WO2020104232A1 - Verfahren zur herstellung von halbleiterlasern und halbleiterlaser - Google Patents

Verfahren zur herstellung von halbleiterlasern und halbleiterlaser

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WO2020104232A1
WO2020104232A1 PCT/EP2019/080861 EP2019080861W WO2020104232A1 WO 2020104232 A1 WO2020104232 A1 WO 2020104232A1 EP 2019080861 W EP2019080861 W EP 2019080861W WO 2020104232 A1 WO2020104232 A1 WO 2020104232A1
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WO
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encapsulation element
laser
mounting substrate
laser diodes
encapsulation
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PCT/EP2019/080861
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Thomas Schwarz
Andreas PLÖSSL
Jörg Erich SORG
Frank Singer
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Osram Opto Semiconductors Gmbh
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    • H01S5/02345—Wire-bonding

Definitions

  • a method for producing semiconductor lasers is specified.
  • a semiconductor laser is also specified.
  • One problem to be solved is to specify a method with which semiconductor lasers can be efficiently attached to an assembly carrier in the wafer assembly or in the panel assembly.
  • This object is achieved, inter alia, by a method and by a semiconductor laser with the features of
  • laser diodes are installed in particular in the pane assembly or in the
  • Laser diodes optical elements are introduced in a housing, for example made of glass, so that the optical elements correct the laser radiation emitted by the laser diode in question and compensate for assembly tolerances.
  • the method comprises the step of attaching a large number of laser diodes to a mounting substrate.
  • the laser diodes are preferably edge-emitting laser diodes.
  • the laser diodes are set up to generate laser radiation and have at least one semiconductor material.
  • the laser diodes are based on the semiconductor materials
  • AlInGaN, AlInGaAs or AlInGaP are Laser diodes set up to generate visible radiation or near ultraviolet radiation.
  • the laser diodes are blue light
  • the mounting substrate is preferably provided as a wafer or as a disk. This means that the laser diodes are attached in the wafer assembly across the mounting substrate.
  • Mounting substrate is in the finished semiconductor lasers
  • the mounting substrate preferably has electrical structures such as electrical
  • the mounting substrate is, for example, a ceramic substrate or a
  • the mounting substrate can be made of a semiconductor material, such as silicon.
  • the method comprises the step of attaching at least one
  • Encapsulation element It can be one
  • Encapsulation element can be used for all laser diodes or groups of laser diodes are covered by a common encapsulation element. Furthermore, individual encapsulation elements can be used for the laser diodes, with an unambiguous assignment between the
  • Encapsulation elements and the laser diodes can exist.
  • the laser diodes are located in a cavity between the mounting substrate and the associated one Encapsulation element.
  • the mounting substrate is preferably planar and are in the encapsulation element
  • the mounting substrate can be corresponding
  • the laser diodes are preferably encapsulated, in particular hermetically encapsulated, after the encapsulation element has been attached.
  • the housing comprising the encapsulation element and the mounting substrate is hermetically sealed and the laser diode is hermetically encapsulated in the housing.
  • Hermetically sealed means, for example, that a leak rate is at most 5 x 10 p am / s, especially at room temperature.
  • the method comprises the step of operating the laser diodes and determining emission directions of the laser diodes. Due to the fact that the at least one encapsulation element was attached beforehand, the laser diodes can be operated at least for a short time without causing damage to the laser diodes due to environmental influences.
  • the radiation directions of the laser diodes can thus be determined by the operation of the laser diodes. The determination of the radiation directions can be a measurement of a
  • the direction of radiation can also be determined indirectly by measuring other quantities of the laser emission of the laser diodes.
  • the associated radiation direction is particularly preferably determined individually for each laser diode.
  • the method comprises the step of generating material damage in partial areas of the at least one encapsulation element.
  • the sub-areas with the material damage are for a subsequent one
  • Laser diodes clearly, preferably uniquely, assigned.
  • the method comprises the step of collectively removing material from the at least one encapsulation element which is different from the
  • the optical surfaces are the laser diodes
  • the optical surface forms both deflecting optics and focusing optics. Additional focusing optics can then optionally be omitted.
  • the method comprises the step of isolating the semiconductor lasers.
  • the separation takes place, for example, using saws,
  • At least the mounting substrate is affected by the separation. At least one becomes optional when separating
  • the method is used to manufacture semiconductor lasers and includes the following steps, preferably in the order given:
  • At least one encapsulation element the subareas being uniquely assigned to the laser diodes
  • Semiconductor laser diodes preferably emit to the side, ie in the plane of the component or one
  • Semiconductor laser diode, deflection optics and focusing optics are to adjust precisely to each other. This makes laser housings one beyond the tightness requirements
  • the laser diodes with the relatively low accuracy from the LED assembly, ie without active adjustment when setting the laser diode or the deflection mirror that may be required
  • Wafer level or panel level can be positioned, whereby surface-mountable housing can be used. This is made possible in particular by creating individual optics after the laser diodes have been placed.
  • Housing on which the laser diode sits, fluctuates relatively strongly across the not yet isolated mounting substrate.
  • the housing is provided with the preferably at least partially subtractively manufactured and individual optics, the shape or position of which is affected by semiconductor lasers
  • Semiconductor lasers are customizable. In an ensemble of
  • Semiconductor lasers thus result in a comparatively broad distribution with regard to the positions of the laser diodes and with regard to the design of the optical surfaces.
  • Optical measurements and laser exposure can be carried out very quickly, so that serial processing for each component can be carried out economically on a panel.
  • the slow chemical processes, particularly when etching to produce the optical surfaces, are preferably carried out simultaneously for all components.
  • the optical surfaces serve to deflect the direction of radiation from parallel or approximately parallel to a mounting side of the optical surfaces
  • a correction of a divergence of a laser emission of the associated laser diode is also preferably carried out via the optical surface.
  • the at least one encapsulation element is made of one for laser emission
  • the permeable material preferably made of a transparent material.
  • the encapsulation element or the encapsulation elements are made of a glass, quartz or sapphire.
  • the encapsulation element associated with the laser diode in question completely covers the laser diode.
  • the optic surfaces are seen next to the assigned one, seen from the top view of the mounting side
  • the optical surfaces and the associated laser diodes are arranged spaced apart from one another when viewed in plan view.
  • step D Material damage in step D) by means of a pulsed
  • the material damage is generated, for example, by means of so-called stealth dicing, with laser radiation at certain points within the
  • the encapsulation element is for the
  • Laser radiation in step D) preferably transparent.
  • Material damage is particularly not due to absorption, but mainly due to the local, high
  • a pulse duration of the laser radiation for generating the material damage is preferably included
  • the collective removal in step E) is an etching, preferably an
  • a wet chemical etching will This is made possible in particular in that the laser diodes in step E) are protected from an etching liquid by further components.
  • the optical surfaces have at least one curvature.
  • the optical surfaces are therefore at least in places not flat, flat surfaces.
  • the optical surfaces are paraboloidal and can form curved 90 ° deflection surfaces.
  • Optic surfaces accessible that redirect the laser emission from a plane parallel to the mounting side through the mounting substrate.
  • Step El) between steps E) and F) the application of a mirror layer on the optical surfaces This allows the optical surfaces to have a reflective effect.
  • the mirror layer is a metal layer, such as one
  • the mirror layer can also be provided by a Bragg mirror
  • the mirror layer is structured with the aid of a temporary mask layer
  • the mask layer can cover areas on which the mirror layer should not remain later.
  • the mask layer can be created after the Cover areas of the mirror layer that are to remain in the semiconductor laser, so that remaining areas of the mirror layer are removed, for example by etching.
  • the optical surfaces have a refractive effect. This means that the optical surfaces can be lenses.
  • the optical surfaces in steps D) and E) become an outer surface
  • Direction of radiation is only corrected, but no major change in direction takes place. This means that after passing through the optical surfaces, the laser emission in this case is still, for example, parallel or approximately parallel to the mounting side.
  • the at least in step C) is located on an outer surface of an outer wall
  • Cavities each have a recess in the at least one
  • This recess can be located directly or indirectly on the outer wall. It is possible that a further recess lies between this recess and the outer wall.
  • a test mirror is guided into the recess in step C) to determine the respective radiation direction.
  • the test mirror is placed, for example, using a robot arm.
  • the test mirror is only temporarily in the relevant recess and can be passed sequentially over the recesses on the various laser diodes.
  • the test mirror is only temporarily in the relevant recess and can be passed sequentially over the recesses on the various laser diodes.
  • the later optical surface which is only subsequently produced, to be located between the recess and the associated outer surface.
  • the at least one encapsulation element has one, at least in step C)
  • Reflection areas are preferably deflected from the respective radiation direction from parallel to perpendicular to the mounting bracket or at least from approximately parallel to approximately perpendicular to the mounting bracket.
  • Interfaces of the encapsulation element are formed.
  • the reflection areas are diffusely reflecting, within the at least one
  • the respective radiation direction is determined in step C) by means of the reflection regions.
  • they represent
  • Reflection areas are an alternative to a test mirror.
  • the associated optical surfaces in steps B) and E) are each between the relevant reflection area and the relevant one Laser diode generated. That is, in the finished
  • the reflection regions are preferably without function in semiconductor lasers.
  • a distance between the reflection areas and the respectively assigned laser diode is comparatively large.
  • this distance is at least 0.5 mm or 1 mm or 1.5 mm.
  • Such a comparatively large distance means increased precision in determining the distance
  • Reflection areas removed in step F can be removed before step F) or still in the finished semiconductor components
  • the laser diodes are each encapsulated with a potting in a step A1) between steps A) and B).
  • the potting is, for example, an epoxy resin or a silicone.
  • the cavities are partially or completely filled by the potting in step B).
  • the encapsulation extends completely along a light path within the cavities
  • the laser diodes are preferably completely enclosed and encased by the respective potting, so that the laser diodes can be encapsulated in a liquid-tight manner due to the potting.
  • the potting is completely or partially removed before or after step F). The potting is preferably removed between steps E) and F).
  • step B) the at least one encapsulation element is fastened to the mounting substrate by means of the encapsulation.
  • the potting can thus be used as an adhesive between the encapsulation element and the
  • the encapsulation extends flat between the mounting substrate and the
  • At least one encapsulation element at least one encapsulation element.
  • the potting is completely removed before step F), so that at least in places there is a gap between the at least one
  • Encapsulation element and the mounting substrate is created.
  • the gap can be gas-filled or evacuated.
  • Removal can also apply to an adhesive with which the laser diodes are attached to the mounting substrate,
  • Metallic plated-through holes can run completely through the mounting substrate. That is, the
  • Plating can be made from a side of the mounting substrate facing away from the encapsulation element to one of the
  • the metal through-connection rotates completely and all around the associated laser diode, including the optical surface, when viewed from above on the mounting side.
  • Metal frame formed which effects a seal between the mounting substrate and the at least one encapsulation element.
  • the encapsulation element can be held on the mounting substrate by means of such a metal frame after the encapsulation has been removed.
  • This frame preferably has a height that is greater than a maximum height of the optical surfaces. This means that the frame formed from the encapsulation element preferably projects all around the optical surfaces made from the encapsulation element.
