DE19719853A1 - Hochfrequenz-Halbleitermodul - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Hochfrequenz-Halbleiterlaser
modul nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Es ist bekannt, Halbleiterlasermodule für die optische
Nachrichtentechnik im Hochfrequenz-Bereich von mehreren GHz
bzw. Gbit/s einzusetzen. Treiberschaltungen für die HF-Mo
dulation des Halbleiterlasers sind üblicherweise so
ausgelegt, daß der heiße HF-Anschluß negativ und der Masse-An
schluß positiv gepolt ist. Von der Treiberschaltung aus
muß ein HF-Modulationsstrom möglichst verlustarm zur
Laserdiode geführt werden. Hierzu werden Microstrip-Lei
tungen, Coplanarleitungen oder grounded Co
planarleitungen verwendet. Diese Leitungen benötigen einen
dielektrischen Träger, der abhängig von der zu
übertragenden Frequenz und von der Dielektrizitätskon
stanten des Trägers eine bestimmte Dicke und Isolations
fähigkeit haben muß. Bei Microstrip-Leitungen und auf Masse
gelegte bzw. grounded Coplanarleitungen ist die Unterseite
des dielektrischen Trägers zumindest im Bereich unterhalb
der Leitung großflächig metallisiert und auf Massepotential
gelegt. Microstrip-Leitungen haben eine einzelne heiße
Leiterbahn auf der Oberseite des Trägers. Bei
Coplanarleitungen ist der heiße Leiter auf der Träger-
Oberseite beidseitig in einem definierten Abstand von
Masse-Leitungen umgeben. Um Verluste zu vermeiden muß eine
HF-Leitung möglichst genau mit ihrem komplexen Wel
lenwiderstand abgeschlossen werden. Üblicherweise werden
HF-Leitungen mit einem Wellenwiderstand von 25 Ω, 50 Ω
bzw. 75 Ω eingesetzt. Eine Laserdiode hat einen komplexen
Widerstand in der Größe von 3 Ω. Um den Abschluß geeignet
anzupassen wird ein ohmscher Widerstand von entsprechender
Größe in Reihe geschaltet. Berücksichtigt werden muß dabei,
daß auch durch die Montage bedingte parasitäre imaginäre
Widerstandsanteile zum komplexen Gesamtwiderstand
beitragen. Wegen des geringen Widerstandes der Laserdiode
sind besonders Bonddrähte infolge ihrer Induktivität
schädlich, während kapazitive Widerstandsanteile nur einen
sehr geringen Beitrag ergeben. Ein weiterer Gesichtspunkt,
der bei der Montage einer Laserdiode beachtet werden muß,
ist eine ausreichende Abfuhr von Verlustwärme. Aus diesem
Grund muß eine Laserdiode auf einem möglichst gut wärmelei
tenden Träger montiert werden.
Unter Berücksichtigung dieser technologischen Randbedin
gungen wurden nach dem Stand der Technik mehrere Aufbau
konzepte für Hochfrequenz-Halbleiterlasermodule entwickelt.
Baut man eine Laserdiode auf einem hochisolierenden und
gleichzeitig gut wärmeleitenden Substrat wie zum Beispiel
Aluminiumoxid-Keramik auf, lassen sich fast alle oben
genannten Randbedingungen erfüllen. Fig. 1 zeigt einen
solchen herkömmlichen Aufbau. Der Laser-Chip 1 ist auf
einem auf seiner Oberfläche metallisierten und struk
turierten Trägers bzw. Substrat 2, der bzw. das aus einem
isolierenden und gut wärmeleitenden Material wie z. B.
Aluminiumoxid-Keramik besteht, montiert. Dieser Träger 2
trägt gleichzeitig die elektrischen HF-Zuführungen 41 und
43. Der heiße Leiter dieser Zuführungen ist als Microstrip-
Leitung mit einer oberen 41 und unteren 42 Metallisierung
und dem Träger 2 als dielektrischer Zwischenschicht
gebildet. Die Masseleitung 43 liegt auf demselben Potential
wie die Rückseitenmetalliserung 42. Ein Nachteil dabei ist,
daß auf einem Substrat aus Keramik keine hochpräzisen
Führungsnuten für die zur Lichtankopplung erforderlichen
optischen Komponenten wie Mikrolinsen oder optische
Wellenleiter durch mikromechanische Methoden strukturiert
werden können. Eine mikromechanische Strukturierung für
Führungsnuten ist hingegen problemlos durch anisotrope Ätz
technik auf einkristallinen Silizium-Substraten möglich.
