DE102019100794A1 - Laservorrichtung und verfahren zur herstellung einer laservorrichtung - Google Patents

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Matthias Sperl
Hubert Halbritter
Peter Brick
Philipp McCaw
Dennis Sprenger
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Osram Opto Semiconductors GmbH
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Abstract

Eine Laservorrichtung (10) umfasst einen Träger (11), ein auf dem Träger (11) angeordnetes optoelektronisches Bauelement (12), das dazu ausgebildet ist, Laserstrahlung zu emittieren, und ein optisches Element (14), das dazu ausgebildet ist, die von dem optoelektronischen Bauelement (12) emittierte Laserstrahlung zu formen, wobei das optische Element (14) eine erste, zumindest teilweise für die Laserstrahlung transparente Schicht (15) mit einem ersten Brechungsindex und eine zweite, zumindest teilweise für die Laserstrahlung transparente Schicht (16) mit einem zweiten Brechungsindex aufweist, wobei die erste Schicht (15) auf das optoelektronische Bauelement (12) aufgebracht ist und eine Oberfläche (24) mit einer eingeprägten Struktur aufweist, und wobei die zweite Schicht (16) auf die Oberfläche (24) mit der eingeprägten Struktur der ersten Schicht (15) aufgebracht ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Laservorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung einer Laservorrichtung.
  • Die Anwendung von optoelektronischen Bauelementen zur Erzeugung von Laserstrahlung, wie z. B. Laserdioden oder VCSEL (englisch: vertical-cavity surface-emitting laser), in Verbraucherprodukten erfordert Maßnahmen zur Einhaltung der Normen über Augensicherheit. Es ist sicherzustellen, dass ein optisches Element zur Formung der Laserstrahlung, wie beispielsweise eine diffraktive Optik, fest mit einer Laservorrichtung verbunden ist. Die Erfüllung dieser Anforderungen bedingt höhere Systemkomplexität und Fertigungskosten.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt unter anderem die Aufgabe zugrunde, eine kostengünstig herstellbare und augensichere Laservorrichtung mit einem optoelektronischen Bauelement zur Erzeugung von Laserstrahlung und einem optischen Element zur Formung der Laserstrahlung zu schaffen. Ferner soll ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Laservorrichtung angegeben werden.
  • Eine Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch eine Laservorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Eine Aufgabe der Erfindung wird ferner gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer Laservorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 9. Bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Eine Laservorrichtung gemäß einer Ausgestaltung umfasst einen Träger, mindestens ein auf dem Träger angeordnetes optoelektronisches Bauelement und ein auf dem optoelektronischen Bauelement angeordnetes optisches Element.
  • Das optoelektronische Bauelement ist dazu ausgebildet, während des Betriebs der Laservorrichtung Laserstrahlung zu emittieren. Das optische Element ist in dem Strahlengang der von dem optoelektronischen Bauelement emittierten Laserstrahlung angeordnet und dazu ausgebildet, die von dem optoelektronischen Bauelement emittierte Laserstrahlung zu formen.
  • Das optische Element weist eine erste Schicht mit einem ersten Brechungsindex und eine zweite Schicht mit einem zweiten Brechungsindex auf, wobei der erste und der zweite Brechungsindex unterschiedlich sind. Sowohl die erste Schicht als auch die zweite Schicht sind für die von dem optoelektronischen Bauelement emittierte Laserstrahlung zumindest teilweise transparent bzw. sind jeweils aus einem für die von dem optoelektronischen Bauelement emittierte Laserstrahlung zumindest teilweise transparenten Material gefertigt. Teilweise transparent bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die erste und die zweite Schicht die von dem optoelektronischen Bauelement emittierte Strahlung teilweise durchlassen und dementsprechend zu einem bestimmten Teil absorbieren. Es ist natürlich auch möglich, dass die erste und/oder die zweite Schicht im Wesentlichen transparent sind, so dass die Laserstrahlung wenn überhaupt nur sehr geringfügig von der jeweiligen Schicht absorbiert wird.
  • Die erste Schicht ist auf das optoelektronische Bauelement aufgebracht und weist eine Oberfläche mit einer eingeprägten dreidimensionalen Struktur, insbesondere einer Mikro- oder Nanostruktur, auf. Die zweite Schicht ist auf die erste Schicht aufgebracht. Insbesondere ist die zweite Schicht direkt auf die Oberfläche der ersten Schicht mit der eingeprägten Struktur aufgebracht. Demnach nimmt die zweite Schicht an der Grenzfläche zur ersten Schicht die dreidimensionale Struktur der ersten Oberfläche auf.
