WO2020127480A1

WO2020127480A1 - Laservorrichtung und verfahren zur herstellung einer laservorrichtung

Info

Publication number: WO2020127480A1
Application number: PCT/EP2019/085946
Authority: WO
Inventors: Matthias Sperl; Hubert Halbritter; Peter Brick; Philipp SCHLOSSER; Dennis Sprenger
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2018-12-20
Filing date: 2019-12-18
Publication date: 2020-06-25
Anticipated expiration: 2021-06-20
Also published as: US20220021189A1; US12249807B2; CN113243065A; DE102019100794A1

Abstract

Eine Laservorrichtung (10) umfasst einen Träger (11), ein auf dem Träger (11) angeordnetes optoelektronisches Bauelement (12), das dazu ausgebildet ist, Laserstrahlung zu emittieren, und ein optisches Element (14), das dazu ausgebildet ist, die von dem optoelektronischen Bauelement (12) emittierte Laserstrahlung zu formen,wobei das optische Element (14) eine erste, zumindest teilweise für die Laserstrahlung transparente Schicht (15) mit einem ersten Brechungsindex und eine zweite, zumindest teilweise für die Laserstrahlung transparente Schicht (16) mit einem zweiten Brechungsindex aufweist,wobei die erste Schicht (15) auf das optoelektronische Bauelement (12) aufgebracht ist und eine Oberfläche (24) mit einer eingeprägten Struktur aufweist, und wobei die zweite Schicht (16) auf die Oberfläche (24) mit der eingeprägten Struktur der ersten Schicht (15) aufgebracht ist.

Description

LASERVORRICHTUNG UND VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINER LASERVOR

RICHTUNG

Die vorliegende Anmeldung nimmt die Prioritäten der deutschen Patentanmeldung Nr. 10 2018 133 217.3, die am 20. Dezember 2018 beim Deutschen Patent- und Markenamt eingereicht wurde, und der deutschen Patentanmeldung Nr. 10 2019 100 794.1, die am 14. Januar 2019 beim Deutschen Patent- und Markenamt einge reicht wurde, in Anspruch. Der Offenbarungsgehalt der deut schen Patentanmeldungen Nr. 10 2018 133 217.3 und 10 2019 100 794.1 wird hiermit in den Offenbarungsgehalt der vorliegenden Anmeldung aufgenommen.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Laservorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung einer Laservorrichtung.

Die Anwendung von optoelektronischen Bauelementen zur Erzeugung von Laserstrahlung, wie z. B. Laserdioden oder VCSEL (englisch: vertical-cavity surface-emitting laser) , in Verbraucherproduk ten erfordert Maßnahmen zur Einhaltung der Normen über Augen sicherheit. Es ist sicherzustellen, dass ein optisches Element zur Formung der Laserstrahlung, wie beispielsweise eine dif- fraktive Optik, fest mit einer Laservorrichtung verbunden ist. Die Erfüllung dieser Anforderungen bedingt höhere Systemkomple xität und Fertigungskosten.

Der vorliegenden Erfindung liegt unter anderem die Aufgabe zu grunde, eine kostengünstig herstellbare und augensichere Laser vorrichtung mit einem optoelektronischen Bauelement zur Erzeu gung von Laserstrahlung und einem optischen Element zur Formung der Laserstrahlung zu schaffen. Ferner soll ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Laservorrichtung angegeben werden.

Eine Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch eine Laservorrich- tung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Eine Aufgabe der Erfin dung wird ferner gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer Laservorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen An spruchs 9. Bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Eine Laservorrichtung gemäß einer Ausgestaltung umfasst einen Träger, mindestens ein auf dem Träger angeordnetes optoelekt ronisches Bauelement und ein auf dem optoelektronischen Bauele- ment angeordnetes optisches Element.

Das optoelektronische Bauelement ist dazu ausgebildet, während des Betriebs der Laservorrichtung Laserstrahlung zu emittieren. Das optische Element ist in dem Strahlengang der von dem opto- elektronischen Bauelement emittierten Laserstrahlung angeordnet und dazu ausgebildet, die von dem optoelektronischen Bauelement emittierte Laserstrahlung zu formen.

Das optische Element weist eine erste Schicht mit einem ersten Brechungsindex und eine zweite Schicht mit einem zweiten Bre chungsindex auf, wobei der erste und der zweite Brechungsindex unterschiedlich sind. Sowohl die erste Schicht als auch die zweite Schicht sind für die von dem optoelektronischen Bauele ment emittierte Laserstrahlung zumindest teilweise transparent bzw. sind jeweils aus einem für die von dem optoelektronischen Bauelement emittierte Laserstrahlung zumindest teilweise trans parenten Material gefertigt. Teilweise transparent bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die erste und die zweite Schicht die von dem optoelektronischen Bauelement emittierte Strahlung teilweise durchlassen und dementsprechend zu einem bestimmten Teil absorbieren. Es ist natürlich auch möglich, dass die erste und/oder die zweite Schicht im Wesentlichen transparent sind, so dass die Laserstrahlung wenn überhaupt nur sehr geringfügig von der jeweiligen Schicht absorbiert wird. Die erste Schicht ist auf das optoelektronische Bauelement auf gebracht und weist eine Oberfläche mit einer eingeprägten drei dimensionalen Struktur, insbesondere einer Mikro- oder Nano- struktur, auf. Die zweite Schicht ist auf die erste Schicht aufgebracht. Insbesondere ist die zweite Schicht direkt auf die Oberfläche der ersten Schicht mit der eingeprägten Struktur aufgebracht. Demnach nimmt die zweite Schicht an der Grenzfläche zur ersten Schicht die dreidimensionale Struktur der ersten Oberfläche auf.

