DE112016000806T5

DE112016000806T5 - Dicht beabstandete laserdiodenkonfigurationen

Info

Publication number: DE112016000806T5
Application number: DE112016000806.6T
Authority: DE
Inventors: Giovanni Barbarossa; Norbert Lichtenstein
Original assignee: II VI Inc
Current assignee: Coherent Corp
Priority date: 2015-02-18
Filing date: 2016-02-17
Publication date: 2018-01-18
Also published as: WO2016133943A1; US20160240999A1; CN107408791A8; US10186833B2; CN107408791A; JP2018508979A

Abstract

Eine dicht beabstandete Einzelemitter-Laserdiodenkonfiguration wird unter Verwendung eines Laserbarrens (oder einer ähnlichen Array-Konfiguration) erzeugt, die an einer Submount-Komponente angebracht ist, die eine Größe aufweist, die ausreichend ist, die gesamte Laserstruktur adäquat zu unterstützen. Die Oberfläche der Submount-Komponente, an der die Laserstruktur angebracht ist, ist metallisiert und wird verwendet, um die einzelnen elektrischen Kontakte zu den Laserdioden in der integrierten Laserstruktur zu bilden. Nachdem diese aneinander angebracht werden, wird die Laserstruktur durch die Bildung von vertikalen Trennungen zwischen benachbarten Lichtemissionsbereichen vereinzelt. Die Submount-Metallisierung ist ähnlich segmentiert, wodurch getrennte Elektroden erzeugt werden, die verwendet werden, um ihre zugehörigen Laserdioden individuell zu erregen.

Description

Querverweis auf verwandte Anmeldungen
Diese Anmeldung beansprucht den Vorteil der vorläufigen US Patentanmeldung mit der Seriennummer 62/117,607, eingereicht am 18. Februar 2015 und hierin durch Bezugnahme aufgenommen wird.
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Einzel-Emitter-Laserdiodenkonfigurationen und insbesondere auf dicht beabstandete Anordnungen von Einzelemitter-Laserdioden.
Hintergrund der Erfindung
Bei der Konstruktion und Implementierung verschiedener Arten von optischen Systemen sind Anordnungen bekannt, bei denen Einzel-Emitter-Laserdioden auf einzelnen dielektrischen Kühlkörper ("Submounts") montiert und elektrisch in Reihe angetrieben sind. Im Interesse der Schaffung immer komplexerer optischer Systeme mit höheren Integrationsgraden ist es vorzuziehen, diese Einzelemitter-Laserdioden möglichst nahe aneinander zu platzieren, während die optische Ausrichtung ihrer Emitterbereiche beibehalten wird und die Fähigkeit beibehalten wird, jede einzelne Einrichtung individuell zu steuern. So wird bei höheren Integrationsstufen die Notwendigkeit, jede Laserdiode einzeln auf ihren zugehörigen, individuellen Submount zu platzieren, problematisch. In dicht beabstandeten Anordnungen führt diese Weise der individuellen Platzierung zwangsläufig zu Ausrichtungsfehlern des Emitterbereichs einer Laserdiode gegenüber den anderen.
Zusätzliche Probleme, die beim Versuch entstehen, dicht beabstandete Laserdiodenanordnungen zu bilden, sind mit der spezifischen Abfolge von Herstellungsschritten verbunden, die verwendet werden, um das Endprodukt zu bilden. Das heißt, spätere Herstellungsprozesse, die die Temperatur der Laser-Submount-Kombination erhöhen, können dazu führen, dass zuvor ausgerichtete Laser-Submount-Elemente fehlerhaft ausgerichtet werden. Dies kann beispielsweise auftreten, wenn ein Hochtemperaturprozess dazu führt, dass das Laser-Submount-Bindematerial wieder aufschmelzt und eine Fehlausrichtung verursacht.
Zusammenfassung der Erfindung
Die im Stand der Technik verbleibenden Bedürfnisse werden durch die vorliegende Erfindung gelöst, die sich auf Einzelemitter-Laserdiodenkonfigurationen und insbesondere auf dicht beabstandete Anordnungen von Einzelemitter-Laserdioden bezieht.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine integrierte Laserstruktur, die so hergestellt ist, dass sie eine Vielzahl von separaten Lichtemissionsbereichen (z. B. Laserbarren, Wafer-basierte Laserstruktur) einschließt, an einer Submount-Komponente angebracht ist, die eine Größe aufweist, die ausreichend ist, um die gesamte Laserstruktur adäquat zu unterstützen. Die Oberfläche der Submount-Komponente, an der die Laserstruktur angebracht ist, ist metallisiert und wird verwendet, um die einzelnen elektrischen Kontakte zu den Laserdioden in der integrierten Laserstruktur zu bilden. Nachdem diese aneinander angebracht werden, wird die Laserstruktur durch die Bildung von vertikalen Trennungen zwischen benachbarten Lichtemissionsbereichen vereinzelt. Die Submount-Metallisierung ist ähnlich segmentiert, wodurch getrennte Elektroden erzeugt werden, die verwendet werden, um ihre zugehörigen Laserdioden individuell zu erregen.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Submount aus einem dielektrischen Material mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) ähnlich dem der Laserstruktur selbst (z. B. GaAs oder ein anderes geeignetes Material) gebildet.