  • Encapsulation element used.
  • the encapsulation element extends to all of the laser diodes until step F).
  • individual encapsulation elements can be used for the laser diodes, which are not designed to be coherent in any of the method steps.
  • the laser diodes in step A) are applied as intended in a regular grid on the mounting substrate.
  • the laser diodes are applied comparatively imprecisely on the grid points of the mounting substrate.
  • the standard deviation is, for example, at least 5 ⁇ m or 10 ⁇ m or 20 ⁇ m and / or at most 100 ⁇ m or 50 ⁇ m or 25 ⁇ m.
  • conventional methods for example, at least 5 ⁇ m or 10 ⁇ m or 20 ⁇ m and / or at most 100 ⁇ m or 50 ⁇ m or 25 ⁇ m.
  • a semiconductor laser is also specified.
  • Semiconductor laser is manufactured by a method such as in connection with one or more of the above
  • Semiconductor laser the mounting substrate and one or more of the laser diodes, which are mounted on the mounting substrate.
  • the semiconductor laser includes that for one
  • the laser diode is mounted in the cavity between the mounting substrate and the encapsulation element.
  • the encapsulation element has one of the
  • Optical surfaces for beam shaping the laser emission from the assigned laser diode are set up to redirect the laser emission from parallel to perpendicular to the mounting side of the mounting substrate. There is one between an outer wall of the cavity and the optical surface along the direction of emission of the laser emission
  • Semiconductor laser both the outer wall of the cavity and the recess on the outer wall.
  • Figures 1 to 6 are schematic sectional views of
  • FIGS 8, 10, 12 and 14 are schematic top views of
  • Figure 15 is a schematic sectional view of a
  • Embodiment of a method described here Figure 16 is a schematic plan view of a
  • Figures 17 to 20 are schematic sectional views of
  • Figure 21 is a schematic plan view of a
  • Figures 22 to 24 are schematic sectional views of
  • Figures 25 and 26 are schematic sectional views of
  • Figures 27 to 29 are schematic plan views
  • FIG. 1 to 14 show an exemplary embodiment of a method for producing semiconductor lasers 1.
  • the mounting substrate 3 preferably has electrical contact areas, plated-through holes and / or conductor tracks (not shown).
  • the mounting substrate 3 is, for example, a silicon carrier, a ceramic carrier or a printed circuit board such as a metal core board.
  • On the mounting side 30 is a variety of
  • edge-emitting laser diodes 2 attached, preferably in a two-dimensional regular arrangement.
  • Laser diodes 2 can optionally each be attached to a base 23, also referred to as a submount.
  • a base 23 also referred to as a submount.
  • Laser radiation from the laser diodes 2 is preferably carried out in the direction parallel or approximately parallel to the
  • the laser diodes 2 are encapsulated via
  • Encapsulation elements 4 Each have a cavity 42 in which the associated one
  • Laser diode 2 is located.
  • the cavity 42 is surrounded by outer walls with outer surfaces 47. Located on the outer surfaces 47 and preferably also on the inner sides of the cavities 42
  • Anti-reflective coatings 53 Such anti-reflective coatings 53 can also be used in all other exemplary embodiments
  • the encapsulation elements 4 are preferably attached to the
  • Encapsulation elements 4 hermetically sealed.
  • Encapsulation elements 4 are, for example, made of glass, quartz or sapphire.
  • the laser diodes 2 are, according to FIG. 1, with comparatively large lateral tolerances on the mounting side 30 appropriate. In order to subsequently compensate for the assembly tolerances, a radiation direction 22 of the laser diodes 2 is determined in step 2
  • Radiation directions 22 are preferably determined individually and one after the other for the laser diodes 2. This can be done by inserting the recess into a recess 48
  • Test mirror 62 is introduced, for example by means of an arm 66, which can be a robot arm.
  • the sensor 65 is, for example, a CCD field.
  • the sensor 65 is preferably moved in at least two positions in the direction perpendicular to the mounting side 30, so that the other
  • the beam direction 22 can be clearly ascertained in different positions of the beam profiles recorded. It is also possible for two fixed sensors, for example CCD fields, to be used in combination with a beam splitter.
  • the test mirror 62 can measure the
  • FIG. 3 illustrates an alternative to the step in FIG. 2.
  • the encapsulation element 4 has several
  • Recesses 48a, 48b are located directly on the outer surface 47 through which the
  • Laser emission L is emitted.
  • the recess 48b is located relatively far from the outer surface 47.
  • a block is located between the recesses 48a, 48b
  • relevant encapsulation element 4, of the Laser emission L is irradiated and is provided for the later optic surface 5.
  • Test mirror 62 placed to the sensor 65 that
  • a position of the associated laser diode 2 can be determined via a camera 64, as a result of which the emission direction 22 can be clearly determined.
  • FIG. 4 shows that the laser emission L is scanned, for example, via an optical fiber 67.
  • Optical fiber 67 can preferably achieve a spatial resolution within an emission field of laser emission L.
  • FIG. 5 illustrates as a further alternative that a reflection region 63 is generated in the encapsulation element 4.
  • the reflection area 63 can be by scattering centers
  • the laser emission is scattered at the reflection region 63, which can run obliquely to the mounting side 30.
  • the scattered laser emission can be detected via the camera 64 and / or via the sensor 65, as a result of which the radiation direction 22 can be determined.
  • the direction of radiation 22 is determined by
  • Encapsulation element 4 is formed.
  • the reflection region 63 preferably delimits the recess 48 on the outer surface 47.
  • the encapsulation element 4 has a comparatively large thickness between the outer surface 47 and the laser diode 2. The associated large distance between the reflection region 63 and the laser diode 2 enables a precise measurement of the radiation direction 22.
  • Optical surface 5 is generated for the defined radiation of the laser emission L.
  • material damage 45 is generated in each case in a partial area 44 of the associated encapsulation element 4 by means of pulsed laser radiation 46. This is done, for example, using so-called stealth dicing. A contour of the material damage 45 within the
  • Encapsulation element 4 is given by the preceding analysis of the radiation direction 22 and / or the radiation profile. An optical surface 5 is thus generated in such a way that the desired radiation characteristic results, despite
  • Subregions of the encapsulation element 4 are optionally covered by a mask layer 61.
  • the mask layer 61 is, for example, a photoresist.
  • FIG. 8 shows the step belonging to FIG. 7
  • the laser diodes 2 are for
  • the optical surface 5 is generated. This is preferably done by wet chemical etching of the previously produced
  • Material damage 45 The generation of material damage 45 with the pulsed
  • Laser radiation 46 takes place individually for each of the
  • the etching to remove the damaged material and ultimately to form the optical surface 5 is preferably carried out for all laser diodes 2 in a common etching step.
  • FIG. 10 can optionally be a not shown
  • optical surface 5 is smoothed. This is done, for example, by locally heating the encapsulation element 4, for example by near-infrared laser radiation or by annealing in an oven. Laser polishing is also possible.
  • At least one mirror layer 52 is applied to the optical surface 5 of the encapsulation element 4.
  • the mirror layer 52 is, for example, a metallic mirror, for example made of
  • a protective layer (not shown) may be present for this metallic mirror.
  • the mirror layer 52 can be applied over the entire surface.
  • Mirror layer 52 is removed from all areas that were previously provided with the mask layer 61.
  • the mirror layer 62 thus essentially remains only in the area of the optical surfaces 5.
  • the semiconductor lasers 1 result from the separation. Separation lanes can be present along the separation lines 32, so that the separation lines 32 are free or in Essentially free of any material
  • Encapsulation elements 4 can be.
  • Encapsulation elements 4 which have the cavities 42 and in which the optical surfaces 5 are shown, of a continuous frame 51 made of the material in question
  • Encapsulation element 4 are surrounded.
  • the encapsulation element 4 is also possible for the encapsulation element 4 to be in the area of the later one
  • Optical surfaces is already pre-structured, for example has an inclined surface or surfaces that approximately correspond to the later optical surface. This can reduce the amount of etching required when shaping the optical surfaces. Furthermore, it is possible to design the encapsulation element in several parts,
  • a lattice-like perforated middle plate sits between the mounting substrate and a cover plate.
  • a recess in the mounting substrate or in an additional mounting plate can be used for the etching step
  • Separation street cavities of the middle plate are left. An opening in the cover plate could also be used for this. When separating, the dividing street cavities are divided so that a cavity wall
  • Light exit window of a side emitter component can be formed, see also FIG. 25.
  • Optical surface for example using laser induced deep
  • a laser beam 46 locally modifies the etchability of the component
  • Encapsulation element 4 so that after removing the modified areas, the desired optical surface
  • the etching to remove the irradiated areas is carried out collectively for all components of the mounting substrate.
  • FIGS. 15 and 16 A method step of a further exemplary embodiment of a method is shown in FIGS. 15 and 16.
  • Figures 15 and 16 essentially correspond to
  • the mounting substrate 3 in the area of the optical surface 5 each has an opening 34 which completely penetrates the mounting substrate 3.
  • Sub-area 44 is thus with the
  • the encapsulation element 4 can be designed in one piece and coherently across all laser diodes 2
  • the reflection regions 63 lie above the later optical surface 5 and thus to be removed by producing the optical surface 5.
  • FIGS. Another exemplary embodiment of the production method is shown in FIGS. According to Figure 17, the laser diodes 2 together with the optional bases 23 on the
  • Adhesive 36 is, for example, a
  • Encapsulation element 4 is pressed on in such a way that the cavities 42 are in particular completely filled with a material of the encapsulation 7 and so that
  • Mounting substrate 3 is glued.
  • the potting 7 is preferably made of an epoxy or a silicone. It is possible that a filler such as spheres made of an oxide is added to the material for the potting 7. An upper side of the mounting substrate facing away from the
  • Encapsulation element 4 is preferably flat, just like the mounting side 30.
  • FIG. 19 illustrates that the mounting substrate 3 and the adhesive 36 on the one hand and by the Encapsulation element 4 and the encapsulation 7, on the other hand, in each case several openings 71 are created.
  • the openings 71 extend as far as the laser diode 2. In a range between
  • Adjacent laser diodes 2 on the mounting substrate 3 preferably extend through the openings 71 completely through the arrangement.
  • Encapsulation element 4 processed with a different laser radiation than the encapsulation 7.
  • the openings 71 are filled, so that electrical plated-through holes 74 and metal frames 75 are produced.
  • This metallization is carried out, for example, first by sputtering, as a result of which a thin metallic growth layer is formed, and subsequently by electroplating, building on the growth layer.
  • the metallic structures 72, 74, 75 are made of copper, for example.
  • An electrical connection of the laser diode 2 is made via the plated-through holes 74 in the region of the laser diode 2
  • contact surfaces 72 can also be produced from one or more metals.
  • the contact surfaces 72 can be solderable layers.
  • FIG. 21 also illustrates that the metal frames 75, which extend completely through the arrangement, are preferably close to the closed frame Separating lines 32 are guided completely around the associated cavity 42 and around an area for the later optical surface 5.
  • the area with the later optical surface 5 is indicated by hatching.
