DE102021130369A1

DE102021130369A1 - Optoelektronisches bauelement und verfahren zur herstellung

Info

Publication number: DE102021130369A1
Application number: DE102021130369.9A
Authority: DE
Inventors: Joerg Sorg; Jan Seidenfaden; Markus Horn; Christoph Walter; Herbert Brunner
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2021-11-19
Filing date: 2021-11-19
Publication date: 2023-05-25
Also published as: WO2023089056A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein optoelektronisches Bauelement umfassend eine auf einem Trägersubstrat angeordnete elektrisch leitfähige erste Kontaktschicht, ein auf der ersten Kontaktschicht angeordnetes und mit diesem einstückig ausgeführtes elektrisch leitfähiges Podest, wenigstens eine auf dem Podest angeordnete und mit diesem elektrisch verbundene Laserdiode, und eine elektrisch leitfähige zweite Kontaktschicht, die mit der wenigstens einen Laserdiode elektrisch gekoppelt ist. Das Podest weist dabei eine derartige Höhe auf, dass die Laserfacette der wenigstens einen Laserdiode einen derartigen vertikalen Abstand zum Trägersubstrat aufweist, dass ein von der Laserdiode durch die Laserfacette emittierter Lichtkegel innerhalb eines vordefinierten horizontalen Abstandes von der Laserfacette nicht auf das Trägersubstrat auftrifft.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein optoelektronisches Bauelement, insbesondere ein Laserpackage mit einem reduzierten Wärmewiderstand, und ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauteils.
Hintergrund
Laserdioden und insbesondere Hochleistungslaserdioden benötigen eine gute Wärmeableitung, um ihre volle optische Leistung zu erreichen. Daher werden diese Bauteile auf Substraten (Kühlkörpern) mit hoher Wärmeleitfähigkeit montiert. Da die Ausgangsleistung von Laserdioden ständig steigt, müssen sowohl das Kühlkörpermaterial als auch die Montage der Laserdioden auf dem Kühlkörpermaterial verbessert werden.
Bei bisher bekannten Laserpackages ist die Laserdiode auf einem sogenannten Submount beispielsweise mittels einer Gold- (Au) oder Zinn- (Sn) bzw. Gold-Zinn- (AuSn) Lotverbindung angeordnet. Die Lotverbindung bildet dabei eine erste Schnittstelle, über die die von der Laserdiode erzeugte Wärme abgeleitet werden muss. Der Submount auf dem die Laserdiode angeordnet ist kann beispielsweise aus einem keramischen Material wie Aluminiumnitrid (AlN) oder Siliziumcarbid (SiC) bzw. aus einer mit Kupfer beschichteten Keramik (engl. direct-plated-copper, DPC) bestehen. Der Submount ist ferner bei bisher bekannten Laserpackages auf einem insbesondere keramischen Trägersubstrat beispielsweise mittels einer Gold- (Au) oder Zinn- (Sn) bzw. Gold-Zinn-(AuSn) Lotverbindung, oder einer Silber- (Ag) oder Gold- (Au) Sinter-Paste angeordnet. Diese Lot- oder Sinterverbindung bildet eine zweite Schnittstelle, über die die von der Laserdiode erzeugte Wärme abgeleitet werden muss.
Zur Verringerung des gesamten Wärmewiderstandes (R_th) des Laserpackages und somit zur Verbesserung der Entwärmung der Laserdioden wurden Versuche unternommen, Materialien mit verbesserter Wärmeleitfähigkeit für die einzelnen Komponenten zu verwenden, sowie einen verbesserten Wärmeübergang an den Grenzflächen der einzelnen Komponenten zu erreichen. Aufgrund der vielen verschiedene Materialien bzw. insbesondere der thermischen Schnittstellen des Laserpackage ergibt sich durch solche Bestrebungen lediglich eine begrenzte Entwärmungsmöglichkeit.
Es besteht daher das Bedürfnis, ein optoelektronisches Bauelement, insbesondere ein Laserpackage, mit einem reduzierten Wärmewiderstand, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen optoelektronischen Bauelementes anzugeben, das zumindest einem der vorgenannten Probleme entgegenwirkt.
Zusammenfassung der Erfindung
Diesem Bedürfnis wird durch ein in Anspruch 1 genanntes optoelektronisches Bauelement Rechnung getragen. Anspruch 19 nennt die Merkmale eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelementes. Weitere Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Kernidee der Erfindung ist die Anzahl der thermischen Schnittstellen innerhalb des optoelektronischen Bauelementes, insbesondere Laserpackages zu reduzieren. Dazu wird der Submount/Kühlkörper direkt in das Gehäuse integriert bzw. eine elektrisch leitfähige Kontaktschicht auf einem Trägersubstrat des Laserpackages mit dem Submount einstückig ausgebildet. Durch die Integration des Submountes in das Gehäuse bzw. durch das einstückige Ausbilden des Submountes mit der elektrisch leitfähige Kontaktschicht auf dem Trägersubstrat des Laserpackages wird der Submount im Vergleich zu bisher bekannten Laserpackages sozusagen durch ein Podest aus demselben Material wie die elektrisch leitfähige Kontaktschicht ersetzt. So kann die Schnittstelle zwischen Gehäuse bzw. Trägersubstrat und Submount, über die die von der Laserdiode erzeugte Wärme abgeleitet werden muss, eingespart werden und der gesamten Wärmewiderstand (R_th) des Laserpackages wird reduziert.
Der integrierte Submount, bspw. in Form eines Podestes, besteht dabei insbesondere aus demselben Material wie die auf dem Trägersubstrat ausgebildete elektrisch leitfähige Kontaktschicht, insbesondere aus Kupfer (Cu). Auf dem Podest ist eine AuSn Lotverbindung, oder eine Ag- oder Au-Sinter-Paste ausgebildet, um die Laserdiode darauf anzuordnen und mit diesem elektrisch zu verbinden. Die von der Laserdiode erzeugte Wärme kann so über lediglich eine Schnittstelle zwischen dem Podest und der Laserdiode in die elektrisch leitfähige Kontaktschicht bzw. das Trägersubstrat abgeleitet werden.
