DE19706276A1

DE19706276A1 - Halbleiterlaser-Vorrichtung und Verfahren zum Herstellen einer Halbleiterlaser-Vorrichtung

Info

Publication number: DE19706276A1
Application number: DE19706276A
Authority: DE
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 1997-02-18
Filing date: 1997-02-18
Publication date: 1998-08-20
Anticipated expiration: 2017-02-19
Also published as: DE19706276B4

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Halbleiterlaser- Vorrichtung mit einem Halbleiterlaserchip, insbesondere einem Leistungs-Halbleiterlaser-Barren, und einer Zylinderlinse zur Fokussierung der von dem Halbleiterlaserchip ausgesandten La serstrahlung, bei der der Halbleiterlaserchip auf einem Grundträgerteil befestigt und die Zylinderlinse vor einer Strahlaustrittsfläche des Halbleiterlaserchips angeordnet ist.

Derartige Halbleiterlaser-Vorrichtungen werden bislang fol gendermaßen hergestellt:
Zylinderlinsen, wie zum Beispiel Glasfaserabschnitte, werden an Linsen-Halteteilen befestigt, die geeignete Hilfsmittel zu deren mechanischen Fixierung an einem Grundträgerteil aufwei sen, auf dem der Halbleiterlaserchip befestigt ist. Die Lin sen-Halteteile werden dann unter gleichzeitiger Justierung der jeweiligen Zylinderlinse zum betriebenen Laser an das je weilige Grundträgerteil montiert.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Halbleiterlaser-Vorrichtung der eingangs genannten Art zu entwickeln, die insbesondere eine einfachere Herstellung und eine einfachere Justierung der Zylinderlinse ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch eine Halbleiterlaser-Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiter bildungen der erfindungsgemäßen Halbleiterlaser-Vorrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche 2 bis 12. Bevorzugte Ver fahren zum Herstellen einer erfindungsgemäßen Halbleiterla ser-Vorrichtung sind Gegenstand der Ansprüche 13 bis 17. Ein bevorzugtes Verfahren zum gleichzeitigen Herstellen einer Mehrzahl von erfindungsgemäßen Zylinderlinsen ist Gegenstand des Patentanspruches 18.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß die Zylinderlinse eine abgeflachte Seitenfläche aufweist, mit der sie auf dem Grundträgerteil aufliegt und mit diesem fest verbunden ist.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Halbleiterlaser-Vorrichtung ist zwischen dem Halbleiterlaser chip und dem Grundträgerteil ein Zwischenträgerteil vorgese hen, das eine Chip-Montagefläche für den Halbleiterlaserchip und mindestens zwei Abstandhalterteile aufweist, die bevor zugt links und rechts von der Strahlaustrittsfläche des Halb leiterlaserchips angeordnet sind, sich von der Strahlaus trittsfläche aus gesehen in Strahlausbreitungsrichtung er strecken und die als Justageanschlag für die Zylinderlinse dienen, indem z. B. die Linse an den Abstandhalterteilen an liegt. Dadurch ist vorteilhafterweise eine sehr einfache Ju stage der Zylinderlinse gegenüber dem Halbleiterlaserchip oh ne Betrieb des Halbleiterlaserchips gewährleistet.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Halblei terlaser-Vorrichtung ist das Zwischenträgerteil ein Molybdän- Anschlußrahmen, der mittels phototechnischem Strukturieren einer auf dem Grundträgerteil aufgebrachten Molybdänschicht (z. B. Sputter-, Aufdampf- oder Galvanikschicht) hergestellt oder als vorgefertigtes Teil (als Leadframe) auf dem Grundträgerteil beispielsweise mittels einer Hartlotschicht befestigt ist. Dies hat den besonderen Vorteil, daß mechani sche Spannungen auf Grund von unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen des Halbleiterlaserchips und des Grundträger teils, das beispielsweise als Wärmesenke dient und z. B. aus Kupfer besteht, größtenteils von dem Zwischenträgerteil kom pensiert werden, da Molybdän aufgrund seines hohen Elastizi tätsmoduls die mechanischen Spannungen im elastischen Deh nungsbereich aufnimmt. An Stelle von Molybdän kann selbstver ständlicherweise auch ein anderer elektrisch leitender Werk stoff mit einem hohen Elastizitätsmodul, hoher Fließspannung und hoher Temperaturbeständigkeit verwendet sein. Als Bei spiele wären hier W, CuW- und CuMo-Legierungen (Cu-Anteil je weils zwischen 10 und 20%) zu nennen. Alle oben genannten Ma terialen lassen sich sowohl als Folie als auch als Sputter-, Aufdampf- oder Galvanikschicht herstellen und weisen eine gu te Wärmeleitfähigkeit auf.

