EP0981842A1 - High frequency semiconductor laser module - Google Patents

High frequency semiconductor laser module

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Publication number
EP0981842A1
EP0981842A1 EP98924030A EP98924030A EP0981842A1 EP 0981842 A1 EP0981842 A1 EP 0981842A1 EP 98924030 A EP98924030 A EP 98924030A EP 98924030 A EP98924030 A EP 98924030A EP 0981842 A1 EP0981842 A1 EP 0981842A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
layer
semiconductor laser
laser diode
frequency semiconductor
laser module
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP98924030A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Heiner Hauer
Albrecht Kuke
Eberhard Moess
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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    • H01S5/062Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium by varying the potential of the electrodes
    • H01S5/06226Modulation at ultra-high frequencies

Definitions

  • the invention relates to a high-frequency semiconductor laser module according to the preamble of claim 1.
  • microstrip lines and grounded or grounded coplanar lines the underside of the dielectric carrier is metallized over a large area, at least in the region below the line, and is connected to ground potential.
  • Microstrip lines have a single hot trace on the top of the carrier. at Coplanar lines is the hot one.
  • Conductors on the upper side of the carrier are surrounded on both sides at a defined distance by ground lines.
  • an RF line must be terminated with its complex wave resistance as precisely as possible.
  • HF cables with a characteristic impedance of 25 ⁇ , 50 ⁇ or 75 ⁇ are usually used.
  • a laser diode has a complex resistance in the size of 3 ⁇ . To suitably adjust the termination, an ohmic resistor of the appropriate size is connected in series.
  • Figure 1 shows such a conventional structure.
  • the laser chip 1 is on a substrate or substrate 2 which is metallized and structured on its surface and which is made of a insulating and good heat-conducting material such as aluminum oxide ceramic.
  • This carrier 2 simultaneously carries the electrical HF leads 41 and 43.
  • the hot conductor of these leads is formed as a microstrip line with an upper 41 and lower 42 metallization and the carrier 2 as a dielectric intermediate layer.
  • the ground line 43 is at the same potential as the rear-side metallization 42.
  • a disadvantage here is that no high-precision guide grooves for the optical components required for light coupling, such as microlenses or optical waveguides, can be structured by micromechanical methods on a ceramic substrate.
  • a micromechanical structuring for guide grooves, on the other hand, is possible without problems using anisotropic etching technology on single-crystalline silicon substrates. An example of this is described in DE 3809396 AI.
  • a carrier made of silicon has the advantage that it has a very good thermal conductivity of 151 W / (m * K). The heat loss is therefore very well dissipated from a laser diode soldered directly onto the silicon carrier.
  • the low specific electrical resistance of the silicon substrate of approx. 700 ⁇ cm is disadvantageous.
  • high-resistance silicon with a specific electrical resistance of 6 k ⁇ cm is disadvantageous.
  • wafers made of this silicon are about 100 times more expensive than normal low-resistance wafers due to the more complex manufacturing process and are therefore out of the question for mass production.
  • PI Polyimide
  • PI is well suited as an insulation layer for the electrical HF lines.
  • the PI layer thickness must be so great that in the case of coplanar lines, the HF field between the lines attached to the PI top side does not reach into the silicon underneath.
  • the silicon substrate is shielded by a metallic base layer to ground potential between the PI layer and the silicon substrate.
  • PI as a dielectric, which must have a layer thickness of 10 to 20 ⁇ m for a frequency range around 5 - 10 GHz.
  • the laser diode 1 can be attached on top of the PI layer 14 (FIG. 2). This would have the advantage that the RF lines can be led to the laser diode with little loss. Due to the fact that the thermal conductivity of PI compared to silicon is several orders of magnitude, sufficient dissipation of the heat loss of the laser diode through such a thick PI layer would not be possible.
  • the laser diode is placed on a ceramic intermediate carrier 4 which is mounted directly on the silicon substrate 10 (FIG. 3), sufficient heat dissipation is admittedly ensures that the additional thickness tolerances of the intermediate carrier 4 and its mounting layers negate the advantage of the high positioning accuracy of the micro-optical components mounted in silicon holding structures with respect to the light exit surface of the laser diode.
  • the high-frequency semiconductor laser module with the features of the main claim has the advantage that good heat dissipation from the laser diode is guaranteed and an additional height tolerance during laser assembly is avoided, the RF line preferably with PI as a dielectric, preferably as a microstrip line, Co -
  • the planar line or grounded coplanar line is guided close to the laser diode and the laser diode itself is mounted on a metallic laser mounting layer on the silicon substrate.
  • an insulation layer is required between the metal layer on which the laser diode is mounted and the silicon substrate, as explained below.
  • This insulation layer does not have to have the thickness required for the HF waveguide, since it is only in the immediate vicinity of the laser diode, so that the line losses are only very small.
