DE102010009455A1

DE102010009455A1 - Halbleiterlaservorrichtung mit einem Halbleiterlaserchip und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102010009455A1
Application number: DE102010009455A
Authority: DE
Inventors: Dr. Dini Dimitri; Dr. Schillgalies Marc; Alfred Lell; Dr. Eichler Christoph; Dr. Moosburger Jürgen; Dr. Malm Norwin von; Dr. Illek Stefan; Dr. Höppel Lutz
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2010-02-26
Filing date: 2010-02-26
Publication date: 2011-09-01
Anticipated expiration: 2030-02-27
Also published as: DE102010009455B4

Abstract

Es wird eine Halbleiterlaservorrichtung mit mindestens einem Halbleiterlaserchip (1) angegeben, wobei der Halbleiterlaserchip (1) eine aktive Schicht enthält, die elektromagnetische Strahlung emittiert, und eine laterale Ausdehnung (B) von höchstens 100 μm aufweist. Der Halbleiterlaserchip (1) ist auf einem Submount (2) angeordnet. Weiter ist ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Halbleiterlaservorrichtung angegeben.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Halbleiterlaservorrichtung mit einem Halbleiterlaserchip, der eine aktive Schicht aufweist. Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Halbleiterlaservorrichtung.
Halbleiterlaservorrichtungen finden aufgrund ihrer Kompaktheit Anwendung in zahlreichen Applikationsbereichen, wie beispielsweise Datenspeicherung, Projektionsanwendungen, Drucktechnik und ähnliches. Insbesondere Halbleiterlaser basierend auf dem InGaN-Materialsystem bieten aufgrund ihrer erzeugten Strahlung im UV- bis Blau- beziehungsweise grünen Wellenlängenbereich vielfältige Einsatzmöglichkeiten.
Ein sehr hoher Anteil der Kosten derartiger Halbleiterlaservorrichtungen entsteht durch die hochpreisigen Substrate, die aufgrund ihrer niedrigen Defektdichte und erforderlichen, an die Halbleiterlaser gitterangepassten Struktur für eine hohe Lebensdauer vorteilhaft sind. Um die Herstellungskosten derartiger Vorrichtung niedrig zu halten, müssen aus einem Substrat möglichst viele Halbleiterlaserchips gewonnen werden. Dementgegen steht jedoch eine Mindestgröße der Kontaktbereiche der Halbleiterlaserchips, die zum Messen, Kontaktieren und Bonden der Chips notwendig sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Halbleiterlaservorrichtung anzugeben, die insbesondere kostengünstig herstellbar ist und gleichzeitig eine hohe Leistung aufweist. Ferner liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes, insbesondere kostengünstiges Herstellungsverfahren einer derartigen Halbleiterlaservorrichtung anzugeben.
Diese Aufgaben werden unter anderem durch eine Halbleiterlaservorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren zu dessen Herstellung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 13 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Halbleiterlaservorrichtung und des Verfahrens zu dessen Herstellung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Erfindungsgemäß ist eine Halbleiterlaservorrichtung vorgesehen, die mindestens einen Halbleiterlaserchip aufweist, der eine aktive Schicht enthält, die elektromagnetische Strahlung emittiert, und eine laterale Ausdehnung von höchstens 100 μm aufweist. Der Halbleiterlaserchip ist auf einem Submount angeordnet.
Eine derartige Halbleiterlaservorrichtung weist demnach einen Halbleiterlaserchip auf, der eine geringe Chipbreite, beziehungsweise laterale Ausdehnung, von höchstens 100 μm aufweist. Aus einem Substrat können so aufgrund der geringen Chipbreite möglichst viele Halbleiterlaserchips gewonnen werden, wodurch vorteilhafterweise die Herstellungskosten derartiger Vorrichtungen niedrig gehalten werden können.
Die laterale Ausdehnung des Halbleiterlaserchips ist insbesondere die Ausdehnung in Richtung quer zu einer Strahlrichtung der Laservorrichtung.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung weist der Halbleiterlaserchip ein Substrat auf. Vorzugsweise dient das Substrat als Aufwachsubstrat für die Schichten des Halbleiterlaserchips. Besonders bevorzugt ist das Substrat ein Aufwachsubstrat für die Schichten des Halbleiterlaserchips.
Das Substrat umfasst vorzugsweise Galliumnitrid, Siliziumcarbid, Saphir, Silizium, Aluminiumnitrid und/oder Indiumnitrid.
Vorzugsweise weist das Substrat des Halbleiterlaserchips eine laterale Ausdehnung von höchstens 100 μm auf. Die hochpreisige Substratfläche ist somit auf eine minimal notwendige Breite von höchstens 100 μm reduziert, wodurch sich die Materialkosten einer derartigen Laservorrichtung mit Vorteil minimieren.
Bevorzugt weist der Submount Material auf, das sich durch eine höhere Wärmeleitfähigkeit auszeichnet als das Substrat.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Halbleiterlaserchip als Dünnfilm-Laserchip ausgebildet. Als Dünnfilm-Laserchip wird im Rahmen der Anmeldung ein Halbleiterlaserchip angesehen, während dessen Herstellung das Aufwachssubstrat, auf den eine Halbleiterschichtenfolge beispielsweise epitaktisch aufgewachsen wurde, vorzugsweise vollständig abgelöst ist.
Vorzugsweise weist der Halbleiterlaserchip eine laterale Ausdehnung von höchstens 60 μm, bevorzugt von höchstens 50 μm auf.
Durch die Verwendung eines Substrats mit einer niedrigen Defektdichte und an die Schichten des Halbleiterlaserchips angepassten Gitterstruktur kann eine hohe Lebensdauer der Laserchips erzielt werden, wobei gleichzeitig die Chipkosten aufgrund der reduzierten lateralen Ausdehnung des Substrats reduziert sind.