Das Verbinden der Laserstruktur mit dem Submount kann (zum Beispiel) durch Kleben, Hartlöten oder Löten der beiden Komponenten erfolgen. Solange ein akzeptabler Weg für die thermische und elektrische Leitung (sowie die mechanische Stabilität) vorgesehen ist, kann jede gewünschte Anordnung verwendet werden. Die Vereinzelung kann durch jede geeignete Technik zum Erzeugen von Gräben durch die integrierte Laserstruktur durchgeführt werden, einschließlich (aber nicht beschränkt auf) Sägen, Laserschneiden, Ätzen oder dergleichen.
Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung hat die Form eines optischen Systems, das dicht beabstandete Lichtquellen einschließt, das System umfassend eine Vielzahl von separaten Einzel-Emitter-Laserdioden und einen Submount, der ein Substrat aus einem Kühlkörpermaterial und eine Vielzahl von separaten Metallisierungsbereichen umfasst, die in einer dicht beabstandeten Konfiguration entlang einer Oberseite des Substrats angeordnet sind. Die vIELzahl von separaten Einzelemitter-Laserdioden wird als eine integrale Struktur hergestellt, bei der die Lichtemissionsbereiche der Dioden in einer Array-Konfiguration ausgerichtet sind. Nach dem Anbringen der Laserstruktur an den Submount wird ein Vereinzelungsprozess durchgeführt, um Zwischenräume (Gräben) zwischen benachbarten Einzelemitter-Laserdioden (sowie Zwischenräume zwischen Metallisierungsbereichen) zu erzeugen, wodurch die dicht beabstandete Konfiguration gebildet wird.
Eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hat die Form eines Verfahrens zum Bilden einer Vielzahl von dicht beabstandeten Einzelemitter-Laserdioden, die von einem einzigen Submount unterstützt werden, umfassend die folgenden Schritte: (1) Bereitstellen einer integrierten Laserstruktur mit einem Array von Lichtemissionsbereichen, die mit einem Array von Laserdioden verbunden sind; (2) Bereitstellen eines Kühlkörper-Submounts, der eine obere Metallisierungskontaktschicht einschließt; (3) Anbringen der integrierten Laserstruktur an den Kühlkörper-Submount; und (4) Vereinzeln der in Schritt 3) erzeugten Anordnung, um die Lichtemissionsbereiche zu trennen und die Vielzahl von dicht beabstandeten Einzel-Emitter-Laserdioden zu bilden.
Andere und weitere Ausführungsformen und Aspekte der vorliegenden Erfindung werden im Verlauf der folgenden Beschreibung sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnungen deutlich.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es wird nun auf die Zeichnungen Bezug genommen, in denen selbe Bezugszeichen in mehreren Ansichten selbe Teile darstellen:
1 eine beispielhafte Anordnung zum Anbringen einer Vielzahl von separaten Einzelemitter-Laserdioden auf einem gemeinsamen Submount;
2 zeigt die gleiche Konfiguration wie 1, wobei die separaten Laserdioden als an getrennte Elektroden angebracht gezeigt sind, die auf der Oberfläche des gemeinsamen Submounts gebildet sind;
3 zeigt einen anfänglichen Schritt zur Herstellung einer dicht beabstandeten Sammlung von Einzelemitter-Laserdioden gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei 3 einen Laserbarren (einschließlich eines eindimensionalen Arrays von Lichtemissionsbereichen) vor dem Verbinden mit einer gemeinsamen Submount-Struktur zeigt;
4 zeigt den nächsten Schritt in diesem bestimmten Herstellungsprozess, wobei der Laserbarren mit dem gemeinsamen Submount verbunden ist;
5 veranschaulicht die Bildung von dicht beabstandeten Einzelemitter-Laserdioden durch Vereinzeln der Konfiguration von 4, wobei eine Vielzahl von Gräben durch die Dicke des Laserbarrens gebildet wird;
