DE102018129343A1

DE102018129343A1 - Verfahren zur herstellung von halbleiterlasern und halbleiterlaser

Info

Publication number: DE102018129343A1
Application number: DE102018129343.7A
Authority: DE
Inventors: Thomas Schwarz; Andreas Plössl; Jörg Erich Sorg; Frank Singer
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2018-11-21
Filing date: 2018-11-21
Publication date: 2020-05-28
Also published as: WO2020104232A1; US20210399518A1

Abstract

In einer Ausführungsform dient das Verfahren zur Herstellung von Halbleiterlasern (1) und beinhaltet die folgenden Schritte in der angegebenen Reihenfolge:A) Anbringen einer Vielzahl von kantenemittierenden Laserdioden (2) auf einem Montagesubstrat (3),B) Anbringen eines Verkapselungselements (4), sodass die Laserdioden (2) jeweils in einer Kavität (42) zwischen dem Montagesubstrat (3) und dem zugehörigen Verkapselungselement (4) angebracht werden,C) Betreiben der Laserdioden (2) und Bestimmen von Abstrahlrichtungen (22) der Laserdioden (2),D) Erzeugen von Materialschäden (45) in Teilgebieten (44) des Verkapselungselements (4), wobei die Teilgebiete (44) den Laserdioden (2) eindeutig zugeordnet sind,E) kollektives Entfernen von Material des Verkapselungselements (4), wobei dieses Material von den Materialschäden (45) betroffen ist, sodass für die Laserdioden (2) in den Teilgebieten (44) individuelle Optikflächen (5) zur Strahlformung entstehen, undF) Vereinzeln zu den Halbleiterlasern (1).

Description

Es wird ein Verfahren zur Herstellung von Halbleiterlasern angegeben. Darüber hinaus wird ein Halbleiterlaser angegeben.
Eine zu lösende Aufgabe liegt darin, ein Verfahren anzugeben, mit dem im Waferverbund oder im Panelverbund Halbleiterlaser effizient auf einem Montageträger anbringbar sind.
Diese Aufgabe wird unter anderem durch ein Verfahren und durch einen Halbleiterlaser mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Bei dem hier beschriebenen Verfahren erfolgt insbesondere eine Montage von Laserdioden im Scheibenverbund oder im Panelverbund, wobei nachfolgend individuell für die Laserdioden optische Elemente in einem Gehäuse, etwa aus Glas, eingebracht werden, sodass die optischen Elemente die von der betreffenden Laserdiode emittierte Laserstrahlung passend korrigieren und Montagetoleranzen ausgleichen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt des Anbringens einer Vielzahl von Laserdioden auf einem Montagesubstrat. Bei den Laserdioden handelt es sich bevorzugt um kantenemittierende Laserdioden. Die Laserdioden sind zur Erzeugung einer Laserstrahlung eingerichtet und weisen zumindest ein Halbleitermaterial auf. Beispielsweise basieren die Laserdioden auf den Halbleitermaterialien AlInGaN, AlInGaAs oder AlInGaP. Insbesondere sind die Laserdioden zur Erzeugung von sichtbarer Strahlung oder nahultravioletter Strahlung eingerichtet. Beispielsweise handelt es sich bei den Laserdioden um blaues Licht emittierende Komponenten auf Basis von AlInGaN.
Das Montagesubstrat wird bevorzugt als Wafer oder als Scheibe bereitgestellt. Damit erfolgt das Anbringen der Laserdioden im Waferverbund über das Montagesubstrat hinweg. Das Montagesubstrat ist in den fertigen Halbleiterlasern bevorzugt vorhanden und die mechanisch tragende und stabilisierende Komponente, also einen Träger, der fertigen Halbleiterlaser darstellen. Das Montagesubstrat verfügt bevorzugt über elektrische Strukturen wie elektrische Kontaktflächen, Durchkontaktierungen und/oder Leiterbahnen. Insbesondere sind die Laserdioden über das Montagesubstrat elektrisch kontaktiert und verschaltet. Das Montagesubstrat ist beispielsweise ein keramisches Substrat oder eine Leiterplatte wie eine Metallkernplatine. Weiterhin kann das Montagesubstrat aus einem Halbleitermaterial sein, etwa aus Silizium.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt des Anbringens mindestens eines Verkapselungselements. Es kann ein einziges Verkapselungselement für alle Laserdioden herangezogen werden oder Gruppen von Laserdioden werden von einem gemeinsamen Verkapselungselement überdeckt. Weiterhin können für die Laserdioden individuelle Verkapselungselemente verwendet werden, wobei eine eineindeutige Zuordnung zwischen den Verkapselungselementen und den Laserdioden bestehen kann.
Die Laserdioden befinden sich jeweils in einer Kavität zwischen dem Montagesubstrat und dem zugehörigen Verkapselungselement. Dabei ist das Montagesubstrat bevorzugt planar gestaltet und im Verkapselungselement sind Ausnehmungen geformt, die die Kavitäten definieren. Alternativ kann das Montagesubstrat entsprechende Ausnehmungen aufweisen und das Verkapselungselement ist planar gestaltet oder es befinden sich Ausnehmungen sowohl am Montagesubstrat und am Verkapselungselement, um die Kavitäten durch beide Komponenten zu definieren. Bevorzugt sind die Laserdioden nach dem Anbringen des Verkapselungselements gekapselt, insbesondere hermetisch gekapselt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Gehäuse aus dem Verkapselungselement und dem Montagesubstrat hermetisch dicht und die Laserdiode hermetisch gekapselt in dem Gehäuse untergebracht. Das heißt, zwischen einem Inneren und einem Äußeren des Gehäuses findet kein signifikanter Austausch von Stoffen wie Sauerstoff oder Wasserdampf statt. Hermetisch dicht bedeutet zum Beispiel, dass eine Leck-Rate höchstens 5 × 10^-9 Pa m/s beträgt, insbesondere bei Raumtemperatur.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt des Betreibens der Laserdioden und des Bestimmens von Abstrahlrichtungen der Laserdioden. Dadurch, dass das zumindest eine Verkapselungselement zuvor angebracht wurde, lassen sich die Laserdioden zumindest kurzzeitig betreiben, ohne dass Schäden an den Laserdioden durch Umwelteinflüsse resultieren. Damit lassen sich die Abstrahlrichtungen der Laserdioden durch den Betrieb der Laserdioden ermitteln. Das Bestimmen der Abstrahlrichtungen kann ein Messen einer Position der jeweiligen Laserdiode und/oder eine Charakterisierung eines Emissionsmusters an einer oder an mehreren Stellen entlang der Abstrahlrichtung oder entlang einer Emissionsrichtung einschließen. Das heißt, die Abstrahlrichtung kann auch mittelbar über die Messung anderer Größen der Laseremission der Laserdioden bestimmt werden. Besonders bevorzugt wird für jede Laserdiode die zugehörige Abstrahlrichtung individuell bestimmt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt des Erzeugens von Materialschäden in Teilgebieten des mindestens einen Verkapselungselements. Die Teilgebiete mit den Materialschäden sind für eine nachfolgende Materialentfernung vorgesehen. Die Teilgebiete sind den Laserdioden eindeutig, bevorzugt eineindeutig, zugeordnet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt des kollektiven Entfernens von Material des mindestens einen Verkapselungselements, das von den Materialschäden betroffen ist. Durch das Entfernen des vorgeschädigten Materials entstehen in den Teilgebieten Optikflächen. Die Optikflächen sind den Laserdioden individuell zugeordnet und dienen zur Strahlformung und/oder zur Strahlkorrektur der betreffenden Laseremission. Insbesondere sind durch die individuell den Laserdioden zugeordneten Optikflächen Ungenauigkeiten bei einer Platzierung der Laserdioden auf dem Montagesubstrat korrigiert.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform bildet die Optikfläche sowohl eine Umlenkoptik als auch eine Fokussieroptik. Eine weitere Fokussieroptik kann dann optional entfallen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt des Vereinzelns zu den Halbleiterlasern. Das Vereinzeln erfolgt beispielsweise mittels Sägen, Laserschneiden, Ritzen und Brechen oder auch mittels Ätzen.
