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Die vorliegende Erfindung betrifft ein optoelektronisches Bauelement und ein Verfahren zum Herstellen eines optoelektronischen Bauelements.
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Halbleiterlaserdioden finden in der Industrie, in der Unterhaltungselektronik und in der Automobilbranche aufgrund ihrer Kompaktheit und aufgrund hochindustrieller Fertigungsprozesse eine weitverbreitete Anwendung. Ein Anwendungsbeispiel aus der Automobilindustrie stellen Laserscanner dar, die als Umfeldsensoren für automatisiertes Fahren verwendet werden. Je nach Anwendung werden bevorzugt entweder Kantenemitter oder Oberflächenemitter verwendet. Je nach Bedarf kann es erforderlich sein, eine Strahldivergenz der Laserdiode zu optimieren. Hierfür ist es erforderlich, ein optisches Element direkt vor der Laserdiode anzubringen.
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Es aus dem Stand der Technik ist es bekannt, eine Mehrzahl von optischen Elementen auf Waferebene, d.h. vor einem Vereinzeln eines Wafers in individuelle optoelektronische Bauelemente, mittels einer Schleuderbeschichtung (englisch: Spin-Coating) über einer Mehrzahl von optoelektronischen Halbleiterchips anzuordnen. Als aufzutragende Materialien können beispielsweise Polymere oder Epoxydharze verwendet werden. Der Ansatz weist jedoch den Nachteil auf, dass typischerweise nur Schichtdicken von wenigen Mikrometern erzielt werden können, was für eine effiziente optische Auslegung, beispielsweise in Form einer hinreichenden Krümmung der optischen Elemente, nicht ausreichend sein kann.
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Es ist ferner aus dem Stand der Technik bekannt, optische Elemente mittels eines Bond-Prozesses über optoelektronischen Halbleiterchips anzuordnen. In diesem Fall wird beispielsweise ein vorstrukturierter Glas- oder Polymer-Wafer mit einem mit optoelektronischen Halbleiterchips versehenen Wafer zusammengefügt und verbunden. Ein Nachteil dieser Methode besteht jedoch darin, dass es zu mechanischen Beschädigungen der optoelektronischen Halbleiterchips kommen kann. Beispielsweise können zur Emission elektromagnetischer Strahlung ausgebildete aktive Strukturen von Oberflächenemittern, die auch als Mesen bezeichnet werden können im Rahmen eines Bondprozesses beschädigt werden.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein verbessertes optoelektronisches Bauelement bereitzustellen und ein verbessertes Verfahren zum Herstellen eines optoelektronischen Bauelements anzugeben. Diese Aufgaben werden durch ein optoelektronisches Bauelement und durch ein Verfahren zum Herstellen eines optoelektronischen Bauelements mit den Merkmalen der jeweils unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Ein Verfahren zum Herstellen eines optoelektronischen Bauelements umfasst folgende Verfahrensschritte. Es wird ein Rahmen auf einer Montagefläche eines Trägers angeordnet. Der Rahmen weist eine Oberseite, eine der Oberseite gegenüberliegende Unterseite und eine Innenwandung auf. An der Innenseite ist ein der Oberseite zugewandter Vorsprung ausgebildet, Der Rahmen wird mit seiner Unterseite an der Montagefläche des Trägers angeordnet, sodass der Rahmen und der Träger eine Kavität einschließen. Ein zur Emission elektromagnetischer Strahlung ausgebildeter optoelektronische Halbleiterchip wird an der Montagefläche des Trägers und in der Kavität angeordnet. Ein optisches Element wird über dem optoelektronischen Halbleiterchip angeordnet. Das optische Element wird mit einer Unterseite des optischen Elements am Vorsprung anliegend angeordnet.
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Das Verfahren ermöglicht es, das optische Element kontaktlos, präzise und ausreichend nah mittels einer Standardverpackungstechnologie der Mikro-Optoelektronik am optoelektronischen Halbleiterchip anzuordnen. Dabei wird insbesondere eine Justage entlang einer Richtung senkrecht zur Montagefläche durch den Fertigungsprozess hochpräzise ermöglicht.