Die erste Schicht kann beispielsweise direkt auf das optoelekt ronische Bauelement aufgebracht sein. Alternativ kann sich zwi schen dem optoelektronischen Bauelement und der ersten Schicht eine Zwischenschicht, insbesondere genau eine Zwischenschicht oder mehrere Zwischenschichten, befinden. Die Zwischenschicht kann für die von dem optoelektronischen Bauelement emittierte Laserstrahlung zumindest teilweise oder im Wesentlichen trans parent sein. Die Zwischenschicht kann zur Brechungsindexanpas sung zwischen dem optoelektronischen Bauelement und der ersten Schicht dienen. Die Zwischenschicht kann einen Brechungsindex aufweisen, der zwischen dem Brechungsindex der obersten Schicht des optoelektronischen Bauelements und dem Brechungsindex der ersten Schicht liegt. Beispielsweise kann die Zwischenschicht eine Silikonschicht sein. Die Zwischenschicht kann direkt auf das optoelektronische Bauelement aufgebracht sein und die erste Schicht kann direkt auf die Zwischenschicht aufgebracht sein, sodass sich kein Luft- oder Gasspalt zwischen dem optoelektro nischen Bauelement und der ersten Schicht befindet. Gemäß einer weiteren alternativen Variante kann die erste Schicht des optischen Elements von dem optoelektronischen Bau element beabstandet sein und ein Luft- oder Gasspalt kann sich zwischen dem optoelektronischen Bauelement und der ersten Schicht befinden. Beispielsweise kann das optoelektronische Bauelement in einem Gehäuse mit Seitenwänden untergebracht sein und das optische Element kann derart auf die Seitenwände auf gebracht sein, dass sich ein Luft- oder Gasspalt zwischen dem optoelektronischen Bauelement und der ersten Schicht des opti schen Elements befindet. Das aus der ersten und der zweiten Schicht gebildete optische Element kann eine planare bzw. ebene Unterseite und eine planare bzw. ebene Oberseite aufweisen. Dabei wird die Unterseite des optischen Elements von der Unter seite der ersten Schicht und die Oberseite des optischen Ele ments von der Oberseite der ersten Schicht gebildet.

Sowohl die erste Schicht als auch die zweite Schicht können jeweils aus einem Polymer oder einem Stoff, der ein Polymer enthält, hergestellt sein. Beispielsweise können Silikone als Materialien für die erste und/oder die zweite Schicht eingesetzt werden .

Die erste und die zweite Schicht können beispielsweise mittels eines Sprüh-, Spritz-, Dispens- oder Gießverfahrens aufgebracht werden . Nach dem Aufbringen der ersten Schicht auf das optoelektronische Bauelement und auf eventuell weitere Komponenten der Laservor richtung kann die dreidimensionale Struktur in die erste Schicht mittels eines Aufdruck- bzw. Präge-Verfahrens (englisch: im- print method) eingebracht werden. Dies kann beispielsweise mit- tels eines geeigneten Stempels geschehen oder mittels einer Rolle, die den entsprechenden Negativabdruck aufweist und unter welcher der Träger mit dem optoelektronischen Bauelement sowie der aufgebrachten ersten Schicht durchgezogen wird. Anschlie ßend kann die zweite Schicht auf die erste Schicht aufgebracht werden. Die erste und die zweite Schicht können in geeigneter Weise ausgehärtet werden, beispielsweise mittels UV-Strahlung und/oder thermisch.

Die erste Schicht kann oberhalb des höchstens Topographieniveaus der darunterliegenden Struktur eine Höhe bzw. Dicke im Bereich von 10 mpi bis 100 mpi aufweisen. Die zweite Schicht kann eben falls eine Höhe bzw. Dicke im Bereich von 10 mih bis 100 mih aufweisen . Die von dem optoelektronischen Bauelement emittierte Laser strahlung durchläuft zunächst die erste Schicht und anschlie ßend die zweite Schicht.