Vom Vereinzeln ist zumindest das Montagesubstrat betroffen. Optional wird beim Vereinzeln auch das zumindest eine Verkapselungselement zerteilt.
In mindestens einer Ausführungsform dient das Verfahren zur Herstellung von Halbleiterlasern und beinhaltet die folgenden Schritte, bevorzugt in der angegebenen Reihenfolge:

A) Anbringen einer Vielzahl von kantenemittierenden Laserdioden auf einem Montagesubstrat,
B) Anbringen mindestens eines Verkapselungselements, sodass die Laserdioden jeweils in einer Kavität zwischen dem Montagesubstrat und dem zugehörigen Verkapselungselement angebracht werden,
C) Betreiben der Laserdioden und individuelles Bestimmen von Abstrahlrichtungen der Laserdioden,
D) Erzeugen von Materialschäden in Teilgebieten des mindestens einen Verkapselungselements, wobei die Teilgebiete den Laserdioden eindeutig zugeordnet sind,
E) kollektives Entfernen von Material des mindestens einen Verkapselungselements, wobei dieses Material von den Materialschäden betroffen ist, sodass für die Laserdioden in den Teilgebieten individuelle Optikflächen zur Strahlformung entstehen, und
F) Vereinzeln zu den Halbleiterlasern.

Halbleiterlaserdioden emittieren vorzugsweise zur Seite, also in der Ebene des Bauteils oder einer Halbleiterschichtenfolge, obwohl die Laserstrahlung üblicherweise nach oben, senkrecht zur Ebene der Halbleiterschichtenfolge, benötigt wird. Bei einem Hausen der Halbleiterlaserdioden wird deshalb oftmals eine Umlenkoptik passend positioniert, welche die Laserstrahlung umlenkt. Halbleiterlaserdiode, Umlenkoptik und Fokussieroptik sind präzise zueinander zu justieren. Dies macht Lasergehäuse, über die Dichtigkeitsanforderungen hinaus, zu einem aufwändigen Produkt, das sich üblicher Massenfertigungspraxis entzieht. Wird ein Halbleiterlaser mit Seitenemission gewünscht, entfällt zwar für die Laserdiode bei Kantenemittern der Umlenkspiegel, die Justageanforderungen von Laseremission zu Austrittsfenster verbleiben jedoch.
Mit dem hier beschriebenen Verfahren ist erreichbar, dass die Laserdioden mit der relativ geringen Genauigkeit aus der LED-Montage, also ohne aktive Justage beim Setzen der Laserdiode oder dem gegebenenfalls benötigten Umlenkspiegel, auf Waferebene oder Panelebene positioniert werden können, wobei oberflächenmontierbare Gehäuse herangezogen werden können. Dies wird insbesondere durch das Anfertigen individueller Optiken nach dem Platzieren der Laserdioden ermöglicht.
Demgegenüber erfordert die üblich herangezogene genaue Platzierung und Justage von Laserdioden sowie Optiken beim Hausen spezielle Präzisionsmaschinen. Oft muss dazu die Laserdiode betrieben werden. Die Maschinen zur Präzisionsmontage sind teuer und arbeiten langsam. Oftmals werden vergleichsweise alte Gehäusebauformen wie TO-Gehäuse verwendet, die sich nur mit Durchsteckmontage verarbeiten lassen. Durch das nachträgliche, individuelle Anbringen und Erzeugen der Optikflächen bei dem hier beschriebenen Verfahren ist zwar ein zusätzlicher Arbeitsschritt erforderlich, jedoch wird die aufwändige und teure Platzierung der Laserdioden mit hoher Präzision umgangen.
Somit werden bei dem hier beschriebenen Verfahren die Anforderungen an die Präzision beim Setzen der Laserdioden verringert, sodass einfachere und schnellere Maschinen genutzt werden können und die Prozesse rascher und damit kosteneffizienter ausgeführt werden können. Der Ort im Gehäuse, an dem die Laserdiode sitzt, schwankt über das noch nicht vereinzelte Montagesubstrat hinweg relativ stark. Ferner wird das Gehäuse mit der bevorzugt zumindest teilweise subtraktiv hergestellten und individuellen Optik versehen, deren Formung oder Position von Halbleiterlaser zu Halbleiterlaser anpassbar sind. In einem Ensemble von Halbleiterlasern resultiert also eine vergleichsweise breite Verteilung hinsichtlich der Positionen der Laserdioden und hinsichtlich der Gestaltung der Optikflächen.
Optische Messungen und Laserbelichtungen lassen sich sehr schnell ausführen, sodass eine serielle Bearbeitung für jedes Bauteil auf einem Panel wirtschaftlich ausgeführt werden kann. Die langsamen chemischen Prozesse insbesondere beim Ätzen zum Erzeugen der Optikflächen werden für alle Bauteile bevorzugt gleichzeitig durchgeführt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform dienen die Optikflächen für eine Umlenkung der Abstrahlrichtung von parallel oder näherungsweise parallel zu einer Montageseite des Montagesubstrats in eine Richtung senkrecht oder näherungsweise senkrecht zur Montageseite. Näherungsweise bedeutet insbesondere eine Winkeltoleranz von höchstens 10° oder 5° oder 2°. Das heißt, über die Optikfläche kann eine Änderung der Abstrahlrichtung von näherungsweise 90° erzielt werden. Zusätzlich zu einer Richtungsänderung erfolgt über die Optikfläche bevorzugt auch eine Korrektur einer Divergenz einer Laseremission der zugehörigen Laserdiode. Die Notwendigkeit einer Divergenzkorrektur kann sich aus Variationen im Abstand der Laserdiode zur Optikfläche ergeben.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das mindestens eine Verkapselungselement aus einem für die Laseremission durchlässigen Material, bevorzugt aus einem transparenten Material. Beispielsweise ist das Verkapselungselement oder sind die Verkapselungselemente aus einem Glas, aus Quarz oder aus Saphir.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform überdeckt das der betreffenden Laserdiode zugeordnete Verkapselungselement die Laserdiode vollständig. Die Optikflächen liegen in Draufsicht auf die Montageseite gesehen je neben der zugeordneten Laserdiode. Insbesondere sind die Optikflächen und die zugehörigen Laserdioden in Draufsicht gesehen voneinander beabstandet angeordnet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform werden die Materialschäden im Schritt D) mittels einer gepulsten Laserstrahlung erzeugt. Die Erzeugung der Materialschäden erfolgt beispielsweise über sogenanntes Stealth Dicing, wobei eine Laserstrahlung an bestimmte Stellen innerhalb des Materials fokussiert wird und dort aufgrund hoher Leistungsdichten der Laserstrahlung die Materialschäden resultieren. Das Verkapselungselement ist für die Laserstrahlung im Schritt D) bevorzugt transparent. Die Materialschäden werden insbesondere nicht durch Absorption, sondern vor allem aufgrund der lokalen, hohen Leistungsdichten erzeugt. Eine Impulsdauer der Laserstrahlung zum Erzeugen der Materialschäden liegt bevorzugt bei höchstens 10 ns oder 1 ns oder 100 ps oder 10 ps.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das kollektive Entfernen im Schritt E) ein Ätzen, bevorzugt ein nasschemisches Ätzen. Ein nasschemisches Ätzen wird insbesondere dadurch ermöglicht, dass die Laserdioden im Schritt E) vor einer Ätzflüssigkeit durch weitere Komponenten geschützt sind.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die Optikflächen mindestens eine Krümmung auf. Die Optikflächen sind somit zumindest stellenweise keine ebenen, planen Flächen. Beispielsweise sind die Optikflächen paraboloid geformt und können gekrümmte 90°-Umlenkflächen bilden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird die gepulste Laserstrahlung zum Erzeugen der Materialschäden im Schritt D) durch eine Öffnung im Montagesubstrat durch das Montagesubstrat hindurch in das Material des mindestens einen Verkapselungselements eingestrahlt. Hierdurch sind Optikflächen erreichbar, die eine Umlenkung der Laseremission aus einer Ebene parallel zur Montageseite heraus durch das Montagesubstrat hindurch erreichen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform erfolgt in einem Schritt E1) zwischen den Schritten E) und F) das Aufbringen einer Spiegelschicht auf die Optikflächen. Damit können die Optikflächen reflektierend wirken. Bei der Spiegelschicht handelt es sich um eine Metallschicht, wie eine Aluminiumschicht oder um eine Silberschicht. Alternativ kann die Spiegelschicht auch durch einen Bragg-Spiegel mit mehreren Schichtpaaren realisiert werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird die Spiegelschicht mit Hilfe einer temporären Maskenschicht strukturiert erzeugt. Dabei kann die Maskenschicht Bereiche bedecken, auf denen die Spiegelschicht später nicht verbleiben soll.
