SUBSTRATE AND SEMICONDUCTOR LASER

Es wird ein Substrat für einen Halbleiterlaser angegeben. Darüber hinaus wird ein Halbleiterlaser angegeben.

Die Druckschrift US2019/0312407US 2019/0312407 A1A1 betrifft eine Anordnung mit einem elektrischen Bauteil.

Eine zu lösende Aufgabe liegt darin, ein Substrat für einen Halbleiterlaser anzugeben, das kleine Anstiegszeiten für eine Laseremission erlaubt.

Diese Aufgabe wird unter anderem durch ein Substrat und durch einen Halbleiterlaser mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Substrat für eine Halbleiterlaserdiode vorgesehen. Auf dem Substrat ist beispielsweise nur eine einzige Halbleiterlaserdiode angebracht. Alternativ ist das Substrat für eine Vielzahl von Halbleiterlaserdioden vorgesehen. Sind mehrere Halbleiterlaserdioden vorhanden, so können diese baugleich und insbesondere zur Emission von Strahlung der gleichen Wellenlänge eingerichtet sein, oder es liegen verschiedene Halbleiterlaserdioden vor, beispielsweise zur Emission von Laserstrahlung bei verschiedenen Wellenlängen.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Substrat eine Vielzahl von Substratlagen. Die Substratlagen sind bevorzugt planar oder näherungsweise planar. Zwischen den Substratlagen befinden sich bevorzugt jeweils elektrisch leitfähige Schichten, insbesondere Metallisierungen. Zumindest einige der leitfähigen Schichten sind dabei strukturiert, sodass dezidierte elektrisch leitfähige Flächen und elektrisch leitfähige Bereiche zwischen den Substratlagen resultieren. Die Substratlagen selbst sind bevorzugt elektrisch isolierend.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfassen die Substratlagen mehrere Isolierlagen. Die Isolierlagen sind vergleichsweise dünn.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfassen die Substratlagen außerdem mehrere Trägerlagen. Die Trägerlagen sind jeweils dicker als die Isolierlagen.

Im Rahmen der Herstellungstoleranzen sind bevorzugt alle Trägerlagen gleich dick. Entsprechendes gilt bevorzugt auch für die Isolierlagen. Es ist zudem möglich, dass das Substrat nur Substratlagen aufweist, die entweder Isolierlagen oder Trägerlagen sind.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform befinden sich mehrere elektrische Kontaktflächen an einer ersten, obersten Isolierlage. Diese elektrischen Kontaktflächen sind bevorzugt für eine Halbleiterlaserdiode, für einen Laserkondensator und für einen Ansteuerchip vorgesehen. Die erste, oberste Isolierlage bildet somit eine Bestückungsseite des Substrats aus, wobei die Bestückungsseite für eine Bestückung mit den vorgenannten elektrischen Komponenten und optional mit weiteren elektrischen Komponenten eingerichtet ist.

Die Substratlagen sind beginnend von der Bestückungsseite her fortlaufend nummeriert. Das heißt, die erste Substratlage, die der ersten Isolierlage entspricht, befindet sich unmittelbar an der Bestückungsseite und bildet die Bestückungsseite. Eine zweite, dritte, vierte Substratlage und so weiter liegen entsprechend ihrer Nummerierung jeweils von der Bestückungsseite weiter entfernt. Es ist möglich, dass in Draufsicht auf die Bestückungsseite gesehen die Substratlagen deckungsgleich oder im Wesentlichen deckungsgleich angeordnet sind, zumindest hinsichtlich Außenkonturen der Substratlagen.

Die Nummerierung erstreckt sich bevorzugt durchgehend und ununterbrochen über die Isolierlagen und die Trägerlagen hinweg. Das heißt, ist die letzte Isolierlage die n-te Substratlage, dann wird die erste der Trägerlagen als n+1-te Trägerlage bezeichnet. n ist hierbei eine natürliche Zahl.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Kontaktflächen für die Halbleiterlaserdiode, den Laserkondensator und den Ansteuerchip elektrisch miteinander über elektrische Leiterbahnen verschaltet. Zusätzlich zu den elektrischen Leiterbahnen liegen bevorzugt auch elektrische Durchkontaktierungen vor, die zwischen einzelnen Substratlagen oder zwischen mehreren Substratlagen hindurch verlaufen und die elektrischen Leiterbahnen in unterschiedlichen Ebenen, definiert durch die Substratlagen, miteinander verbinden. Die Leiterbahnen verlaufen bevorzugt parallel zur Bestückungsseite und die Durchkontaktierungen verlaufen bevorzugt senkrecht zur Bestückungsseite.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegen zur Verschaltung der Kontaktflächen für die Halbleiterlaserdiode, für den Laserkondensator und für den Ansteuerchip jeweils elektrische Leiterbahnen vor, die einerseits zwischen der ersten Isolierlage und der zweiten Isolierlage und andererseits zwischen der zweiten Isolierlage und der dritten Isolierlage lokalisiert sind. Mit anderen Worten können die elektrischen Leiterbahnen, die die vorgenannten Kontaktflächen anbinden, auf die obersten drei Substratlagen beschränkt sein. Sind nur zwei Isolierlagen vorhanden, so ist die dritte Isolierlage durch eine oberste der Trägerlagen ersetzt.

