半导体器件及其调节方法与流程

1.本发明涉及半导体器件技术领域，尤其是涉及一种半导体器件及其调节方法。


背景技术：

2.随着科技的进步，半导体器件的应用越来越多。其中，半导体器件可作为能量器件使用，半导体器件通过半导体元件发出能量并经过输出组件耦合输出。在现有技术中，通常将半导体元件与输出组件参照理想状态下的耦合点对应位置焊接固化连接，以实现输出组件对半导体元件的耦合固定。但是，受半导体元件、输出组件及焊料的材料应力等因素的影响，在焊接完成，也即耦合固定封装后，半导体元件与输出组件的耦合点往往会相对理想状态发生偏移，导致半导体器件的输出功率降低。并且半导体器件加工完成后，在服役过程中，随着使用时间的延长，材料应力释放，依然存在耦合点偏移的可能，在耦合点偏移较大后会导致半导体器件的输出功率不能维持在可接受范围内，此时半导体器件崩溃，无法继续使用。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种半导体器件及其调节方法，以解决封装技术存在的半导体器件在加工完成后，耦合点发生偏移而导致功率下降或导致无法使用的技术问题。
4.本发明提供的半导体器件，包括半导体制冷器、第一基板、半导体元件和输出组件，所述半导体元件和所述输出组件安装在所述第一基板上，所述半导体元件发出的能量经所述输出组件耦合后输出，所述半导体制冷器作用于所述第一基板上，用于调节所述第一基板的温度；所述第一基板包括依次连接为一体的多层材料片，多层材料片中至少有两层材料片的热膨胀系数及弹性模量均不同，以使所述第一基板能够随温度变化发生弯曲形变，以调节所述半导体元件与所述输出组件的相对位置。
5.进一步地，所述第一基板随温度变化在所述输出组件的快轴方向上发生弯曲形变，以调节所述半导体元件与所述输出组件在快轴方向上的相对位置。
6.进一步地，所述第一基板具有导热性。
7.进一步地，所述第一基板包括两层材料片，分别为第一材料片和第二材料片，所述第一材料片和所述第二材料片的热膨胀系数及弹性模量均不同。
8.进一步地，所述第一材料片和所述第二材料片的材质均为钨铜合金，所述第一材料片的钨与铜的组分比例与所述第二材料片的钨与铜的组分比例不同；或，所述第一材料片和所述第二材料片的材质均为氮化铝，所述第一材料片的氮化铝的颗粒度与所述第二材料片的氮化铝的颗粒度不同；或，所述第一材料片的材质为钨铜合金，所述第二材料片的材质为氮化铝。
9.进一步地，所述第一材料片与所述第二材料片焊接连接。
10.进一步地，所述半导体器件还包括第二基板，所述第二基板设置在所述半导体制冷器与所述第一基板之间；所述第二基板的板面面积小于所述第一基板的板面面积，以使所述第一基板与所述半导体制冷器之间存在悬空间隙。
11.进一步地，所述半导体元件设置在所述第一基板的一端，所述输出组件连接在所述第一基板的另一端，所述第二基板对应设置在所述半导体元件的下方。
12.进一步地，所述第一基板上设置有温度传感器，所述温度传感器与所述半导体制冷器连接。
13.本发明提供的半导体器件的调节方法，包括以下步骤：提供一制备完成的所述的半导体器件；控制制备完成的半导体器件的所述半导体制冷器，使所述第一基板处于补偿温度；在所述补偿温度下，所述第一基板弯曲形变，调节所述半导体元件与所述输出组件的相对位置，以补偿所述半导体元件与所述输出组件相对耦合点的偏移量。
14.进一步地，在所述补偿温度下，所述第一基板在快轴方向上弯曲形变；和/或，所述补偿温度为20摄氏度~45摄氏度。