Alternativ kann die Maskenschicht nach dem Erzeugen der Spiegelschicht Bereiche bedecken, die im Halbleiterlaser verbleiben sollen, sodass übrige Gebiete der Spiegelschicht etwa über Ätzen entfernt werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wirken die Optikflächen refraktiv. Das heißt, die Optikflächen können Linsen sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform werden die Optikflächen in den Schritten D) und E) an einer Außenfläche einer Außenwand der zugeordneten Kavität erzeugt. Dies gilt insbesondere, wenn durch die Optikflächen die Abstrahlrichtung nur korrigiert wird, aber keine größere Richtungsänderung erfolgt. Das heißt, nach Durchlaufen der Optikflächen verläuft die Laseremission in diesem Fall immer noch beispielsweise parallel oder näherungsweise parallel zur Montageseite.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform befindet sich zumindest im Schritt C) an einer Außenfläche einer Außenwand der Kavitäten je eine Ausnehmung in dem mindestens einen Verkapselungselement. Diese Ausnehmung kann sich mittelbar oder unmittelbar an der Außenwand befinden. Es ist möglich, dass eine weitere Ausnehmung zwischen dieser Ausnehmung und der Außenwand liegt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird im Schritt C) zur Bestimmung der jeweiligen Abstrahlrichtung ein Testspiegel in die Ausnehmung geführt. Der Testspiegel wird beispielsweise mittels eines Roboterarms platziert. Der Testspiegel befindet sich lediglich zeitweilig in der betreffenden Ausnehmung und kann sequentiell über die Ausnehmungen an den verschiedenen Laserdioden hinweg geführt werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform befindet sich die Ausnehmung zwischen der Außenfläche und der späteren, zugehörigen Optikfläche. Alternativ ist es möglich, dass sich die spätere Optikfläche, die erst nachfolgend erzeugt wird, zwischen der Ausnehmung und der zugehörigen Außenfläche befindet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das mindestens eine Verkapselungselement zumindest im Schritt C) eine Vielzahl von Reflexionsbereichen auf. An den Reflexionsbereichen erfolgt bevorzugt eine Umlenkung der jeweiligen Abstrahlrichtung von parallel zu senkrecht zum Montageträger oder zumindest von näherungsweise parallel zu näherungsweise senkrecht zum Montageträger.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Reflexionsbereiche durch spekular reflektierende äußere Grenzflächen des Verkapselungselements gebildet. Alternativ oder zusätzlich sind die Reflexionsbereiche durch diffus reflektierende, innerhalb des mindestens einen Verkapselungselements liegende Streuzentren gebildet. Weiterhin ist es möglich, dass außenliegende diffus reflektierende Strukturen oder innenliegende spekular reflektierende Strukturen verwendet werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform erfolgt im Schritt C) die Bestimmung der jeweiligen Abstrahlrichtung mittels der Reflexionsbereiche. Mit anderen Worten stellen die Reflexionsbereiche eine Alternative zu einem Testspiegel dar.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform werden die zugehörigen Optikflächen in den Schritten B) und E) jeweils zwischen dem betreffenden Reflexionsbereich und der betreffenden Laserdiode erzeugt. Das heißt, in den fertigen Halbleiterlasern sind die Reflexionsbereiche bevorzugt ohne Funktion.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist im Schritt C) ein Abstand zwischen den Reflexionsbereichen und der jeweils zugeordneten Laserdiode vergleichsweise groß. Zum Beispiel liegt dieser Abstand bei mindestens 0,5 mm oder 1 mm oder 1,5 mm. Durch einen solchen vergleichsweise großen Abstand ist eine erhöhte Präzision bei der Bestimmung der Abstrahlrichtungen erzielbar.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform werden die Reflexionsbereiche im Schritt F) entfernt. Alternativ können die Reflexionsbereiche schon vor dem Schritt F) entfernt werden oder noch in den fertigen Halbleiterbauteilen vorhanden sein, sodass die Reflexionsbereiche dann gar nicht entfernt werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform werden die Laserdioden in einem Schritt A1) zwischen den Schritten A) und B) je mit einem Verguss umhüllt. Bei dem Verguss handelt es sich beispielsweise um ein Epoxidharz oder um ein Silikon.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform werden im Schritt B) die Kavitäten von dem Verguss teilweise oder vollständig ausgefüllt. Insbesondere erstreckt sich der Verguss innerhalb der Kavitäten vollständig entlang eines Lichtpfads der Laseremission der Laserdioden. Die Laserdioden sind von dem jeweils zugehörigen Verguss bevorzugt vollständig umschlossen und umhüllt, sodass die Laserdioden aufgrund des Vergusses flüssigkeitsfest verkapselt sein können.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird der Verguss vor oder auch nach dem Schritt F) vollständig oder teilweise entfernt. Bevorzugt erfolgt das Entfernen des Vergusses zwischen den Schritten E) und F).
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird im Schritt B) das mindestens eine Verkapselungselement mittels des Vergusses an dem Montagesubstrat befestigt. Der Verguss kann somit als Kleber zwischen dem Verkapselungselement und dem Montagesubstrat dienen. Insbesondere erstreckt sich der Verguss flächig zwischen das Montagesubstrat und das mindestens eine Verkapselungselement.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird der Verguss vor dem Schritt F) vollständig entfernt, sodass wenigstens stellenweise ein Spalt zwischen dem mindestens einen Verkapselungselement und dem Montagesubstrat entsteht. Der Spalt kann gasgefüllt oder evakuiert sein. Ein solches Entfernen kann auch für einen Klebstoff gelten, mit dem die Laserdioden auf dem Montagesubstrat befestigt sind, insbesondere temporär befestigt sind.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform erstreckt sich durch das mindestens eine Verkapselungselement hindurch und mindestens bis zum Montagesubstrat eine oder mehrere metallische Durchkontaktierungen. Die mindestens eine metallische Durchkontaktierung kann vollständig durch das Montagesubstrat hindurch laufen. Das heißt, die Durchkontaktierung kann von einer dem Verkapselungselement abgewandten Seite des Montagesubstrats bis zu einer dem Montagesubstrat abgewandten Seite des Verkapselungselements reichen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umläuft die metallische Durchkontaktierung in Draufsicht auf die Montageseite gesehen die zugehörige Laserdiode samt Optikfläche vollständig und ringsum. Durch diese Durchkontaktierung ist damit ein Metallrahmen gebildet, der zwischen dem Montagesubstrat und dem mindestens einen Verkapselungselement eine Abdichtung bewirkt. Außerdem kann durch einen solchen Metallrahmen das Verkapselungselement an dem Montagesubstrat gehalten werden, nachdem der Verguss entfernt wurde.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist durch das mindestens eine Verkapselungselement um die Laserdioden herum und um die jeweils zugehörige Optikfläche herum in Draufsicht auf die Montageseite gesehen ein durchgehender Rahmen gebildet. Dieser Rahmen weist bevorzugt eine Höhe auf, die größer ist als eine maximale Höhe der Optikflächen. Das heißt, der aus dem Verkapselungselement gebildete Rahmen überragt bevorzugt ringsum die aus dem Verkapselungselement gefertigten Optikflächen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird genau ein Verkapselungselement verwendet. Das Verkapselungselement erstreckt sich bis zum Schritt F) zusammenhängend über alle Laserdioden. Alternativ können für die Laserdioden einzelne Verkapselungselemente verwendet werden, die in keinem der Verfahrensschritte zusammenhängend gestaltet sind.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform werden die Laserdioden im Schritt A) bestimmungsgemäß in einem regelmäßigen Raster auf dem Montagesubstrat aufgebracht. Dabei ist eine Standardabweichung zwischen einer tatsächlichen Position der Laserdioden zu Rasterpunkten des Rasters über das Montagesubstrat hinweg relativ groß. Mit anderen Worten sind die Laserdioden vergleichsweise unpräzise auf den Rasterpunkten des Montagesubstrats aufgebracht.