6 ist eine graphische Darstellung der "Biegung", die mit einer Konfiguration des Standes der Technik eines mit einem Submount verbundenen Laserbarrens assoziiert ist, wobei die Kurve die Verschiebung (von der Normalen) entlang der Länge des Laserbarrens zeigt;
7 ist eine Kurve der Biegung, die mit der Verwendung eines vereinzelten Laserbarrens gemäß der vorliegenden Erfindung verbunden ist und die Verringerung der Biegung illustriert, die durch Verwendung dieser Konfiguration erzielt wird;
8 zeigt einen anfänglichen Schritt des Herstellens einer dicht beabstandeten Sammlung von Einzelemitter-Laserdioden gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei in diesem Fall ein Wafer-Skalen-Herstellungsprozess verwendet wird;
9 veranschaulicht einen nächsten Schritt in einem beispielhaften Wafer-Skalen-Herstellungsprozess, der für die Verwendung mit kantenemittierenden Laserdioden besonders geeignet ist, wobei Vereinzelungsgräben anfänglich von der Rückseite der Struktur (d.h. durch den Submount) erzeugt werden;
10 zeigt einen folgenden Schritt für dieses spezielle Herstellungsverfahren, bei dem der Laserwafer geteilt wird, um die Konfiguration in eine gewünschte Gruppierung von dicht beabstandeten Lasereinrichtungen zu trennen;
11 veranschaulicht einen alternativen Verarbeitungsschritt, der verwendet werden kann, anstatt Gräben durch die Rückseite der Struktur zu erzeugen, wobei in diesem Fall Rillen durch die obere Schichtmetallisierung des Submount-Wafers erzeugt werden; und
12 zeigt einen folgenden Verarbeitungsschritt des Verbindens des laserbasierten Wafers mit dem gerillten Submount, wie er in 11 gebildet wird.
Detaillierte Beschreibung
Eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird in 1 und 2 gezeigt. In dieser Ausführungsform wird ein einzelnes Substrat 10 als ein dielektrischer Submount verwendet, um eine Vielzahl von individuellen Einzelemitter-Laserdioden 12 ₁–12 ₄ zu unterstützen. Vorzugsweise ist der Submount 10 aus einem Material mit einem CTE ähnlich dem des bei der Herstellung der Laserdioden 12 verwendeten Halbleitermaterials gebildet. Zum Beispiel wäre bei der Verwendung von GaAs-basierten Laserdioden (GaAs mit einem CTE von etwa 5,7 × 10^–6) eine gute Wahl für das Submount-Material Cu₂₀W (mit einem CTE von etwa 8.3 × 10^–6). Eine Metallisierungsschicht 14 ist auf der Oberseite 10S des Submount 10 gebildet und wird verwendet, um den Laserdioden 12 einen elektrischen Eingang bereitzustellen. Jede der einzelnen Laserdioden 12 _i ist eine "obere" Metallisierungsschicht 16 _i, eine Halbleiterschicht 18 _i (einschließlich einer Lichtemissionsfläche 20 _i) und eine "untere" Metallisierungsschicht 22 _i umfassend dargestellt. Die Bezeichnungen "obere" und "untere" sind mit dem Ort des Lichtemissionsbereichs 20 innerhalb der Halbleiterschicht 18 verbunden.
Bei einer bevorzugten Anordnung dieser Ausführungsform ist die Metallisierungsschicht 14 als Muster von individuellen metallisierten Kontaktflächen 14 _i (nachfolgend als "Elektroden" bezeichnet) gebildet, die der Anzahl und Anordnung der Vielzahl individueller Laserdioden 12 _i auf Submount 10 entsprechen. Die gemusterte Schicht kann unter Verwendung einer beliebigen der verschiedenen integrierten Schaltungsherstellungstechniken gebildet werden, die verwendet werden, um solche Kontaktstellen zu bilden. Die Verwendung einzelner Kontaktflächen (elektrisch voneinander isoliert) ermöglicht es, dass jede der einzelnen Laserdioden 12 _i separat erregt und individuell gesteuert wird, wie es für Systeme erforderlich ist, die Einzelemitter-Einrichtungen verwenden.