Das optische Element wird durch die erste und die zweite Schicht sowie die strukturierte Grenzfläche zwischen der ersten und der zweiten Schicht gebildet. Die Oberfläche der ersten Schicht mit der eingeprägten Struktur kann beispielsweise Strukturen mit Dimensionen im Nanometer- und/oder Mikrometer-Bereich aufwei sen. Folglich können die Dimensionen der Strukturen größer oder auch kleiner als die Wellenlänge der emittierten Laserstrahlung sein. Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass keine Dimen sion der eingeprägten Struktur größer als 500 nm oder 1 pm oder 10 pm oder 100 pm oder 200 pm oder 500 pm ist. Das optische Element kann beispielsweise ein diffraktives op tisches Element umfassen. Ein diffraktives optisches Element (englisch: diffrative optical element, DOE) ist ein optisches Element zur Formung eines Lichtstrahls, insbesondere eines La serstrahls. Das physikalische Prinzip ist die Beugung, auch Diffraktion genannt, an einem optischen Gitter. Ferner kann das optische Element einen Diffusor, insbesondere einen speziell designten Diffusor (englisch: engineered diffuser) , Mikrolin sen, pyramidenförmige Strukturen und/oder Meta-Optik-Strukturen umfassen. Weiterhin kann eine regelmäßige Anordnung, auch Array genannt, von Linsen, diffraktiven optischen Elementen und/oder anderen Optiken bzw. Strukturen eingesetzt werden, beispiels weise ein Mikrolinsenarray (englisch: micro lens array, MLA) . Das optoelektronische Bauelement kann beispielsweise eine La serdiode sein, d. h. , ein Halbleiterbauelement, das Laserstrah lung erzeugt. Weiterhin kann das optoelektronische Bauelement ein VCSEL, auch Oberflächenemitter genannt, sein. Ein VCSEL ist eine Laserdiode, bei der das Licht senkrecht zur Ebene des Halbleiterchips abgestrahlt wird, im Gegensatz zu einer kanten emittierenden Laserdiode, bei der das Licht an ein oder zwei Flanken des Halbleiterchips austritt . Die Verwendung einer kan tenemittierenden Laserdiode als optoelektronisches Bauelement ist ebenfalls denkbar. Weiterhin ist es möglich, dass die La servorrichtung genau ein optoelektronisches Bauelement oder mehrere optoelektronische Bauelemente enthält.

Die von dem optoelektronischen Bauelement emittierte Laser- _Strahlung kann beispielsweise Laserstrahlung im sichtbaren Be reich, Ultraviolett (UV) -Licht und/oder Infrarot (IR) -Licht sein. Das optoelektronische Bauelement kann ferner Teil einer integrierten Schaltung sein. Neben dem optoelektronischen Bauelement können weitere Bauele mente und/oder Komponenten in die Laservorrichtung integriert sein .

Die Laservorrichtung kann ein sogenanntes Chip-Scale-Package (CSP) , auch Chip-Scaled-Package genannt, sein. Der Begriff

„Chip-Scale-Package" ist ein für den Fachmann gebräuchlicher Fachbegriff und bezeichnet eine Vorrichtung mit einem darin integrierten Halbleiterchip, der in der vorliegenden Anmeldung durch das optoelektronische Bauelement gegeben ist, in der Grö- ßenordnung des Halbleiterchips. Ein Chip-Scale-Package kann beispielsweise derart definiert werden, dass eine Hauptoberflä che des Chip-Scale-Package maximal 20% größer ist als eine Hauptoberfläche des in dem Chip-Scale-Package enthaltenen Halb leiterchips . Die hier beschriebene Laservorrichtung kann in jeglicher Laser oder VCSEL-Anwendung eingesetzt werden. Insbesondere kann die Laservorrichtung in Verbraucherprodukten (englisch: consumer products), auch Konsumgüter oder Verbrauchererzeugnisse ge- nannt, eingesetzt werden.

Die Verwendung des hier beschriebenen optischen Elements erlaubt es, die strukturierte Oberfläche der ersten Schicht unter der zweiten Schicht zu „vergraben" und dadurch die Struktur der ersten Schicht zu schützen. Bei einer Positionierung der Laser vorrichtung auf einem Substrat mittels eines Positioniersystems oder eines Bestückungsautomats verhindert die zweite Schicht eine mögliche Beschädigung der strukturierten Oberfläche der ersten Schicht.

Weiterhin gewährleistet die Laservorrichtung eine hohe Augen sicherheit, da das optische Element fest mit dem optoelektro nischen Bauelement verbunden ist. Die Laservorrichtung lässt sich durch nur wenige Prozessschritte und folglich vergleichsweise günstig fertigen. Insbesondere kann die Laservorrichtung in einem Batch-Verfahren, auch Char genverfahren genannt, hergestellt werden. Ferner kann die La servorrichtung mit einer äußerst kompakten Bauform gefertigt werden.

Die Dimensionen der strukturierten Oberfläche können ver gleichsweise klein ausgelegt werden, wodurch die Herstellungs kosten weiter reduziert werden.

Da die Laservorrichtung kein externes optisches Element zur Formung des Laserstrahls benötigt, entfällt die Luft/Glas- Grenzfläche an der Eintrittsseite der Laserstrahlung in das externe optische Element. Je nach Anwendung und gewünschter Strahlformung kann entweder der erste Brechungsindex der ersten Schicht oder der zweite Brechungsindex der zweiten Schicht der größere Brechungsindex sein. Die beiden Brechungsindizes können sich beispielsweise um mindestens 0,1 oder mindestens 0,2 oder mindestens 0,4 vonei nander unterscheiden.

Die Bauform des optischen Elements ermöglicht es, diejenige Oberfläche der zweiten Schicht, die von der ersten Schicht und damit der strukturierten Oberfläche wegweist, planar bzw. eben auszuführen .