Die Standardabweichung liegt beispielsweise bei mindestens 5 µm. oder 10 µm oder 20 µm und/oder bei höchstens 100 µm oder 50 µm oder 25 µm. Demgegenüber liegt bei herkömmlichen Platzierungsprozessen für Laserdioden, die mit einer hohen Präzision durchgeführt werden, die Standardabweichung bei unter 5 µm oder 2 µm. Somit sind über das Montagesubstrat hinweg erheblich größere Platzierungstoleranzen und damit ein kosteneffizienteres Aufbringen der Laserdioden ermöglicht.
Darüber hinaus wird ein Halbleiterlaser angegeben. Der Halbleiterlaser wird mit einem Verfahren hergestellt, wie in Verbindung mit einer oder mehrerer der oben genannten Ausführungsformen beschrieben. Merkmale des Halbleiterlasers sind daher auch für das Verfahren offenbart und umgekehrt.
In mindestens einer Ausführungsform umfasst der Halbleiterlaser das Montagesubstrat und eine oder mehrere der Laserdioden, die auf dem Montagesubstrat montiert sind. Weiterhin umfasst der Halbleiterlaser das für eine Laseremission der Laserdiode durchlässige Verkapselungselement. Die Laserdiode ist in der Kavität zwischen dem Montagesubstrat und dem Verkapselungselement angebracht. Das Verkapselungselement weist eine der Optikflächen zur Strahlformung der Laseremission aus der zugeordneten Laserdiode auf. Die Optikfläche ist für eine Umlenkung der Laseremission von parallel zu senkrecht zur Montageseite des Montagesubstrats eingerichtet. Zwischen einer Außenwand der Kavität und der Optikfläche befindet sich entlang der Abstrahlrichtung der Laseremission eine Ausnehmung in dem Verkapselungselement. Die Laseremission durchläuft hin zur Optikfläche im Betrieb des Halbleiterlasers sowohl die Außenwand der Kavität als auch die Ausnehmung an der Außenwand.
Nachfolgend werden ein hier beschriebenes Verfahren und ein hier beschriebener Halbleiterlaser unter Bezugnahme auf die Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen geben dabei gleiche Elemente in den einzelnen Figuren an. Es sind dabei jedoch keine maßstäblichen Bezüge dargestellt, vielmehr können einzelne Elemente zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
Es zeigen:

1 bis 6 schematische Schnittdarstellungen von Verfahrensschritten eines Ausführungsbeispiels eines hier beschriebenen Verfahrens,
7, 9, 11 und 13 jeweils schematische Schnittdarstellungen von Verfahrensschritten eines Ausführungsbeispiels eines hier beschriebenen Verfahrens,
8, 10, 12 und 14 schematische Draufsichten von Verfahrensschritten eines Ausführungsbeispiels eines hier beschriebenen Verfahrens,
15 eine schematische Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines hier beschriebenen Verfahrens,
16 eine schematische Draufsicht auf einen Verfahrensschritt eines Ausführungsbeispiels eines hier beschriebenen Verfahrens,
17 bis 20 schematische Schnittdarstellungen von Verfahrensschritten eines hier beschriebenen Verfahrens,
21 eine schematische Draufsicht auf einen Verfahrensschritt eines hier beschriebenen Verfahrens,
22 bis 24 schematische Schnittdarstellungen von Verfahrensschritten eines hier beschriebenen Verfahrens,
25 und 26 schematische Schnittdarstellungen von Ausführungsbeispielen von hier beschriebenen Halbleiterlasern, und
27 bis 29 schematische Draufsichten auf Verfahrensschritte eines hier beschriebenen Verfahrens.

In den 1 bis 14 ist ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Herstellung von Halbleiterlasern 1 gezeigt. Gemäß 1 wird ein Montagesubstrat 3 mit einer beispielsweise ebenen Montageseite 30 bereitgestellt. Das Montagesubstrat 3 verfügt bevorzugt über nicht gezeichnete elektrische Kontaktflächen, Durchkontaktierungen und/oder Leiterbahnen. Das Montagesubstrat 3 ist beispielsweise ein Siliziumträger, ein Keramikträger oder eine Leiterplatte wie eine Metallkernplatine.
Auf der Montageseite 30 ist eine Vielzahl von kantenemittierenden Laserdioden 2 angebracht, bevorzugt in einer zweidimensionalen regelmäßigen Anordnung. Die Laserdioden 2 können optional jeweils auf einem Sockel 23, auch als Submount bezeichnet, angebracht sein. Eine elektrische Kontaktierung der Laserdioden 2 erfolgt beispielsweise über Bonddrähte 24. Eine Emission von Laserstrahlung aus den Laserdioden 2 erfolgt bevorzugt in Richtung parallel oder näherungsweise parallel zur Montageseite 30, insbesondere in einem Gebiet, in dem die Laserdioden 2 seitlich über die Sockel 23 überstehen.
Eine Verkapselung der Laserdioden 2 erfolgt über Verkapselungselemente 4. Die Verkapselungselemente 4 weisen jeweils eine Kavität 42 auf, in der sich die zugehörige Laserdiode 2 befindet. Die Kavität 42 ist von Außenwänden mit Außenflächen 47 umgeben. An den Außenflächen 47 und bevorzugt auch an Innenseiten der Kavitäten 42 befinden sich Antireflexbeschichtungen 53. Solche Antireflexbeschichtungen 53 können auch in allen anderen Ausführungsbeispielen vorhanden sein.
Die Verkapselungselemente 4 sind bevorzugt an das Montagesubstrat 3 angelötet. Alternativ kann eine Anbindung über Glaslote oder Glasfritten oder auch über anodisches Bonden erfolgen. Somit sind die Laserdioden 2 in den Kavitäten 42 zwischen dem Montagesubstrat 3 und den Verkapselungselementen 4 hermetisch abgedichtet. Die Verkapselungselemente 4 sind beispielsweise aus einem Glas, aus Quarz oder aus Saphir.
Die Laserdioden 2 werden gemäß 1 mit vergleichsweise großen lateralen Toleranzen auf der Montageseite 30 angebracht. Um die Montagetoleranzen nachfolgend auszugleichen, erfolgt im Schritt der 2 eine Bestimmung einer Abstrahlrichtung 22 der Laserdioden 2. Die Abstrahlrichtungen 22 werden für die Laserdioden 2 bevorzugt individuell und nacheinander bestimmt. Dies kann dadurch erfolgen, dass in eine Ausnehmung 48 der Verkapselungselemente 4 oder in einen entsprechenden Abstand zweier aufeinanderfolgender Verkapselungselemente 4 ein Testspiegel 62 eingebracht wird, beispielsweise mittels eines Arms 66, der ein Roboterarm sein kann.
