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Es wird ein Verfahren zur Herstellung von Halbleiter-Laserelementen angegeben. Darüber hinaus wird ein entsprechend hergestelltes Halbleiter-Laserelement angegeben.
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Druckschrift
US 2002/0172244 A1 beschreibt einen Laserbarren, der auf einem Träger befestigt ist. Aufgrund des Unterschieds in der thermischen Ausdehnung zwischen dem Träger und dem Laserbarren werden mechanische Spannungen im Laserbarren erzeugt, welche zu einer Zertrennung des Laserbarrens in eine Mehrzahl von Laserdioden führen. Der Träger wird dabei nicht zertrennt.
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Die Verwendung von GaAlAs- und GaInAsP-Halbleitern auf Galliumarsenid-Substraten ist in Zusammenhang mit Halbleiterlaser-Herstellung im „Lexikon Elektronik und Mikroelektronik", 2. Auflage, Berlin (u.a.): Springer, 1993, S.411-431, ISBN 978-3-642-63431-4 (D. Sautter, H. Weinerth) beschrieben. Hierin ist eine Halbleiter-Laserdiode mit einem n-seitigen Substrat offenbart. Eine solche Halbleiter-Laserdiode weist jedoch keinen weiteren Träger auf, wobei das n-seitige Substrat zwischen dem weiteren Träger und einer Halbleiterschichtenfolge angeordnet ist.
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Druckschrift
JP S58-138086 A beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer Mehrzahl von Laserelementen, wobei zunächst ein Halbleiterwafer in eine Mehrzahl von Halbleiter-Laserbarren zerteilt wird, bevor die Laserbarren jeweils in eine Mehrzahl von Halbleiter-Laserelementen vereinzelt werden. Insbesondere wird ein vorstrukturierter Siliziumwafer mit einem Halbleiterwafer zu einem gemeinsamen Verbund mechanisch verbunden, woraufhin der gemeinsame Verbund zu einer Mehrzahl von Laserbarren durchtrennt wird.
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Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, ein Verfahren anzugeben, mit dem eine Vielzahl von Halbleiter-Laserelementen effizient und präzise herstellbar ist.
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Diese Aufgabe wird unter anderem durch ein Verfahren und durch ein Halbleiter-Laserelement mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt des Bereitstellens wenigstens eines Trägerverbunds. In dem Trägerverbund ist eine Vielzahl von Trägern zusammengefasst, wobei die Träger für die fertigen Halbleiter-Laserelemente vorgesehen sind. Beispielsweise handelt es sich bei dem Trägerverbund um einen Streifen eines thermisch leitfähigen Materials, der dazu eingerichtet ist, in die einzelnen Träger unterteilt zu werden.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt des Bereitstellens eines oder mehrerer Laserbarren. Der mindestens eine Laserbarren weist eine Vielzahl von Halbleiter-Laserdioden auf. Die Halbleiter-Laserdioden sind innerhalb des Laserbarrens auf einem gemeinsamen Aufwachssubstrat aufgebracht. Auf diesem Aufwachssubstrat ist eine Halbleiterschichtenfolge für die Halbleiter-Laserdioden erzeugt. Bevorzugt ist die Halbleiterschichtenfolge zusammenhängend und als durchgehende Schicht auf das Aufwachssubstrat epitaktisch gewachsen, insbesondere unmittelbar und in direktem Kontakt.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Halbleiterschichtenfolge eine n-Seite sowie eine p-Seite. Die n-Seite ist n-leitend gestaltet und die p-Seite p-leitend. Zwischen der n-Seite und der p-Seite liegt mindestens eine aktive Zone zur Erzeugung einer Laserstrahlung im Betrieb der fertigen Halbleiter-Laserelemente. Es ist möglich, dass während des Herstellungsverfahrens an dem Laserbarren zeitweise weitere, mechanisch tragende Komponenten als Hilfsträger Verwendung finden.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform befindet sich die n-Seite näher an dem Aufwachssubstrat als die p-Seite. Die n-Seite sowie die p-Seite sind bevorzugt jeweils flächig und durchgehend geformt und senkrecht zu einer Wachstumsrichtung der Halbleiterschichtenfolge orientiert. Eine Dicke der Halbleiterschichtenfolge liegt beispielsweise bei mindestens 2 µm oder 4 µm und/oder bei höchstens 18 µm oder 12 µm.