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Gegenüber der Schleuderbeschichtung eines optischen Elements bietet das Verfahren den Vorteil, das optische Element hinsichtlich seiner Schichtdicke nicht beschränkt ist. Dadurch können optische Elemente verschiedenen Designs realisiert werden. Gegenüber einem Bond-Prozess bietet das Verfahren den Vorteil, dass eine mechanische Beschädigung einer Oberseite des optoelektronischen Halbleiterchips vermieden wird und, dass kein aufwändiger und teurer Halbleiterprozess zur Montage des optischen Elements erforderlich ist,
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Insgesamt wird eine kostengünstige Integration des optischen Elements in einen Verpackungsprozess der Mikro-Optoelektronik ermöglicht, um ein kompaktes optoelektronisches Bauelement bereitstellen zu können. Durch das präzise Anordnen des optischen Elements kann beispielsweise eine optische Strahlformung realisiert werden.
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In einer Ausführungsform wird das optische Element beim Anordnen über dem optoelektronischen Halbleiterchip in einer Ebene parallel zur Montagefläche des Trägers relativ zum optoelektronischen Halbleiterchip ausgerichtet. In einer Ausführungsform wird das optische Element beim Anordnen über dem optoelektronischen Halbleiterchip relativ zu wenigstens einer auf einer Oberseite des optoelektronischen Halbleiterchips angeordneten und zur Emission elektromagnetischer Strahlung ausgebildeten aktiven Struktur des optoelektronischen Halbleiterchips ausgerichtet. Vorteilhafterweise können der optoelektronische Halbleiterchip und das optische Element dadurch wie gewünscht relativ zueinander angeordnet werden.
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In einer Ausführungsform erfolgt das Ausrichten des optischen Elements im Betrieb des optoelektronischen Halbleiterchips. In einer Ausführungsform wird ein Strahlprofil von vom optoelektronischen Halbleiterchip emittierter elektromagnetischer Strahlung beim Ausrichten des optischen Elements ermittelt. Das optische Element wird derart ausgerichtet, dass das ermittelte Strahlprofil einem erwünschten Strahlprofil entspricht. Vorteilhafterweise kann dadurch sichergestellt werden, dass das optische Element präzise genug ausgerichtet wurde.
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In einer Ausführungsform wird der Rahmen mittels eines Formverfahrens auf der Montagefläche des Trägers angeordnet. Die von dem Rahmen und dem Träger eingeschlossene Kavität und der Vorsprung an der Innenwandung des Rahmens werden durch eine formgebende Struktur eines beim Formen des Rahmens verwendeten Formwerkzeugs erzeugt. Vorteilhafterweise kann dadurch eine Position des Vorsprungs senkrecht zur Montagefläche des Trägers und damit ein Abstand des optischen Elements zum optoelektronischen Halbleiterchip präzise festgelegt werden.
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Ein Optoelektronisches Bauelement weist einen Gehäusekörper, einen zur Emission elektromagnetischer Strahlung ausgebildeten optoelektronischen Halbleiterchip und ein optisches Element auf. Der Gehäusekörper weist einen Träger und einen Rahmen auf. Der Rahmen weist eine Oberseite, eine der Oberseite gegenüberliegende Unterseite und eine Innenwandung auf. Der Rahmen ist mit seiner Unterseite an einer Montagefläche des Trägers angeordnet ist. Der Träger und der Rahmen schließen eine Kavität ein. Der optoelektronische Halbleiterchip ist an der Montagefläche des Trägers und in der Kavität angeordnet. An der Innenwandung des Rahmens ist ein der Oberseite des Rahmens zugewandter Vorsprung ausgebildet. Das optische Element weist eine untere Seite und eine der unteren Seite gegenüberliegende obere Seite auf. Das optische Element ist über dem optoelektronischen Halbleiterchip und mit der unteren Seite am Vorsprung anliegend angeordnet.