Durch die Anordnung des Halbleiterlaserchips auf dem Submount ist mit Vorteil trotz der reduzierten lateralen Ausdehnung ein problemloses Handling der Vorrichtung möglich. Beispielsweise kann die Halbleiterlaservorrichtung auf einem externen Träger angeordnet werden. Weiter ist es möglich, auf einem Submount eine Mehrzahl von Halbleiterlaserchips, die beispielsweise Strahlung in unterschiedlicher Farbe emittieren, zu integrieren.
Bevorzugt basiert der Halbleiterlaserchip auf dem Materialsystem InGaN, besonders bevorzugt auf InGaAlN. Vorzugsweise ist der Laserchip geeignet, elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge kleiner 600 nm zu erzeugen. Bevorzugt ist der Laserchip geeignet, elektromagnetische Strahlung im grünen, blauen oder ultravioletten Spektralbereich zu erzeugen.
Vorzugsweise ist der Halbleiterlaserchip ein Kantenemitter. Eine Strahlungsauskoppelfacette des Halbleiterlaserchips ist bevorzugt an einer Seitenfläche des Chips angeordnet.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Submount strukturiert ausgebildet. Vorzugsweise weist der Submount zumindest eine Ausnehmung auf, welche den Halbleiterlaserchip zumindest teilweise aufnimmt.
Ein strukturierter Submount ist insbesondere ein Submount, der eine Struktur aufweist, beispielsweise Erhöhungen und Ausnehmungen. Die Ausnehmungen können dabei beispielsweise zur Aufnahme des Halbleiterlaserchips geeignet sein. Eine Aussparung des Submounts ist vorzugsweise derart angeordnet, dass die Strahlungsauskoppelfacette des Halbleiterlaserchips über dieser Aussparung zu liegen kommt. Dadurch kann mit Vorteil im Betrieb eine Abschattung des von dem Halbleiterlaserchip emittierten Laserlichts durch den Submount vermieden werden.
Vorzugsweise ist der Submount stufenförmig ausgebildet. Beispielsweise weist der Submount einen Vorsprung auf, in den eine grabenförmige Ausnehmung angeordnet ist, die den Halbleiterlaserchip aufnimmt. Die Strahlungsauskoppelfacette des Halbleiterlaserchips ragt dabei vorzugsweise über den Vorsprung heraus.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Submount ein wärmeleitfähiger Submount. Insbesondere weist der Submount eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf. Beispielsweise ist der Submount ein SiC-Submount. Dadurch kann die im Betrieb entstandene Wärme des Laserchips über den Submount abtransportiert werden. Ein wärmeleitfähiger Submount ist insbesondere in Verbindung mit Dünnfilmlaserchips von Vorteil.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist der Submount ein Halbleitermaterial, ein Metall oder eine Keramik auf. Beispielsweise enthält der Submount zumindest eines der folgenden Materialien oder ist aus zumindest einem dieser Materialien gebildet: Saphir, SiC, AlN, Stahl oder CuW.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist eine erste elektrische Kontaktierung des Halbleiterlaserchips über einen ersten Kontaktbereich gebildet, der zwischen Halbleiterlaserchip und Submount angeordnet ist. Ist der Submount elektrisch isolierend ausgebildet, beispielsweise ein AlN- oder Saphir-Submount, ist der erste Kontaktbereich derart geführt, dass dieser von extern elektrisch anschließbar ist. Beispielsweise kann der erste Kontaktbereich mittels eines Durchbruchs durch den Submount auf die von dem Halbleiterlaserchip abgewandte Seite des Submounts geführt und dort elektrisch anschließbar sein. Alternativ kann der erste Kontaktbereich auf der dem Halbleiterlaserchip zugewandten Seite des Submounts zu einer Seitenfläche des Submounts geführt und dort elektrisch anschließbar sein.
Ist der Submount leitend ausgebildet, beispielsweise ein Si-, SiC- oder Metall-Submount, kann die elektrische Kontaktierung des Halbleiterchips über den Submount und den ersten Kontaktbereich geführt sein.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist eine zweite elektrische Kontaktierung des Halbleiterlaserchips über einen zweiten Kontaktbereich gebildet, der auf der von dem Submount abgewandten Oberseite des Halbleiterchips angeordnet ist. Ist der Submount elektrisch isolierend, kann der zweite Kontaktbereich direkt auf eine Oberseite des Submounts geführt sein. Ist der Submount elektrisch leitend ausgebildet, ist vorzugsweise zwischen dem zweiten Kontaktbereich und dem Submount eine elektrisch isolierende Passivierungsschicht angeordnet, um Kurzschlüsse zu vermeiden.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist der Submount zumindest eine Ausnehmung auf, welche den Halbleiterlaserchip zumindest teilweise aufnimmt, wobei der zweite Kontaktbereich von der Oberseite des Halbleiterlaserchips zu einem Bereich der Oberseite des Submounts geführt ist, der außerhalb der Ausnehmung angeordnet ist.
Der Submount weist vorzugsweise Seitenbereiche auf, die jeweils an Seitenflächen der Ausnehmung angrenzen, und die den Halbleiterlaserchip zumindest teilweise umgeben. Der zweite Kontaktbereich ist dabei vorzugsweise auf einen dieser Seitenbereiche geführt.
Der zweite Kontaktbereich kann mittels eines Durchbruchs durch den Submount auf die von dem Halbleiterlaserchip abgewandte Seite des Submounts extern elektrisch anschließbar sein.