  • Encapsulation element 4 accessible with the mounting substrate 3 and a hermetic seal, even after one
  • optical surfaces 5 with the optional are then preferably collectively analogous to FIGS. 7 to 14
  • Generating the mirror surfaces 5 preferably leaves a material of the potting 7 unaffected, so that the potting 7 is not or not significantly impaired by the etching and remains. Edge rounding can occur above the area with the encapsulation 7, as a result of the etching of the encapsulation element 4.
  • FIG. 23 shows that optionally the encapsulation 7 and also the adhesive 36 can be completely removed using a further etching process. You can choose between the
  • the cover 8 can also be designed in the form of a lens, but is preferably a plane-parallel plate.
  • the cover 8 is soldered on, for example, in particular on the metal frame 75 and / or on conductor tracks 76.
  • FIG. 23 illustrates that all electrical contact surfaces 72 for external electrical contacting can be attached to a single side of the mounting substrate 3. Via electrical interconnects 76, which between the frame 75 and the plated-through holes 74 through the
  • Figure 24 essentially corresponds to Figure 23, but the gap is omitted.
  • the mounting substrate 3 and the encapsulation element 4 are connected directly to one another via anodic bonding.
  • the laser diode 2 with the base 23 can be soldered to the mounting substrate 3 by means of a solder 77.
  • the optical surface 5 can thus be located directly on the outer surface 47 of the cavity 42. 1 thus takes place in the semiconductor laser of FIG Emission essentially in the direction parallel to the mounting side 30.
  • the optical surface 5 acts as a refractive lens.
  • the cavity 42 is not in the encapsulation element 4, but in the mounting substrate 3. It is possible for deflecting optics 54, for example a prism, to be fitted in the cavity 42. In order to compensate for the positioning tolerances of the laser diode 2 and the deflection optics 54, the optics surface 5 is located on a mounting substrate 3
  • the optical surface 5 is preferably produced by a subtractive method, that is to say by removing material.
  • optical surfaces 5 of FIGS. 25 and 26, which have a refractive and non-reflective effect, can be produced analogously to FIGS. 1 to 24. However, this is preferably omitted
  • Mirror layer 52 instead of mirror layer 52, not shown, in the area of optical surface 5
  • Anti-reflective coatings may be present.
  • FIG. 27 illustrates in a top view that there is a separate encapsulation element 4 for each laser diode 2.
  • the encapsulation elements 4 are grid-shaped
  • the separating lines 32 run between adjacent encapsulation elements 4. Areas for the later optical surfaces are again indicated by hatching.
  • markings 38 can be present.
  • the markings 38 for example cruciform, can be located within the cavity 42.
  • About such Markings 38 is a simplified placement of the markings 38
  • Carrier should be possible.
  • FIG. 28 shows that a one-piece, continuous encapsulation element 4 is used.
  • the separating lines 32 run through the
  • circular markings 38 can be present, for example, which can be located next to the cavity 32. Since the encapsulation element 4 is preferred
  • the markings 38 can be covered by the encapsulation element 4.
  • FIG. 29 illustrates that the laser diodes 2 are attached in a grid 9.
  • Laser diode centers 92 have comparatively large deviations from raster points 91 of the raster 9. This is a comparatively large one
  • Laser diodes 2 can be performed. Unless otherwise indicated, the components shown in the figures preferably follow in the indicated
  • the invention encompasses every new feature and every combination of features, which includes in particular every combination of features in the patent claims, even if this feature or this combination itself is not explicitly specified in the patent claims or exemplary embodiments.

Abstract

In einer Ausführungsform dient das Verfahren zur Herstellung von Halbleiterlasern (1) und beinhaltet die folgenden Schrittein der angegebenen Reihenfolge: A) Anbringen einer Vielzahl von kantenemittierenden Laserdioden (2) auf einem Montagesubstrat (3), B) Anbringen eines Verkapselungselements (4), sodass die Laserdioden (2) jeweils in einer Kavität (42) zwischen dem Montagesubstrat (3) und dem zugehörigen Verkapselungselement (4) angebracht werden, C) Betreiben der Laserdioden (2) und Bestimmen von Abstrahlrichtungen (22) der Laserdioden (2),D) Erzeugen von Materialschäden (45) in Teilgebieten (44) des Verkapselungselements (4), wobei die Teilgebiete (44) den Laserdioden (2) eindeutig zugeordnet sind, E) kollektives Entfernen von Material des Verkapselungselements (4), wobei dieses Material von den Materialschäden (45) betroffen ist, sodass für die Laserdioden (2) in den Teilgebieten (44) individuelle Optikflächen (5) zur Strahlformung entstehen, und F) Vereinzeln zu den Halbleiterlasern (1).

Description

Beschreibung
VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG VON HALBLEITERLASERN UND
HALBLEITERLASER
Es wird ein Verfahren zur Herstellung von Halbleiterlasern angegeben. Darüber hinaus wird ein Halbleiterlaser angegeben.
Eine zu lösende Aufgabe liegt darin, ein Verfahren anzugeben, mit dem im Waferverbund oder im Panelverbund Halbleiterlaser effizient auf einem Montageträger anbringbar sind.
Diese Aufgabe wird unter anderem durch ein Verfahren und durch einen Halbleiterlaser mit den Merkmalen der
unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte
Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Bei dem hier beschriebenen Verfahren erfolgt insbesondere eine Montage von Laserdioden im Scheibenverbund oder im
Panelverbund, wobei nachfolgend individuell für die
Laserdioden optische Elemente in einem Gehäuse, etwa aus Glas, eingebracht werden, sodass die optischen Elemente die von der betreffenden Laserdiode emittierte Laserstrahlung passend korrigieren und Montagetoleranzen ausgleichen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt des Anbringens einer Vielzahl von Laserdioden auf einem Montagesubstrat. Bei den Laserdioden handelt es sich bevorzugt um kantenemittierende Laserdioden. Die Laserdioden sind zur Erzeugung einer Laserstrahlung eingerichtet und weisen zumindest ein Halbleitermaterial auf. Beispielsweise basieren die Laserdioden auf den Halbleitermaterialien
AlInGaN, AlInGaAs oder AlInGaP. Insbesondere sind die Laserdioden zur Erzeugung von sichtbarer Strahlung oder nahultravioletter Strahlung eingerichtet. Beispielsweise handelt es sich bei den Laserdioden um blaues Licht
emittierende Komponenten auf Basis von AlInGaN.
Das Montagesubstrat wird bevorzugt als Wafer oder als Scheibe bereitgestellt. Damit erfolgt das Anbringen der Laserdioden im Waferverbund über das Montagesubstrat hinweg. Das
Montagesubstrat ist in den fertigen Halbleiterlasern
bevorzugt vorhanden und die mechanisch tragende und
stabilisierende Komponente, also einen Träger, der fertigen Halbleiterlaser darstellen. Das Montagesubstrat verfügt bevorzugt über elektrische Strukturen wie elektrische
Kontaktflächen, Durchkontaktierungen und/oder Leiterbahnen. Insbesondere sind die Laserdioden über das Montagesubstrat elektrisch kontaktiert und verschaltet. Das Montagesubstrat ist beispielsweise ein keramisches Substrat oder eine
Leiterplatte wie eine Metallkernplatine. Weiterhin kann das Montagesubstrat aus einem Halbleitermaterial sein, etwa aus Silizium.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt des Anbringens mindestens eines
Verkapselungselements. Es kann ein einziges
Verkapselungselement für alle Laserdioden herangezogen werden oder Gruppen von Laserdioden werden von einem gemeinsamen Verkapselungselement überdeckt. Weiterhin können für die Laserdioden individuelle Verkapselungselemente verwendet werden, wobei eine eineindeutige Zuordnung zwischen den
Verkapselungselementen und den Laserdioden bestehen kann.
Die Laserdioden befinden sich jeweils in einer Kavität zwischen dem Montagesubstrat und dem zugehörigen Verkapselungselement. Dabei ist das Montagesubstrat bevorzugt planar gestaltet und im Verkapselungselement sind
Ausnehmungen geformt, die die Kavitäten definieren.
Alternativ kann das Montagesubstrat entsprechende
Ausnehmungen aufweisen und das Verkapselungselement ist planar gestaltet oder es befinden sich Ausnehmungen sowohl am Montagesubstrat und am Verkapselungselement, um die Kavitäten durch beide Komponenten zu definieren. Bevorzugt sind die Laserdioden nach dem Anbringen des Verkapselungselements gekapselt, insbesondere hermetisch gekapselt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Gehäuse aus dem Verkapselungselement und dem Montagesubstrat hermetisch dicht und die Laserdiode hermetisch gekapselt in dem Gehäuse untergebracht. Das heißt, zwischen einem Inneren und einem Äußeren des Gehäuses findet kein signifikanter Austausch von Stoffen wie Sauerstoff oder Wasserdampf statt. Hermetisch dicht bedeutet zum Beispiel, dass eine Leck-Rate höchstens 5 x 10- pa m/s beträgt, insbesondere bei Raumtemperatur.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt des Betreibens der Laserdioden und des Bestimmens von Abstrahlrichtungen der Laserdioden. Dadurch, dass das zumindest eine Verkapselungselement zuvor angebracht wurde, lassen sich die Laserdioden zumindest kurzzeitig betreiben, ohne dass Schäden an den Laserdioden durch Umwelteinflüsse resultieren. Damit lassen sich die Abstrahlrichtungen der Laserdioden durch den Betrieb der Laserdioden ermitteln. Das Bestimmen der Abstrahlrichtungen kann ein Messen einer
Position der jeweiligen Laserdiode und/oder eine
Charakterisierung eines Emissionsmusters an einer oder an mehreren Stellen entlang der Abstrahlrichtung oder entlang einer Emissionsrichtung einschließen. Das heißt, die Abstrahlrichtung kann auch mittelbar über die Messung anderer Größen der Laseremission der Laserdioden bestimmt werden. Besonders bevorzugt wird für jede Laserdiode die zugehörige Abstrahlrichtung individuell bestimmt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt des Erzeugens von Materialschäden in Teilgebieten des mindestens einen Verkapselungselements. Die Teilgebiete mit den Materialschäden sind für eine nachfolgende
Materialentfernung vorgesehen. Die Teilgebiete sind den
Laserdioden eindeutig, bevorzugt eineindeutig, zugeordnet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt des kollektiven Entfernens von Material des mindestens einen Verkapselungselements, das von den
Materialschäden betroffen ist. Durch das Entfernen des vorgeschädigten Materials entstehen in den Teilgebieten
Optikflächen. Die Optikflächen sind den Laserdioden
individuell zugeordnet und dienen zur Strahlformung und/oder zur Strahlkorrektur der betreffenden Laseremission.
Insbesondere sind durch die individuell den Laserdioden zugeordneten Optikflächen Ungenauigkeiten bei einer
Platzierung der Laserdioden auf dem Montagesubstrat
korrigiert .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform bildet die Optikfläche sowohl eine Umlenkoptik als auch eine Fokussieroptik. Eine weitere Fokussieroptik kann dann optional entfallen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt des Vereinzeins zu den Halbleiterlasern. Das Vereinzeln erfolgt beispielsweise mittels Sägen,
Laserschneiden, Ritzen und Brechen oder auch mittels Ätzen. Vom Vereinzeln ist zumindest das Montagesubstrat betroffen. Optional wird beim Vereinzeln auch das zumindest eine
Verkapselungselement zerteilt.
