DE3330392A1

DE3330392A1 - Laserdiode mit vereinfachter justierung

Info

Publication number: DE3330392A1
Application number: DE19833330392
Authority: DE
Inventors: Heinz Dipl.-Ing. Westermeier (FH), 8014 Neubiberg
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1983-08-23
Filing date: 1983-08-23
Publication date: 1985-03-07
Also published as: JPS6066493A; US4592059A

Description

Laserdiode mit vereinfachter Justierung.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Laserdiode nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus "Electronics Letters", Bd.18(1982), Seiten 631 ff. ist eine Laserdiode bekannt, die ebenso wie die erfindungsgemäße Diode zur Ankopplung an eine der Strahlungsübertragung dienende Glasfaser vorgesehen ist. Die in dieser Druckschrift zur Fig.2 näher beschriebene Laserdiode ist auf einer Wärmesenke angelötet. Hierfür besitzt die Wärmesenke eine V-förmige Nut, über der sich der Halbleiterchip befindet, in der die Laserdiode realisiert ist. Die V-förmige Nut dient dazu, das Lot aufzunehmen und sie ist randvoll mit diesem Lot gefüllt. Vom Chip aus gesehen bilden der Körper der Wärmesenke und das in dieser Nut befindliche Lot eine praktisch glatte Oberfläche, auf der sich der Chip befindet. Diese Nut, für die eine Breite von 75 μ m angegeben ist, und der darüber befindliche Chip der Laserdiode sind so zueinander ausgerichtet, daß diese Nut und die laseraktive Zone übereinanderliegen. Es sei· auch darauf hingewiesen, daß die Oberfläche des Körpers der Wärmesenke noch weitere, auch quer dazu verlaufende Nuten aufweist, die ebenfalls für ein Fließen des Lotes vorgesehen und bestimmt sind.

Bekanntermaßen strahlt eine Laserdiode die Laserstrahlung durch die Stirnfläche der im Chip befindlichen streifenförmigen laseraktiven Zone aus. Bei Verwendung der Laserdiode zusammen mit einer lichtleitenden (Glas-)Faser werden der Chip und die Faser zueinander so ausge-

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richtet, daß sich diese erwähnte Stirnfläche des Chips und die Stirnfläche der Faser bis zu ca. 20μιη Abstand gegenüberstehen, wobei die Mittelachse der Faser zum strahlungserzeugenden Zentrum der streifenförmigen laseraktiven Zone des Chips justiert wird.

Eine der Möglichkeiten der Montage der Laserdiode bzw. ihres Chips auf der Wärmsenke ist diejenige, die als upside-down-Anordnung bezeichnet wird. Dies bedeutet, daß

1Odie laseraktive Zone sich im Halbleiterchip sehr nahe, nur 2 bis 5μπι entfernt, von derjenigen Oberfläche des Chips befindet, mit der der Chip auf der Wärmesenke aufliegt. Die laseraktive Zone ist nämlich ursprünglich in einer von meistenteils mehreren Epitaxieschichten angeordnet, die auf

15einem vergleichsweise zu diesen Schichten wesentlich dickeren Halbleiterchipkörper aufgebracht sind. Die Lage der Laserdiode ist also, um keine störenden Nebeneffekte für die Strahlausbreitung zu erzeugen, in einem Genauigkeitsbereich von ± 2\im zu justieren.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Maßnahmen anzugeben, mit denen die notwendige Justierung des Chips der Laserdiode auf dem Körper der Wärmesenke, und zwar im Hinblick auf unbehinderte Ausstrahlung der Laserstrahlung

25durch die erwähnte Stirnfläche, erleichtert bzw. vereinfacht werden kann. Dabei soll jedoch kein nachteili-ger Effekt bezüglich zuverlässiger Wärmeabfuhr und/oder Stromzuführung auftreten.