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt des Erzeugens zumindest einer Sollbruchstelle an einer der Halbleiterschichtenfolge abgewandten Substratunterseite des Aufwachssubstrats. Bevorzugt werden mehrere Sollbruchstellen geformt. Jede der Sollbruchstellen liegt in einem Vereinzelungsbereich, der benachbarte Halbleiter-Laserdioden voneinander trennt. Mit anderen Worten ist der Vereinzelungsbereich ein solcher Bereich, in dem eine Separierung des Laserbarrens zu den einzelnen Halbleiter-Laserdioden erfolgt. Bevorzugt ist in jedem Vereinzelungsbereich und somit zwischen jeweils zwei Halbleiter-Laserdioden genau eine Sollbruchstelle vorgesehen.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt des Anbringens des Laserbarrens an dem Trägerverbund. Die Laserbarren werden auf einer Trägeroberseite angebracht, wobei die Substratunterseite der Trägeroberseite zugewandt ist. Es befindet sich die Halbleiterschichtenfolge dann an einer dem Trägerverbund abgewandten Seite des Aufwachssubstrats.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform erfolgt das Anbringen des Laserbarrens auf den Trägerverbund bei einer erhöhten Temperatur, im Vergleich zur Raumtemperatur. Beispielsweise liegt diese Temperatur bei mindestens 200 °C oder 250 °C oder 280 °C oder 300 °C oder 330 °C. Bei dem Anbringen erfolgt eine mechanische und/oder elektrische Kontaktierung des Laserbarrens an den Trägerverbund. Jeweils genau eine der Halbleiter-Laserdioden wird dabei genau einem der Träger aus dem Trägerverbund zugeordnet.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Anbringen des Laserbarrens von einem Abkühlen gefolgt. Gegenüber dem Anbringen wird eine Temperatur des Laserbarrens und des Trägerverbunds dabei reduziert, beispielsweise auf Raumtemperatur, also ungefähr 300 K.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt des Vereinzelns zu den Halbleiter-Laserelementen. Nach dem Vereinzeln sind die Halbleiter-Laserelemente voneinander mechanisch und elektrisch separiert und insbesondere einzeln und unabhängig voneinander handhabbar. Bevorzugt umfasst dabei jedes der Halbleiter-Laserelemente jeweils genau eine der Halbleiter-Laserdioden und genau einen der Träger aus dem Trägerverbund.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform erfolgt der Schritt des Bereitstellens des Laserbarrens vor dem Schritt des Erzeugens der Sollbruchstellen. Ferner erfolgt der Schritt des Erzeugens der Sollbruchstellen vor dem Schritt des Anbringens der Laserbarren. Schließlich wird der Schritt des Anbringens des Laserbarrens insbesondere vor dem Vereinzeln zu den Halbleiter-Laserelementen durchgeführt.
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In mindestens einer Ausführungsform ist das Verfahren zur Herstellung von Halbleiter-Laserelementen eingerichtet. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
- A) Bereitstellen mindestens eines Trägerverbunds mit einer Vielzahl von Trägern für die Halbleiter-Laserelemente,
- B) Bereitstellen mindestens eines Laserbarrens mit einer Vielzahl von Halbleiter-Laserdioden, die ein gemeinsames Aufwachssubstrat und eine darauf aufgewachsene Halbleiterschichtenfolge umfassen, wobei die Halbleiterschichtenfolge eine n-Seite, eine p-Seite und eine dazwischenliegende aktive Zone umfasst und wobei die n-Seite dem Aufwachssubstrat zugewandt ist,
- C) Erzeugen von Sollbruchstellen an einer der Halbleiterschichtenfolge abgewandten Substratunterseite des Aufwachssubstrats,
- D) Anbringen des Laserbarrens auf einer Trägeroberseite des Trägerverbunds, wobei die Substratunterseite der Trägeroberseite zugewandt ist und wobei das Anbringen bei einer erhöhten Temperatur erfolgt und von einem Abkühlen gefolgt wird, und
- E) Vereinzeln zu den Halbleiter-Laserelementen, wobei die Schritte B) bis E) in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt werden.
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In Schritt D) wird dabei bevorzugt jeweils genau eine der Halbleiter-Laserdioden genau einem der Träger aus dem Trägerverbund zugeordnet.
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Bei der Montage von Laserdioden, insbesondere von Monomoden-Laserdioden, sind oft nur kleine Herstellungstoleranzen erlaubt und ein präzises Justieren der Laser ist nötig. Dies ist insbesondere der Fall, falls Laserstrahlung aus der Halbleiter-Laserdiode in einen Lichtleiter eingekoppelt werden soll. Etwa für Strahlung im nahinfraroten Spektralbereich liegt ein Modenfelddurchmesser eines Lichtleiters im Monomodenregime bei ungefähr 4 µm bis 4,5 µm. Um eine gute optische Kopplung zwischen einem Lichtleiter und einem Halbleiter-Laserelement zu erzielen, sind Herstellungstoleranzen von ≤ 3 µm oder ≤ 2 µm erforderlich.