Ein Beispiel hierfür ist in der DE 38 09 396 A1 beschrieben.
Ein Träger aus Silizium hat neben der mikromechanischen
Strukturierbarkeit noch den Vorteil, daß er eine sehr gute
Wärmeleitfähigkeit von 151 W/(m.K) hat. Von einer direkt
auf den Silizium-Träger gelöteten Laserdiode wird daher
sehr gut die Verlustwärme abgeleitet. Nachteilig ist jedoch
der niedrige spezifische elektrische Widerstand des
Silizium-Substrats von ca. 700 Ωcm. Es gibt zwar auch
hochohmiges Silizium mit einem spezifischen elektrischen
Widerstand von 6 kΩcm. Wafer aus diesem Silizium sind
jedoch wegen des aufwendigeren Herstellungsprozesses etwa
um den Faktor 100 teurer als normale niederohmige Wafer und
kommen daher für eine Massenproduktion nicht in Frage.
Sollen die elektrischen Leitungen auf dem Silizium-Substrat
geführt werden, muß zur Vermeidung eines Kurzschlusses
mindestens eine der Zuleitungen vom Substrat isoliert
aufgebaut sein. Für die elektrischen HF-Leitungen ist als
Isolationsschicht beispielsweise Polyimid (PI) gut ge
eignet. Die PI-Schichtdicke muß dabei so groß sein, daß bei
Coplanarleitungen das HF-Feld zwischen den auf der PI-Ober
seite angebrachten Leitungen nicht bis in das
darunterliegende Silizium greift. Bei grounded
Coplanarleitungen oder Microstrip-Leitungen wird das
Silizium-Substrat durch eine metallische Grundschicht auf
Massepotential zwischen der PI-Schicht und dem Silizium-
Substrat abgeschirmt. Bei diesen Leitungen ist PI als
Dielektrikum erforderlich, das für einen Frequenzbereich um
5-10 GHz eine Schichtdicke von 10 bis 20 µm haben muß.
Unter Kombination der nach dem Stand der Technik bekannten
Möglichkeiten der Laserdiodenmontage auf dem Substrat und
der HF-Leitungsführung bieten sich auf der Grundlage von
Silizium als mikrostrukturierbares Substrat folgende zwei
Montagekonzepte an.
Beispielsweise kann die Laserdiode 1 oben auf der PI-Schicht
14 angebracht werden (Fig. 2). Dies hätte den
Vorteil, daß sich die HF-Leitungen verlustarm bis zur La
serdiode führen lassen. Wegen der um mehrere Größenord
nungen schlechteren Wärmeleitfähigkeit des PI gegenüber
Silizium wäre eine ausreichende Abfuhr der Verlustwärme der
Laserdiode durch eine so dicke PI-Schicht jedoch nicht
möglich.
Setzt man die Laserdiode auf einen Keramik-Zwischenträger
4, der direkt auf das Silizium-Substrat 10 montiert ist
(Fig. 3), so ist zwar eine ausreichende Wärmeabfuhr ge
währleistet, die zusätzlichen Dickentoleranzen des Zwi
schenträgers 4 und seiner Montageschichten machen jedoch
den Vorteil der hohen Positioniergenauigkeit der in Sili
zium-Haltestrukturen montierten mikrooptischen Komponenten
bezüglich der Lichtaustrittsfläche der Laserdiode wieder
zunichte.