30Diese Aufgabe wird für eine Laserdiode nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 mit Hilfe der Merkmale des Kennzeichens dieses Anspruches gelöst. Weitere Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Bei bekannten Montage-Ausführungen für Laserdioden mit Wärmesenke ist bisher so vorgegangen worden, daß die die Laserstrahlung aus dem Chip herauslassende Stirnfläche des Chips und die an dieser Stirnfläche des Chips angrenzende Kante bzw. Vorderfläche des Körpers der Wärmesenke mit der Stirnfläche des Chips eine einzige durchgehende Ebene bildet. Der Chip ist dementsprechend derart auf dem Körper der Wärmesenke justiert, daß die Unterkante des Chips und die daran anliegende Oberkante des Körpers der Wärmesenke zusammenfallen und Chip und Wärmesenke eine ebene Vorderfront bilden. Dieser Vorderfront gegenüberliegend wird die Stirnfläche der Glasfaser ausgerichtet.

Die Erleichterung bezüglich der Justierung besteht nach der Erfindung darin, daß bei der Erfindung diese Stirnfläche des Chips ohne weiteres, z.B. bis zu 10 bis 20 μπι, gegenüber der entsprechenden Vorderfläche des Körpers der Wärmesenke zurückspringen bzw. zurückgesetzt sein kann.

Dieses nach der Erfindung zugelassene Zurückspringen der Stirnfläche des Chips behindert wegen des Vorhandenseins der Nut, die bei der Erfindung jedoch nicht mit Lot oder dergl. ausgefüllt ist, in keiner Weise die durch diese Stirnfläche des Chips hindurch erfolgende Abstrahlung der Laserstrahlung.

An sich würde eine solche Behinderung bei praktisch ebenso vereinfachter Justierung auch dann nicht eintreten, wenn die entsprechende Stirnfläche des Chips gegenüber der entsprechenden Vorderfläche des Körpers der Wärmesenke vorspringen ließe. Eine solche Ausführungsform wäre aber in

mehrfacher Hinsicht nachteilig, insbesondere im Hinblick auf die mechanische Ankopplung der Glasfaser und auch im Hinblick auf zuverlässige Wärmeabfuhr aus Bereichen der laseraktiven Zone, die nahe der erwähnten Stirnfläche gelegen sind.

Die erfindungsgemäß vorgesehene Nut, die bei der Erfindung nicht mit Lot ausgefüllt ist, bietet bei gemäß einer Ausführungsform der Erfindung gegenüber der Vorderfläche des

lOKörpers der Wärmesenke entsprechend weit zurückgesetzter Stirnfläche des Chips der Laserdiode die Möglichkeit einer Justierung des Endes der Glasfaser gegenüber der laseraktiven Zone. Es ist dabei die Form und insbesondere die Abmessung der Nut auf den Durchmesser der Glasfaser ab

15zustimmen, jedoch ist zu beachten, daß die Breite" der Nut mit Rücksicht auf günstige Wärmeabfuhr aus dem Chip nicht zu groß bemessen werden kann.

Es ist vorgesehen, daß die Nut nicht nur im Bereich der 20Stirnflache des Chips, durch die die Laserstrahlung gewünschtermaßen austritt, vorhanden ist, sondern sich die Nut im Körper der Wärmesenke unter dem ganzen Chip der Halbleiterdiode hindurch erstreckt. Dabei werden die Mut und der Chip mit der darin befindlichen streifenförmigen 25laseraktiven Zone zueinander so ausgerichtet, daß Nut und streifenförmige Zone parallel zueinander übereinanderliegen. Vorteilhaft ist es, die Breite der Nut dann so groß zu bemessen, daß sie gleich der Breite des Wellenführungsbereiches der in der streifenförmigen laseraktiven 30Zone erzeugten Laserstrahlung ist. Damit läßt sich nämlich außerdem erreichen, daß im Halbleiterchip im Bereich der laseraktiven Zone und des angrenzenden Wellenführungsbereiches nur homogene Verspannung auftritt,

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denn mechanische Verbindung zwischen dem Körper der Wärmesenke und dem Chip liegt erst außerhalb dieser Mut vor.

Weitere Erläuterungen der Erfindung gehen aus der nachfolgenden, anhand der Figuren gegebenen Beschreibung bevorzugter Ausgestaltungen der Erfindung hervor.

Es zeigen:

Fig.1 eine perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Laserdiode auf ihrer Wärmesenke und

Fig.2 eine Seitenansicht zur Fig.1.

