FR2868877A1 - Semiconductor laser emitter has laser diode in stack with two heat dissipators for improved thermal properties - Google Patents

Semiconductor laser emitter has laser diode in stack with two heat dissipators for improved thermal properties Download PDF

Info

Publication number
FR2868877A1
FR2868877A1 FR0403837A FR0403837A FR2868877A1 FR 2868877 A1 FR2868877 A1 FR 2868877A1 FR 0403837 A FR0403837 A FR 0403837A FR 0403837 A FR0403837 A FR 0403837A FR 2868877 A1 FR2868877 A1 FR 2868877A1
Authority
FR
France
Prior art keywords
laser diode
assembly
laser
dissipators
semiconductor
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.)
Granted
Application number
FR0403837A
Other languages
French (fr)
Other versions
FR2868877B1 (en
Inventor
Jean Charles Garcia
Regis Hamelin
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.)
Intexys SA
Original Assignee
Intexys SA
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Intexys SA filed Critical Intexys SA
Priority to FR0403837A priority Critical patent/FR2868877B1/en
Priority to PCT/FR2005/000881 priority patent/WO2005104314A2/en
Priority to US11/578,304 priority patent/US20070278666A1/en
Priority to EP05757050A priority patent/EP1741136A2/en
Publication of FR2868877A1 publication Critical patent/FR2868877A1/en
Application granted granted Critical
Publication of FR2868877B1 publication Critical patent/FR2868877B1/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00Semiconductor lasers
    • H01S5/02Structural details or components not essential to laser action
    • H01S5/024Arrangements for thermal management
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/10Bump connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/15Structure, shape, material or disposition of the bump connectors after the connecting process
    • H01L2224/16Structure, shape, material or disposition of the bump connectors after the connecting process of an individual bump connector
    • H01L2224/161Disposition
    • H01L2224/16151Disposition the bump connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive
    • H01L2224/16221Disposition the bump connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
    • H01L2224/16245Disposition the bump connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being metallic
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/26Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/31Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process
    • H01L2224/32Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process of an individual layer connector
    • H01L2224/321Disposition
    • H01L2224/32151Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive
    • H01L2224/32221Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
    • H01L2224/32245Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being metallic
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/73Means for bonding being of different types provided for in two or more of groups H01L2224/10, H01L2224/18, H01L2224/26, H01L2224/34, H01L2224/42, H01L2224/50, H01L2224/63, H01L2224/71
    • H01L2224/732Location after the connecting process
    • H01L2224/73201Location after the connecting process on the same surface
    • H01L2224/73203Bump and layer connectors
    • H01L2224/73204Bump and layer connectors the bump connector being embedded into the layer connector
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/73Means for bonding being of different types provided for in two or more of groups H01L2224/10, H01L2224/18, H01L2224/26, H01L2224/34, H01L2224/42, H01L2224/50, H01L2224/63, H01L2224/71
    • H01L2224/732Location after the connecting process
    • H01L2224/73251Location after the connecting process on different surfaces
    • H01L2224/73253Bump and layer connectors
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00Semiconductor lasers
    • H01S5/02Structural details or components not essential to laser action
    • H01S5/022Mountings; Housings
    • H01S5/0233Mounting configuration of laser chips
    • H01S5/0234Up-side down mountings, e.g. Flip-chip, epi-side down mountings or junction down mountings
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00Semiconductor lasers
    • H01S5/02Structural details or components not essential to laser action
    • H01S5/022Mountings; Housings
    • H01S5/0235Method for mounting laser chips
    • H01S5/02355Fixing laser chips on mounts
    • H01S5/02365Fixing laser chips on mounts by clamping
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00Semiconductor lasers
    • H01S5/02Structural details or components not essential to laser action
    • H01S5/022Mountings; Housings
    • H01S5/0235Method for mounting laser chips
    • H01S5/02355Fixing laser chips on mounts
    • H01S5/0237Fixing laser chips on mounts by soldering
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00Semiconductor lasers
    • H01S5/10Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/18Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities
    • H01S5/183Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL]

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Semiconductor Lasers (AREA)

Abstract

Assembly comprises a laser diode emitting at a wave length of 0.6 - 2 mcm and first and second (109) heat dissipators, stacked and fixed together by micro-ball (107) welding. One of the dissipators is applied directly to the back of the laser diode, and one or both dissipators can form part of the assembly's housing. One or both dissipators can also incorporate a current generator or modulator and/or an electronic component that controls the operation of the laser diode. The first heat dissipator is made from a semiconductor material such as silicon, silicon carbide, aluminium nitride or gallium nitride; the second one is of a metal element e.g. copper or aluminium or a semiconductor.