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Das optoelektronische Bauelement weist vorteilhafterweise eine geringe Bauhöhe auf. Beispielsweise kann es eine Bauhöhe von deutlich unter 1 mm aufweisen, wodurch es in platzsensitiven Anwendungen verwendet werden kann. Das optoelektronische Bauelement kann beispielsweise Bestandteil einer Smartwatch oder eines Smartphones sein. Ferner kann das optoelektronische Bauelement beispielsweise Bestandteil eines LiDAR-Systems, eines Mikroprojektors oder eines Partikelsensoren sein. Die Kavität wird durch ein optisches Element vorteilhafterweise abgeschlossen und schützt die den optoelektronischen Halbleiterchip vor weiteren Prozesseinflüssen oder Umwelteinflüssen, so dass eine Degradation durch Gase/Chemikalien deutlich reduziert wird.
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In einer Ausführungsform weist das optische Element zumindest eine der Innenwandung des Rahmens zugewandte Seitenfläche auf. Die Seitenfläche des optischen Elements ist von der Innenwandung des Rahmens beabstandet. Vorteilhafterweise wird dadurch eine Ausrichtung des optischen Elements parallel zur Montagefläche des Trägers und in Bezug auf den optoelektronischen Halbleiterchip ermöglicht.
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In einer Ausführungsform ist der Vorsprung an der Innenwand des Rahmens umlaufend ausgebildet. Dadurch kann vorteilhafterweise eine Verkippung des optischen Elements in Bezug auf den optoelektronischen Halbleiterchip präzise bestimmt werden. In einer Ausführungsform ist der Vorsprung parallel zur Montagefläche des Trägers umlaufend ausgebildet.
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In einer Ausführungsform ist das optische Element vollständig in der Kavität angeordnet. Der Rahmen ragt über das optische Element, d.h. eine Oberseite des Rahmens ist im Bezug auf die Montagefläche des Trägers oberhalb einer Oberseite des optischen Elements angeordnet. Dadurch ist das optische Element vorteilhafterweise gegen mechanische Beschädigungen besser geschützt.
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In der nachfolgenden Beschreibung wird die Erfindung im Zusammenhang mit schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1: ein optoelektronisches Bauelement in einer Querschnittsansicht,
- 2: das optoelektronische Bauelement der 1 in einer Aufsicht und in einer Untersicht,
- 3: Verfahrensschritte eines Verfahrens zum Herstellen eines optoelektronischen Bauelements und
- 4: ein Ausrichten eines optischen Elements im Rahmen eines Verfahrens zum Herstellen des optoelektronischen Bauelements der 1.
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1 zeigt schematisch ein optoelektronisches Bauelement 1 in einer Querschnittsansicht. 2 zeigt zusätzlich das optoelektronische Bauelement 1 der 1 in einer Aufsicht und in einer Untersicht.
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Das optoelektronische Bauelement 1 weist einen Gehäusekörper 2 auf. Der Gehäusekörper 2 weist einen Träger 3 und einen Rahmen 6 auf. Der Träger 3 weist beispielsweise Silizium auf. Der Träger kann jedoch auch ein anderes Material aufweisen. Der Rahmen 6 weist ein Formmaterial auf. Das Formmaterial weist beispielsweise ein Epoxyd auf. Das Formmaterial kann auch Füllstoffe aufweisen, beispielsweise Füllstoffe zur Anpassung eines thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Formmaterials. Das Formmaterial kann auch ein Polymer oder ein Polymer-Glas-Gebinde aufweisen.
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Der Träger 3 weist eine Montagefläche 4 und eine der Montagefläche 4 gegenüberliegenden Unterseite 5 auf. Der Rahmen 6 weist eine Oberseite 7, eine der Oberseite 7 gegenüberliegende Unterseite 8 und eine Innenwandung 9 auf. Der Rahmen 6 ist mit seiner Unterseite 8 auf der Montagefläche 4 des Trägers 3 angeordnet. Der Träger 3 und der Rahmen 6 schließen eine Kavität 10 ein. An der Innenwandung 9 des Rahmens 6 ist ein der Oberseite 7 des Rahmens 6 zugewandter Vorsprung 11 ausgebildet. Der Vorsprung 11 ist innerhalb der Kavität 10 ausgebildet. Der Vorsprung 11 ist an der Innenwand 9 des Rahmens 6 umlaufend ausgebildet, was jedoch nicht zwingend erforderlich ist. Alternativ kann auch eine Mehrzahl von Vorsprüngen 11 an der Innenwandung 9 des Rahmens 6 ausgebildet sein. Der Vorsprung 11 ist in der beispielhaften Ausführungsform gemäß 1 und 2 des optoelektronischen Bauelements 1 parallel zur Montagefläche 4 des Trägers 3 umlaufend ausgebildet. Dies ist jedoch ebenfalls nicht zwingend erforderlich.