Alternativ ist es möglich, dass die zweite elektrische Kontaktierung des Halbleiterlaserchips über einen zweiten Kontaktbereich gebildet ist, der zwischen Halbleiterlaserchip und Submount angeordnet ist. In diesem Fall ist der Halbleiterlaserchip ein so genannter Flip-Chip-Halbleiterlaserchip, der auf einer seiner Seiten beide Kontaktbereiche aufweist. Der erste und der zweite Kontaktbereich sind dabei voneinander isoliert angeordnet. Beispielsweise weisen der erste und zweite Kontaktbereich zueinander einen Abstand auf. Der erste und der zweite Kontaktbereich können in diesem Fall mittels Durchbrüche, die durch den Submount geführt sind, von der dem Laserchip abgewandten Seite des Submounts extern elektrisch kontaktierbar sein.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist die laterale Ausdehnung des zweiten Kontaktbereichs größer als die laterale Ausdehnung des Halbleiterlaserchips. In diesem Fall ist vorzugsweise der zweite Kontaktbereich auf der von dem Submount abgewandten Oberseite des Halbleiterchips ausgebildet. Dadurch kann eine Mindestgröße des zweiten Kontaktbereichs ermöglicht werden, die zum Messen, Kontaktieren und Bonden des Halbleiterlaserchips notwendig ist, wobei gleichzeitig die laterale Ausdehnung des Halbleiterlaserchips möglichst gering gehalten ist.
Beispielsweise ist eine Passivierungsschicht bereichsweise auf dem Submount und dem Halbleiterlaserchip angeordnet, auf der der zweite Kontaktbereich geführt ist. Beispielsweise weist die Passivierungsschicht eines der folgenden Materialien auf: PVD SiO₂, ALD SiO₂, BCB, Spin-on-Glass, AlO_X, Nitride, Fluoride oder Oxide.
Die Strahlungsauskoppelfacette des Halbleiterlaserchips kann dabei mit der Passivierungsschicht überzogen sein, wobei in diesem Fall bevorzugt die Schichtdicke der Passivierungsschicht so gewählt ist, dass diese keine Auswirkung auf die Reflektivität der Laserfacette hat. Beispielsweise weist die Schichtdicke der Passivierungsschicht ein Vielfaches von λ/2/n auf. Alternativ kann die Strahlungsauskoppelfacette des Halbleiterlasers bei Aufbringen der Passivierungsschicht durch eine Lackmaske geschützt sein, sodass die Auskoppelfacette keine Beschichtung mit der Passivierungsschicht erfährt.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen einer Halbleiterlaservorrichtung, die einen Halbleiterlaserchip umfasst, der eine aktive Schicht enthält, die elektromagnetische Strahlung emittiert, und eine laterale Ausdehnung von höchstens 100 μm aufweist, umfasst insbesondere die folgenden Verfahrensschritte:

– Befestigen des Halbleiterlaserchips auf einem Submount,
– elektrisches Kontaktieren des Halbleiterlaserchips, und
– Montieren des Submounts auf einem Träger.

Das Verfahren zeichnet sich vorteilhafterweise durch eine kostengünstige Herstellung aus. Insbesondere ist die laterale Ausdehnung des Chips auf höchstens 100 μm beschränkt, sodass die Herstellungskosten und auch die Vorrichtungskosten minimiert sind.
Bei einer weiteren Ausgestaltung des Herstellungsverfahrens wird der Submount strukturiert. Beispielsweise wird in dem Submount eine Ausnehmung ausgebildet, in der der Halbleiterlaserchip anschließend angeordnet wird. Dadurch kann der Halbleiterlaserchip mit Vorteil gezielt auf dem Submount ausgerichtet werden, wobei gleichzeitig ein geringer Höhenunterschied zwischen der Oberseite des Halbleiterlaserchips und der Oberseite des Submounts erzielt wird, sodass eine vereinfachte elektrische Kontaktierung des Halbleiterlaserchips ermöglicht wird.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung können weitere Ausnehmungen in den Submount ausgebildet werden. Beispielsweise wird eine Aussparung in dem Submount derart ausgebildet, dass die Strahlungsauskoppelfacette des Halbleiterlaserchips über dieser Aussparung angeordnet werden kann.
Die Ausnehmungen des Submounts werden beispielsweise als Graben ausgebildet.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung wird in einem gemeinsamen Verfahren eine Mehrzahl von Halbleiterlaservorrichtungen hergestellt, wobei vorzugsweise eine Mehrzahl von Halbleiterlaserchips auf einem gemeinsamen Submount angeordnet wird. Beispielsweise weist der Submount eine Mehrzahl von Ausnehmungen auf, wobei in jeweils einer Ausnehmung ein Halbleiterlaserchip angeordnet wird. Anschließend an die Herstellung der Halbleiterlaservorrichtungen in dem gemeinsamen Verfahren können die Halbleiterlaservorrichtungen aus dem Verbund heraus vereinzelt werden. Je nach Anwendung können alternativ eine Mehrzahl von Halbleiterlaservorrichtungen aus dem Verbund herausgelöst werden.
Bei der Herstellung einer Mehrzahl von Halbleiterlaservorrichtungen in einem gemeinsamen Verfahren, also in einem Verbund, werden beispielsweise eine Halbleiterschichtenfolge auf ein Aufwachssubstrat epitaktisch aufgewachsen, wobei anschließend mittels eines Mesa-Ätzverfahrens eine Mehrzahl von Halbleiterlaserchips hergestellt werden, die über das Aufwachssubstrat weiter mechanisch miteinander verbunden sind. Weiter wird ein Submount bereitgestellt. Mittels eines Laserliftoffverfahrens können anschließend eine Mehrzahl von Halbleiterlasern auf den Submount übertragen werden. Dabei kann je nach gewünschter Anwendung ein selektives Übertragen der Halbleiterlaserchips auf den Submount oder ein gleichzeitiges Übertragen aller Halbleiterlaserchips auf den Submount stattfinden.
Weitere Merkmale, Vorteile, bevorzugte Ausgestaltungen und Zweckmäßigkeiten der Halbleiterlaservorrichtung und des Verfahrens zu dessen Herstellung ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den 1 bis 12 erläuterten Ausführungsbeispielen. Es zeigen:
1 einen schematischen Querschnitt eines Ausführungsbeispiels eines Halbleiterlaserchips für eine erfindungsgemäße Halbleiterlaservorrichtung,
2, 6, 7, 10, 12 Verfahrensschritte zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Halbleiterlaservorrichtung gemäß weiterer Ausführungsbeispiele, und
3 bis 5, 8, 9, 11 Kontaktierungsverfahrensschritte zur Herstellung jeweils einer erfindungsgemäßen Halbleiterlaservorrichtung gemäß weiterer Ausführungsbeispiele.