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Im Rahmen des Herstellungsverfahrens sind hierbei die einzelnen Halbleiter-Laserdioden, die beispielsweise epitaktisch auf einem größeren Wafer gewachsen werden, zu vereinzeln und auf einem Träger anzubringen. Zur späteren Vereinfachung der Justage des Halbleiter-Laserelements ist es erforderlich, dass die Halbleiter-Laserdiode präzise relativ zu dem Träger auf dem Träger montiert wird.
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Eine solche präzise Montage der Halbleiter-Laserdiode erfolgt insbesondere über eine Bauteil-Bestückungsmaschine, englisch die bonder. Bei der benötigten hohen Präzision liegt ein Durchsatz solcher Bestückungsmaschinen in der Größenordnung von 500 bis 1000 Stück/Stunde. Das Bestücken ist daher ein signifikanter Kostenfaktor bei der Herstellung.
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Gemäß dem oben angegebenen Herstellungsverfahren erfolgt das Vereinzeln des Laserbarrens zu den Halbleiter-Laserdioden erst nach dem Anbringen an dem Trägerverbund. Hierdurch können der Laserbarren und der Trägerverbund als Ganzes präzise zueinander justiert werden. Somit ist eine Vielzahl von Halbleiter-Laserdioden gleichzeitig relativ zu dem Trägerverbund und den zugehörigen Trägern etwa mit einer Bestückungsmaschine positionierbar. Daher ist der Durchsatz von Halbleiter-Laserelementen, bezogen auf die Kapazität einer Bestückungsmaschine, näherungsweise um einen Faktor, der der Anzahl der Halbleiter-Laserdioden in dem Laserbarren entspricht, erhöhbar. Somit kann eine deutliche Kostensenkung bei der Herstellung erreicht werden.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform handelt es sich bei den fertig gestellten Halbleiter-Laserelementen um kantenemittierende Laser. Eine Emissionsrichtung der Laserdioden ist bevorzugt senkrecht zu einer Stirnseite orientiert. Die Stirnseite ist ferner bevorzugt parallel zu einer Wachstumsrichtung der Halbleiterschichtenfolge und senkrecht zu Seitenflächen des Aufwachssubstrats sowie des Trägers orientiert. An den Seitenflächen findet hierbei eine Vereinzelung aus dem Laserbarren und aus dem Trägerverbund heraus zu den Halbleiter-Laserelementen statt. Die Stirnseite kann senkrecht zu einem Resonator oder einer Längsrichtung des Resonators der Laserdioden ausgerichtet sein.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Trägerverbund aus einem Halbleitermaterial gefertigt. Bevorzugt handelt es sich bei dem Trägerverbund um einen Siliziumträger. Der Siliziumträger kann dotiert oder auch undotiert sein. Entsprechend kann der Trägerverbund elektrisch leitend oder auch elektrisch isolierend gestaltet sein.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform handelt es sich bei dem Aufwachssubstrat um ein GaAs-Substrat. Das Aufwachssubstrat kann ebenfalls dotiert oder undotiert sein.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform basieren die Halbleiterschichtenfolge und/oder die Halbleiter-Laserdioden auf AlnIn1-n-mGamAs mit 0 ≤ n ≤ 1, 0 ≤ m ≤ 1 und n + m ≤ 1. Dabei kann die Halbleiterschichtenfolge Dotierstoffe aufweisen. Die Halbleiter-Laserdiode ist bevorzugt zu einer Emission von Laserstrahlung im Wellenlängenbereich zwischen einschließlich 790 nm und 890 nm oder 805 nm und 855 nm eingerichtet.