Description

DescriptionDescription

La présente invention concerne l'amélioration du comportement thermique d'un émetteur laser à semi-conducteur.  The present invention relates to improving the thermal behavior of a semiconductor laser emitter.

Généralement, le sous-ensemble optique d'émission intègre l'électronique de commande nécessaire à la fourniture des courants et des tensions de polarisation du composant laser et le laser lui-même. Un tel assemblage peut prendre plusieurs formes différentes: support silicium ou autre semiconducteur intégrant les lignes d'interconnexions entres les différents éléments, support silicium ou autre semi-conducteurs structurés ou les interconnexions sont réalisées à partir de fils. Dans une utilisation normale, le laser en fonctionnement dans un tel sous-ensemble voit sa température augmenter et varier suivant les conditions externes de température mais aussi suivant les conditions et le niveau d'injection électrique.  Generally, the optical transmission subassembly integrates the control electronics necessary for supplying the polarization currents and voltages of the laser component and the laser itself. Such an assembly can take several different forms: support silicon or other semiconductor integrating the interconnection lines between the different elements, support silicon or other structured semiconductors or interconnections are made from son. In normal use, the laser operating in such a subset sees its temperature increase and vary according to the external temperature conditions but also according to the conditions and the level of electrical injection.

Le fonctionnement à une température élevée entraîne les inconvénients suivants: - une durée de vie plus faible du laser - une variation de la longueur d'onde d'émission préjudiciable au fonctionnement des systèmes dans lesquels les lasers sont incorporés - Une saturation puis une diminution de la puissance émise 25 qui n'est plus compensable par une augmentation du courant d'injection.  The operation at a high temperature entails the following disadvantages: - a shorter life of the laser - a variation of the emission wavelength detrimental to the operation of the systems in which the lasers are incorporated - A saturation then a decrease of the emitted power which is no longer compensable by an increase in the injection current.

C'est ainsi que la grande majorité des composants lasers notamment les lasers à émission par la tranche du type Fabry-Perot ou à contre réaction distribuée (DFB acronyme Anglais de distributed feedback) intègre un régulateur en température du type Peltier permettant à la fois de compenser les fluctuations de température et de maintenir une température de fonctionnement proche de la température ambiante (25 C). Cette solution introduit un coût significatif et une complexité supplémentaire dans le montage des composants lasers. De plus ces régulateurs en température sont de taille relativement importante et handicapent l'intégration et la miniaturisation des émetteurs aujourd'hui engagée dans l'industrie des télécommunications.  Thus, the vast majority of laser components, in particular edge-emitting lasers of the Fabry-Perot or Distributed Feedback (DFB) type, incorporate a Peltier-type temperature regulator allowing both compensate for temperature fluctuations and maintain an operating temperature close to room temperature (25 C). This solution introduces a significant cost and additional complexity into the assembly of the laser components. In addition, these temperature regulators are relatively large and hamper the integration and miniaturization of transmitters today engaged in the telecommunications industry.

Dans le cas des lasers à émission par la surface (en anglais Vertical Cavity Surface Emitting Laser (VCSEL)), les mêmes types de problème énoncés plus haut sont rencontrés et sont souvent amplifiés notamment dans le cas des lasers à émission verticale à partir de matériaux quaternaires sur substrat InP pour les grandes longueur d'ondes d'émission (1.25}pm à 1, 65pm). En effet, les miroirs dit de Bragg constitués d'empilements périodiques de matériaux GaInAsP et d'InP sont de piètres conducteurs thermiques et ne permettent pas un fonctionnement en température de ce type de laser.  In the case of surface-emitting lasers (in English Vertical Cavity Surface Emitting Laser (VCSEL)), the same types of problem mentioned above are encountered and are often amplified, particularly in the case of lasers with vertical emission from materials. quaternary on InP substrate for long emission wavelengths (1.25} pm at 1.65pm). Indeed, so-called Bragg mirrors consisting of periodic stacks of GaInAsP materials and InP are poor thermal conductors and do not allow temperature operation of this type of laser.