  • the insulation layer between the laser mounting layer and the silicon substrate must have good heat conduction.
  • the Insulation layer advantageously consists of silicon nitride and has a thickness between 0.2 ⁇ m and 2 ⁇ m, preferably 1 ⁇ m. Silicon nitride is particularly well suited because its thermal expansion (2.8 * 10 ⁇ 6 K "1 ) is well matched to the silicon substrate and also has sufficient thermal conductivity at 25 W / (K * m).
  • This layer preferably consists of silicon dioxide. Because of the low thermal conductivity of only 1.4 W / (m * K), the silicon dioxide layer must not be thicker.
  • FIG. 1 to 3 high-frequency semiconductor laser modules according to the prior art
  • FIGS. 7a to 7c show a twelfth embodiment of the high-frequency semiconductor laser module according to the invention.
  • n- and p-doped semiconductor substrates are used for the manufacture of laser diodes.
  • n-doped semiconductor substrates are preferred because they can be produced with a lower dislocation density, so that the laser diodes produced thereon have a better yield and a better aging behavior than in the case of p-doped semiconductor substrates.
  • the laser diode chips can either be mounted so that the epitaxial layers with the active laser layer are on top (Epi-up) or below (Epi-down). The position of the epitaxial layer and the type of doping of the semiconductor substrate determine the position of the cathode and the anode of a laser diode.
  • the cathode of the laser diode must be connected to the hot conductor.
  • the anode of the laser diode can also be at ground potential.
  • FIGS. 4a to 4d The polarities for a laser diode on an n- or p-doped semiconductor substrate with epi-up or epi-down mounting are shown in FIGS. 4a to 4d.
  • Figure 4a shows a laser diode whose anode is on the top of the chip. Only laser diodes in which the anode is arranged on the underside of the chip can be mounted directly on a conductor layer applied to the silicon substrate.
  • FIG. 4b shows such a laser diode with epi-down mounting on an n-type semiconductor substrate and FIG. 4c with epi-up mounting on a p-type semiconductor substrate.
  • the insulating intermediate layer according to the invention is used.
  • FIGS. 5a to 5d show the exemplary embodiments according to the invention for the layer structure and the HF supply with the possible chip / substrate polarity shown in FIGS. 4a to 4d in the case of a microstrip HF line.
  • the two other line types known per se, coplanar line and grounded coplanar line can be used as HF lines.
  • FIG. 5a shows an exemplary embodiment according to the invention for a laser diode LD with an n-doped semiconductor substrate and top-lying epitaxial layers
  • FIG. 5d for a p-doped semiconductor substrate with bottom-lying epitaxial layers.
  • a thin, good heat-conducting insulation layer 11 made of approximately 1 ⁇ m thick silicon nitride is applied to a silicon substrate 10. Since the silicon substrate 10 is to be micromechanically structured to produce mounting grooves, the insulation layer 11 can also be used as an etching mask for the micromechanical structuring.
  • a first conductor layer lies on this insulation layer 11 12, which is structured in areas 12a and 12k.
  • the region 12a of this conductor layer 12 is at ground potential and is connected to the anode A of the laser diode LD located above via a bonding wire 13a.
  • the laser diode LD with its cathode K located at the bottom is conductively mounted on the region 12k of the conductor layer 12.
  • the hot conductor 15 of the RF waveguide is structured on this PI layer 14 in a second conductor layer. This is connected to the conductor layer 12k, on which the cathode K of the laser diode is mounted, by means of bonding wires 17k and 18k via the terminating resistor 16 which is arranged in series.
  • FIGS. 5b and 5c each show an exemplary embodiment for a laser diode with an n-doped semiconductor substrate and epi-down assembly or for a p-doped laser diode and epi-up assembly.
  • An insulating intermediate layer is not necessary here, since the anode of the laser diode LD is at the bottom and is mounted directly on the lower conductor layer 12, which is at ground potential.
  • the conductor layer 12 need not be structured in these exemplary embodiments.
  • the RF waveguide consisting of a lower conductor layer 12, a dielectric 14 made of PI with a thickness of 10 to 20 ⁇ m and a structured upper hot conductor track 5, is brought close to the laser diode LD.
  • the hot conductor 15 is connected via the terminating resistor 16 which is connected in series with the laser diode and via the bonding wires 17k and 18k to the cathode K of the laser diode LD located above.
  • the RF waveguide can be brought close to the laser diode with little loss and terminated with a terminating resistor 16, which together with the series resistance of the laser diode LD must be as large as the impedance of the RF waveguide .
  • LD bonding wires are used to connect the RF waveguide to the laser diode.
  • FIG. 6 a shows in cross section a laser diode 20 with an n-doped semiconductor substrate and a structured epitaxial side 21 directed downwards.
  • the anode A lies on the active zone 22 and is provided with contact spots 23 there.