Das erfindungsgemäße optoelektronische Bauelement umfasst entsprechend eine auf einem Trägersubstrat angeordnete elektrisch leitfähige erste Kontaktschicht, ein auf der ersten Kontaktschicht angeordnetes und mit diesem einstückig ausgeführtes elektrisch leitfähiges Podest, wenigstens eine auf dem Podest angeordnete und mit diesem elektrisch verbundene Laserdiode, insbesondere Hochleistungslaserdiode, und eine elektrisch leitfähige zweite Kontaktschicht die mit der wenigstens einen Laserdiode elektrisch gekoppelt ist. Das Podest weist dabei eine derartige Höhe auf, dass eine Laserfacette der wenigstens einen Laserdiode einen derartigen vertikalen Abstand zum Trägersubstrat aufweist, dass ein von der Laserdiode durch die Laserfacette emittierter Lichtkegel innerhalb eines vordefinierten horizontalen Abstandes von der Laserfacette nicht auf das Trägersubstrat auftrifft.
Ohne das Podest würde die Gefahr bestehen, dass der von der Laserdiode emittierte Lichtkegel auf das Trägersubstrat oder eine andere Komponente des optoelektronischen Bauelementes auftrifft und von diesem „beschnitten“ (engl. beam clipping) wird.
Insbesondere besteht diese Gefahr bei nach unten gerichteten Laserdioden denen beispielsweise ein optisches Element auf dem Trägersubstrat im Strahlengang der Laserdiode nachgeordnet ist. Nach unten gerichtet bedeutet, dass die Laserdiode ein Laserfacette im unteren Randbereich der Laserdiode aufweist und der von der Laserdiode emittierte Lichtkegel nicht nur in horizontale Richtung abstrahlt, sondern eben auch aufgrund der Kegelform des emittierten Lichts mit zunehmendem horizontalen Abstand von der Laserfacette in einen Bereich unterhalb der Laserdiode strahlt. Indem das Podest eine entsprechende Höhe aufweist, und indem das optische Element in einem entsprechenden horizontalen Abstand vor der Laserfacette angeordnet ist, kann der Effekt des beam clippings jedoch verhindert werden, da der Lichtkegel in vollem Umfang auf das optische Element auftrifft, bevor er auf das Trägersubstrat auftreffen würde und von diesem beschnitten würde.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die wenigstens eine Laserdiode derart auf dem Podest angeordnet, dass die Laserfacette der wenigstens einen Laserdiode außerhalb der Grundfläche des Podestes liegt. Die Laserfacette überragt also in horizontale bzw. seitliche Richtung die Grundfläche des Podestes. Dadurch kann ebenso ein beam clipping verhindert werden, da der von der Laserdiode emittierte Lichtkegel so auch nicht durch die Oberfläche des Podestes beschnitten werden kann.
Neben dem Vorteil, dass durch die Höhe des Podestes und der Anordnung der Laserdiode auf dem Podest der Effekt des beam clippings verhindert oder zumindest reduziert werde kann, ergibt sich durch das erfindungsgemäße optoelektronische Bauelement der Vorteil, dass aufgrund der einstückigen Ausbildung des Podestes mit der ersten Kontaktschicht eine sich insbesondere im Bereich der Unterseite der Laserdiode gebildete Wärme besser in Richtung des Trägersubstrates abgeführt werden kann. Dies liegt unter anderem daran, dass für das Podeste und die erste Kontaktschicht ein material mit nicht nur einer guten elektrischen Leitfähigkeit sondern auch mit einer hohen thermischen Leitfähigkeit gewählt werden kann, und aufgrund der wegfallenden Schnittstelle zwischen dem Podest und der erste Kontaktschicht. Der Wärmewiderstand ist dadurch gegenüber einem mit klassischem Submount ausgeführten Laserpackage deutlich reduziert. Somit ist es möglich auch eine Hochleistungslaserdiode mit ihrer vollen optischen Leistung zu betreiben.
Zusätzlich ergibt sich aufgrund der einstückigen Ausbildung des Podestes mit der ersten Kontaktschicht eine Kostenreduzierung für das optoelektronisches Bauelement durch eine vereinfachte Stückliste (weniger Komponenten), sowie einen vereinfachten Prozessablauf (weniger Prozessschritte) in der Herstellung des optoelektronischen Bauelements.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die erste Kontaktschicht und das Podest neben einer guten elektrischen Leitfähigkeit eine hohe thermische Leitfähigkeit, insbesondere eine thermische Leitfähigkeit größer als 350W/mK auf. Beispielsweise können die erste Kontaktschicht und das Podest aus Kupfer gebildet sein, das eine thermische Leitfähigkeit von circa 380W/mK aufweist. Im Vergleich dazu weist das keramische Basissubstrat eines klassischen Submounts beispielsweise aus einem keramischen Material wie Aluminiumnitrid (AlN) eine thermische Leitfähigkeit von circa 180W/mK auf.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist eine in senkrechte Richtung zum Trägersubstrat gesehene Projektionsfläche des Podests größer oder gleich einer in senkrechter Richtung zum Trägersubstrat gesehenen Projektionsfläche der wenigstens einen Laserdiode. Die Grundfläche des Podestes kann entsprechend größer oder gleich der Grundfläche der wenigstens einen Laserdiode sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist eine in senkrechte Richtung zum Trägersubstrat gesehene Projektionsfläche der ersten Kontaktschicht größer als eine in senkrechte Richtung zum Trägersubstrat gesehene Projektionsfläche des Podests. Die Grundfläche des Podestes kann entsprechend kleiner der Grundfläche der ersten Kontaktschicht sein. Insbesondere kann das Podest in Form einer Erhebung auf der ersten Kontaktschicht ausgebildet sein und im Querschnitt eine Stufe auf der ersten Kontaktschicht bilden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform entspricht hingegen eine in senkrechte Richtung zum Trägersubstrat gesehene Projektionsfläche der ersten Kontaktschicht im Wesentlichen