15.本发明提供的半导体器件，包括半导体制冷器、第一基板、半导体元件和输出组件，半导体元件和输出组件安装在第一基板上，半导体元件发出的能量经输出组件耦合后输出，半导体制冷器作用于第一基板上，用于调节第一基板的温度；第一基板包括依次连接为一体的多层材料片，多层材料片中至少有两层材料片的热膨胀系数及弹性模量均不同，以使第一基板能够随温度变化发生弯曲形变，以调节半导体元件与输出组件的相对位置。本发明半导体器件在半导体元件与输出组件的耦合点发生偏移，也即耦合度降低时，通过调节第一基板的温度来补偿耦合点的位移。具体而言，通过半导体制冷器调节第一基板的温度，使第一基板发生弯曲形变，由于半导体元件和输出组件安装在第一基板上，所以在第一基板发生弯曲形变时，半导体元件和输出组件的相对位置也会发生相对的变动，从而只需要通过半导体制冷器调节第一基板至合适的补偿温度，在该补偿温度下，第一基板的弯曲形变引起的半导体元件和输出组件的相对位置变化能对耦合点的偏移量补偿，使半导体器件的耦合度提高至可接受范围内。并且，第一基板在合适的补偿温度下的弯曲形变引起的半导体元件和输出组件的相对位置变化，甚至可以完全补偿半导体元件与输出组件的耦合点发生的偏移量，使半导体器件处于最佳功率。本发明半导体器件能够采用主动控制的方法，在半导体器件的所有制备工艺完成后，利用第一基板上的多层材料片中至少两层材料片的热膨胀系数及弹性模量不同的性质，通过控制温度实现第一基板的弯曲形变，达到调节半导体元件和输出组件的耦合度的目的，使得半导体器件在加工完成后依然可做出耦合度的调整，解决了封装技术中，焊接过程的材料应力及使用过程中材料应力的释放，导致半导体器件功率下降或无法使用的问题，提高了半导体器件的良品率、输出功率、稳定性及使用寿命。
16.本发明提供的半导体器件的调节方法，包括以下步骤：提供一制备完成的本发明的半导体器件；控制制备完成的半导体器件的半导体制冷器，使第一基板处于补偿温度；在
补偿温度下，第一基板弯曲形变，调节半导体元件与输出组件的相对位置，以补偿半导体元件与输出组件相对耦合点的偏移量。本发明半导体器件的调节方法采用主动控制的方法，在半导体器件的所有制备工艺完成后，利用第一基板上的多层材料片中至少两层材料片的热膨胀系数及弹性模量不同的性质，通过控制温度实现第一基板的弯曲形变，达到调节半导体元件和输出组件的耦合度的目的，使得半导体器件在加工完成后依然可做出耦合度的调整，解决了焊接过程中的材料应力及使用过程中材料应力的释放，导致半导体器件功率下降或无法使用的问题，提高了半导体器件的输出功率、使用寿命、稳定性及良品率。
附图说明
17.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
18.图1为本发明实施例提供的半导体器件的示意简图。
19.图标：100-半导体制冷器；200-半导体元件；300-第一基板；400-第二基板；500-输出组件。
具体实施方式
20.下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
21.实施例一半导体器件作为能量器件例如半导体激光器使用时，半导体激光器通过半导体芯片（也即半导体激光二极管）发出光并经过光纤形成的输出组件耦合输出。在现有技术中，半导体激光器的半导体芯片与光纤参照理想状态下的耦合点对应位置焊接固化连接，以实现光纤对激光器的耦合固定。但是，受半导体芯片、光纤及焊料的材料应力等因素的影响，在焊接完成，也即封装耦合固定后，半导体芯片与光纤的耦合点往往会相对理想状态发生位移，导致半导体激光器的输出功率降低。并且半导体激光器封装完成后，随着使用时间的延长，在材料应力的释放过程中，依然存在耦合点偏移的可能，在耦合点偏移较大后会导致半导体激光器的输出功率不能维持在可接受范围内，此时半导体激光器崩溃，无法继续使用。同时，对于半导体激光器，随着波长变短，模场半径越来越小，同样形变产生的耦合光功率衰减会更加严重，更加需要耦合点的补偿。高功率的半导体激光器中，由于光束的不对称，造成在快轴方向，容易由于形变快速衰减，尤其需要在封装、服役过程中进行耦合点的补偿。另外，高功率半导体激光器，在越过10%的耦合效率后，热效应的影响非常明显，需要通过形变补偿，提升耦合效率，降低热效应，提高使用寿命。