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Der Rahmen 6 kann beispielsweise mittels eines Formverfahrens auf der Montagefläche 4 des Trägers 3 angeordnet werden. Beispielsweise kann der Rahmen 6 mittels eines Spritzgussverfahrens auf der Montagefläche 4 angeordnet werden. Die von dem Rahmen 6 und dem Träger 3 eingeschlossene Kavität 10 und der Vorsprung 11 an der Innenwandung 9 des Rahmens 6 kann dabei durch eine formgebende Struktur eines beim Formen des Rahmens 6 verwendeten Formwerkzeugs erzeugt werden. Nach dem Anordnen des Rahmens 6 auf dem Träger 3 kann eine Oberflächenstrukturierung des ausgehärteten Formmaterials erfolgen.
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Das optoelektronische Bauelement 1 weist einen optoelektronischen Halbleiterchip 12 auf. Der optoelektronische Halbleiterchip 12 ist zur Emission elektromagnetischer Strahlung ausgebildet. Der optoelektronische Halbleiterchip 12 kann beispielsweise als eine Laserdiode oder als eine Leuchtdiode ausgebildet sein. Eine geometrische Form des optoelektronischen Halbleiterchips 12 wie in 2 dargestellt quadratisch oder rechteckig sein. Der optoelektronische Halbleiterchip 12 kann jedoch auch eine andere geometrische Form aufweisen.
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Der optoelektronische Halbleiterchip 12 weist eine Unterseite 13 und eine der Unterseite 13 gegenüberliegende Oberseite 14 auf. Der optoelektronische Halbleiterchip 12 ist mit seiner Unterseite 13 an der Montagefläche 4 des Trägers 3 und in der Kavität 10 angeordnet. Der optoelektronische Halbleiterchip 12 ist zur Emission elektromagnetischer Strahlung senkrecht zu seiner Oberseite 14 und senkrecht zur Montagefläche 4 des Trägers 3 ausgebildet. In der beispielhaften Ausführungsform der 1 und der 2 des optoelektronischen Bauelements 1 ist der optoelektronische Halbleiterchip 12 beispielhaft als oberflächenemittierende Laserdiode ausgebildet. Die Laserdiode weist beispielhaft sechzehn zur Emission elektromagnetischer Strahlung ausgebildete aktive Struktur 15 auf. Die Laserdiode weist jedoch wenigstens eine auf der Oberseite 14 angeordnete aktive Struktur 15 auf. Die aktiven Strukturen 15 können auch als Mesen bezeichnet werden. Die Mesen können beispielsweise einen Durchmesser von 5µm bis 50 µm aufweisen, wobei der Durchmesser nicht auf diesen Wertebereich beschränkt ist. Ein Abstand zwischen den Mesen kann beispielsweise 100 µm betragen.
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Zur elektrischen Kontaktierung des optoelektronischen Halbleiterchips 12 weist das optoelektronische Bauelement 1 eine erste Elektrode 16 und eine zweite Elektrode 17 auf. Die erste Elektrode 16 ist auf der Montagefläche 4 des Trägers 3 und in der Kavität 10 angeordnet. Der optoelektronische Halbleiterchip 12 ist auf der ersten Elektrode 16 angeordnet. Der optoelektronische Halbleiterchip 12 ist mittels eines zwischen der ersten Elektrode 16 und dem optoelektronischen Halbleiterchips 12 angeordneten Leitklebers mit der ersten Elektrode 16 verbunden. Die zweite Elektrode 17 ist auf der Oberseite 14 des optoelektronischen Halbleiterchips 12 angeordnet.