einer in senkrechter Richtung zum Trägersubstrat gesehenen Projektionsfläche des Podests. Die erste Kontaktschicht kann entsprechend durch das Podest über deren gesamte Fläche aufgedickt sein und es ergibt sich durch das Podest keine lokale Erhebung und somit auch keine Stufe auf der ersten Kontaktschicht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die wenigstens eine Laserdiode mittels wenigstens einem Bonddraht und insbesondere mittels einer Vielzahl von Bonddrähten mit der zweiten Kontaktschicht elektrisch verbunden. Im Falle von mehreren Bonddrähten ergibt sich der Vorteil, dass auch über die Oberseite der Laserdiode in verbesserter Weise die in der Laserdiode entstandene Wärme über die mehreren Bonddrähte abgeführt werden kann (grö-ßerer Querschnitt und verringerter elektrischer Widerstand). Zusätzlich dazu haben mehrere Bonddrähte den Vorteil, dass die Ausfallwahrscheinlichkeit der Laserdiode reduziert ist, da trotz eines oder mehrerer defekter Bonddrähte eine erhöhte Wahrscheinlichkeit für einen bestehenden elektrischen Kontakt zwischen der Laserdiode und der zweiten Kontaktschicht vorherrscht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die wenigstens eine Laserdiode mittels einer Sinterpaste, einem Bondmaterial, oder einem Lotverbindungsmaterial auf dem Podest angeordnet und mit diesem elektrisch verbunden. Die Laserdiode kann entsprechend mittels Thermokompressionsschweißen, einem Sinter-Verfahren oder einem Lötverfahren auf dem Podest befestigt werden. Als Materialen können beispielsweise eine Gold- (Au) oder Zinn- (Sn) bzw. Gold-Zinn- (AuSn) Lotverbindung, eine Silber- (Ag) oder Gold- (Au) Sinter-Paste, oder Gold (Au) als Kontaktmaterial für eine Gold-Gold (AuAu) Schnittstelle verwendet werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform befindet sich zwischen der ersten Kontaktschicht und der wenigstens einen Laserdiode lediglich eine Schnittstelle. Die Schnittstelle befindet sich dabei insbesondere zwischen der Laserdiode und dem Podest in Form einer Lot-, Sinter-, oder Kompressionsschweißverbindung. Zwischen dem Podest und der ersten Kontaktschicht befindet sich hingegen keine Schnittstelle, und darüber hinaus befinden sind auch keine weiteren Schichten, Schnittstellen oder Materialeien zwischen der ersten Kontaktschicht und der wenigstens einen Laserdiode.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das optoelektronische Bauelement ferner ein optisches Element, welches im Strahlengang des von der wenigstens einen Laserdiode emittierten Lichtkegels angeordnet ist. Ein horizontaler Abstand des optischen Elementes zur Laserfacette der Laserdiode ist dabei geringer als der vordefinierte horizontale Abstand. Dadurch wird sichergestellt, dass der von der wenigstens einen Laserdiode emittierte Lichtkegel in vollem Umfang auf das optische Element auftrifft, bevor er auf das Trägersubstrat auftreffen würde und von diesem beschnitten würde.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das optische Element dazu ausgebildet das von der wenigstens einen Laserdiode emittierte Licht umzulenken, insbesondere um ca. 90°. Beispielsweise ist das optische Element durch ein Prisma gebildet, welches im Strahlengang des von der wenigstens einen Laserdiode emittierten Lichtkegels angeordnet ist, und welches dazu ausgebildet ist das von der wenigstens einen Laserdiode emittierte Licht umzulenken.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Trägersubstrat wenigstens eine elektrische leitfähige Durchkontaktierung auf. Insbesondere umfasst das optoelektronische Bauelement einen ersten Unterseitenkontakt und/oder einen zweiten Unterseitenkontakt auf einer der elektrisch leitfähigen Kontaktschicht gegenüberliegenden Seite des Trägersubstrates, wobei der erste Unterseitenkontakt mittels einer ersten elektrisch leitfähigen Durchkontaktierung durch das Trägersubstrat elektrisch mit der ersten Kontaktschicht verbunden ist, und/oder der zweite Unterseitenkontakt mittels einer zweiten elektrisch leitfähigen Durchkontaktierung durch das Trägersubstrat elektrisch mit der zweiten Kontaktschicht verbunden ist. Dadurch ist das optoelektronische Bauelement von außen ansteuerbar und kann über die Unterseitenkontakte mit elektrischer Energie versorgt werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Trägersubstrat durch ein elektrisch isolierendes Material gebildet. Insbesondere kann das Trägersubstrat durch ein keramisches Material wie zum Beispiel Aluminiumnitrid (AlN) oder Siliziumcarbid (SiC) gebildet sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Trägersubstrat hingegen einstückig mit der ersten Kontaktschicht, insbesondere in Form eines Leadframes ausgebildet ist. Das Trägersubstrat kann entsprechend ebenfalls elektrisch leitfähig ausgebildet sein und aus demselben Material bestehen wie die erste Kontaktschicht bzw. das Podest.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das optoelektronische Bauelement ferner einen elektrisch isolierenden Rahmen, der auf dem Trägersubstrat angeordnet ist und der das Podest und die wenigstens eine Laserdiode umgibt. Zudem kann das optoelektronische Bauelement eine elektrische Durchkontaktierung innerhalb des Rahmens bzw. durch den Rahmen aufweisen, der mit der zweiten Kontaktschicht elektrisch verbunden ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das optoelektronische Bauelement ferner einen Deckel auf, der auf dem Rahmen angeordnet ist und diesen abdeckt. Zusammen mit dem Rahmen und dem Trägersubstrat kann der Deckel die Laserdiode in einem geschlossenen Raum einschließen und das optoelektronische Bauelement beispielsweise hermetisch verkapseln.
Ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements, insbesondere eines optoelektronischen Bauelementes gemäß zumindest einer Ausführungsform der Erfindung, umfasset die Schritte:

- Bereitstellen eines Trägersubstrats;
- Aufbringen einer ersten Schicht eines elektrisch leitfähigen Kontaktmaterials auf das Trägersubstrat;
- bereichsweises Aufbringen einer zweiten Schicht des elektrisch leitfähigen Kontaktmaterials auf die erste Schicht, sodass diese ein mit der ersten Schicht einstückig ausgebildetes Podest auf der ersten Schicht ausbildet; und
- Anordnen wenigstens einer Laserdiode auf dem Podest, wobei das Podest eine derartige Höhe aufweist, dass eine Laserfacette der wenigstens einen Laserdiode einen derartigen vertikalen Abstand zum Trägersubstrat aufweist, dass ein von der Laserdiode durch die Laserfacette emittierter Lichtkegel innerhalb eines vordefinierten horizontalen Abstandes von der Laserfacette nicht auf das Trägersubstrat auftrifft.

Die wenigstens eine Laserdiode kann dabei derart auf dem Podest angeordnet werden, dass die Laserfacette der wenigstens einen Laserdiode außerhalb der Grundfläche des Podestes liegt, und somit die Laserfacette das Podestes in horizontale Richtung bzw. seitlich überragt.
Der Schritt des Anordnens der wenigstens einer Laserdiode kann gemäß zumindest einer Ausführungsform ein Kompressionsschwei-ßen, Löten oder Sintern der wenigstens einen Laserdiode auf das Podest umfassen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Schritt des bereichsweisen Aufbringens einer zweiten Schicht des elektrisch leitfähigen Kontaktmaterials ein bereichsweises Aufwachsen des elektrisch leitfähigen Kontaktmaterials. Beispielsweise kann das Podest durch eine galvanische Beschichtung erzeugt werden, dessen Oberseite optional durch einen zusätzlichen Schleif- und/oder Polierprozess planarisiert werden kann.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Verfahren ferner ein Strukturieren der ersten Schicht des elektrisch leitfähigen Kontaktmaterials derart, dass diese eine erste elektrisch leitfähige Kontaktschicht und eine davon elektrisch isolierte zweite elektrisch leitfähige Kontaktschicht aufweist. Das bereichsweise Aufbringen der zweiten Schicht des elektrisch leitfähigen Kontaktmaterials, und somit das Erzeugen des Podestes, erfolgt anschließend daran auf die erste elektrisch leitfähige Kontaktschicht.
Figurenliste
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen, jeweils schematisch,

1 eine Schnittansicht eines Laserpackages mit einer Laserdiode auf einem Submount;
2 eine Schnittansicht eines optoelektronischen Bauelementes nach einigen Aspekten des vorgeschlagenen Prinzips;
3A und 3B eine isometrische Ansicht und eine Schnittansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels eines optoelektronischen Bauelementes nach einigen Aspekten des vorgeschlagenen Prinzips;
4 eine isometrische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels eines optoelektronischen Bauelementes nach einigen Aspekten des vorgeschlagenen Prinzips;
5 eine Schnittansicht eines Laserpackages mit einer Laserdiode auf einem Trägersubstrat mit metallischem Kern;
6 bis 8 jeweils eine Schnittansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels eines optoelektronischen Bauelementes nach einigen Aspekten des vorgeschlagenen Prinzips; und
9 Verfahrensschritte zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelementes nach einigen Aspekten des vorgeschlagenen Prinzips.

Detaillierte Beschreibung
Die folgenden Ausführungsformen und Beispiele zeigen verschiedene Aspekte und ihre Kombinationen nach dem vorgeschlagenen Prinzip. Die Ausführungsformen und Beispiele sind nicht immer maßstabsgetreu. Ebenso können verschiedene Elemente vergrößert oder verkleinert dargestellt werden, um einzelne Aspekte hervorzuheben. Es versteht sich von selbst, dass die einzelnen Aspekte und Merkmale der in den Abbildungen gezeigten Ausführungsformen und Beispiele ohne weiteres miteinander kombiniert werden können, ohne dass dadurch das erfindungsgemäße Prinzip beeinträchtigt wird. Einige Aspekte weisen eine regelmäßige Struktur oder Form auf. Es ist zu beachten, dass in der Praxis geringfügige Abweichungen von der idealen Form auftreten können, ohne jedoch der erfinderischen Idee zu widersprechen.
Außerdem sind die einzelnen Figuren, Merkmale und Aspekte nicht unbedingt in der richtigen Größe dargestellt, und auch die Proportionen zwischen den einzelnen Elementen müssen nicht grundsätzlich richtig sein. Einige Aspekte und Merkmale werden hervorgehoben, indem sie vergrößert dargestellt werden. Begriffe wie „oben“, „oberhalb“, „unten“, „unterhalb“, „größer“, „kleiner“ und dergleichen werden jedoch in Bezug auf die Elemente in den Figuren korrekt dargestellt. So ist es möglich, solche Beziehungen zwischen den Elementen anhand der Abbildungen abzuleiten.
1 zeigt ein Laserpackage umfassend ein keramisches Trägersubstrat 2, eine auf dem Trägersubstrat 2 angeordnete elektrisch leitfähige erste Kontaktschicht 3a und eine auf dem Trägersubstrat angeordnete elektrisch leitfähige und von der ersten Kontaktschicht 3a elektrisch isolierte zweite Kontaktschicht 3b. Auf der ersten Kontaktschicht 3a ist mittels einer ersten Lotverbindung 4a ein Submount 5 aufgebracht, wobei der Submount 5 ein keramisches Basissubstrat 6, eine elektrisch leitfähige erste Kontaktfläche 7a und eine elektrisch leitfähige zweite Kontaktfläche 7b umfasst. Auf dem Submount 5 ist mittels einer hier nicht dargestellten zweiten Lotverbindung eine Laserdiode 8 aufgebracht, die über den Submount 5, die erste Lotverbindung 4a und die nicht dargestellte zweite Lotverbindung mit der ersten Kontaktschicht 3a elektrisch verbunden ist, und, die über einen Bonddraht 9 elektrisch mit der zweiten Kontaktschicht 3b verbunden ist.
