたインジウム濃度を示した図である。
【図１１】図１１は、図７に示す装置の深さの関数としてのＸ線回折により測定されたスズ濃度を示したグラフである。
【図１２】図１２は、図７に示す装置の深さの関数としてのＸ線回折により測定された鉛濃度を示したグラフである。
【図１３】図１３は、図７に示す装置の深さの関数としてのＸ線回折により測定されたタングステン濃度を示した図である。
【図１４】図１４は、図７に示す装置の深さの関数としてのＸ線回折により測定された金濃度を示したグラフである。
【００１６】
便宜上、類似の参照番号は、類似の構成、特徴または構成要素を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
実験データは、走査可能なレーザ光源または波長可変レーザ光源を用いたレーザ吸収スペクトロメータにおいて、レーザ発光波長が、僅か１ピコメートル（pm）以下でスペクトル走査間を変化しただけでも、元のキャリブレーション状態におけるスペクトル分析計から得られる測定結果においてトレースガス濃度の測定値が著しく変化し得ることを明らかにした。差スペクトルスコピー法（differential spectroscopy approach）によるスペクトルレーザスペクトロスコピーの１つの実施例が、共有された米国特許第７，７０４，３０１号に記載され、その開示の全体が本明細書に組み込まれる。その他の実験データは、分析対象物の低濃度検出と数量検出用に設計され（例えば天然ガスにおける硫化水素（H2S）の百万分率（ppm））、高調波（例えば2f）の波長変調スペクトル減算法（harmonic wavelength modulation spectral subtraction approach）を採用している波長可変ダイオードレーザ分析計が、一定の注入電流及び一定温度（例えば、熱電クーラーで制御）の下でレーザ出力量が僅か２０ピコメートル（pm）変化したために、そのキャリブレーション状態から受け入れ難いほどに逸れることがあることを示している。
【００１８】
一般に、その正確さの基準内の分析計のキャリブレーションを維持する上で受容されるレーザ周波数シフトは、分析対象物の濃度が低い場合や、分析対象物吸収の位置でのサンプル混合物のその他の構成要素からのスペクトル干渉の増大によって低下する。実質的に非吸収のバックグランドにて分析対象物をより正確に測定するためには、分析計のキャリブレーション状態を維持しつつ、より大きなレーザ周波数シフトに耐え得ることになる。
【００１９】
それぞれ図１及び図２に示すグラフ１００とグラフ２００は、時間の経過とともに半導体レーザ光源の特性（例えば物理的、化学的特性など）が変化することによって起きる、レーザ出力変化によって生じ得る負の効果を示した実験データを示す。図１のグラフ１００に示した参照曲線１０２は、約２５％のエタンと約７５％のエチレンとを含む参照ガス混合体に対して、波長可変ダイオードレーザスペクトロメータを用いて得られたものである。実験曲線１０４は、約２５％のエタンと約７５％のエチレンのバックグランドにおける１ｐｐｍのアセチレンを含む試験ガス混合体に対して、上記と同じスペクトロメータをある程度時間が経過した後に用いて得られたものである。アセチレンは、図１のグラフ１００の波長軸上で約３００〜４００の範囲のスペクトル吸収特性を有する。スペクトロメータがなんらかの形で参照曲線１０２に対して実験曲線１０４において見受けられたようなドリフトを埋め合わせるよう調整されなければ、スペクトロメータによるアセチレンの濃度測定値は、正しい値である１ｐｐｍではなく、例えば、−０．２９ｐｐｍとなってしまうだろう。
【００２０】
同様に、図２において、グラフ２００は、約２５％のエタンと約７５％のエチレンとを含む参照ガス混合体に対して、波長可変ダイオードレーザスペクトロメータを用いて得られた参照曲線２０２を示す。実験曲線２０４は、約２５％のエタンと約７５％のエチレンのバックグランドにおける１ｐｐｍのアセチレンを含む試験ガス混合体に対して得られたものである。図２に示すように、実験曲線２０４の線の形は、時間の経過とともに生じたレーザ吸収スペクトロメータの性能に影響を及ぼすドリフトまたはその他の要因によって、参照曲線２０２の線の形に比べて歪んでいる。実験曲線２０４が、参照曲線２０２と比べてみられた歪みを埋め合わせるよう修正されなければ、スペクトロメータによって測定される試験ガス混合体のアセチレンの濃度測定値は、正しい濃度である１ｐｐｍではなく、例えば、１．８１ｐｐｍとなってしまうだろう。