22.针对于此，如图1所示，本实施例提供一种半导体器件，包括半导体制冷器100、第一基板300、半导体元件200和输出组件500，半导体元件200和输出组件500安装在第一基板300的同一侧侧面上，半导体元件200与输出组件500连接，半导体制冷器100作用于第一基
板300上，用于调节第一基板300的温度。第一基板300包括依次连接为一体的多层材料片，多层材料片中至少有两层材料片的热膨胀系数及弹性模量均不同，以使第一基板300能够随温度变化发生弯曲形变，以调节半导体元件200与输出组件500相对位置。
23.其中，本实施例半导体器件可以是一种半导体激光器，半导体制冷器100也即是tec（thermo electric cooler，热电冷却器）。半导体元件200可理解为半导体发光元件，通常是半导体材质的芯片，该芯片可理解为半导体激光二极管。输出组件500通常是用于光耦合及传输的光纤。“第一基板300能够随温度变化发生弯曲形变，以调节半导体元件200与输出组件500相对位置”中的半导体元件200与输出组件500的相对位置，可以理解为，芯片相对光纤的位置，两者的相对位置的变化可以影响到芯片与光纤耦合的耦合度，也即芯片与光纤在第一基板300出现合适弯曲形变时，芯片与光纤两者之间的相对移动能够补偿当前光纤耦合点相对标准位置的位移量，使得芯片与光纤的耦合度更高。
24.本实施例半导体器件在半导体元件200与输出组件500的耦合点发生偏移，也即耦合度降低时，可通过调节第一基板300的温度来补偿耦合点的位移。具体而言，通过半导体制冷器100调节第一基板300的温度，使第一基板300发生弯曲形变，由于半导体元件200和输出组件500安装在第一基板300上，所以在第一基板300发生弯曲形变时，半导体元件200和输出组件500的相对位置也会发生相对的变动，从而只需要通过半导体制冷器100调节第一基板300至合适的补偿温度，在该补偿温度下第一基板300的弯曲形变，带来的半导体元件200和输出组件500的相对位置变化能对耦合点的偏移量补偿，使半导体器件的耦合度提高至可接受范围内。并且，第一基板300在合适的补偿温度下的弯曲形变，带来的半导体元件200和输出组件500的相对位置变化，甚至可以完全补偿半导体元件200与输出组件500的耦合点发生的相对偏移量，使半导体器件处于最佳功率。
25.本实施例半导体器件能够采用主动控制的方法，在半导体器件的所有制备工艺完成后，再通过温度的设定来纠正光功率。利用第一基板300上的多层材料片中至少两层材料片的热膨胀系数及弹性模量不同的性质，通过控制温度实现第一基板300的弯曲形变，达到调节半导体元件200和输出组件500的耦合度目的，使得半导体器件在封装加工完成后依然可做出耦合度的调整。解决了焊接过程中的材料应力及使用过程中材料应力的释放，导致半导体器件功率下降或无法使用的问题，提高了半导体器件的输出功率及使用寿命，并且可以降低对半导体器件的制备工艺要求，也可以减少工艺流程。
26.进一步地，本实施例第一基板300随温度变化在半导体元件200与输出组件500的快轴方向上发生弯曲形变，以调节半导体元件200与输出组件500在快轴方向上的相对位置。