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Ebenso ist es möglich, dass die Halbleiter-Laserdiode auf dem Materialsystem AlInGaN oder InP oder AlInGaAsP basiert. Eine Emissionswellenlänge liegt dann im ultravioletten oder blauen Spektralbereich oder im nahen Infrarot, beispielsweise zwischen einschließlich 1,3 µm und 1,5 µm.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform erfolgt das Anbringen des Laserbarrens auf dem Trägerverbund durch Löten. Alternativ hierzu kann eine andere, thermisch induzierte Verbindungsmethode eingesetzt werden, etwa ein Thermokompressionsverfahren. Auch ein elektrisch leitfähiges Kleben mit einem thermisch aushärtenden Kleber ist möglich.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform werden die Sollbruchstellen in dem Aufwachssubstrat mittels Ritzen, Sägen und/oder Laserbestrahlung erzeugt.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird beim Abkühlen eine Temperatur der miteinander verbundenen Laserbarren und des Trägerverbunds um mindestens 250 °C oder 200 °C reduziert. Hierdurch werden thermische Spannungen zwischen dem Laserbarren und dem Trägerverbund induziert.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird der Laserbarren während des Abkühlens zumindest teilweise zu den Halbleiter-Laserdioden vereinzelt. Das heißt, aufgrund der thermisch induzierten Spannungen beim Abkühlen kann der Laserbarren an den zuvor angebrachten Sollbruchstellen in dem Aufwachssubstrat brechen. Hierdurch ist ein Durchbiegen des Trägerverbunds während des Abkühlens vermeidbar oder reduzierbar. Ferner sind weitere Herstellungsschritte einfacher durchführbar. Wegen des Wegfallens des Verbiegens sind ein präziseres Herstellen und Vereinzeln ermöglicht.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird beim Abkühlen nur der Laserbarren vereinzelt und der Trägerverbund bleibt erhalten. Es erfolgt dann in diesem Schritt keine mechanische Separation zwischen benachbarten Trägern des Trägerverbunds.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird nach dem Schritt des Anbringens des Laserbarrens an den Trägerverbund zwischen benachbarten Trägern mindestens eine Sollbruchstelle geformt. Bevorzugt befindet sich zwischen jeweils zwei benachbarten Trägern genau eine Sollbruchstelle. Es ist möglich, dass die Sollbruchstelle mittels kohärenter Strahlung, also Laserstrahlung, erzeugt wird. Alternativ kann die Sollbruchstelle durch ein Ritzen oder ein Sägen oder ein Ätzen ausgebildet werden.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird bei dem Vereinzeln der Trägerverbund durch ein Brechen zu den Trägern separiert. Das Brechen erfolgt bevorzugt über eine Bruchkante, die an einer der Halbleiterschichtenfolge abgewandten Trägerunterseite angelegt wird.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform erstreckt sich die Sollbruchstelle in dem Trägerverbund zu mindestens 25 % oder 40 % durch den Trägerverbund hindurch, in Richtung senkrecht zur Oberseite. Alternativ oder zusätzlich erstreckt sich die Sollbruchstelle zu höchstens 75 % oder 60 % durch den Trägerverbund. Eine mechanische Integrität zwischen benachbarten Trägern ist bei einem solchen Erstellen der Sollbruchstelle bevorzugt nicht oder nicht gänzlich zerstört.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die fertigen Halbleiter-Laserelemente eine Gesamtdicke auf. Als Gesamtdicke ist eine Summe der Dicken der Träger und des Aufwachssubstrats zu verstehen. Die Dicke von eventuellen elektrischen Kontaktierungen und eine Dicke der Halbleiterschichtenfolge selbst werden hierbei vernachlässigt.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt ein Quotient aus der Gesamtdicke und aus einer Breite des Trägers bei mindestens 0,8. Die Breite des Trägers ist senkrecht zu der Wachstumsrichtung der Halbleiterschichtenfolge und senkrecht zu einer Hauptemissionsrichtung der Halbleiter-Laserdioden orientiert.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt ein Quotient aus einer Länge des Trägers und aus der Breite des Trägers bei mindestens 1,2. Die Länge ist parallel zu der Hauptemissionsrichtung ausgerichtet.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die fertigen Halbleiter-Laserelemente eine Breite von mindestens 100 µm oder 150 µm und/oder von höchstens 350 µm oder 250 µm auf. Eine Länge der fertigen Halbleiter-Laserelemente, in Richtung parallel zur Hauptemissionsrichtung, liegt alternativ oder zusätzlich bei mindestens 175 µm oder 250 µm und/oder bei höchstens 700 µm oder 500 µm.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt die Gesamtdicke der Halbleiter-Laserelemente, in Richtung senkrecht zu der Trägeroberseite, bei mindestens 125 µm oder 200 µm. Alternativ oder zusätzlich liegt die Gesamtdicke bei höchstens 600 µm oder 450 µm oder 350 µm.