In mindestens einer Ausführungsform ist das Substrat für eine Halbleiterlaserdiode eingerichtet und umfasst eine Vielzahl von Substratlagen. Die Substratlagen umfassen mehrere Isolierlagen und mehrere Trägerlagen, wobei die Trägerlagen dicker sind als die Isolierlagen. Mehrere elektrische Kontaktflächen, die für die Halbleiterlaserdiode, für einen Laserkondensator und für einen Ansteuerchip eingerichtet sind, befinden sich an einer Bestückungsseite einer ersten, obersten Substratlage, die eine Isolierlage ist, wobei die Substratlagen beginnend mit der ersten Isolierlage in Richtung weg von der Bestückungsseite fortlaufend nummeriert sind. Elektrische Leiterbahnen, die die Kontaktflächen für die Halbleiterlaserdiode, den Laserkondensator und den Ansteuerchip elektrisch miteinander verschalten, befinden sich einerseits zwischen der ersten Isolierlage und einer zweiten Substratlage, die auch eine Isolierlage ist, und andererseits zwischen der zweiten Substratlage und einer dritten Substratlage, die wiederum bevorzugt eine Isolierlage, alternativ eine Trägerlage, ist.

Mit diesem Substrat lässt sich ein hochfrequenzoptimierter Halbleiterlaser aufbauen.

Das Substrat dient somit insbesondere für einen schnell schaltbaren Halbleiterlaser, der einen Treiberschaltkreis, auch als Treiber-IC oder Ansteuerchip bezeichnet, und eventuelle weitere Komponenten an dem Substrat umfasst.

Eine parasitäre Induktivität einer Leiterschleife zwischen dem Treiber und der Laserdiode limitiert herkömmlicherweise eine erreichbare Anstiegsrate und/oder Anstiegszeit eines Laserstroms für die Laserdiode und begrenzt eine maximale Flankensteilheit eines Laserimpulses.

Des Weiteren besitzen solche Treiber herkömmlicherweise eine Vorverstärkerstufe, die ein differentielles Triggersignal, zum Beispiel LVDS, in ein absolutes Steuersignal für einen Laserschalter umwandelt. Dabei fließen in sehr kurzer Zeit hohe Schaltströme, die aufgrund der parasitären Induktivität des Substrats zu einem Einbruch einer Spannung an einem Versorgungspin des Substrats führen können. Diese Spannungseinbrüche können als Störsignale zurück in eine Platine propagieren, auf der der Halbleiterlaser angebracht ist. Solche Störsignale können zu Problemen hinsichtlich einer elektromagnetischen Verträglichkeit führen und sind möglicherweise mit einer Radiofrequenzabstrahlung verbunden.

Derartige parasitären Induktivitäten sind im Regelfall proportional zur Fläche der zugehörigen Leiterschleife. Mit dem hier beschriebenen Ansatz lässt sich die Fläche der Leiterschleife minimieren. Für eine Umverdrahtung werden in der Regel mehrere Ebenen mit elektrischen Leiterbahnen in dem Substrat benötigt, wobei ein Vorwärtspfad und ein Rückwärtspfad für die betreffenden Ströme vorzugsweise in aneinander liegenden, angrenzenden elektrischen Ebenen realisiert werden. Somit ist durch die geringen Dicken der Isolierlagen eine Reduzierung der parasitären Induktivität ermöglicht. Eine mechanische Stabilität des Substrats wird durch die Trägerlagen sichergestellt.

Somit wird ein Schichtstapel bei dem hier beschriebenen Substrat, das als Multilagensubstrat ausgeführt ist, nicht symmetrisch aufgebaut. Die obersten Schichten werden möglichst dünn gehalten, um einen Abstand zwischen Hinleiter und Rückleiter im Strompfad zu minimieren. Bei einer zu großen Entfernung zwischen dem Hinleiter und dem Rückleiter wäre ein direkter Rückpfad des betreffenden Stroms nicht mehr möglich und die zugeordneten Induktivitäten würden erheblich ansteigen. Erzielbare Schaltzeiten der Halbleiterlaserdiode würden im gleichen Maße ansteigen.

Bei dem hier beschriebenen Substrat sind Zuleitungen von einer Stromquelle, insbesondere von einem Pufferkondensator, zur Halbleiterlaserdiode, insbesondere ein VCSEL, so symmetrisch wie möglich gestaltet, um eine symmetrische Energieeinspeisung zu ermöglichen. Die internen Strompfade sind so gelegt und ausgeführt, sodass sich die Hinleiter und die Rückleiter überlappen und sodass der Rückpfad des Stroms so kurz wie möglich gehalten ist. Unterbrechungen in den Rückpfaden sind minimiert.

Ein Leistungsstrang ist zudem bevorzugt in einer Mitte des Substrats hindurchgeführt und von geerdeten, elektrisch leitenden Flächen zwischen den Substratlagen umgeben. Hierdurch ist eine Abstrahlung von hochfrequenten Signalen minimierbar.

Außerdem ist bevorzugt ein stromführender Teil des Halbleiterlasers nicht nach außen geführt, um eine geringe Hochfrequenzemission zu garantieren.