Gleiche oder gleich wirkende Bestandteile sind jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die dargestellten Bestandteile sowie die Größenverhältnisse der Bestandteile untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen.
In 1 ist ein schematischer Querschnitt eines Halbleiterlaserchips 1 dargestellt, der ein Substrat 10 und einen epitaktischen Halbleiterschichtenstapel 11 mit einer aktiven, strahlungserzeugenden Schicht aufweist. Die aktive Schicht des Halbleiterlaserchips ist vorzugsweise geeignet, elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlängen kleiner 600 nm zu erzeugen. Bevorzugt ist die aktive Schicht des Chips geeignet elektromagnetische Strahlung im grünen, blauen oder ultravioletten Spektralbereich zu erzeugen.
Vorzugsweise ist der Halbleiterlaserchip 1 ein Kantenemitter. Eine Strahlungsauskoppelfacette des Halbleiterlaserchips ist somit an einer Seitenfläche des Chips angeordnet. In 1 führt die Ausdehnung des von dem Chip erzeugten Laserstrahls beispielsweise in die Zeichenebene hinein.
Bevorzugt weist die laterale Ausdehnung des Halbleiterlaserchip 1 höchstens 100 μm, vorzugsweise höchstens 60 μm, besonders bevorzugt höchstens 50 μm auf.
Das Substrat 10 ist beispielweise ein GaN-Substrat, wobei die laterale Ausdehnung B des Substrats höchstens 100 μm aufweist. Die laterale Ausdehnung des Substrats 10 ist insbesondere die Ausdehnung des Substrats 10 in Richtung quer zur Strahlrichtung des Halbleiterlaserchips.
Vorzugsweise weist das Substrat eine laterale Ausdehnung B von höchstens 50 μm auf. Beispielsweise beträgt die laterale Ausdehnung, also die Breite des Halbleiterchips, 50 μm. Die Höhe H des Substrats weist beispielsweise 100 μm auf.
Auf dem Substrat ist ein epitaktischer Halbleiterschichtenstapel 11 angeordnet, der beispielsweise als Breitstreifenlaser ausgebildet ist. Die Laserstruktur ist dabei beispielsweise so geätzt, dass dabei oberseitig ein Streifen ausgebildet ist.
Die Laserstruktur ist beispielsweise mittels einer Passivierungsschicht 13 umschlossen. Die Passivierungsschicht ist vorzugsweise elektrisch isolierend ausgebildet. Beispielsweise enthält die Passivierungsschicht eine der folgenden Materialien: PVD SiO₂, ALD SiO₂, BCB, Spin-on-Glass, AlOx, Nitride, Fluoride und/oder Oxide.
Auf der von dem Substrat 10 abgewandten Seite der Halbleiterlaserstruktur 11 ist ein erster Kontaktbereich 12a angeordnet, über den der Halbleiterlaserchip elektrisch kontaktierbar ist. Ein zweiter Kontaktbereich ist vorzugsweise auf der von dem Halbleiterlaserchip 11 abgewandten Seite des Substrats angeordnet (nicht dargestellt), so dass der Halbleiterlaserchip von extern kontaktierbar ist.
Dadurch, dass der Halbleiterlaserchip 1 ein GaN-Substrat 10 aufweist, das sich durch eine geringe laterale Ausdehnung von höchstens 100 μm auszeichnet, kann ein kostengünstiger Halbleiterlaserchip erzielt werden. Insbesondere kann ein Halbleiterlaserchip erzielt werden, der sich durch niedrige Herstellungskosten bei einer hohen Leistung auszeichnet, da die notwendige laterale Ausdehnung des hochpreisigen GaN-Substrats auf ein Minimum von unter 100 μm reduziert ist. Die optimale Leistung des Halbleiterlaserchips kann durch einen Submount erzielt werden (nicht dargestellt), auf dem der Halbleiterlaserchip angeordnet ist.
In den 2A und 2B ist jeweils eine derartige Halbleiterlaservorrichtung mit einem Halbleiterlaserchip gemäß dem Ausführungsbeispiel der 1 und einem Submount 2 dargestellt. 2A zeigt insbesondere die Montage des Halbleiterlaserchips 1 auf einem Submount 2 einer derartigen Halbleiterlaservorrichtung. Zur einfachen Montage des Halbleiterlaserchips ist in dem Submount 2 eine beispielsweise grabenförmige Ausnehmung 21 ausgebildet, in die der Halbleiterlaserchip 1 angeordnet wird. Bevorzugt nimmt die Ausnehmung 21 des Submounts 2 den Halbleiterlaserchip 1 zumindest teilweise auf. Beispielsweise ist die Ausnehmung 21 ein Graben, der eine größere Breite und eine größere Länge als der Halbleiterlaserchip 1 aufweist, so dass die Grundfläche der Ausnehmung größer ist als die Grundfläche des Halbleiterlaserchips, wodurch der Halbleiterlaserchip in der Ausnehmung angeordnet werden kann.
Der Submount 2 weist in dem Ausführungsbeispiel der 2A eine stufenförmige Anordnung an. Insbesondere weist der Submount zwei Ebenen auf, wobei auf der oberen Ebene der Halbleiterlaserchip montiert wird.
In 2B ist eine Halbleiterlaservorrichtung gemäß dem Ausführungsbeispiel der 2A dargestellt, bei der der Halbleiterlaserchip 1 in der Ausnehmung 21 des Submounts 2 angeordnet ist. Insbesondere ist der Halbleiterlaserchip 1 derart auf dem Submount angeordnet, dass eine Strahlungsauskoppelfacette 14 des Halbleiterlaserchips über einer Aussparung 22 des Submounts 2 angeordnet ist. Bei einem stufenförmigen Aufbau des Submounts, wie es in 2B der Fall ist, ragt demnach der Halbleiterlaserchip 1 über eine obere Stufe heraus, so dass die Strahlungsauskoppelfacette des Halbleiterlaserchips freiliegend ist. Dadurch kann im Betrieb des Halbleiterlaserchips eine Abschattung des Laserlichts durch den Submount 2 vermieden werden.