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Laserbarren im Schritt des Anbringens an den Trägerverbund eine Länge von mindestens 5 mm oder 7 mm und/oder von höchstens 20 mm oder 15 mm, insbesondere ungefähr 10 mm, auf. Die Länge ist senkrecht zu der Hauptemissionsrichtung und senkrecht zu der Wachstumsrichtung der Halbleiterschichtenfolge orientiert.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind, nach dem Schritt E), Seitenflächen des zerteilten Aufwachssubstrats, Seitenflächen der Halbleiterschichtenfolge und/oder Seitenflächen der vereinzelten Träger parallel zueinander ausgerichtet. Weiterhin weisen der Träger, das zerteilte Aufwachssubstrat sowie die Halbleiterschichtenfolge innerhalb einer der Halbleiter-Laserdioden oder Halbleiter-Laserelemente bevorzugt gleiche Breiten auf. Ferner schließen die Seitenflächen des zerteilten Aufwachssubstrats und der Träger bevorzugt bündig miteinander ab. Die Seitenflächen des Trägers und des zerteilten Aufwachssubstrats können in einer gemeinsamen Ebene liegen. Die vorgenannten geometrischen Eigenschaften sind bevorzugt mit einer Toleranz von höchstens 6 µm oder 4 µm oder 2 µm verwirklicht.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform überragt der Trägerverbund den Laserbarren an einer der Stirnseite gegenüberliegenden Rückseite. Der Trägerverbund steht dann an der Rückseite über den Laserbarren über.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform bildet der den Laserbarren überragende Teilbereich des Trägerverbunds an der Rückseite einen Haltestreifen aus. Über den Haltestreifen sind die benachbarten Träger, auch nach dem Erstellen der Sollbruchstellen in dem Trägerverbund oder nach einem mechanischen Separieren benachbarter Träger unmittelbar voneinander, noch mechanisch gekoppelt. Ein solcher Haltestreifen ist insbesondere im Schritt D) vorhanden.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird der Haltestreifen teilweise oder vollständig entfernt. Der Haltestreifen ist dann in den fertigen Halbleiter-Laserelementen nicht mehr oder nur noch zum Teil vorhanden.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform unterscheiden sich Wärmeausdehnungskoeffizienten des Aufwachssubstrats und des Trägerverbunds um mindestens einen Faktor 1,5 oder 2 oder 2,5 voneinander. Hierdurch ist es möglich, dass ausreichend große thermische Spannungen während des Abkühlens induziert werden, sodass sich der Laserbarren automatisch vereinzeln kann.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform werden an der Trägeroberseite und/oder an der Substratunterseite Metallisierungen aufgebracht. Es ist möglich, dass für jeden Träger und für jede der Halbleiter-Laserdioden genau eine Metallisierung vorgesehen ist. Die Metallisierungen sind von den Vereinzelungsbereichen zwischen benachbarten Halbleiter-Laserdioden beabstandet und bilden somit keine durchgehende Schicht. Bevorzugt ist die Metallisierung dazu eingerichtet, über ein Löten mit einer weiteren Komponente verbunden zu werden.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt ein Quotient aus der Länge des Laserbarrens und einer Durchbiegung des Trägerverbunds während des gesamten Verfahrens bei mindestens 1200 oder 1500 oder 2000. Mit anderen Worten erfolgt dann keine signifikante Durchbiegung des Trägerverbunds, bezogen auf die Gesamtlänge des Laserbarrens.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Laserbarren im Schritt D) mindestens zehn oder 15 oder 25 der Halbleiter-Laserdioden. Alternativ oder zusätzlich weist der Laserbarren höchstens 60 oder 50 der Halbleiter-Laserdioden auf.
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Darüber hinaus wird ein Halbleiter-Laserelement angegeben. Das Halbleiter-Laserelement ist mit einem Verfahren hergestellt, wie oben beschrieben. Merkmale des Verfahrens sind daher auch für das Halbleiter-Laserelement offenbart und umgekehrt.
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In mindestens einer Ausführungsform umfasst das Halbleiter-Laserelement einen Träger mit einer Stirnseite und einer hierzu bevorzugt senkrecht orientierten Trägeroberseite. Ferner weist das Halbleiter-Laserelement eine Halbleiter-Laserdiode auf, die ein Aufwachssubstrat und eine Halbleiterschichtenfolge zur Erzeugung von Laserstrahlung umfasst. Die Halbleiter-Laserdiode ist an der Trägeroberseite angebracht. Der Träger und die Halbleiter-Laserdiode weisen gleiche Breiten auf und Seitenflächen des Trägers sowie der Halbleiter-Laserdiode schließen bündig miteinander ab und sind bevorzugt parallel zueinander ausgerichtet, insbesondere mit einer Toleranz von höchstens 6 µm oder 4 µm oder 2 µm. Es weisen die Seitenflächen Vereinzelungsspuren auf. Bevorzugt umfasst das Halbleiter-Laserelement genau einen Träger und genau eine Halbleiter-Laserdiode.