  • the cathode K is led out from the semiconductor substrate to the epitaxial side 21 laterally from the active zone 22 and is provided with contact spots 24 there.
  • connection pads 33 and 34 are arranged at the corresponding locations on the silicon substrate 10.
  • the connection pads intended for anode contacting can be at ground potential - and do not necessarily require an insulation layer against the silicon substrate.
  • connection spots 34 connected to the hot conductor 15 of the HF waveguide are electrically insulated from the silicon substrate in the region of the laser diode 20 with the thin insulation layer 11 according to the invention described above.
  • the connection pads 33 are connected to the ground metallization 12 on the silicon substrate.
  • the assembly is carried out according to the known flip-chip method via solder bumps 35 and 36, which are used for mechanical fastening, for electrical contacting, for lateral alignment and for heat dissipation.
  • the solder bumps can either be on the laser diode (chip bumping) or on the substrate 10
  • FIG. 6b The lateral structuring of the layers on the silicon substrate 10 is shown in FIG. 6b. Recesses 33 are provided in the insulation layer 11, which allow contact to the underlying ground metallization 12 for the anode contact.
  • the hot waveguide 15 lying over the dielectric layer 14 is led down to the insulation layer 11 at the end of the dielectric and structured in such a way that the connection pads 34 are formed for the cathode contact.
  • the terminating resistor 16 is advantageously integrated here as a sheet resistor.
  • FIG. 6 c shows the patterning of the connection spots on the epitaxial side of the laser diode 20. A row of contact spots 23 for the anode is arranged on the active zone 22 of the laser diode 20.
  • FIG. 7a shows an exemplary embodiment for a laser diode with a p-doped semiconductor substrate 20 in epi-down mounting.
  • the cathode is on the active zone.
  • the hot conductor must be led to the center of the chip and the contact surfaces for the ground connection of the laser anode are arranged on the side thereof.
  • the conductor geometry of a coplanar waveguide or a grounded coplanar waveguide can be routed to the contact areas directly under the laser diode 20.
  • the terminating resistor 16 is in turn integrated as a sheet resistor.

Abstract

Disclosed is a high frequency semiconductor laser module with a silicone substrate, especially a low resistance siliconized substrate, a laser diode mounted thereon and at least two H-F feeds, one of which is insulated from said siliconized substrate by a dielectric layer. According to the invention, the laser diode is laid on the siliconized substrate by means of a metallic assembly layer, and the H-F layer is moved away so as to be in the vincinity of the laser diode on the dielectric layer.

Description

-Hochfrequenz -Halbleiterlasermodul- -High frequency -semiconductor laser module-
Die Erfindung betrifft ein Hochfrequenz-Halbleiterlaser- modul nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a high-frequency semiconductor laser module according to the preamble of claim 1.
Stand der TechnikState of the art
Es ist bekannt, Halbleiterlasermodule für die optische Nachrichtentechnik im Hochfrequenz-Bereich von mehreren GHz bzw. Gbit/s einzusetzen. Treiberschaltungen für die HF- Modulation des Halbleiterlasers sind üblicherweise so ausgelegt, daß der heiße HF-Anschluß negativ und der Masse- Anschluß positiv gepolt ist. Von der Treiberschaltung aus muß ein HF-Modulationsstrom möglichst verlustarm zur Laserdiode geführt werden. Hierzu werden Microstrip- Leitungen, Coplanarleitungen oder grounded Co- planarleitungen verwendet. Diese Leitungen benötigen einen dielektrischen Träger, der abhängig von der zu übertragenden Frequenz und von der Dielektrizitätskonstanten 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.It is known to use semiconductor laser modules for optical communications in the high-frequency range of several GHz or Gbit / s. Driver circuits for the HF modulation of the semiconductor laser are usually designed in such a way that the hot HF connection is negative and the ground connection has a positive polarity. An RF modulation current must be conducted to the laser diode with as little loss as possible from the driver circuit. For this purpose, microstrip lines, coplanar lines or grounded coplanar lines are used. These lines require a dielectric carrier which, depending on the frequency to be transmitted and on the dielectric constant of the carrier, must have a certain thickness and insulation capability. In the case of microstrip lines and grounded or grounded coplanar lines, the underside of the dielectric carrier is metallized over a large area, at least in the region below the line, and is connected to ground potential. Microstrip lines have a single hot trace on the top of the carrier. at Coplanar lines is the hot one. Conductors on the upper side of the carrier are surrounded on both sides at a defined distance by ground lines. To avoid losses, an RF line must be terminated with its complex wave resistance as precisely as possible. HF cables with a characteristic impedance of 25 Ω, 50 Ω or 75 Ω are usually used. A laser diode has a complex resistance in the size of 3 Ω. To suitably adjust the termination, an ohmic resistor of the appropriate size is connected in series. It must be taken into account that parasitic imaginary resistance components due to the assembly also contribute to the complex overall resistance. Because of the low resistance of the laser diode, bond wires are particularly harmful due to their inductance, while capacitive resistance components make only a very small contribution. Another aspect that must be considered when installing a laser diode is adequate dissipation of heat loss. For this reason, a laser diode must be mounted on a carrier that conducts heat as well as possible.