  • Die erste Schicht kann beispielsweise direkt auf das optoelektronische Bauelement aufgebracht sein. Alternativ kann sich zwischen dem optoelektronischen Bauelement und der ersten Schicht eine Zwischenschicht, insbesondere genau eine Zwischenschicht oder mehrere Zwischenschichten, befinden. Die Zwischenschicht kann für die von dem optoelektronischen Bauelement emittierte Laserstrahlung zumindest teilweise oder im Wesentlichen transparent sein. Die Zwischenschicht kann zur Brechungsindexanpassung zwischen dem optoelektronischen Bauelement und der ersten Schicht dienen. Die Zwischenschicht kann einen Brechungsindex aufweisen, der zwischen dem Brechungsindex der obersten Schicht des optoelektronischen Bauelements und dem Brechungsindex der ersten Schicht liegt. Beispielsweise kann die Zwischenschicht eine Silikonschicht sein. Die Zwischenschicht kann direkt auf das optoelektronische Bauelement aufgebracht sein und die erste Schicht kann direkt auf die Zwischenschicht aufgebracht sein, sodass sich kein Luft- oder Gasspalt zwischen dem optoelektronischen Bauelement und der ersten Schicht befindet.
  • Gemäß einer weiteren alternativen Variante kann die erste Schicht des optischen Elements von dem optoelektronischen Bauelement beabstandet sein und ein Luft- oder Gasspalt kann sich zwischen dem optoelektronischen Bauelement und der ersten Schicht befinden. Beispielsweise kann das optoelektronische Bauelement in einem Gehäuse mit Seitenwänden untergebracht sein und das optische Element kann derart auf die Seitenwände aufgebracht sein, dass sich ein Luft- oder Gasspalt zwischen dem optoelektronischen Bauelement und der ersten Schicht des optischen Elements befindet. Das aus der ersten und der zweiten Schicht gebildete optische Element kann eine planare bzw. ebene Unterseite und eine planare bzw. ebene Oberseite aufweisen. Dabei wird die Unterseite des optischen Elements von der Unterseite der ersten Schicht und die Oberseite des optischen Elements von der Oberseite der ersten Schicht gebildet.
  • Sowohl die erste Schicht als auch die zweite Schicht können jeweils aus einem Polymer oder einem Stoff, der ein Polymer enthält, hergestellt sein. Beispielsweise können Silikone als Materialien für die erste und/oder die zweite Schicht eingesetzt werden.
  • Die erste und die zweite Schicht können beispielsweise mittels eines Sprüh-, Spritz-, Dispens- oder Gießverfahrens aufgebracht werden.
  • Nach dem Aufbringen der ersten Schicht auf das optoelektronische Bauelement und auf eventuell weitere Komponenten der Laservorrichtung kann die dreidimensionale Struktur in die erste Schicht mittels eines Aufdruck- bzw. Präge-Verfahrens (englisch: imprint method) eingebracht werden. Dies kann beispielsweise mittels eines geeigneten Stempels geschehen oder mittels einer Rolle, die den entsprechenden Negativabdruck aufweist und unter welcher der Träger mit dem optoelektronischen Bauelement sowie der aufgebrachten ersten Schicht durchgezogen wird. Anschließend kann die zweite Schicht auf die erste Schicht aufgebracht werden. Die erste und die zweite Schicht können in geeigneter Weise ausgehärtet werden, beispielsweise mittels UV-Strahlung und/oder thermisch.
  • Die erste Schicht kann oberhalb des höchstens Topographieniveaus der darunterliegenden Struktur eine Höhe bzw. Dicke im Bereich von 10 µm bis 100 µm aufweisen. Die zweite Schicht kann ebenfalls eine Höhe bzw. Dicke im Bereich von 10 µm bis 100 µm aufweisen.
  • Die von dem optoelektronischen Bauelement emittierte Laserstrahlung durchläuft zunächst die erste Schicht und anschließend die zweite Schicht.
  • Das optische Element wird durch die erste und die zweite Schicht sowie die strukturierte Grenzfläche zwischen der ersten und der zweiten Schicht gebildet. Die Oberfläche der ersten Schicht mit der eingeprägten Struktur kann beispielsweise Strukturen mit Dimensionen im Nanometer- und/oder Mikrometer-Bereich aufweisen. Folglich können die Dimensionen der Strukturen größer oder auch kleiner als die Wellenlänge der emittierten Laserstrahlung sein. Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass keine Dimension der eingeprägten Struktur größer als 500 nm oder 1 µm oder 10 µm oder 100 µm oder 200 µm oder 500 µm ist.
  • Das optische Element kann beispielsweise ein diffraktives optisches Element umfassen. Ein diffraktives optisches Element (englisch: diffrative optical element, DOE) ist ein optisches Element zur Formung eines Lichtstrahls, insbesondere eines Laserstrahls. Das physikalische Prinzip ist die Beugung, auch Diffraktion genannt, an einem optischen Gitter. Ferner kann das optische Element einen Diffusor, insbesondere einen speziell designten Diffusor (englisch: engineered diffuser), Mikrolinsen, pyramidenförmige Strukturen und/oder Meta-Optik-Strukturen umfassen. Weiterhin kann eine regelmäßige Anordnung, auch Array genannt, von Linsen, diffraktiven optischen Elementen und/oder anderen Optiken bzw. Strukturen eingesetzt werden, beispielsweise ein Mikrolinsenarray (englisch: micro lens array, MLA).