Die Zylinderlinse ist bevorzugt mittels eines geeigneten ela stischen Klebstoffes auf dem Grundträgerteil befestigt.

Bei einer besonders bevorzugten Weiterbildung der erfindungs gemäßen Halbleiterlaser-Vorrichtung ist die Zylinderlinse an zwei einander gegenüberliegenden Seiten abgeflacht. Der Vor teil dieser Ausführungsform besteht insbesondere darin, daß die Zylinderlinse mittels einer in der Halbleitertechnik her kömmlich verwendeten Bestückvorrichtung auf dem Grundträger teil positioniert werden kann, da aufgrund der planen Ober seite ein Ansaugen der Zylinderlinse mit einer Saugpipette möglich ist (pick and place-Verfahren). Derartige Linsen las sen sich darüberhinaus vorteilhafterweise übereinanderstapeln und gleichzeitig mit einer Anti-Reflexions-Beschichtung ver sehen.

Die Abflachung der Zylinderlinse ist vorteilhaferweise derart gestaltet, daß der Scheitel der auf dem Grundträgerteil be festigten Zylinderlinse im wesentlichen in Höhe des strah lungsemittierenden Bereiches des auf dem Zwischenträgerteil befestigten Halbleiterlaserchips liegt.

Der Fokus zwischen dem Halbleiterlaserchip und der Zylinder linse ist durch die Länge der Abstandhalterteile des Zwi schenträgerteiles fest vorgegeben.

Bei einem ersten besonders bevorzugten Verfahren zum Herstel len einer erfindungsgemäßen Halbleiterlaser-Vorrichtung wird auf ein Grundträgerteil zunächst eine Molybdänschicht aufge bracht. Nachfolgend wird die Molybdänschicht mittels Photo technik derart strukturiert, daß sie eine Chip-Montagefläche für den Halbleiterlaserchip und zwei Abstandhalterteile auf weist. Die strukturierte Molybdänschicht, die das Zwischen trägerteil darstellt, kann weiterhin eine Anschlußfläche zum elektrischen Anschließen des Halbleiterlaserchips aufweisen. Nachfolgend wird der Halbleiterlaserchip bevorzugt mittels eines Hartlotes auf der Montagefläche des Zwischenträgertei les befestigt und die bevorzugt aus einer Glasfaser herge stellte Zylinderlinse mit der abgeflachten Seitenfläche auf das Grundträgerteil aufgelegt und mit einer gekrümmten Seite gegen die beiden Abstandhalterteile geschoben. In dieser Po sition wird die Zylinderlinse dann beispielsweise mittels Lö ten oder mittels eines geeigneten Klebstoffes auf dem Grundträgerteil befestigt.

Bei einem zweiten bevorzugten Verfahren zum Herstellen einer erfindungsgemäßen Halbleiterlaser-Vorrichtung wird das Zwi schenträgerteil z. B. in Form eines Molybdänanschlußrahmens getrennt vom Grundträgerteil separat vorgefertigt. Das Zwi schenträgerteil weist wiederum eine Chip-Montagefläche für den Halbleiterlaserchip, zwei Abstandhalterteile und optional eine Anschlußfläche zum elektrischen Anschließen des Halb leiterlaserchips auf. Nach dem Aufbringen des Zwischenträger teiles auf das Grundträgerteil wird der Halbleiterlaserchip auf der Chip-Montagefläche des Zwischenträgerteiles befestigt und, wie bei dem oben beschriebenen Verfahren, die Zylinder linse auf das Grundträgerteil aufgelegt und gegen die beiden Abstandhalterteile geschoben und beispielsweise wie weiter oben bereits beschrieben befestigt. Diese Prozeßschritte werden alle bevorzugt im Waferverbund oder auf Leadframe- Bändern durchgeführt.

Alternativ kann zunächst der Halbleiterlaserchip auf das Zwi schenträgerteil montiert und nachfolgend das Zwischenträger teil mit dem Halbleiterlaserchip auf dem Grundträgerteil be festigt werden.