Somit lassen sich mit dem hier beschriebenen Substrat kürzere Schaltzeiten und eine bessere Hochfrequenzabschirmung erzielen.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind alle Substratlagen aus dem gleichen Material. Alternativ oder zusätzlich sind alle Substratlagen aus einer Keramik. Insbesondere sind die Substratlagen jeweils aus Aluminiumoxid.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt eine Dicke der Isolierlagen je bei mindestens 40 um oder 70 µm. Alternativ oder zusätzlich liegt die Dicke der Isolierlagen bei höchstens 0,3 mm oder 0,2 mm. Beispielsweise weisen die Isolierlagen eine Dicke von ungefähr 100 µm auf.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform beträgt eine Dicke der Trägerlagen je mindestens 0,2 mm oder 0,3 mm. Alternativ oder zusätzlich weisen die Trägerlagen eine Dicke von höchstens 1 mm oder 0,8 mm oder 0,6 mm oder 0,4 mm auf. Insbesondere liegt die Dicke der Trägerlagen bei ungefähr 350 µm.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Trägerlagen um mindestens einen Faktor 1,5 oder 2 oder 3 dicker als die Isolierlagen. Alternativ oder zusätzlich liegt dieser Faktor bei höchstens 10 oder 7 oder 5. Damit können die Isolierlagen für kürzere Schaltzeiten der Halbleiterlaserdiode sehr dünn sein, wohingegen durch die dickeren Trägerlagen eine hinreichende mechanische Stabilisierung des Substrats gegeben ist.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Substrat eine Montageseite auf. An der Montageseite befinden sich elektrische Anschlussflächen für eine externe elektrische Kontaktierung des Substrats. Die Montageseite ist somit eine außenliegende Seite einer letzten der Substratlagen, die insbesondere eine letzte der Trägerlagen ist. Die letzte Trägerlage ist somit bevorzugt diejenige Substratlage, die sich am weitesten von der Bestückungsseite entfernt befindet.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist eine oder sind mehrere elektrische Anschlussflächen für eine Versorgungsspannung für die Halbleiterlaserdiode vorgesehen. Eine elektrische Durchkontaktierung führt von dieser elektrischen Anschlussfläche zumindest bis zur zweiten Isolierlage oder auch bis zur ersten Isolierlage heran. Insbesondere ist diese Durchkontaktierung oder sind diese Durchkontaktierungen direkt von der zugehörigen Anschlussfläche bis an die zweite oder bis an die erste Isolierlage geführt, sodass diese Durchkontaktierungen keine Absätze, Knicke oder Stufen aufzuweisen brauchen.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform befindet sich die elektrische Durchkontaktierung für die Anschlussfläche für die Versorgungsspannung der Halbleiterlaserdiode in einem Zentralbereich des Substrats. Der Zentralbereich wird ringsum von einem Randbereich umgeben.

Der Zentralbereich nimmt beispielsweise die innersten 70 % oder 80 % einer Fläche des Substrats ein, gesehen in Draufsicht auf die Bestückungsseite. Der Randbereich kann eine gleichmäßige Breite aufweisen, sodass der Randbereich als gleichmäßig breiter Rahmen den Zentralbereich ringsum in einer geschlossenen Bahn umlaufen kann. Die Unterteilung in den Zentralbereich und in den Randbereich kann hierbei fiktiv sein, sodass diese Unterteilung mit keinen gegenständlichen Merkmalen am Substrat, wie einer Trennlinie auf der Bestückungsseite, verbunden zu sein braucht.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die zumindest eine Durchkontaktierung für die Anschlussfläche für die Versorgungsspannung, die bis an die zweite oder an die erste Isolierlage reicht, zwischen den Trägerlagen je von zumindest einer Abschirmleiterbahn umgeben. Die Abschirmleiterbahnen sind bevorzugt mit zumindest einer elektrischen Anschlussfläche an der Montageseite für einen Erdanschluss verbunden. Mit anderen Worten wirken die Abschirmleiterbahnen zwischen den Substratlagen ähnlich einer Abschirmung in einem Koaxialkabel. Hierdurch lassen sich Hochfrequenzabstrahlungen der Durchkontaktierung reduzieren.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind mindestens drei oder mindestens vier Durchkontaktierungen und/oder höchstens 16 oder höchstens acht Durchkontaktierungen für die Anschlussfläche für die Versorgungsspannung der Halbleiterlaserdiode vorhanden. Das heißt, es liegt eine vergleichsweise geringe Anzahl an Durchkontaktierungen für diese Versorgungsspannung vor.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform befindet sich die mindestens eine Durchkontaktierung für die Versorgungsspannung der Halbleiterlaserdiode in Draufsicht auf die Bestückungsseite gesehen unter einem Anschlussbereich für den Ansteuerchip. Das heißt, wenn der Ansteuerchip auf dem Substrat angebracht ist, überdeckt der Ansteuerchip die zumindest eine entsprechende Durchkontaktierung. In Draufsicht gesehen ist diese zumindest eine Durchkontaktierung damit bevorzugt neben der Halbleiterlaserdiode und auch neben dem Laserkondensator platziert.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Substrat elektrische Kontaktflächen an der Bestückungsseite für einen weiteren Kondensator. Der weitere Kondensator dient insbesondere als Pufferkondensator für ein Schaltelement, mit dem die Halbleiterlaserdiode angeschaltet wird.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform befinden sich elektrische Leiterbahnen, die die Kontaktflächen für den weiteren Kondensator und für den Ansteuerchip elektrisch miteinander verschalten, einerseits zwischen der ersten Isolierlage und der zweiten Isolierlage und andererseits zwischen der zweiten Isolierlage und der dritten Substratlage, welche bevorzugt eine Isolierlage ist. Es ist möglich, dass die Leiterbahnen zur elektrischen Verschaltung dieser Kontaktflächen auf den Bereich zwischen der ersten und der zweiten Isolierlage sowie zwischen der zweiten und der dritten Substratlage beschränkt sind.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform verlaufen die Leiterbahnen, die die Kontaktflächen für den weiteren Kondensator und für den Ansteuerchip elektrisch miteinander verschalten, in Draufsicht auf die Bestückungsseite gesehen teilweise oder vollständig übereinander. Durch diese möglichst deckungsgleiche Anordnung der betreffenden Leiterbahnen lassen sich parasitäre Induktivitäten reduzieren.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform befinden sich elektrische Durchkontaktierungen für die elektrischen Kontaktflächen für den weiteren Kondensator in Draufsicht auf die Bestückungsseite gesehen in dem Randbereich des Substrats. Gleiches gilt bevorzugt für die zugeordneten elektrischen Anschlussflächen an der Montageseite. Das heißt, im Gegensatz zu den elektrischen Durchkontaktierungen für die Versorgungsspannung für die Halbleiterlaserdiode sind die elektrischen Anschlüsse für den weiteren Kondensator am Rand des Substrats angeordnet.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Trägerlagen einerseits und die Isolierlagen andererseits blockweise angeordnet. Das heißt, zwischen den Trägerlagen befindet sich keine der Isolierlagen und zwischen den Isolierlagen befindet sich keine der Trägerlagen.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind zwei oder drei oder vier oder fünf der Isolierlagen vorhanden. Bevorzugt liegen genau zwei oder genau drei Isolierlagen vor, insbesondere drei Isolierlagen.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind mindestens drei oder fünf der Trägerlagen vorhanden. Alternativ oder zusätzlich liegt die Anzahl der Trägerlagen bei höchstens 20 oder 12 oder acht.