Der Submount 2 weist insbesondere mittels der Ausnehmung 21 und der Aussparung 22 eine Strukturierung auf. Vorzugsweise ist der Submount 2 ein wärmeleitfähiger Submount, so dass die im Betrieb des Halbleiterlaserchips erzeugte Wärme über den Submount 2 nach extern abgeführt werden kann. Vorzugsweise weist der Submount ein Halbleitermaterial, ein Metall oder eine Keramik auf. Beispielsweise weist der Submount eines der folgenden Materialien auf: Saphir, SiC, AlN, Stahl, CoW.
Vorzugsweise ist eine erste elektrische Kontaktierung des Halbleiterlaserchips 1 über einen ersten Kontaktbereich gebildet (nicht dargestellt), der zwischen Halbleiterlaserchip 1 und Submount 2 angeordnet ist. In diesem Fall ist der erste Kontaktbereich des Halbleiterlaserchips demnach in der Ausnehmung des Submounts angeordnet. Eine zweite elektrische Kontaktierung des Halbleiterlaserchips ist vorzugsweise über einen zweiten Kontaktbereich gebildet, der bevorzugt auf der von dem Submount 2 abgewandten Oberseite 15 des Halbleiterlaserchips angeordnet ist.
Beispiele zur Herstellung einer möglichen elektrischen Kontaktierung des Halbleiterlaserchips sind in den 3A bis 3G dargestellt.
In 3A ist der Halbleiterlaserchip 1 in der Ausnehmung 21 des Submounts 2 angeordnet, wobei zwischen Halbleiterlaserchip 1 und Submount 2 der erste Kontaktbereich 12a angeordnet ist. Während eines Lötvorganges zum Auflöten des Halbleiterlaserchip 1 auf dem Submount 2 wird der Halbleiterlaserchip 1 mittels einer Druckfolie 6 mechanisch mit dem Submount 2 verbunden. Anschließend wird die Druckfolie 6 entfernt.
Nach dem mechanischen Verbinden wird ein Photolack 3 auf die Oberseite 15 des Halbleiterlaserchips 1 und auf die Oberseite 23 des Submounts 2 aufgebracht, wie in 3B dargestellt.
Mittels eines lithographischen Verfahrens wird der Photolack derart strukturiert, dass ein Kontaktfenster über einem zur elektrischen Kontaktierung vorgesehenen Bereich des Halbleiterlaserchips ausgebildet wird. Weiter wird mittels des lithographischen Verfahrens ein Kontaktfenster auf der Oberseite 23 des Submounts ausgebildet, wie in 3C dargestellt.
Anschließend wird zur elektrischen Kontaktierung des Halbleiterlaserchips ein zweiter Kontaktbereich 12b auf dem Photolack 3 ausgebildet. Insbesondere wird der zweite Kontaktbereich 12b derart ausgebildet, dass dieser von dem Kontaktfenster, das über dem Bereich des Halbleiterchips angeordnet ist, zu dem Kontaktfenster auf der Oberseite des Submounts führt. Insbesondere führt so der zweite Kontaktbereich von der Oberseite des Halbleiterchips zu einem Bereich der Oberseite des Submounts, der außerhalb der Ausnehmung des Submounts 2 angeordnet ist, wie in 3D dargestellt. Vorzugsweise ist der zweite Kontaktbereich 12b eine Metallschicht, die mittels eines galvanischen Abscheideverfahrens hergestellt wird.
Dadurch, dass der zweite Kontaktbereich zu dem Bereich des Submounts führt, der außerhalb der Ausnehmung angeordnet ist, entsteht nur ein geringer Höhenunterschied zwischen dem Kontaktierbereich des Halbleiterlaserchips und dem Kontaktierbereich des Submounts, wodurch ein vereinfachtes Kontaktierungsverfahren ermöglicht wird.
Anschließend wird, wie in 3e dargestellt, der Photolack entfernt. In dem Ausführungsbeispiel der 3e ist der Submount 2 elektrisch isolierend ausgebildet.
Ist dagegen der Submount 2 elektrisch leitend ausgebildet, ist zwischen dem Submount 2 und dem zweiten Kontaktbereich 12b eine elektrisch isolierende Schicht 4 angeordnet, wie in 3f dargestellt.
Das Ausführungsbeispiel der 3g unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel der 3e dadurch, dass der Halbleiterlaserchip 1 nicht in einem Graben in dem Submount angeordnet ist, sondern auf einem Vorsprung des Submounts. Der Submount weist demnach auf einer Seite des Halbleiterlaserchips eine Erhöhung auf, die zur Erleichterung der elektrischen Kontaktierung des Halbleiterlaserchips dient.
In den 4 und 5 sind weitere Ausführungsbeispiele zu möglichen elektrischen Kontaktierungen des Halbleiterchips einer Halbleiterlaservorrichtung dargestellt. Das Ausführungsbeispiel der 4a unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel der 3d dadurch, dass an Stelle des Photolacks eine Passivierungsschicht 13 auf dem Halbleiterlaserchip und der Oberseite des Submounts angeordnet wird. Insbesondere ist der Halbleiterlaserchip von der Passivierungsschicht vollständig umschlossen.
Wie in dem Ausführungsbeispiel zu 3c wird in dem Ausführungsbeispiel der 4b ein Kontaktfenster über einem vorgesehenen Kontaktierbereich des Halbleiterlaserchips geöffnet. In diesem Bereich wird somit die Passivierungsschicht 13 entfernt.
Anschließend wird der zweite Kontaktbereich 12b auf die Passivierungsschicht aufgebracht. Der zweite Kontaktbereich 12b ist somit auf der Passivierungsschicht 13 geführt. Der zweite Kontaktbereich 12b ist insbesondere durch das Kontaktfenster zum Kontaktierbereich des Halbleiterlaserchips geführt.
