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WO2003017372A1 - Photodiodenanordnung mit zwei photodioden - Google Patents

Photodiodenanordnung mit zwei photodioden Download PDF

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WO2003017372A1
WO2003017372A1 PCT/DE2001/003069 DE0103069W WO03017372A1 WO 2003017372 A1 WO2003017372 A1 WO 2003017372A1 DE 0103069 W DE0103069 W DE 0103069W WO 03017372 A1 WO03017372 A1 WO 03017372A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
photodiode
arrangement
photodiodes
submount
carrier
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/DE2001/003069
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Martin Franke
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Infineon Technologies AG
Original Assignee
Infineon Technologies AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Infineon Technologies AG filed Critical Infineon Technologies AG
Priority to PCT/DE2001/003069 priority Critical patent/WO2003017372A1/de
Priority to DE10196768T priority patent/DE10196768D2/de
Priority to US10/218,942 priority patent/US6853665B2/en
Publication of WO2003017372A1 publication Critical patent/WO2003017372A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • H10W90/00—
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/40—Arrangement of two or more semiconductor lasers, not provided for in groups H01S5/02 - H01S5/30
    • H01S5/42—Arrays of surface emitting lasers
    • H01S5/423—Arrays of surface emitting lasers having a vertical cavity
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
    • H01S5/022—Mountings; Housings
    • H01S5/0233—Mounting configuration of laser chips
    • H01S5/02345—Wire-bonding
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
    • H01S5/026—Monolithically integrated components, e.g. waveguides, monitoring photo-detectors, drivers
    • H01S5/0262—Photo-diodes, e.g. transceiver devices, bidirectional devices
    • H01S5/0264—Photo-diodes, e.g. transceiver devices, bidirectional devices for monitoring the laser-output
    • H10W72/5445—

Definitions

  • Designation of the invention photodiode arrangement with two photodiodes.
  • the invention relates to a photodiode arrangement with two photodiodes, a laser diode arrangement with such a photodiode arrangement and a method for connecting a photodiode arrangement to a substrate.
  • an electro-optical coupling assembly with a laser diode arrangement in which a plurality of vertically emitting VCSEL laser diodes are arranged in an array.
  • the laser diodes are assigned optical fibers arranged in one plane, the end faces of which on the coupling side bring about a beam deflection of the light emitted by the laser diodes into the optical fibers.
  • a laser diode array 101 is arranged on a submount 100, which in the exemplary embodiment shown consists of sixteen VCSEL diodes 102. Twelve of these laser diodes 102 are used for data communications and accordingly a schematically represented optical waveguide 103 is assigned to each of them.
  • the two laser diodes 104, 105 located on the edge of the array 101 are each assigned a torque diode 111, 112, the light-sensitive area of which is positioned directly above the outermost laser diode 104, 105.
  • the monitor diode 111, 112 is formed in each case in a carrier 113, 114 which is attached to a submount 115, 116 serving as a spacer.
  • the contacting of the monitor diodes 111, 112 and also of the laser diodes 102, 104, 105 takes place via bond wires 117, which are connected via metallizations 118 and further bond wires 119 to contacts of a schematically illustrated control and driver circuit 120.
  • the two monitor diodes 111, 112 are usually used in such a way that the optical output power of the laser diodes 102 is regulated with the aid of a monitor diode 111, while the other laser diode 112 brings about a safety shutdown in the event that the laser power exceeds a predetermined limit value.
  • Such regulations are known per se.
  • a disadvantage of the known arrangement of the monitor diodes is that it involves complex and expensive individual productions which are arranged on the respective submount 115, 116. Automated production has not yet been possible.
  • the present invention is therefore based on the object of providing a photodiode arrangement which allows production using standard processes and at the same time provides a simple, versatile design.
  • a laser diode arrangement with such a photodiode arrangement and a method for connecting a photodiode arrangement to a submount are to be made available.
  • this object is achieved by a photodiode arrangement with the features of claim 1, a laser diode arrangement with the features of claim 9 and a method with the features of claim 12.
  • Preferred and advantageous embodiments of the invention are specified in the subclaims.
  • the solution according to the invention is characterized in that at least two photodiodes are formed in a symmetrical arrangement on a common carrier, the electrical contacts being located in the region between the photodiodes.
  • the use of a symmetrical arrangement with at least two photodiodes has the advantage, owing to the symmetry that is present, that there can be multiple uses of the photodiodes, with only one of the photodiodes possibly being actually used for light detection.
  • the solution according to the invention enables the same photodiode arrangement to be used on opposite sides of a laser diode array without further modification.
  • Photodiode arrangement possible.
  • a standard flip-chip process for connecting the photodiode arrangement to a submount is possible.
  • the solution according to the invention has the advantage that the variety of parts is reduced due to the versatility of the photodiode arrangement.
  • the contacts of the photodiodes are provided with solder bumps for flip-chip connections.
  • the carrier is preferably a
  • Silicon carrier with electrical contacts made of aluminum is provided with a passivation layer.