Der Träger, auf dem das optoelektronische Bauelement befestigt ist, kann Leiterbahnen und/oder elektrische Durchkontaktierun- gen aufweisen, die zur elektrischen Kontaktierung des opto elektronischen Bauelements verwendet werden können. Die Unter seite des Trägers kann eine Montagefläche sein, mit welchem die Laservorrichtung auf ein Substrat gelötet werden kann. Der Träger kann beispielsweise eine Leiterplatte, auch PCB (eng lisch: printed circuit board) , Leiterkarte, Platine oder ge druckte Schaltung genannt, sein. Ein Leiterplatte besteht aus elektrisch isolierendem Material mit daran haftenden Leiterbah nen. Als elektrisch isolierendes Material kann faserverstärkter Kunststoff verwendet werden. Beispielsweise kann das elektrisch isolierende Material aus Glasfasern, die in ein Epoxid- oder Silikonharz eingebettet sind, bestehen. Die Leiterbahnen der Leiterplatte können aus einer dünnen Schicht Kupfer geätzt wer den .

Weiterhin kann der Träger auch ein Leiterrahmen (englisch: lead- frame) aus einem geeigneten Metall, beispielsweise Kupfer, sein, der mit einem Vergussmaterial, insbesondere einem Kunststoff, umspritzt ist. Darüber hinaus sind auch andere Träger denkbar, beispielsweise Träger aus Keramik. Das optoelektronische Bauelement weist eine erste Hauptoberflä che und eine der ersten Hauptoberfläche gegenüberliegende zweite Hauptoberfläche auf, wobei das optoelektronische Bauelement mit seiner ersten Hauptoberfläche an dem Träger befestigt ist. Gemäß einer Ausgestaltung weist das optoelektronische Bauelement min destens ein erstes elektrisches Kontaktelement auf seiner ers ten Hauptoberfläche und mindestens ein zweites elektrisches Kontaktelement auf seiner zweiten Hauptoberfläche auf. Gemäß einer alternativen Ausgestaltung besitzt das optoelektronische Bauelement eine sogenannte Flip-Chip-Konfiguration, d. h., sämtliche elektrischen Kontaktelemente sind auf der zum Träger weisenden ersten Hauptoberfläche angeordnet.

Das optoelektronische Bauelement kann in ein elektrisch isolie- rendes Material eingebettet sein. Die Höhe des elektrisch iso lierenden Materials kann beispielsweise im Wesentlichen der Höhe der Seitenkanten des optoelektronischen Bauelements entspre chen, so dass die Oberseite der Schicht aus dem elektrisch isolierenden Material im Wesentlichen bündig mit der zweiten Hauptoberfläche des optoelektronischen Bauelements ist.

Auf dem elektrisch isolierenden Material kann eine elektrisch leitfähige Schicht, die insbesondere aus einer oder mehreren Leiterbahnen besteht, abgeschieden sein. Die elektrisch leit- fähige Schicht kann sich bis auf die zweite Hauptoberfläche des optoelektronischen Bauelements erstrecken, um das zweite elekt rische Kontaktelement zu kontaktieren. Die elektrisch leitfä hige Schicht kann beispielsweise galvanisch abgeschieden werden und es einem oder mehreren geeigneten Metallen bestehen. Es kann daher auf die Verwendung von Bonddrähten zur Kontaktierung des optoelektronischen Bauelements verzichtet werden, was eine kom pakte Bauhöhe der Laservorrichtung erlaubt. Das zweite elektrische Kontaktelement kann über die elektrisch leitfähige Schicht mit einer Leiterbahn und/oder einer elektri schen Durchkontaktierung des Trägers elektrisch gekoppelt sein. Es können Löcher in das elektrisch isolierende Einbettungsma- terial gebohrt werden, durch die Kontaktflächen des Trägers freigelegt werden. In diesem Fall kann sich die elektrisch leit fähige Schicht von den Kontaktflächen des Trägers bis zu dem zweiten elektrischen Kontaktelement des optoelektronischen Bau elements erstrecken. Alternativ können ein oder mehrere elektrisch leitfähige Elemente mit einer Höhe, die der Höhe des elektrischen isolierenden Einbettungsmaterials entspricht, in das Einbettungsmaterial eingebettet werden. Die elektrisch leitfähigen Elemente können eine elektrische Verbindung zwi schen der auf dem Einbettungsmaterial abgeschiedenen elektrisch leitfähigen Schicht und den Kontaktflächen des Trägers herstei len .

Ein Verfahren gemäß einer Ausgestaltung dient zur Herstellung einer Laservorrichtung. Das Verfahren sieht vor, dass mindes- tens ein optoelektronisches Bauelement, das dazu ausgebildet ist, Laserstrahlung zu emittieren, auf einem Träger angeordnet wird, und ein optisches Element, das dazu ausgebildet ist, die von dem optoelektronischen Bauelement emittierte Laserstrahlung zu formen, auf das optoelektronische Bauelement aufgebracht wird. Das optische Element weist eine erste, zumindest teilweise für die Laserstrahlung transparente Schicht mit einem ersten Brechungsindex und eine zweite, zumindest teilweise für die Laserstrahlung transparente Schicht mit einem zweiten Bre chungsindex auf. Die erste Schicht wird insbesondere direkt auf das optoelektronische Bauelement aufgebracht. In eine Oberflä che der ersten Schicht wird eine Struktur eingeprägt. Die zweite Schicht wird auf die Oberfläche mit der eingeprägten Struktur der ersten Schicht aufgebracht. Das Verfahren zur Herstellung einer Laservorrichtung kann die oben beschriebenen Ausgestaltungen der Laservorrichtung aufwei sen . Die Struktur kann in die Oberfläche der ersten Schicht nach dem Aufbringen der ersten Schicht auf das optoelektronische Bauele ment eingeprägt werden.