【００２１】
オームの法則（即ち、Ｐを電力、Ｉを電流、Ｒを抵抗値とすると、Ｐ＝Ｉ２Ｒ）により、電流によって駆動された半導体レーザチップは、レーザを駆動する注入電流の約２乗分増大した余熱を生成する。通常、半導体ダイオードレーザアセンブリの抵抗値Ｒは、温度変化に対して線形或いは一定ではないが、実世界性能（real world performance）においては、電流の増加に伴って余熱が約二次関数的に増加することが多い。ｐ−ｎ接合動作温度の上昇とともに一般的なバンドギャップ式直接遷移型半導体レーザダイオードのレーザ発振効率は低下するため、過度温度では、通常、レーザのパワー出力が低下するサーマルロールオーバー（thermal roll-over）が通常生じ得る。このことは、例えば、リン化インジウム（InP）やアンチモン化ガリウム（GaSb）材料系レーザなどの赤外レーザに特によくあてはまる。
【００２２】
赤外半導体レーザの単一周波数動作は、半導体結晶指数の屈折率の周期性の形式で半導体レーザ結晶のレーザリッジに組み入れるか、金属棒としてレーザリッジの外側に配置するかして光学格子を通常使用するＤＦＢ（distributed feedback）方式を採用することにより、達成することができる。レーザ発光波長を決定する様々な格子のアプローチの効果的な光周期は、通常、格子の金属棒の物理空間や、異なる屈折率を有するリッジ再成長半導体材料領域の物理寸法や、各半導体材料の屈折率に依存し得る。言い換えれば、波長可変ダイオードレーザ分光（スペクトロスコピー）法などに通常使用される半導体レーザダイオードの発光波長は、主にレーザｐ−ｎ接合及びレーザ結晶動作温度に依存し、二次的には、レーザ内のキャリア密度に依存する。レーザ結晶温度は、長い光キャビティ軸に沿ったレーザ結晶の温度に依存する熱膨張の関数として、また、温度に依存する屈折率の関数として、格子周期を変化させることができる。
【００２３】
波長可変ダイオードレーザトレースガス分析計用に使用可能な赤外レーザの一般的な注入電流と温度に関連する波長チューニング率は、１℃あたり約０．１ナノメートルのオーダーであり、かつ、１ミリアンペアあたり約０．１ナノメートルのオーダーとすることができる。従って、精密なＴＤＬＡＳ装置であるために、数千分の１℃の範囲内に収まる一定の動作温度と数ナノアンペアの範囲内で制御される注入電流を有する半導体レーザダイオードを維持することが望ましい。
【００２４】
ＴＤＬＡＳキャリブレーション状態を長期間維持し、かつ再生し、元の器具のキャリブレーションに対して長期間正確な測定を維持するためには、所与の測定値に関して波長間隔における正確なレーザ動作パラメータを実質的に複製する能力が必要となる。このことは、その開示が参照により本明細書に組み込まれる、共有された米国特許第７，７０４，３０１号、係属中の米国特許出願第１３／０２７，０００号、第１３／０２６，０９１号、第１２／８１４，３１５号、及び米国仮出願第６１／４０５，５８９号に記載されているように、スペクトルトレースの差を採用しているスペクトロスコピー技術において望ましい。
【００２５】
７００ｎｍから３，０００ｎｍのスペクトル範囲においてトレースガススペクトロスコピーに適した市販の単一波長半導体レーザは、一般に、時間の経過とともにその中心周波数のドリフトを示すことがわかっている。１０日から１００日を超える期間にわたる実際の分子トレースガススペクトロスコピーによって、１日あたり数ピコメートル（pm）から１ピコメートルの何分の一にわたるドリフト率が、確認されている。本明細書に記載するように動作するレーザは、レーザリッジにエッチングされた格子による単一周波数動作に限定したレーザ（例えば、従来の遠距離通信グレードレーザ）、ブラッググレーティング（例えば、垂直共振器面発光レーザ即ちＶＣＳＥＬ）、多数積層ナローバンド誘電ミラー（multiple layer narrow band dielectric mirror）、横結合グレーティング（laterally coupled grating）などを含むことができるが、これらに限定されない。周波数ドリフトの動きは、半導体ダイオードレーザ、ＶＣＳＥＬ、水平共振器面発光レーザ即ちＨＣＳＥＬ、リン化インジウム（InP）、ガリウム砒素（GaAs）、アンチモン化ガリウム（GaSb）、窒化ガリウム（GaN）、リン化インジウムガリウム砒素（InGaAsP）、リン化インジウムガリウム（InGaP）、窒化インジウムガリウム（InGaN）、砒化インジウムガリウム（InGaAs）、リン化アルミニウムインジウムガリウム（InGaAlP）、砒化ガリウムインジウムアルミニウム（InAlGaAs）、砒化インジウムガリウム（InGaAs）及びその他の単一ならびに多重量子ウェル構造を含むがこれらに限定されない半導体材料に搭載された量子カスケードレーザによって観察される。