  • the photodiode arrangement is attached to a submount via which the photodiodes are electrically contacted.
  • the submount and the photodiode carrier are preferred rectangular in shape and arranged perpendicular to one another in a crossed or T-shaped arrangement, the photodiodes being located to the side of the crossover area with the submount and on opposite sides of the crossover area. In a way, they are arranged at the ends of the crossbar of the "T".
  • the submount is preferably connected via flip-chip interconnects upside down to the photodiode carrier.
  • the connection via the well-known flip-chip technology enables access to proven, standardized contacting methods.
  • the central connection of the submount to the photodiode carrier ensures that the laterally arranged photodiodes can detect light undisturbed.
  • a laser diode arrangement according to the invention is characterized in that the at least one monitor diode is provided in each case by a photodiode arrangement according to claim 1.
  • the arrangement is such that one of the photodiodes of a photodiode arrangement is assigned to an external laser diode of the laser diode array.
  • the other photodiode is not actively used.
  • the solution according to the invention has the advantage that the same photodiode arrangement can also be used on the other side of the laser diode array without any modifications being required.
  • the laser diode array is preferably an array of VCSEL lasers.
  • the photodiode arrangement is arranged on the side of the laser diode array in such a way that one photodiode of the photodiode arrangement is located above the associated lateral laser diode.
  • the submount for the photodiode arrangement serves as a spacer.
  • the photodiode arrangement and the associated submount preferably each form a T arrangement, the active as Monitor diode used photodiode is arranged on one end of the cross arm of the T-arrangement.
  • an array of laser diodes means any arrangement of several laser diodes in series. It is not necessarily necessary for laser diodes to be formed together in one submount. Likewise, several individual submounts, each with a laser diode, can be arranged in series.
  • the method according to the invention for connecting a photodiode arrangement according to the invention to a submount is characterized by the steps: a) providing a large number of submounts provided with contacts in a piece of support, b) providing a large number of photodiode arrangements according to claim 1, the contacts of the photodiodes each having Lot bumps are provided c) flip-chip connections of the submounts and the
  • Photodiode arrays, the submounts and the photodiode arrays each being positioned in a cross shape in the workpiece carrier, d) performing a reflow soldering and e) performing an underflow process for filling the areas between the solder bumps, and f) providing the fully connected Units in the workpiece carrier.
  • the method according to the invention is characterized in that the connection of the respective photodiode arrangements and submounts takes place after the individual wafers for the submount and for the photodiodes have been separated.
  • the photodiode is first provided with solder bumps for the intended flip-chip connections, then separated into individual units by saying and only then in T- shaped arrangement connected to a respective assigned submount in a flip-chip process.
  • Figure 1 is a plan view of a photodiode array in accordance with the present invention.
  • Figure 3 is a plan view of a submount
  • Figure 5 shows an alternative embodiment of a
  • FIG. 6 shows the connection of the photodiode arrangement of FIG. 5 to a submount in a T arrangement
  • Figure 7 shows a laser diode arrangement with two
  • Figure 8 shows a laser diode arrangement according to the state of the
  • FIG. 1 shows a photodiode arrangement 1 with two photodiodes with photosensitive regions 11, 12.
  • the photodiodes are usually used as monitor diodes in an optoelectronic transmission device.
  • the photodiodes which are therefore also referred to below as monitor diodes, are formed in a carrier 13, as will be explained in more detail with reference to FIG. 2.
  • the photodiode arrangement has four central contact surfaces 14a, 14b, 14c, 14d, on each of which a solder bump (not shown) is attached to a submount for the purpose of flip-chip mounting.
  • the two left contact surfaces 14a, 14d are each connected to a contact surface 16a, 16d via metallizations 15a, 15d, which is connected to the positively doped region of the semiconductor diode.
  • the two right contact surfaces 14b, 14c are each connected to the negatively doped region 17, 18 of the semiconductor diodes via lines 15b, 15c.
  • So-called marking elements or fiducials 19 serve to align the photodiode carrier 13 with respect to a submount (cf. FIG. 3) or other alignment elements.
  • FIG. 2a The manufacture of the photodiode arrangement in FIG. 1 is shown schematically in FIG. Then, in a first step, an n + implantation is first carried out in a silicon carrier in regions 21 (FIG. 2a). A p + implantation follows in regions 22 (FIG. 2 b). A mask 23 is now applied to the surface, which has openings 24 for contact holes for the p-contact (FIG. 2c).
  • FIG. 3 shows a submount 3 for contacting a photodiode arrangement 1 according to FIG. 1.
  • the submount 3 has four contact surfaces 32a, 32b, 32c, 32d on a carrier 31, which are connected via lines 33 to contact pads 34a, 34b, 34c.
  • the contact pads are connected to an evaluation circuit (not shown) via bond wires (not shown).
  • the process sequence for producing the submount in FIG. 3 is shown in FIG. Thereafter, the carrier 31 is first provided with an oxide layer 40 (FIG. 4a).