  • Das optoelektronische Bauelement kann beispielsweise eine Laserdiode sein, d. h., ein Halbleiterbauelement, das Laserstrahlung erzeugt. Weiterhin kann das optoelektronische Bauelement ein VCSEL, auch Oberflächenemitter genannt, sein. Ein VCSEL ist eine Laserdiode, bei der das Licht senkrecht zur Ebene des Halbleiterchips abgestrahlt wird, im Gegensatz zu einer kantenemittierenden Laserdiode, bei der das Licht an ein oder zwei Flanken des Halbleiterchips austritt. Die Verwendung einer kantenemittierenden Laserdiode als optoelektronisches Bauelement ist ebenfalls denkbar. Weiterhin ist es möglich, dass die Laservorrichtung genau ein optoelektronisches Bauelement oder mehrere optoelektronische Bauelemente enthält.
  • Die von dem optoelektronischen Bauelement emittierte Laserstrahlung kann beispielsweise Laserstrahlung im sichtbaren Bereich, Ultraviolett (UV)-Licht und/oder Infrarot (IR)-Licht sein. Das optoelektronische Bauelement kann ferner Teil einer integrierten Schaltung sein.
  • Neben dem optoelektronischen Bauelement können weitere Bauelemente und/oder Komponenten in die Laservorrichtung integriert sein.
  • Die Laservorrichtung kann ein sogenanntes Chip-Scale-Package (CSP), auch Chip-Scaled-Package genannt, sein. Der Begriff „Chip-Scale-Package“ ist ein für den Fachmann gebräuchlicher Fachbegriff und bezeichnet eine Vorrichtung mit einem darin integrierten Halbleiterchip, der in der vorliegenden Anmeldung durch das optoelektronische Bauelement gegeben ist, in der Größenordnung des Halbleiterchips. Ein Chip-Scale-Package kann beispielsweise derart definiert werden, dass eine Hauptoberfläche des Chip-Scale-Package maximal 20% größer ist als eine Hauptoberfläche des in dem Chip-Scale-Package enthaltenen Halbleiterchips.
  • Die hier beschriebene Laservorrichtung kann in jeglicher Laser- oder VCSEL-Anwendung eingesetzt werden. Insbesondere kann die Laservorrichtung in Verbraucherprodukten (englisch: consumer products), auch Konsumgüter oder Verbrauchererzeugnisse genannt, eingesetzt werden.
  • Die Verwendung des hier beschriebenen optischen Elements erlaubt es, die strukturierte Oberfläche der ersten Schicht unter der zweiten Schicht zu „vergraben“ und dadurch die Struktur der ersten Schicht zu schützen. Bei einer Positionierung der Laservorrichtung auf einem Substrat mittels eines Positioniersystems oder eines Bestückungsautomats verhindert die zweite Schicht eine mögliche Beschädigung der strukturierten Oberfläche der ersten Schicht.
  • Weiterhin gewährleistet die Laservorrichtung eine hohe Augensicherheit, da das optische Element fest mit dem optoelektronischen Bauelement verbunden ist.
  • Die Laservorrichtung lässt sich durch nur wenige Prozessschritte und folglich vergleichsweise günstig fertigen. Insbesondere kann die Laservorrichtung in einem Batch-Verfahren, auch Chargenverfahren genannt, hergestellt werden. Ferner kann die Laservorrichtung mit einer äußerst kompakten Bauform gefertigt werden.
  • Die Dimensionen der strukturierten Oberfläche können vergleichsweise klein ausgelegt werden, wodurch die Herstellungskosten weiter reduziert werden.
  • Da die Laservorrichtung kein externes optisches Element zur Formung des Laserstrahls benötigt, entfällt die Luft/Glas-Grenzfläche an der Eintrittsseite der Laserstrahlung in das externe optische Element.
  • Je nach Anwendung und gewünschter Strahlformung kann entweder der erste Brechungsindex der ersten Schicht oder der zweite Brechungsindex der zweiten Schicht der größere Brechungsindex sein. Die beiden Brechungsindizes können sich beispielsweise um mindestens 0,1 oder mindestens 0,2 oder mindestens 0,4 voneinander unterscheiden.
  • Die Bauform des optischen Elements ermöglicht es, diejenige Oberfläche der zweiten Schicht, die von der ersten Schicht und damit der strukturierten Oberfläche wegweist, planar bzw. eben auszuführen.
  • Der Träger, auf dem das optoelektronische Bauelement befestigt ist, kann Leiterbahnen und/oder elektrische Durchkontaktierungen aufweisen, die zur elektrischen Kontaktierung des optoelektronischen Bauelements verwendet werden können. Die Unterseite des Trägers kann eine Montagefläche sein, mit welchem die Laservorrichtung auf ein Substrat gelötet werden kann.