La présente invention a pour but d'éviter ou tout du moins réduire significativement les effets thermiques pour les lasers à émission latérale et verticale. Pour cela il est proposé différents types de microassemblage suivant la nature du laser (émission latérale ou verticale) utilisant le report par retournement du composant laser sur un semiconducteur à forte conductivité thermique permettant de positionner ainsi: 1) de localiser la zone active d'émission au plus proche d'un premier support jouant le rôle de dissipateur thermique et 2) de libérer la face arrière du composant permettant l'intégration d'un deuxième drain thermique. Contrairement aux techniques de soudure dites brasures largement utilisées dans le cadre de lasers à très forte puissance, le montage proposé est réalisé à partir des technologies dites de flip chip à partir de soudures par billes. Ces techniques sont documentées dans divers articles et brevets, par exemple: "Procédé d'hybridation et de positionnement d'un composant optoélectronique et application de ce procédé au positionnement de ce composant par rapport à un guide d'onde intégré (FR9210040)" ou "Method to interconnect electric components by means of solder elements (US5131584)" Ce procédé à partir d'assemblage par billes permet donc une meilleure gestion de la thermique des composants mais aussi la réalisation simultanée des interconnexions pour les arrivées de courant continu et de courant de modulation de la diode laser. L'utilisation de connexions par billes permettent de minimiser les éléments parasites du fait de la petite taille des billes vis-à-vis de l'utilisation de fils et donc d'assurer également une meilleure intégrité des signaux hyperfréquences. La face arrière du composant étant alors accessible il est proposé un procédé de retrait du substrat et de dépôt ou de report d'un élément métallique à forte dissipation thermique permettant d'améliorer le comportement en température du dispositif laser. L'invention s'applique de manière similaire aux composants lasers à émission latérale et verticale.  The present invention aims to avoid or at least significantly reduce thermal effects for lasers side and vertical emission. For this purpose, it is proposed different types of microassembly according to the nature of the laser (lateral or vertical emission) using the report by reversal of the laser component on a semiconductor with high thermal conductivity to position thus: 1) to locate the active transmission area closer to a first support acting as a heat sink and 2) to release the rear face of the component for the integration of a second heat sink. Unlike soldering techniques called solders widely used in the context of very high power lasers, the proposed assembly is made from so-called flip chip technologies from ball seals. These techniques are documented in various articles and patents, for example: "Hybridization and positioning method of an optoelectronic component and application of this method to the positioning of this component with respect to an integrated waveguide (FR9210040)" or This process from ball-jointing thus allows a better management of the thermal of the components but also the simultaneous realization of the interconnections for the direct current and current arrivals. modulation of the laser diode. The use of ball connections makes it possible to minimize parasitic elements because of the small size of the balls with respect to the use of wires and thus also to ensure better integrity of the microwave signals. The rear face of the component is then accessible it is proposed a method of removing the substrate and deposition or transfer of a metal element with high heat dissipation to improve the temperature behavior of the laser device. The invention applies similarly to laser components with lateral and vertical emission.

L'invention sera mieux comprise et les différents autres points novateurs apparaîtront à l'aide de la description ci après et des figures s'y rapportant qui représentent: Figure 1 (a): coupe d'un laser à émission par la tranche conventionnel ayant un contact en face avant et un contact en face arrière Figure 1 (b): schéma d'un laser à émission par la tranche conventionnel ayant les deux contacts en face avant Figure 2: Schéma de principe de l'invention et exemple 25 d'ensemble laser et dissipateur thermique tel que proposé dans l'invention (a) Schéma de principe de l'invention (b) avec contact N et P pour l'injection électrique du courant de modulation en face arrière et face avant 30 respectivement (c) avec contacts N et P pour l'injection électrique reportés en face avant.  The invention will be better understood and the various other innovative points will become apparent with the aid of the following description and the related figures which represent: FIG. 1 (a): sectional view of a laser emission by the conventional wafer having a contact on the front face and a contact on the rear face Figure 1 (b): diagram of a laser emission by the conventional wafer having the two contacts on the front face Figure 2: Schematic diagram of the invention and example 25 of laser assembly and heat sink as proposed in the invention (a) Schematic diagram of the invention (b) with N and P contact for the electrical injection of the modulation current on the rear face and the front face respectively (c) with N and P contacts for electrical injection reported on the front panel.

Figure 3: procédé de fabrication de l'invention dans le cas d'un laser à émission latérale ou les deux contacts sont situés sur la même face.  Figure 3: manufacturing method of the invention in the case of a side emission laser or the two contacts are located on the same side.

Figure 4: Application de l'invention au cas particulier d'un laser à émission verticale.  Figure 4: Application of the invention to the particular case of a vertical emission laser.

La figure 1 représente l'empilement conventionnel des diodes lasers à semi-conducteurs bien connues de l'homme de l'art. On distingue ainsi, les couches de confinement optiques et électriques (101), les couches (105) de confinement de la cavité optique et la couche d'émission (104) ou se réalise l'effet laser. L'injection des porteurs est obtenue par la réalisation de deux contacts (100) dont l'un est en face avant et l'autre via la face arrière, généralement ces deux contacts injectent les trous et des électrons respectivement qui vont se recombiner dans la zone active d'émission (104) pour émettre de la lumière. La variante représentée sur la figure lb, concerne la même structure de laser conventionnelle ou le contact en face arrière est reporté en face par des étapes de gravure additionnelles. Ces deux structures sont réalisées sous forme de puces manipulables.  Figure 1 shows the conventional stack of semiconductor laser diodes well known to those skilled in the art. Thus, the optical and electrical confinement layers (101), the confinement layers (105) of the optical cavity and the emission layer (104) are distinguished or the laser effect is realized. The injection of the carriers is obtained by the production of two contacts (100), one of which is in front face and the other via the rear face, generally these two contacts inject holes and electrons respectively which will recombine in the active emission area (104) for emitting light. The variant shown in FIG. 1b relates to the same conventional laser structure where the back-face contact is brought opposite by additional etching steps. These two structures are made in the form of manipulable chips.