27.参照图1而言，半导体元件200和输出组件500设置在第一基板300的同一侧面上，其中，半导体元件200设置在第一基板300的上侧面的左端，输出组件500间隔设置在第一基板300的上侧面的右端，光的传播路径是从左向右的方向。图1所示的上下方向可理解为快轴方向，由于材料应力等原因导致输出组件500或半导体元件200在左右方向出现位移时，通常对半导体元件200与输出组件500的耦合度产生的影响较小。而输出组件500或半导体元件200在上下方向出现位移时，对输出组件500与半导体元件200的耦合度影响较大。本实施例半导体器件的第一基板300在温度变化时，主要在上下方向上发生弯曲，例如，第一基板300的两端向上翘曲，再例如，第一基板300的其中一端向上翘曲，再例如，第一基板300的
中部向上翘曲等等形式。第一基板300在上下方向上的弯曲使得半导体元件200或输出组件500在上下方向的位置发生相对移动，进而达到调整半导体元件200及输出组件500的耦合度的目的。
28.进一步地，本实施例第一基板300的多层材料片沿快轴方向依次布置，以方便针对快轴方向进行补偿。具体而言，在本实施例中第一基板300包括两层材料片，分别为第一材料片和第二材料片，第一材料片和第二材料片沿快轴的方向（也即沿图1所示的上下方向）依次布置，第一材料片和第二材料片的热膨胀系数及弹性模量均不同，也即第一材料片的热膨胀系数与第二材料片的热膨胀系数不同，第一材料片的弹性模量与第二材料片的弹性模量不同。
29.其中，第一材料片和第二材料片的选择，应当使得第一材料片和第二材料片通过焊接等方式加工一体形成双材料片后，通过设置不同的温度，可以引起双材料片的弹性弯曲。也即，双材料片能随温度变化发生形变，但是弯曲的形变应该很小，并在弹性形变的范围之内。具体的，第一材料片和第二材料片的弹性形变，只要两种材料在形变时在应力范围内，都不发生塑性形变即可。半导体激光器只能设定为较低的工作温度，比如20摄氏度~45摄氏度，因此，设定温度的区间是有限的，同时，激光器耦合封装完成后需要补偿的错位也是很小的，所以双材料片的热膨胀系数有所差别，但是差别不宜过大，过大的形变会要求非常紧密的温度控制，使得没有办法实现。通常第一材料片和第二材料片的热膨胀系数（cte）控制在11 ppm /℃以内，导热系数大于100 w/(m
·
k)，弹性模量大于100 gpa。
30.第一材料片和第二材料片优选具有良好的导热性和散热性，以方便半导体制冷器100将热量传递至第一基板300，避免半导体制冷器100功率过大以及过热损坏第一基板300上的元件。
31.为满足第一基板300的导热性、热膨胀系数及弹性模量的要求，本实施例给出几种具体的材料片。在第一种实现方式中，第一材料片和第二材料片的材质均为钨铜合金，第一材料片与第二材料片焊接连接，第一材料片的钨与铜的组分比例与第二材料片的钨与铜的组分比例不同。在第二种实现方式中，第一材料片和第二材料片的材质均为氮化铝，第一材料片与第二材料片焊接连接，第一材料片的氮化铝的颗粒度与第二材料片的氮化铝的颗粒度不同。在第三种实现方式中，第一材料片的材质为钨铜合金，第二材料片的材质为氮化铝，第一材料片与第二材料片焊接连接。
32.可以理解的是，本实施例半导体器件的第一基板300可以通过设计，使双材料片产生大的形变，也可以产生很小的微形变，以对应不同的情况去纠正光功率。例如需要产生的形变很小，可以使用物性差别很小的第一材料片和第二材料片，如用不同颗粒度的氮化铝片焊接而成，也即上述的第二种实现方式；也可以用不同铜含量的钨铜合金片焊接而成，也即上述的第一种实现方式，比如钨铜比为50%的钨铜合金片和钨铜比为85%的钨铜合金片焊接组成的双材料片。如果需要较大形变偏转，可以选择弹性模量差别大的材料，如钨铜合金片和氮化铝片，也即上述的第三种实现方式。
33.其中，钨铜比为50%的钨铜合金片的热膨胀系数（cte）为12 ppm /℃，钨铜比为85%的钨铜合金片的热膨胀系数（cte）为8 ppm /℃，二者弹性模量也有差异，导热系数都大于100 w/(m
·
k)，由于物性的差异，加热时，双材料片会向一边偏转，再通过调整体双材料片的厚度，就可以调整形变的大小。