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Das optoelektronische Bauelement 1 weist eine erste elektrische Durchführung 19 und eine zweite elektrische Durchführung 20 auf. Die elektrischen Durchführungen 19, 20 erstrecken sich von der Unterseite 5 bis zur Montagefläche 4 durch den Träger 3. Die erste elektrische Durchführung 19 ist mit der ersten Elektrode 16 elektrisch verbunden. Die zweite Elektrode 17 ist über einen Bonddraht 18, der Gold oder Silber aufweist, mit der zweiten elektrischen Durchführung 20 elektrisch verbunden. An der Unterseite 5 des Trägers 3 sind zwei elektrische Anschlüsse 21 angeordnet, die jeweils mit der ersten elektrischen Durchführung 19 und mit der zweiten elektrischen Durchführung 20 elektrisch verbunden sind. Die elektrische Kontaktierung des optoelektronischen Halbleiterchips 12 kann jedoch auch abweichend von der hier geschilderten Kontaktierung realisiert sein. Beispielsweise ist es möglich, dass die erste Elektrode 16 und die zweite Elektrode 17 gemeinsam auf der Oberseite 14 des optoelektronischen Halbleiterchips 121 angeordnet und jeweils mittels eines Bonddrahts 18 mit einer elektrischen Durchführung 19, 20 elektrisch verbunden sind.
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Das optoelektronische Bauelement 1 weist ferner ein optisches Element 22 auf. Das optische Element 22 weist eine untere Seite 23, eine der unteren Seite 23 gegenüberliegende obere Seite 24 und Seitenflächen 25 auf. Das optische Element 22 Das optische Element 22 ist über dem optoelektronischen Halbleiterchip und mit der unteren Seite 23 am Vorsprung 11 angeordnet ist. Das optische Element 22 liegt am Vorsprung 11 an und ist mittels eines Klebers 26 mit dem Vorsprung 11 verbunden.
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Das optische Element 22 ist zur Strahlformung von vom optoelektronischen Halbleiterchips 12 emittierter elektromagnetischer Strahlung vorgesehen. Das optische Element weist beispielsweise eine Linsenstruktur 27 auf, die beispielsweise an der oberen Seite 24 ausgebildet ist. Die Linsenstruktur kann beispielsweise eine Mehrzahl von Kollimationslinsen aufweisen (Mikrolinsen).
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Ein Abstand zwischen der Oberseite 14 des optoelektronischen Halbleiterchips 12 und dem optischen Element 22 wird durch eine Höhe 28 des Vorsprungs 11 und durch eine Dicke 30 des optoelektronischen Halbleiterchips 12 bestimmt. Der Abstand zwischen dem optischen Element 22 und dem optoelektronischen Halbleiterchip 12 kann beispielsweise 0 µm bis 200 µm betragen, ist jedoch nicht auf diesen Wertebereich beschränkt. Eine Dicke 29 des optischen Elements 22 ist beispielhaft derart bemessen, dass der Rahmen 6 in Bezug auf eine senkrecht zur Montagefläche 4 verlaufende Richtung über das optische Element 22 ragt. Dadurch ist das optische Element 22 vollständig in der Kavität 10 angeordnet, wodurch es gegen eine mechanische Beschädigung besser geschützt ist. Es ist jedoch auch möglich, dass die Oberseite 24 des optischen Elements 22 bündig mit der Oberseite 7 des Rahmens 6 abschließt. Die Dicke 30 des optoelektronischen Halbleiterchips 12 kann beispielsweise weniger als 10 µm betragen, sie ist jedoch nicht hierauf beschränkt. Das optische Element 22 kann beispielsweise eine ähnliche Dicke wie der optoelektronische Halbleiterchip 12 aufweisen. Das optische Element 22 kann jedoch auch dicker sein, beispielsweise kann es eine Dicke 29 von 50 µm aufweisen.
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Aufgrund der vertikalen Aufbaureihenfolge des Trägers 3, des optoelektronischen Halbleiterchips 12, des Rahmens 6 und des optischen Elements 22 sind die Toleranz senkrecht zur Montagefläche 4 des Trägers 3 sehr genau bestimmbar. Eine Strahldivergenz des optoelektronischen Halbleiterchips 12 kann beispielsweise ca. 20° betragen. Eine Strahldivergenz des optoelektronischen Bauelements 1, d.h. eine Strahldivergenz der Anordnung aus optoelektronischen Halbleiterchip 12 und dem optischen Element 22 kann beispielsweise 10° betragen. Die Strahldivergenzen sind jedoch nicht auf die angegebenen Werte begrenzt.