La figure 2 propose le schéma de principe de l'invention (Fig 2a) et son application au cas d'une diode laser à émission latérale ou les contacts sont face avant et face arrière (fig 2b) et uniquement sur la face avant (fig 2c) Le schéma de principe (Fig 2a) de l'invention est représenté dans sa forme finale. Il est clair que le procédé de réalisation lui-même contribue au caractère original de l'ensemble et sera décrit plus bas. L'invention consiste à hybrider par retournement avec des billes de soudure (107) (technique dite de flip chip) un composant optique ou électronique (108) sur un support en semi-conducteur (106) par exemple en silicium ou sont préalablement intégrées les lignes d'interconnexions nécessaires au fonctionnement du composant (108). D'autres types de support sont possibles tels que: le carbure de silicium, le nitrure d'aluminium, le nitrure de gallium. Dans un niveau de complexité plus élevé, le générateur de courant et de modulation de la diode laser peuvent être intégrés sur le seul dissipateur thermique reporté.  FIG. 2 proposes the block diagram of the invention (FIG. 2a) and its application to the case of a lateral emission laser diode where the contacts are front and rear faces (FIG. 2b) and only on the front face (FIG. 2c) The block diagram (Fig 2a) of the invention is shown in its final form. It is clear that the production process itself contributes to the original character of the set and will be described below. The invention consists in hybridizing by reversal with solder balls (107) (so-called flip chip technique) an optical or electronic component (108) on a semiconductor substrate (106) for example made of silicon or are previously integrated with interconnection lines necessary for the operation of the component (108). Other types of support are possible such as: silicon carbide, aluminum nitride, gallium nitride. In a higher complexity level, the current and modulation generator of the laser diode can be integrated on the only heat sink reported.

De la même manière, l'un au moins des supports dissipateurs pourra intégrer l'électronique permettant le fonctionnement et 10 /ou le contrôle de la diode laser.  In the same way, at least one of the dissipating supports may integrate the electronics allowing operation and / or control of the laser diode.

Les billes de soudure (107) réalisent les connexions électriques et permettent de drainer la chaleur du composant en fonctionnement vers le substrat semi-conducteur qui constitue un bon dissipateur thermique. Il clair pour l'homme de l'art que plus le nombre de bille (107) est grand plus la surface de contact sera grande et plus le drainage thermique vers le substrat 106 sera efficace. Un procédé d'enrobage avec un élément polymère conducteur thermique mais isolant électrique permet d'améliorer la résistance thermique et de solidifier l'ensemble. La face arrière du composant (108) est alors utilisée pour intégrer soit par dépôt soit également par report un deuxième dissipateur thermique (109) réalisé dans des matériaux métalliques (Or, Cuivre, par ex.) ou connus pour leur grande propriétés de conduction thermique (carbure de silicium, nitrure d'aluminium, nitrure de gallium). La connectique électrique des lasers est ainsi réalisée en même temps que les dissipateurs thermiques soient directement en face arrière du laser soit par report d'un matériau à forte conductivité thermique.  The solder balls (107) provide the electrical connections and drain the heat of the operating component to the semiconductor substrate which is a good heat sink. It is clear to those skilled in the art that the greater the number of balls (107) the larger the contact area will be and the greater the thermal drainage to the substrate 106 will be effective. A coating method with a thermal conductive but electrically insulating polymer element makes it possible to improve the thermal resistance and to solidify the assembly. The rear face of the component (108) is then used to integrate either by deposition or also by transfer a second heat sink (109) made of metallic materials (gold, copper, for example) or known for their great thermal conduction properties. (silicon carbide, aluminum nitride, gallium nitride). The electrical connection of the lasers is thus performed at the same time that the heat sinks are directly on the back of the laser or by transfer of a material with high thermal conductivity.