Über den Testspiegel 62 wird eine Laseremission L, wie von der betreffenden Laserdiode 2 erzeugt, in Richtung hin zu einem Sensor 65 reflektiert. Bei dem Sensor 65 handelt es sich beispielsweise um ein CCD-Feld. Der Sensor 65 wird bevorzugt in zumindest zwei Positionen in Richtung senkrecht zur Montageseite 30 bewegt, sodass über die an den verschiedenen Positionen aufgenommene Strahlprofile die Abstrahlrichtung 22 eindeutig feststellbar ist. Weiterhin ist es möglich, dass zwei feststehende Sensoren, zum Beispiel CCD-Felder, in Kombination mit einem Strahlteiler verwendet werden. Der Testspiegel 62 kann beim Vermessen der Emissionscharakteristik auf der Montageseite 30 aufsetzen oder auch nicht aufsetzen.
In 3 ist eine Alternative zum Schritt der 2 illustriert. Das Verkapselungselement 4 weist mehrere Ausnehmungen 48a, 48b auf. Die Ausnehmung 48a befindet sich direkt an der Außenfläche 47, durch die hindurch die Laseremission L emittiert wird. Die Ausnehmung 48b befindet sich relativ weit von der Außenfläche 47 entfernt. Zwischen den Ausnehmungen 48a, 48b befindet sich ein Block des betreffenden Verkapselungselements 4, der von der Laseremission L durchstrahlt wird und der für die spätere Optikfläche 5 vorgesehen ist.
In die weiter entfernt liegende Ausnehmung 48b wird der Testspiegel 62 platziert, um über den Sensor 65 das Strahlprofil der Laseremission L aufzunehmen. Außerdem ist über eine Kamera 64 eine Position der zugehörigen Laserdiode 2 bestimmbar, wodurch die Abstrahlrichtung 22 eindeutig bestimmbar ist.
In 4 ist als Alternative zu den 2 oder 3 dargestellt, dass eine Abrasterung der Laseremission L zum Beispiel über eine optische Faser 67 erfolgt. Mit der optischen Faser 67 ist bevorzugt eine Ortsauflösung innerhalb eines Emissionsfeldes der Laseremission L erzielbar.
In 5 ist als weitere Alternative illustriert, dass in dem Verkapselungselement 4 ein Reflexionsbereich 63 erzeugt ist. Der Reflexionsbereich 63 kann durch Streuzentren gebildet sein, die beispielsweise über Laserstrahlung generiert sind. An dem Reflexionsbereich 63, der schräg zur Montageseite 30 verlaufen kann, erfolgt eine Streuung der Laseremission. Die gestreute Laseremission kann über die Kamera 64 und/oder über den Sensor 65 detektiert werden, wodurch die Abstrahlrichtung 22 bestimmbar ist.
Bei der weiteren Alternative zu den 2 bis 5 der 6 erfolgt eine Bestimmung der Abstrahlrichtung 22 durch Reflexion der Laseremission L an dem Reflexionsbereich 63, der durch eine schräge Seitenfläche des darauffolgenden Verkapselungselements 4 gebildet ist. Der Reflexionsbereich 63 begrenzt bevorzugt die Ausnehmung 48 an der Außenfläche 47.
Zwischen der Außenfläche 47 und der Laserdiode 2 weist das Verkapselungselement 4 eine vergleichsweise große Dicke auf. Durch den damit einhergehenden großen Abstand zwischen dem Reflexionsbereich 63 und der Laserdiode 2 ist eine präzise Ausmessung der Abstrahlrichtung 22 ermöglicht.
In den folgenden Figuren wird illustriert, wie eine Optikfläche 5 zur definierten Abstrahlung der Laseremission L erzeugt wird. Gemäß 7 werden mittels einer gepulsten Laserstrahlung 46 in einem Teilgebiet 44 des zugehörigen Verkapselungselements 4 jeweils Materialschäden 45 erzeugt. Dies erfolgt beispielsweise über sogenanntes Stealth Dicing. Eine Kontur der Materialschäden 45 innerhalb des Verkapselungselements 4 ist durch die vorangehende Analyse der Abstrahlrichtung 22 und/oder des Abstrahlprofils gegeben. Es wird also eine Optikfläche 5 derart erzeugt, sodass die gewünschte Abstrahlcharakteristik resultiert, trotz vergleichsweise großer Montagetoleranzen der Laserdioden 2 an dem Montagesubstrat 3.
Optional werden Teilgebiete des Verkapselungselements 4 von einer Maskenschicht 61 abgedeckt. Bei der Maskenschicht 61 handelt es sich beispielsweise um einen Fotolack.
In 8 ist die zum Schritt der 7 zugehörige Draufsicht zu sehen. Die Laserdioden 2 sind dabei zur Vereinfachung der Darstellung nicht gezeichnet.
Im Verfahrensschritt, wie in den 9 und 10 gezeigt, wird die Optikfläche 5 erzeugt. Dies erfolgt bevorzugt durch nasschemisches Ätzen der vorangehend erzeugten Materialschäden 45.
Das Erzeugen der Materialschäden 45 mit der gepulsten Laserstrahlung 46 erfolgt individuell für jede der Laserdioden 2. Das Ätzen, um das geschädigte Material zu entfernen und um die Optikfläche 5 letztlich zu bilden, erfolgt bevorzugt für alle Laserdioden 2 in einem gemeinsamen Ätzschritt.
Der 10 kann optional ein nicht gezeichneter Verfahrensschritt nachfolgen, in dem die Optikfläche 5 geglättet wird. Dies geschieht beispielsweise über ein lokales Aufheizen des Verkapselungselements 4, beispielsweise über nahinfrarote Laserstrahlung oder über Tempern in einem Ofen. Weiterhin ist ein Laserpolieren möglich.
Im Schritt der 11 und 12 wird auf die Optikfläche 5 des Verkapselungselements 4 zumindest eine Spiegelschicht 52 aufgebracht. Bei der Spiegelschicht 52 handelt es sich beispielsweise um einen metallischen Spiegel, etwa aus Aluminium oder Silber. Für diesen metallischen Spiegel kann eine nicht gezeichnete Schutzschicht vorhanden sein. Die Spiegelschicht 52 kann ganzflächig aufgebracht werden.
Im Schritt der 13 und 14 ist zu sehen, dass die Spiegelschicht 52 aus allen Bereichen entfernt ist, die zuvor mit der Maskenschicht 61 versehen wurden. Damit bleibt die Spiegelschicht 62 im Wesentlichen nur noch im Bereich der Optikflächen 5 übrig.
Außerdem ist in den 13 und 14 gezeigt, dass eine Vereinzelung entlang von Vereinzelungslinien 32 erfolgt.
Durch das Vereinzeln resultieren die Halbleiterlaser 1. Es können Vereinzelungsgassen entlang der Vereinzelungslinien 32 vorliegen, sodass die Vereinzelungslinien 32 frei oder im Wesentlichen frei von einem Material der Verkapselungselemente 4 sein können.
Aus 14 ist zu erkennen, dass die Bereiche der Verkapselungselemente 4, die die Kavitäten 42 aufweisen, sowie in denen die Optikflächen 5 gezeigt sind, von einem durchgehenden Rahmen 51 aus Material des betreffenden Verkapselungselements 4 umgeben sind.