Die Bezeichnung "Zylinderlinse" soll nicht bedeuten, daß die Erfindung auf die Verwendung von stabförmigen Linsen mit ei ner kreisförmigen Krümmung der gekrümmten Seitenflächen ein geschränkt ist. Vielmehr sind darunter beispielsweise auch alle stabförmigen Linsen mit gekrümmten Strahlungseinkoppel flächen und/oder gekrümmten Strahlungsauskoppelflächen, wie z. B. biasphärische Linsen und Linsenarrays, zu verstehen.

Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Halbleiterlaser- Vorrichtung besteht darin, daß zu ihrer Montage kein Betrieb des Halbleiterlaserchips notwendig ist, da die Position der Zylinderlinse durch die Abstandhalterteile fest vorgegeben ist.

Die erfindungsgemäße Halbleiterlaser-Vorrichtung wird im fol genden anhand eines Ausführungsbeispieles in Verbindung mit den Fig. 1 bis 4 näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines senkrechten Schnittes durch das Ausführungsbeispiel,

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Draufsicht auf das Ausführungsbeispiel,

Fig. 3 einen Querschnitt einer alternativen Ausführungsform der Zylinderlinse,

Fig. 4 eine schematische Darstellung des Verfahrensschrittes "Gleichzeitiges Aufbringen einer Anti-Reflexions-Beschichtung auf eine Mehrzahl von Zylinderlinsen".

Bei dem Ausführungsbeispiel (Fig. 1 und 2) ist auf einem Grundträgerteil 5 ein Zwischenträgerteil 8 befestigt, auf dem sich ein Halbleiterlaserchip 2 befindet. Das Grundträgerteil 5 besteht beispielsweise aus Kupfer und das Zwischenträger teil 8 aus Molybdän. Der Halbleiterlaserchip 2 ist beispiels weise ein Leistungs-Halbleiterlaser-Barren, der im Betrieb eine Mehrzahl von im Querschnitt streifenförmigen, auf einer Geraden nebeneinander angeordneten Einzellaserstrahlen 4 aus sendet und aus Al_xGa_1-xAs (0 ≦ × ≦ 1) besteht. Dieser Halblei terlaserchip 2 ist beispielsweise mittels einer Hartlot schicht 12 (z. B. bestehend aus Au-Sn-Lot) mit dem Zwischen trägerteil 8 verbunden.

Auf der Oberseite des Halbleiterlaserchips 2 ist eine An schlußplatte 11 befestigt, die als zweiter elektrischer An schluß für den Halbleiterlaserchip 2 vorgesehen ist. Die An schlußplatte 11 besteht bevorzugt aus demselben Material wie das Zwischenträgerteil 8 und ist z. B. ebenfalls mittels ei ner Hartlotschicht 13 (z. B. bestehend aus Au-Sn-Lot) auf dem Halbleiterlaserchip 2 befestigt.

Im Falle eines getrennt vom Grundträgerteil 5 hergestellten Zwischenträgerteiles 8 ist dieses ebenfalls bevorzugt mittels einer Hartlotschicht 14 auf dem Grundträgerteil 5 befestigt.

Am Zwischenträgerteil 8 sind zwei Abstandhalterteile 9, 10 ausgebildet, die sich ausgehend von einer Strahlaustrittsflä che 6 des Halbleiterchips 2 in Richtung Strahlausbreitungs richtung 15 der Laserstrahlung 4 erstrecken und einen Abstand voneinander aufweisen, der größer ist als die Breite der Strahlaustrittsfläche 6, so daß die Laserstrahlung 4 von den Abstandhalterteilen 9, 10 nicht beeinträchtigt wird.

Auf dem Grundträgerteil 5 ist weiterhin eine Zylinderlinse 3 angeordnet, die auf gegenüberliegenden Seiten abgeflachte Seitenflächen 7, 17 aufweist. Die Zylinderlinse 3 liegt mit einer der abgeflachten Seitenflächen 7 auf dem Grundträger teil 5 auf und mit einer der Strahlaustrittsfläche 6 des Halbleiterlaserchip 2 zugewandten gekrümmten Seitenfläche an den beiden Abstandhalterteilen 9, 10 an und ist beispielsweise mittels eines metallischen Lotes oder mittels eines geeigne ten Klebstoffes auf dem Grundträgerteil 5 befestigt.