Ferner kann die Struktur in die Oberfläche der ersten Schicht mit Hilfe eines Stempels oder einer Rolle eingeprägt werden, wobei sich auf dem Stempel bzw. der Rolle der entsprechende Negativabdruck befindet.

Die zweite Schicht kann nach dem Aufbringen eine planare bzw. ebene Oberfläche aufweisen.

Das optoelektronische Bauelement kann nach dem Anordnen auf dem Träger in ein elektrisch isolierendes Material eingebettet wer den .

Eine elektrisch leitfähige Schicht kann auf dem optoelektroni schen Bauelement und dem elektrisch isolierenden Material ab geschieden werden. Die elektrisch leitfähige Schicht kann elektrisch an das optoelektronische Bauelement und Leiterbahnen und/oder Durchkontaktierungen des Trägers gekoppelt werden.

Die elektrisch leitfähige Schicht kann galvanisch abgeschieden werden. Dazu kann zunächst eine Saatschicht (englisch: seed layer) , beispielsweise durch Sputtern, abgeschieden werden, die anschließend strukturiert wird. Die Saatschicht kann danach galvanisch verstärkt werden.

Zur Herstellung der Laservorrichtung kann ein Batch-Verfahren eingesetzt werden. Dabei wird eine Vielzahl von optoelektroni- sehen Bauelementen, die dazu ausgebildet sind, Laserstrahlung zu emittieren, auf dem Träger angeordnet. Anschließend werden die erste Schicht sowie die zweite Schicht auf die mehreren optoelektronischen Bauelemente aufgebracht. Zum Vereinzeln der Laservorrichtungen werden zumindest einige der optoelektroni- sehen Bauelemente voneinander getrennt, wozu der Träger, die erste und die zweite Schicht sowie eventuell weitere Schichten durchtrennt werden.

Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen schematisch:

Fig . 1 eine Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Laservorrichtung;

Fig. 2A bis 2D Darstellungen von verschiedenen in eine

Oberfläche eingeprägten dreidimensionalen Strukturen; Fig. 3A bis 3D Darstellungen eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zur Herstellung einer La servorrichtung; und

Fig. 4A und 4B Darstellungen von verschiedenen optischen

Elementen .

In der folgenden ausführlichen Beschreibung wird auf die bei gefügten Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil dieser Be schreibung bilden und in denen zur Veranschaulichung spezifi- sehe Ausführungsbeispiele gezeigt sind, in denen die Erfindung ausgeübt werden kann. Da Komponenten von Ausführungsbeispielen in einer Anzahl verschiedener Orientierungen positioniert wer den können, dient die Richtungsterminologie zur Veranschauli chung und ist auf keinerlei Weise einschränkend. Es versteht sich, dass andere Ausführungsbeispiele benutzt und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang abzuweichen. Es versteht sich, dass die Merk male der hierin beschriebenen verschiedenen Ausführungsbei spiele miteinander kombiniert werden können, sofern nicht spe- zifisch anders angegeben. Die folgende ausführliche Beschrei bung ist deshalb nicht in einschränkendem Sinne aufzufassen. In den Figuren sind identische oder ähnliche Elemente mit identi schen Bezugszeichen versehen, soweit dies zweckmäßig ist.

Fig . 1 zeigt schematisch eine Laservorrichtung 10 mit einem Träger 11, mehreren optoelektronischen Bauelementen 12, einer elektrisch isolierenden Schicht 13 und einem optischen Element 14, das aus einer ersten Schicht 15 und einer zweiten Schicht 16 besteht. Die Laservorrichtung 10 kann als Chip-Scale-Package (CSP) aus gebildet sein, wobei zu beachten ist, dass die Dimensionen in Fig. 1 nicht zwingend maßstabsgetreu wiedergegeben sind.

Der Träger 11 ist in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel eine zweilagige Leiterplatte mit Leiterbahnen 17 und Durchkontaktie rungen 18. Die Leiterbahnen 17 und Durchkontaktierungen 18 ver binden an der Oberseite des Trägers 11 angeordnete Kontaktele mente 20 elektrisch mit an der Unterseite des Trägers 11 ange ordneten Kontaktelementen 21. Die Unterseite des Trägers 11 dient als Montage- und/oder Anschlussfläche der Laservorrich tung 10. Die Laservorrichtung 10 kann mit der Unterseite des Trägers 11 auf eine externe Komponente montiert, insbesondere gelötet werden. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel enthält die Laservor richtung 10 zwei als VCSEL ausgebildete optoelektronische Bau elemente 12. Alternativ kann die Laservorrichtung 10 auch eine andere Anzahl von optoelektronischen Bauelementen 12 enthalten, die dazu ausgebildet sind, Laserstrahlung zu emittieren. Die optoelektronischen Bauelemente 12 sind in die elektrisch isolierende Schicht 13 eingebettet und ferner über Leiterbahnen 22 elektrisch mit den Leiterbahnen 17 und Durchkontaktierungen 18 verbunden.

Die erste Schicht 15 und die zweite Schicht 16 des optischen Elements 14 sind im Wesentlichen transparent für die von den optoelektronischen Bauelementen 12 erzeugte Laserstrahlung. Die erste Schicht 15 weist einen ersten Brechungsindex auf, während die zweite Schicht 16 einen davon unterschiedlichen zweiten Brechungsindex aufweist.