In mindestens einer Ausführungsform dient das Verfahren zur Herstellung von Halbleiterlasern und beinhaltet die folgenden Schritte, bevorzugt in der angegebenen Reihenfolge:
A) Anbringen einer Vielzahl von kantenemittierenden
Laserdioden auf einem Montagesubstrat,
B) Anbringen mindestens eines Verkapselungselements, sodass die Laserdioden jeweils in einer Kavität zwischen dem
Montagesubstrat und dem zugehörigen Verkapselungselement angebracht werden,
C) Betreiben der Laserdioden und individuelles Bestimmen von Abstrahlrichtungen der Laserdioden,
D) Erzeugen von Materialschäden in Teilgebieten des
mindestens einen Verkapselungselements, wobei die Teilgebiete den Laserdioden eindeutig zugeordnet sind,
E) kollektives Entfernen von Material des mindestens einen Verkapselungselements, wobei dieses Material von den
Materialschäden betroffen ist, sodass für die Laserdioden in den Teilgebieten individuelle Optikflächen zur Strahlformung entstehen, und
F) Vereinzeln zu den Halbleiterlasern.
Halbleiterlaserdioden emittieren vorzugsweise zur Seite, also in der Ebene des Bauteils oder einer
Halbleiterschichtenfolge, obwohl die Laserstrahlung
üblicherweise nach oben, senkrecht zur Ebene der
Halbleiterschichtenfolge, benötigt wird. Bei einem Hausen der Halbleiterlaserdioden wird deshalb oftmals eine Umlenkoptik passend positioniert, welche die Laserstrahlung umlenkt.
Halbleiterlaserdiode, Umlenkoptik und Fokussieroptik sind präzise zueinander zu justieren. Dies macht Lasergehäuse, über die Dichtigkeitsanforderungen hinaus, zu einem
aufwändigen Produkt, das sich üblicher Massenfertigungspraxis entzieht. Wird ein Halbleiterlaser mit Seitenemission
gewünscht, entfällt zwar für die Laserdiode bei
Kantenemittern der Umlenkspiegel, die Justageanforderungen von Laseremission zu Austrittsfenster verbleiben jedoch.
Mit dem hier beschriebenen Verfahren ist erreichbar, dass die Laserdioden mit der relativ geringen Genauigkeit aus der LED- Montage, also ohne aktive Justage beim Setzen der Laserdiode oder dem gegebenenfalls benötigten Umlenkspiegel, auf
Waferebene oder Panelebene positioniert werden können, wobei oberflächenmontierbare Gehäuse herangezogen werden können. Dies wird insbesondere durch das Anfertigen individueller Optiken nach dem Platzieren der Laserdioden ermöglicht.
Demgegenüber erfordert die üblich herangezogene genaue
Platzierung und Justage von Laserdioden sowie Optiken beim Hausen spezielle Präzisionsmaschinen. Oft muss dazu die
Laserdiode betrieben werden. Die Maschinen zur
Präzisionsmontage sind teuer und arbeiten langsam. Oftmals werden vergleichsweise alte Gehäusebauformen wie TO-Gehäuse verwendet, die sich nur mit Durchsteckmontage verarbeiten lassen. Durch das nachträgliche, individuelle Anbringen und Erzeugen der Optikflächen bei dem hier beschriebenen
Verfahren ist zwar ein zusätzlicher Arbeitsschritt
erforderlich, jedoch wird die aufwändige und teure
Platzierung der Laserdioden mit hoher Präzision umgangen.
Somit werden bei dem hier beschriebenen Verfahren die
Anforderungen an die Präzision beim Setzen der Laserdioden verringert, sodass einfachere und schnellere Maschinen genutzt werden können und die Prozesse rascher und damit kosteneffizienter ausgeführt werden können. Der Ort im
Gehäuse, an dem die Laserdiode sitzt, schwankt über das noch nicht vereinzelte Montagesubstrat hinweg relativ stark.
Ferner wird das Gehäuse mit der bevorzugt zumindest teilweise subtraktiv hergestellten und individuellen Optik versehen, deren Formung oder Position von Halbleiterlaser zu
Halbleiterlaser anpassbar sind. In einem Ensemble von
Halbleiterlasern resultiert also eine vergleichsweise breite Verteilung hinsichtlich der Positionen der Laserdioden und hinsichtlich der Gestaltung der Optikflächen.
Optische Messungen und Laserbelichtungen lassen sich sehr schnell ausführen, sodass eine serielle Bearbeitung für jedes Bauteil auf einem Panel wirtschaftlich ausgeführt werden kann. Die langsamen chemischen Prozesse insbesondere beim Ätzen zum Erzeugen der Optikflächen werden für alle Bauteile bevorzugt gleichzeitig durchgeführt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform dienen die Optikflächen für eine Umlenkung der Abstrahlrichtung von parallel oder näherungsweise parallel zu einer Montageseite des
Montagesubstrats in eine Richtung senkrecht oder
näherungsweise senkrecht zur Montageseite. Näherungsweise bedeutet insbesondere eine Winkeltoleranz von höchstens 10° oder 5° oder 2°. Das heißt, über die Optikfläche kann eine Änderung der Abstrahlrichtung von näherungsweise 90° erzielt werden. Zusätzlich zu einer Richtungsänderung erfolgt über die Optikfläche bevorzugt auch eine Korrektur einer Divergenz einer Laseremission der zugehörigen Laserdiode. Die
Notwendigkeit einer Divergenzkorrektur kann sich aus
Variationen im Abstand der Laserdiode zur Optikfläche
ergeben . Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das mindestens eine Verkapselungselement aus einem für die Laseremission
durchlässigen Material, bevorzugt aus einem transparenten Material. Beispielsweise ist das Verkapselungselement oder sind die Verkapselungselemente aus einem Glas, aus Quarz oder aus Saphir.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform überdeckt das der betreffenden Laserdiode zugeordnete Verkapselungselement die Laserdiode vollständig. Die Optikflächen liegen in Draufsicht auf die Montageseite gesehen je neben der zugeordneten
Laserdiode. Insbesondere sind die Optikflächen und die zugehörigen Laserdioden in Draufsicht gesehen voneinander beabstandet angeordnet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform werden die
Materialschäden im Schritt D) mittels einer gepulsten
Laserstrahlung erzeugt. Die Erzeugung der Materialschäden erfolgt beispielsweise über sogenanntes Stealth Dicing, wobei eine Laserstrahlung an bestimmte Stellen innerhalb des
Materials fokussiert wird und dort aufgrund hoher
Leistungsdichten der Laserstrahlung die Materialschäden resultieren. Das Verkapselungselement ist für die
Laserstrahlung im Schritt D) bevorzugt transparent. Die
Materialschäden werden insbesondere nicht durch Absorption, sondern vor allem aufgrund der lokalen, hohen
Leistungsdichten erzeugt. Eine Impulsdauer der Laserstrahlung zum Erzeugen der Materialschäden liegt bevorzugt bei
höchstens 10 ns oder 1 ns oder 100 ps oder 10 ps .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das kollektive Entfernen im Schritt E) ein Ätzen, bevorzugt ein
nasschemisches Ätzen. Ein nasschemisches Ätzen wird insbesondere dadurch ermöglicht, dass die Laserdioden im Schritt E) vor einer Ätzflüssigkeit durch weitere Komponenten geschützt sind.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die Optikflächen mindestens eine Krümmung auf. Die Optikflächen sind somit zumindest stellenweise keine ebenen, planen Flächen.
Beispielsweise sind die Optikflächen paraboloid geformt und können gekrümmte 90 ° -Umlenkflächen bilden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird die gepulste
Laserstrahlung zum Erzeugen der Materialschäden im Schritt D) durch eine Öffnung im Montagesubstrat durch das
Montagesubstrat hindurch in das Material des mindestens einen Verkapselungselements eingestrahlt. Hierdurch sind
Optikflächen erreichbar, die eine Umlenkung der Laseremission aus einer Ebene parallel zur Montageseite heraus durch das Montagesubstrat hindurch erreichen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform erfolgt in einem
Schritt El) zwischen den Schritten E) und F) das Aufbringen einer Spiegelschicht auf die Optikflächen. Damit können die Optikflächen reflektierend wirken. Bei der Spiegelschicht handelt es sich um eine Metallschicht, wie eine
Aluminiumschicht oder um eine Silberschicht. Alternativ kann die Spiegelschicht auch durch einen Bragg-Spiegel mit
mehreren Schichtpaaren realisiert werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird die Spiegelschicht mit Hilfe einer temporären Maskenschicht strukturiert
erzeugt. Dabei kann die Maskenschicht Bereiche bedecken, auf denen die Spiegelschicht später nicht verbleiben soll.
Alternativ kann die Maskenschicht nach dem Erzeugen der Spiegelschicht Bereiche bedecken, die im Halbleiterlaser verbleiben sollen, sodass übrige Gebiete der Spiegelschicht etwa über Ätzen entfernt werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wirken die Optikflächen refraktiv. Das heißt, die Optikflächen können Linsen sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform werden die Optikflächen in den Schritten D) und E) an einer Außenfläche einer
Außenwand der zugeordneten Kavität erzeugt. Dies gilt
insbesondere, wenn durch die Optikflächen die
Abstrahlrichtung nur korrigiert wird, aber keine größere Richtungsänderung erfolgt. Das heißt, nach Durchlaufen der Optikflächen verläuft die Laseremission in diesem Fall immer noch beispielsweise parallel oder näherungsweise parallel zur Montageseite .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform befindet sich zumindest im Schritt C) an einer Außenfläche einer Außenwand der
Kavitäten je eine Ausnehmung in dem mindestens einen
Verkapselungselement. Diese Ausnehmung kann sich mittelbar oder unmittelbar an der Außenwand befinden. Es ist möglich, dass eine weitere Ausnehmung zwischen dieser Ausnehmung und der Außenwand liegt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird im Schritt C) zur Bestimmung der jeweiligen Abstrahlrichtung ein Testspiegel in die Ausnehmung geführt. Der Testspiegel wird beispielsweise mittels eines Roboterarms platziert. Der Testspiegel befindet sich lediglich zeitweilig in der betreffenden Ausnehmung und kann sequentiell über die Ausnehmungen an den verschiedenen Laserdioden hinweg geführt werden. Gemäß zumindest einer Ausführungsform befindet sich die
Ausnehmung zwischen der Außenfläche und der späteren,
zugehörigen Optikfläche. Alternativ ist es möglich, dass sich die spätere Optikfläche, die erst nachfolgend erzeugt wird, zwischen der Ausnehmung und der zugehörigen Außenfläche befindet .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das mindestens eine Verkapselungselement zumindest im Schritt C) eine
Vielzahl von Reflexionsbereichen auf. An den
Reflexionsbereichen erfolgt bevorzugt eine Umlenkung der jeweiligen Abstrahlrichtung von parallel zu senkrecht zum Montageträger oder zumindest von näherungsweise parallel zu näherungsweise senkrecht zum Montageträger.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die
Reflexionsbereiche durch spekular reflektierende äußere
Grenzflächen des Verkapselungselements gebildet. Alternativ oder zusätzlich sind die Reflexionsbereiche durch diffus reflektierende, innerhalb des mindestens einen
Verkapselungselements liegende Streuzentren gebildet.