Vorzugsweise ist die laterale Ausdehnung des zweiten Kontaktbereichs 12b größer als die laterale Ausdehnung des Halbleiterchips 1. Das ermöglicht trotz eines Halbleiterlaserchips mit geringer Breite eine Mindestgröße des zweiten Kontaktbereichs 12b, die zum Messen, Kontaktieren und Bonden des Halbleiterchips notwendig ist. Dadurch kann mit Vorteil eine kostengünstige Vorrichtung erzielt werden, die gleichzeitig im Betrieb eine optimale Leistung liefert.
In 5 ist eine weitere Kontaktiertechnik des Halbleiterlaserchips in einer Vorrichtung dargestellt. Die elektrische Kontaktierung des Halbleiterchips 1 wird über Durchbrüche ermöglicht, die durch den Submount 2 geführt sind. Insbesondere ist sowohl der erste Kontaktbereich mittels eines Durchbruchs mit einer Kontaktfläche, die sich auf der von dem Halbleiterlaserchip abgewandten Seite des Submounts befindet, verbunden und so elektrisch kontaktierbar. Der zweite Kontaktbereich 12b, die auf die Oberseite des Submounts geführt ist, kann mittels eines weiteren Durchbruchs durch den Submount zu einer weiteren Kontaktfläche, die ebenfalls auf der von dem Halbleiterlaserchip abgewandten Seite des Submounts angeordnet ist, geführt sein.
Ist der Submount aus einem elektrisch leitenden Material, sind die elektrischen Leitungen in den Durchbrüchen elektrisch isolierend geführt. Zudem sind die Kontaktflächen und die Kontaktbereiche vom Submount elektrisch isoliert.
Ist der Submount aus einem elektrisch isolierenden Material, können die elektrischen Leitungen in den Durchbrüchen zumindest teilweise elektrisch isolierend geführt sein. Zudem können die Kontaktflächen und die Kontaktbereiche vom Submount zumindest teilweise elektrisch isoliert sein.
Alternativ zu den Kontaktierungsmöglichkeiten des Halbleiterlaserchips in der Halbleiterlaservorrichtung der Ausführungsbeispiele 3 bis 5 kann der Halbleiterlaserchip als Flipchip ausgebildet sein, wobei der erste und der zweite Kontaktbereich in diesem Fall zwischen Halbleiterlaserchip und Submount angeordnet sind (nicht dargestellt).
In den 6A bis 6F sind Verfahrensschritte zur Herstellung einer Halbleiterlaservorrichtung dargestellt, bei dem eine Mehrzahl von Halbleiterlaservorrichtungen in einem gemeinsamen Verfahren, also in einem gemeinsamen Verbund, hergestellt werden.
6A zeigt ein Aufwachssubstrat 5, auf dem Halbleiterschichten 11 vorzugsweise epitaktisch abgeschieden sind. Die Halbleiterlaserschichten werden anschließend mittels beispielsweise eines Mesa-Ätzprozesses derart strukturiert, dass eine Mehrzahl von Halbleiterlaserchips entsteht, wie in 6B dargestellt. Auf die Halbleiterlaserchips 1 werden jeweils eine Passivierungsschicht 13 und ein zweiter Kontaktbereich 12b angeordnet. Die Halbleiterlaserchips der 6B entsprechen im Wesentlichen dem Halbleiterlaserchip des Ausführungsbeispiels aus 1.
Des Weiteren wird ein strukturierter Submount 2 bereitgestellt, wie in 6C gezeigt, der auf der Oberseite 23 Leiterbahnen 20 aufweist. Die Leiterbahnen 20 sind derart auf der Oberseite 23 angeordnet, dass die Abstände der Leiterbahnen zueinander den vorgesehenen Anordnungen der Halbleiterlaserchips auf dem Submount entsprechen.
Der Submount wird anschließend, wie in 6D dargestellt, derart auf den Halbleiterlaserchips angeordnet, dass jeweils eine Leiterbahn mit einem zweiten Kontaktbereich eines Halbleiterlaserchips in Kontakt gebracht wird. In dem Ausführungsbeispiel der 6D ist nicht zu jedem Halbleiterlaserchip eine Leiterbahn vorgesehen, so dass ein Übertragen der Halbleiterchips auf den Subträger lediglich für einen Teil der hergestellten Halbleiterlaserchips vorgesehen ist.
Wie in 6E dargestellt wird anschließend mittels eines lokal wirkenden Laser-lift-off-Verfahrens die für die Übertragung vorgesehenen Halbleiterlaserchips von dem Aufwachssubstrat gelöst. Die weiteren Halbleiterlaserchips bleiben mit dem Aufwachssubstrat weiter mechanisch verbunden.
Wie in 6F dargestellt können anschließend das Aufwachssubstrat 5 mit den restlichen Halbleiterlaserchips und der Submount 2 mit den übertragenen Halbleiterlaserchips voneinander getrennt werden.
In einem oder mehreren anschließenden weiteren Laser-lift-off-Verfahrens können die restlichen Halbleiterlaserchips, die bei dem ersten Verfahren auf dem Aufwachssubstrat 5 verblieben sind, von dem Aufwachssubstrat gelöst werden.
Bevorzugt können so Halbleiterlaserchips auf den Submount übertragen werden, die als Dünnfilm-Halbleiterlaserchip ausgebildet sind. Dadurch kann mit Vorteil das Aufwachssubstrat, beispielsweise ein GaN-Substrat, in einem weiteren Herstellungsverfahren für weitere Halbleiterlaservorrichtungen wiederverwendet werden, nachdem alle Chips vom Aufwachssubstrat abgenommen sind.
In den 7A bis 7E sind weitere Verfahrensschritte zur Herstellung einer Halbleiterlaservorrichtung dargestellt. Das Ausführungsbeispiel der 7A schließt beispielsweise an den Verfahrensschritt des Ausführungsbeispiels der 6F an.