Unter Berücksichtigung dieser technologischen Randbedingungen wurden nach dem Stand der Technik mehrere Aufbaukonzepte für Hochfrequenz-Halbleiterlasermodule entwikkelt. 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. Figur 1 zeigt einen solchen herkömmlichen Aufbau. Der Laser-Chip 1 ist auf einem auf seiner Oberfläche metallisierten und strukturierten 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 3809396 AI beschrieben.Taking these technological boundary conditions into account, several construction concepts for high-frequency semiconductor laser modules have been developed according to the prior art. If you build a laser diode on a highly insulating and at the same time good heat-conducting substrate such as aluminum oxide ceramic, almost all of the above-mentioned conditions can be met. Figure 1 shows such a conventional structure. The laser chip 1 is on a substrate or substrate 2 which is metallized and structured on its surface and which is made of a insulating and good heat-conducting material such as aluminum oxide ceramic. This carrier 2 simultaneously carries the electrical HF leads 41 and 43. The hot conductor of these leads is formed as a microstrip line with an upper 41 and lower 42 metallization and the carrier 2 as a dielectric intermediate layer. The ground line 43 is at the same potential as the rear-side metallization 42. A disadvantage here is that no high-precision guide grooves for the optical components required for light coupling, such as microlenses or optical waveguides, can be structured by micromechanical methods on a ceramic substrate. A micromechanical structuring for guide grooves, on the other hand, is possible without problems using anisotropic etching technology on single-crystalline silicon substrates. An example of this is described in DE 3809396 AI.
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 geeignet. Die Pl-Schichtdicke muß dabei so groß sein, daß bei Coplanarleitungen das HF-Feld zwischen den auf der PI- Oberseite 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.In addition to the micromechanical structurability, a carrier made of silicon has the advantage that it has a very good thermal conductivity of 151 W / (m * K). The heat loss is therefore very well dissipated from a laser diode soldered directly onto the silicon carrier. However, the low specific electrical resistance of the silicon substrate of approx. 700 Ωcm is disadvantageous. There is also high-resistance silicon with a specific electrical resistance of 6 kΩcm. However, wafers made of this silicon are about 100 times more expensive than normal low-resistance wafers due to the more complex manufacturing process and are therefore out of the question for mass production. If the electrical lines are to be routed on the silicon substrate, a short circuit must be avoided at least one of the feed lines must be isolated from the substrate. Polyimide (PI), for example, is well suited as an insulation layer for the electrical HF lines. The PI layer thickness must be so great that in the case of coplanar lines, the HF field between the lines attached to the PI top side does not reach into the silicon underneath. In the case of grounded coplanar lines or microstrip lines, the silicon substrate is shielded by a metallic base layer to ground potential between the PI layer and the silicon substrate. These cables require PI as a dielectric, which must have a layer thickness of 10 to 20 μm for a frequency range around 5 - 10 GHz.
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.Combining the possibilities of laser diode mounting on the substrate and the HF line routing known from the prior art, the following two mounting concepts are available on the basis of silicon as a microstructurable substrate.
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 Laserdiode 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.For example, the laser diode 1 can be attached on top of the PI layer 14 (FIG. 2). This would have the advantage that the RF lines can be led to the laser diode with little loss. Due to the fact that the thermal conductivity of PI compared to silicon is several orders of magnitude, sufficient dissipation of the heat loss of the laser diode through such a thick PI layer would not be possible.
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 Zwischenträgers 4 und seiner Montageschichten machen jedoch den Vorteil der hohen Positioniergenauigkeit der in Silizium-Haltestrukturen montierten mikrooptischen Komponenten bezüglich der Lichtaustrittsfläche der Laserdiode wieder zunichte.If the laser diode is placed on a ceramic intermediate carrier 4 which is mounted directly on the silicon substrate 10 (FIG. 3), sufficient heat dissipation is admittedly ensures that the additional thickness tolerances of the intermediate carrier 4 and its mounting layers negate the advantage of the high positioning accuracy of the micro-optical components mounted in silicon holding structures with respect to the light exit surface of the laser diode.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
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.The high-frequency semiconductor laser module with the features of the main claim has the advantage that good heat dissipation from the laser diode is guaranteed and an additional height tolerance during laser assembly is avoided, the RF line preferably with PI as a dielectric, preferably as a microstrip line, Co - The planar line or grounded coplanar line is guided close to the laser diode and the laser diode itself is mounted on a metallic laser mounting layer on the silicon substrate.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.Further advantageous embodiments of the invention can be found in the subclaims.
