吳 濤

(中國科學院蘇州生物醫(yī)學工程技術(shù)研究所 半導體光電子技術(shù)研究室,江蘇 蘇州 215163)

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·激光器技術(shù)·

脈沖鍍金在半導體激光器中的應用及工藝優(yōu)化

吳 濤

(中國科學院蘇州生物醫(yī)學工程技術(shù)研究所 半導體光電子技術(shù)研究室,江蘇 蘇州 215163)

為提高半導體激光器芯片的焊接成功率以及器件的性能壽命,采用脈沖電鍍技術(shù)在半導體激光器芯片P面沉積了厚金層,詳細研究了鍍金液pH值和電流通斷比對鍍金層組織形貌、表面粗糙度、內(nèi)應力、沉積均勻性以及粘附力的影響規(guī)律。結(jié)果表明,表面粗糙度隨pH值的升高或通斷比的提高而增大。沉積均勻性隨pH的增大先降低后升高,而隨通斷比的增大而變差。pH較大(> 10.0)或較小(< 8.5)時,鍍金層粘附性均不理想。而通斷比對鍍金層的粘附性影響不大。不同條件下,金膜內(nèi)應力均為張應力,大小為29～88 MPa。

激光器；薄膜；脈沖電鍍；焊接；表面粗糙度；內(nèi)應力

1 引 言

半導體激光器具有高效率、單色性好、體積小和價格低等優(yōu)勢,已被廣泛應用于光纖激光器[1]、泵浦激光器[2]、材料加工[3]及醫(yī)療[4]等領(lǐng)域。半導體激光器外延片先通過光刻腐蝕形成脊型臺面結(jié)構(gòu),再通過濺射或者蒸發(fā)方式在臺面上沉積金屬膜制作P面電極。在生產(chǎn)中,為了提高器件芯片的合格率以及激光器件的壽命,通常還需要在P面電極上沉積一層若干微米的金層。由于該層金膜較厚,一般采用電化學鍍金方式來制備。電化學鍍金按電鍍?nèi)芤后w系來分可以分為很多種,如氰化物體系[5]、亞硫酸鹽體系[6]和乙二胺體系[7]等。按電鍍模式分可以分為直流鍍金和脈沖電鍍。與直流電鍍相比,脈沖電鍍具有更優(yōu)異的鍍層性能[8]。

半導體激光器件對P面厚金層在表面形貌、粗糙度、厚度以及粘附性能等方面有著嚴格的要求。我們在研究中發(fā)現(xiàn),鍍金層表面粗糙度偏大即會造成焊接失敗。鍍金層組織疏松、粘附性不高也會影響器件的性能。本研究采用脈沖鍍金法在激光器芯片上沉積厚金膜,詳細研究了鍍金液pH值和電流通斷比對鍍金層組織形貌、表面粗糙度、沉積速率、沉積均勻性以及粘附性能的影響規(guī)律。

2 實 驗

半導體激光器外延片通過MOCVD生長得到。外延片依次在丙酮、甲醇和異丙醇中清洗。然后進行標準的光刻和腐蝕工藝制作脊型結(jié)構(gòu),之后沉積二氧化硅作為絕緣層。最后,采用磁控濺射鍍膜法在晶片表面沉積歐姆金屬層。激光器芯片的P面結(jié)構(gòu)制備完成。以亞硫酸金鈉鹽體系為鍍金液,采用脈沖電鍍在激光器晶片表面沉積金膜。溶液金含量為10 g/L，電鍍溫度為50 ℃，峰值電流為200 mA，pH值為8.0～10.0，電流通斷比為0.25～4。

鍍金層組織形貌通過HITACHI S-4800場發(fā)射掃描電子顯微鏡來觀察。表面粗糙度通過原子力顯微鏡來測定。鍍金層的厚度由臺階儀來測定。鍍金層的粘附性能采用Scratch & Tape方法來測試。內(nèi)應力的測定方法如下：先用臺階儀測出圓片在電鍍金膜前后的曲率半徑,再通過Stoney公式計算出鍍金層的應力[9]。

3 結(jié)果與分析

3.1 組織形貌分析

焊接時,若鍍金層表面高低不平整不利于焊料與芯片的融合,容易發(fā)生焊料不沾現(xiàn)象。因此,我們希望得到的鍍金層要盡可能均勻和平整。圖1為不同pH和通斷比條件下鍍金層的SEM照片。隨著pH升高,鍍金層金粒徑逐漸變大,表面變粗糙。在pH=9.5以下時,鍍金層表面總體上都較均勻平整。但在pH達到10.0時,表面出現(xiàn)了大小不一的金顆粒,表面均勻平整性明顯下降。此外,隨著通斷比提高,鍍金層金顆粒變大,表面變得粗糙,表面均勻平整性下滑。在通斷比為4∶1時,表面金顆粒晶界明顯。

圖1 不同pH和通斷比條件下鍍金層的SEM照片F(xiàn)ig.1 The SEM pictures of Au films deposited at different pH and on/off ratio

3.2 表面粗糙度分析

激光器芯片鍍金層的表面粗糙度對芯片焊接工藝有著重大的影響。表面粗糙度稍微大一點即會造成焊接失敗。因此,在生產(chǎn)中必須嚴格控制好鍍金層的表面粗糙度,這樣才能保證焊接工藝的成功率。圖2為不同pH和不同通斷比條件下芯片的表面粗糙度數(shù)值以及相應的焊接結(jié)果。從圖可以看出,鍍金層的表面粗糙度隨pH值的升高而增大。這與SEM的分析結(jié)果相一致。在pH=10.0時,表面粗糙度達到28 nm,此時激光器芯片已焊接失敗。此外,鍍金層的表面粗糙度隨通斷比的增大而變大。電流通斷比增大,有效電流密度提高,溶液中的亞硫酸金鈉離子遷移速度加快,在溶液/晶片界面處所形成的金離子粒徑就較大。因此,最終沉積得到的金粒徑和表面粗糙度也相應會較大。在通斷比為2∶1時,表面粗糙度為 24 nm,已出現(xiàn)焊接困難的情況。