Ce montage et procédé peut être directement appliqué au montage de diodes lasers couvrant la gamme de longueurs d'onde allant de 0, 6pm à 2pm suivant les deux configurations (contacts face avant et arrière (fig la) et contacts sur la face avant (Fig lb)). La figure 2b montre un exemple de configuration. Dans ce cas particulier le deuxième dissipateur thermique est reporté et soudé par billes (107) Il permet également d'assurer la connexion électrique sur la face arrière de la diode laser (112) via des billes (109) connectées aux lignes d'alimentation du composant intégrées sur le substrat semi-conducteur (106). Un deuxième enrobage (110) permet de solidifier l'ensemble et également d'améliorer le contact thermique entre 109 et 112.  This arrangement and method can be directly applied to the assembly of laser diodes covering the range of wavelengths ranging from 0.6 pm to 2 pm according to the two configurations (front and rear contacts (fig la) and contacts on the front face (FIG. lb)). Figure 2b shows an example configuration. In this particular case, the second heat sink is carried forward and soldered by balls (107). It also makes it possible to provide the electrical connection on the rear face of the laser diode (112) via balls (109) connected to the power supply lines. component integrated on the semiconductor substrate (106). A second coating (110) makes it possible to solidify the assembly and also to improve the thermal contact between 109 and 112.

Dans le cas particulier d'une diode laser ayant les deux contacts en face avant l'assemblage est alors très proche du schéma de principe. Le report du deuxième dissipateur thermique peut être dans ce cas réalisé soit - par croissance électrolytique direct du métal sur la face arrière du composant sur des épaisseurs supérieures à 20 50}im - par report d'un bloc de métal collé par une colle à bonne conduction thermique. Le dissipateur peut être alors complètement intégré au boîtier ou être le boîtier ce qui améliore nettement la surface thermique d'échange.  In the particular case of a laser diode having the two contacts in front of the assembly is then very close to the schematic diagram. The transfer of the second heat sink can be in this case achieved either - by direct electrolytic growth of the metal on the back of the component on thicknesses greater than 20 50 - im - by transfer of a block of metal glued by a glue to good thermal conduction. The heatsink can then be completely integrated into the housing or be the housing which significantly improves the heat exchange surface.

C'est ce deuxième cas particulier qui est représenté sur la figure 2c.  It is this second particular case which is represented in FIG. 2c.

La figure 3 propose et détaille un exemple de procédé de fabrication modulable suivant les caractéristiques géométriques et topologiques du laser utilisé. Il s'applique aux lasers à émission latérale avec contacts n et p en face avant ainsi qu'aux lasers à émission verticale dit VCSEL. Le substrat 106 (fig 3a) de départ intègre les lignes électriques d'alimentation du laser et les plots d'accrochage des billes de soudure pour la liaison. Il peut également comporter d'autres composants nécessaires au bon fonctionnement de l'émetteur laser considéré (éléments passifs capacitifs, inductifs, résistances, photodiodes, circuit de pilotage...).  Figure 3 proposes and details an example of modular manufacturing method according to the geometric and topological characteristics of the laser used. It applies to side-emitting lasers with n and p contacts on the front panel as well as vertical emission lasers called VCSEL. The starting substrate 106 (FIG. 3a) integrates the power supply lines of the laser and the bonding studs of the solder balls for the connection. It may also include other components necessary for the proper functioning of the laser transmitter in question (capacitive passive elements, inductive, resistors, photodiodes, control circuit ...).

Ce substrat peut être réalisé en silicium, le plus communément employé mais aussi en divers matériaux semi-conducteurs par exemple en nitrure d'aluminium (A1N), nitrure de Gallium (GaN), diamant.  This substrate may be made of silicon, the most commonly used but also various semiconductor materials such as aluminum nitride (A1N), gallium nitride (GaN), diamond.

Dans un premier temps toutes les billes de soudure (107) seront réalisées (Fig3b) par les techniques conventionnelles.  First, all the solder balls (107) will be made (FIG. 3b) by conventional techniques.

Ces billes seront préférentiellement de petite taille autour de 20pm de diamètre de manière à pouvoir en positionner le plus possible. Ces techniques impliquent différentes étapes technologiques de résinage, lithographie, ouverture des zones de contact, dépôt du matériau fusible (indium par exemple), formatage des billes. Le composant laser à émission latérale ou verticale est ensuite positionné et soudé par traitement thermique au réseau de billes qui assure ainsi la connexion électrique et le contact thermique entre le laser et le support semi- conducteur dissipateur (Fig3c). Le composant est ensuite enrobé avec un polymère conducteur thermique et isolant électrique de manière (111) à assurer un maintien mécanique ainsi qu'un contact thermique aussi large que possible de la puce laser. Notons que suivant le procédé de soudure on peut avoir un phénomène d'auto alignement de la puce. La réalisation des billes de soudure ainsi que les méthodes d'enrobage sont décrites dans les procédés relatifs aux brevets US 5496769 et FR9615348. On effectue ensuite un résinage (114), procédé classique en microélectronique. Un polissage de l'ensemble permet de planariser et de libérer la face arrière du composant (Fig3e). Le polissage permet également d'éliminer tout ou partie du substrat sur lequel a été réalisé le laser et qui généralement est du matériau GaAs ou InP considérés comme de mauvais conducteurs thermiques.  These beads will preferably be small around 20pm in diameter so as to position as much as possible. These techniques involve different technological steps of resin, lithography, opening of the contact zones, deposition of the fusible material (indium for example), formatting of the balls. The lateral or vertical emission laser component is then positioned and welded by heat treatment to the array of balls which thus ensures the electrical connection and the thermal contact between the laser and the semiconductor dissipating medium (FIG. 3c). The component is then coated with a thermally conductive and electrically insulating polymer (111) to ensure a mechanical hold and a thermal contact as wide as possible of the laser chip. Note that following the welding process we can have a phenomenon of self alignment of the chip. The production of solder balls as well as the coating methods are described in the processes relating to US Pat. Nos. 5,494,669 and 3,915,348. Resin (114) is then carried out, a conventional method in microelectronics. Polishing the assembly allows to planarize and release the rear face of the component (Fig3e). The polishing also makes it possible to eliminate all or part of the substrate on which the laser has been made and which generally is of GaAs or InP material considered to be poor thermal conductors.