【００２６】
波長可変レーザの性能を再確認するためのアプローチに関して先に記載した。例えば、上記参照した米国特許出願番号第１３／０２６，９２１号、米国特許出願番号第１３／０２７，０００号について記載したように、分析計のキャリブレーション状態中に収集された参照吸収線形（reference absorption line shape）は、その後に収集された実験吸収線形（test absorption line shape）と比較される。分析計の１つまたは複数の動作パラメータは、実験吸収線形を参照吸収線形により近似させるために調整できる。
【００２７】
半導体ベースの波長可変レーザの周波数不安定性の潜在的な原因を減らすことも、少なくとも、半導体レーザダイオードにおける注入電流と周波数シフトとの間の通常の非線形相関ゆえに（例えば、上記論じたサーマルロールオーバーゆえに）、限定された波長シフトに対しては、半導体レーザ動作温度または駆動電流のメジアン値を調節することによる分析計のキャリブレーションを維持するレーザシフトと出力線形の埋め合わせのみが有効であるという理由により望ましいと言える。注入電流の関数としての周波数シフトの非線形性は、温度制御装置（例えば熱電クーラー即ちＴＥＣ）及び注入電流のメジアン値によって設定されたレーザ動作温度の関数として変化し得る。より高い制御温度では、サーマルロールオーバーは低めの注入電流で生じ、一方、より低い制御温度では、サーマルロールオーバーは高めの注入電流で生じ得る。制御温度と注入電流とが組み合わさってレーザ発光波長を決定するため、要求される分析対象物の吸収線になるようにレーザ波長を調整するために使用される制御温度と注入電流のメジアン値の全ての組み合わせが同じ周波数走査と吸収スペクトルとを提供するわけではない。
【００２８】
従って、本発明事項の１つまたは複数の実装は、その他の可能性のある有利な点の中でもとりわけ、マウント（取り付け）装置に半導体レーザチップを取り付ける際に使用される、時間的により安定な材料化合物によって波長安定性を十分に改善した半導体ベースのレーザを提供する方法、システム、物即ち製造品などに関する。本発明事項のいくつかの実装によれば、半導体レーザチップと取り付け面との間の接触面かその近くに、少なくとも１つの非金属層と、或いは、少なくとも１つの非金属層と少なくとも１つの金属バリア層を含む、十分に接触し、かつ完全な拡散バリア層を提供し、または含むことができる。本発明の１つまたは複数の実装により、時間の経過により生じる熱伝導率の変化、アクティブなレーザ上の歪みと応力の変化、注入電流経路の電気抵抗の変化を減少させる半導体レーザ設計、レーザ処理工程、及びヒートシンク特性を採用することで、単一周波数レーザのドリフトを減少させ、または最小限にすることができる。
【００２９】
図３は、半導体レーザチップ３０２の接触面３１０とマウント装置３０４との間に挟まれたはんだ層３０６によってマウント装置３０４に取り付けられた半導体レーザチップ３０２を備える装置３００の例を示している。マウント装置は、ヒートシンクとして機能することができ、半導体レーザチップ３０２に対して１つまたは複数の電気接続を提供することができる。１つまたは複数のその他の電気接続３１２が提供され、例えば、はんだ層３０６のキャリアマウント３０４への伝導を介して、半導体レーザチップ３０２のｐまたはｎの接合点と第１極性とを接続し、その他の接合点と第２極性とを接続することができる。
【００３０】