Beispielsweise sind insgesamt mindestens vier oder mindestens fünf oder mindestens sieben Substratlagen vorhanden. Alternativ oder zusätzlich liegt die Gesamtzahl der Substratlagen bei höchstens 25 oder 18 oder 12. Dabei sind bevorzugt mehr Trägerlagen als Isolierlagen vorhanden.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform dient das Substrat zur Reduzierung einer Größe von Leiterschleifen. Das heißt, aufgrund der geringen Dicke der Isolierlagen, relativ zu den Trägerlagen, ist eine Größe von Leiterschleifen, definiert durch die Leiterbahnen und die zugehörigen elektrischen Durchkontaktierungen, und damit eine Größe von Induktivitäten gegenüber einem Substrat mit Substratlagen einer einheitlichen Dicke reduziert. Dies gilt insbesondere für die elektrische Verschaltung des weiteren Kondensators und alternativ oder zusätzlich für die elektrische Verschaltung der Halbleiterlaserdiode selbst.

Darüber hinaus wird ein Halbleiterlaser angegeben. Der Halbleiterlaser beinhaltet ein Substrat, wie in Verbindung mit einer oder mehreren der oben genannten Ausführungsformen angegeben. Merkmale des Halbleiterlasers sind daher auch für das Substrat offenbart und umgekehrt.

In mindestens einer Ausführungsform umfasst der Halbleiterlaser ein Substrat. Weiterhin umfasst der Halbleiterlaser eine Halbleiterlaserdiode, die elektrisch mit den zugeordneten Kontaktflächen verbunden ist, beispielsweise indirekt etwa über Bonddrähte oder direkt etwa über Löten. Außerdem umfasst der Halbleiterlaser einen Laserkondensator an und/oder auf den zugeordneten Kontaktflächen. Ferner ist ein Ansteuerchip, insbesondere ein IC, an und/oder auf den zugeordneten Kontaktflächen vorhanden.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Halbleiterlaser oberflächenmontierbar. Insbesondere ist der Halbleiterlaser einzig über die Montageseite elektrisch und gleichzeitig auch mechanisch sowie thermisch anbringbar.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Halbleiterlaser außerdem den weiteren Kondensator. Der weitere Kondensator ist auf den zugeordneten Kontaktflächen an der Bestückungsseite angebracht.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform befindet sich der weitere Kondensator, der insbesondere als Pufferkondensator für ein Schaltelement des Ansteuerchips hin zur Halbleiterlaserdiode eingerichtet ist, in Draufsicht gesehen direkt neben dem Ansteuerchip. Es ist möglich, dass sich der weitere Kondensator auch unmittelbar neben elektrischen Kontaktflächen, die der Halbleiterlaserdiode zugeordnet sind, befindet. Hierdurch können in Draufsicht gesehen geometrische Abstände zwischen dem weiteren Kondensator und dem Ansteuerchip sowie zwischen dem weiteren Kondensator und der Halbleiterlaserdiode minimiert werden.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegen die Kontaktflächen der Halbleiterlaserdiode in Draufsicht auf die Bestückungsseite gesehen neben einem Anschlussbereich der Halbleiterlaserdiode. Das heißt, die Halbleiterlaserdiode ist für eine effiziente thermische Kontaktierung bevorzugt ganzflächig an dem Anschlussbereich angebracht, insbesondere angelötet, wobei der Anschlussbereich keine weitergehende elektrische Funktion aufzuweisen braucht.