Wit 1 ist die Laserdiode mit ihrem Chip 2 und ihrer streifenförmigen laseraktiven Zone 4 bezeichnet. Mit 3 ist der Körper der Wärmesenke bezeichnet. Die streifenförmige laseraktive Zone 4 erstreckt sich über die gesamte Länge 1 des Chips 2. Sie liegt in einer auf dem ursprünglichen Substratkörper epitaktisch aufgebrachten Schicht 5. Eine weitere epitaktisch aufgebrachte Schicht ist mit 6 bezeichnet. Entsprechend der Montage "upside-down" liegt diese Zone 4 relativ nahe der Oberfläche 13 der Wärmesenke

Die in der Fig.1 vordere Stirnfläche des Chips 2 ist mit 15 bezeichnet und 14 weist auf die Strahlungs-Austrittflache hin, die die Stirnfläche der Zone 4 ist.

Mit 7 ist eine Metall-Kontaktschicht bezeichnet, die z.B. aus Silber, Platin, vorzugsweise aber aus Gold, besteht. Sie dient als Stromzuführungs-Elektrode für die laseraktive Zone 4. Als zweiter Stromzuführungsanschluß der Diode kann ein Substratkontakt 8 dienen.

Wie für einen Streifenlaser bekannt, ist auch bei der Erfindung durch entsprechende bekannte Maßnahmen dafür Sorge getragen, daß der Stromfluß auf den Bereich der Zone 4 konzentriert ist.

Mit 9 ist eine Lotschicht bezeichnet, die insbesondere aus Indium, Blei, Zinn oder Legierungen (vorzugsweise mit den vorgenannten Metallen) besteht. Diese Lotschicht 9 gewährleistet eine feste' mechanische Verbindung zwischen der Metall-Kontaktschicht 7 bzw. dem Chip 2 und dem Körper der Wärmesenke 3.

Mit 10 ist die erfindungsgemäß vorgesehene Nut bezeichnet. Wie ersichtlich, besteht die erwähnte mechanische feste Verbindung zwischen der Wärmesenke 3 und dem Chip 2 nur außerhalb der Nut 10.

Wie insbesondere auch aus der Fig.2 ersichtlich ist, kann bei der Erfindung der Chip 2 mit seiner Stirnfläche 15 gegenüber der Vorderfläche 23 des Körpers der Wärmesenke zurückversetzt auf der Fläche 13 der Wärmesenke 3 montiert sein. Dies ist eine wesentliche Erleichterung für die bei der Montage vorzusehende Justierung. Z.B. kann diese Stirnfläche 15 gegenüber der Vorderfläche 23 um irgendein Maß zwischen Null und bis zu 20 μπι zurückversetzt sein. Die Nut 10 ermöglicht trotz des Zurückspringens der Stirnfläche 15 und damit auch der Laserstrahlungs-Austrittsflache 14, daß die Laserstrahlung 24 trotz des bekanntermaßen bis zu etwa 70° großen Austrittswinkels (gegenüber der Normalen der Austrittsfläche 14) von dem Körper der Wärmesenke 3 unbehindert austreten kann. Ein Anteil dieser Strahlung 24 nimmt den durch die Nut 1.0 frei gehaltenen Raum ein. Die Nut hat dazu eine entsprechende Breite b und entsprechende Tiefe t.

Als besonders vorteilhaft hat sich eine Bemessung für die Mut 10 erwiesen, bei der die Breite b etwa gleich der Breite des Wellenführungsbereiches der Laserstrahlung der Zone 4 ist. Bei einer üblichen Breite von 3 bis 4 μηι der laseraktiven Zone 4 beträgt die Breite des Wellenführungsbereiches etwa 30 μΐη. Es empfiehlt sich also, die Breite der Nut 10 von 30 bis 100 μπι zu bemessen. Für eine Nut ergibt sich dann eine passende Tiefe von 20 bis 50 μΐη, die ungehinderten Strahlungsaustritt 24 gewährleistet.