Das Laserpackage umfasst zudem Durchkontaktierungen 10 durch das Trägersubstrat 2, einen ersten Unterseitenkontakt 11a, der über eine nicht dargestellte erste Durchkontaktierung mit der ersten Kontaktschicht 3a elektrisch verbunden ist, und einen zweiten Unterseitenkontakt 11b, der über eine zweite Durchkontaktierung 10b mit der zweiten Kontaktschicht 3b elektrisch verbunden ist. Über die Unterseitenkontakte 11 ist das Laserpackage von außen ansteuerbar und kann mit Energie versorgt werden.
Die Laserdiode 8 ist dazu ausgebildet Laserlicht L, insbesondere in Form eines Lichtkegels, durch eine Laserfacette 12 zu emittieren. Die Laserfacette 12 ist insbesondere an einer vorderen Seitenfläche der Laserdiode 8 insbesondere im Bereich des unteren Randes angeordnet. Dies führt zum einen dazu, dass ohne Verwendung des Submountes 5 die Gefahr besteht, dass der von der Laserdiode 8 emittierte Lichtkegel L auf das Trägersubstrat auftrifft und von diesem „beschnitten“ (engl. beam clipping) wird. Zum anderen führt die Position der Laserfacette 12 zu einer im Vergleich zur Oberseite erhöhten Wärmeentwicklung im Bereich der Unterseite der Laserdiode, die über den Submount 5 in Richtung des Trägersubstrates 2 abtransportiert werden muss. Aufgrund der unterschiedlichen Materialien des Submountes 5 sowie insbesondere aufgrund der beiden Lotverbindungen ist ein effiziente Entwärmung insbesondere für Hochleistungslaserdioden kaum zu realisieren.
2 schlägt daher ein verbessertes optoelektronisches Bauelement 1, insbesondere Laserpackage für Hochleistungslaserdioden, vor, welches einen geringeren Wärmewiderstand aufweist und somit die von der Laserdiode 8 erzeugte Energie besser abgeführt werden kann. Anstatt des in 1 dargestellten Submounts weist das optoelektronische Bauelement 1 ein Podest 5b welches auf der ersten Kontaktschicht 3a angeordnet ist und mit diesem einstückig ausgebildet ist. Einstückig kann dabei insbesondere bedeuten, dass das Podest 5b und die erste Kontaktschicht 3a dasselbe Material aufweisen und ineinander übergegen. Insbesondere können das Podest 5b und die erste Kontaktschicht 3a aus Kupfer gebildet sein. Das Podest 5b und die erste Kontaktschicht 3a können somit ein durchgängiges, insbesondere sehr gut elektrisch und thermisch leitfähiges, Bauteil sein, welches in unterschiedliche Bereiche aufgeteilt ist. Dies ist in der 2 mittels der gestrichelten Linie dargestellt. Die Laserdiode 8 ist auf dem Podest mittels einer nicht dargestellten Sinterpaste oder zweiten Lotverbindung auf dem Podest befestigt und mit diesem dadurch elektrisch als auch thermisch verbunden.
Aufgrund der einstückigen Ausbildung kann eine sich insbesondere im Bereich der Unterseite der Laserdiode 8 gebildete Wärme besser in Richtung des Trägersubstrates abgeführt werden, da aufgrund der hohen thermischen Leitfähigkeit des Podestes 5b und der ersten Kontaktschicht 3a und aufgrund der wegfallenden Schnittstelle zwischen dem Podest 5b und der erste Kontaktschicht 3a der Wärmewiderstand, gegenüber dem in 1 dargestellten Laserpackage, deutlich reduziert ist. Es ist somit möglich auch eine Hochleistungslaserdiode mit ihrer vollen optischen Leistung zu betreiben.
Zudem ist die Laserdiode 8, wie eingangs bereits beschrieben, dazu ausgebildet Laserlicht L, insbesondere in Form eines Lichtkegels, durch eine Laserfacette 12 zu emittieren. Die Laserfacette 12 ist insbesondere an einer vorderen Seitenfläche der Laserdiode 8, insbesondere im Bereich des unteren Randes, angeordnet. Durch das Podest 5b und insbesondere durch dessen Höhe v₁ ist die Laserfacette mit einem vertikalen Abstand v₂ von dem Trägersubstart beabstandet. Der von der Laserdiode 8 durch die Laserfacette 12 emittierter Lichtkegel trifft dadurch innerhalb eines vordefinierten horizontalen Abstandes h von der Laserfacette nicht auf das Trägersubstrat 2 auf und wird somit innerhalb dieses vordefinierten horizontalen Abstandes h nicht durch das Trägersubstrat beschnitten. Innerhalb dieses horizontalen Abstandes h kann somit, wie im Folgenden beschrieben, beispielsweise eine Optik angeordnet werden, die den unbeschnittenen Lichtkegel umlenkt. Ohne das Podest hingegen würde der Lichtkegel beschnitten, und die Effizienz des optoelektronischen Bauelementes würde verringert.
Zusätzlich dazu ist die Laserdiode 8 derart auf dem Podest angeordnet, dass die Laserfacette 12 über eine Seitenfläche des Podestes 5b hinaussteht, sodass die Laserfacette nahezu frei in der Luft schwebt. Dadurch wird gewährleistet, dass der von der Laserdiode 8 durch die Laserfacette 12 emittierter Lichtkegel auch nicht auf das Podest 5b auftrifft und durch dieses beschnitten wird.