Eine elektrische Kontaktierung der Halbleiterlaserdiode erfolgt dann bevorzugt sowohl anodenseitig als auch kathodenseitig über Bonddrähte, die zu den jeweils zugeordneten Kontaktflächen führen. Alternativ zu einer Halbleiterlaserdiode, die sowohl anodenseitig als auch kathodenseitig über elektrisch leitfähige Bonddrähte kontaktiert ist, kann die Halbleiterlaserdiode anodenseitig oder kathodenseitig insbesondere ganzflächig angelötet sein und/oder die Halbleiterlaserdiode ist bonddrahtfrei mittels mehrerer elektrischer Kontaktflächen, die der Bestückungsseite zugewandt sind, montiert.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Halbleiterlaser außerdem eine Abdeckung. Die Abdeckung ist an dem Substrat befestigt, beispielsweise geklebt. Die Abdeckung ist bevorzugt aus einem elektrisch isolierenden Material wie einem Kunststoff oder einer Keramik.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird eine Laserstrahlung von der Halbleiterlaserdiode im Betrieb in Richtung weg von dem Substrat durch die Abdeckung hindurch abgestrahlt, insbesondere durch ein Fenster der Abdeckung hindurch. Dabei kann die Laserstrahlung unmittelbar von der Halbleiterlaserdiode in diese Richtung emittiert werden oder es befindet sich eine Umlenkoptik zwischen der Halbleiterlaserdiode und der Abdeckung, bezogen auf einen Strahlengang der Laserstrahlung.

Insbesondere ist die Halbleiterlaserdiode eine einkanalige oder eine mehrkanalige oberflächenemittierende Laserdiode mit einer vertikalen Kavität, englisch Vertical Cavity Surface Emitting Laser oder kurz VCSEL.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform beträgt ein Abstand zwischen der Halbleiterlaserdiode und dem Laserkondensator und/oder ein Abstand zwischen der Halbleiterlaserdiode und dem Ansteuerchip höchstens 0,2 mm, insbesondere höchstens 150 µm oder 100 µm. Durch derart kleine Abstände lassen sich die Längen von Strompfaden reduzieren.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Halbleiterlaser für große Stromstärken zum Bestromen der Halbleiterlaserdiode eingerichtet. Dabei wird die Halbleiterlaserdiode bevorzugt gepulst betrieben. Insbesondere ist der Halbleiterlaser für zeitweise Stromstärken durch die Halbleiterlaserdiode hindurch von mindestens 2 A oder 3 A und/oder von höchstens 15 A oder 10 A eingerichtet.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Halbleiterlaser und insbesondere das Substrat für kleine Anstiegszeiten eines Stroms und damit einer Laseremission der Halbleiterlaserdiode eingerichtet. Beispielsweise liegt die Anstiegszeit bei höchstens 2 ns oder 1 ns oder 0,5 ns. Die Anstiegszeit ist beispielsweise eine 10-90-Zeit, also eine Zeit, innerhalb der der Strom von 10 % auf 90 % einer maximalen Stromstärke ansteigt.

Der hier beschriebene Halbleiterlaser ist beispielsweise für Abstandsmessungen mittels einer Laufzeitbestimmung, englisch Time of Flight oder kurz ToF, eingerichtet. Eine Wellenlänge der vom Halbleiterlaser im Betrieb emittierten Laserstrahlung liegt bevorzugt im nahinfraroten Spektralbereich, insbesondere bei mindestens 850 nm und/oder bei höchstens 1,6 µm.

Nachfolgend werden ein hier beschriebenes Substrat und ein hier beschriebener Halbleiterlaser unter Bezugnahme auf die Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen geben dabei gleiche Elemente in den einzelnen Figuren an. Es sind dabei jedoch keine maßstäblichen Bezüge dargestellt, vielmehr können einzelne Elemente zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.

Es zeigen:

• 1 und 2 schematische perspektivische Darstellungen eines Ausführungsbeispiels eines hier beschriebenen Halbleiterlasers mit einem hier beschriebenen Substrat,
• 3, 6 und 10 schematische Schaltdiagramme des Halbleiterlasers aus 2,
• 4, 7 und 11 schematische Seitenansichten des Halbleiterlasers der 2, und
• 5, 8 und 9 schematische perspektivische Darstellungen mit zeichnerisch transparentem Substrat des Halbleiterlasers aus 2 mit Fokus auf verschiedene elektrische Aspekte.

In den 1 bis 11 ist ein Ausführungsbeispiel eines Halbleiterlasers 2 in verschiedenen Darstellungen illustriert. Die 1 und 2 beziehen sich auf den Halbleiterlaser 2 insgesamt und in den 3 bis 11 sind verschiedene elektrische Aspekte hervorgehoben, die einzeln oder bevorzugt kumulativ in hier beschriebenen Halbleiterlasern verwirklicht sind.