Ceci est particulièrement recommandé dans le cas des lasers à émission verticale. A partir de cette étape, un dépôt métallique d'accrochage (115) est réalisé sur l'ensemble du substrat (fig 3f) permettant par la suite le dépôt électrolytique de ce même métal ou d'un autre métal. A ce stade, on peut définir la taille du dissipateur par les techniques conventionnelles de résinage et de photolithographie (Fig3g). Le dépôt est ensuite réalisé sur des épaisseurs allant de quelques dizaines de microns à 100pm (Fig 3h). Les étapes représentées sur les fig 3i, 3j et 3k consistent à éliminer les différentes couches de résines par des solvants libérant ainsi l'ensemble de l'empilement du dispositif. Ces étapes sont des étapes technologiques connues de l'homme de l'art.  This is particularly recommended for vertical emitting lasers. From this step, a metal bonding deposit (115) is formed on the entire substrate (FIG. 3f), which subsequently allows electrolytic deposition of the same metal or another metal. At this stage, the size of the dissipator can be defined by conventional resin and photolithography techniques (FIG. 3g). The deposit is then produced over thicknesses ranging from a few tens of microns to 100 μm (FIG. 3h). The steps shown in FIGS. 3i, 3j and 3k consist in eliminating the different resin layers by solvents, thus releasing the entire stack of the device. These steps are technological steps known to those skilled in the art.

Le procédé de fabrication dans le cas d'un laser à émission verticale est similaire. Il présente néanmoins la différence que nous allons préciser. Il est ainsi nécessaire de réaliser un trou dans le substrat de départ permettant l'émission de lumière vers le bas sans absorption dans le substrat 106 L'assemblage final est représenté en figure 4. Ce trou pourra servir de guide pour la fibre. Cette particularité peut être évité si le substrat de départ est transparent à la longueur d'onde d'émission du laser.  The manufacturing method in the case of a vertical emission laser is similar. It nevertheless presents the difference that we will specify. It is thus necessary to make a hole in the starting substrate allowing the emission of light down without absorption in the substrate 106 The final assembly is shown in Figure 4. This hole can serve as a guide for the fiber. This feature can be avoided if the starting substrate is transparent to the emission wavelength of the laser.

Ce type d'assemblage est particulièrement intéressant pour les applications laser nécessitant de générer des fortes puissances mais aussi pour des fonctionnements à forte modulation d'intensité (par exemple un fonctionnement des diodes lasers à forte fréquence de modulation de 10GHz et au- delà) sans avoir à utiliser un refroidisseur externe du type Peltier. De plus dans cette configuration flip chip du composant, le substrat peut être intégralement retiré et remplacé par un matériau à haut pouvoir de dissipation. Ainsi la chaleur est évacuée au plus proche de la jonction semi conductrice. En effet un amincissement conventionnel peut difficilement être poussé en deçà d'une épaisseur de 100pm de substrat sans poser des problèmes de manipulation.  This type of assembly is particularly interesting for laser applications requiring the generation of high power but also for operations with high intensity modulation (for example, operation of laser diodes with a high modulation frequency of 10 GHz and above) without have to use an external cooler Peltier type. Moreover in this flip chip configuration of the component, the substrate can be completely removed and replaced by a high dissipation material. Thus the heat is evacuated closer to the semiconductor junction. Indeed conventional thinning can hardly be pushed beyond a thickness of 100pm of substrate without posing handling problems.