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- Wellenleiter 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.In some cases, an insulation layer is required between the metal layer on which the laser diode is mounted and the silicon substrate, as explained below. This insulation layer does not have to have the thickness required for the HF waveguide, since it is only in the immediate vicinity of the laser diode, so that the line losses are only very small. On the other hand, the insulation layer between the laser mounting layer and the silicon substrate must have good heat conduction. The Insulation layer advantageously consists of silicon nitride and has a thickness between 0.2 μm and 2 μm, preferably 1 μm. Silicon nitride is particularly well suited because its thermal expansion (2.8 * 10 ~ 6 K "1 ) is well matched to the silicon substrate and also has sufficient thermal conductivity at 25 W / (K * m). To improve adhesion a further layer of less than 0.2 μm thickness can be applied under this silicon nitride layer. This layer preferably consists of silicon dioxide. Because of the low thermal conductivity of only 1.4 W / (m * K), the silicon dioxide layer must not be thicker.
Zeichnungdrawing
Die Erfindung wird anhand der folgenden Figuren näher erläutert .The invention is illustrated by the following figures.
Es zeigen:Show it:
Figuren 1 bis 3 Hochfrequenz-Halbleiterlasermodule gemäß dem Stand der Technik;Figures 1 to 3 high-frequency semiconductor laser modules according to the prior art;
Figuren 4a bis 4d schematisch erste bis vierte Ausfüh- rungsformen des erfindungsgemäßenFigures 4a to 4d schematically first to fourth embodiments of the invention
Hochfrequenz-Halbleiterlasermoduls ;High frequency semiconductor laser module;
Figuren 5a bis 5d fünfte bis achte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Hochfrequenz- Halbleiterlasermoduls ; Figuren 6a bis 6c neunte bis elfte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Hochfrequenz- Halbleiterlasermoduls; undFigures 5a to 5d fifth to eighth embodiments of the high-frequency semiconductor laser module according to the invention; Figures 6a to 6c ninth to eleventh embodiments of the high-frequency semiconductor laser module according to the invention; and
Figuren 7a bis 7c eine zwölfte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Hochfrequenz-Halbleiterlasermoduls ;FIGS. 7a to 7c show a twelfth embodiment of the high-frequency semiconductor laser module according to the invention;
Beschreibung der AusführungsbeispieleDescription of the embodiments
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 geringerer 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 Laserdioden-Chips lassen sich entweder so montieren, daß die Epitaxieschichten mit der aktiven Laserschicht oben (Epi- up) oder unten (Epi-down) liegen. Die Lage der Epitaxieschicht und die Art der Dotierung des Halbleiter- Substrats bestimmen die Lage der Kathode und der Anode einer Laserdiode. Da die Treiberschaltungen für den Laser- Modulationsstrom 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.For the manufacture of laser diodes, n- and p-doped semiconductor substrates are used. Here, n-doped semiconductor substrates are preferred because they can be produced with a lower dislocation density, so that the laser diodes produced thereon have a better yield and a better aging behavior than in the case of p-doped semiconductor substrates. The laser diode chips can either be mounted so that the epitaxial layers with the active laser layer are on top (Epi-up) or below (Epi-down). The position of the epitaxial layer and the type of doping of the semiconductor substrate determine the position of the cathode and the anode of a laser diode. Since the driver circuits for the laser modulation current are usually designed such that the hot conductor is at a negative potential, the cathode of the laser diode must be connected to the hot conductor. In contrast, the anode of the laser diode can also be at ground potential.
Die Polaritäten für eine Laserdiode auf einem n- bzw. p- dotiertem Halbleiter-Substrat mit Epi-up- bzw. Epi-down- Montage sind in den Figuren 4a bis 4d gezeigt. Figur 4a zeigt eine Laserdiode, deren Anode auf der Chip-Oberseite ist. Nur Laserdioden, bei denen die Anode auf der Chip- Unterseite angeordnet ist, lassen sich direkt auf einer auf dem Silizium-Substrat aufgebrachten Leiterschicht montieren. Figur 4b zeigt eine derartige Laserdiode mit Epi-down-Montage auf einem n-Halbleiter-Substrat und Figur 4c mit Epi-up-Montage auf einem p-Halbleiter-Substrat . Im Fall der Figuren 4a (n-dotiertes Halbleiter-Substrat, Epi- up) und 4c (p-dotiertes Halbleiter-Substrat, Epi-down) wird die erfindungsgemäße isolierende Zwischenschicht eingesetzt .The polarities for a laser diode on an n- or p-doped semiconductor substrate with epi-up or epi-down mounting are shown in FIGS. 4a to 4d. Figure 4a shows a laser diode whose anode is on the top of the chip. Only laser diodes in which the anode is arranged on the underside of the chip can be mounted directly on a conductor layer applied to the silicon substrate. FIG. 4b shows such a laser diode with epi-down mounting on an n-type semiconductor substrate and FIG. 4c with epi-up mounting on a p-type semiconductor substrate. In the case of FIGS. 4a (n-doped semiconductor substrate, epi-down) and 4c (p-doped semiconductor substrate, epi-down), the insulating intermediate layer according to the invention is used.