Weiterhin ist es möglich, dass außenliegende diffus
reflektierende Strukturen oder innenliegende spekular
reflektierende Strukturen verwendet werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform erfolgt im Schritt C) die Bestimmung der jeweiligen Abstrahlrichtung mittels der Reflexionsbereiche. Mit anderen Worten stellen die
Reflexionsbereiche eine Alternative zu einem Testspiegel dar.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform werden die zugehörigen Optikflächen in den Schritten B) und E) jeweils zwischen dem betreffenden Reflexionsbereich und der betreffenden Laserdiode erzeugt. Das heißt, in den fertigen
Halbleiterlasern sind die Reflexionsbereiche bevorzugt ohne Funktion .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist im Schritt C) ein Abstand zwischen den Reflexionsbereichen und der jeweils zugeordneten Laserdiode vergleichsweise groß. Zum Beispiel liegt dieser Abstand bei mindestens 0,5 mm oder 1 mm oder 1,5 mm. Durch einen solchen vergleichsweise großen Abstand ist eine erhöhte Präzision bei der Bestimmung der
Abstrahlrichtungen erzielbar.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform werden die
Reflexionsbereiche im Schritt F) entfernt. Alternativ können die Reflexionsbereiche schon vor dem Schritt F) entfernt werden oder noch in den fertigen Halbleiterbauteilen
vorhanden sein, sodass die Reflexionsbereiche dann gar nicht entfernt werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform werden die Laserdioden in einem Schritt Al) zwischen den Schritten A) und B) je mit einem Verguss umhüllt. Bei dem Verguss handelt es sich beispielsweise um ein Epoxidharz oder um ein Silikon.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform werden im Schritt B) die Kavitäten von dem Verguss teilweise oder vollständig ausgefüllt. Insbesondere erstreckt sich der Verguss innerhalb der Kavitäten vollständig entlang eines Lichtpfads der
Laseremission der Laserdioden. Die Laserdioden sind von dem jeweils zugehörigen Verguss bevorzugt vollständig umschlossen und umhüllt, sodass die Laserdioden aufgrund des Vergusses flüssigkeitsfest verkapselt sein können. Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird der Verguss vor oder auch nach dem Schritt F) vollständig oder teilweise entfernt. Bevorzugt erfolgt das Entfernen des Vergusses zwischen den Schritten E) und F) .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird im Schritt B) das mindestens eine Verkapselungselement mittels des Vergusses an dem Montagesubstrat befestigt. Der Verguss kann somit als Kleber zwischen dem Verkapselungselement und dem
Montagesubstrat dienen. Insbesondere erstreckt sich der Verguss flächig zwischen das Montagesubstrat und das
mindestens eine Verkapselungselement.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird der Verguss vor dem Schritt F) vollständig entfernt, sodass wenigstens stellenweise ein Spalt zwischen dem mindestens einen
Verkapselungselement und dem Montagesubstrat entsteht. Der Spalt kann gasgefüllt oder evakuiert sein. Ein solches
Entfernen kann auch für einen Klebstoff gelten, mit dem die Laserdioden auf dem Montagesubstrat befestigt sind,
insbesondere temporär befestigt sind.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform erstreckt sich durch das mindestens eine Verkapselungselement hindurch und
mindestens bis zum Montagesubstrat eine oder mehrere
metallische Durchkontaktierungen. Die mindestens eine
metallische Durchkontaktierung kann vollständig durch das Montagesubstrat hindurch laufen. Das heißt, die
Durchkontaktierung kann von einer dem Verkapselungselement abgewandten Seite des Montagesubstrats bis zu einer dem
Montagesubstrat abgewandten Seite des Verkapselungselements reichen . Gemäß zumindest einer Ausführungsform umläuft die metallische Durchkontaktierung in Draufsicht auf die Montageseite gesehen die zugehörige Laserdiode samt Optikfläche vollständig und ringsum. Durch diese Durchkontaktierung ist damit ein
Metallrahmen gebildet, der zwischen dem Montagesubstrat und dem mindestens einen Verkapselungselement eine Abdichtung bewirkt. Außerdem kann durch einen solchen Metallrahmen das Verkapselungselement an dem Montagesubstrat gehalten werden, nachdem der Verguss entfernt wurde.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist durch das
mindestens eine Verkapselungselement um die Laserdioden herum und um die jeweils zugehörige Optikfläche herum in Draufsicht auf die Montageseite gesehen ein durchgehender Rahmen
gebildet. Dieser Rahmen weist bevorzugt eine Höhe auf, die größer ist als eine maximale Höhe der Optikflächen. Das heißt, der aus dem Verkapselungselement gebildete Rahmen überragt bevorzugt ringsum die aus dem Verkapselungselement gefertigten Optikflächen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird genau ein
Verkapselungselement verwendet. Das Verkapselungselement erstreckt sich bis zum Schritt F) zusammenhängend über alle Laserdioden. Alternativ können für die Laserdioden einzelne Verkapselungselemente verwendet werden, die in keinem der Verfahrensschritte zusammenhängend gestaltet sind.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform werden die Laserdioden im Schritt A) bestimmungsgemäß in einem regelmäßigen Raster auf dem Montagesubstrat aufgebracht. Dabei ist eine
Standardabweichung zwischen einer tatsächlichen Position der Laserdioden zu Rasterpunkten des Rasters über das
Montagesubstrat hinweg relativ groß. Mit anderen Worten sind die Laserdioden vergleichsweise unpräzise auf den Rasterpunkten des Montagesubstrats aufgebracht.
Die Standardabweichung liegt beispielsweise bei mindestens 5 ym oder 10 ym oder 20 ym und/oder bei höchstens 100 ym oder 50 ym oder 25 ym. Demgegenüber liegt bei herkömmlichen
Platzierungsprozessen für Laserdioden, die mit einer hohen Präzision durchgeführt werden, die Standardabweichung bei unter 5 ym oder 2 ym. Somit sind über das Montagesubstrat hinweg erheblich größere Platzierungstoleranzen und damit ein kosteneffizienteres Aufbringen der Laserdioden ermöglicht.
Darüber hinaus wird ein Halbleiterlaser angegeben. Der
Halbleiterlaser wird mit einem Verfahren hergestellt, wie in Verbindung mit einer oder mehrerer der oben genannten
Ausführungsformen beschrieben. Merkmale des Halbleiterlasers sind daher auch für das Verfahren offenbart und umgekehrt.
In mindestens einer Ausführungsform umfasst der
Halbleiterlaser das Montagesubstrat und eine oder mehrere der Laserdioden, die auf dem Montagesubstrat montiert sind.
Weiterhin umfasst der Halbleiterlaser das für eine
Laseremission der Laserdiode durchlässige
Verkapselungselement. Die Laserdiode ist in der Kavität zwischen dem Montagesubstrat und dem Verkapselungselement angebracht. Das Verkapselungselement weist eine der
Optikflächen zur Strahlformung der Laseremission aus der zugeordneten Laserdiode auf. Die Optikfläche ist für eine Umlenkung der Laseremission von parallel zu senkrecht zur Montageseite des Montagesubstrats eingerichtet. Zwischen einer Außenwand der Kavität und der Optikfläche befindet sich entlang der Abstrahlrichtung der Laseremission eine
Ausnehmung in dem Verkapselungselement. Die Laseremission durchläuft hin zur Optikfläche im Betrieb des
Halbleiterlasers sowohl die Außenwand der Kavität als auch die Ausnehmung an der Außenwand.
Nachfolgend werden ein hier beschriebenes Verfahren und ein hier beschriebener Halbleiterlaser unter Bezugnahme auf die Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen geben dabei gleiche Elemente in den einzelnen Figuren an. Es sind dabei jedoch keine
maßstäblichen Bezüge dargestellt, vielmehr können einzelne Elemente zum besseren Verständnis übertrieben groß
dargestellt sein.
Es zeigen:
Figuren 1 bis 6 schematische Schnittdarstellungen von
Verfahrensschritten eines Ausführungsbeispiels eines hier beschriebenen Verfahrens,
Figuren 7, 9, 11 und 13 jeweils schematische
Schnittdarstellungen von Verfahrensschritten eines Ausführungsbeispiels eines hier beschriebenen Verfahrens ,
Figuren 8, 10, 12 und 14 schematische Draufsichten von
Verfahrensschritten eines Ausführungsbeispiels eines hier beschriebenen Verfahrens,
Figur 15 eine schematische Schnittdarstellung eines
Ausführungsbeispiels eines hier beschriebenen Verfahrens , Figur 16 eine schematische Draufsicht auf einen
Verfahrensschritt eines Ausführungsbeispiels eines hier beschriebenen Verfahrens,
Figuren 17 bis 20 schematische Schnittdarstellungen von
Verfahrensschritten eines hier beschriebenen
Verfahrens ,
Figur 21 eine schematische Draufsicht auf einen
Verfahrensschritt eines hier beschriebenen Verfahrens ,
Figuren 22 bis 24 schematische Schnittdarstellungen von
Verfahrensschritten eines hier beschriebenen
Verfahrens ,
Figuren 25 und 26 schematische Schnittdarstellungen von
Ausführungsbeispielen von hier beschriebenen
Halbleiterlasern, und
Figuren 27 bis 29 schematische Draufsichten auf
Verfahrensschritte eines hier beschriebenen
Verfahrens .
In den Figuren 1 bis 14 ist ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Herstellung von Halbleiterlasern 1 gezeigt. Gemäß Figur 1 wird ein Montagesubstrat 3 mit einer
beispielsweise ebenen Montageseite 30 bereitgestellt. Das Montagesubstrat 3 verfügt bevorzugt über nicht gezeichnete elektrische Kontaktflachen, Durchkontaktierungen und/oder Leiterbahnen. Das Montagesubstrat 3 ist beispielsweise ein Siliziumträger, ein Keramikträger oder eine Leiterplatte wie eine Metallkernplatine. Auf der Montageseite 30 ist eine Vielzahl von
kantenemittierenden Laserdioden 2 angebracht, bevorzugt in einer zweidimensionalen regelmäßigen Anordnung. Die
Laserdioden 2 können optional jeweils auf einem Sockel 23, auch als Submount bezeichnet, angebracht sein. Eine
elektrische Kontaktierung der Laserdioden 2 erfolgt
beispielsweise über Bonddrähte 24. Eine Emission von
Laserstrahlung aus den Laserdioden 2 erfolgt bevorzugt in Richtung parallel oder näherungsweise parallel zur
Montageseite 30, insbesondere in einem Gebiet, in dem die Laserdioden 2 seitlich über die Sockel 23 überstehen.