In der dreidimensionalen Darstellung des Halbleiterlasers 2 gemäß 1 ist zu erkennen, dass der Halbleiterlaser 2 ein Substrat 1 aufweist. Das Substrat 1 umfasst eine Vielzahl von Substratlagen 4. Die Substratlagen 4 sind in Isolierlagen 41, 42, 43 einerseits und in Trägerlagen 44..50 andererseits unterteilt. Die Isolierlagen 41, 42, 43 sind möglichst dünn gestaltet und die Trägerlagen 44..50 dienen für eine mechanische Stabilisierung des Substrats 1 und damit des Halbleiterlasers 2.

Außerdem umfasst der Halbleiterlaser 2 eine Abdeckung 8. Die Abdeckung 8 ist beispielsweise aus einem Kunststoff. Optional ist die Abdeckung 8 mit einem Kleber 81 an dem Substrat 1 angebracht. Die Abdeckung 8 umfasst bevorzugt ein Fenster 82, beispielsweise aus einem Glas, aus Kunststoff oder auch aus einem für eine Laserstrahlung L durchlässigen Material wie Saphir. Im Betrieb des Halbleiterlasers 2 wird die Laserstrahlung L bevorzugt in Richtung weg von dem Substrat 1 durch das Fenster 82 hindurch emittiert.

In den nachfolgenden Figuren ist die Abdeckung 8 zur Vereinfachung der Darstellung jeweils nicht gezeichnet.

In 2 ist zu erkennen, dass auf einer obersten Substratlage, die durch eine erste Isolierlage 41 gebildet ist, eine Bestückungsseite 3 definiert ist. An der Bestückungsseite 3 befinden sich elektrische Kontaktflächen 33 sowie zumindest ein Anschlussbereich 35. Es ist möglich, dass der Anschlussbereich 35 im Gegensatz zu den Kontaktflächen 33 keine weitergehende elektrische Funktion aufweist.

An den Kontaktflächen 33 auf der Bestückungsseite 3 sind ein Ansteuerchip 63 sowie ein weiterer Kondensator 64 angebracht. Auf dem Anschlussbereich 35 befindet sich eine Halbleiterlaserdiode 61, neben der ein Laserkondensator 62 auf zugeordneten Kontaktflächen 33 angebracht ist. Optional umfasst der Halbleiterlaser 2 außerdem eine Fotodiode 65, beispielsweise für Diagnosezwecke und/oder für eine Ansteuerung der Halbleiterlaserdiode 61.

Die Halbleiterlaserdiode 61 und optional die Fotodiode 65 sind zum Beispiel über Bonddrähte 66 elektrisch kontaktiert. Die anderen Komponenten 62, 63, 64 sind bevorzugt bonddrahtfrei elektrisch kontaktiert, sodass diese Komponenten 62, 63, 64 oberflächenmontierbar sein können.

Abweichend von der beispielhaften Darstellung des Halbleiterlasers 2 können auch andere Anzahlen an Isolierlagen und Trägerlagen vorhanden sein. Beispielsweise sind lediglich zwei Isolierlagen und zumindest drei Trägerlagen vorhanden.

Beispielsweise beträgt eine Höhe des Substrats 1 in Richtung senkrecht zur Bestückungsseite 3 mindestens 1 mm oder 2 mm und/oder höchstens 5 mm oder 3 mm, beispielsweise ungefähr 2,3 mm. Eine Breite des Substrats 1 liegt beispielsweise bei mindestens 1,5 mm oder 2,5 mm und/oder höchstens 8 mm oder 5 mm, zum Beispiel bei ungefähr 3,5 mm. Eine Länge des Substrats 1 beträgt beispielsweise mindestens 2 mm oder 3,5 mm und/oder höchstens 10 mm oder 8 mm, beispielsweise ungefähr 5,4 mm. Eine Dicke der Isolierlagen 41, 42, 43 liegt zum Beispiel bei ungefähr 100 µm, wohingegen die Trägerlagen 44..50 beispielsweise eine Dicke von ungefähr 350 µm aufweisen. Die vorgenannten Werte können einzeln oder kumulativ für alle Ausführungsbeispiele des Substrats 1 und des Halbleiterlasers 2 gelten.

In 3 ist schematisch die elektrische Verschaltung der Komponenten 61, 62, 63, 64 illustriert. Diese Komponenten sind dabei über elektrische Leiterbahnen 51 sowie über in 3 nicht explizit gezeichnete elektrische Durchkontaktierungen 52 miteinander verbunden.

An einer der Bestückungsseite 3 gegenüberliegenden Montageseite 7, siehe auch 4, befinden sich mehrere elektrische Anschlussflächen 34 zur externen elektrischen Kontaktierung des Halbleiterlasers 2 und damit des Substrats 1. Die Anschlussflächen 34 befinden sich im Beispiel der 4 an der zehnten Substratlage 4, die der angewendeten Zählung nach gleich der zehnten Trägerlage 50 ist.

Es sind elektrische Anschlussflächen 34 für eine Versorgungsspannung VLD für die Halbleiterlaserdiode 61, für eine Versorgungsspannung VCC für den weiteren Kondensator 64, für Erdanschlüsse GND sowie für einen Triggeranschluss EN vorhanden. Optional können weitere, nicht explizit gezeichnete Anschlussflächen 34 vorhanden sein, beispielsweise zu Diagnosezwecken zum Auslesen der optionalen Fotodiode 65, in 3 nicht gezeichnet.