  • a nitride layer 41 is then applied for the passivation (FIG. 4b). It is followed by the attachment of
  • Passivation layer e.g. B. the application of a 1 micron thick
  • the contact pads 34a, 34b of FIG. 3 serve to decrease the photodiode current of the respective photodiodes 11, 12.
  • the third contact pad 34c is set to a fixed, negative potential. If the current of the individual photodiodes 11, 12 the central contact pad 34b can also be dispensed with, if the left contacts 32a, 32d of the submount 3 were to be connected to one another.
  • FIG. 5 shows an alternative embodiment of a photodiode arrangement 1 according to the invention with photodiodes 11 12 ⁇ likewise arranged symmetrically on a rectangular support 13 ⁇ (strictly speaking, the photosensitive regions 11 ⁇ , 12 ⁇ of the photodiodes are shown; however, to simplify matters, photodiodes are used).
  • a plurality of contact surfaces with solder bumps 51 are arranged between the two photodiodes 11 ′, 12 ⁇ , only the two upper and lower solder bumps 51 being used for electrical contacting, as shown in FIG. 5.
  • the middle solder bumps are not electrically connected and only serve the better and more stable connection of the photodiode arrangement and submount.
  • FIG. 6 shows the T-shaped connection of the
  • Photodiode array 1 ⁇ of the figure can be contacted electrically on a rectangular submount 3 "with two contact pads 34a 34b ⁇ , via which the photodiodes 11 ', ⁇ 12. 5 Due to the flip chip, the light-sensitive areas are 11 ⁇ , 12 ⁇ of Photodiodes on the opposite side of the carrier 13 ⁇ , as shown by the dashed lines in Figure 6.
  • connection of the photodiode arrangement 1, 1 ⁇ to the submount 3, 3 ⁇ of Figures 1 to 6 is preferably carried out according to the following method.
  • the photodiode array and the submount are manufactured on the surface of a wafer using planar technology, a large number of photodiode arrays and submounts being produced simultaneously.
  • the submounts are separated by saying the wafer and the separated submounts 3, 3 ⁇ or spacers are preferably made available on a “tape on reel”.
  • the submounts 3, 3 ⁇ are arranged in a material support piece in a predetermined grid.
  • the monitor diode arrangement is still provided with solder bumps in the wafer assembly and then separated by saying and again preferably provided on a “tape on real”.
  • a flip-chip process takes place, in which the solder bumps are initially involved in a dip process are provided with a flux, then the submounts of the workpiece carrier are equipped with the individual photodiode arrangements (each as described in a T arrangement) and then a reflow soldering is carried out
  • Underfill in which the space between the solder bumps is filled to prevent fatigue breakage in the area of the solder bumps, as well as an encapsulation.
  • the finished units consisting of a photodiode arrangement and a submount in a T arrangement, are then in the workpiece carrier for " Pick and Place ".
  • FIG. 7 shows a laser diode arrangement corresponding to the laser diode arrangement of FIG. 8 described at the outset, but the two monitor diodes arranged at the ends of the laser diode array are provided by photodiode arrangements which, according to FIGS. 1 to 6, are formed symmetrically with two photodiodes each and are of T-shape Arrangement are each attached to a submount or spacer 3. The two shown
  • Photodiode arrays la, lb are identical.
  • One photodiode 11a, 12b each of the two photodiodes 11a, 11b, 12a, 12b of the photodiode arrays is used to detect the light emitted by the associated laser diode.
  • photodiode arrangements with four or another number of symmetrically arranged photodiodes can also be provided.
  • the only essential thing is that in a photodiode arrangement with at least two photodiodes, the photodiodes are formed symmetrically with respect to a common carrier and the electrical contacts of the photodiodes are in the region between the photodiodes.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Photodiodenanordnung mit mindestens zwei Photodioden. Erfindungsgemäss sind die Photodioden (11, 12) in symmetrischer Anordnung auf einem gemeinsamen Träger (13) ausgebildet, wobei sich die elektrischen Kontakte (14a-d) im Bereich zwischen den Photodioden befinden. Die Erfindung ermöglicht insbesondere einen Einsatz identisch ausgebildeter Monitordiodenanordnungen an den beiden Seiten eines Laserdiodenarrays. Dementsprechend betrifft die Erfindung auch eine Laserdiodenanordnung mit einer entsprechend ausgebildeten Photodiodenanordnung. Schliesslich wird ein Verfahren zur Verbindung einer Photodiodenanordnung mit einem Submount angegeben.

Description

Beschreibung
Bezeichnung der Erfindung: Photodiodenanordnung mit zwei Photodioden .
Die Erfindung betrifft eine Photodiodenanordnung mit zwei Photodioden, eine Laserdiodenanordnung mit einer solchen Photodiodenanordnung und ein Verfahren zur Verbindung einer Photodiodenanordnung mit einem Substrat.