Eine Verkapselung der Laserdioden 2 erfolgt über
Verkapselungselemente 4. Die Verkapselungselemente 4 weisen jeweils eine Kavität 42 auf, in der sich die zugehörige
Laserdiode 2 befindet. Die Kavität 42 ist von Außenwänden mit Außenflächen 47 umgeben. An den Außenflächen 47 und bevorzugt auch an Innenseiten der Kavitäten 42 befinden sich
Antireflexbeschichtungen 53. Solche Antireflexbeschichtungen 53 können auch in allen anderen Ausführungsbeispielen
vorhanden sein.
Die Verkapselungselemente 4 sind bevorzugt an das
Montagesubstrat 3 angelötet. Alternativ kann eine Anbindung über Glaslote oder Glasfritten oder auch über anodisches Bonden erfolgen. Somit sind die Laserdioden 2 in den
Kavitäten 42 zwischen dem Montagesubstrat 3 und den
Verkapselungselementen 4 hermetisch abgedichtet. Die
Verkapselungselemente 4 sind beispielsweise aus einem Glas, aus Quarz oder aus Saphir.
Die Laserdioden 2 werden gemäß Figur 1 mit vergleichsweise großen lateralen Toleranzen auf der Montageseite 30 angebracht. Um die Montagetoleranzen nachfolgend auszugleichen, erfolgt im Schritt der Figur 2 eine Bestimmung einer Abstrahlrichtung 22 der Laserdioden 2. Die
Abstrahlrichtungen 22 werden für die Laserdioden 2 bevorzugt individuell und nacheinander bestimmt. Dies kann dadurch erfolgen, dass in eine Ausnehmung 48 der
Verkapselungselemente 4 oder in einen entsprechenden Abstand zweier aufeinanderfolgender Verkapselungselemente 4 ein
Testspiegel 62 eingebracht wird, beispielsweise mittels eines Arms 66, der ein Roboterarm sein kann.
Über den Testspiegel 62 wird eine Laseremission L, wie von der betreffenden Laserdiode 2 erzeugt, in Richtung hin zu einem Sensor 65 reflektiert. Bei dem Sensor 65 handelt es sich beispielsweise um ein CCD-Feld. Der Sensor 65 wird bevorzugt in zumindest zwei Positionen in Richtung senkrecht zur Montageseite 30 bewegt, sodass über die an den
verschiedenen Positionen aufgenommenen Strahlprofile die Abstrahlrichtung 22 eindeutig feststellbar ist. Weiterhin ist es möglich, dass zwei feststehende Sensoren, zum Beispiel CCD-Felder, in Kombination mit einem Strahlteiler verwendet werden. Der Testspiegel 62 kann beim Vermessen der
Emissionscharakteristik auf der Montageseite 30 aufsetzen oder auch nicht aufsetzen.
In Figur 3 ist eine Alternative zum Schritt der Figur 2 illustriert. Das Verkapselungselement 4 weist mehrere
Ausnehmungen 48a, 48b auf. Die Ausnehmung 48a befindet sich direkt an der Außenfläche 47, durch die hindurch die
Laseremission L emittiert wird. Die Ausnehmung 48b befindet sich relativ weit von der Außenfläche 47 entfernt. Zwischen den Ausnehmungen 48a, 48b befindet sich ein Block des
betreffenden Verkapselungselements 4, der von der Laseremission L durchstrahlt wird und der für die spätere Optikfläche 5 vorgesehen ist.
In die weiter entfernt liegende Ausnehmung 48b wird der
Testspiegel 62 platziert, um über den Sensor 65 das
Strahlprofil der Laseremission L aufzunehmen. Außerdem ist über eine Kamera 64 eine Position der zugehörigen Laserdiode 2 bestimmbar, wodurch die Abstrahlrichtung 22 eindeutig bestimmbar ist.
In Figur 4 ist als Alternative zu den Figuren 2 oder 3 dargestellt, dass eine Abrasterung der Laseremission L zum Beispiel über eine optische Faser 67 erfolgt. Mit der
optischen Faser 67 ist bevorzugt eine Ortsauflösung innerhalb eines Emissionsfeldes der Laseremission L erzielbar.
In Figur 5 ist als weitere Alternative illustriert, dass in dem Verkapselungselement 4 ein Reflexionsbereich 63 erzeugt ist. Der Reflexionsbereich 63 kann durch Streuzentren
gebildet sein, die beispielsweise über Laserstrahlung
generiert sind. An dem Reflexionsbereich 63, der schräg zur Montageseite 30 verlaufen kann, erfolgt eine Streuung der Laseremission. Die gestreute Laseremission kann über die Kamera 64 und/oder über den Sensor 65 detektiert werden, wodurch die Abstrahlrichtung 22 bestimmbar ist.
Bei der weiteren Alternative zu den Figuren 2 bis 5 der Figur 6 erfolgt eine Bestimmung der Abstrahlrichtung 22 durch
Reflexion der Laseremission L an dem Reflexionsbereich 63, der durch eine schräge Seitenfläche des darauffolgenden
Verkapselungselements 4 gebildet ist. Der Reflexionsbereich 63 begrenzt bevorzugt die Ausnehmung 48 an der Außenfläche 47. Zwischen der Außenfläche 47 und der Laserdiode 2 weist das Verkapselungselement 4 eine vergleichsweise große Dicke auf. Durch den damit einhergehenden großen Abstand zwischen dem Reflexionsbereich 63 und der Laserdiode 2 ist eine präzise Ausmessung der Abstrahlrichtung 22 ermöglicht.
In den folgenden Figuren wird illustriert, wie eine
Optikfläche 5 zur definierten Abstrahlung der Laseremission L erzeugt wird. Gemäß Figur 7 werden mittels einer gepulsten Laserstrahlung 46 in einem Teilgebiet 44 des zugehörigen Verkapselungselements 4 jeweils Materialschäden 45 erzeugt. Dies erfolgt beispielsweise über sogenanntes Stealth Dicing. Eine Kontur der Materialschäden 45 innerhalb des
Verkapselungselements 4 ist durch die vorangehende Analyse der Abstrahlrichtung 22 und/oder des Abstrahlprofils gegeben. Es wird also eine Optikfläche 5 derart erzeugt, sodass die gewünschte Abstrahlcharakteristik resultiert, trotz
vergleichsweise großer Montagetoleranzen der Laserdioden 2 an dem Montagesubstrat 3.
Optional werden Teilgebiete des Verkapselungselements 4 von einer Maskenschicht 61 abgedeckt. Bei der Maskenschicht 61 handelt es sich beispielsweise um einen Fotolack.
In Figur 8 ist die zum Schritt der Figur 7 zugehörige
Draufsicht zu sehen. Die Laserdioden 2 sind dabei zur
Vereinfachung der Darstellung nicht gezeichnet.
Im Verfahrensschritt, wie in den Figuren 9 und 10 gezeigt, wird die Optikfläche 5 erzeugt. Dies erfolgt bevorzugt durch nasschemisches Ätzen der vorangehend erzeugten
Materialschäden 45. Das Erzeugen der Materialschäden 45 mit der gepulsten
Laserstrahlung 46 erfolgt individuell für jede der
Laserdioden 2. Das Ätzen, um das geschädigte Material zu entfernen und um die Optikfläche 5 letztlich zu bilden, erfolgt bevorzugt für alle Laserdioden 2 in einem gemeinsamen Ätzschritt .
Der Figur 10 kann optional ein nicht gezeichneter
Verfahrensschritt nachfolgen, in dem die Optikfläche 5 geglättet wird. Dies geschieht beispielsweise über ein lokales Aufheizen des Verkapselungselements 4, beispielsweise über nahinfrarote Laserstrahlung oder über Tempern in einem Ofen. Weiterhin ist ein Laserpolieren möglich.
Im Schritt der Figuren 11 und 12 wird auf die Optikfläche 5 des Verkapselungselements 4 zumindest eine Spiegelschicht 52 aufgebracht. Bei der Spiegelschicht 52 handelt es sich beispielsweise um einen metallischen Spiegel, etwa aus
Aluminium oder Silber. Für diesen metallischen Spiegel kann eine nicht gezeichnete Schutzschicht vorhanden sein. Die Spiegelschicht 52 kann ganzflächig aufgebracht werden.
Im Schritt der Figuren 13 und 14 ist zu sehen, dass die
Spiegelschicht 52 aus allen Bereichen entfernt ist, die zuvor mit der Maskenschicht 61 versehen wurden. Damit bleibt die Spiegelschicht 62 im Wesentlichen nur noch im Bereich der Optikflächen 5 übrig.
Außerdem ist in den Figuren 13 und 14 gezeigt, dass eine Vereinzelung entlang von Vereinzelungslinien 32 erfolgt.
Durch das Vereinzeln resultieren die Halbleiterlaser 1. Es können Vereinzelungsgassen entlang der Vereinzelungslinien 32 vorliegen, sodass die Vereinzelungslinien 32 frei oder im Wesentlichen frei von einem Material der
Verkapselungselemente 4 sein können.
Aus Figur 14 ist zu erkennen, dass die Bereiche der
Verkapselungselemente 4, die die Kavitäten 42 aufweisen, sowie in denen die Optikflächen 5 gezeigt sind, von einem durchgehenden Rahmen 51 aus Material des betreffenden
Verkapselungselements 4 umgeben sind.
Zur Reduzierung eines Ätzaufwandes ist es auch möglich, dass das Verkapselungselement 4 im Bereich der späteren
Optikflächen bereits vorstrukturiert ist, beispielsweise eine schräge Fläche oder Flächen aufweist, die näherungsweise der späteren Optikfläche entsprechen. Hierdurch lässt sich ein Ätzaufwand beim Formen der Optikflächen reduzieren. Weiterhin ist es möglich, das Verkapselungselement mehrteilig,
beispielsweise zweiteilig, aufzubauen. Dabei kann eine gitterartig durchbrochene Mittenplatte vorhanden sein, die zwischen dem Montagesubstrat und einer Deckplatte sitzt.
Mittels einer Aussparung in dem Montagesubstrat oder in einer zusätzlichen Montageplatte kann für den Ätzschritt beim
Herstellen der Optikflächen das Ätzmittel in
Trennstraßenkavitäten der Mittenplatte gelassen werden. Eine Öffnung in der Deckplatte könnte hierzu ebenso verwendet werden. Beim Vereinzeln werden die Trennstraßenkavitäten geteilt, sodass durch eine Kavitätenwandung ein
Lichtaustrittsfenster eines Seitenemitterbauteils gebildet werden kann, vergleiche auch Figur 25.
Bei dem hier beschriebenen Verfahren wird also die
Optikfläche beispielsweise mittels Laser Induced Deep
Etching, kurz LIDE, oder In-Volume Selective Laser Etching, kurz ISLE, an die tatsächliche Position der Laserdiode 2 nach deren Montage angepasst. Hierzu modifiziert ein Laserstrahl 46 Bauteil für Bauteil lokal die Ätzbarkeit des
Verkapselungselements 4, sodass nach dem Entfernen der modifizierten Bereiche die gewünschte Optikfläche
zurückbleibt. Das Ätzen zum Entfernen der bestrahlten Stellen erfolgt kollektiv für alle Bauteile des Montagesubstrats.