Zur Herstellung der oben beschriebenen Zylinderlinsen 3 wer den beispielsweise längere Glasfaserstücke von zwei gegen überliegenden Seiten her beispielsweise mittels Schleifen ab geflacht und anschließend beispielsweise mittels Sägen zu einzelnen Zylinderlinsen zertrennt.

Um die Strahlein- und Strahlauskoppelflächen der Zylinderlin sen 3 optisch zu vergüten, können die Glasfaserstücke zum Beispiel in einer Horde übereinandergestapelt und von beiden Seiten mit einer herkömmlichen optischen Vergütungsschicht versehen werden (Fig. 4, Beschichten, angedeutet durch die Pfeile 18). Durch die abgeflachten Seitenflächen ist sicher gestellt, daß die vergüteten Flächen bei der weiteren Hand habung der Zylinderlinsen 3 nicht verdreht werden.

Die Zylinderlinse 3 ist derart angeschliffen, daß ihr Schei tel genau auf der Höhe des strahlungsemittierenden Bereiches 16 des auf dem Zwischenträgerteil 8 befestigten Halbleiterla serchips 2 liegt. Der Fokus zwischen dem Halbleiterlaserchip 2 und der Zylinderlinse 3 ist durch die Abstandhalterteile 9, 10 des Zwischenträgerteiles 8 fest vorgegeben.

Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Halbleiterlaser- Vorrichtung 1 besteht darin, daß die Zylinderlinse 3 ohne den Halbleiterlaserchip 2 zu betreiben, gegenüber dem Halb leiterlaserchip 2 justiert und anschließend auf das Grundträ gerteil 5 montiert werden kann und nicht mehr in mehreren Freiheitsgraden ausgerichtet werden muß.

Die in der Fig. 3 im Querschnitt gezeigte, bei der erfin dungsgemäßen Halbleitervorrichtungen einsetzbare Zylinderlinse 3, weist im Unterschied zu der oben beschriebenen Ausfüh rungsform nur eine einzige abgeflachte Seitenfläche 7 auf, mit der sie auf dem Grundträgerteil 5 befestigt wird.

Claims

1. Halbleiterlaser-Vorrichtung (1) mit einem Halbleiterlaserchip (2) und einer Zylinderlinse (3) zur Fokussierung der von dem Halbleiterlaserchip (2) ausgesandten Laserstrahlung (4), bei dem der Halbleiterlaserchip (2) auf einem Grundträgerteil (5) befestigt und die Zylinderlinse (3) vor der Strahlaustrittsfläche (6) des Halbleiterchips (2) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinderlinse (3) eine abgeflachte Seitenfläche (7) aufweist, mit der sie auf dem Grundträgerteil (5) aufliegt.

2. Halbleiterlaser-Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinderlinse (3) aus einer Glasfaser gefertigt ist.

3. Halbleiterlaser-Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Halbleiterlaserchip (2) und dem Grundträgerteil (5) ein Zwischenträgerteil (8) vorgesehen ist, das mindestens zwei Abstandhalterteile (9, 10) aufweist, die als Justageanschlag für die Zylinderlinse (3) dienen.

4. Halbleiterlaser-Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Zwischenträgerteil (8) ein Anschlußrahmen ist, der mittels Phototechnik aus einer auf dem Grundträgerteil (5) aufgebrachten Metallschicht hergestellt ist.

5. Halbleiterlaser-Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Zwischenträgerteil (8) ein vorgefertigter Anschlußrahmen ist.

6. Halbleiterlaser-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinderlinse mittels eines geeigneten Klebstoffes auf dem Grundträgerteil (5) befestigt ist.

7. Halbleiterlaser-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinderlinse (3) an zwei einander gegenüberliegenden Seiten abgeflacht ist.

8. Halbleiterlaser-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterlaserchip (2) ein Diodenlaserfeld aufweist, das im Betrieb eine Mehrzahl von nebeneinander angeordneten, im Querschnitt streifenförmigen, divergenten Einzellaserstrahlen aussendet.

9. Halbleiterlaser-Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterlaserchip (2) ein Leistungs-Halbleiterlaser- Barren ist.

10. Halbleiterlaser-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5 oder nach einem der Ansprüche 6 bis 9 unter Rückbeziehung auf einen der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den beiden Abstandhalterteilen (9, 10) größer ist als die Breite der Strahlaustrittsfläche (6).

11. Halbleiterlaser-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5 und 10 oder nach einem der Ansprüche 6 bis 9 unter Rückbeziehung auf einen der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Zwischenträgerteil (8) Molybdän, CuW oder CuMo aufweist.