Aus der DE 197 09 842 CI ist eine elektrooptische Koppelbaugruppe mit einer Laserdiodenanordnung bekannt, bei der eine Mehrzahl von vertikal emittierenden VCSEL- Laserdioden in einem Array angeordnet sind. Den Laserdioden sind in einer Ebene angeordnete Lichtwellenleiter zugeordnet, deren kopplungsseitige Stirnflachen eine Strahlumlenkung des von den Laserdioden ausgestrahlten Lichts in die Lichtwellenleiter bewirken.
Es st bekannt, bei derartigen Laserdiodenanordnungen eine oder mehrere Monitordioden vorzusehen, über die eine Überwachung und Steuerung der Laserdiodenanordnung erfolgt.
Einen entsprechenden, im Stand der Technik bekannten Aufbau zeigt schematisch die Figur 8. Danach ist auf einem Submount 100 ein Laserdiodenarray 101 angeordnet, das im dargestellten Ausfuhrungsbeispiel aus sechzehn VCSEL-Dioden 102 besteht. Zwölf dieser Laserdioden 102 dienen der Datenkommunikationen und ihnen ist dementsprechend jeweils ein schematisch dargestellter Lichtwellenleiter 103 zugeordnet. Den beiden am Rand des Arrays 101 befindlichen Laserdioden 104, 105 ist jeweils eine Momtordiode 111, 112 zugeordnet, deren lichtempfindliche Flache direkt oberhalb der jeweils äußersten Laserdiode 104, 105 positioniert ist. Die Monitordiode 111, 112 ist jeweils in einem Trager 113, 114 ausgebildet, der an einem als Abstandselement bzw. Spacer dienenden Submount 115, 116 befestigt ist.
Die Kontaktierung der Monitordioden 111, 112 und auch der Laserdioden 102, 104, 105 erfolgt über Bond-Drähte 117, die über Metallisierungen 118 und weitere Bonddrähte 119 mit Kontakten eines schematisch dargestellten Steuer- und Treiberschaltkreises 120 verbunden sind.
Die beiden Monitordioden 111, 112 werden üblicherweise derart eingesetzt, daß mit Hilfe einer Monitordiode 111 die optische Ausgangsleistung der Laserdioden 102 geregelt wird, während die andere Laserdiode 112 eine Sicherheitsabschaltung für den Fall bewirkt, daß die Laserleistung über einen vorgegebenen Grenzwert hinausgeht. Derartige Regelungen sind an sich bekannt .
Nachteilig bei der bekannten Anordnung der Monitordioden ist, daß es sich um aufwendige und teure Einzelanfertigungen handelt, die auf dem jeweiligen Submount 115, 116 angeordnet werden. Eine automatisierte Herstellung ist bisher nicht möglich .
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Photodiodenanordnung bereitzustellen, die eine Herstellung unter Verwendung von Standardprozessen erlaubt und dabei ein einfaches, vielfach einsetzbares Design zur Verfugung stellt. Zusatzlich sollen eine Laserdiodenanordnung mit einer derartigen Photodiodenanordnung sowie ein Verfahren zur Verbindung einer Photodiodenanordnung mit einem Submount zur Verfugung gestellt werden.
Diese Aufgabe wird erfmdungsgemaß durch eine Photodiodenanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, eine Laserdiodenanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 9 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelost. Bevorzugte und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteranspruchen angegeben.
Danach zeichnet sich die erfindungsgemaße Losung dadurch aus, daß auf einem gemeinsamen Trager mindestens zwei Photodioden in symmetrischer Anordnung ausgebildet sind, wobei sich die elektrischen Kontakte im Bereich zwischen den Photodioden befinden.
Die Verwendung einer symmetrischen Anordnung mit mindestens zwei Photodioden weist aufgrund der vorhandenen Symmetrie den Vorteil auf, daß eine vielfache Einset zbarkeit der Photodioden besteht, wobei gegebenenfalls nur jeweils eine der Photodioden tatsachlich zur Lichtdetektion verwendet wird. Insbesondere ermöglicht die erfindungsgemaße Losung, dieselbe Photodiodenanordnung an gegenüberliegenden Seiten eines Laserdiodenarrays ohne weiter Modifikation einzusetzen.
Aufgrund der symmetrischen Anordnung ist auch eine vereinfachte, auf Standardprozessen beruhende Montage der
Photodiodenanordnung möglich. Insbesondere ist ein Standard Flip-Chip Prozess zur Verbindung der Photodiodenanordnung mit einem Submount möglich. Schließlich weist die erfindungsgemaße Losung den Vorteil auf, daß aufgrund der vielfaltigen Emsetzbarkeit der Photodiodenanordnung die Teilevielfalt reduziert wird.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die Kontakte der Photodioden mit Lot-Bumps für Flip-Chip- Verbindungen versehen. Der Trager ist dabei bevorzugt ein
Silizium-Trager mit elektrischen Kontakten aus Aluminium. Der Trager ist mit einer Passivierungsschicht versehen.