In den Figuren 15 und 16 ist ein Verfahrensschritt eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Verfahrens gezeigt. Die Figuren 15 und 16 entsprechen dabei im Wesentlichen den
Figuren 13 und 14. Jedoch erfolgt eine Bearbeitung der
Optikfläche 5 durch das Montagesubstrat 3 hindurch. Hierzu weist das Montagesubstrat 3 im Bereich der Optikfläche 5 je eine Öffnung 34 auf, die das Montagesubstrat 3 vollständig durchdringt. Damit ist das Teilgebiet 44 mit den
Materialschäden und mit der fertigen Optikfläche 5 sowie bevorzugt mit der Spiegelschicht 52 von einer den Laserdioden 2 abgewandten Rückseite des Montagesubstrats 3 her
zugänglich .
Das Verkapselungselement 4 kann einstückig gestaltet sein und sich zusammenhängend über alle Laserdioden 2 hinweg
erstrecken. Dazu können im Bereich der Vereinzelungslinien 32 weitere Ausnehmungen 48b vorhanden sein. Es ist möglich, dass die Ausnehmungen 48b an der Montageseite 30 liegen und vom Material des Verkapselungselements 4 überdeckt sind. Damit kann an einer dem Montagesubstrat 3 abgewandten Seite des Verkapselungselements 4 eine durchgehende, ebene Fläche gebildet sein. Im Übrigen gelten die Ausführungen zu den Figuren 1 bis 14 entsprechend für die Figuren 15 und 16. Die Reflexionsbereiche 63 insbesondere der Figur 6 können sich an den Vereinzelungslinien 32 befinden. Damit können die Reflexionsbereiche 33 mit dem Vereinzeln aus den Bauteilen entfernt werden, sodass die Reflexionsbereiche 63 in den fertigen Halbleiterlasern 1 nicht mehr vorhanden sind.
Bezüglich Figur 5 ist es möglich, dass die Reflexionsbereiche 63 oberhalb der späteren Optikfläche 5 liegen und somit durch das Erzeugen der Optikfläche 5 entfernt werden.
In den Figuren 17 bis 24 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des Herstellungsverfahrens gezeigt. Gemäß Figur 17 werden die Laserdioden 2 samt den optionalen Sockeln 23 an der
Montageseite 30 über einen Kleber 36 befestigt. Bei dem
Kleber 36 handelt es sich beispielsweise um einen
Epoxidkleber .
Im Schritt der Figur 18 ist gezeigt, dass ein Verguss 7 erstellt wird. Das bevorzugt zusammenhängende
Verkapselungselement 4 wird derart aufgedrückt, sodass die Kavitäten 42 insbesondere vollständig von einem Material des Vergusses 7 ausgefüllt werden und sodass das
Verkapselungselement 4 über den Verguss 7 an das
Montagesubstrat 3 geklebt ist.
Der Verguss 7 ist bevorzugt aus einem Epoxid oder aus einem Silikon. Es ist möglich, dass dem Material für den Verguss 7 ein Füllstoff wie Kugeln aus einem Oxid beigegeben ist. Eine dem Montagesubstrat 3 abgewandte Oberseite des
Verkapselungselements 4 ist bevorzugt eben, genauso wie die Montageseite 30.
In Figur 19 ist illustriert, dass durch das Montagesubstrat 3 und den Kleber 36 einerseits sowie durch das Verkapselungselement 4 sowie den Verguss 7 andererseits jeweils mehrere Durchbrüche 71 hindurch erstellt werden. Im Bereich der Laserdiode 2 reichen die Durchbrüche 71 bis an die Laserdiode 2 heran. In einem Bereich zwischen
benachbarten Laserdioden 2 an dem Montagesubstrat 3 reichen die Durchbrüche 71 bevorzugt vollständig durch die Anordnung hindurch .
Es ist möglich, dass die Durchbrüche 71 mittels
Laserstrahlung erzeugt werden. Dabei kann pro zu
bearbeitendem Material eine bestimmte Laserstrahlung
verwendet werden. Beispielsweise wird das
Verkapselungselement 4 mit einer anderen Laserstrahlung bearbeitet als der Verguss 7.
Gemäß dem Schritt der Figur 20 werden die Durchbrüche 71 verfüllt, sodass elektrische Durchkontaktierungen 74 und Metallrahmen 75 erzeugt werden. Dieses Metallisieren erfolgt beispielsweise zuerst über Sputtern, wodurch eine dünne metallische Wachstumsschicht gebildet wird, und nachfolgend durch Galvanisieren aufbauend auf der Wachstumsschicht. Die metallischen Strukturen 72, 74, 75 sind beispielsweise aus Kupfer .
Über die Durchkontaktierungen 74 im Bereich der Laserdiode 2 wird ein elektrisches Anschließen der Laserdiode 2
ermöglicht. Dazu können auch Kontaktflächen 72 aus einem oder aus mehreren Metallen erzeugt sein. Die Kontaktflächen 72 können lötfähige Schichten sein.
In Figur 21 ist zudem illustriert, dass die Metallrahmen 75, die sich vollständig durch die Anordnung hindurch erstrecken, als geschlossener Rahmen bevorzugt nahe an den Vereinzelungslinien 32 vollständig um die zugehörige Kavität 42 und um ein Gebiet für die spätere Optikfläche 5 herum geführt sind. In Figur 21 ist das Gebiet mit der späteren Optikfläche 5 durch eine Schraffur angedeutet.
Über dem Metallrahmen 75 ist eine feste Verbindung des
Verkapselungselements 4 mit dem Montagesubstrat 3 und eine hermetische Abdichtung erreichbar, auch noch nach einem
Vereinzelungsprozess entlang der Vereinzelungslinien 32.
Bevorzugt nachfolgend wird ein Bestimmen der
Abstrahlrichtungen durchgeführt, im Verfahren der Figuren 17 bis 24 nicht eigens illustriert. Dazu sind bevorzugt
Strukturen vorhanden oder werden Messungen durchgeführt, wie in Verbindung mit den Figuren 2 bis 6 veranschaulicht.
Entsprechende Strukturierungen sind zur Vereinfachung der Darstellung im Verfahren der Figuren 17 bis 24 nicht
illustriert .
Daraufhin werden bevorzugt analog zu den Figuren 7 bis 14 kollektiv die Optikflächen 5 mit der optionalen
Spiegelschicht 52 ausgebildet. Das kollektive Ätzen zum
Erzeugen der Spiegelflächen 5 lässt dabei bevorzugt ein Material des Vergusses 7 unbeeindruckt, sodass der Verguss 7 von dem Ätzen nicht oder nicht signifikant beeinträchtigt wird und stehen bleibt. Es können Randverrundungen oberhalb des Bereichs mit dem Verguss 7 auftreten, resultierend vom Ätzen des Verkapselungselements 4.
In Figur 23 ist gezeigt, dass optional der Verguss 7 und auch der Kleber 36 über ein weiteres Ätzverfahren vollständig entfernt werden können. Dabei kann zwischen dem
Montagesubstrat 3 und dem Verkapselungselement 4 sowie zwischen der Laserdiode 2 und dem Montagesubstrat 3 jeweils ein Spalt 73 resultieren. Da eine Abdichtung jedoch über den metallischen Rahmen 75 erfolgt, ist dennoch eine hermetische Hausung der Laserdiode 2 möglich.
Bevorzugt wird zudem eine Abdeckung 8, beispielsweise aus einer Glasplatte, aufgebracht. Abweichend von der Darstellung der Figur 23 kann die Abdeckung 8 auch linsenförmig gestaltet sein, ist bevorzugt jedoch eine planparallele Platte. Die Abdeckung 8 wird beispielsweise angelötet, insbesondere an dem Metallrahmen 75 und/oder an Leiterbahnen 76.
Ferner ist in Figur 23 illustriert, dass alle elektrischen Kontaktflachen 72 zur externen elektrischen Kontaktierung an einer einzigen Seite des Montagesubstrats 3 angebracht sein können. Über elektrische Leiterbahnen 76, die zwischen dem Rahmen 75 und den Durchkontaktierungen 74 durch das
Verkapselungselement 4 im Bereich der Laserdiode 2
hindurchgeführt werden, ist dies realisierbar.
Figur 24 entspricht im Wesentlichen Figur 23, wobei jedoch der Spalt entfällt. Beispielsweise sind das Montagesubstrat 3 und das Verkapselungselement 4 über anodisches Bonden direkt miteinander verbunden. Die Laserdiode 2 mit dem Sockel 23 kann an das Montagesubstrat 3 mittels eines Lots 77 angelötet sein .
Im Ausführungsbeispiel des Halbleiterlasers 2, wie noch unvereinzelt in Figur 25 dargestellt, erfolgt keine Umlenkung der Abstrahlrichtung 22 der Laseremission L. Damit kann sich die Optikfläche 5 direkt an der Außenfläche 47 der Kavität 42 befinden. Beim Halbleiterlaser der Figur 1 erfolgt somit eine Emission im Wesentlichen in Richtung parallel zur Montageseite 30. Die Optikfläche 5 wirkt refraktiv als Linse.
Im Ausführungsbeispiel der Figur 26 ist illustriert, dass sich die Kavität 42 nicht in dem Verkapselungselement 4, sondern in dem Montagesubstrat 3 befindet. Es ist möglich, dass in der Kavität 42 eine Umlenkoptik 54 angebracht ist, beispielsweise ein Prisma. Um Positionierungstoleranzen der Laserdiode 2 sowie der Umlenkoptik 54 auszugleichen, befindet sich die Optikfläche 5 an einer dem Montagesubstrat 3
abgewandten Seite des Verkapselungselements 4. Wie auch in allen anderen Ausführungsbeispielen ist die Optikfläche 5 bevorzugt durch eine subtraktive Methode erzeugt, also durch das Entfernen von Material.
Die Optikflächen 5 der Figuren 25 und 26, die refraktiv und nicht reflektiv wirken, können analog zu den Figuren 1 bis 24 hergestellt werden. Dabei entfällt jedoch bevorzugt die
Spiegelschicht 52. Anstelle der Spiegelschicht 52 können, nicht gezeichnet, im Bereich der Optikfläche 5
Antireflexbeschichtungen vorhanden sein.
In Figur 27 ist in Draufsicht illustriert, dass für jede Laserdiode 2 ein eigenes Verkapselungselement 4 vorhanden ist. Die Verkapselungselemente 4 sind rasterförmig
angeordnet, die Vereinzelungslinien 32 verlaufen zwischen benachbarten Verkapselungselementen 4. Bereiche für die späteren Optikflächen sind wiederum durch eine Schraffur angedeutet .
Weiterhin ist dargestellt, dass Markierungen 38 vorhanden sein können. Die beispielsweise kreuzförmigen Markierungen 38 können sich innerhalb der Kavität 42 befinden. Über solche Markierungen 38 ist eine vereinfachte Platzierung der
Laserdioden sowie der Verkapselungselemente 4 an dem
Montagesubstrat 3 erreichbar. Außerdem kann durch solche Markierungen 38 eine vereinfachte Montage der fertigen
Halbleiterlaser 1 auf einem nicht gezeichneten externen
Träger ermöglicht sein.
Demgegenüber ist in Figur 28 gezeigt, dass ein einstückiges, zusammenhängendes Verkapselungselement 4 verwendet wird. Die Vereinzelungslinien 32 verlaufen durch das
Verkapselungselement 4 hindurch.