Nach Übertragen der Halbleiterlaserchips auf den Submount kann die Oberseite des Submounts und die Halbleiterlaserchips mittels einer Passivierungsschicht 13 umschlossen werden. Dabei kann die Passivierungsschicht derart aufgebracht werden, dass die Strahlungsauskoppelfacetten des Halbleiterlaserchips frei von Passivierungsmaterial bleiben. Beispielsweise ragen die Strahlungsauskoppelfacetten der Halbleiterlaserchips über eine Aussparung 22 des Submounts 2 heraus, so dass diese frei von Passivierungsschicht sind.
Wie in 7B dargestellt wird anschließend jeweils ein Kontaktfenster über den Halbleiterlaserchips in der Passivierungsschicht erzeugt. Bevorzugt ist das Kontaktfenster in der Passivierungsschicht abgestimmt auf die Größe des jeweiligen Halbleiterchips.
Wie in 7C dargestellt, wird anschließend jeweils ein zweiter Kontaktbereich 12b auf die Passivierungsschicht 13 aufgebracht. Mittels des Kontaktfenster in der Passivierungsschicht 13 können die Halbleiterlaserchips so von extern kontaktiert werden.
Anschließend kann, wie in 7D dargestellt, der Verbund aus Halbleiterlaservorrichtungen vereinzelt werden. Die Vereinzelung kann dabei je nach gewünschter Anforderung durchgeführt werden. In 7D ist eine einzelne Halbleitervorrichtung aus dem Verbund gelöst.
7E zeigt eine fertige Halbleiterlaservorrichtung, die entsprechend ihrer vorgesehenen Anwendung eine Mehrzahl von Halbleiterlaservorrichtungen aufweist. Bevorzugt weist die Halbleiterlaservorrichtung drei Halbleiterlaserchips auf, die jeweils Strahlung in einem anderen Wellenlängenbereich emittieren. Beispielsweise emittiert der erste Halbleiterlaserchip Strahlung im roten Wellenlängenbereich, der zweite Halbleiterlaserchip Strahlung im grünen Wellenlängenbereich und der dritte Halbleiterlaserchip Strahlung im blauen Wellenlängenbereich.
In den 8 bis 12 sind weitere Ausführungsbeispiele eines weiteren Herstellungsverfahrens gezeigt, wobei in dem Verfahren eine Mehrzahl von Halbleiterlaservorrichtungen gemeinsam hergestellt werden.
In 8A ist ein Verbund von Halbleiterschichten dargestellt, die zur Lasererzeugung geeignet sind. Im Wesentlichen entspricht der Verbund dem Ausführungsbeispiel der 6A. Ein derartiger Verbund aus Halbleiterlaserschichten ist dem Fachmann unter anderem als Laserbarren bekannt. Auf der Oberseite und auf der Unterseite des Laserbarrens sind Kontaktflächen angeordnet, die jeweils für jeweils einen Halbleiterlaserchip einen ersten Kontaktbereich und einen zweiten Kontaktbereich ausbilden. Dabei können die Kontaktflächen auf der Unterseite des Laserbarrens, wie in 8A dargestellt, strukturiert ausgebildet sein. Alternativ kann die Kontaktfläche auf der Unterseite des Laserbarrens ganzflächig ausgebildet sein, wie in 8B dargestellt.
In 8C ist ein strukturierter Submount 2 dargestellt, auf dem Leiterbahnen 20 ausgebildet sind. Ferner sind in dem Submount 2 Aussparungen 22 ausgebildet. Der Submount ist zur Aufnahme einer Mehrzahl von Halbleiterlaserchips geeignet. Der Abstand A zwischen jeweils zwei Leiterbahnen 20 entspricht dem Abstand der Halbleiterlaserchips des Laserbarrens der 8A und B. Insbesondere sind zur elektrischen Kontaktierung der Halbleiterlaserchips auf dem Submount jeweils eine L-förmige Leiterbahn und eine rechteckförmige Leiterbahn vorgesehen. Die Aussparungen 22 in den Submounts sind derart angeordnet, dass darüber jeweils die Strahlungsauskoppelfacette des Halbleiterlaserchips angeordnet werden kann.
In den 9A bis 9C sind verschiedene Ausgestaltungen der Leiterbahnen auf dem Submount dargestellt. 9A zeigt streifenförmige Leiterbahnen, die mittels Durchkontaktierungen durch den Submount auf die Rückseite geführt sind. Alternativ kann der Submount ein Material aufweisen, das elektrisch leitfähig ist, sodass die elektrische Kontaktierung über den Submount erfolgt. Zur Verbesserung der Abstrahlcharakteristik sind in dem Submount Aussparungen 22 ausgebildet, über die die Strahlungsauskoppelfacetten der jeweiligen Halbleiterlaserchips angeordnet werden.
In 9B ist eine großflächige Leiterbahn auf dem Submount angeordnet. Bevorzugt ist der Submount aus einem leitfähigen Material. Alternativ können Durchbrüche durch den Submount ausgebildet sein, durch die Leiterbahnen zur Rückseite des Submounts geführt sind.
In 9C sind Leiterbahnen dargestellt, die zur Kontaktierung von Halbleiterlaserchips geeignet sind, die als Flipchip ausgebildet sind.
In den 10A bis 10D sind Ausführungsbeispiele dargestellt, bei denen der Laserbarren aus 8A oder 8B auf einem Submount der 9A bis 9C aufgebracht ist. Insbesondere werden die Laserbarren auf den Submount gelötet oder geklebt, wobei die Verbindung bevorzugt elektrisch leitfähig ist.
In 10B ist ein Laserbarren auf dem in 9C dargestellten Submount angeordnet, wobei der Laserbarren ein so genannter Flipchip-Laserbarren ist, also beide Kontaktbereiche auf der gleichen Seite des Barrens aufweist.
Wie in 10C und 10D dargestellt, wird der Laserbarren bevorzugt derart montiert, dass die Strahlungsauskoppelfacetten der jeweiligen Halbleiterlaserchips über jeweils einer Aussparung des Submounts zu liegen kommen.