In der in 1 gezeigten Konfiguration sind Laserdioden 12 ₁–12 ₄ "von oben nach unten" orientiert, sodass die obere Metallisierungsschicht 16 _i jeder Laserdiode 12 _i der zugehörigen metallisierten Kontaktfläche 14 _i auf Submount 10 zugewandt ist. 2 veranschaulicht die Anordnung mit der Vielzahl von Laserdioden 12 ₁–12 ₄, die an ihren separaten (und elektrisch isolierten) Elektroden 14 ₁–14 ₄ in einer Eins-zu-eins-Beziehung befestigt sind.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden alle individuellen Laserdioden letztlich durch den einzelnen dielektrischen Submount (das Substrat) 10 unterstützt, der sowohl als eine mechanische Unterstützung für die Laserdiodenstruktur als auch als einen Kühlkörper wirkt, der unerwünschte Wärmeenergie von aktivierten Laserdioden abführt. Insofern als jede Elektrode 14 _i von den anderen isoliert ist, sind die Laserdioden auch voneinander isoliert und können daher getrennt in jeder für eine bestimmte Anwendung geeigneten Folge aktiviert werden. Der Abstand Δ zwischen jeder Laserdiode 12 _i ist somit eine Funktion des zwischen benachbarten Elektroden 14 _i erzeugten Abstandes (sowie die Einschränkungen der individuellen Abmessungen jeder Laserdiodenkomponente). Als Folge der Verwendung des einzelnen Submounts bietet die in 2 gezeigte Konfiguration eine Erhöhung der Dichte (in Bezug auf die Anzahl von separaten Laserdioden, die innerhalb eines bestimmten Bereichs angeordnet sind) gegenüber Anordnungen des Standes der Technik, bei denen jede Einzelemitter-Laserdiode auf ihrem eigenen separaten Submount angeordnet ist, während dabei eine individuelle Steuerung jeder der Laserdioden ermöglicht wird.
Während Verwendung einer einzigen Submount-Plattform wie in 2 gezeigt Verbesserungen in der Fähigkeit, den Abstand zwischen Einzelemitter-Laserdiodenstrukturen zu reduzieren, ermöglicht, kann die Notwendigkeit, jede Laserdiode einzeln auf ihre eigene metallisierte Kontaktfläche zu platzieren (wie in den 1 und 2 gezeigt) zeitaufwendig und teuer sein (und kann eine optische Fehlausrichtung der Emissionsbereiche der einzelnen Laserdioden zur Folge haben). Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wie in 3–5 gezeigt, geht dieses Bedenken an, indem als Ausgangspunkt im Herstellungsprozess eine integrierte Laserstruktur verwendet wird, die einen Array von separaten Lichtemissionsbereichen anstelle von einzelnen Laserdioden enthält.
Unter Bezugnahme auf 3 wird ein Laserbarren 30 gezeigt, der aus einer Halbleiterstruktur 32 gebildet ist, die auf bekannte Weise hergestellt ist, um eine Vielzahl von separaten Lichtemissionsbereichen 34 zu erzeugen, die entlang einer definierten Achse der Struktur (in der weggeschnittenen Ansicht von 3 als entlang einer x-Achsenrichtung liegend gezeigt) angeordnet sind. Die Halbleiterstruktur 32 wird dann verarbeitet, um eine erste Metallisierungsschicht 36, die auf einer oberen Hauptfläche 32 _T der Struktur 32 gebildet wird (wiederum "obere" in Bezug auf die Position der Emissionsbereiche 34 innerhalb der Struktur 32) und eine zweite Metallisierungsschicht 38, die auf einer unteren Hauptfläche 32 _B der Struktur 32 gebildet wird, zu beinhalten.
Ähnlich der oben beschriebenen Konfiguration wird eine einzige Submount-Komponente 40 als Trägersubstrat und Kühlkörper in Verbindung mit dem Laserbarren 30 verwendet. Wiederum ist es bevorzugt, dass der Submount 40 einen CTE ähnlich dem des Laserbarrens 30 aufweist. Wie in 3 ist eine Metallisierungs-(Kontakt-)Schicht 42 angeordnet, um eine Oberseite 40S des Submounts 40 zu bedecken.
4 zeigt den nächsten Schritt bei diesem beispielhaften Herstellungsprozess, bei dem der Laserbarren 30 an der freiliegenden Oberfläche der Metallisierungsschicht 42 befestigt ist. Die Verwendung eines einzigen Schritts zum Anbringen einer Vielzahl von separaten Emissionsbereichen 34 auf der Submount-Struktur führt zu einer Anordnung, bei der die einzelnen Dioden automatisch aneinander ausgerichtet sind. Jede der "oberen" oder "unteren" Metallisierungsschichten 36 oder 38 kann an der Submount-Metallisierungsschicht 42 angebracht werden, wobei die obere Schicht 36 für Ausführungsformen bevorzugt ist, bei denen thermische Probleme eine Sorge sind (effiziente Wärmeübertragung von den Emissionsbereichen 34 durch den Submount 40 und in ein darunterliegendes Kühlelement). Die Befestigung kann durch Kleben, Hartlöten usw. erfolgen, vorzugsweise jedoch durch Zusammenlöten der beiden Schichten. Das Material und das Verfahren, das verwendet wird, um diese Komponenten miteinander zu verbinden, wird ausgewählt, um eine gute thermische und elektrische Leitfähigkeit bereitzustellen sowie der Konfiguration eine mechanische Struktur zu verleihen.