図４は、本発明事項の１つまたは複数の実装において考えられる特徴を含む方法を示した処理工程の流れ図である。４０２において、半導体レーザチップの第１接触面が目標表面粗さを有するように形成される。目標表面粗さは、第１接触面に適用されるバリア層のバリア層厚さより十分に薄い山対谷高さを有するように選択される。４０４において、かかるバリア層が、バリア層厚さで第１接触面に適用される。バリア層は、少なくとも１つの非金属の導電性化合物を含み、その例としては、窒化チタン（TiNX）、チタンオキシナイトライド（TiNXOY）、セリウムガドリニウムオキシナイトライド（CeGdOYNX）、酸化セリウム（CeO2）、窒化タングステン（WNX）を含むが、これらに限定されない。４０６において、半導体レーザチップは、はんだ組成物を使用して、第１接触面に沿ってキャリアマウントへはんだ付けされる。はんだ付けすることは、バリア層が、はんだ組成物に溶け出す閾値温度未満まではんだ組成物を加熱することによってはんだ組成物を融解させることを含む。
【００３１】
いくつかの実装において、レーザ半導体チップ３０２の接触面３１０を研磨するかその他の準備により、目標表面粗さを約１００Åｒｍｓ未満に、或いは、約４０Åｒｍｓ未満にすることができる。従来のアプローチでは、通常、接触面３１０の表面粗さに注目してこなかったため、結果として、約１μｍｒｍｓを超える表面粗さの値をとっていた。十分に平滑な接触面３１０を準備した後、接触面３１０を１つまたは複数のバリア層を形成するように処理することができる。
【００３２】
はんだ処理工程に耐え得るバリア層の作成は、第１接触面３１０を低い表面粗さになるように研磨することによって、より容易になる。一般に、例えばプラチナから作られた金属バリア層の総厚さは、半導体レーザチップ３０２の半導体材料から厚めの層を分離させる虞がある極めて高い応力により、限られた厚さにしか堆積できない。バリア層は、異なる材料からなる複数の層を備えることができる。１つの実装において、バリア層の少なくとも１つは、窒化チタン（TiNX）、チタンオキシナイトライド（TiNXOY）、セリウムガドリニウムオキシナイトライド（CeGdYONX）、酸化セリウム（CeO2）、及び窒化タングステン（WNX）などの非金属の導電性化合物を含むことができる。第１バリア層の上または下を覆う１つまたは複数の追加バリア層は、プラチナ（Pt）、パラジウム（Pd）、ニッケル（Ni）、タングステン（W）、モリブデン（Mo）、チタン（Ti）、タンタル（Ta）、ジルコニウム（Zr）、セリウム（Ce）、ガドリニウム（Gd）、クロム（Cr）、マンガン（Mn）、アルミニウム（Al）、ベリリウム（Be）、及びイットリウム（Y）含むが、これらに限定されない金属を含むことができる。
【００３３】
いくつかの実装において、はんだ組成物は、約４００℃未満、または、任意で約３７０℃未満、または、任意で約３４０℃未満の液相温度、即ち合金の固晶が熱力学的平衡での融解と共存可能な最大温度を有する組成物から選択することができる。本発明事項の１つまたは複数の実装によるはんだ組成物の実施例は、金ゲルマニウム（AuGe）、金ケイ素（AuSi）、金スズ（AuSn）、銀スズ（AgSn）、銀スズ銅（AgSnCu）、銀スズ鉛（AgSnPb）、銀スズ鉛インジウム（AgSnPbIn）、銀スズアンチモン（AgSnSb）、スズ鉛（SnPb）、及び鉛（Pb）を含むことができるが、これらに限定されない。本発明事項の１つまたは複数の実装による具体的なはんだ組成物の例は、以下を含むが、これらに限定されない。Sn約４８％とIn約５２％、Ag約３％とIn約９７％、Sn約５８％とIn約４２％、Ag約５％とPb約１５％とIn約８０％、In約１００％、Pb約３０％とIn約７０％、Ag約２％とPb約３６％とSn約６２％、Pb約３７．５％とSn約３７．５％とIn約２５％、Pb約３７％とSn約６３％、Pb約４０％とIn約６０％、Pb約３０％とSn約７０％、Ag約２．８％とSn約７７．２．％とIn約２０％、Pb約４０％とSn約６０％、Pb約２０％とSn約８０％、Pb約４５％とSn約５５％、Pb約１５％とSn約８５％、Pb約５０％とIn約５０％、Pb約１０％とSn約９０％、Au約１０％とSn約９０％、Ag約３．５％とSn約９６．５％、Pb約６０％とIn約４０％、Ag約３．５％とSn約９５％とSb約１．５％、Ag約２．５％とSn約９７．５％、Sn約１００％、Sn約９９％とSb約１％、Pb約６０％とSn約４０％、Sn約９７％とSb約３％、Sn約９５％とSb約５％、Pb約６３．２％とSn約３５％とIn約１．８％、Pb約７０％とSn約３０％、Pb約７５％とIn約２５％、Pb約８０％とSn約２０％、Pb約８１％とIn約１９％、Au約８０％とSn約２０％、Pb約８６％とBi約８％とSn約４％とIn約１％とAg約１％、Pb約８５％とSn約１５％、Ag約２％とPb約８８％とSn約１０％、Ag約５％とPb約９０％とSn約５％、Pb約９５％とSb約５％、Ag約２．５％とPb約９２．５％とSn約５％、Ag約２．５％とPb約９２．５％とIn約５％、Pb約９０％とSn約１０％、Ag約２．５％とPb約９７．５％、Ag約２．５％とPb約９５．５％とSn約２％、Au約７８％とSn約２２％、Ag約１．５％とPb約９７．５％とSn約１％、Ag約５％とPb約９０％とIn約５％、Pb約９５％とIn約５％、Pb約９５％とSn約５％。