Zur Reduzierung eines Ätzaufwandes ist es auch möglich, dass das Verkapselungselement 4 im Bereich der späteren Optikflächen bereits vorstrukturiert ist, beispielsweise eine schräge Fläche oder Flächen aufweist, die näherungsweise der späteren Optikfläche entsprechen. Hierdurch lässt sich ein Ätzaufwand beim Formen der Optikflächen reduzieren. Weiterhin ist es möglich, das Verkapselungselement mehrteilig, beispielsweise zweiteilig, aufzubauen. Dabei kann eine gitterartig durchbrochene Mittenplatte vorhanden sein, die zwischen dem Montagesubstrat und einer Deckplatte sitzt.
Mittels einer Aussparung in dem Montagesubstrat oder in einer zusätzlichen Montageplatte kann für den Ätzschritt beim Herstellen der Optikflächen das Ätzmittel in Trennstraßenkavitäten der Mittenplatte gelassen werden. Eine Öffnung in der Deckplatte könnte hierzu ebenso verwendet werden. Beim Vereinzeln werden die Trennstraßenkavitäten geteilt, sodass durch eine Kavitätenwandung ein Lichtaustrittsfenster eines Seitenemitterbauteils gebildet werden kann, vergleiche auch 25.
Bei dem hier beschriebenen Verfahren wird also die Optikfläche beispielsweise mittels Laser Induced Deep Etching, kurz LIDE, oder In-Volume Selective Laser Etching, kurz ISLE, an die tatsächliche Position der Laserdiode 2 nach deren Montage angepasst. Hierzu modifiziert ein Laserstrahl 46 Bauteil für Bauteil lokal die Ätzbarkeit des Verkapselungselements 4, sodass nach dem Entfernen der modifizierten Bereiche die gewünschte Optikfläche zurückbleibt. Das Ätzen zum Entfernen der bestrahlten Stellen erfolgt kollektiv für alle Bauteile des Montagesubstrats.
In den 15 und 16 ist ein Verfahrensschritt eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Verfahrens gezeigt. Die 15 und 16 entsprechen dabei im Wesentlichen den 13 und 14. Jedoch erfolgt eine Bearbeitung der Optikfläche 5 durch das Montagesubstrat 3 hindurch. Hierzu weist das Montagesubstrat 3 im Bereich der Optikfläche 5 je eine Öffnung 34 auf, die das Montagesubstrat 3 vollständig durchdringt. Damit ist das Teilgebiet 44 mit den Materialschäden und mit der fertigen Optikfläche 5 sowie bevorzugt mit der Spiegelschicht 52 von einer den Laserdioden 2 abgewandten Rückseite des Montagesubstrats 3 her zugänglich.
Das Verkapselungselement 4 kann einstückig gestaltet sein und sich zusammenhängend über alle Laserdioden 2 hinweg erstrecken. Dazu können im Bereich der Vereinzelungslinien 32 weitere Ausnehmungen 48b vorhanden sein. Es ist möglich, dass die Ausnehmungen 48b an der Montageseite 30 liegen und vom Material des Verkapselungselements 4 überdeckt sind. Damit kann an einer dem Montagesubstrat 3 abgewandten Seite des Verkapselungselements 4 eine durchgehende, ebene Fläche gebildet sein. Im Übrigen gelten die Ausführungen zu den 1 bis 14 entsprechend für die 15 und 16.
Die Reflexionsbereiche 63 insbesondere der 6 können sich an den Vereinzelungslinien 32 befinden. Damit können die Reflexionsbereiche 33 mit dem Vereinzeln aus den Bauteilen entfernt werden, sodass die Reflexionsbereiche 63 in den fertigen Halbleiterlasern 1 nicht mehr vorhanden sind. Bezüglich 5 ist es möglich, dass die Reflexionsbereiche 63 oberhalb der späteren Optikfläche 5 liegen und somit durch das Erzeugen der Optikfläche 5 entfernt werden.
In den 17 bis 24 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des Herstellungsverfahrens gezeigt. Gemäß 17 werden die Laserdioden 2 samt den optionalen Sockeln 23 an der Montageseite 30 über einen Kleber 36 befestigt. Bei dem Kleber 36 handelt es sich beispielsweise um einen Epoxidkleber.
Im Schritt der 18 ist gezeigt, dass ein Verguss 7 erstellt wird. Das bevorzugt zusammenhängende Verkapselungselement 4 wird derart aufgedrückt, sodass die Kavitäten 42 insbesondere vollständig von einem Material des Vergusses 7 ausgefüllt werden und sodass das Verkapselungselement 4 über den Verguss 7 an das Montagesubstrat 3 geklebt ist.
Der Verguss 7 ist bevorzugt aus einem Epoxid oder aus einem Silikon. Es ist möglich, dass dem Material für den Verguss 7 ein Füllstoff wie Kugeln aus einem Oxid beigegeben ist. Eine dem Montagesubstrat 3 abgewandte Oberseite des Verkapselungselements 4 ist bevorzugt eben, genauso wie die Montageseite 30.
In 19 ist illustriert, dass durch das Montagesubstrat 3 und den Kleber 36 einerseits sowie durch das Verkapselungselement 4 sowie den Verguss 7 andererseits jeweils mehrere Durchbrüche 71 hindurch erstellt werden. Im Bereich der Laserdiode 2 reichen die Durchbrüche 71 bis an die Laserdiode 2 heran. In einem Bereich zwischen benachbarten Laserdioden 2 an dem Montagesubstrat 3 reichen die Durchbrüche 71 bevorzugt vollständig durch die Anordnung hindurch.
Es ist möglich, dass die Durchbrüche 71 mittels Laserstrahlung erzeugt werden. Dabei kann pro zu bearbeitendem Material eine bestimmte Laserstrahlung verwendet werden. Beispielsweise wird das Verkapselungselement 4 mit einer anderen Laserstrahlung bearbeitet als der Verguss 7.
Gemäß dem Schritt der 20 werden die Durchbrüche 71 verfüllt, sodass elektrische Durchkontaktierungen 74 und Metallrahmen 75 erzeugt werden. Dieses Metallisieren erfolgt beispielsweise zuerst über Sputtern, wodurch eine dünne metallische Wachstumsschicht gebildet wird, und nachfolgend durch Galvanisieren aufbauend auf der Wachstumsschicht. Die metallischen Strukturen 72, 74, 75 sind beispielsweise aus Kupfer.
Über die Durchkontaktierungen 74 im Bereich der Laserdiode 2 wird ein elektrisches Anschließen der Laserdiode 2 ermöglicht. Dazu können auch Kontaktflächen 72 aus einem oder aus mehreren Metallen erzeugt sein. Die Kontaktflächen 72 können lötfähige Schichten sein.
In 21 ist zudem illustriert, dass die Metallrahmen 75, die sich vollständig durch die Anordnung hindurch erstrecken, als geschlossener Rahmen bevorzugt nahe an den Vereinzelungslinien 32 vollständig um die zugehörige Kavität 42 und um ein Gebiet für die spätere Optikfläche 5 herum geführt sind. In 21 ist das Gebiet mit der späteren Optikfläche 5 durch eine Schraffur angedeutet.
Über dem Metallrahmen 75 ist eine feste Verbindung des Verkapselungselements 4 mit dem Montagesubstrat 3 und eine hermetische Abdichtung erreichbar, auch noch nach einem Vereinzelungsprozess entlang der Vereinzelungslinien 32.
Bevorzugt nachfolgend wird ein Bestimmen der Abstrahlrichtungen durchgeführt, im Verfahren der 17 bis 24 nicht eigens illustriert. Dazu sind bevorzugt Strukturen vorhanden oder werden Messungen durchgeführt, wie in Verbindung mit den 2 bis 6 veranschaulicht. Entsprechende Strukturierungen sind zur Vereinfachung der Darstellung im Verfahren der 17 bis 24 nicht illustriert.