Das Hochfrequenz-Halbleiterlasermodul mit den Merkmalen des
Hauptanspruchs weist demgegenüber den Vorteil auf, daß eine
gute Wärmeabfuhr von der Laserdiode gewährleistet ist und
eine zusätzliche Höhentoleranz bei der Lasermontage
vermieden wird, die HF-Leitung bevorzugt mit PI als
Dielektrikum bevorzugt als Microstrip-Leitung, Co
planarleitung oder grounded Coplanarleitung bis in die Nähe
der Laserdiode geführt und die Laserdiode selbst auf einer
metallischen Lasermontageschicht auf dem Silizium-Substrat
montiert ist.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den
Unteransprüchen zu entnehmen.
In manchen Fällen ist zwischen der Metallschicht, auf der
die Laserdiode montiert wird und dem Silizium-Substrat eine
Isolationsschicht erforderlich, wie nachfolgend erläutert.
Diese Isolationsschicht muß nicht die für die HF-Wellen
leiter erforderliche Dicke haben, da sie sich nur in
unmittelbarer Nähe der Laserdiode befindet, somit die
Leitungsverluste nur sehr gering sind. Andererseits muß die
Isolationsschicht zwischen der Laser-Montageschicht und dem
Silizium-Substrat eine gute Wärmeleitung besitzen. Die
Isolationsschicht besteht vorteilhafterweise aus
Siliziumnitrid und hat eine Dicke zwischen 0,2 µm und 2 µm,
vorzugsweise 1 µm. Siliziumnitrid ist besonders gut
geeignet, weil es bezüglich seiner thermischen Ausdehnung
(2,8.10-6 K-1) gut an das Silizium-Substrat angepaßt ist und
mit 25 W/(K.m) auch eine ausreichende Wärmeleitfähigkeit
besitzt. Zur Haftungsverbesserung kann unter dieser
Siliziumnitridschicht eine weitere Schicht geringer Dicke
von < 0,2 µm angebracht werden. Vorzugsweise besteht diese
Schicht aus Siliziumdioxid. Wegen der geringen
Wärmeleitfähigkeit von nur 1,4 W/(m.K) darf die
Siliziumdioxidschicht nicht dicker sein.
Die Erfindung wird anhand der folgenden Figuren näher er
läutert.
Es zeigen:
Fig. 1 bis 3 Hochfrequenz-Halbleiterlasermodule
gemäß dem Stand der Technik;
Fig. 4a bis 4d schematisch erste bis vierte Ausfüh
rungsformen des erfindungsgemäßen
Hochfrequenz-Halbleiterlasermoduls;
Fig. 5a bis 5d fünfte bis achte Ausführungsformen des
erfindungsgemäßen Hochfrequenz-Halb
leiterlasermoduls;
Fig. 6a bis 6c neunte bis elfte Ausführungsformen des
erfindungsgemäßen Hochfrequenz-Halb
leiterlasermoduls; und
Fig. 7a bis 7c eine zwölfte Ausführungsform des er
findungsgemäßen Hochfrequenz-Halb
leiterlasermoduls;
Für die Herstellung von Laserdioden werden n- und p-do
tierte Halbleiter-Substrate verwendet. Dabei sind n-do
tierte Halbleiter-Substrate bevorzugt, weil sie mit ge
ringerer Versetzungsdichte hergestellt werden können, so
daß die darauf hergestellten Laserdioden eine bessere
Ausbeute und ein besseres Alterungsverhalten haben als im
Fall von p-dotierten Halbleiter-Substraten. Die Laser
dioden-Chips lassen sich entweder so montieren, daß die
Epitaxieschichten mit der aktiven Laserschicht oben (Epi-
up) oder unten (Epi-down) liegen. Die Lage der Epi
taxieschicht und die Art der Dotierung des Halbleiter-Sub
strats bestimmen die Lage der Kathode und der Anode
einer Laserdiode. Da die Treiberschaltungen für den Laser-Mo
dulationsstrom üblicherweise so ausgelegt sind, daß der
heiße Leiter auf negativem Potential liegt, muß die Kathode
der Laserdiode mit dem heißen Leiter verbunden sein. Die
Anode der Laserdiode kann dagegen auch auf Massepotential
liegen.