Die erforderliche dicht beabstandete "Einzelemitter"-Konfiguration der vorliegenden Erfindung wird dann aus der in 4 gezeigten Anordnung durch Vereinzeln der Struktur gebildet, um die Vielzahl von Emitterbereichen 34, die in dem Laserbarren 30 gebildet sind, physisch zu trennen. Dieser Schritt wird in 5 gezeigt, wo die Vereinzelung erzielt wird, indem eine Vielzahl von Gräben 50 an voneinander beabstandeten Stellen über die Struktur gebildet wird. Die Gräben 50 können durch Sägen, Laserschneiden, Ätzen usw. unter Verwendung bekannter integrierter Schaltungsverarbeitungstechniken gebildet werden, um die spezifischen Stellen zu regulieren, an denen die Gräben gebildet werden sollen. Im Falle des Sägens würde das Sägen vorzugsweise durch die Bodenmetallisierungsschicht 38 erfolgen, wie in 5 gezeigt, und durch das Halbleitermaterial 32 und die obere Metallisierungsschicht 36 fortschreiten (sowie durch das Lötmittel oder ein anderes Bindungsmaterial, das verwendet wird, um die Komponenten miteinander zu verbinden, hindurchgehen).
Die aus diesem Vereinzelungsprozess resultierende Struktur führt zu einer im Wesentlichen identischen Ausgestaltung zu derjenigen, die in 2 gezeigt wird, jedoch mit einem verbesserten Grad an Ausrichtgenauigkeit, indem man mit einer integrierten Laserstruktur mit zuvor ausgerichteten Lichtemissionsbereichen beginnt.
Es ist möglich, eine zusätzliche galvanische Trennung zwischen benachbarten Laserdioden 30 durch Bildung von Gräben 50 bereitzustellen, die sich über die Metallisierungsschicht 42 hinaus und in den Submount 40 erstreckt. 5 veranschaulicht eine besondere Ausführungsform. Der Schritt der Verlängerung der Gräben in das Submount-Material eliminiert die Notwendigkeit einer strukturierten Metallisierung des Submounts und des Bindematerials (Lötmittel), wie es für die Anordnung von 2 erforderlich ist.
Die Erzeugung einer vereinzelten Struktur von einem anfänglichen Laserbarren gemäß dieser bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hat sich als geeignet erwiesen, um die automatische Ausrichtung der einzelnen Laserdioden zueinander bereitzustellen, während gleichzeitig die Emissionslinien-Fehlausrichtung (d.h "Biegung" oder irgendeine andere Art von wellenförmiger unregelmäßiger Fehlausrichtung), die häufig in den Konfigurationen des Standes der Technik unter Verwendung eines Laserbarrens aufgefunden wird, reduziert wird. 6 ist eine Kurve der Verschiebung in der Emissionslinie eines Arrays von Laserdioden, die in einem Laserbalken des Standes der Technik gebildet sind. Insofern als diese Struktur üblicherweise als ein Array-Quelle verwendet wird, bei der jede Diode gleichzeitig beleuchtet und parallel betrieben wird, wird keine Trennung zwischen benachbarten Laserdioden erzeugt. Die Verschiebung wird in einer Richtung senkrecht (y-Achse) zur Oberfläche des Barrens gemessen und wird für einen 115 μm dicken GaAs-Barren gezeigt (CTE ~ 5,7 × 10^–6), der an einem 400 μm dicken Cu₂₀W-Submount (CTE ~ 8.3 × 10^–6) angebracht ist. Die Biegung für die Konfiguration des Standes der Technik, die in 6 geplottet ist, beträgt etwa 9,3 μm.
7 ist ein Diagramm für die erfindungsgemäße vereinzelte Laserbarren-Konfiguration, die gemäß der vorliegenden Erfindung gebildet wird. Bei der Verwendung der gleichen Materialien und Abmessungen wie oben beschrieben wurde gezeigt, dass ist die Einführung von Gräben zur Bildung einer vereinzelten Struktur die Wafer-Biegung deutlich reduziert. Es versteht sich, dass die Skala entlang der Ordinate dieser Kurve den halben Wert der in 6 gezeigten Skala haben kann. Die Abnahme der Biegung relativ zu der Kurve des Stands der Technik von 6 ist deutlich gezeigt. Tatsächlich liegt bei diesem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung die maximale Biegung für den vereinzelten Wafer in der Größenordnung von etwa 5,1 µm (verglichen mit 9,3 µm).