Mit einer Bemessung der Breite b der Nut 10 gleich der Breite des Wellenführungsbereiches der Laserstrahlung wird auch noch ein weiterer Vorteil erzielt. Wie ersichtlich, liegt die feste mechanische Verbindung zwischen dem Chip 2 und der Wärmesenke 3 nur außerhalb der Nut 10 vor. Dies bewirkt, daß von dieser festen mechanischen Verbindung ausgehende mechanische Verspannungen des Chips 2 und der Wärmesenke 3 gegeneinander im Bereich der laseraktiven Zone 4 des Chips 2 homogene Verteilung hat, was für die Lebensdauer der Laserdiode von Vorteil ist. Dazu muß dann allerdings die Nut 10 sich auch über die gesamte Länge 1 der laseraktiven Zone 4 erstrecken, wie dies in den Figuren angedeutet ist. Eine damit verbundene Verringerung der Wärmeabfuhr aus der laseraktiven Zone 4 in die Wärmesenke - vergleichsweise zu einer Laserdiode mit einer mit Lot ausgefüllten Nut - ist nur von untergeordneter Bedeutung und auf jeden Fall auch nicht geringer als bei Laserdioden, die upside-up montiert sind.

Die Nut hat vorzugsweise eine V-Form. Es eignen sich aber auch andere Formen wie U-Form oder Halbkreisform. Wichtig ist, daß der Strahlungsaustritt 24 nicht behindert wird und daß außerdem durch Wahl der Breite b die

vorteilhaften Effekte bezüglich mechanischer Spannungen und Strom- und Wärmezu- und -abfuhr erreicht werden.

In Fig.2 ist außerdem auch noch der Öffnungswinkel der durch die Fläche 14 ausgetretenen Laserstrahlung 24 angedeutet. Weiter ist dort (gestrichelt) eine Glasfaser mit ihrem linsenartigen Kopf dargestellt, in die die Strahlung 24 eingestrahlt und von der diese Strahlung weitergeleitet wird. Der Abstand des Linsenkopfes von der Fläche 14 wird im allgemeinen mit etwa 20μπι bemessen und eine solche Faser ist 100 bis 120μΐη dick. Ihre Achse 101 liegt auf der Höhe der laseraktiven Zone

4 Patentansprüche 2 Figuren

Claims

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Patentansprüche:

/I/. Laserdiode mit einem Halbleiterchip (Z), in dem sich eine streifenförmige laseraktive Zone (4) befindet, mit wenigstens einer Kontaktschicht (7) und mit einer Stirnfläche (15 9, die die Laserstrahlungs-Austrittsfläche (14) enthält, wobei das Substrat upside-down auf einer Wärmesenke (3) montiert ist, wobei die eine Kontaktschicht, die ein Metall ist, sich zwischen der Wärmesenke und dem Substrat nahe der laseraktiven Zone befindet, und wobei eine Lotschicht (9) zwischen dieser Kontaktschicht und der Wärmesenke vorhanden ist, mit der der Chip und die Wärmesenke fest miteinander verbunden sind,
gekennzeichnet dadurch, daß sich im Bereich der Laserstrahlungs-Austrittsflache

(14) der Stirnfläche (15) des Halbleiterchips (2) im Körper der Wärmesenke (3) eine Nut befindet, deren Breite (b) und -tiefe (t) so bemessen sind, daß die mit Divergenzwinkel durch die Laserstrahlungs-Austrittsfläche (14) aus dem Chip austretende Laserstrahlung (24) auch dann nicht auf Material der Wärmesenke (3) trifft, wenn die Stirnfläche (15) des Chips (2) gegenüber der Vorderfläche (24) des Körpers der Wärmesenke (3) infolge weniger aufwendiger Justierung bei der Montage des Chipfs (2) auf der Wärmesenke (3) bis zu ca. 20μΐη zurückversetzt ist.

2o Laserdiode nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Nut (10) V-Form hat.

3o Laserdiode nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Breite (b) der Nut (10) etwa gleich der Breite des Wellenführungsbereiches der Laserstrahlung (24) im Chip (2) bemessen ist.

52 3O£

4. Laserdiode nach Anspruch 1,2 oder 3/ gekennzeichnet dadurch, daß die Breite (b) mit 30 bis ΙΟΟμπι bemessen ist.