34.现有技术的一种材料制作而成的基板形式，单材料在热膨胀的过程中，只能在水平方向伸缩，不具有调节半导体元件200与输出组件500的相对位置的能力。本实施例采用双材料片作为第一基板300，双材料片可以在热膨胀系数和弹性模量作更多的选择，能使第一基板300发生偏转，且第一基板300的材料的形变由三个可变量，热膨胀系数、弹性模量和温度决定，从而通过改变温度能准确产生需要的形变。考虑到温度对芯片和器件的影响，双材料片用于补偿时的温度范围通常落在20摄氏度~45摄氏度之间。
35.需要说明的是，上述的第一种、第二种及第三种实现方式的材料的颗粒度或组分配比的确定、以及材料片与温度的关系，均是可以通过模拟实验确定，例如通过workbench（一种仿真软件）等软件计算材料形变与温度关系。本领域技术人员也可根据实际需求及已知的材料性质进行选择。另外，形成第一基板300的第一材料片和第二材料片也可以采用不同的形状，使形变在快轴方向产生，便于更好满足快轴的补偿。
36.需要说明的是，材料片也可以是三层，其中两层或三层采用热膨胀系数及弹性模量不同的材质。其中，在三层材料片的热膨胀系数及弹性模量均不同时，可通过三层材料片受温度影响时发生的形变，调节半导体元件200和输出组件500的相对位置；在三层材料片其中两层采用热膨胀系数及弹性模量不同的材质时，热膨胀系数及弹性模量不同的两层材料片在温度变化时起到主动形变作用，另一层材料片应当能随着该热膨胀系数及弹性模量不同的两层材料片的形变而形变。自然材料片也可以是四层或更多层，其中两层或更多层采用热膨胀系数及弹性模量不同的材质。
37.进一步地，为了更好的控制第一基板300的温度，本实施例半导体器件的第一基板300上设置有温度传感器，温度传感器与半导体制冷器100连接。
38.具体的，在半导体元件200也即芯片与第一基板300焊接固定后，在第一基板300上安装温度传感器，温度传感器与半导体制冷器100连接。通过温度传感器的反馈，合理调节半导体制冷器100的温度，以设定不同的温度点，引起第一基板300的形变，控制第一基板300对耦合点位移的补偿。
39.如图1所示，本实施例半导体器件的第一基板300支撑设置在半导体制冷器100上，且第一基板300的设置有半导体元件200和输出组件500的一侧侧面的相对侧面（图1的下侧面）面向半导体制冷器100设置。
40.具体的，半导体器件还包括第二基板400，第二基板400设置在半导体制冷器100与第一基板300之间；第二基板400的板面面积小于第一基板300的板面面积，以使第一基板300与半导体制冷器100之间存在悬空间隙。
41.如图1所示，在一种实现方式中，半导体元件200设置在第一基板300的一端，输出组件500连接在第一基板300的另一端，第二基板400对应设置在半导体元件200的下方。
42.可以理解的是，第二基板400通常也采用导热性能好的材料。第二基板400使得第一基板300和半导体制冷器100部分隔离，形成悬空结构，可避免半导体制冷器100的大形变传递到第一基板300，进而避免第一基板300的位移超出需要的调节范围。并且，第二基板400设置在半导体元件200的下方，而输出组件500的下方悬空，从而在第一基板300的温度改变，第一基板300发生形变时，受第二基板400的作用，第一基板300弯曲形变可更多的在悬空位置产生，有利于通过调节输出组件500的位置而达到调节耦合度的目的。
43.本实施例半导体器件在使用时，首先调节半导体器件的功率：调节半导体制冷器