Daraufhin werden bevorzugt analog zu den 7 bis 14 kollektiv die Optikflächen 5 mit der optionalen Spiegelschicht 52 ausgebildet. Das kollektive Ätzen zum Erzeugen der Spiegelflächen 5 lässt dabei bevorzugt ein Material des Vergusses 7 unbeeindruckt, sodass der Verguss 7 von dem Ätzen nicht oder nicht signifikant beeinträchtigt wird und stehen bleibt. Es können Randverrundungen oberhalb des Bereichs mit dem Verguss 7 auftreten, resultierend vom Ätzen des Verkapselungselements 4.
In 23 ist gezeigt, dass optional der Verguss 7 und auch der Kleber 36 über ein weiteres Ätzverfahren vollständig entfernt werden können. Dabei kann zwischen dem Montagesubstrat 3 und dem Verkapselungselement 4 sowie zwischen der Laserdiode 2 und dem Montagesubstrat 3 jeweils ein Spalt 73 resultieren. Da eine Abdichtung jedoch über den metallischen Rahmen 75 erfolgt, ist dennoch eine hermetische Hausung der Laserdiode 2 möglich.
Bevorzugt wird zudem eine Abdeckung 8, beispielsweise aus einer Glasplatte, aufgebracht. Abweichend von der Darstellung der 23 kann die Abdeckung 8 auch linsenförmig gestaltet sein, ist bevorzugt jedoch eine planparallele Platte. Die Abdeckung 8 wird beispielsweise angelötet, insbesondere an dem Metallrahmen 75 und/oder an Leiterbahnen 76.
Ferner ist in 23 illustriert, dass alle elektrischen Kontaktflächen 72 zur externen elektrischen Kontaktierung an einer einzigen Seite des Montagesubstrats 3 angebracht sein können. Über elektrische Leiterbahnen 76, die zwischen dem Rahmen 75 und den Durchkontaktierungen 74 durch das Verkapselungselement 4 im Bereich der Laserdiode 2 hindurchgeführt werden, ist dies realisierbar.
24 entspricht im Wesentlichen 23, wobei jedoch der Spalt entfällt. Beispielsweise sind das Montagesubstrat 3 und das Verkapselungselement 4 über anodisches Bonden direkt miteinander verbunden. Die Laserdiode 2 mit dem Sockel 23 kann an das Montagesubstrat 3 mittels eines Lots 77 angelötet sein.
Im Ausführungsbeispiel des Halbleiterlasers 2, wie noch unvereinzelt in 25 dargestellt, erfolgt keine Umlenkung der Abstrahlrichtung 22 der Laseremission L. Damit kann sich die Optikfläche 5 direkt an der Außenfläche 47 der Kavität 42 befinden. Beim Halbleiterlaser der 1 erfolgt somit eine Emission im Wesentlichen in Richtung parallel zur Montageseite 30. Die Optikfläche 5 wirkt refraktiv als Linse.
Im Ausführungsbeispiel der 26 ist illustriert, dass sich die Kavität 42 nicht in dem Verkapselungselement 4, sondern in dem Montagesubstrat 3 befindet. Es ist möglich, dass in der Kavität 42 eine Umlenkoptik 54 angebracht ist, beispielsweise ein Prisma. Um Positionierungstoleranzen der Laserdiode 2 sowie der Umlenkoptik 54 auszugleichen, befindet sich die Optikfläche 5 an einer dem Montagesubstrat 3 abgewandten Seite des Verkapselungselements 4. Wie auch in allen anderen Ausführungsbeispielen ist die Optikfläche 5 bevorzugt durch eine subtraktive Methode erzeugt, also durch das Entfernen von Material.
Die Optikflächen 5 der 25 und 26, die refraktiv und nicht reflektiv wirken, können analog zu den 1 bis 24 hergestellt werden. Dabei entfällt jedoch bevorzugt die Spiegelschicht 52. Anstelle der Spiegelschicht 52 können, nicht gezeichnet, im Bereich der Optikfläche 5 Antireflexbeschichtungen vorhanden sein.
In 27 ist in Draufsicht illustriert, dass für jede Laserdiode 2 ein eigenes Verkapselungselement 4 vorhanden ist. Die Verkapselungselemente 4 sind rasterförmig angeordnet, die Vereinzelungslinien 32 verlaufen zwischen benachbarten Verkapselungselementen 4. Bereiche für die späteren Optikflächen sind wiederum durch eine Schraffur angedeutet.
Weiterhin ist dargestellt, dass Markierungen 38 vorhanden sein können. Die beispielsweise kreuzförmigen Markierungen 38 können sich innerhalb der Kavität 42 befinden. Über solche Markierungen 38 ist eine vereinfachte Platzierung der Laserdioden sowie der Verkapselungselemente 4 an dem Montagesubstrat 3 erreichbar. Außerdem kann durch solche Markierungen 38 eine vereinfachte Montage der fertigen Halbleiterlaser 1 auf einem nicht gezeichneten externen Träger ermöglicht sein.
Demgegenüber ist in 28 gezeigt, dass ein einstückiges, zusammenhängendes Verkapselungselement 4 verwendet wird. Die Vereinzelungslinien 32 verlaufen durch das Verkapselungselement 4 hindurch.
Als Option können beispielsweise kreisförmige Markierungen 38 vorhanden sein, die sich neben der Kavität 32 befinden können. Da das Verkapselungselement 4 bevorzugt lichtdurchlässig ist, können die Markierungen 38 von dem Verkapselungselement 4 überdeckt sein.
In 29 ist illustriert, dass die Laserdioden 2 in einem Raster 9 angebracht werden. Laserdiodenmittelpunkte 92 weisen vergleichsweise große Abweichungen von Rasterpunkten 91 des Rasters 9 auf. Damit liegt eine vergleichsweise große Abweichung 93 der Rasterpunkte 91 von den Laserdiodenmittelpunkten 92 vor.
Über das gesamte Montagesubstrat 3 hinweg ist damit eine vergleichsweise große Standardabweichung hinsichtlich der Platzierung der Laserdiode 2 gegeben. Aufgrund der nachträglich, korrigierend wirkenden Optikflächen 5 sind diese vergleichsweise großen Toleranzen bei der Montage möglich, sodass ein kosteneffizientes Platzieren der Laserdioden 2 durchgeführt werden kann.
Die in den Figuren gezeigten Komponenten folgen, sofern nicht anders kenntlich gemacht, bevorzugt in der angegebenen Reihenfolge zum Beispiel unmittelbar aufeinander. Sich in den Figuren nicht berührende Schichten sind bevorzugt voneinander beabstandet. Soweit Linien parallel zueinander gezeichnet sind, sind die entsprechenden Flächen bevorzugt ebenso parallel zueinander ausgerichtet. Ebenfalls, soweit nicht anders kenntlich gemacht, sind die relativen Positionen der gezeichneten Komponenten zueinander in den Figuren korrekt wiedergegeben.
Die hier beschriebene Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung 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.