3A und 3B zeigen eine isometrische Ansicht und eine Schnittansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels eines optoelektronischen Bauelementes 1 nach einigen Aspekten des vorgeschlagenen Prinzips. Das optoelektronische Bauelement 1 weist dabei ein optisches Element 13 in Form eines Prismas im Strahlengang des von der Laserdiode 8 emittierten Lichts L auf. Das optische Element 13 ist dazu ausgebildet, den von der Laserdiode 8 emittierten Lichtkegel L umzulenken, insbesondere um circa 90°. Dadurch, dass das optische Element 13 mit einem horizontalen Abstand h₁ von der Laserfacette 12 entfernt angeordnet ist, wobei h₁ kleiner als der vordefinierte horizontale Abstand h ist, trifft der Lichtkegel L zuerst auf das optische Element auf und wird von diesem umgelenkt, bevor er von dem Trägersubstrat 2 beschnitten würde. Der Lichtkegel trifft also komplett auf das optische Element auf wird nicht von dem Trägersubstrat 2 beschnitten.
Zudem weist das optoelektronische Bauelement 1 der 3A und 3B mehrere Bonddrähte 9 auf, mittels denen die Laserdiode 9 mit der zweiten Kontaktschicht 3b elektrisch verbunden ist. Dies hat den Vorteil, dass zum einen auch über die Oberseite der Laserdiode 8 in verbesserter Weise die in der Laserdiode 8 entstandene Wärme über die mehreren Bonddrähte 9 abgeführt werden kann (größerer Querschnitt und verringerter elektrischer Widerstand), und zum anderen, dass die Ausfallwahrscheinlichkeit der Laserdiode reduziert ist, da trotz eines defekten Bonddrahtes 9 dennoch ein elektrischer Kontakt zwischen der Laserdiode und der zweiten Kontaktschicht 3b vorherrscht. Es ist jedoch auch denkbar, dass die Laserdiode mittels der verschiedenen Bonddrähte jeweils mit einem unterschiedlich hohen Strom beaufschlagt werden kann, um die Intensität des von der Laserdiode emittierten Lichts L zu variieren.
4 zeigt eine isometrische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels eines optoelektronischen Bauelementes 1. Im Gegensatz zu dem in den 2, 3A und 3B dargestellten Beispielen weist das Podest 5b des in 4 gezeigten Ausführungsbeispiels eine gleich große Grundfläche wie die erste Kontaktschicht 3a auf. Eine in senkrechter Richtung auf dem Trägersubstrat 2 gesehene Projektionsfläche des Podestes und der ersten Kontaktschicht 3a sind somit im Wesentlichen gleich groß. Das Podest 5b in Kombination mit der ersten Kontaktschicht 3a weist somit im Gegensatz zu dem in den 2, 3A und 3B keine Stufe auf, sondern bildet im Wesentlichen eine im Vergleich dickere Kontaktschicht.
Auf dem Podest 5b ist wiederum eine Laserdiode 8 mittels einer zweiten Lotverbindung 4b oder Sinter-Paste befestigt und mit diesem elektrisch verbunden. Mittels eins optischen Elements kann zudem der von der Laserdiode 8 emittierte Lichtkegel L umgelenkt werden, sodass das von der Laserdiode in horizontale Richtung emittierte Licht L in vertikale Richtung aus dem optoelektronischen Bauelement 1 austritt.
5 zeigt ein weiteres Laserpackage mit einer Laserdiode 8 auf einem Trägersubstrat 2 mit metallischem Kern. Der metallische Kern wird dabei durch eine erste Kontaktschicht 3a gebildet. Durch das Trägersubstrat 2 sowie durch die erste Kontaktschicht 3a sind zudem elektrisch isolierte Durchkontaktierungen 10 ausgebildet. Eine erste Durchkontaktierung 10a verbindet einen ersten Unterseitenkontakt 11a elektrisch mit der der ersten Kontaktschicht 3a und eine zweite Durchkontaktierung 10b verbindet einen zweiten Unterseitenkontakt 11b mit einer zweiten Kontaktschicht 3b. Die zweite Kontaktschicht 3b ist in einer anderen Ebene angeordnet als die erste Kontaktschicht 3a und wird von dieser mittels des Materials des Trägersubstrates elektrisch isoliert. Mittels einem Bonddraht 9 ist die Laserdiode 8 elektrisch mit der zweiten Kontaktschicht 3b verbunden.
Die Laserdiode 8 ist direkt auf der ersten Kontaktschicht 3a und somit nicht auf einer Erhöhung angeordnet, sodass die Gefahr besteht, dass ein von der Laserdiode 8 emittierter Lichtkegel auf das Trägersubstrat 2 bzw. die erste Kontaktschicht 3a auftrifft und von diesem beschnitten wird.
6 schlägt daher ein diesbezüglich verbessertes optoelektronisches Bauelement 1, insbesondere Laserpackage für Hochleistungslaserdioden, vor. Auf der ersten Kontaktschicht 3a ist dabei ein Podest 5b angeordnet und einstückig mit der ersten Kontaktschicht 3a ausgebildet, auf dem die Laserdiode angeordnet ist. Aufgrund der Höhe v₁ des Podestes 5b ist die Laserfacette mit einem vertikalen Abstand v₂ von dem Trägersubstart beabstandet. Der von der Laserdiode 8 durch die Laserfacette 12 emittierter Lichtkegel trifft dadurch innerhalb eines vordefinierten horizontalen Abstandes h von der Laserfacette nicht auf das Trägersubstrat 2 bzw. die erste Kontaktschicht 3a auf und wird somit innerhalb dieses vordefinierten horizontalen Abstandes h nicht durch das Trägersubstrat oder die erste Kontaktschicht 3a beschnitten.
7 und 8 zeigen jeweils eine Schnittansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels eines optoelektronischen Bauelementes 1 nach einigen Aspekten des vorgeschlagenen Prinzips. Das Trägersubstrat 2 ist dabei aus demselben Material wie die erste Kontaktschicht 3a und das Podest 5b gebildet und mit diesen einstückig ausgebildet. Das Trägersubstrat 2, die erste Kontaktschicht 3a, das Podest und auch der erste Unterseitenkontakt 11a können somit ein durchgängiges, insbesondere sehr gut elektrisch und thermisch leitfähiges, Bauteil sein, welches in unterschiedliche Bereiche aufgeteilt ist. Dies ist in den beiden Figuren mittels der gestrichelten Linie dargestellt.