Die Polaritäten für eine Laserdiode auf einem n- bzw. p-do
tiertem Halbleiter-Substrat mit Epi-up- bzw. Epi-down-Mon
tage sind in den Fig. 4a bis 4d gezeigt. Fig. 4a
zeigt eine Laserdiode, deren Anode auf der Chip-Oberseite
ist. Nur Laserdioden, bei denen die Anode auf der Chip-Un
terseite angeordnet ist, lassen sich direkt auf einer auf
dem Silizium-Substrat aufgebrachten Leiterschicht
montieren. Fig. 4b zeigt eine derartige Laserdiode mit
Epi-down-Montage auf einem n-Halbleiter-Substrat und Fig.
4c mit Epi-up-Montage auf einem p-Halbleiter-Substrat. Im
Fall der Fig. 4a (n-dotiertes Halbleiter-Substrat, Epi-up)
und 4c (p-dotiertes Halbleiter-Substrat, Epi-down) wird
die erfindungsgemäße isolierende Zwischenschicht
eingesetzt.
Die Fig. 5a bis 5d zeigen die erfindungsgemäßen Aus
führungsbeispiele für den Schichtaufbau und die HF-Zu
führung bei den in den Fig. 4a bis 4d gezeigten mögli
chen Chip/Substrat-Polarität für den Fall einer Microstrip-HF-Lei
tung. Alternativ sind als HF-Leitungen die beiden
anderen an sich bekannten Leitungstypen, Coplanarleitung
und grounded Coplanarleitung einsetzbar.
Fig. 5a zeigt ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel
für eine Laserdiode LD mit einem n-dotierten Halbleiter-Sub
strat und oben liegenden Epitaxieschichten und Fig. 5d
für ein p-dotiertes Halbleiter-Substrat mit unten liegenden
Epitaxieschichten. In beiden Fällen ist auf einem Silizium-Sub
strat 10 eine dünne gut wärmeleitende Isolationsschicht
11 aus ca. 1 µm dicken Siliziumnitrid aufgebracht. Da das
Silizium-Substrat 10 zur Erzeugung von Halterungsnuten
mikromechanisch strukturiert werden soll, kann die
Isolationsschicht 11 auch als Ätzmaske für die
mikromechanische Strukturierung verwendet werden. Auf
dieser Isolationsschicht 11 liegt eine erste Leiterschicht
12, die in Bereiche 12a und 12k strukturiert ist. Der
Bereich 12a dieser Leiterschicht 12 liegt auf
Massepotential und ist über einen Bonddraht 13a mit der
obenliegenden Anode A der Laserdiode LD verbunden. Die
Laserdiode LD ist mit ihrer unten liegenden Kathode K auf
dem Bereich 12k der Leiterschicht 12 leitfähig montiert.
Über einem Teil des Bereiches 12a der Leiterschicht 12 ist
eine strukturierte PI-Schicht 14 angeordnet, die als
Dielektrikum für einen HF-Wellenleiter dient und typi
scherweise eine Dicke von 10 µm bis 20 µm hat. Auf dieser
PI-Schicht 14 ist in einer zweiten Leiterschicht der heiße
Leiter 15 des HF-Wellenleiters strukturiert. Dieser ist mit
Bonddrähten 17k und 18k über den in Reihe liegenden
Abschlußwiderstand 16 mit der Leiterschicht 12k verbunden,
auf die die Kathode K der Laserdiode montiert ist.
Die Fig. 5b und 5c zeigen je ein Ausführungsbeispiel für
eine Laserdiode mit n-dotiertem Halbleiter-Substrat und
Epi-down-Montage bzw. für eine p-dotierte Laserdiode und
Epi-up-Montage. Eine isolierende Zwischenschicht ist hier
nicht erforderlich, da die Anode der Laserdiode LD unten
liegt und direkt auf der unteren auf Massepotential
liegenden Leiterschicht 12 montiert ist. Die Leiterschicht
12 muß in diesen Ausführungsbeispielen nicht strukturiert
sein. Der HF-Wellenleiter, bestehend aus einer unteren Lei
terschicht 12, einem Dielektrikum 14 aus PI mit einer Dicke
von 10 bis 20 µm und einer strukturierten oberen heißen
Leiterbahn 5 ist bis nahe an die Laserdiode LD
herangeführt. Der heiße Leiter 15 ist über den in Reihe mit
der Laserdiode liegenden Abschlußwiderstand 16 und über die
Bonddrähte 17k und 18k mit der obenliegenden Kathode K der
Laserdiode LD verbunden.