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3 zeigt schematisch Verfahrensschritte 41, 42, 43, 44 eines Verfahrens 40 zum Herstellen eines optoelektronischen Bauelements 1 gemäß den 1 und 2.
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In einem ersten Verfahrensschritt 41 erfolgt das Anordnen des Rahmens 6 auf der Montagefläche 4 eines Trägers 3. In einem zweiten Verfahrensschritt 42 wird der optoelektronische Halbleiterchip 12 an der Montagefläche 4 des Trägers 3 und in der Kavität 10 angeordnet. In einem dritten Verfahrensschritt 43 wird das optische Element 22 über dem optoelektronischen Halbleiterchip 12 angeordnet, wobei das optische Element 22 mit seiner Unterseite 23 am Vorsprung 11 anliegend angeordnet wird.
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Das optische Element 22 muss gegebenenfalls am optoelektronischen Halbleiterchip 12 ausgerichtet werden, um eine erwünschtes Strahlprofil generieren zu können. Aus diesem Grund erfolgt in einem optionalen vierten Verfahrensschritt 44 ein Ausrichten des optischen Elements 22 beim Anordnen über dem optoelektronischen Halbleiterchip 12. Das Ausrichten erfolgt in einer Ebene parallel zur Montagefläche 4 des Trägers 3 und relativ zum optoelektronischen Halbleiterchip 12.
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Die notwendige Genauigkeit in der Ausrichtung des optischen Elements 22 in einer Ebene parallel zur Montagefläche 4 des Trägers 3 und relativ zum optoelektronischen Halbleiterchip 12 wird vor allem durch die gewählte Anordnung der aktiven Strukturen 15 auf der Oberseite 14 des optoelektronischen Halbleiterchips 12 bestimmt. Insbesondere für kleine aktive Strukturen 15 ist ein hochgenaues Ausrichten des optischen Elements 22 notwendig. Im Rahmen des vierten Verfahrensschritts 44 kann das optische Element 22 relativ zu wenigstens einer auf der Oberseite 14 des optoelektronischen Halbleiterchips 12 angeordneten und zur Emission elektromagnetischer Strahlung ausgebildeten aktiven Struktur 15 des optoelektronischen Halbleiterchips 12 ausgerichtet werden.
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4 zeigt schematisch das laterale Ausrichten des optischen Elements 22 im Rahmen des vierten Verfahrensschritts 44.
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Das Ausrichten des optischen Elements 22 wird durch einen Abstand 34 zwischen den Seitenflächen 25 des optischen Elements 22 und der Innenwandung 9 des Rahmens 6 ermöglicht. Beim Ausrichten an den aktiven Strukturen wird eine Kamera 32 verwendet. Das optische Element 22 kann mittels eines geeigneten Werkzeugs 31, etwa eines Saugwerkzeugs, aufgenommen und parallel zur Montagefläche 4 des Trägers 3 verschoben werden, bis eine erwünschte Position erreicht ist.
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Das Ausrichten des optischen Elements 22 kann im Betrieb des optoelektronischen Halbleiterchips 12 erfolgen, wodurch das optische Element präziser ausgerichtet werden kann. Zum Ausrichten des optischen Elements 22 im Betrieb des optoelektronischen Halbleiterchips 12 werden die elektrischen Anschlüsse 21 des optoelektronischen Bauelements 1 mit externen Anschlüssen 33 elektrisch verbunden. Ein Strahlprofil von vom optoelektronischen Halbleiterchip 12 emittierter elektromagnetischer Strahlung wird beim Ausrichten des optischen Elements 22 ermittelt, Das optische Element 22 wird derart ausgerichtet, dass das ermittelte Strahlprofil einem erwünschten Strahlprofil entspricht. Zum ermitteln eines Strahlprofils können beispielsweise interferometrische Methoden verwendet werden. Das Strahlprofil kann beispielsweise auch mit einem Shack-Hartmann Sensor ermittelt werden.