  • Der Träger kann beispielsweise eine Leiterplatte, auch PCB (englisch: printed circuit board), Leiterkarte, Platine oder gedruckte Schaltung genannt, sein. Ein Leiterplatte besteht aus elektrisch isolierendem Material mit daran haftenden Leiterbahnen. Als elektrisch isolierendes Material kann faserverstärkter Kunststoff verwendet werden. Beispielsweise kann das elektrisch isolierende Material aus Glasfasern, die in ein Epoxid- oder Silikonharz eingebettet sind, bestehen. Die Leiterbahnen der Leiterplatte können aus einer dünnen Schicht Kupfer geätzt werden.
  • Weiterhin kann der Träger auch ein Leiterrahmen (englisch: leadframe) aus einem geeigneten Metall, beispielsweise Kupfer, sein, der mit einem Vergussmaterial, insbesondere einem Kunststoff, umspritzt ist. Darüber hinaus sind auch andere Träger denkbar, beispielsweise Träger aus Keramik.
  • Das optoelektronische Bauelement weist eine erste Hauptoberfläche und eine der ersten Hauptoberfläche gegenüberliegende zweite Hauptoberfläche auf, wobei das optoelektronische Bauelement mit seiner ersten Hauptoberfläche an dem Träger befestigt ist. Gemäß einer Ausgestaltung weist das optoelektronische Bauelement mindestens ein erstes elektrisches Kontaktelement auf seiner ersten Hauptoberfläche und mindestens ein zweites elektrisches Kontaktelement auf seiner zweiten Hauptoberfläche auf. Gemäß einer alternativen Ausgestaltung besitzt das optoelektronische Bauelement eine sogenannte Flip-Chip-Konfiguration, d. h., sämtliche elektrischen Kontaktelemente sind auf der zum Träger weisenden ersten Hauptoberfläche angeordnet.
  • Das optoelektronische Bauelement kann in ein elektrisch isolierendes Material eingebettet sein. Die Höhe des elektrisch isolierenden Materials kann beispielsweise im Wesentlichen der Höhe der Seitenkanten des optoelektronischen Bauelements entsprechen, so dass die Oberseite der Schicht aus dem elektrisch isolierenden Material im Wesentlichen bündig mit der zweiten Hauptoberfläche des optoelektronischen Bauelements ist.
  • Auf dem elektrisch isolierenden Material kann eine elektrisch leitfähige Schicht, die insbesondere aus einer oder mehreren Leiterbahnen besteht, abgeschieden sein. Die elektrisch leitfähige Schicht kann sich bis auf die zweite Hauptoberfläche des optoelektronischen Bauelements erstrecken, um das zweite elektrische Kontaktelement zu kontaktieren. Die elektrisch leitfähige Schicht kann beispielsweise galvanisch abgeschieden werden und es einem oder mehreren geeigneten Metallen bestehen. Es kann daher auf die Verwendung von Bonddrähten zur Kontaktierung des optoelektronischen Bauelements verzichtet werden, was eine kompakte Bauhöhe der Laservorrichtung erlaubt.
  • Das zweite elektrische Kontaktelement kann über die elektrisch leitfähige Schicht mit einer Leiterbahn und/oder einer elektrischen Durchkontaktierung des Trägers elektrisch gekoppelt sein. Es können Löcher in das elektrisch isolierende Einbettungsmaterial gebohrt werden, durch die Kontaktflächen des Trägers freigelegt werden. In diesem Fall kann sich die elektrisch leitfähige Schicht von den Kontaktflächen des Trägers bis zu dem zweiten elektrischen Kontaktelement des optoelektronischen Bauelements erstrecken. Alternativ können ein oder mehrere elektrisch leitfähige Elemente mit einer Höhe, die der Höhe des elektrischen isolierenden Einbettungsmaterials entspricht, in das Einbettungsmaterial eingebettet werden. Die elektrisch leitfähigen Elemente können eine elektrische Verbindung zwischen der auf dem Einbettungsmaterial abgeschiedenen elektrisch leitfähigen Schicht und den Kontaktflächen des Trägers herstellen.
  • Ein Verfahren gemäß einer Ausgestaltung dient zur Herstellung einer Laservorrichtung. Das Verfahren sieht vor, dass mindestens ein optoelektronisches Bauelement, das dazu ausgebildet ist, Laserstrahlung zu emittieren, auf einem Träger angeordnet wird, und ein optisches Element, das dazu ausgebildet ist, die von dem optoelektronischen Bauelement emittierte Laserstrahlung zu formen, auf das optoelektronische Bauelement aufgebracht wird. Das optische Element weist eine erste, zumindest teilweise für die Laserstrahlung transparente Schicht mit einem ersten Brechungsindex und eine zweite, zumindest teilweise für die Laserstrahlung transparente Schicht mit einem zweiten Brechungsindex auf. Die erste Schicht wird insbesondere direkt auf das optoelektronische Bauelement aufgebracht. In eine Oberfläche der ersten Schicht wird eine Struktur eingeprägt. Die zweite Schicht wird auf die Oberfläche mit der eingeprägten Struktur der ersten Schicht aufgebracht.