In den genannten Ausführungsbeispielen gemäß den Fig. 5a
bis 5d kann der HF-Wellenleiter verlustarm bis nahe an die
Laserdiode herangeführt und mit einem Abschlußwiderstand
16, der zusammen mit dem Serienwiderstand der Laserdiode LD
so groß wie der Wellenwiderstand des HF-Wellenleiters sein
muß, abgeschlossen werden. In den obigen
Ausführungsbeispielen sind zur Verbindung des HF-Wellen
leiters mit der Laserdiode LD Bonddrähte eingesetzt. Der
induktive Widerstandsanteil dieser Bonddrähte läßt sich
durch die kapazitiven Widerstandsanteile der Laserdiode
nicht kompensieren und ist daher störend. Um diesen Nach
teil zu beheben werden nachfolgend zwei weitere erfin
dungsgemäße Ausführungsbeispiele für Laserdioden mit n-do
tierten bzw. p-dotierten Halbleiter-Substraten und Epi
down-Montage vorgeschlagen. Hierzu werden Laserdioden
verwendet, die beide Kontakte auf der Epitaxieseite haben.
Die Montage und elektrische Kontaktierung erfolgt über
Lothöcker (engl. - Bumps).
Fig. 6a zeigt im Querschnitt eine Laserdiode 20 mit n-do
tiertem Halbleiter-Substrat und einer nach unten ge
richteten strukturierten Epitaxieseite 21. Die Anode A
liegt an der aktiven Zone 22 und ist dort mit Kontakt
flecken 23 versehen. Die Kathode K ist vom Halbleiter-Sub
strat zur Epitaxieseite 21 seitlich von der aktiven Zone
22 herausgeführt und dort mit Kontaktflecken 24 versehen.
Spiegelbildlich zur Lage der Kontaktflecken 23 und 24 auf
der Oberfläche 21 der Laserdiode 20 sind an den
entsprechenden Stellen auf dem Silizium-Substrat 10 kor
respondierende Anschlußflecken 33 und 34 angeordnet. Die
für die Anodenkontaktierung bestimmten Anschlußflecken
können auf Massepotential liegen und benötigen nicht un
bedingt eine Isolationsschicht gegenüber dem Silizium-
Substrat. Die mit dem heißen Leiter 15 des HF-Wellenleiters
verbundenen Anschlußflecken 34 sind im Bereich der
Laserdiode 20 mit der oben beschriebenen erfindungsgemäßen
dünnen Isolationsschicht 11 elektrisch vom Silizium-
Substrat isoliert. Die Anschlußflecken 33 sind mit der
Massemetallisierung 12 auf dem Silizium-Substrat verbunden.
Die Montage erfolgt nach dem bekannten Flip-Chip-Verfahren
über Lothöcker 35 und 36, die zur mechanischen Befestigung,
zur elektrischen Kontaktierung, zur lateralen Ausrichtung
und zur Wärmeabfuhr dienen. Die Lothöcker können entweder
auf der Laserdiode (Chip-Bumping) oder auf dem Substrat 10
(Substrat-Bumping) aufgebracht sein. Die laterale
Strukturierung der Schichten auf dem Silizium-Substrat 10
ist in Fig. 6b gezeigt. In der Isolationsschicht 11 sind
Aussparungen 33 vorgesehen, die den Kontakt zur darunter
liegenden Massemetallisierung 12 für die Anodenkontaktie
rung ermöglichen. Der über der Dielektrikumschicht 14
liegende heiße Wellenleiter 15 ist am Ende des
Dielektrikums auf die Isolationsschicht 11 heruntergeführt
und so strukturiert, daß die Anschlußflecken 34 für die
Kathodenkontaktierung gebildet sind. Der Abschlußwiderstand
16 ist hier vorteilhafterweise als Schichtwiderstand
integriert. Fig. 6c zeigt die Stukturierung der An
schlußflecken auf der Epitaxieseite der Laserdiode 20. Auf
der aktiven Zone 22 der Laserdiode 20 ist eine Reihe von
Kontaktflecken 23 für die Anode angeordnet. Seitlich davon
liegen auf einer oder beiden Seiten eine oder zwei Reihen
von Anschlußflecken 34 für die Kathode.