Der Ansteuerchip 63 umfasst bevorzugt einen Treiber 67 für ein Schaltelement 68. Der Treiber 67 ist beispielsweise ein Operationsverstärker. Das Schaltelement 68 ist bevorzugt ein Transistor, insbesondere ein MOSFET.

In den 3 und 4 ist besonderes Augenmerk auf einen Strompfad beim Anschalten der Halbleiterlaserdiode 61 und damit beim Aktivieren des Schaltelements 68 gelegt. Hierbei wird der weitere Kondensator 64, der als Pufferkondensator dient, verwendet. Die relevanten Strompfade sind dabei hervorgehoben.

Durch ein Triggersignal an dem Anschluss EN wird der Halbleiterlaser 2 angeschaltet. Dabei zieht der Treiber 67 signifikant Strom, um ein Gate des Schaltelements 67 innerhalb weniger 10 ps zu laden. Serienwiderstände und Induktivitäten zwischen einer Spannungsversorgung des Treibers 67 und einer Stromquelle können einen signifikanten Spannungsabfall von wenigen 100 mV an den Anschlussflächen 34 für die zugehörige Versorgungsspannung VCC des weiteren Kondensators 64 bewirken. Dies kann Probleme mit der elektromagnetischen Kompatibilität des Halbleiterlasers 2 verursachen.

In den 4 und 5 ist die zugehörige Verschaltung des weiteren Kondensators 64 innerhalb des Substrats 1 hervorgehoben. Das heißt, in der schematischen Seitenansicht der 4 und der dreidimensionalen Darstellung der 5 ist die Stromführung, wie im Schaltbild der 3 hervorgehoben, verdeutlicht.

Die zugeordneten elektrischen Leiterbahnen 51a, 51b verlaufen zwischen der ersten Isolierlage 41 und der zweiten Isolierlage 42 sowie zwischen der zweiten Isolierlage 42 und der dritten Isolierlage 43. In Draufsicht auf die Bestückungsseite 3 gesehen verlaufen diese Leiterbahnen 51a, 51b möglichst deckungsgleich, um geringe parasitäre Induktivitäten zu gewährleisten.

Die elektrischen Durchkontaktierungen 52 für den weiteren Kondensator 64 liegen in einem Randbereich des Substrats 1, in Draufsicht auf die Bestückungsseite gesehen. Gleiches gilt bevorzugt auch für den weiteren Kondensator 64 selbst.

Die zugehörigen Durchkontaktierungen 52 verlaufen bevorzugt teilweise oder vollständig neben dem Ansteuerchip 63, insbesondere unter dem weiteren Kondensator 64. Weitere Durchkontaktierungen 52 sind vorhanden, um eine Verschaltung zwischen den Leiterbahnen 51a, 51b in den verschiedenen Ebenen und den Durchkontaktierungen 52 von den Anschlussflächen 34 her sowie hin zum weiteren Kondensator 64 und zum Ansteuerchip 63 zu schaffen.

Somit ist eine Führung einer Versorgungsspannung des Ansteuerchips 3 im Wesentlichen zwischen den Isolierlagen 41, 42, 43 realisiert, wobei ein direkter Überlapp zwischen den Leiterbahnen 51a, 51b für VCC und GND vorliegt, um möglichst geringe Induktivitäten zu erzielen.

Das Substrat 1 weist somit bevorzugt einen Leistungsteil für die Halbleiterlaserdiode 61 mit dünnen Keramiklagen in Form der Isolierlagen 41, 42, 43 auf. Das übrige Substrat 1 stellt einen Signalteil mit dickeren Keramiklagen in Form der Trägerlagen 44..50 dar.

Ein typischer Betriebsstrom für den gepulst betriebenen Halbleiterlaser 2 liegt beispielsweise im Bereich von 3,5 A bis 4 A, wobei eine Anstiegszeit im Bereich um 0,5 ns liegt. Eine Kapazität des Laserkondensators 62 liegt beispielsweise im Bereich um 1 µF. Eine Dicke der elektrischen Leiterbahnen zwischen den Substratlagen 4 beträgt beispielsweise mindestens 10 µm oder 15 µm und/oder höchstens 50 µm oder 30 µm. Ein Durchmesser der Durchkontaktierungen 52 liegt beispielsweise bei mindestens 50 µm und/oder bei höchstens 0,2 mm, beispielsweise bei ungefähr 100 µm. ein Abstand zwischen benachbarten Leiterbahnen und/oder Durchkontaktierungen in dem Substrat 1 liegt bevorzugt bei mindestens 50 µm oder 0,1 mm, um elektrische Kurzschlüsse zu vermeiden. Die vorgenannten Werte können einzeln oder kumulativ für alle Ausführungsbeispiele des Halbleiterlasers 2 und des Substrats 1 gelten.

In den 6 bis 9 ist ein weiterer Aspekt des hier beschriebenen Halbleiterlasers 2 illustriert. Wenn der Halbleiterlaser 2 angeschaltet wird, fließen Stromimpulse von mehreren Ampere von der Versorgungsspannung VLD durch den Laser, durch den Ansteuerchip 3 und zurück zum Erdanschluss GND, siehe den in 6 hervorgehobenen Strompfad.