100使第一基板300处于补偿温度，第一基板300在补偿温度下弯曲形变，带动半导体元件200与输出组件500相对靠近耦合点移动，以补偿半导体元件200与输出组件500的耦合点的偏移量，使半导体器件处于预设功率范围内。而后再启动半导体器件，使半导体元件200工作。其中，调节半导体器件的功率时，在后期器件使用一段时间后，可能在一次调节后不能满足要求，此时可能需要多次矫正实验，获得后续的补偿温度。
44.综上所述，现有技术的半导体激光器用光纤耦合固定后，通常会发生耦合点的位移，也即激光器耦合封装固定后，功率会比最高功率低，半导体激光器在使用的过程中，光纤和芯片的失耦是最大的原因。本实施例半导体器件通过设定温度，引起双材料片形成的第一基板300形变，去补偿焊接固化后的形变，进而提高功率。本实施例半导体激光器对于耦合度的纠正，可以在封装工艺完成之后去做，通过第一基板300的温度调节进而对耦合度纠正，可以避免光衰减滑向10%的死亡区，提高半导体器件的服役寿命。半导体元件200和输出组件500可以在65摄氏度焊接固化安装在第一基板300上，一般恢复到25度时，功率能在10%的光衰范围内正常使用，但是难以达到最佳功率，本实施例半导体器件可在加工完成后通过对第一基板300的温度调节，在20摄氏度-45摄氏度之间搜寻最大功率，而后将以最大功率时的温度设定为补偿温度，大幅度提高了半导体器件的良率、耦合效率及使用寿命。
45.实施例二本实施例提供一种半导体器件的调节方法，包括以下步骤：步骤一：提供一制备完成的半导体器件，该半导体器件为实施例一提供的半导体器件，包括半导体制冷器100、第一基板300、半导体元件200和输出组件500，半导体元件200和输出组件500安装在第一基板上，半导体元件200发出的能量经输出组件500耦合后输出，半导体制冷器100作用于第一基板300上；第一基板300包括依次连接为一体的多层材料片，多层材料片中至少有两层材料片的热膨胀系数及弹性模量均不同。
46.步骤二：控制制备完成的半导体器件的半导体制冷器100，使第一基板300处于补偿温度；在补偿温度下，第一基板300弯曲形变，调节半导体元件200与输出组件500的相对位置，以补偿半导体元件200与输出组件500相对耦合点的偏移量。
47.其中，制备完成的半导体器件的具体结构可采用实施例一提供的半导体器件。制备完成的半导体器件可理解为半导体器件完成耦合密封以后的状态，也即硬件的连接及组装等已经完成的状态，例如半导体激光器的光纤、芯片组装完成，且采用盒体封装后的产品状态；或半导体激光器服役一段时间后的状态。
48.补偿温度是在半导体器件制备完成后，根据该制备完成的半导体器件的耦合点的偏移量，利用第一基板300的热膨胀系数和弹性模量与温度的关系，而得出的第一基板300的形变，能够使得半导体元件200和输出组件500完全补偿或局部补偿耦合点的偏移量时的温度。补偿温度一般位于20摄氏度到45摄氏度之间，可以是一个温度点，例如第一基板300需要调整到20摄氏度、25摄氏度、30摄氏度、40摄氏度或45摄氏度，达到合适的补偿量；也可以是温度范围，例如第一基板300调整到25摄氏度~26摄氏度之间，或调整到30摄氏度~31摄氏度之间可以达到合适的补偿量。
49.进一步地，在补偿温度下，第一基板300在快轴方向上弯曲形变。
50.本实施例半导体器件的调节方法采用主动控制的方法，在半导体器件的所有制备工艺完成后，利用第一基板300上的多层材料片中至少两层材料片的热膨胀系数及弹性模
量不同的性质，通过控制温度实现第一基板的弯曲形变，达到调节半导体元件200和输出组件500的耦合度的目的，使得半导体器件在加工完成后依然可做出耦合度的调整，解决了焊接过程中的材料应力及使用过程中材料应力的释放等，导致半导体器件功率下降或无法使用的问题，提高了半导体器件的输出功率、使用寿命、稳定性及良品率。
51.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。