  • Das Verfahren zur Herstellung einer Laservorrichtung kann die oben beschriebenen Ausgestaltungen der Laservorrichtung aufweisen.
  • Die Struktur kann in die Oberfläche der ersten Schicht nach dem Aufbringen der ersten Schicht auf das optoelektronische Bauelement eingeprägt werden.
  • Ferner kann die Struktur in die Oberfläche der ersten Schicht mit Hilfe eines Stempels oder einer Rolle eingeprägt werden, wobei sich auf dem Stempel bzw. der Rolle der entsprechende Negativabdruck befindet.
  • Die zweite Schicht kann nach dem Aufbringen eine planare bzw. ebene Oberfläche aufweisen.
  • Das optoelektronische Bauelement kann nach dem Anordnen auf dem Träger in ein elektrisch isolierendes Material eingebettet werden.
  • Eine elektrisch leitfähige Schicht kann auf dem optoelektronischen Bauelement und dem elektrisch isolierenden Material abgeschieden werden. Die elektrisch leitfähige Schicht kann elektrisch an das optoelektronische Bauelement und Leiterbahnen und/oder Durchkontaktierungen des Trägers gekoppelt werden.
  • Die elektrisch leitfähige Schicht kann galvanisch abgeschieden werden. Dazu kann zunächst eine Saatschicht (englisch: seed layer), beispielsweise durch Sputtern, abgeschieden werden, die anschließend strukturiert wird. Die Saatschicht kann danach galvanisch verstärkt werden.
  • Zur Herstellung der Laservorrichtung kann ein Batch-Verfahren eingesetzt werden. Dabei wird eine Vielzahl von optoelektronischen Bauelementen, die dazu ausgebildet sind, Laserstrahlung zu emittieren, auf dem Träger angeordnet. Anschließend werden die erste Schicht sowie die zweite Schicht auf die mehreren optoelektronischen Bauelemente aufgebracht. Zum Vereinzeln der Laservorrichtungen werden zumindest einige der optoelektronischen Bauelemente voneinander getrennt, wozu der Träger, die erste und die zweite Schicht sowie eventuell weitere Schichten durchtrennt werden.
  • Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen schematisch:
    • 1 eine Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Laservorrichtung;
    • 2A bis 2D Darstellungen von verschiedenen in eine Oberfläche eingeprägten dreidimensionalen Strukturen;
    • 3A bis 3D Darstellungen eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zur Herstellung einer Laservorrichtung; und
    • 4A und 4B Darstellungen von verschiedenen optischen Elementen.
  • In der folgenden ausführlichen Beschreibung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil dieser Beschreibung bilden und in denen zur Veranschaulichung spezifische Ausführungsbeispiele gezeigt sind, in denen die Erfindung ausgeübt werden kann. Da Komponenten von Ausführungsbeispielen in einer Anzahl verschiedener Orientierungen positioniert werden können, dient die Richtungsterminologie zur Veranschaulichung und ist auf keinerlei Weise einschränkend. Es versteht sich, dass andere Ausführungsbeispiele benutzt und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang abzuweichen. Es versteht sich, dass die Merkmale der hierin beschriebenen verschiedenen Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden können, sofern nicht spezifisch anders angegeben. Die folgende ausführliche Beschreibung ist deshalb nicht in einschränkendem Sinne aufzufassen. In den Figuren sind identische oder ähnliche Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen, soweit dies zweckmäßig ist.
  • 1 zeigt schematisch eine Laservorrichtung 10 mit einem Träger 11, mehreren optoelektronischen Bauelementen 12, einer elektrisch isolierenden Schicht 13 und einem optischen Element 14, das aus einer ersten Schicht 15 und einer zweiten Schicht 16 besteht.
  • Die Laservorrichtung 10 kann als Chip-Scale-Package (CSP) ausgebildet sein, wobei zu beachten ist, dass die Dimensionen in 1 nicht zwingend maßstabsgetreu wiedergegeben sind.
  • Der Träger 11 ist in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel eine zweilagige Leiterplatte mit Leiterbahnen 17 und Durchkontaktierungen 18. Die Leiterbahnen 17 und Durchkontaktierungen 18 verbinden an der Oberseite des Trägers 11 angeordnete Kontaktelemente 20 elektrisch mit an der Unterseite des Trägers 11 angeordneten Kontaktelementen 21. Die Unterseite des Trägers 11 dient als Montage- und/oder Anschlussfläche der Laservorrichtung 10. Die Laservorrichtung 10 kann mit der Unterseite des Trägers 11 auf eine externe Komponente montiert, insbesondere gelötet werden.
  • In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel enthält die Laservorrichtung 10 zwei als VCSEL ausgebildete optoelektronische Bauelemente 12. Alternativ kann die Laservorrichtung 10 auch eine andere Anzahl von optoelektronischen Bauelementen 12 enthalten, die dazu ausgebildet sind, Laserstrahlung zu emittieren.