【００３４】
図５は、遠距離通信の応用に使用される半導体レーザチップを取り付ける際に通常使用される、従来のトランジスタアウトラインcan（TO-can）マウント５００の端面図を示している。TO-canは、レーザやトランジスタなどのように、半導体チップを機械的に取り付け、電気的に接続し、ヒートシンクさせるために使用する汎用のエレクトロニクス及び光学素子向けのプラットホームパッケージであり、様々に異なる大きさ、異なる形状にて使用可能である。外側本体５０２は、例えば銅タングステン焼結金属、銅ダイヤモンド焼結金属、またはコバール、合金４２、合金５２などの鉄ニッケル合金などの金属製とすることができるポスト即ちヒートシンク部材５０４を取り囲む。半導体レーザチップ３０２上のｐ−ｎ接合への接続用に電気接続を提供するために、２つの絶縁電気開口部５０６を含めることができる。半導体レーザチップ３０２は、いくつかの実施例においてケイ素で構成されるキャリアサブマウントに取り付けることができる。上記でみたように、半導体レーザチップ３０２は、縮尺の制約上、図５に示していないが、はんだ層３０６によってキャリアマウント（キャリアマウンティングとも言う）３０４に接合することができる。図６は、ポスト即ちヒートシンク部材５０４、キャリアマウント３０４、半導体レーザチップ３０２、半導体レーザチップ３０２をキャリアマウントに接合するはんだ３０６の拡大図６００を示す。同様に、キャリアマウント３０４は、第２はんだ層６０２によってポスト即ちヒートシンク部材５０４にはんだ付けされ得る。
【００３５】
本発明事項の１つまたは複数の実装によれば、金を含むがこれに限定されないはんだ調製層とは異なる材料の単一成分層（または表面）は、例えば２つの金表面の低温接合を可能にするという、はんだ合金と同様の役割を果たす。金属成分を接合する際には、上昇温度下で、物理的に接触する特定の異なる金属間で極めて薄い液界面層を外見上創り出すため、これは一般に液相（liquidusまたはliquid）拡散接合と呼ばれる。この効果を生じさせるのに必要な温度は、通常、成分の融点より遥かに低い。ひとたび最初の接合が起きると、熱分離によって、成分の融点に近いかこれに達する相当な高温が必要となるのが通常である。１つの実施例において、銀表面と金表面との間の接触は、約１５０℃から約４００℃の温度における気密接合となることがあり、この温度は銀（９５０℃）と金（１０６４℃）それぞれの融点よりも遥かに低い。その他の実施例において、酸化銅は、２つの金属表面間の接合温度をそれぞれの金属の融点よりも大幅に低下させることができる、接着促進層（bonding promotion layer）としての役割を果たすことができる。
【００３６】
従って、いくつかの実装において、鉛（Pb）、銀（Ag）、ケイ素（Si）、ゲルマニウム（Ge）、スズ（Sn）、アンチモン（Sb）、ビスマス（Bi）、インジウム（In）、及び銅（Cu）ならびに本明細書の別の箇所に記載したその他を含む組成物は、はんだ処理工程の前に、第１接触面３１０及び／または第２接触面３１４上に１つまたは複数のはんだ付けを容易にする単一成分材料の層または薄板（例えばプリフォーム）を堆積させることとともに使用することができる。１つまたは複数のはんだ付けを容易にする単一成分材料の層または薄板は、第１接触面３１０及び／または第２接触面３１４上のその他のバリア層及び／またはメタライズ層と異なるものとすることができる。はんだ付けを容易にする単一成分材料の層または薄板を適用するための方法の１つの実施例は、はんだ調製層に存在する金属とは異なる金属の薄い層を、第１接触面３１０及び／または第２接触面３１４上のバリア層及び／またはメタライズ層の最上層に堆積させることを含む。このような薄い層は、酸化を防止し、または最小限にするため、熱が支援する接合処理が行われる直前に、気化するか、または第１接触面３１０及び第２接触面３１４のうちの１つか両方に堆積させることができる。或いは、はんだ調製層と異なる金属の薄板は、半導体レーザチップ３０２とマウント装置３０４との間に配置することができる。はんだ処理工程は、その後上記議論したようにして、行うことができる。