In einer bevorzugten Ausfuhrungsform ist die Photodiodenanordnung auf einem Submount befestigt, über den die elektrische Kontaktierung der Photodioden erfolgt. Dabei sind der Submount und der Photodiodentrager bevorzugt rechteckig geformt und in einer gekreuzten oder T-formigen Anordnung senkrecht zueinander angeordnet, wobei sich die Photodioden seitlich des Uberkreuzungsbereiches mit dem Submount und auf gegenüberliegenden Seiten des Uberkreuzungsbereiches befinden. Sie sind gewissermaßen an den Enden des Querbalkens des „T" angeordnet.
Der Submount ist dabei bevorzugt über Flip-Chip-Interconnects mit der Oberseite nach unten (upside down) mit dem Photodiodentrager verbunden. Die Verbindung über die bekannte Flip-Chip-Technologie ermöglicht das Zurückgreifen auf bewahrte, standardisierte Kontaktierungsverfahren . Die mittige Verbindung des Submounts mit dem Photodiodentrager gewährleistet dabei, daß die seitlich angeordneten Photodioden ungestört Licht detektieren können.
Eine erfindungsgemaße Laserdiodenanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 9 zeichnet sich dadurch aus, daß die mindestens eine Monitordiode jeweils durch eine Photodiodenanordnung gemäß Anspruch 1 bereitgestellt wird. Die Anordnung ist dabei derart, daß jeweils eine der Photodioden einer Photodiodenanordnung einer außen liegende Laserdiode des Laserdiodenarrays zugeordnet ist. Die andere Photodiode wird nicht aktiv benutzt. Sie ist damit zwar überflüssig, jedoch weist die erfindungsgemaße Losung den Vorteil auf, daß die gleiche Photodiodenanordnung auch auf der anderen Seite des Laserdiodenarrays eingesetzt werden kann, ohne daß es irgendwelcher Modifikationen bedarf.
Bevorzugt handelt es sich bei dem Laserdiodenarray um ein Array aus VCSEL-Lasern. Dabei ist die Photodiodenanordnung derart seitlich des Laserdiodenarrays angeordnet, daß sich jeweils eine Photodiode der Photodiodenanordnung oberhalb der zugeordneten seitlichen Laserdiode befindet. Der Submount für die Photodiodenanordnung dient dabei als Abstandselement bzw. Spacer. Photodiodenanordnung und zugehöriger Submount bilden bevorzugt jeweils eine T-Anordnung aus, wobei die aktiv als Monitordiode benutzte Photodiode an dem einen Ende des Querarms der T-Anordnung angeordnet ist.
Es wird darauf hingewiesen, daß unter einem Array von Laserdioden eine beliebige Anordnung mehrerer Laserdioden in Reihe verstanden wird. Es ist dabei nicht notwendigerweise erforderlich, daß Laserdioden gemeinsam in einem Submount ausgebildet sind. Ebenso können mehrere individuelle Submounts mit jeweils einer Laserdiode in Reihe angeordnet sein.
Das erfindungsgemaße Verfahren zur Verbindung einer erfindungsgemaßen Photodiodenanordnung mit einem Submount zeichnet sich durch die Schritte aus: a) Bereitstellen einer Vielzahl von mit Kontakten versehenen Submounts in einem erkstucktrager, b) Bereitstellen einer Vielzahl von Photodiodenanordnungen gemäß Anspruch 1, wobei die Kontakte der Photodioden jeweils mit Lot-Bumps versehen sind c) Flip-Chip-Verbmden der Submounts und der
Photodiodenanordnungen, wobei die Submounts und die Photodiodenanordnungen in dem Werkstucktrager jeweils kreuzförmig zueinander positioniert werden, dabei d) Durchfuhren eines Reflow-Lotens und e) Durchfuhrung eines Underflll-Verfahrens zum Auffüllen der Bereiche zwischen den Lot-Bumps, und f) Bereitstellen der fertig verbundenen Einheiten in dem Werkstucktrager .
Das erfindungsgemaße Verfahren zeichnet sich damit dadurch aus, daß die Verbindung der jeweiligen Photodiodenanordnungen und Submounts nach einer Vereinzelung der jeweiligen Wafer für den Submount und für die Photodioden erfolgt. Insbesondere wird die Photodiode nach Herstellung in Planartechnik auf einem Wafer zunächst mit Lot-Bumps für die vorgesehenen Flip-Chip-Verbmdungen versehen, dann durch Sagen zu einzelnen Einheiten vereinzelt und erst dann in T- formiger Anordnung mit einem jeweils zugeordneten Submount in einem Flip-Chip-Prozeß verbunden.