L'invention est directement applicable également aux dispositifs électroniques de puissance tels les transistors bipolaires, transistors à effet de champ qui sont des composants possédant deux contacts en face avant et dont l'architecture et les matériaux sont compatibles avec le procédé décrit.  The invention is directly applicable also to power electronic devices such as bipolar transistors, field effect transistors which are components having two contacts on the front face and whose architecture and materials are compatible with the method described.

Claims (10)

Revendicationsclaims 1. Assemblage comprenant un premier dissipateur thermique, une diode laser et un second dissipateur thermique, la diode laser et les premier et second dissipateurs étant empilés et assemblés par la technique de soudure par bille.  An assembly comprising a first heat sink, a laser diode and a second heat sink, the laser diode and the first and second dissipators being stacked and assembled by the ball soldering technique. 2. Assemblage selon la revendication 1 où l'un des deux dissipateurs est directement déposé sur la face arrière de la diode laser.  2. The assembly of claim 1 wherein one of the two dissipators is directly deposited on the rear face of the laser diode. 3. Assemblage selon la revendication 1 où l'un des deux dissipateur est intégré au boîtier.  3. The assembly of claim 1 wherein one of the two dissipater is integrated in the housing. 4. Assemblage selon la revendication 3 où l'un des deux dissipateurs constitue également une partie du boîtier de l'ensemble.  4. The assembly of claim 3 wherein one of the two dissipators is also part of the housing of the assembly. 5. Assemblage selon la revendication 2, caractérisé par le fait qu'un, au moins, des dissipateurs intègre un générateur de courant et de modulation et/ou de l'électronique permettant le fonctionnement et/ou le contrôle de la diode laser.  5. Assembly according to claim 2, characterized in that at least one dissipator integrates a current generator and modulation and / or electronics for the operation and / or control of the laser diode. 6. Assemblage selon la revendication 1, où le premier dissipateur est réalisé à partir d'un matériau semi-conducteur tel le silicium, carbure de silicium, nitrure d'aluminium, nitrure de gallium et dont le second dissipateur thermique est soit un élément métallique déposé en cuivre (Cu) , or (Au) ou soit un élément métallique (cuivre (Cu), or (Au)) ou semiconducteur reporté (carbure de silicium, nitrure d'aluminium, nitrure de gallium).  6. The assembly of claim 1, wherein the first dissipator is made from a semiconductor material such as silicon, silicon carbide, aluminum nitride, gallium nitride and the second heat sink is either a metal element deposited in copper (Cu), gold (Au) or a metallic element (copper (Cu), gold (Au)) or semiconductor reported (silicon carbide, aluminum nitride, gallium nitride). 7. Assemblage suivant les revendications 1 et 2 où la diode laser émet dans une gamme de longueur d'ondes allant de 0, 6pm à 2pm.  The assembly of claims 1 and 2 wherein the laser diode emits in a wavelength range of from 0.6 pm to 2 pm. 8. Utilisation de l'assemblage selon les revendications 1 à 7 où la diode laser est plus spécifiquement un laser à émission verticale par la face avant ou face arrière.  8. Use of the assembly according to claims 1 to 7 wherein the laser diode is more specifically a vertical emission laser from the front or rear face. 9. Utilisation de l'assemblage selon les revendications 1 à 4 et 6 où la diode laser est remplacée par un transistor bipolaire.  9. Use of the assembly according to claims 1 to 4 and 6 wherein the laser diode is replaced by a bipolar transistor. 10. Utilisation de l'assemblage selon les revendications 1 à 4 et 6 où la diode laser est remplacée par un transistor à effet de champ.  10. Use of the assembly according to claims 1 to 4 and 6 wherein the laser diode is replaced by a field effect transistor.
FR0403837A 2004-04-13 2004-04-13 LASER COMPONENTS WITH IMPROVED THERMAL BEHAVIOR AND METHOD OF MANUFACTURE Expired - Fee Related FR2868877B1 (en)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR0403837A FR2868877B1 (en) 2004-04-13 2004-04-13 LASER COMPONENTS WITH IMPROVED THERMAL BEHAVIOR AND METHOD OF MANUFACTURE
PCT/FR2005/000881 WO2005104314A2 (en) 2004-04-13 2005-04-12 Method for production of electronic and optoelectronic circuits
US11/578,304 US20070278666A1 (en) 2004-04-13 2005-04-12 Method for Production of Electronic and Optoelectronic Circuits
EP05757050A EP1741136A2 (en) 2004-04-13 2005-04-12 Method for production of electronic and optoelectronic circuits

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR0403837A FR2868877B1 (en) 2004-04-13 2004-04-13 LASER COMPONENTS WITH IMPROVED THERMAL BEHAVIOR AND METHOD OF MANUFACTURE

Publications (2)

Publication Number Publication Date
FR2868877A1 true FR2868877A1 (en) 2005-10-14
FR2868877B1 FR2868877B1 (en) 2008-08-01