【００３７】
図７は、半導体レーザチップ３０２とキャリアマウント３０４との間に挟まれているはんだ層３０６を大幅に拡大して示した走査型電子顕微鏡写真７００である。ニッケルの第２バリア層７０２は、キャリアマウント３０４の第２接触面７０４にも備えられている。垂直軸７０６は、任意に選択された原点座標（軸７０６上に「０」と表示）から直線距離にして５０ミクロン離れた箇所（軸７０６上に「５０」と表示）までの距離を示すため、電子顕微鏡写真の上に表示されている。図７に示す半導体レーザチップ３０２は、本発明事項の様々な実装による本明細書に記載された平滑な第１接触面３１０により用意されたものではない。その結果、第１接触面３１０は、かなり粗い表面粗さとなり、はんだ処理工程の後、はんだから半導体レーザチップ３０２の材料を分離する接触バリア層が不存在となる。図８から図１４は、図７における軸７０６に沿った距離の関数として、それぞれリン、ニッケル、インジウム、スズ、鉛、タングステン、及び金の相対濃度を示す一連のグラフ８００、９００、１０００、１１００、１２００、１３００及び１４００を示している。なお、相対濃度は、Ｘ線回折技術によって測定された。
【００３８】
図８のグラフ８００に示すように、半導体レーザチップ３０２がリン化インジウム（InP）の結晶であるために、かかる半導体レーザチップ３０２（約３６μｍより長い距離）において高いリン濃度が観測される。追加的なリンの高めの相対濃度が、ニッケルバリア層７０２において観測されるが、このニッケルバリア層７０２は、実際には、堆積したニッケルにリンを組み入れる無電解処理によって堆積されたニッケルの第１層７１０と、堆積したニッケルにリンを僅かに組み入れるか全く組み入れない電解質処理によって堆積されたニッケルの第２層から形成されている。リンのゼロでない濃度は、（スズ鉛合金からなり、常態ではリンを含まない）はんだと、ニッケルの電解質第２層７１２の両方において生じる。これらのゼロでない濃度は、それぞれ、半導体レーザチップ３０２の結晶構造とニッケルの無電解第１層７１０からのリンの拡散に起因して生じる。
【００３９】
図９は、ニッケルの中にはニッケル層７０２からはんだ３０６へ拡散し、さらに半導体レーザチップ３０２の結晶構造へと拡散するものがあることを示している。同様に、図１０のグラフ１０００に示すように、インジウムはそこからはんだ３０６へ拡散し、ニッケルバリア層７０２を通ってキャリアマウントに拡散する。はんだ３０６の主成分であるスズは、はんだ３０６内に残らず、図１１のグラフ１１００に示すように、半導体レーザチップ３０２の結晶構造にも拡散する。鉛も、図１２のグラフ１２００に示すように、はんだ層３０６から拡散するが、スズがはんだ層３０６から拡散するよりは、その拡散度合いが小さい。タングステン‐銅キャリアマウント３０４から、タングステンが、また、第１接触面３１０と第２接触面７０２の両方に堆積されたはんだ調製層から金が、図１３、図１４のグラフ１３００及び１４００に示すように、はんだに拡散し、これより低い度合いで半導体レーザチップ３０２にも拡散する。
【００４０】
従って、接触する完全なバリア層を半導体レーザチップ３０２の少なくとも第１接触面３１０に維持し、望ましくはキャリアマウント３０４の第２接触面７０４にも維持することを可能にする本発明事項の特徴は、キャリアマウント及び／または半導体レーザチップからバリア層にわたって生じるエレメントの拡散を最小限にするうえで有利となり、これにより、より時間的に安定したはんだ層３０６と半導体レーザチップ３０２の結晶構造の両方の組成物を維持するうえで有利となり得る。はんだ層３０６の中のリン及び／または酸素、アンチモン、シリコン、鉄などその他の反応性化合物または元素の存在は、はんだ合金化合物の反応傾向を高め、これにより、化学成分、結晶構造、気密性、そしてより重要なこととして、電気伝導性及び／または熱伝導性を変えることができる。こうした変化は、結果的に、はんだ層３０６に接触している半導体レーザチップ３０２のレーザ発光特性を変えることができる。
【００４１】