Die Figuren 5a bis 5d zeigen die erfindungsgemäßen Aus- führungsbeispiele für den Schichtaufbau und die HF-Zu- führung bei den in den Figuren 4a bis 4d gezeigten möglichen Chip/Substrat-Polarität für den Fall einer Microstrip- HF-Leitung. Alternativ sind als HF-Leitungen die beiden anderen an sich bekannten Leitungstypen, Coplanarleitung und grounded Coplanarleitung einsetzbar.FIGS. 5a to 5d show the exemplary embodiments according to the invention for the layer structure and the HF supply with the possible chip / substrate polarity shown in FIGS. 4a to 4d in the case of a microstrip HF line. Alternatively, the two other line types known per se, coplanar line and grounded coplanar line, can be used as HF lines.
Figur 5a zeigt ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel für eine Laserdiode LD mit einem n-dotierten Halbleiter- Substrat und oben liegenden Epitaxieschichten und Figur 5d für ein p-dotiertes Halbleiter-Substrat mit unten liegenden Epitaxieschichten. In beiden Fällen ist auf einem Silizium- Substrat 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.FIG. 5a shows an exemplary embodiment according to the invention for a laser diode LD with an n-doped semiconductor substrate and top-lying epitaxial layers, and FIG. 5d for a p-doped semiconductor substrate with bottom-lying epitaxial layers. In both cases, a thin, good heat-conducting insulation layer 11 made of approximately 1 μm thick silicon nitride is applied to a silicon substrate 10. Since the silicon substrate 10 is to be micromechanically structured to produce mounting grooves, the insulation layer 11 can also be used as an etching mask for the micromechanical structuring. A first conductor layer lies on this insulation layer 11 12, which is structured in areas 12a and 12k. The region 12a of this conductor layer 12 is at ground potential and is connected to the anode A of the laser diode LD located above via a bonding wire 13a. The laser diode LD with its cathode K located at the bottom is conductively mounted on the region 12k of the conductor layer 12. A structured PI layer 14, which serves as a dielectric for an HF waveguide and typically has a thickness of 10 μm to 20 μm, is arranged over part of the region 12a of the conductor layer 12. The hot conductor 15 of the RF waveguide is structured on this PI layer 14 in a second conductor layer. This is connected to the conductor layer 12k, on which the cathode K of the laser diode is mounted, by means of bonding wires 17k and 18k via the terminating resistor 16 which is arranged in series.
Die Figuren 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 Leiterschicht 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 Figuren 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-Wellenleiters 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 Nachteil zu beheben werden nachfolgend zwei weitere erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele für Laserdioden mit n- dotierten 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) .FIGS. 5b and 5c each show an exemplary embodiment for a laser diode with an n-doped semiconductor substrate and epi-down assembly or for a p-doped laser diode and epi-up assembly. An insulating intermediate layer is not necessary here, since the anode of the laser diode LD is at the bottom and is mounted directly on the lower conductor layer 12, which is at ground potential. The conductor layer 12 need not be structured in these exemplary embodiments. The RF waveguide, consisting of a lower conductor layer 12, a dielectric 14 made of PI with a thickness of 10 to 20 μm and a structured upper hot conductor track 5, is brought close to the laser diode LD. The hot conductor 15 is connected via the terminating resistor 16 which is connected in series with the laser diode and via the bonding wires 17k and 18k to the cathode K of the laser diode LD located above. In the above-mentioned exemplary embodiments according to FIGS. 5a to 5d, the RF waveguide can be brought close to the laser diode with little loss and terminated with a terminating resistor 16, which together with the series resistance of the laser diode LD must be as large as the impedance of the RF waveguide . In the above exemplary embodiments, LD bonding wires are used to connect the RF waveguide to the laser diode. The inductive resistance component of these bond wires cannot be compensated for by the capacitive resistance components of the laser diode and is therefore disruptive. In order to remedy this disadvantage, two further exemplary embodiments according to the invention for laser diodes with n-doped or p-doped semiconductor substrates and epi-down mounting are proposed below. Laser diodes are used for this, which have both contacts on the epitaxial side. The assembly and electrical contacting takes place via solder bumps.