Als Option können beispielsweise kreisförmige Markierungen 38 vorhanden sein, die sich neben der Kavität 32 befinden können. Da das Verkapselungselement 4 bevorzugt
lichtdurchlässig ist, können die Markierungen 38 von dem Verkapselungselement 4 überdeckt sein.
In Figur 29 ist illustriert, dass die Laserdioden 2 in einem Raster 9 angebracht werden. Laserdiodenmittelpunkte 92 weisen vergleichsweise große Abweichungen von Rasterpunkten 91 des Rasters 9 auf. Damit liegt eine vergleichsweise große
Abweichung 93 der Rasterpunkte 91 von den
Laserdiodenmittelpunkten 92 vor.
Über das gesamte Montagesubstrat 3 hinweg ist damit eine vergleichsweise große Standardabweichung hinsichtlich der Platzierung der Laserdiode 2 gegeben. Aufgrund der
nachträglich, korrigierend wirkenden Optikflächen 5 sind diese vergleichsweise großen Toleranzen bei der Montage möglich, sodass ein kosteneffizientes Platzieren der
Laserdioden 2 durchgeführt werden kann. Die in den Figuren gezeigten Komponenten folgen, sofern nicht anders kenntlich gemacht, bevorzugt in der angegebenen
Reihenfolge zum Beispiel unmittelbar aufeinander. Sich in den Figuren nicht berührende Schichten sind bevorzugt voneinander beabstandet. Soweit Linien parallel zueinander gezeichnet sind, sind die entsprechenden Flächen bevorzugt ebenso parallel zueinander ausgerichtet. Ebenfalls, soweit nicht anders kenntlich gemacht, sind die relativen Positionen der gezeichneten Komponenten zueinander in den Figuren korrekt wiedergegeben.
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 10 2018 129 343.7, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Die hier beschriebene Erfindung ist nicht durch die
Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt.
Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist .
Bezugszeichenliste
1 Halbleiterlaser
2 kantenemittierende Laserdiode
22 Abstrahlrichtung
23 Sockel
24 Bonddraht
3 Montagesubstrat
30 Montageseite
32 Vereinzelungslinie
34 Öffnung im Montagesubstrat
36 Kleber
38 Markierung
4 laserdurchlässiges Verkapselungselement
42 Kavität
44 Teilgebiet
45 Materialschaden
46 gepulste Laserstrahlung
47 Außenfläche des Verkapselungselements
48 Ausnehmung an der Außenfläche
5 Optikfläche
51 Rahmen aus dem Verkapselungselement
52 Spiegelschicht an der Optikfläche
53 Antireflexbeschichtung
54 Umlenkoptik
61 Maskenschicht
62 Testspiegel
63 Reflexionsbereich des Verkapselungselements
64 Kamera
65 Sensor
66 Arm
67 optische Faser
7 Verguss 71 Durchbruch
72 elektrische Kontaktflache
73 Spalt
74 Durchkontaktierung
75 Metallrahmen
76 elektrische Leiterbahn
77 Lot
78 Randverrundung
8 Abdeckung
9 Raster
91 Rasterpunkt
92 Laserdiodenmittelpunkt
93 Abweichung
L Laseremission

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung von Halbleiterlasern (1) mit den folgenden Schritten in der angegebenen Reihenfolge:
A) Anbringen einer Vielzahl von kantenemittierenden
Laserdioden (2) auf einem Montagesubstrat (3),
B) Anbringen mindestens eines Verkapselungselements (4), sodass die Laserdioden (2) jeweils in einer Kavität (42) zwischen dem Montagesubstrat (3) und dem zugehörigen
Verkapselungselement (4) angebracht werden,
C) Betreiben der Laserdioden (2) und Bestimmen von
Abstrahlrichtungen (22) der Laserdioden (2),
D) Erzeugen von Materialschäden (45) in Teilgebieten (44) des mindestens einen Verkapselungselements (4), wobei die
Teilgebiete (44) den Laserdioden (2) eindeutig zugeordnet sind,
E) kollektives Entfernen von Material des mindestens einen Verkapselungselements (4), wobei dieses Material von den Materialschäden (45) betroffen ist, sodass für die
Laserdioden (2) in den Teilgebieten (44) individuelle
Optikflächen (5) zur Strahlformung entstehen, und
F) Vereinzeln zu den Halbleiterlasern (1) .
2. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch,
bei dem die Optikflächen (5) für eine Umlenkung der
Abstrahlrichtungen (22) von parallel zu senkrecht zum
Montagesubstrat (3) eingerichtet sind,
wobei das mindestens eine Verkapselungselement (4) aus einem Glas, aus Quarzglas oder aus Saphir ist, und
wobei das mindestens eine Verkapselungselement (4) die zugeordnete Laserdiode (2) je vollständig überdeckt und die Optikflächen (5) in Draufsicht auf das Montagesubstrat (3) gesehen je neben der zugeordneten Laserdiode (2) liegen. 3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Materialschäden (45) im Schritt D) mittels gepulster Laserstrahlung (46) erzeugt werden,
wobei das kollektive Entfernen im Schritt E) ein
nasschemisches Ätzen ist, und
wobei die Optikflächen (5) mindestens eine Krümmung
aufweisen .
4. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch,
wobei die gepulste Laserstrahlung (46) im Schritt D) durch eine Öffnung (34) im Montagesubstrat (3) hindurch in das Material des mindestens einen Verkapselungselements (4) eingestrahlt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zwischen den Schritten E) und F) in einem Schritt El) auf die Optikflächen (5) eine Spiegelschicht (52) aufgebracht wird, sodass die Optikflächen (5) reflektiv wirken,
wobei die Spiegelschicht (52) mit Hilfe einer temporären Maskenschicht (61) strukturiert erzeugt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
bei dem die Optikflächen (5) refraktiv wirken und in den Schritten D) und E) an einer Außenfläche (47) einer Außenwand der zugeordneten Kavität (42) erzeugt werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
bei dem sich zumindest im Schritt C) an einer Außenfläche
(47) einer Außenwand der Kavitäten (42) je eine Ausnehmung
(48) in dem mindestens einen Verkapselungselement (4)
befindet,
wobei im Schritt C) zur Bestimmung der jeweiligen
Abstrahlrichtung (22) ein Testspiegel (62) in die Ausnehmung (48) geführt wird, und wobei sich die Ausnehmung (48) zwischen der Außenfläche (47) und zugehörigen Optikfläche (5) befindet.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
bei dem das mindestens eine Verkapselungselement (4)
zumindest im Schritt C) eine Vielzahl von Reflexionsbereichen (63) aufweist, die zu einer Umlenkung der jeweiligen
Abstrahlrichtung (22) von parallel zu senkrecht zum
Montageträger (3) eingerichtet sind,
wobei im Schritt C) die Bestimmung der jeweiligen
Abstrahlrichtung (22) mittels der Reflexionsbereiche (63) erfolgt,
wobei die zugehörige Optikfläche (5) in den Schritten D) und E) zwischen dem betreffenden Reflexionsbereich (63) und der betreffenden Laserdiode (2) erzeugt wird.
9. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch,
bei dem im Schritt C) ein Abstand zwischen den
Reflexionsbereichen (63) und der jeweils zugeordneten
Laserdiode (2) mindestens 1 mm beträgt,
wobei die Reflexionsbereiche (63) durch spekular
reflektierende äußere Grenzflächen des mindestens einen
Verkapselungselements (4) oder durch diffus reflektierende, innerhalb des mindestens einen Verkapselungselements (4) liegende Streuzentren gebildet sind.
10. Verfahren nach einem der beiden vorhergehenden
Ansprüche,
bei dem die Reflexionsbereiche (63) im Schritt F) entfernt werden .
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Laserdioden (2) in einem Schritt Al) zwischen den
Schritten A) und B) je mit einem Verguss (7) umhüllt werden, sodass im Schritt B) die Kavitäten (42) von dem Verguss (7) ausgefüllt werden,
wobei der Verguss (7) spätestens nach dem Schritt F) wieder entfernt wird.
12. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch,
bei dem im Schritt B) das mindestens eine
Verkapselungselement (4) mittels des Vergusses (7) an dem Montagesubstrat (3) befestigt wird,
wobei der Verguss (7) vor dem Schritt F) vollständig entfernt wird, sodass wenigstens stellenweise ein Spalt (73) zwischen dem mindestens einen Verkapselungselement (4) und dem
Montagesubstrat (3) entsteht.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem sich durch das mindestens eine Verkapselungselement
(4) hindurch und mindestens bis zum Montagesubstrat (3) eine metallische Durchkontaktierung (74) erstreckt, die in
Draufsicht gesehen die zugehörige Laserdiode (2) samt
Optikfläche (5) vollständig umläuft, sodass die
Durchkontaktierung (74) einen Metallrahmen (75) bildet, der zwischen dem Montagesubstrat (3) und dem mindestens einen Verkapselungselement (4) eine Abdichtung bewirkt.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem durch das mindestens eine Verkapselungselement (4) um die Laserdioden (2) und um die jeweils zugehörige Optikfläche
(5) herum in Draufsicht gesehen je ein durchgehender Rahmen (51) gebildet ist, der eine Höhe aufweist, die größer ist als eine Maximalhöhe des mindestens einen Verkapselungselements (4) im Bereich der entsprechenden Optikfläche (5) .
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem genau ein Verkapselungselement (4) verwendet wird, wobei sich das Verkapselungselement (4) bis zum Schritt F) zusammenhängend über alle Laserdioden (2) erstreckt.
16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Laserdioden (2) im Schritt A) in einem
regelmäßigen Raster (9) auf dem Montagesubstrat (3)
aufgebracht werden,
wobei eine Standardabweichung zwischen einer tatsächlichen Position der Laserdioden (2) zu Rasterpunkten (91) des Rasters (9) über das Montagesubstrat (3) hinweg zwischen einschließlich 5 ym und 100 ym liegt.
17. Halbleiterlaser (1), der mit einem Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche hergestellt ist, umfassend:
- das Montagesubstrat (3) ,
- mindestens eine der Laserdioden (2), die auf dem
Montagesubstrat (3) montiert ist, und
- das für eine Laseremission (L) der Laserdiode (2)
durchlässige Verkapselungselement (4), sodass die Laserdiode (2) in der Kavität (42) zwischen dem Montagesubstrat (3) und dem Verkapselungselement (4) angebracht ist,
wobei
- das Verkapselungselement (4) eine der Optikflächen (5) zur Strahlformung der Laseremission (L) aus der zugeordneten Laserdiode (2) umfasst,
- die Optikfläche (5) für eine Umlenkung der Laseremission (L) von parallel zu senkrecht zum Montagesubstrat (3) eingerichtet ist, und
- sich zwischen einer Außenwand der Kavität (42) und der Optikfläche (5) entlang der Abstrahlrichtung (22) der
Laseremission (L) eine Ausnehmung (48) in dem
Verkapselungselement (4) befindet, sodass die Laseremission (L) hin zur Optikfläche (5) sowohl die Außenwand als auch die Ausnehmung (48) zu durchlaufen hat.
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