Wie oben erwähnt, sind Nachteile bei vielen Verfahren des Standes der Technik zum Anbringen einzelner Laserdioden oder Barren auf Submounts mit dem sequentiellen Prozessablauf verbunden, der erforderlich ist, um die Herstellung der Endmontage abzuschließen. Zum Beispiel können andere Elemente, die in einen Lasersender eingeschlossen werden sollen, verbunden oder anderweitig an dasselbe Submount, die zur Unterstützung der Laserdiode verwendet wird, befestigt werden müssen. Jedoch führt eine weitere Erhitzung des Submounts (wie es erforderlich ist, um eine andere Einrichtung anzubinden) zu einer Störung der Ausrichtung der Laserdiode in Bezug auf den Submount.
Dieses Problem wird in Übereinstimmung mit einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gelöst. In diesem Fall wird die Einzelemitter-Laserdiodenstruktur und das zugehörige Submount unter Verwendung eines Wafer-Skalen-Herstellungsprozesses erzeugt.
Unter Bezugnahme auf das oben beschriebene Verfahren mit den 3–5 kann gezeigt werden, dass anstelle der Verwendung eines longitudinalen "Segments" von Halbleitermaterial und Bilden eines Laserbarrens es möglich ist, einen ganzer Wafer der Single-Emitter-Laserdiodenstrukturen herzustellen und dann diesen Wafer an einen zweiten Wafer, der als das kühlende Submount verwendet wird, anzubinden (wobei der Submount-Wafer gebildet wird, sodass er die darüber liegende metallisierte Kontaktschicht beinhaltet). Die Wafer-zu-Wafer-gebundene Anordnung kann danach in jede gewünschte Konfiguration zerteilt werden, einschließlich Ein-Dioden-Lasereinrichtungen (die auf einem einzigen Submount gebildet sind) oder ein eindimensionales Array von Einrichtungen (wie in 5 gezeigt) oder sogar ein zweidimensionaler (2D) Arrays (d.h. eine Ebene von separaten Laserdioden, die auf einem einzigen Submount angeordnet sind). In jedem Fall wird der bekannte Wafer-Dicing-Prozess verwendet, um die gewünschte Array-Konfiguration (1D oder 2D) zu bilden, und der oben beschriebene Grabenprozess wird verwendet, um eine Vereinzelung zwischen den einzelnen Laserdioden innerhalb der Array-Struktur bereitzustellen.
Diese Art der Herstellung eignet sich gut für vertikale Hohlraum-Oberflächenemitter (engl. vertical cavity surface emitting laser, VCSEL), da sich die optische Emission von der Laserdiode senkrecht zum Lichtemissionsbereich erstreckt. Das heißt, da sich die Emission in einer Richtung senkrecht zu der Oberfläche der Einrichtung erstreckt, die zerteilt (oder gespaltet) wird, beeinträchtigt der Dicing-Prozess nicht die optische Qualität der Oberfläche, durch die das Licht aus der Einrichtung austritt. Für Kantenemitter-Laserdioden kann jedoch ein mechanischer Vorgang des Sägens durch die gebundene Wafer-Struktur die Qualität der optischen Oberfläche (d.h. der Facette), durch die das Signal austritt, nachteilig beeinflussen. In diesem Fall kann eine Reihe von Schritten, wie unten in Verbindung mit 8–10 gezeigt, verwendet werden, um eine Wafer-Skalen-Herstellung von Einzel-Kantenemitter-Laserdioden (und ihre zugehörige Submount-Struktur) gemäß der vorliegenden Erfindung bereitzustellen.
Ähnlich den oben beschriebenen verschiedenen Ausführungsformen wird in 8 eine Wafer-basierte Laseranordnung 80 gezeigt, die einen Halbleiter-Wafer 82 umfasst, in dem eine aktive Schicht 84 gebildet ist. In diesem Fall von Kantenemitter-Einrichtungen wird die Lichtausgabe letztendlich aus der aktiven Schicht 84 in einer Richtung parallel zur zx-Ebene austreten. Eine obere Metallisierungsschicht 86 ist angeordnet, eine erste Hauptfläche des Wafers 82 zu bedecken, und eine untere Metallisierungsschicht 88 ist angeordnet, die gegenüberliegende zweite Hauptoberfläche des Wafers 82 zu bedecken.
Wie in 8 gezeigt ist die Wafer-basierte Laseranordnung 80 an einem Submount-Wafer 90 angebracht und ist insbesondere an einer metallisierten Kontaktschicht 92 angebracht, die ausgebildet ist, eine obere Hauptfläche des Submount-Wafers 90 zu bedecken. In einer bevorzugten Konfiguration dieser Ausführungsform ist der CTE des Submounts 90 relativ ähnlich dem des Halbleiter-Wafers 82. Dieser Schritt ist im Wesentlichen derselbe wie der oben beschriebene, um die anfängliche Befestigung des Submounts an der Laserdiodenstruktur bereitzustellen.