  • Die optoelektronischen Bauelemente 12 sind in die elektrisch isolierende Schicht 13 eingebettet und ferner über Leiterbahnen 22 elektrisch mit den Leiterbahnen 17 und Durchkontaktierungen 18 verbunden.
  • Die erste Schicht 15 und die zweite Schicht 16 des optischen Elements 14 sind im Wesentlichen transparent für die von den optoelektronischen Bauelementen 12 erzeugte Laserstrahlung. Die erste Schicht 15 weist einen ersten Brechungsindex auf, während die zweite Schicht 16 einen davon unterschiedlichen zweiten Brechungsindex aufweist.
  • Eine zu den optoelektronischen Bauelementen 12 weisende Oberfläche 23 der ersten Schicht 15 des optischen Elements 14 ist zumindest in einem Bereich der optoelektronischen Bauelemente 12 direkt auf die optoelektronischen Bauelemente 12 aufgebracht. Ferner ist in die von den optoelektronischen Bauelementen 12 wegweisende Oberfläche 24 der ersten Schicht 15 eine dreidimensionale Struktur eingeprägt.
  • Beispiele für die in die Oberfläche 24 der ersten Schicht 15 des optischen Elements 14 eingeprägte dreidimensionale Struktur sind in 2A bis 2D dargestellt.
  • 2A zeigt einen speziell designten Diffusor (englisch: engineered diffuser), dessen Strukturen Dimensionen im Mikrometerbereich haben und daher deutlich größer sind als die Wellenlänge der von den optoelektronischen Bauelementen 12 emittierten Laserstrahlung.
  • 2B zeigt eine diffraktive Struktur eines diffraktiven optischen Elements (englisch: diffrative optical element, DOE). Die Höhen der Strukturen liegen in einem Bereich von 700 nm bis 1000 nm. Die Strukturbreiten liegen in einem Bereich um 100 nm.
  • 2C zeigt eine pyramidenförmige Struktur mit Dimensionen im Mikrometerbereich.
  • 2D zeigt in der unteren Darstellung eine Meta-Optik-Struktur in einer Draufsicht und in der oberen Darstellung im Querschnitt. Die Meta-Optik-Struktur enthält eine Vielzahl von Säulen mit lateralen Dimensionen im Bereich von ca. 100 nm. Die Säulen können beispielsweise aus Titandioxid bestehen.
  • Es ist auch denkbar, die in 2B und 2D dargestellten Strukturen miteinander zu kombinieren. Beispielsweise können die weißen Bereiche in 2B für Titandioxid-Säulen mit einem größeren Abstand stehen, während die Titandioxid-Säulen in den schwarzen Bereichen von 2B einen kleineren Abstand aufweisen.
  • 3A bis 3D zeigen schematisch ein Verfahren zur Herstellung der in 1 dargestellten Laservorrichtung 10.
  • 3A zeigt einen Ausschnitt aus einem großflächigen Träger 11, der beispielsweise eine Größe von 70 mm x 125 mm und eine Dicke im Bereich von ungefähr 200 µm bis 600 µm haben kann. Während des Herstellungsprozesses können mehrere dieser Träger 11 auf einem in 3A nicht dargestellten Stahlträger angeordnet sein, der beispielsweise eine Größe von 300 mm x 450 mm und eine Dicke im Bereich von 600 µm haben kann. Es sind jedoch auch andere Dimensionen für den Träger 11 und den Stahlträger möglich.
  • Die optoelektronischen Bauelemente 12 weisen jeweils ein erstes elektrisches Kontaktelement auf ihrer ersten Hauptoberfläche 31 und ein zweites elektrisches Kontaktelement auf der gegenüberliegenden zweiten Hauptoberfläche 32 auf. Die optoelektronischen Bauelemente 12 werden mit ihrer ersten Hauptoberfläche 31 auf entsprechende Kontaktelemente 20 des Trägers 11 gelötet.
  • Anschließend werden die optoelektronischen Bauelemente 12 in die elektrisch isolierende Schicht 13 eingebettet, die beispielsweise aus einer Epoxidmatrix mit Glaspartikeln bestehen kann. Die elektrisch isolierende Schicht 13 bedeckt die Seitenflächen der optoelektronischen Bauelemente 12, jedoch nicht die zweiten Hauptoberflächen 32. Die Höhe der elektrisch isolierende Schicht 13 kann der Höhe der optoelektronischen Bauelemente 12 entsprechen und kann beispielsweise im Bereich von 10 µm bis 20 µm liegen.
  • Die Kontaktierung der auf der zweiten Hauptoberfläche 32 der optoelektronischen Bauelemente 12 angeordneten zweiten elektrischen Kontaktelemente kann auf verschiedene Weisen erfolgen. Beispiele hierfür sind in 3B und 3C dargestellt.