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Dass die Seitenflächen Vereinzelungsspuren aufweisen, kann bedeuten, dass die Seitenflächen nach einem Vereinzeln zu den Halbleiter-Laserelementen nicht nachträglich geschliffen oder poliert sind. Die Vereinzelungsspuren können als Aufrauung der Seitenflächen ausgebildet sein. Insbesondere können an den Seitenflächen Spuren einer Laserbearbeitung oder eines Ritzens der Halbleiterschichtenfolge oder des Aufwachssubstrats erkennbar sein.
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Nachfolgend wird ein hier beschriebenes Verfahren sowie ein hier beschriebenes Halbleiter-Laserelement unter Bezugnahme auf die Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen geben dabei gleiche Elemente in den einzelnen Figuren an. Es sind keine maßstäblichen Bezüge dargestellt, vielmehr können einzelne Elemente zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines hier beschriebenen Verfahrens zur Herstellung von hier beschriebenen Halbleiter-Laserelementen, und
- 2 eine schematische Darstellung einer Abwandlung eines Herstellungsverfahrens.
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In den 1A bis 1F ist ein Verfahren zur Herstellung von Halbleiter-Laserelementen 1 dargestellt. Gemäß der perspektivischen Darstellung in 1A wird ein Laserbarren 30 bereitgestellt. Der Laserbarren 30 weist ein Aufwachssubstrat 31 und eine darauf angebrachte Halbleiterschichtenfolge 32 mit zumindest einer aktiven Zone auf. Die Halbleiterschichtenfolge 32 ist epitaktisch gewachsen und einer Substratunterseite 34 abgewandt. An derselben Seite des Aufwachssubstrats 31 wie die Halbleiterschichtenfolge 32 befinden sich Kontaktstellen 4 zu einer elektrischen Kontaktierung der Halbleiterschichtenfolge 32. Die Kontaktstellen 4 sind zum Beispiel Lötpads.
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Der Laserbarren 30 umfasst mehrere Halbleiter-Laserdioden 3. Zwischen benachbarten Halbleiter-Laserdioden 3 befinden sich Vereinzelungsbereiche 9. In den Vereinzelungsbereichen 9 werden bei einem nachfolgenden Vereinzeln die Halbleiter-Laserdioden 3 voneinander separiert, siehe auch 1E. In den Vereinzelungsbereichen 9 befindet sich bevorzugt keine der Kontaktstellen 4.
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Die Laserdioden 3 sind dazu eingerichtet, an einer Frontseite 37 eine Laserstrahlung zu emittieren. Die Frontseite 37 ist senkrecht zu einer Wachstumsrichtung und senkrecht zu einer Hauptemissionsrichtung E orientiert.
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In 1B ist eine schematische Unteransicht des Laserbarrens 30, wie in 1A gezeigt, illustriert. An der Substratunterseite 34 sind die Laserdioden 3 bevorzugt jeweils mit einer Metallisierung 24 versehen. Auch die Metallisierung 24 an den Unterseiten 34 ist je auf genau eine der Laserdioden 3 beschränkt. In den Vereinzelungsbereichen 9 befindet sich jeweils eine Sollbruchstelle 35. Die Sollbruchstelle 35 ist von den Metallisierungen 24 beabstandet. Beispielsweise ist die Sollbruchstelle 35 mittels Ritzen des Aufwachssubstrats 31 hergestellt.
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Bevorzugt reichen die Sollbruchstellen 35 nicht bis an die Frontseite 37 und bis an eine der Frontseite gegenüberliegende Rückseite des Laserbarrens 30 heran. Eine Länge der Sollbruchstellen 35, in Richtung parallel zu der Hauptemissionsrichtung E, liegt zum Beispiel bei mindestens 25 % oder 50 % oder 60 % und/oder bei höchstens 90 % oder 80 % oder 75 % einer Länge der Laserdioden 3, bezogen auf eine Gesamtlänge der Laserdioden 3 entlang der Hauptemissionsrichtung E.
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Beim Verfahrensschritt, wie in der perspektivischen Darstellung in 1A gezeigt, wird ein Trägerverbund 20 bereitgestellt. Der Trägerverbund 20 beinhaltet eine Vielzahl von Trägern 2, die mechanisch untereinander in dem Trägerverbund 20 integriert sind. Der Trägerverbund 20 weist eine Stirnseite 27 und eine hierzu senkrecht orientierte Trägeroberseite 23 auf.