Bezugszeichenliste

1: Halbleiterlaser
2: kantenemittierende Laserdiode
22: Abstrahlrichtung
23: Sockel
24: Bonddraht
3: Montagesubstrat
30: Montageseite
32: Vereinzelungslinie
34: Öffnung im Montagesubstrat
36: Kleber
38: Markierung
4: laserdurchlässiges Verkapselungselement
42: Kavität
44: Teilgebiet
45: Materialschaden
46: gepulste Laserstrahlung
47: Außenfläche des Verkapselungselements
48: Ausnehmung an der Außenfläche
5: Optikfläche
51: Rahmen aus dem Verkapselungselement
52: Spiegelschicht an der Optikfläche
53: Antireflexbeschichtung
54: Umlenkoptik
61: Maskenschicht
62: Testspiegel
63: Reflexionsbereich des Verkapselungselements
64: Kamera
65: Sensor
66: Arm
67: optische Faser
7: Verguss
71: Durchbruch
72: elektrische Kontaktfläche
73: Spalt
74: Durchkontaktierung
75: Metallrahmen
76: elektrische Leiterbahn
77: Lot
78: Randverrundung
8: Abdeckung
9: Raster
91: Rasterpunkt
92: Laserdiodenmittelpunkt
93: Abweichung
L: Laseremission

Claims

Verfahren zur Herstellung von Halbleiterlasern (1) mit den folgenden Schritten in der angegebenen Reihenfolge: A) Anbringen einer Vielzahl von kantenemittierenden Laserdioden (2) auf einem Montagesubstrat (3), B) Anbringen mindestens eines Verkapselungselements (4), sodass die Laserdioden (2) jeweils in einer Kavität (42) zwischen dem Montagesubstrat (3) und dem zugehörigen Verkapselungselement (4) angebracht werden, C) Betreiben der Laserdioden (2) und Bestimmen von Abstrahlrichtungen (22) der Laserdioden (2), D) Erzeugen von Materialschäden (45) in Teilgebieten (44) des mindestens einen Verkapselungselements (4), wobei die Teilgebiete (44) den Laserdioden (2) eindeutig zugeordnet sind, E) kollektives Entfernen von Material des mindestens einen Verkapselungselements (4), wobei dieses Material von den Materialschäden (45) betroffen ist, sodass für die Laserdioden (2) in den Teilgebieten (44) individuelle Optikflächen (5) zur Strahlformung entstehen, und F) Vereinzeln zu den Halbleiterlasern (1).
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem die Optikflächen (5) für eine Umlenkung der Abstrahlrichtungen (22) von parallel zu senkrecht zum Montagesubstrat (3) eingerichtet sind, wobei das mindestens eine Verkapselungselement (4) aus einem Glas, aus Quarzglas oder aus Saphir ist, und wobei das mindestens eine Verkapselungselement (4) die zugeordnete Laserdiode (2) je vollständig überdeckt und die Optikflächen (5) in Draufsicht auf das Montagesubstrat (3) gesehen je neben der zugeordneten Laserdiode (2) liegen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Materialschäden (45) im Schritt D) mittels gepulster Laserstrahlung (46) erzeugt werden, wobei das kollektive Entfernen im Schritt E) ein nasschemisches Ätzen ist, und wobei die Optikflächen (5) mindestens eine Krümmung aufweisen.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die gepulste Laserstrahlung (46) im Schritt D) durch eine Öffnung (34) im Montagesubstrat (3) hindurch in das Material des mindestens einen Verkapselungselements (4) eingestrahlt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zwischen den Schritten E) und F) in einem Schritt E1) auf die Optikflächen (5) eine Spiegelschicht (52) aufgebracht wird, sodass die Optikflächen (5) reflektiv wirken, wobei die Spiegelschicht (52) mit Hilfe einer temporären Maskenschicht (61) strukturiert erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Optikflächen (5) refraktiv wirken und in den Schritten D) und E) an einer Außenfläche (47) einer Außenwand der zugeordneten Kavität (42) erzeugt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem sich zumindest im Schritt C) an einer Außenfläche (47) einer Außenwand der Kavitäten (42) je eine Ausnehmung (48) in dem mindestens einen Verkapselungselement (4) befindet, wobei im Schritt C) zur Bestimmung der jeweiligen Abstrahlrichtung (22) ein Testspiegel (62) in die Ausnehmung (48) geführt wird, und wobei sich die Ausnehmung (48) zwischen der Außenfläche (47) und zugehörigen Optikfläche (5) befindet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem das mindestens eine Verkapselungselement (4) zumindest im Schritt C) eine Vielzahl von Reflexionsbereichen (63) aufweist, die zu einer Umlenkung der jeweiligen Abstrahlrichtung (22) von parallel zu senkrecht zum Montageträger (3) eingerichtet sind, wobei im Schritt C) die Bestimmung der jeweiligen Abstrahlrichtung (22) mittels der Reflexionsbereiche (63) erfolgt, wobei die zugehörige Optikfläche (5) in den Schritten D) und E) zwischen dem betreffenden Reflexionsbereich (63) und der betreffenden Laserdiode (2) erzeugt wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem im Schritt C) ein Abstand zwischen den Reflexionsbereichen (63) und der jeweils zugeordneten Laserdiode (2) mindestens 1 mm beträgt, wobei die Reflexionsbereiche (63) durch spekular reflektierende äußere Grenzflächen des mindestens einen Verkapselungselements (4) oder durch diffus reflektierende, innerhalb des mindestens einen Verkapselungselements (4) liegende Streuzentren gebildet sind.
Verfahren nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Reflexionsbereiche (63) im Schritt F) entfernt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Laserdioden (2) in einem Schritt A1) zwischen den Schritten A) und B) je mit einem Verguss (7) umhüllt werden, sodass im Schritt B) die Kavitäten (42) von dem Verguss (7) ausgefüllt werden, wobei der Verguss (7) spätestens nach dem Schritt F) wieder entfernt wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem im Schritt B) das mindestens eine Verkapselungselement (4) mittels des Vergusses (7) an dem Montagesubstrat (3) befestigt wird, wobei der Verguss (7) vor dem Schritt F) vollständig entfernt wird, sodass wenigstens stellenweise ein Spalt (73) zwischen dem mindestens einen Verkapselungselement (4) und dem Montagesubstrat (3) entsteht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem sich durch das mindestens eine Verkapselungselement (4) hindurch und mindestens bis zum Montagesubstrat (3) eine metallische Durchkontaktierung (74) erstreckt, die in Draufsicht gesehen die zugehörige Laserdiode (2) samt Optikfläche (5) vollständig umläuft, sodass die Durchkontaktierung (74) einen Metallrahmen (75) bildet, der zwischen dem Montagesubstrat (3) und dem mindestens einen Verkapselungselement (4) eine Abdichtung bewirkt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem durch das mindestens eine Verkapselungselement (4) um die Laserdioden (2) und um die jeweils zugehörige Optikfläche (5) herum in Draufsicht gesehen je ein durchgehender Rahmen (51) gebildet ist, der eine Höhe aufweist, die größer ist als eine Maximalhöhe des mindestens einen Verkapselungselements (4) im Bereich der entsprechenden Optikfläche (5).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem genau ein Verkapselungselement (4) verwendet wird, wobei sich das Verkapselungselement (4) bis zum Schritt F) zusammenhängend über alle Laserdioden (2) erstreckt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Laserdioden (2) im Schritt A) in einem regelmäßigen Raster (9) auf dem Montagesubstrat (3) aufgebracht werden, wobei eine Standardabweichung zwischen einer tatsächlichen Position der Laserdioden (2) zu Rasterpunkten (91) des Rasters (9) über das Montagesubstrat (3) hinweg zwischen einschließlich 5 µm und 100 µm liegt.
Halbleiterlaser (1), der mit einem Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche hergestellt ist, umfassend: - das Montagesubstrat (3), - mindestens eine der Laserdioden (2), die auf dem Montagesubstrat (3) montiert ist, und - das für eine Laseremission (L) der Laserdiode (2) durchlässige Verkapselungselement (4), sodass die Laserdiode (2) in der Kavität (42) zwischen dem Montagesubstrat (3) und dem Verkapselungselement (4) angebracht ist, wobei - das Verkapselungselement (4) eine der Optikflächen (5) zur Strahlformung der Laseremission (L) aus der zugeordneten Laserdiode (2) umfasst, - die Optikfläche (5) für eine Umlenkung der Laseremission (L) von parallel zu senkrecht zum Montagesubstrat (3) eingerichtet ist, und - sich zwischen einer Außenwand der Kavität (42) und der Optikfläche (5) entlang der Abstrahlrichtung (22) der Laseremission (L) eine Ausnehmung (48) in dem Verkapselungselement (4) befindet, sodass die Laseremission (L) hin zur Optikfläche (5) sowohl die Außenwand als auch die Ausnehmung (48) zu durchlaufen hat.