Figur 6a zeigt im Querschnitt eine Laserdiode 20 mit n- dotiertem Halbleiter-Substrat und einer nach unten gerichteten 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- Substrat 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 korrespondierende Anschlußflecken 33 und 34 angeordnet. Die für die Anodenkontaktierung bestimmten Anschlußflecken können auf Massepotential liegen -und benötigen nicht unbedingt 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 10FIG. 6 a shows in cross section a laser diode 20 with an n-doped semiconductor substrate and a structured epitaxial side 21 directed downwards. The anode A lies on the active zone 22 and is provided with contact spots 23 there. The cathode K is led out from the semiconductor substrate to the epitaxial side 21 laterally from the active zone 22 and is provided with contact spots 24 there. Corresponding to the position of the contact pads 23 and 24 on the surface 21 of the laser diode 20, corresponding connection pads 33 and 34 are arranged at the corresponding locations on the silicon substrate 10. The connection pads intended for anode contacting can be at ground potential - and do not necessarily require an insulation layer against the silicon substrate. The connection spots 34 connected to the hot conductor 15 of the HF waveguide are electrically insulated from the silicon substrate in the region of the laser diode 20 with the thin insulation layer 11 according to the invention described above. The connection pads 33 are connected to the ground metallization 12 on the silicon substrate. The assembly is carried out according to the known flip-chip method via solder bumps 35 and 36, which are used for mechanical fastening, for electrical contacting, for lateral alignment and for heat dissipation. The solder bumps can either be on the laser diode (chip bumping) or on the substrate 10
(Substrat-Bumping) aufgebracht sein. Die laterale Strukturierung der Schichten auf dem Silizium-Substrat 10 ist in Figur 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. Figur 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. Figur 7a zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Laserdiode mit einem p-dotiertem Halbleiter-Substrat 20 in Epi-down- Montage. 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 .(Substrate bumping). The lateral structuring of the layers on the silicon substrate 10 is shown in FIG. 6b. Recesses 33 are provided in the insulation layer 11, which allow contact to the underlying ground metallization 12 for the anode contact. The hot waveguide 15 lying over the dielectric layer 14 is led down to the insulation layer 11 at the end of the dielectric and structured in such a way that the connection pads 34 are formed for the cathode contact. The terminating resistor 16 is advantageously integrated here as a sheet resistor. FIG. 6 c shows the patterning of the connection spots on the epitaxial side of the laser diode 20. A row of contact spots 23 for the anode is arranged on the active zone 22 of the laser diode 20. One or two rows of pads 34 for the cathode lie laterally on one or both sides thereof. FIG. 7a shows an exemplary embodiment for a laser diode with a p-doped semiconductor substrate 20 in epi-down mounting. Here the cathode is on the active zone. In this case, the hot conductor must be led to the center of the chip and the contact surfaces for the ground connection of the laser anode are arranged on the side thereof. Here, the conductor geometry of a coplanar waveguide or a grounded coplanar waveguide can be routed to the contact areas directly under the laser diode 20. The terminating resistor 16 is in turn integrated as a sheet resistor.
Die beiden zuletzt anhand der Figuren 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. The two exemplary embodiments of the module according to the invention explained last with reference to FIGS. 6a to 6c and 7a to 7c do completely without bond wires, so that assembly is simplified and an even higher frequency range is developed by avoiding bond wire inductances.

Claims

Patentansprüche claims
1. Hochfrequenz-Halbleiterlasermodul, mit einem Silizium-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 gekennzeichnet, 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.1. High-frequency semiconductor laser module, with a silicon substrate, in particular made of a low-resistance silicon, a laser diode arranged thereon and at least two lines for HF supply, one of which is insulated from the silicon substrate by a dielectric layer, characterized in that the Laser diode is attached via a metallic mounting layer on the silicon substrate, and that the RF line is laid close to the laser diode on the dielectric layer.
2. Hochfrequenz-Halbleiterlasermodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der metallischen Montageschicht für die Laserdiode und dem Silizium- Substrat eine Isolationsschicht angeordnet ist.2. High-frequency semiconductor laser module according to claim 1, characterized in that an insulation layer is arranged between the metallic mounting layer for the laser diode and the silicon substrate.
3. Hochfrequenz-Halbleiterlasermodul nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolationsschicht eine Siliziumnitridschicht ist.3. High-frequency semiconductor laser module according to claim 2, characterized in that the insulation layer is a silicon nitride layer.
4. Hochfrequenz-Halbleiterlasermodul nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Siliziumnitridschicht eine Dicke zwischen 0,2 μm und 2 μm aufweist.4. High-frequency semiconductor laser module according to claim 3, characterized in that the silicon nitride layer has a thickness between 0.2 microns and 2 microns.
Hochfrequenz-Halbleiterlasermodul nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Siliziumni- tridschicht über eine Haftverbesserungsschicht auf dem Substrat angebracht ist .High-frequency semiconductor laser module according to claim 3 or 4, characterized in that the silicon tridschicht is attached to the substrate via an adhesion improvement layer.