Die Erfindung wird nochfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung anhand mehrerer Ausfuhrungsformen naher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 Eine Draufsicht auf eine Photodiodenanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung;
Figur 2a-2f Verfahrensschritte zur Herstellung einer Photodiodenanordnung gemäß Figur 1, wobei jeweils ein Schnitt entlang der Linie A-A der Figur 1 dargestellt ist;
Figur 3 eine Draufsicht auf einen Submount zur
Verbindung mit einer Photodiodenanordnung gemäß Figur 1;
Figur 4a-4d Verfahrensschritte zur Herstellung eines
Submounts gemäß der Figur 3, wobei jeweils eine Schnittdarstellung entlang der Linie D-D der Figur 3 dargestellt ist;
Figur 5 ein alternatives Ausfuhrungsbeispiel einer
Photodiodenanordnung;
Figur 6 die Verbindung der Photodiodenanordnung der Figur 5 mit einem Submount in T-Anordnung;
Figur 7 eine Laserdiodenanordnung mit zwei
Photodiodenanordnungen gemäß den Figuren 1 bis 6, und
Figur 8 eine Laserdiodenanordnung gemäß dem Stand der
Technik. Figur 1 zeigt eine Photodiodenanordnung 1 mit zwei Photodioden mit photosensitiven Bereichen 11, 12. Die Photodioden werden üblicherweise als Monitordioden in einer opto-elektronischen Sendeeinrichtung verwendet. Die -deswegen nachfolgend auch als Monitordioden bezeichneten- Photodioden sind in einem Trager 13 ausgebildet, wie noch in Bezug auf die Figur 2 naher erläutert werden wird. Die Photodiodenanordnung weist vier mittige Kontaktflächen 14a, 14b, 14c, 14d auf, auf denen zwecks einer Flip-Chip-Montage auf einem Submount (vgl. Figur 3) jeweils ein Lot-Bump (nicht dargestellt) angebracht wird.
Die beiden linken Kontaktflachen 14a, 14d sind über Metallisierungen 15a, 15d jeweils mit einer Kontaktflache 16a, 16d verbunden, die mit dem positiv dotierten Bereich der Halbleiterdiode in Verbindung steht. Die beiden rechten Kontaktflachen 14b, 14c sind über Leitungen 15b, 15c jeweils mit dem negativ dotierten Bereich 17, 18 der Halbleiterdioden verbunden. Sogenannte Markierungselemente oder Fiducials 19 dienen einer Ausrichtung des Photodiodentragers 13 gegenüber einem Submount (vgl. Figur 3) oder anderen Ausrichtelementen.
Die Herstellung der Photodiodenanordnung der Figur 1 ist schematisch in Figur 2 dargestellt. Danach wird in einem ersten Schritt zunächst in einen Siliziumtrager in Bereichen 21 eine n+-Implantation vorgenommen (Figur 2a) . Es folgt in Bereichen 22 eine p+-Implantation (Figur 2b). Auf die Oberflache wird nun eine Maske 23 aufgebracht, die Offnungen 24 für Kontaktlocher für den p-Kontakt aufweist (Figur 2c) .
Es folgt in Figur 2d eine Passivierung mit einer Nitrid- Schicht 25, die ebenfalls Offnungen 24 λ für Kontaktlocher für den p-Kontakt aufweist. Es folgt die Anbringung von elektrischen Kontakten 26 einer Dicke von bevorzugt 1,4 μm, die aus Aluminium bestehen (Figur 2e) . Abschließend erfolgt eine Passivierung beispielsweise mittels einer 1 μm dicken Oxidschicht 27. Bei Einfall von Licht auf den pn-Ubergang der Photodioden werden Ladungsträger freigesetzt und aus diesem Bereich abgesaugt. Eine freigesetzte Strom oder eine entsprechende Spannung werden über die Kontakte 14a-14d der Figur 1 erfaßt.
Die Figur 3 zeigt einen Submount 3 zur Kontaktierung einer Photodiodenanordnung 1 gemäß Figur 1. Der Submount 3 weist auf einem Trager 31 vier Kontaktflachen 32a, 32b, 32c, 32d auf, die über Leitungen 33 mit Kontaktpads 34a, 34b, 34c verbunden sind. Die Kontaktpads sind über nicht dargestellte Bond-Drahte mit einer Auswertschaltung (nicht dargestellt) verbunden.
Der Prozeßablauf zur Herstellung des Submounts der Figur 3 ist in Figur 4 dargestellt. Danach wird der Trager 31 zunächst mit einer Oxid-Schicht 40 versehen (Figur 4a) .
Anschließend wird zur Passidierung eine Nitrid-Schicht 41 aufgebracht (Figur 4b). Es folgt die Anbringung von
Kontaktflachen 42 aus Metall, insbesondere aus Aluminium (Figur 4c) und abschließend die Anbringung einer
Passivierungsschicht, z. B. die Anbringung einer 1 μm dicken
Oxid-Schicht 43.
Es ist aus den Figuren 1 und 3 unmittelbar ersichtlich, daß bei T-formiger Anbringung der Photodiodenanordnung 1 gemäß Figur 1 auf den Submount 3 der Figur 3 die jeweiligen Kontaktflachen 14a bis 14d bzw. 32a bis 32d miteinander in Kontakt gelangen. Dies erfolgt über in Figur 1 nicht naher dargestellte Lotpads, die auf den Kontaktflachen der Photodiodenanordnung 1 angebracht sind. Es wird dabei ein
Flip-Chip-Verfahren zur Verbindung von Photodiodenanordnung 1 und Submount 3 verwendet.