In dieser Konfiguration, in der Kantenemitter-Einrichtungen verwendet werden, wird vorgeschlagen, den Vereinzelungsprozess zu initiieren, indem man Gräben "nach oben" durch das Submount anstelle von "nach unten"durch die Laserstruktur bildet, wie in den vorstehenden Ausführungsformen. Dieser anfängliche Schritt wird in 9 gezeigt, wo eine Vielzahl von Gräben 90 wie gezeigt ausgebildet sind, sodass sie sich von einer Bodenfläche 90B des Submount-Wafers 90 nach oben erstrecken. Wie bei den oben beschriebenen Gräben 50 wird die Platzierung und Trennung zwischen den einzelnen Gräben 90 durch die vorbestimmten Stellen der aktiven Bereiche der Kantenemitter-Einrichtungen vorgegeben. Die Tiefe der Gräben 90 wird gewählt, um die Dicke des Submount-Wafers 90, der metallisierten Kontaktschicht 92 und möglicherweise auch durch einen Teil der Metallisierungsschicht 86 zu durchdringen. Der Grabenprozess wird so gesteuert, dass er vor dem Erreichen des Halbleiter-Wafers 82 gestoppt wird. So ist zu diesem Zeitpunkt in dem Prozess keine direkte Verarbeitung der Facette erfolgt, aus der die Kantenemitter-Strahlung austritt.
Der nächste Schritt des Prozesses, wie in 10 gezeigt, ist die Definition der individuellen Laseremitter-Bereiche. Verschiedene bekannte Techniken können verwendet werden, um diesen Schritt durchzuführen (zum Beispiel Ätzen oder Zerteilen durch die Bodenmetallisierungsschicht 88). Die Trennungen sind in 10 mit dem Bezugszeichen 100 gekennzeichnet. Das Zerteilen von Kristallebenen kann bevorzugt werden, da dieser Prozess üblicherweise die besten Ergebnisse hinsichtlich glatten Oberflächen in den Emissionsbereichen erzielt. Das Zerteilen erfolgt entweder unter einer Atmosphäre oder im Vakuum. Nach dem Zerteilen wird der Emissionsbereich der Halbleitereinrichtung passiviert und, wie es gut bekannt ist, mit Folien aus dielektrischem Material und/oder Halbleitermaterial beschichtet, um eine optisch glatte Oberfläche zu erzeugen.
11–12 zeigen eine Alternative zu dem Teil des in 9 gezeigten Prozesses. In diesem Fall wird die Kombination des Submount-Wafers 90 und der metallisierten Kontaktschicht 92 anfänglich verarbeitet, um eine Vielzahl von Rillen 110 zu erzeugen, die sich durch die metallisierte Kontaktschicht 92 und in das Material, das den Submount-Wafer 90 bildet, erstrecken. Wie in 11 gezeigt sind die Rillen 110 als sich nur durch einen Abschnitt der Dicke des Submount-Wafers 90 erstreckend gezeigt.
Wie in 11 gezeigt ist die Laser-basierte Wafer-Struktur 90 mit der gerillten Submount-Struktur verbunden. Der folgende Schritt, der in 12 gezeigt wird, erzeugt Gräben 112 durch die Rückseite des Submount-Wafers 90. In diesem Fall müssen die Gräben 112 nur tief genug sein, um zuvor hergestellte Rillen 110 freizulegen. Sobald dieser Schritt abgeschlossen ist, kann die Verarbeitung, wie in 10 gezeigt, verwendet werden, um die endgültige dicht beabstandete Konfiguration zu bilden.
Verschiedene bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wurden detailliert dargestellt und erläutert. Es versteht sich jedoch, dass verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich sind, ohne vom Geist oder Umfang der beigefügten Ansprüche abzuweichen.

Claims

Optisches System mit dicht beabstandeten Lichtquellen, umfassend eine Vielzahl von separaten Einzelemitter-Laserdioden; und ein Submount, das ein Substrat aus Kühlkörpermaterial und eine Vielzahl von separaten Metallisierungsbereichen umfasst, die in einer dicht beabstandeten Konfiguration entlang einer Oberseite des Substrats angeordnet sind, wobei jede separate Einzelemitter-Laserdiode über einer separaten Metallisierung angeordnet ist und mit dieser in Kontakt steht.