さらに、例えば鉛、銀、スズなどのはんだ成分及び／またはタングステン、ニッケル、鉄、銅などのキャリアマウント成分の半導体レーザチップ３０２の結晶構造への拡散は、時間の経過とともにレーザ発光特性を変える原因にもなる。
【００４２】
本発明事項の実装は、レーザ結晶またはその他の半導体チップとその物理マウントとの間の接触した拡散層を維持し、はんだ化合物のレーザ結晶への拡散及びレーザ結晶のはんだ化合物への拡散といった相互拡散を防止し、はんだの汚染を防止することを含むが、これに限定されない１つまたは複数の利点を提供することができる。相互拡散及び／または電界移動は、接触の電気抵抗を変える原因であることが分かっており、また、度合いはより低いものの、接触の熱伝導特性を変える原因であることが分かっている。半導体レーザチップに駆動電流を供給する僅か１つの電気接触の抵抗加熱がごく僅かに変化した場合でも、半導体レーザチップによって生成された光の周波数が変わる場合がある。
【００４３】
従来の半導体レーザチップ取り付けアプローチを使用したいくつかの観察された実施例において、レーザ出力における誘起シフトは、１日あたり１ピコメートルより大きくなる場合がある。従って、本発明事項の実装は、はんだ層３０６と半導体レーザチップ３０２との間の第１接触面３１０の１つまたは複数と、はんだ層３０６とキャリアマウント３０４との間の第２接触面７０２におけるバリア層を改善するための１つまたは複数の技術を含むことができる。１つの実施例において、第２接触面７０２における改善されたバリア層は、例えば、金のはんだ調製層を堆積する前に最終層としての電解質ニッケル層７１２の最小厚さにて被覆された銅タングステンサブマウントなどのパターンエッジ仕上がりを維持するために、無電解めっきニッケル下部層７１０を含むことができる。別の実施例において、少なくともニッケル、プラチナ、パラジウム、及び導電性非金属バリア層のうちの１つを含むがこれらに限定されないスパッタリングされたバリア材料の単層を、第１接触面３１０の単一バリア層として使用することができる。半導体レーザチップ３０２をキャリアマウント３０４にはんだ付けする前のはんだ材料の酸化は、酸素その他の反応性汚染物質の可能性がある物質を生じさせ得るため、使用前には実質的に酸化性とすることができない形態のはんだを使用することが有利となり得る。或いは、はんだ処理工程は、メタライズ半導体接触面及びキャリアマウント表面上のはんだ組成物内の酸化化合物の存在を除去するか、または少なくとも減少させるために、真空、純窒素純水素ガス（H2）、フォーミングガス（９５％窒素中約５％水素）、窒素キャリヤガス中の蟻酸を含むがこれらに限定されない、非酸化性雰囲気または還元性雰囲気の条件下で行われ得る。
【００４４】
第１接触面３１０及び／または第２接触面７０２に堆積するうえで適したバリア層は、プラチナ（Pt）、パラジウム（Pd）、ニッケル（Ni）、窒化チタン（TiNX）、チタンオキシナイトライド（TiNXOY）、窒化タングステン（WNX）、酸化セリウム（CeO2）、セリウムガドリニウムオキシナイトライド（CeGdOYNX）を含むがこれらに限定されない。スパッタリングまたは蒸気蒸着により第１及び／または第２接触面に堆積することができるこれらの化合物ならびにその他類似の化合物は、はんだ内で溶けたり、半導体レーザ材料がはんだまたははんだ成分へと拡散し、これが半導体レーザ結晶へと拡散するようなバリア間の拡散を防止するのに必要なバリア品質が壊れるほど大幅に劣化することを防ぐために、はんだ処理工程において十分に高い温度抵抗を有するバリア層を提供することができる。いくつかの実装において、第２接触面７０４に適用される第２バリア層７０２は、焼結ダイヤモンド‐銅層を含むことができる。非金属の導電性バリア層７０２の製造処理工程はまずチタンを、スパッタリング、電子ビーム蒸着、化学蒸着、原子層蒸着などを含むがこれらに限定されない薄膜堆積処理工程によって堆積することと、その後、窒素を追加して堆積したチタンと反応させることを含むことができる。別の実装において、第１メタライズ層を薄膜堆積処理によって堆積し、窒素イオンを例えばチタンをスパッタリングするために窒素ガスバックグランドにて使用して、非金属のバリア層をつくることができる。化学蒸着も、非金属のバリア層をつくるために追加的または代替的に使用され得る。別の実装において、多成分の非金属のバリア層をつくるために、成分要素の気層反応や非金属の導電性化合物も使用され得る。
【００４５】