Die Kontaktpads 34a, 34b der Figur 3 dienen dabei der Abnahme des Photodiodenstroms der jeweiligen Photodioden 11, 12. Das dritte Kontaktpad 34c ist auf ein festes, negatives Potential gelegt. Sofern der Strom der einzelnen Photodioden 11, 12 nicht individuell ausgewertet werden soll bzw. braucht, kann auf das mittlere Kontaktpad 34b auch verzichtet werden, wobei die linken Kontakte 32a, 32d des Submounts 3 miteinander zu verbinden waren.
Die Figur 5 zeigt eine alternative Ausgestaltung einer erfmdungsgemaßen Photodiodenanordnung 1 mit ebenfalls symmetrisch auf einem rechteckigen Trager 13 Λ angeordneten Photodioden 11 12 Λ (genaugenommen sind die photoempfindlichen Bereiche 11Λ, 12 λ der Photodioden dargestellt; vereinfachend wird jedoch von Photodioden gesprochen). Zwischen den beiden Photodioden 11', 12 λ sind mehrere Kontaktflachen mit Lot-Bumps 51 angeordnet, wobei gemäß Figur 5 nur die beiden oberen und unteren Lot-Bumps 51 zur elektrischen Kontaktierung verwendet werden. Die mittleren Lot-Bumps werden elektrisch nicht angeschlossen und dienen allein der besseren und stabileren Verbindung von Photodiodenanordnung und Submount.
Figur 6 zeigt die T-formige Verbindung der
Photodiodenanordnung 1 Λ der Figur 5 auf einem rechteckigen Submount 3" mit zwei Kontaktpads 34a 34b λ, über die die Photodioden 11' , 12 λ elektrisch kontaktiert werden. Aufgrund der Flip-Chip-Montage befinden sich die lichtempfindlichen Bereiche 11 Λ, 12 λ der Photodioden auf der abgewandten Seite des Tragers 13Λ, wie durch die gestrichelten Linien in Figur 6 dargestellt ist.
Die Verbindung der Photodiodenanordnung 1, 1Λ mit dem Submount 3, 3Λ der Figuren 1 bis 6 erfolgt bevorzugt nach folgendem Verfahren.
Zunächst erfolgt die Herstellung der Photodiodenanordnung sowie des Submounts auf der Oberflache eines Wafers in Planartechnik, wobei eine Vielzahl von Photodiodenanordnungen und Submounts gleichzeitig hergestellt werden. Die Submounts werden durch Sagen des Wafers vereinzelt und die vereinzelten Submounts 3, 3Λ bzw. Spacer bevorzugt auf einem „tape on reel" zu Verfugung gestellt. Dabei werden die Submounts 3, 3Λ in einem Werkstofftragerstuck m einem vorgegebenen Raster angeordnet.
Die Monitordiodenanordnung wird noch im Waferverband mit Lot- Bumps versehen und anschließend durch Sagen vereinzelt und wiederum bevorzugt auf einem „tape on real" bereitgestellt. Es erfolgt ein Flip-Chip-Prozeß, bei dem die Lot-Bumps zunächst in einem Dip-Prozeß mit einem Flußmittel versehen werden, dann eine Bestückung der Submounts des Werkstucktragers mit den einzelnen Photodiodenanordnungen (jeweils wie beschrieben in T-Anordnung) erfolgt und dann ein Reflow-Loten vorgenommen wird. Abschließend erfolgen ein
„Underfill", bei dem der Zwischenraum zwischen den Lot-Bumps gefüllt wird, um einem Ermudungsbruch im Bereich der Lot- Bumps vorzubeugen, sowie eine Verkapselung . Die fertigen Einheiten bestehend aus Photodiodenanordnung und Submount in T-Anordnung stehen dann in dem Werkstucktrager für „Pick and Place" zu Verfugung.
Figur 7 zeigt eine Laserdiodenanordnung entsprechend der eingangs beschriebenen Laserdiodenanordnung der Figur 8, wobei jedoch die beiden an Enden des Laserdioden-Arrays angeordneten Monitordioden durch Photodiodenanordnungen bereitgestellt werden, die gemäß den Figuren 1 bis 6 symmetrisch mit jeweils zwei Photodioden ausgebildet und die in T-formiger Anordnung jeweils auf einem Submount bzw. Spacer 3 befestigt sind. Die beiden dargestellten
Photodiodenanordnungen la, lb sind identisch ausgebildet. Jeweils eine Photodiode 11a, 12b der beiden Photodioden 11a, 11b, 12a, 12b der Photodiodenanordnungen dient der Detektion des von der zugehörigen Laserdiode ausgestrahlten Lichts.