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Die Trägeroberseite 23 ist mit Metallisierungen 24 versehen. Die Metallisierungen 24 sind beispielsweise je aus einer Titanschicht, einer Platinschicht und einer Goldschicht gebildet, die in Richtung weg von dem Trägerverbund 20 aufeinander folgen. In T-förmigen Bereichen liegt die Trägeroberseite 23 stellenweise frei, in diesen Bereichen ist keine Metallisierung aufgebracht. Die Metallisierungen 24 können auch durch AuSn gebildet sein oder AuSn umfassen.
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Der Trägerverbund 20 ist beispielsweise aus einem SiliziumWafer gefertigt. Eine Dicke des Trägerverbunds 20, in Richtung senkrecht zur Trägeroberseite 23, beträgt zum Beispiel ungefähr 200 µm. Eine Breite des Trägerverbunds 20 liegt insbesondere zwischen einschließlich 10 mm und 30 mm, zum Beispiel zirka 20,8 mm. Eine Länge des Trägerverbunds 20 beträgt beispielsweise zwischen einschließlich 0,7 mm und 2,0 mm, insbesondere zirka 1,2 mm.
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Gemäß dem Verfahrensschritt, wie in der perspektivischen Darstellung in 1D zu sehen, wird der Laserbarren 30 an dem Trägerverbund 20 angebracht. Dieses Anbringen erfolgt beispielsweise durch Löten bei einer Temperatur von ungefähr 300 °C. Nach dem Anbringen befinden sich die Sollbruchstellen 35 in dem Aufwachssubstrat 31 zwischen der Halbleiterschichtenfolge 32 und den Trägern 2. Die Sollbruchstellen 35 sind näherungsweise senkrecht zu einer Grenzfläche zwischen dem Laserbarren 30 und dem Trägerverbund 20 orientiert und können parallel zur Hauptemissionsrichtung E verlaufen. Die Sollbruchstelle 35 befindet sich näher an einer n-Seite der Halbleiterschichtenfolge 32 als an einer p-Seite.
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Nach dem Anbringen des Laserbarrens 30 an den Trägerverbund 20 erfolgt ein Abkühlen. Durch das Abkühlen werden Spannungen innerhalb des Aufwachssubstrats 31 und auch innerhalb des Trägerverbunds 20 erzeugt. Basiert das Aufwachssubstrat 31 auf GaAs mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von ungefähr 6,9 ppm/K und der Trägerverbund 20 auf Silizium mit einem Ausdehnungskoeffizienten von ungefähr 2,6 ppm/K, so zieht sich das Aufwachssubstrat 31 beim Abkühlen stärker zusammen als der Trägerverbund 20. Ausgangspunkt bildet hierbei eine Temperatur, bei der der Laserbarren 30 fest an den Trägerverbund 20 gefügt wird, beispielsweise einer Erstarrungstemperatur eines Lots.
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Durch die auftretenden thermischen Spannungen wird entlang der Sollbruchstellen 35 in dem Aufwachssubstrat 31 oder zumindest entlang einiger dieser Sollbruchstellen 35 das Aufwachssubstrat 31 sowie die Halbleiterschichtenfolge 32 in den Vereinzelungsbereichen 9 zerteilt. Mit anderen Worten erfolgt bei dem Abkühlen ein zumindest teilweises Vereinzeln des Laserbarrens 30. Der Trägerverbund 20 bleibt hierbei erhalten. Durch dieses Vereinzeln beim Abkühlen wird ein signifikantes Verbiegen des Trägerverbunds 20 verhindert.
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Dass der Laserbarren 30 in abgekühltem Zustand bereits zu den Halbleiter-Laserdioden 3 vereinzelt ist, ist in 1D nicht dargestellt.
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Nachfolgend werden in den Trägerverbund 20 zwischen benachbarte Träger 2 weitere Sollbruchstellen 25 gefertigt. Bei dem Erstellen der Sollbruchstellen 25 handelt es sich bevorzugt um ein so genanntes Stealth Dicing. Hierbei wird durch nichtlineare Absorption eines fokussierten, gepulsten Laserstrahls mit einer Wellenlänge, für die der Trägerverbund 20 bei moderaten Intensitäten transparent ist, innerhalb des Trägerverbunds 20 eine Schadstelle in dem Material erzeugt. Alternativ hierzu kann das Erstellen der Sollbruchstellen 25 auch über ein Ritzen oder Sägen erfolgen.