Optisches System nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl von separaten Einzelemitter-Laserdioden eine integrierte Laserstruktur mit mehreren Emissionsbereichen umfasst, wobei die integrierte Laserstruktur nach dem Kontakt mit dem Submount vereinzelt wird.
Optisches System nach Anspruch 2, wobei die integrierte Laserstruktur eine Vielzahl von Gräben einschließt, die vertikal durch diese angeordnet sind, um eine Trennung zwischen benachbarten Emissionsbereichen zu erzeugen.
Optisches System nach Anspruch 3, wobei die Submount-Metallisierung als eine Einzelschicht aus Metall gebildet ist, wobei sich die Vielzahl von Gräben nach unten durch die Einzelschicht aus Metall erstreckt, um die getrennten Metallisierungsbereiche zu bilden.
Optisches System nach Anspruch 4, wobei sich die Vielzahl von Gräben in das Substrat erstreckt und eine Isolierung zwischen benachbarten Einzelemitter-Laserdioden bereitstellt.
Optisches System nach Anspruch 2, wobei die integrierte Laserstruktur einen eindimensionalen Array von separaten Lichtemissionsbereichen umfasst.
Optisches System nach Anspruch 2, wobei die integrierte Laserstruktur eine Wafer-basierte Konfiguration einschließlich eines zweidimensionalen Arrays von separaten Lichtemissionsbereichen umfasst.
Optisches System nach Anspruch 2, wobei der Wärmeausdehnungskoeffizient (CTE) des Submounts so gewählt ist, dass er dem CTE der integrierten Laserstruktur ähnlich ist.
Optisches System nach Anspruch 2, wobei die integrierte Laserstruktur eine GaAs-basierte Struktur umfasst.
Optisches System nach Anspruch 9, wobei das Submount ausgewählt ist, einen CTE im Bereich von 3 × 10^–6 bis 10 × 10^–6 aufzuweisen.
Optisches System nach Anspruch 10, wobei das Submount Cu₂₀W umfasst.
Verfahren zum Bilden einer Vielzahl von dicht beabstandeten Einzelemitter-Laserdioden, die von einem einzigen Submount unterstützt werden, umfassend die folgenden Schritte: a) Bereitstellen einer integrierten Laserstruktur mit einem Array von Lichtemissionsbereichen, die mit einem Array von Laserdioden verbunden sind; b) Bereitstellen eines Kühlkörper-Submounts, der eine obere Metallisierungskontaktschicht einschließt; c) Anbringen der integrierten Laserstruktur an das Kühlkörper-Submount; und 4) Vereinzeln der in Schritt 3) erzeugten Anordnung, um die Lichtemissionsbereiche zu trennen und die Vielzahl von dicht beabstandeten Einzelemitter-Laserdioden zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei bei der Durchführung von Schritt a) ein Laserdiodenbarren einschließlich eines eindimensionalen Arrays von Lichtemissionsbereichen bereitgestellt wird
Verfahren nach Anspruch 12, wobei bei der Durchführung von Schritt a) eine Wafer-Struktur einschließlich eines zweidimensionalen Arrays von Lichtemissionsbereichen bereitgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei bei der Durchführung von Schritt b) ein Submount ein CTE ähnlich der integrierten Laserstruktur aufweist.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei bei der Durchführung von Schritt c) die integrierte Laserstruktur mit der oberen Metallisierungskontaktschicht des Submounts verlötet wird.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei bei der Durchführung von Schritt d) eine Vielzahl von vertikalen Gräben nach unten durch die integrierte Laserstruktur und die obere Metallisierungskontaktschicht gebildet wird, um die Vereinzelung bereitzustellen.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei bei der Durchführung von Schritt d) die Vielzahl von vertikalen Gräben so gebildet wird, dass sie sich in das Substrat erstreckt und individuell Laserdioden weiter isoliert.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei die Vielzahl von vertikalen Gräben durch Sägen durch die integrierte Laserstruktur gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei die Vielzahl von vertikalen Gräben durch Ätzen durch die integrierte Laserstruktur gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei bei der Durchführung von Schritt d) die folgenden Schritte durchgeführt werden: d1) Bilden einer Vielzahl von vertikalen Gräben nach oben durch den Submount und die obere Metallisierungskontaktschicht; und d2) Dicing durch die integrierte Laserstruktur, um die Vielzahl von lichtemittierenden Bereichen für die Vielzahl von Laserdioden zu bestimmen.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei bei der Durchführung von Schritt a) mehrere Kantenemitter-Laserdioden bereitgestellt werden und nach Schritt d2) Folgendes durchgeführt wird: Passivieren der lichtemittierende Randbereiche, die in Schritt d2) erzeugt wurden.