Die Erfindung beschrankt sich in ihrer Ausfuhrung nicht auf die vorstehend dargestellten Ausfuhrungsbeispiele. Beispielsweise können ebenso Photodiodenanordnungen mit jeweils vier oder einer anderen Zahl von symmetrisch angeordneten Photodioden vorgesehen werden. Wesentlich ist allein, daß bei einer Photodiodenanordnung mit mindestens zwei Photodioden die Photodioden symmetrisch in Bezug auf einen gemeinsamen Träger ausgebildet sind und sich die elektrischen Kontakte der Photodioden im Bereich zwischen den Photodioden befinden.

Claims

Patentansprüche
1. Photodiodenanordnung mit mindestens zwei Photodioden,
dadurch gekennzeichnet ,
daß die Photodioden (11, 12; 11 12') in symmetrischer Anordnung auf einem gemeinsamen Trager (13, 13x) ausgebildet sind, wobei sich die elektrischen Kontakte (14a-d, 51) im Bereich zwischen den Photodioden befinden.
2. Photodiodenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Trager (13, 13 λ ) rechteckig ausgebildet ist.
3. Photodiodenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Trager (13, 13Λ) ein Silizium-Trager mit elektrischen Kontakten aus Aluminium und mit einer Passivierungsschicht ist.
4. Photodiodenanordnung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontakte (14a-d) der Photodioden mit Lotbamps für Flip-Chip-Verbindungen versehen sind.
5. Photodiodenanordnung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche mit einem Submount (3, 3 ), über den eine elektrische Kontaktierung der Photodioden erfolgt, dadurch gekennzeichnet , daß der Submount (3, 3Λ) und der Photodiodentrager (13, 13Λ) in gekreuzter oder T-formiger Anordnung senkrecht zueinander angeordnet sind, wobei sich die Photodioden (11, 12, 11 12λ) seitlich des Uberkreuzungsbereichs mit dem Submount (3, 3Λ) und auf gegenüberliegenden Seiten des Uberkreuzungsbereichs befinden.
6. Photodiodenanrodnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß der Submount ( 3 , 3 λ ) über Flip-Chip-Interconnects mit dem Photodiodentrager (13, 13Λ) verbunden ist.
7. Photodiodenanordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet , daß sowohl der Submount (3, 3Λ) als auch der Photodiodentrager (13, 13Λ) rechteckig ausgebildet und beide T-formig zueinander angeordnet sind.
8. Photodiodenanordnung nach mindestens einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Submount (3, 3λ) außerhalb seines
Uberlappungsbereiches mit dem Photodiodentrager (13, 13λ) mindestens zwei Bond-Pads (34a-c; 34a 34bΛ) zur Kontaktierung mit Bond-Drahten aufweist.
9. Laserdiodenanordnung mit einer Mehrzahl von in einem Array angeordneten Laserdioden, die jeweils mit einem Lichtwellenleiter optisch koppelbar sind, und mit mindestens einer Monitordiode, die jeweils mit einer seitlichen Laserdiode des Arrays optisch gekoppelt und mit einer Uberwachungs- und Steuereinheit zur Steuerung der Laserdiodenanordnung verbunden ist,
dadurch gekennzeichnet ,
daß die Monitordiode (la, lb) durch eine
Photodiodenanordnung gemäß Anspruch 1 bereitgestellt werden.
10. Laserdiodenanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet , daß die Laserdioden (102) VCSEL- Laserdioden und die mindestens eine Photodiodenanordnung (la, lb) derart seitlich des Laserdiodenarrays (101) angeordnet ist, daß jeweils eine Photodiode (11a, 12b) einer Photodiodenanordnung (la, lb) oberhalb einer seitlichen VCSEL-Laserdiode des Arrays angeordnet ist, wobei der Submount (3) der Photodiodenanordnung (la, lb) als Abstandselement dient .
11. Laserdiodenanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet , daß die Photodiodenanordnung (la, lb) und der zugehörige Submount (3) jeweils eine T-Anordnung ausbilden, wobei die an einem Arm der T- Anordnung ausgebildete Photodiode (11a, 12b) oberhalb einer seitlichen Laserdiode angeordnet ist.
12. Verfahren zur Verbindung einer Photodiodenanordnung nach Anspruch 1, mit einem Submount, gekennzeichnet durch die Schritte a) Bereitstellen einer Vielzahl von mit Kontakten versehenen Submounts in einem Werkstucktrager, b) Bereitstellen einer Vielzahl von
Photodiodenanordnungen gemäß Anspruch 1, wobei die Kontakte der Photodioden jeweils mit Lόt-Bumps versehen sind, c) Flip-Chip-Verbinden der Submounts und der Photodiodenanordnungen, wobei die Submounts und die
Photodiodenanordnungen in dem Werkstucktrager jeweils kreuzförmig zueinander angeordnet werden, dabei d) Durchfuhren eines Reflow-Lotens und e) Durchfuhrung eines Underfill-Verfahrens zum Auffüllen der Bereiche zwischen den Lot-Bumps, und f) Bereitstellen der fertig verbundenen Einheiten in dem Werkstucktrager.
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