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Daraufhin wird der Trägerverbund 20 zu den einzelnen Halbleiter-Laserelementen 1 vereinzelt, siehe 1E. Dies erfolgt beispielsweise durch ein Brechen an einer den Leuchtdioden 3 abgewandten Unterseite des Trägers 2 mit einem im Querschnitt gesehenen keilförmigen Werkzeug 7 an den Sollbruchstellen 25. Hierbei liegt ein lateraler Versatz zwischen den Vereinzelungsbereichen 9 zwischen benachbarten Laserdioden 3 und den Sollbruchstellen 25 in dem Trägerverbund 20 bevorzugt je bei höchstens 6 µm oder 2 µm.
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Die fertig vereinzelten Halbleiter-Laserelemente 1 sind in einer perspektivischen Darstellung in 1F zu sehen. In Richtung weg von der Stirnseite 27 wird die Halbleiter-Laserdiode 3 von dem Träger 2 überragt. Die Halbleiter-Laserdiode 3 sowie der Träger 2 weisen näherungsweise gleiche Breiten auf. Seitenflächen 29, 39 des Trägers 2 und der Halbleiter-Laserdiode 3 weisen Vereinzelungsspuren, nicht gezeichnet, auf.
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An einer der Halbleiter-Laserdiode 3 abgewandten Unterseite des Trägers 2 befindet sich bevorzugt eine weitere, bevorzugt metallische Kontaktstelle 5. Der Träger 2 ist dann bevorzugt elektrisch leitfähig oder weist zumindest eine nicht gezeichnete Durchkontaktierung auf. Alternativ kann sich die Kontaktstelle 5, anders als gezeichnet, in dem Bereich der Trägeroberseite 23 befinden, der die Halbleiter-Laserdiode 3 in Richtung weg von der Frontseite 37 überragt.
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Der optionale Haltestreifen 8, vergleiche 1C, kann vor, während oder nach dem Verfahrensschritt gemäß 1E entfernt werden. Hierzu wird bevorzugt senkrecht zur Hauptemissionsrichtung E entlang einer Längsachse des Trägerverbunds 20 eine weitere, nicht gezeichnete Sollbruchstelle in dem Trägerverbund 20 erzeugt.
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In 2 ist eine Abwandlung eines Herstellungsverfahrens in perspektivischen Darstellungen illustriert. Bei dieser Abwandlung werden zuerst der Trägerverbund 20 aus Silizium und der Laserbarren 30, basierend auf GaAs, bereitgestellt und anschließend zusammengefügt, siehe 2A.
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Bei einem Abkühlen nach dem Zusammenfügen entsteht eine Verspannung in dem zusammengefügten Bauteil, symbolisiert in 2B durch Verspannungslinien 6. Hieraus resultiert in abgekühltem Zustand des Bauteils eine Krümmung, siehe 2C. Diese Krümmung beläuft sich beispielsweise bei einem Laserbarren 30 mit einer Länge von ungefähr 10 mm auf ungefähr 25 µm. Somit ist der Trägerverbund 20 schüsselartig gekrümmt. Hierdurch ist eine Handhabung erschwert. Insbesondere ist eine Genauigkeit bei einem nachträglichen Fertigen von Sollbruchstellen 25 in den Trägerverbund 20, vergleiche 2D, reduziert.
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Nachdem das Bauteil mit dem Trägerverbund 20 und dem Laserbarren 30 abgekühlt ist, werden in dem Laserbarren 30 an einer dem Trägerverbund 20 abgewandten Seite die Sollbruchstellen 35 geformt. Die Sollbruchstellen 35 können sich dann unmittelbar in der Halbleiterschichtenfolge 32 befinden. Insbesondere sind die Sollbruchstellen 35 an einer p-Seite der Halbleiterschichtenfolge 32 ausgebildet, an einer dem Trägerverbund 20 abgewandten Seite des Laserbarrens 30.
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Nachfolgend werden die Sollbruchstellen 25 in dem Trägerverbund 20 erzeugt, beispielsweise mittels Stealth Dicing. Daraufhin kann das Bauteil zu den einzelnen Laserelementen vereinzelt werden, analog zu 1E. Durch die Krümmung und die Verspannung des Laserbarrens 30 ist jedoch ein Vereinzeln mittels Brechen erschwert, da diese Verspannung dem Brechen entgegenwirkt.
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Durch das in Verbindung mit 1 beschriebene Verfahren ist die Vereinzelung insbesondere beim Brechen erleichtert. Das Verfahren gemäß 1 ist somit effizient durchführbar und eine Menge an Ausschuss lässt sich reduzieren.
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Die hier beschriebene Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