Fig. 7a zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Laserdiode
mit einem p-dotiertem Halbleiter-Substrat 20 in Epi-down-Mon
tage. Hier liegt die Kathode auf der aktiven Zone. Der
heiße Leiter muß in diesem Fall zur Chip-Mitte geführt sein
und die Kontaktflächen für den Masseanschluß der Laseranode
sind seitlich davon angeordnet. Hier kann die
Leitergeometrie eines Coplanar-Wellenleiters oder eines
grounded Coplanar-Wellenleiters bis direkt unter die Laser
diode 20 zu den Kontaktflächen geführt werden. Der
Abschlußwiderstand 16 ist wiederum als Schichtwiderstand
integriert.
Die beiden zuletzt anhand der Fig. 6a bis 6c und 7a bis
7c erläuterten Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen
Moduls kommen vollkommen ohne Bonddrähte aus, so daß die
Montage vereinfacht wird und durch Vermeidung von
Bonddrahtinduktivitäten ein noch höherer Frequenzbereich
erschlossen wird.
Claims (11)
1. Hochfrequenz-Halbleiterlasermodul, mit einem Sili
zium-Substrat, insbesondere aus einem niederohmigen
Silizium, einer auf dieser angeordneten Laserdiode
und wenigstens zwei Leitungen zur HF-Zufuhr, von
denen eine durch eine Dielektrikumschicht vom
Silizium-Substrat isoliert ist, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Laserdiode über eine metallische
Montageschicht auf dem Silizium-Substrat angebracht
ist, und daß die HF-Leitung bis in die Nähe der
Laserdiode auf der Dielektrikumschicht verlegt ist.
2. Hochfrequenz-Halbleiterlasermodul nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der metallischen
Montageschicht für die Laserdiode und dem Silizium-
Substrat eine Isolationsschicht angeordnet ist.
3. Hochfrequenz-Halbleiterlasermodul nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Isolationsschicht
eine Siliziumnitridschicht ist.
4. Hochfrequenz-Halbleiterlasermodul nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die Siliziumnitridschicht
eine Dicke zwischen 0,2 µm und 2 µm aufweist.
5. Hochfrequenz-Halbleiterlasermodul nach Anspruch 3
oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Siliziumni
tridschicht über eine Haftverbesserungsschicht auf
dem Substrat angebracht ist.
6. Hochfrequenz-Halbleiterlasermodul nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, daß die Haftverbesserungs
schicht eine Siliziumdioxidschicht ist, die eine
geringere Dicke als die Isolationsschicht hat.
7. Hochfrequenz-Halbleiterlasermodul nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, daß die die Haftverbesse
rungsschicht bildende Siliziumdioxidschicht eine
Dicke < 0,2 µm aufweist.
8. Hochfrequenz-Halbleiterlasermodul nach einem der
Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die
Dielektrikumschicht zur Isolation der HF-Leitung aus
Polyimid (PI) besteht.
9. Hochfrequenz-Halbleiterlasermodul nach einem der
Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die
HF-Leitung als Microstrip-Leitung gebildet ist.
10. Hochfrequenz-Halbleiterlasermodul nach einem der
Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die
HF-Leitung als Coplanarleitung, vor allem als auf
Masse gelegte Coplanarleitung gebildet ist.
11. Hochfrequenz-Halbleiterlasermodul nach einem der
Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die
Laserdiode über zum Substrat weisende Lothöcker mit
den HF-Leitern verbunden ist.
Priority Applications (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19719853A DE19719853A1 (de) | 1997-05-12 | 1997-05-12 | Hochfrequenz-Halbleitermodul |
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