Eine zu den optoelektronischen Bauelementen 12 weisende Ober fläche 23 der ersten Schicht 15 des optischen Elements 14 ist zumindest in einem Bereich der optoelektronischen Bauelemente 12 direkt auf die optoelektronischen Bauelemente 12 aufgebracht. Ferner ist in die von den optoelektronischen Bauelementen 12 wegweisende Oberfläche 24 der ersten Schicht 15 eine dreidimen sionale Struktur eingeprägt.

Beispiele für die in die Oberfläche 24 der ersten Schicht 15 des optischen Elements 14 eingeprägte dreidimensionale Struktur sind in Fig . 2A bis 2D dargestellt. Fig. 2A zeigt einen speziell designten Diffusor (englisch: en- gineered diffuser) , dessen Strukturen Dimensionen im Mikrome terbereich haben und daher deutlich größer sind als die Wellen länge der von den optoelektronischen Bauelementen 12 emittier ten Laserstrahlung.

Fig. 2B zeigt eine diffraktive Struktur eines diffraktiven op tischen Elements (englisch: diffrative optical element, DOE) . Die Höhen der Strukturen liegen in einem Bereich von 700 nm bis 1000 nm. Die Strukturbreiten liegen in einem Bereich um 100 nm. Fig . 2C zeigt eine pyramidenförmige Struktur mit Dimensionen im Mikrometerbereich .

Fig. 2D zeigt in der unteren Darstellung eine Meta-Optik-Struk- tur in einer Draufsicht und in der oberen Darstellung im Quer schnitt. Die Meta-Optik-Struktur enthält eine Vielzahl von Säu len mit lateralen Dimensionen im Bereich von ca. 100 nm. Die Säulen können beispielsweise aus Titandioxid bestehen.

Es ist auch denkbar, die in Fig. 2B und 2D dargestellten Struk- turen miteinander zu kombinieren. Beispielsweise können die weißen Bereiche in Fig. 2B für Titandioxid-Säulen mit einem größeren Abstand stehen, während die Titandioxid-Säulen in den schwarzen Bereichen von Fig. 2B einen kleineren Abstand aufwei sen .

Fig. 3A bis 3D zeigen schematisch ein Verfahren zur Herstellung der in Fig. 1 dargestellten Laservorrichtung 10.

Fig. 3A zeigt einen Ausschnitt aus einem großflächigen Träger 11, der beispielsweise eine Größe von 70 mm x 125 mm und eine

Dicke im Bereich von ungefähr 200 pm bis 600 pm haben kann. Während des Herstellungsprozesses können mehrere dieser Träger 11 auf einem in Fig. 3A nicht dargestellten Stahlträger ange ordnet sein, der beispielsweise eine Größe von 300 mm x 450 mm und eine Dicke im Bereich von 600 pm haben kann. Es sind jedoch auch andere Dimensionen für den Träger 11 und den Stahlträger möglich .

Die optoelektronischen Bauelemente 12 weisen jeweils ein erstes elektrisches Kontaktelement auf ihrer ersten Hauptoberfläche 31 und ein zweites elektrisches Kontaktelement auf der gegenüber liegenden zweiten Hauptoberfläche 32 auf. Die optoelektroni schen Bauelemente 12 werden mit ihrer ersten Hauptoberfläche 31 auf entsprechende Kontaktelemente 20 des Trägers 11 gelötet. Anschließend werden die optoelektronischen Bauelemente 12 in die elektrisch isolierende Schicht 13 eingebettet, die bei spielsweise aus einer Epoxidmatrix mit Glaspartikeln bestehen kann. Die elektrisch isolierende Schicht 13 bedeckt die Seiten- flächen der optoelektronischen Bauelemente 12, jedoch nicht die zweiten Hauptoberflächen 32. Die Höhe der elektrisch isolierende Schicht 13 kann der Höhe der optoelektronischen Bauelemente 12 entsprechen und kann beispielsweise im Bereich von 10 pm bis 20 pm liegen.

Die Kontaktierung der auf der zweiten Hauptoberfläche 32 der optoelektronischen Bauelemente 12 angeordneten zweiten elektri schen Kontaktelemente kann auf verschiedene Weisen erfolgen. Beispiele hierfür sind in Fig. 3B und 3C dargestellt.

Bei der in Fig. 3B gezeigten Variante werden zunächst Löcher 35 in die elektrisch isolierende Schicht 13 oberhalb von Kontak telementen 20 des Trägers 11 gebohrt. Ferner wird eine elektrisch isolierende Schicht 37 auf die Chipkante aufgebracht. Anschließend werden die Leiterbahnen 22 derart aufgebracht, dass sie jeweils ein zweites Kontaktelement 38 eines optoelektroni schen Bauelements 12 mit einem durch eines der Löcher 35 frei gelegten Kontaktelement 20 des Trägers 11 verbinden. Zur Herstellung der Leiterbahnen 32 kann zunächst eine Saat schicht (englisch: seed layer) aufgesputtert werden, die struk turiert und anschließend galvanisch verstärkt wird. Die Leiter bahnen 32 können beispielsweise eine Breite im Bereich von 35 pm bis 50 pm und eine Höhe bzw. Dicke im Bereich von 10 pm bis 20 pm haben.