いくつかの実装において、キャリアマウント３０４の熱伝導率は、５０ワットパーメートルケルビンを超えていることが有利であり、または任意に１００ワットパーメートルケルビンを超えるか、１５０ワットパーメートルケルビンを超えることができる。適したキャリアマウント材料は、銅タングステン、タングステン、銅‐ダイヤモンド、窒化アルミニウム、ケイ素、窒化ケイ素、炭化ケイ素、酸化ベリリウム、アルミナ（Al2O3）、コバール、合金４２、合金５２などを含めることができるが、これに限定されない。いくつかの実装において、半導体レーザチップ３０２の熱膨張特性と一致する熱膨張特性を有するヒートスプレッダまたはキャリアマウント３０４を使用することができる。本発明事項の１つの実装による１つの実施例において、約１５％の銅と約８５％のタングステンの焼結金属ヒートスプレッダ、酸化ベリリウムヒートスプレッダ、アルミナヒートスプレッダ、サファイアヒートスプレッダ、銅‐ダイヤモンドヒートスプレッダなどは、約７ｐｐｍ℃‐１において、アンチモン化ガリウム（GaSb）半導体レーザチップ３０２に対して熱膨張特性がよく一致する。本発明事項の１つの実装による別の実施例において、純タングステンヒートスプレッダ、ケイ素ヒートスプレッダ、窒化ケイ素ヒートスプレッダ、炭化ケイ素ヒートスプレッダ、サファイアヒートスプレッダ、銅‐ダイヤモンドヒートスプレッダ、または窒化アルミニウム（AlN）ヒートスプレッダが、約４．５ｐｐｍ℃‐１において、リン化インジウム（InP）半導体レーザチップ３０２に対して熱膨張特性がよく一致するキャリアマウント３０４として使用される。ケイ素、炭化ケイ素、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、タングステン、銅‐ダイヤモンドのヒートスプレッダなどが、例えば、リン化インジウム（InP）半導体レーザチップ３０２用のキャリアサブマウント３０４として、使用される。
【００４６】
本発明事項の実装によるその他のキャリアマウントは、半導体レーザ工業規格のｃ‐マウント及びＣＴ‐マウント、ＴＯ‐ｃａｎ、パターンメタライズセラミック、パターンメタライズケイ素、パターンメタライズ炭化ケイ素、パターンメタライズ窒化ケイ素、パターンメタライズ酸化ベリリウム、パターンメタライズアルミナ、パターンメタライズ窒化アルミニウム、銅‐ダイヤモンド、１つまたは複数の半導体レーザチップ組成物と合わせるためにその１箇所または数箇所において膨張特性が一致するサブマウントを有する純銅、銅または銅タングステンｃ‐マウントにろう付けした（brazed）タングステンサブマウントなどを含むこれらに限定されない成形した銅タングステンヒートスプレッダを含むが、これに限定されない形成された銅タングステンヒートスプレッダを含むがこれには限定されない。半導体レーザチップ３０２は、リン化インジウム結晶、ガリウム砒素結晶、アンチモン化ガリウム結晶、窒化ガリウム結晶などから、制限を受けることなく形成される。
【００４７】
以上、本明細書に記載された発明事項は、望ましい構成に従ってシステム、装置、方法及び／または物に具現化できる。上記の記載における実装は、本明細書に記載された発明事項にかかる全ての実装を表したものではない。上記の記載における実装は、本明細書に記載された発明事項に関連する態様にかかるいくつかの例示に過ぎない。いくつかの変形について上記で詳細に説明したが、その他の変形や追加も可能である。特に、本明細書に記載した事項に加えて、さらなる特徴及び／または変形を提供することができる。例えば、上記の実装は、開示された特徴の様々なコンビネーション及びサブコンビネーションに関し、及び／または上記で開示された、いくつかのさらなる特徴のコンビネーション及びサブコンビネーションに関するものである。加えて、添付図面及び／または本明細書に示されたロジックフローは、望ましい結果を達成するために、必ずしも記載された特定の順序や順番どおりでなくてもよい。その他の実装は、以下の特許請求の範囲内にある。
【図５】
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【図６】
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【国際調査報告】
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