Auf den Halbleiterlaservorrichtungen der Ausführungsbeispiele der 10A bis 10D wird anschließend eine Passivierungsschicht 13 angeordnet. Dabei kann der Verbund ganzflächig mit der Passivierungsschicht 13 überzogen werden, wie in 11A dargestellt. Dabei ist bevorzugt die Schichtdicke der Passivierungsschicht 13 so gewählt, dass diese keine Auswirkung auf die Reflektivität der Strahlungsauskoppelfacetten der Halbleiterlaserchips hat. Beispielsweise weist die Dicke ein Vielfaches von λ/2/n auf.
Alternativ können die Strahlungsauskoppelfacetten bei Aufbringen der Passivierungsschicht 13 mittels einer Lackmaske geschützt werden, so dass an den Strahlungsauskoppelfacetten keine Beschichtung mit Passivierungsschicht 13 stattfindet, wie in 11B gezeigt.
Die Passivierungsschicht 13 wird anschließend in vorgesehenen Bereichen der elektrischen Kontaktierung der Halbleiterchips geöffnet, wie in 12A dargestellt. Über diese Kontaktfenster in der Passivierungsschicht 13 werden anschließend, wie in 12B dargestellt, zweite Kontaktbereiche 12b angeordnet, beispielsweise mittels Aufdampfen oder einer Galvanik. Die zweiten Kontaktbereiche 12b werden dabei so geführt, dass zum Bonden vorgesehenen Bereiche der zweiten Kontaktbereiche 12b lateral neben dem Halbleiterlaserchip angeordnet sind.
In 12C ist im Unterschied zu dem in 12B dargestellten Ausführungsbeispiel ein Verbund gezeigt, bei dem beide elektrischen Kontaktbereiche der jeweiligen Halbleiterlaservorrichtung auf der Oberseite des Verbunds angeordnet sind. Die zum Bonden vorgesehenen Bereiche sind auch hier neben den jeweiligen Halbleiterlaserchips angeordnet.
Anschließend werden die Halbleiterlaservorrichtungen, wie in 12D dargestellt, mittels eines Lasertrenn-Prozesses vereinzelt. Insbesondere findet die Lasertrennung entlang der in 12D dargestellten gestrichelten Linie S statt.
Anschließend erhält man eine, wie in 12E dargestellte Halbleiterlaservorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt, sondern umfasst jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.

Claims

Halbleiterlaservorrichtung mit mindestens einem Halbleiterlaserchip (1), wobei der Halbleiterlaserchip (1) – eine aktive Schicht enthält, die elektromagnetische Strahlung emittiert, – eine laterale Ausdehnung (B) von höchstens 100 μm aufweist, und – auf einem Submount (2) angeordnet ist.
Halbleiterlaservorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Halbleiterlaserchip (1) eine laterale Ausdehnung (B) von höchstens 60 μm aufweist.
Halbleiterlaservorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Submount (2) zumindest eine Ausnehmung (21) aufweist, welche den Halbleiterlaserchip (1) zumindest teilweise aufnimmt.
Halbleiterlaservorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Halbleiterlaserchip (1) ein Dünnfilm-Halbleiterlaserchip ist.
Halbleiterlaservorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Submount (2) ein Halbleitermaterial, ein Metall oder eine Keramik aufweist.
Halbleiterlaservorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Strahlungsauskoppelfacette (14) des Halbleiterlaserchips (1) an einer Seitenfläche des Halbleiterlaserchips (1) angeordnet ist, die über einer Aussparung (22) des Submounts (2) angeordnet ist.
Halbleiterlaservorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine erste elektrische Kontaktierung des Halbleiterlaserchips über einen ersten Kontaktbereich (12a) gebildet ist, die zwischen Halbleiterlaserchip (1) und Submount (2) angeordnet ist.
Halbleiterlaservorrichtung nach Anspruch 7, wobei eine zweite elektrische Kontaktierung des Halbleiterlaserchips (1) über einen zweiten Kontaktbereich (12b) gebildet ist, die auf der von dem Submount (2) abgewandten Oberseite des Halbleiterchips (1) oder zwischen Halbleiterlaserchip (1) und Submount (2) angeordnet ist.
Halbleiterlaservorrichtung nach Anspruch 8, wobei – der Submount (2) zumindest eine Ausnehmung (21) aufweist, welche den Halbleiterlaserchip (1) zumindest teilweise aufnimmt, und – der zweite Kontaktbereich (12b) von der Oberseite des Halbleiterchips (1) zu einem Bereich einer Oberseite des Submounts (2) geführt ist, der außerhalb der Ausnehmung (21) angeordnet ist.
Halbleiterlaservorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, wobei die laterale Ausdehnung des zweiten Kontaktbereichs (12b) größer ist als die laterale Ausdehnung (B) des Halbleiterlaserchips (1).
Halbleiterlaservorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei eine Passivierungsschicht (13) bereichsweise auf dem Submount (2) und auf dem Halbleiterlaserchip (1) angeordnet ist, auf der der zweite Kontaktbereich (12b) geführt ist.
Halbleiterlaservorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zur elektrischen Kontaktierung des Halbleiterlaserchips (1) zumindest ein Durchbruch durch den Submount (2) geführt ist.
Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterlaservorrichtung mit einem Halbleiterlaserchip (1), der eine aktive Schicht enthält, die elektromagnetische Strahlung emittiert, und eine laterale Ausdehnung (B) von höchstens 100 μm aufweist, umfassend folgende Verfahrensschritte: – Befestigen des Halbleiterlaserchips (1) auf einem Submount (2), und – elektrisches Kontaktieren des Halbleiterlaserchips (1).
Verfahren gemäß Anspruch 13, wobei die Halbleiterlaservorrichtung auf einem externen Träger montiert wird.
Verfahren gemäß Anspruch 13 oder 14, wobei eine Mehrzahl von Halbleiterlaservorrichtungen in einem gemeinsamen Verfahren hergestellt werden.