Die in Fig. 3C dargestellte Variante unterscheidet sich von der Variante nach Fig. 3B darin, dass keine Löcher 35 in die elektrisch isolierende Schicht 13 gebohrt werden. Stattdessen werden vor dem Aufbringen der elektrisch isolierenden Schicht 13 elektrisch leitfähige Elemente 39, beispielsweise aus Metall, auf die entsprechenden Kontaktelemente 20 des Trägers 11 auf gesetzt bzw. gelötet. Die elektrisch leitfähigen Elemente 39 werden in die elektrisch isolierende Schicht 13 zusammen mit den optoelektronischen Bauelementen 12 eingebettet, wobei die Oberseite der elektrisch leitfähigen Elemente 39 freiliegend bleibt. Die Oberseite der elektrisch leitfähigen Elemente 39 kann anschließend mit der Leiterbahn 22 kontaktiert werden. Nach dem Aufbringen der Leiterbahn 22 wird die erste Schicht 15 beispielsweise mittels eines Sprüh-, Spritz-, Dispens- oder Gießverfahrens aufgebracht. Die erste Schicht 15 kann eine Höhe bzw. Dicke im Bereich von 10 bis 100 pm oberhalb der Leiterbahn 22 aufweisen. Die erste Schicht 15 kann aus einem Polymer, zum Beispiel einem Silikon, bestehen.

Noch vor dem Aushärten des Materials der ersten Schicht 15 wird mittels eines Stempels oder einer Rolle die dreidimensionale Struktur in die Oberfläche 24 der ersten Schicht 15 eingeprägt.

Danach wird die zweite Schicht 16 auf die Oberfläche 24 der ersten Schicht 15 beispielsweise mittels eines Sprüh-, Spritz- , Dispens- oder Gießverfahrens aufgebracht, wie in Fig. 3D ge zeigt ist. Auch die zweite Schicht 16 kann aus einem Polymer, zum Beispiel einem Silikon, bestehen. Die Oberfläche 40 der zweiten Schicht 16 ist planar.

Anschließend werden die Laservorrichtungen 10 vereinzelt. Dazu werden die jeweiligen Schichten entlang der in Fig. 3D einge- zeichneten gestrichelten Linien 41 beispielsweise mittels Sägen durchtrennt .

Fig. 4A und 4B zeigen beispielhaft zwei verschieden ausgebildete optische Elemente 14 und das von den optischen Elementen 14 erzeugte Fernfeld, wenn eine von mehreren optoelektronischen Bauelementen 12 generierte Laserstrahlung durch die optischen Elemente 14 geführt wird.

Die in Fig. 4A und 4B dargestellten optischen Elemente 14 ent- halten jeweils eine transparente erste Schicht 15 sowie eine transparente zweite Schicht 16. In Fig. 4A hat die erste Schicht

15 mit 1,6 einen größeren Brechungsindex als die zweite Schicht

16 mit 1,36. In Fig. 4B sind die Brechungsindizes der beiden Schichten 15 und 16 gegenüber Fig. 4A vertauscht. Die dreidi- mensionale Grenzfläche zwischen den beiden Schichten 15 und 16 ist in Fig. 4A und 4B durch Konturlinien 42 dargestellt.

BEZUGSZEICHENLISTE

10 Laservorrichtung

11 Träger

12 optoelektronisches Bauelement

13 elektrisch isolierende Schicht

14 optisches Element

15 erste Schicht

1 6 zweite Schicht

17 Leiterbahn

18 Durchkontaktierung

20 Kontaktelement

21 Kontaktelement

22 Leiterbahn

23 Oberfläche

2 4 Oberfläche

31 erste Hauptoberfläche

32 zweite Hauptoberfläche

35 Loch

37 elektrisch isolierende Schicht

38 zweites Kontaktelement

3 9 elektrisch leitfähiges Element

4 0 Oberfläche

4 1 Linie

42 Konturlinie

Claims

ANSPRÜCHE

1. Laservorrichtung (10), mit:

einem Träger (11),

einem auf dem Träger (11) angeordneten optoelektroni schen Bauelement (12), das dazu ausgebildet ist, Laser strahlung zu emittieren, und

einem optischen Element (14), das dazu ausgebildet ist, die von dem optoelektronischen Bauelement (12) emit tierte Laserstrahlung zu formen,

wobei das optische Element (14) eine erste, zumindest teilweise für die Laserstrahlung transparente Schicht (15) mit einem ersten Brechungsindex und eine zweite, zumindest teilweise für die Laserstrahlung transparente Schicht (16) mit einem zweiten Brechungsindex aufweist, wobei die erste Schicht (15) auf das optoelektronische Bauelement (12) aufgebracht ist und eine Oberfläche (24) mit einer eingeprägten Struktur aufweist,

wobei die zweite Schicht (16) auf die Oberfläche (24) mit der eingeprägten Struktur der ersten Schicht (15) aufgebracht ist, und

wobei das optoelektronische Bauelement (12) in eine Schicht aus einem elektrisch isolierenden Material (13) eingebettet ist und die Höhe des elektrisch isolierenden Materials (13) im Wesentlichen der Höhe der Seitenkanten des optoelektronischen Bauelements (12) entspricht, so dass die Oberseite der Schicht aus dem elektrisch iso lierenden Material (13) im Wesentlichen bündig mit einer Hauptoberfläche (32) des optoelektronischen Bauelements (12) ist.