Auf dem Trägersubstrat 2 ist jeweils ein Rahmen 14 ausgebildet, der sowohl das Podest 5b als auch die auf dem Podest angeordnete Laserdiode 8 umgibt. Die zweite elektrisch leitfähige Kontaktschicht 3b ist innerhalb des Rahmens 14 ausgebildet und mittels einer zweiten Durchkontaktierung 10b elektrisch mit dem zweiten Unterseitenkontakt 11b verbunden.
Das optoelektronische Bauelement 1 in 7 weist zudem einen für zumindest das von der Laserdiode 8 emittierte und mittels dem optischen Element 13 umgelenkte Licht L transparenten Deckel 15 auf, der zusammen mit dem Rahmen 14 die Laserdiode 8 in einem geschlossenen Raum einschließt. Beispielsweise kann der Rahmen 14 zusammen mit dem Deckel 15 das optoelektronische Bauelement 1 auch hermetisch abschließen.
Das optoelektronische Bauelement 1 in 8 weist hingegen kein optisches Element 13 auf, welches das von der Laserdiode 8 in horizontale Richtung emittierte Licht L umlenkt. Vielmehr ist im Rahmen 15 des optoelektronischen Bauelementes 1 im Strahlengang der Laserdiode 8 ein Fenster ausgebildet, welches mit einer für zumindest das von der Laserdiode 8 emittierte Licht L transparenten Verglasung 16 abgedeckt ist. Das von der Laserdiode in horizontale Richtung emittierte Licht kann das optoelektronische Bauelement 1 somit auch in diese Richtung verlassen. Der Deckel 15 hingegen, der zusammen mit dem Rahmen 14 die Laserdiode 8 in einem geschlossenen Raum einschließt, kann entgegen dem vorangegangenen Ausführungsbeispiel nicht transparent ausgeführt sein und beispielsweise durch ein Metall gebildet sein.
9 zeigt Verfahrensschritte zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelementes, insbesondere eines optoelektronischen Bauelementes nach einigen Aspekten des vorgeschlagenen Prinzips. In einem ersten Schritt S1 wird dabei ein Trägersubstrat bereitgestellt, auf das in einem zweiten Schritt S2 eine erste Schicht eines elektrisch leitfähigen Kontaktmaterials aufgebracht wird. In einem weiteren Schritt S3 wird anschließend zumindest bereichsweise eine zweite Schicht des elektrisch leitfähigen Kontaktmaterials auf die erste Schicht des elektrisch leitfähigen Kontaktmaterials aufgebracht, sodass diese ein mit der ersten Schicht einstückig ausgebildetes Podest auf der ersten Schicht ausbildet. Anschließend wird in einem weiteren Schritt S4 wenigstens eine Laserdiode auf dem Podest, insbesondere mittels einer Lotverbindung oder eine Sinterpaste befestigt und mit diesem elektrisch verbunden. Das Podest weist dabei eine derartige Höhe auf, dass die Laserfacette der wenigstens einen Laserdiode einen derartigen vertikalen Abstand zum Trägersubstrat aufweist, dass ein von der Laserdiode durch die Laserfacette emittierter Lichtkegel innerhalb eines vordefinierten horizontalen Abstandes von der Laserfacette nicht auf das Trägersubstrat auftrifft.
Bezugszeichenliste

1: optoelektronisches Bauelement
2: Trägersubstrat
3a: erste Kontaktschicht
3b: zweite Kontaktschicht
4a: erste Lotverbindung
4b: zweite Lotverbindung
5a: Submount
5b: Podest
6: keramisches Basissubstrat
7a: erste Kontaktfläche
7b: zweite Kontaktfläche
8: Laserdiode
9: Bonddraht
10: Durchkontaktierung
10a: erste Durchkontaktierung
10b: zweite Durchkontaktierung
11a: erster Unterseitenkontakt
11b: zweiter Unterseitenkontakt
12: Laserfacette
13: optisches Element
14: Rahmen
15: Deckel
16: Verglasung
L: Lichtkegel
v1: Höhe
v2: vertikaler Abstand
h, h1: horizontaler Abstand

Claims

Optoelektronisches Bauelement (1) umfassend - eine auf einem Trägersubstrat (2) angeordnete elektrisch leitfähige erste Kontaktschicht (3a), - ein auf der ersten Kontaktschicht (3a) angeordnetes und mit diesem einstückig ausgeführtes elektrisch leitfähiges Podest (5b), - wenigstens eine auf dem Podest (5b) angeordnete und mit diesem elektrisch verbundene Laserdiode (8), und - eine elektrisch leitfähige zweite Kontaktschicht (3b) die mit der wenigstens einen Laserdiode (8) elektrisch gekoppelt ist, wobei das Podest (5b) eine derartige Höhe (v₁) aufweist, dass eine Laserfacette (12) der wenigstens einen Laserdiode (8) einen derartigen vertikalen Abstand (v₂) zum Trägersubstrat (2) aufweist, dass ein von der Laserdiode (8) durch die Laserfacette (12) emittierter Lichtkegel (L) innerhalb eines vordefinierten horizontalen Abstandes (h) von der Laserfacette (12) nicht auf das Trägersubstrat (2) auftrifft.
Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 1, wobei die wenigstens eine Laserdiode (8) derart auf dem Podest (5b) angeordnet ist, dass die Laserfacette (12) der wenigstens einen Laserdiode (8) außerhalb der Grundfläche des Podestes (5b) liegt.
Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, wobei die erste Kontaktschicht (3a) und das Podest (5b) eine hohe thermische Leitfähigkeit, insbesondere eine thermische Leitfähigkeit größer 350W/mK aufweisen.
Optoelektronisches Bauelement nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die in senkrechte Richtung zum Trägersubstrat (2) gesehene Projektionsfläche des Podests (5b) größer oder gleich der in senkrechter Richtung zum Trägersubstrat (2) gesehenen Projektionsfläche der wenigstens einen Laserdiode (8) ist.