(a)不同pH值

(b)不同通斷比 圖2 不同pH和通斷比條件下芯片的表面粗糙度數(shù)值Fig.2 The surface roughness of Au films deposited at different pH and on/off ratio

3.3 沉積速率和均勻性分析

沉積速率影響到生產(chǎn)效率,而好的沉積均勻性可以提高材料的利用率。圖3為不同pH和通斷比條件下鍍金層沉積速率和沉積均勻性變化圖。從圖3可知,沉積速率隨pH的增大而變大。而沉積均勻性隨pH的增大先降低后升高。該鍍金液體系中的亞硫酸金鈉鹽在pH過高或過低時都會發(fā)生一定的分解,導致鍍金液不穩(wěn)定。這也是沉積均勻性在pH過高和過低條件下均不理想的原因。鍍金層沉積速率隨電流通斷比的增加而變大。這是有效電流密度升高的緣故。而沉積均勻性隨電流通斷比的增大而變差。有效電流密度大,導致溶液中的金離子向晶片表面的遷移速度增大。在高電流密度作用下,晶

圖3 不同pH和通斷比條件下鍍金層 沉積速率和沉積均勻性變化圖Fig.3 The deposition rate and uniformity of Au films deposited at different pH and on/off ratio

片表面的金離子還沒充分擴散均勻就被還原沉積到晶片表面。最終導致沉積均勻性較差。

3.4 粘附性能分析

鍍金層與激光器芯片P面的結(jié)合強度會影響器件的性能和壽命。表1為不同條件下鍍金層與激光器芯片的粘附性測試結(jié)果。從表1可以看出,鍍金液pH值對鍍金層的粘附性能有很大的影響。pH較大或較小時鍍金層粘附性均不太理想,應以9.0～9.5為宜。而通斷比對鍍金層的粘附性影響不大。在pH=9.0不同通斷比下均獲得了粘附性能優(yōu)良的鍍金層。

表1 不同條件下鍍金層與激光器芯片的粘附性測試Tab.1 The adhesion tests between chips and Au films deposited at different conditions

3.5 內(nèi)應力分析

電化學鍍金工藝直接影響鍍金層內(nèi)應力的存在形式和大小。在半導體器件制作過程中,必須控制好薄膜的應力。圖4為不同條件下鍍金層內(nèi)應力的變化圖。

圖4 不同鍍金條件下的金薄膜內(nèi)應力變化圖Fig.4 The intrinsic stress of Au films deposited at different conditions

從圖4(a)曲線可知,該條件下鍍金層內(nèi)應力的存在形式為張應力,大小在29～66 MPa之間,且隨溶液pH的升高而變大。從圖4(b)可知,鍍金層內(nèi)應力隨通斷比的增大先降低后升高,內(nèi)應力大小為43～88 MPa。薄膜內(nèi)應力的形成較為復雜,影響因素也較多,包括生長機理、晶粒形貌演變以及雜質(zhì)引入等。因此,很難確定各因素對鍍金層最終內(nèi)應力的貢獻比例和影響規(guī)律[10]。早期的研究結(jié)果顯示,亞硫酸鹽體系的鍍金層內(nèi)應力一般在-100～100 MPa之間。

4 結(jié) 論

采用脈沖鍍金法以亞硫酸金鈉鹽為體系在半導體激光器芯片沉積了金膜,研究了鍍金液pH和電流通斷比對鍍金層組織形貌、表面粗糙度、粘附性、沉積均勻性及內(nèi)應力的影響規(guī)律。表面粗糙度隨pH值的升高或通斷比的提高而增大。沉積均勻性隨pH的增大先降低后升高,而隨通斷比的增大而變差。鍍金層的粘附性能受pH的影響較大,而與通斷比關(guān)系不大。pH較大(> 10.0)或較小(< 8.5)時,鍍金層粘附性能均不太好。不同條件下的鍍金層內(nèi)應力均為張應力,大小為29～88 MPa。綜上,最優(yōu)的鍍金條件為pH=9.0～9.5,電流通斷比1∶(1～2)。

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Application and process optimization of pulse Au-plating in semiconductor laser

WU Tao

(Department of Semiconductor Optoelectronics Technology,Suzhou Institute of Biomedical Engineering and Technology,Chinese Academy of Sciences,Suzhou 215163,China)

In order to increase the welding yield,the property and the life of semiconductor laser,thick Au films were deposited on the P-side of semiconductor laser chip by pulse electroplating technology.The effects of pH and on/off ratio of gold plating liquid on the morphology,surface roughness,intrinsic stress,uniformity and adhesion of the Au films were studied comprehensively.The results show that the surface roughness increases with the increase of pH or on/off ratio.The deposition uniformity firstly decreases then increases with the pH increasing from 8.0 to 10.0,while becomes worse with the increase of on/off ratio.The adhesions between the Au films and laser chips are not excellent when the pH is too high(> 10.0) or too low(< 8.5).However,the on/off ratio has a weak effect on the adhesion of Au films.The intrinsic stresses of Au films platted under different conditions are tensile with the range from 29 to 88 MPa.

laser;thin film;pulse plating;welding;surface roughness;intrinsic stress

1001-5078(2015)06-0631-04

吳 濤(1985-)，男，碩士，助理研究員，主要從事半導體激光器制備和應用方面的研究。E-mail：wut@sibet.ac.cn

2014-10-09;

2014-10-29

TN248.4;TQ153

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2015.06.007