2. Laservorrichtung (10) nach Anspruch 1, wobei der erste

Brechungsindex und der zweite Brechungsindex sich um min destens 0,1 unterscheiden.

3. Laservorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die zweite Schicht (16) eine planare Oberfläche (40) auf weist .

4. Laservorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden An sprüche, wobei der Träger (11) Leiterbahnen (17) und/oder elektrische Durchkontaktierungen (18) aufweist.

5. Laservorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden An sprüche, wobei das optoelektronische Bauelement (12) ein erstes elektrisches Kontaktelement auf einer ersten Hauptoberfläche (31) und ein zweites elektrisches Kon taktelement (38) auf einer der ersten Hauptoberfläche (31) gegenüberliegenden zweiten Hauptoberfläche (32) auf- weist, und wobei das optoelektronische Bauelement (12) mit seiner ersten Hauptoberfläche (31) zu dem Träger (11) weist und die zweite Hauptoberfläche (32) diejenige Hauptoberfläche (32) des optoelektronischen Bauelements (12) ist, die mit der Oberseite der Schicht aus dem elektrisch isolierenden Material (13) im Wesentlichen bündig ist.

6. Laservorrichtung (10) nach Anspruch 5, wobei eine elektrisch leitfähige Schicht (22) auf dem elektrisch isolierenden Material (13) abgeschieden ist, wobei die elektrisch leitfähige Schicht (22) das zweite elektrische Kontaktelement (38) kontaktiert.

7. Laservorrichtung (10) nach Anspruch 6, wobei das zweite elektrische Kontaktelement (38) über die elektrisch leit fähige Schicht (22) mit einer Leiterbahn (17) und/oder einer elektrischen Durchkontaktierung (18) des Trägers (11) elektrisch gekoppelt ist.

8. Laservorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden An sprüche, wobei die erste Schicht (15) direkt auf das optoelektronische Bauelement (12) aufgebracht ist oder eine Zwischenschicht sich zwischen dem optoelektronischen Bauelement (12) und der ersten Schicht (16) befindet.

9. Verfahren zur Herstellung einer Laservorrichtung (10), wobei

ein optoelektronisches Bauelement (12), das dazu aus gebildet ist, Laserstrahlung zu emittieren, auf einem Träger (11) angeordnet wird, und

ein optisches Element (14), das dazu ausgebildet ist, die von dem optoelektronischen Bauelement (12) emittierte Laserstrahlung zu formen, auf das optoelektronische Bau element (12) aufgebracht wird,

wobei das optische Element (14) eine erste, zumindest teilweise für die Laserstrahlung transparente Schicht (15) mit einem ersten Brechungsindex und eine zweite, zumindest teilweise für die Laserstrahlung transparente Schicht (16) mit einem zweiten Brechungsindex aufweist, wobei die erste Schicht (15) auf das optoelektronische Bauelement (12) aufgebracht wird und eine Oberfläche (24) mit einer eingeprägten Struktur aufweist,

wobei die zweite Schicht (16) auf die Oberfläche (24) mit der eingeprägten Struktur der ersten Schicht (15) aufgebracht wird, und

wobei das optoelektronische Bauelement (12) in eine Schicht aus einem elektrisch isolierenden Material (13) eingebettet wird und die Höhe des elektrisch isolierenden Materials (13) im Wesentlichen der Höhe der Seitenkanten des optoelektronischen Bauelements (12) entspricht, so dass die Oberseite der Schicht aus dem elektrisch iso lierenden Material (13) im Wesentlichen bündig mit einer Hauptoberfläche (32) des optoelektronischen Bauelements (12) ist.

10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Struktur in die Oberfläche (24) der ersten Schicht (15) nach dem Aufbrin gen der ersten Schicht (15) auf das optoelektronische Bauelement (12) eingeprägt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei die Struktur in die Oberfläche (24) der ersten Schicht (15) mit Hilfe eines Stempels oder einer Rolle eingeprägt wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei die zweite Schicht (16) eine planare Oberfläche (40) auf weist .

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei das optoelektronische Bauelement (12) nach dem Anordnen auf dem Träger (11) in das elektrisch isolierende Material (13) eingebettet wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei eine elektrisch leit fähige Schicht (22) auf dem optoelektronischen Bauelement (12) und dem elektrisch isolierenden Material (13) abge schieden wird und die elektrisch leitfähige Schicht (22) elektrisch an das optoelektronische Bauelement (12) und Leiterbahnen (17) und/oder Durchkontaktierungen (18) des Trägers (11) gekoppelt wird.

15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei die elektrisch leitfä hige Schicht (22) galvanisch abgeschieden wird.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 15, wobei mehrere optoelektronische Bauelemente (12), die dazu ausgebildet sind, Laserstrahlung zu emittieren, auf dem Träger (11) angeordnet werden und die erste Schicht (15) sowie die zweite Schicht (16) auf die mehreren optoelektronischen Bauelemente (12) aufgebracht werden, und wobei zumindest einige der optoelektronischen Bauelemente (12) nach dem Aufbringen der ersten und der zweiten Schicht (15, 16) voneinander getrennt werden.