  • Bei der in 3B gezeigten Variante werden zunächst Löcher 35 in die elektrisch isolierende Schicht 13 oberhalb von Kontaktelementen 20 des Trägers 11 gebohrt. Ferner wird eine elektrisch isolierende Schicht 37 auf die Chipkante aufgebracht. Anschließend werden die Leiterbahnen 22 derart aufgebracht, dass sie jeweils ein zweites Kontaktelement 38 eines optoelektronischen Bauelements 12 mit einem durch eines der Löcher 35 freigelegten Kontaktelement 20 des Trägers 11 verbinden.
  • Zur Herstellung der Leiterbahnen 32 kann zunächst eine Saatschicht (englisch: seed layer) aufgesputtert werden, die strukturiert und anschließend galvanisch verstärkt wird. Die Leiterbahnen 32 können beispielsweise eine Breite im Bereich von 35 µm bis 50 µm und eine Höhe bzw. Dicke im Bereich von 10 µm bis 20 µm haben.
  • Die in 3C dargestellte Variante unterscheidet sich von der Variante nach 3B darin, dass keine Löcher 35 in die elektrisch isolierende Schicht 13 gebohrt werden. Stattdessen werden vor dem Aufbringen der elektrisch isolierenden Schicht 13 elektrisch leitfähige Elemente 39, beispielsweise aus Metall, auf die entsprechenden Kontaktelemente 20 des Trägers 11 aufgesetzt bzw. gelötet. Die elektrisch leitfähigen Elemente 39 werden in die elektrisch isolierende Schicht 13 zusammen mit den optoelektronischen Bauelementen 12 eingebettet, wobei die Oberseite der elektrisch leitfähigen Elemente 39 freiliegend bleibt. Die Oberseite der elektrisch leitfähigen Elemente 39 kann anschließend mit der Leiterbahn 22 kontaktiert werden.
  • Nach dem Aufbringen der Leiterbahn 22 wird die erste Schicht 15 beispielsweise mittels eines Sprüh-, Spritz-, Dispens- oder Gießverfahrens aufgebracht. Die erste Schicht 15 kann eine Höhe bzw. Dicke im Bereich von 10 bis 100 µm oberhalb der Leiterbahn 22 aufweisen. Die erste Schicht 15 kann aus einem Polymer, zum Beispiel einem Silikon, bestehen.
  • Noch vor dem Aushärten des Materials der ersten Schicht 15 wird mittels eines Stempels oder einer Rolle die dreidimensionale Struktur in die Oberfläche 24 der ersten Schicht 15 eingeprägt.
  • Danach wird die zweite Schicht 16 auf die Oberfläche 24 der ersten Schicht 15 beispielsweise mittels eines Sprüh-, Spritz- , Dispens- oder Gießverfahrens aufgebracht, wie in 3D gezeigt ist. Auch die zweite Schicht 16 kann aus einem Polymer, zum Beispiel einem Silikon, bestehen. Die Oberfläche 40 der zweiten Schicht 16 ist planar.
  • Anschließend werden die Laservorrichtungen 10 vereinzelt. Dazu werden die jeweiligen Schichten entlang der in 3D eingezeichneten gestrichelten Linien 41 beispielsweise mittels Sägen durchtrennt.
  • 4A und 4B zeigen beispielhaft zwei verschieden ausgebildete optische Elemente 14 und das von den optischen Elementen 14 erzeugte Fernfeld, wenn eine von mehreren optoelektronischen Bauelementen 12 generierte Laserstrahlung durch die optischen Elemente 14 geführt wird.
  • Die in 4A und 4B dargestellten optischen Elemente 14 enthalten jeweils eine transparente erste Schicht 15 sowie eine transparente zweite Schicht 16. In 4A hat die erste Schicht 15 mit 1,6 einen größeren Brechungsindex als die zweite Schicht 16 mit 1,36. In 4B sind die Brechungsindizes der beiden Schichten 15 und 16 gegenüber 4A vertauscht. Die dreidimensionale Grenzfläche zwischen den beiden Schichten 15 und 16 ist in 4A und 4B durch Konturlinien 42 dargestellt.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Laservorrichtung
    11
    Träger
    12
    optoelektronisches Bauelement
    13
    elektrisch isolierende Schicht
    14
    optisches Element
    15
    erste Schicht
    16
    zweite Schicht
    17
    Leiterbahn
    18
    Durchkontaktierung
    20
    Kontaktelement
    21
    Kontaktelement
    22
    Leiterbahn
    23
    Oberfläche
    24
    Oberfläche
    31
    erste Hauptoberfläche
    32
    zweite Hauptoberfläche
    35
    Loch
    37
    elektrisch isolierende Schicht
    38
    zweites Kontaktelement
    39
    elektrisch leitfähiges Element
    40
    Oberfläche
    41
    Linie
    42
    Konturlinie

Claims (16)

  1. Laservorrichtung (10), mit: einem Träger (11), einem auf dem Träger (11) angeordneten optoelektronischen Bauelement (12), das dazu ausgebildet ist, Laserstrahlung zu emittieren, und einem optischen Element (14), das dazu ausgebildet ist, die von dem optoelektronischen Bauelement (12) emittierte Laserstrahlung zu formen, wobei das optische Element (14) eine erste, zumindest teilweise für die Laserstrahlung transparente Schicht (15) mit einem ersten Brechungsindex und eine zweite, zumindest teilweise für die Laserstrahlung transparente Schicht (16) mit einem zweiten Brechungsindex aufweist, wobei die erste Schicht (15) auf das optoelektronische Bauelement (12) aufgebracht ist und eine Oberfläche (24) mit einer eingeprägten Struktur aufweist, und wobei die zweite Schicht (16) auf die Oberfläche (24) mit der eingeprägten Struktur der ersten Schicht (15) aufgebracht ist.