6. Hochfrequenz-Halbleiterlasermodul nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Haftverbesserungsschicht eine Siliziumdioxidschicht ist, die eine geringere Dicke als die Isolationsschicht hat.6. High-frequency semiconductor laser module according to claim 5, characterized in that the adhesion improvement layer is a silicon dioxide layer which has a smaller thickness than the insulation layer.
7. Hochfrequenz-Halbleiterlasermodul nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die die Haftverbesserungsschicht bildende Siliziumdioxidschicht eine Dicke > 0,2 μm aufweist.7. High-frequency semiconductor laser module according to claim 6, characterized in that the silicon dioxide layer forming the adhesion improvement layer has a thickness> 0.2 μm.
8. Hochfrequenz-Halbleiterlasermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die8. High-frequency semiconductor laser module according to one of claims 1 to 7, characterized in that the
Dielektrikumschicht zur Isolation der HF-Leitung aus Polyimid (PI) besteht.Dielectric layer for insulation of the HF line consists of polyimide (PI).
9. Hochfrequenz-Halbleiterlasermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die9. High-frequency semiconductor laser module according to one of claims 1 to 8, characterized in that the
HF-Leitung als Microstrip-Leitung gebildet ist.RF line is formed as a microstrip line.
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.10. High-frequency semiconductor laser module according to one of claims 1 to 8, characterized in that the RF line is formed as a coplanar line, especially as a grounded coplanar line.
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. 11. High-frequency semiconductor laser module according to one of claims 1 to 8, characterized in that the laser diode is connected via solder bumps pointing to the substrate with the RF conductors.
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Families Citing this family (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10031657A1 (en) * 2000-06-29 2002-01-24 Siemens Ag High-frequency component
JP2002151781A (en) 2000-11-10 2002-05-24 Mitsubishi Electric Corp Light element module
EP1225667B1 (en) * 2001-01-19 2017-05-17 The Furukawa Electric Co., Ltd. Silicon platform for optical modules and methd of manufacturing
US6882761B2 (en) 2001-01-22 2005-04-19 The Furukawa Electric Co., Ltd. Silicon platform for optical modules
JP3788249B2 (en) * 2001-02-23 2006-06-21 住友電気工業株式会社 Light emitting module
DE10210533B4 (en) * 2002-03-05 2010-02-04 Infineon Technologies Ag Optoelectronic module with impedance matching
US7079559B2 (en) * 2003-02-25 2006-07-18 Tyco Electronics Corporation Flip-chip automatically aligned optical device
US7361936B2 (en) * 2003-08-15 2008-04-22 Finisar Corporation Optical transmission and/or receiving device
DE202006005148U1 (en) * 2006-03-29 2007-08-09 Ic-Haus Gmbh Circuit arrangement for generating fast laser pulses
US8391330B2 (en) * 2009-04-20 2013-03-05 Corning Incorporated Fracture resistant metallization pattern for semiconductor lasers
JP2012119637A (en) * 2010-12-03 2012-06-21 Sumitomo Electric Device Innovations Inc Manufacturing method of optical semiconductor device
JP6511776B2 (en) * 2014-11-06 2019-05-15 住友電気工業株式会社 Light emitting module
US10608404B2 (en) * 2017-02-14 2020-03-31 Cisco Technology, Inc. Bonded laser with solder-free laser active stripe in facing relationship with submount
US10374386B1 (en) * 2018-06-07 2019-08-06 Finisar Corporation Chip on carrier
CN113056851B (en) * 2018-11-27 2024-02-13 索尼半导体解决方案公司 Driving device and light emitting device
US20200395732A1 (en) * 2019-06-14 2020-12-17 Trumpf Photonics, Inc. Integrated Diode Laser Coolers

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE1926989A1 (en) * 1969-05-27 1970-12-03 Beneking Prof Dr Rer Nat Heinz High frequency line
JPS59126639A (en) * 1983-01-10 1984-07-21 Nec Corp Manufacture of substrate for semiconductor device
US4937660A (en) * 1988-12-21 1990-06-26 At&T Bell Laboratories Silicon-based mounting structure for semiconductor optical devices
US4926545A (en) * 1989-05-17 1990-05-22 At&T Bell Laboratories Method of manufacturing optical assemblies
JPH04368003A (en) * 1991-06-14 1992-12-21 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> Microwave transmission line
US5562838A (en) * 1993-03-29 1996-10-08 Martin Marietta Corporation Optical light pipe and microwave waveguide interconnects in multichip modules formed using adaptive lithography
EP1083450B1 (en) * 1993-08-09 2004-10-27 Nippon Telegraph And Telephone Corporation Opto-electronic hybrid integration platform, optical sub-module
JP3553222B2 (en) * 1995-09-20 2004-08-11 三菱電機株式会社 Optical modulator module
JP3662402B2 (en) * 1997-11-07 2005-06-22 三菱電機株式会社 Optical semiconductor module

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See references of WO9852255A1 *

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