12. Halbleiterlaser-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, 10 und 11 oder nach einem der Ansprüche 6 bis 9 unter Rückbeziehung auf einen der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Fokus zwischen dem Halbleiterlaserchip (2) und der Zylinderlinse (3) durch die Länge der Abstandhalterteile (9, 10) des Zwischenträgerteiles (8) fest vorgegeben ist.

13. Verfahren zum Herstellen einer Halbleiterlaser- Vorrichtung nach Anspruch 4 oder nach einem der Ansprüche 6 bis 12 unter Rückbeziehung auf den Anspruch 4, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte:

a) Herstellen der Zylinderlinse (3) und des Grundträgerteiles (5),
b) Aufbringen einer Metallschicht zur Herstellung des Zwischenträgerteiles (8) auf das Grundträgerteil (5),
c) Ausbilden des Zwischenträgerteiles (8) mittels Strukturieren der Metallschicht,
d) Befestigen des Halbleiterlaserchips (2) auf einer Chipmontagefläche des Zwischenträgerteiles (8),
e) Auflegen der Zylinderlinse (3) auf das Grundträgerteil (5),
f) Anlegen der Zylinderlinse (3) an die beiden Abstandhalterteile (9, 10) und
g) Befestigen der Zylinderlinse (3) auf dem Grundträgerteil (5).

14. Verfahren zum Herstellen einer Halbleiterlaser- Vorrichtung nach Anspruch 5 oder nach einem der Ansprüche 6 bis 12 unter Rückbeziehung auf den Anspruch 5, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte:

a) Herstellen der Zylinderlinse (3), des Grundträgerteiles (5) und des Zwischenträgerteiles (8),
b) Aufbringen des Zwischenträgerteiles (8) auf das Grundträgerteil (5),
c) Befestigen des Halbleiterlaserchips (2) auf dem Zwischenträgerteil (8),
d) Auflegen der Zylinderlinse (3) auf das Grundträgerteil (5),
e) Anlegen der Zylinderlinse (3) an die beiden Abstandhalterteile (9, 10) und
f) Befestigen der Zylinderlinse (3) auf dem Grundträgerteil (5).

15. Verfahren zum Herstellen einer Halbleiterlaser- Vorrichtung nach nach Anspruch 5 oder nach einem der Ansprüche 6 bis 12 unter Rückbeziehung auf den Anspruch 5, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte:

a) Herstellen der Zylinderlinse (3), des Grundträgerteiles (5) und des Zwischenträgerteiles (8),
b) Befestigen des Halbleiterlaserchips (2) auf dem Zwischenträgerteil (8),
c) Aufbringen des Zwischenträgerteiles (8) mit Halbleiterlaserchip (2) auf das Grundträgerteil (5),
d) Auflegen der Zylinderlinse (3) auf das Grundträgerteil (5),
e) Anlegen der Zylinderlinse (3) an die beiden Abstandhalterteile (9, 10) und
f) Befestigen der Zylinderlinse (3) auf dem Grundträgerteil (5).

16. Verfahren zum Herstellen einer Halbleiterlaser- Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12 bzw. Verfahren nach Anspruch 13, 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinderlinse (3) aus einer Glasfaser hergestellt wird, indem die Glasfaser von zwei Seiten her abgeflacht und nachfolgend auf die gewünschte Länge der Zylinderlinsen (3) zugeschnitten wird.

17. Verfahren zum Herstellen einer Halbleiterlaser- Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß zum Justieren der Zylinderlinse (3) gegenüber dem Halbleiterlaserchip (2) kein Laserbetrieb des Halbleiterlaserchips (2) erforderlich ist.

18. Verfahren zum gleichzeitigen Herstellen einer Mehrzahl von Zylinderlinsen (3) aus einer Glasfaser, dadurch gekennzeichnet, daß die Glasfaser von zwei Seiten her abgeflacht und nachfolgend zu Glasfaserstücken mit der gewünschten Länge der Zylinderlinsen (3) zugeschnitten wird, daß die Glasfaserstücke mit den abgeflachten Seiten aufeinanderliegend übereinandergestapelt werden, daß die gekrümmten Seitenflächen der Glasfaserstücke mit einer Anti- Reflexions-Beschichtung versehen werden und daß der Stapel aus beschichteten Glasfaserstücken nachfolgend zu einzelnen Zylinderlinsen (3) aufgetrennt wird.