Family

ID=34946272

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
FR0403837A Expired - Fee Related FR2868877B1 (en) 2004-04-13 2004-04-13 LASER COMPONENTS WITH IMPROVED THERMAL BEHAVIOR AND METHOD OF MANUFACTURE

Country Status (1)

Country Link
FR (1) FR2868877B1 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103036134A (en) * 2012-12-25 2013-04-10 温州市增益科技有限公司 Solid laser and heat-dissipating device thereof
CN109917353A (en) * 2019-04-23 2019-06-21 上海禾赛光电科技有限公司 The laser beam emitting device and laser radar of laser radar
US20190237933A1 (en) * 2018-01-30 2019-08-01 Seiko Epson Corporation Light Emitter

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH08162575A (en) * 1994-12-07 1996-06-21 Hitachi Ltd Semiconductor device and its manufacture
JP2002190560A (en) * 2000-12-21 2002-07-05 Nec Corp Semiconductor device
US20030016715A1 (en) * 1997-09-30 2003-01-23 Yukio Furukawa Optical device structure and farication method thereof
US20030107114A1 (en) * 2001-10-09 2003-06-12 Lam Yee Loy Thermal circuitry
US20030189245A1 (en) * 2002-03-20 2003-10-09 Advanced Semiconductor Engineering, Inc. Flip chip assembly and method for producing the same

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH08162575A (en) * 1994-12-07 1996-06-21 Hitachi Ltd Semiconductor device and its manufacture
US20030016715A1 (en) * 1997-09-30 2003-01-23 Yukio Furukawa Optical device structure and farication method thereof
JP2002190560A (en) * 2000-12-21 2002-07-05 Nec Corp Semiconductor device
US20030107114A1 (en) * 2001-10-09 2003-06-12 Lam Yee Loy Thermal circuitry
US20030189245A1 (en) * 2002-03-20 2003-10-09 Advanced Semiconductor Engineering, Inc. Flip chip assembly and method for producing the same

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 1996, no. 10 31 October 1996 (1996-10-31) *
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 2002, no. 11 6 November 2002 (2002-11-06) *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103036134A (en) * 2012-12-25 2013-04-10 温州市增益科技有限公司 Solid laser and heat-dissipating device thereof
US20190237933A1 (en) * 2018-01-30 2019-08-01 Seiko Epson Corporation Light Emitter
US10741994B2 (en) * 2018-01-30 2020-08-11 Seiko Epson Corporation Light emitter
CN109917353A (en) * 2019-04-23 2019-06-21 上海禾赛光电科技有限公司 The laser beam emitting device and laser radar of laser radar

Also Published As

Publication number Publication date
FR2868877B1 (en) 2008-08-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9653382B2 (en) Semiconductor laser structure
US10305250B2 (en) III-Nitride nanowire array monolithic photonic integrated circuit on (001)silicon operating at near-infrared wavelengths
US6653557B2 (en) Faraday cage and ceramic walls for shielding EMI
US6773532B2 (en) Method for improving heat dissipation in optical transmitter
US6448102B1 (en) Method for nitride based laser diode with growth substrate removed
US20130272330A1 (en) Multibeam array of top emitting vcsel elements
US6859470B2 (en) Air trench that limits thermal coupling between laser and laser driver
EP1741136A2 (en) Method for production of electronic and optoelectronic circuits
US10985524B1 (en) High-power hybrid silicon-photonics laser
US20030161603A1 (en) Receiver optical bench formed using passive alignment
US20030161593A1 (en) Thermal pads for surface mounting of optical devices
WO2014018684A1 (en) Multibeam array of top emitting vcsel elements
US6647039B2 (en) Reconfigurable laser header
US20030161026A1 (en) Optical isolator with improved mounting characteristics
Merritt et al. Controlled solder interdiffusion for high power semiconductor laser diode die bonding
JP5366149B2 (en) Semiconductor laser equipment
FR2868877A1 (en) Semiconductor laser emitter has laser diode in stack with two heat dissipators for improved thermal properties
US20030161363A1 (en) Optical transmitter and transponder that operate without thermoelectric cooler
US20030159280A1 (en) Method of removing optical device
US7692289B2 (en) Semiconductor devices with improved heat dissipation and method for fabricating same
US20030161588A1 (en) Co-planar waveguide
US20030161592A1 (en) Header with temperature sensor positioned proximate the laser
FR3067866A1 (en) HYBRID SEMICONDUCTOR LASER COMPONENT AND METHOD FOR MANUFACTURING SUCH COMPONENT
US20030025171A1 (en) Multiple epitaxial region substrate and technique for making the same
US20030161133A1 (en) Optical transmitter header having passive electrical component

Legal Events

Date Code Title Description
ST Notification of lapse

Effective date: 20101230