Optoelektronisches Bauelement nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die in senkrechte Richtung zum Trägersubstrat (2) gesehene Projektionsfläche der ersten Kontaktschicht (3a) größer als die in senkrechte Richtung zum Trägersubstrat (2) gesehene Projektionsfläche des Podests (5b) ist.
Optoelektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die in senkrechte Richtung zum Trägersubstrat (2) gesehene Projektionsfläche der ersten Kontaktschicht (3a) im Wesentlichen der in senkrechter Richtung zum Trägersubstrat (2) gesehenen Projektionsfläche des Podests (5b) entspricht.
Optoelektronisches Bauelement nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die wenigstens eine Laserdiode (8) mittels wenigstens einem Bonddraht (9) und insbesondere mittels einer Vielzahl von Bonddrähten (9) mit der zweiten Kontaktschicht (3b) elektrisch verbunden ist.
Optoelektronisches Bauelement nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die wenigstens eine Laserdiode (8) mittels einer Sinterpaste oder einem Bondmaterial auf dem Podest (5b) angeordnet und mit diesem elektrisch verbunden ist.
Optoelektronisches Bauelement nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei sich zwischen der ersten Kontaktschicht (3a) und der wenigstens einen Laserdiode (8) lediglich eine Schnittstelle befindet.
Optoelektronisches Bauelement nach einem der vorangegangenen Ansprüche, ferner umfassend ein optisches Element (13), welches im Strahlengang des von der wenigstens einen Laserdiode (8) emittierten Lichtkegels (L) angeordnet ist, wobei ein horizontaler Abstand (h₁) des optischen Elementes (13) zur Laserfacette (12) der Laserdiode (8) geringer als der vordefinierte horizontale Abstand (h) ist.
Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 10, wobei das optische Element (13) dazu ausgebildet ist das von der wenigstens einen Laserdiode (8) emittierte Licht (L) umzulenken, und wobei das optische Element (13) insbesondere durch ein Prisma gebildet ist.
Optoelektronisches Bauelement nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Trägersubstrat (2) wenigstens eine elektrische leitfähige Durchkontaktierung (10, 10a, 10b) aufweist.
Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 12, ferner umfassend einen ersten Unterseitenkontakt (11a) und einen zweiten Unterseitenkontakt (11b) auf einer der elektrisch leitfähigen ersten Kontaktschicht (3a) gegenüberliegenden Seite des Trägersubstrates (2), wobei der erste Unterseitenkontakt (11a) mittels einer ersten elektrisch leitfähigen Durchkontaktierung (10a) durch das Trägersubstrat (2) elektrisch mit der ersten Kontaktschicht (3a) verbunden ist, und der zweite Unterseitenkontakt (11b) mittels einer zweiten elektrisch leitfähigen Durchkontaktierung (10b) durch das Trägersubstrat (2) elektrisch mit der zweiten Kontaktschicht (3b) verbunden ist.
Optoelektronisches Bauelement nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Trägersubstrat (2) durch ein elektrisch isolierendes Material gebildet ist.
Optoelektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei das Trägersubstrat (2) einstückig mit der ersten Kontaktschicht (3a), insbesondere in Form eines Leadframes ausgebildet ist.
Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 15, ferner umfassend einen elektrisch isolierenden Rahmen (14), der auf dem Trägersubstrat (2) angeordnet ist und der das Podest (5b) und die wenigstens eine Laserdiode (8) umgibt.
Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 15 oder 16, wobei die zweite Kontaktschicht (3b) eine elektrische Durchkontaktierung (10, 10b) durch den Rahmen (14) aufweist.
Optoelektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 15 bis 17, ferner umfassend einen Deckel (15), der auf dem Rahmen (14) angeordnet ist und diesen abdeckt.
Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements (1) umfassend die Schritte: - Bereitstellen eines Trägersubstrats (2); - Aufbringen einer ersten Schicht eines elektrisch leitfähigen Kontaktmaterials auf das Trägersubstrat (2); - bereichsweises Aufbringen einer zweiten Schicht des elektrisch leitfähigen Kontaktmaterials auf die erste Schicht, sodass diese ein mit der ersten Schicht einstückig ausgebildetes Podest (5b) auf der ersten Schicht ausbildet; und - Anordnen wenigstens einer Laserdiode (8) auf dem Podest (5b), wobei das Podest (5b) eine derartige Höhe (v₁) aufweist, dass eine Laserfacette (12) der wenigstens einen Laserdiode (8) einen derartigen vertikalen Abstand (v₂) zum Trägersubstrat (2) aufweist, dass ein von der Laserdiode (8) durch die Laserfacette (12) emittierter Lichtkegel (L) innerhalb eines vordefinierten horizontalen Abstandes (h) von der Laserfacette (12) nicht auf das Trägersubstrat (2) auftrifft.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei die wenigstens eine Laserdiode (8) derart auf dem Podest (5b) angeordnet wird, dass die Laserfacette (12) der wenigstens einen Laserdiode (8) außerhalb der Grundfläche des Podestes (5b) liegt.
Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, wobei der Schritt des Anordnens der wenigstens einer Laserdiode (8) ein Kompressionsschweißen oder Sintern der wenigstens einen Laserdiode (8) auf das Podest (5b) umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 21, wobei der Schritt des bereichsweisen Aufbringens einer zweiten Schicht ein bereichsweises Aufwachsen des elektrisch leitfähigen Kontaktmaterials umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 22, ferner umfassend ein Strukturieren der ersten Schicht des elektrisch leitfähigen Kontaktmaterials derart, dass diese eine erste elektrisch leitfähige Kontaktschicht (3a) und eine davon elektrisch isolierte zweite elektrisch leitfähige Kontaktschicht (3b) aufweist, wobei das bereichsweise Aufbringen der zweiten Schicht des elektrisch leitfähigen Kontaktmaterials auf die erste elektrisch leitfähige Kontaktschicht (3a) erfolgt.