  2. Laservorrichtung (10) nach Anspruch 1, wobei der erste Brechungsindex und der zweite Brechungsindex sich um mindestens 0,1 unterscheiden.
  3. Laservorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die zweite Schicht (16) eine planare Oberfläche (40) aufweist.
  4. Laservorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Träger (11) Leiterbahnen (17) und/oder elektrische Durchkontaktierungen (18) aufweist.
  5. Laservorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das optoelektronische Bauelement (12) ein erstes elektrisches Kontaktelement auf einer ersten Hauptoberfläche (31) und ein zweites elektrisches Kontaktelement (38) auf einer der ersten Hauptoberfläche (31) gegenüberliegenden zweiten Hauptoberfläche (32) aufweist, und das optoelektronische Bauelement (12) mit seiner ersten Hauptoberfläche (31) zu dem Träger (11) weist.
  6. Laservorrichtung (10) nach Anspruch 5, wobei das optoelektronische Bauelement (12) in ein elektrisch isolierendes Material (13) eingebettet ist und eine elektrisch leitfähige Schicht (22) auf dem elektrisch isolierenden Material (13) abgeschieden ist, wobei die elektrisch leitfähige Schicht (22) das zweite elektrische Kontaktelement (38) kontaktiert.
  7. Laservorrichtung (10) nach Anspruch 6, wobei das zweite elektrische Kontaktelement (38) über die elektrisch leitfähige Schicht (22) mit einer Leiterbahn (17) und/oder einer elektrischen Durchkontaktierung (18) des Trägers (11) elektrisch gekoppelt ist.
  8. Laservorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Schicht (15) direkt auf das optoelektronische Bauelement (12) aufgebracht ist oder eine Zwischenschicht sich zwischen dem optoelektronischen Bauelement (12) und der ersten Schicht (16) befindet.
  9. Verfahren zur Herstellung einer Laservorrichtung (10), wobei ein optoelektronisches Bauelement (12), das dazu ausgebildet ist, Laserstrahlung zu emittieren, auf einem Träger (11) angeordnet wird, und ein optisches Element (14), das dazu ausgebildet ist, die von dem optoelektronischen Bauelement (12) emittierte Laserstrahlung zu formen, auf das optoelektronische Bauelement (12) aufgebracht wird, wobei das optische Element (14) eine erste, zumindest teilweise für die Laserstrahlung transparente Schicht (15) mit einem ersten Brechungsindex und eine zweite, zumindest teilweise für die Laserstrahlung transparente Schicht (16) mit einem zweiten Brechungsindex aufweist, wobei die erste Schicht (15) auf das optoelektronische Bauelement (12) aufgebracht wird und eine Oberfläche (24) mit einer eingeprägten Struktur aufweist, und wobei die zweite Schicht (16) auf die Oberfläche (24) mit der eingeprägten Struktur der ersten Schicht (15) aufgebracht wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Struktur in die Oberfläche (24) der ersten Schicht (15) nach dem Aufbringen der ersten Schicht (15) auf das optoelektronische Bauelement (12) eingeprägt wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei die Struktur in die Oberfläche (24) der ersten Schicht (15) mit Hilfe eines Stempels oder einer Rolle eingeprägt wird.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei die zweite Schicht (16) eine planare Oberfläche (40) aufweist.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei das optoelektronische Bauelement (12) nach dem Anordnen auf dem Träger (11) in ein elektrisch isolierendes Material (13) eingebettet wird.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei eine elektrisch leitfähige Schicht (22) auf dem optoelektronischen Bauelement (12) und dem elektrisch isolierenden Material (13) abgeschieden wird und die elektrisch leitfähige Schicht (22) elektrisch an das optoelektronische Bauelement (12) und Leiterbahnen (17) und/oder Durchkontaktierungen (18) des Trägers (11) gekoppelt wird.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei die elektrisch leitfähige Schicht (22) galvanisch abgeschieden wird.
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 15, wobei mehrere optoelektronische Bauelemente (12), die dazu ausgebildet sind, Laserstrahlung zu emittieren, auf dem Träger (11) angeordnet werden und die erste Schicht (15) sowie die zweite Schicht (16) auf die mehreren optoelektronischen Bauelemente (12) aufgebracht werden, und wobei zumindest einige der optoelektronischen Bauelemente (12) nach dem Aufbringen der ersten und der zweiten Schicht (15, 16) voneinander getrennt werden.
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