Ein Bereich zwischen diesen Komponenten an der Bestückungsseite 3 des Substrats 1 hin zu den Anschlussflächen 34 an der Montageseite 7 kann als Antenne wirken und Radiostrahlung emittieren, siehe 7. Dies kann wiederum Probleme mit der elektromagnetischen Kompatibilität des Halbleiterlasers 2 verursachen.

Insbesondere aus 8 ist zu erkennen, dass die Durchkontaktierungen 52 für die Versorgungsspannung VLD in Draufsicht auf die Bestückungsseite 3 gesehen in einem Zentralbereich des Substrats 1 angeordnet sind. Mit anderen Worten verlaufen diese Durchkontaktierungen 52 bevorzugt mittig durch das Substrat 1. Diese Durchkontaktierungen 52 reichen mindestens bis an die zweite Isolierlage 42 heran und können auch teilweise bis an die Kontaktflächen 33 für den Ansteuerchip 63 geführt sein.

Insbesondere in 9 ist zu erkennen, dass elektrische Leiterbahnen 51b,..51e zwischen den weiter von der Bestückungsseite 3 entfernt liegenden Substratlagen 4 als Abschirmleiterbahnen 53 gestaltet sind, die mit GND verbunden sind und in Draufsicht auf die Bestückungsseite 3 gesehen die Durchkontaktierungen 52 für VLD ringsum umlaufen. Hierdurch ist eine effiziente Abschirmung der Durchkontaktierungen 52 für VLD gewährleistet. Somit erfolgt eine signifikant reduzierte Radiofrequenzabstrahlung.

Dabei können mehrere Anschlussflächen 34 für GND vorhanden sein, die zum Beispiel an zwei Seiten der genau einen Anschlussfläche 34 für VLD liegen. Die Anschlussflächen 34 für VLD und GND können ringsum von kleineren Anschlussflächen 34 für VCC, EN, weiteren GND sowie für nicht explizit gezeichnete Steuersignale oder Diagnosedaten umgeben sein, siehe 8.

In den 10 und 11 ist ein weiterer Aspekt des hier beschriebenen Substrats 1 gezeigt. Wenn die Halbleiterlaserdiode 61 angeschaltet wird, limitieren ein Serienwiderstand und eine Induktivität zwischen der Stromversorgung und der Halbleiterlaserdiode 61 eine Anstiegszeit des Stroms auf typischerweise einige 10 ns. Daher wird der Laserkondensator 62 verwendet, um den notwendigen Strom bereitzustellen, um die Laseremission im Sub-Nanosekundenbereich aufzubauen.

Mit dem hier beschriebenen Substrat 1 wird eine Induktivität, verursacht durch eine Leiterschleife, in dem hervorgehobenen Strompfad minimiert. Dies ist insbesondere dadurch erreicht, dass dieser Strompfad beiderseits der zweiten Isolierlage 42 geführt wird, sodass lediglich die Dicke der zweiten Isolierlage 42 im Querschnitt gesehen zur Größe der Leiterschleife beiträgt. Durch die geringe Dicke der Isolierlagen 41, 42, 43 ist somit die Anstiegszeit der Laseremission reduzierbar.

Kurz zusammengefasst lassen sich mit dem hier beschriebenen Substrat 1 des Halbleiterlasers 2 insbesondere die folgenden drei Aspekte adressieren:

• - Es lassen sich geringe Induktivitäten bei der Ansteuerung des Schaltelements 67 im Bereich des weiteren Kondensators 64 erzielen, da die zugehörigen elektrischen Leitungen nahe beieinander und ungefähr deckungsgleich verlaufen können, siehe die 3 bis 5.
• - Eine Radiofrequenzabstrahlung lässt sich dadurch reduzieren, dass Durchkontaktierungen für die Versorgungsspannung VLD mittig durch das Substrat 1 verlaufen und über die Abschirmleiterbahnen 53 lateral abgeschirmt sind, siehe die 6 bis 9.
• - Eine kleine Anstiegszeit einer Laseremission lässt sich dadurch erreichen, dass Strompfade zwischen dem Laserkondensator 62 und der Halbleiterlaserdiode 61 im Querschnitt gesehen geringe Induktivitäten aufweisen, siehe die 10 und 11.

Die in den Figuren gezeigten Komponenten folgen bevorzugt in der angegebenen Reihenfolge aufeinander, insbesondere unmittelbar aufeinander, sofern nichts anderes beschrieben ist. Sich in den Figuren nicht berührende Komponenten weisen bevorzugt einen Abstand zueinander auf. Sofern Linien parallel zueinander gezeichnet sind, sind die zugeordneten Flächen bevorzugt ebenso parallel zueinander ausgerichtet. Außerdem sind die relativen Positionen der gezeichneten Komponenten zueinander in den Figuren korrekt wiedergegeben, falls nichts anderes beschrieben ist.

Die hier beschriebene Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.

1

Substrat

2

Halbleiterlaser

3

Bestückungsseite

33

elektrischen Kontaktfläche

34

elektrische Anschlussfläche

35

elektrischer Anschlussbereich

4

Substratlage

41..43

Isolierlagen

44..50

Trägerlagen

51

elektrische Leiterbahn zwischen den Substratlagen

52

elektrische Durchkontaktierung

53

Abschirmleiterbahn

61

Halbleiterlaserdiode

62

Laserkondensator

63

Ansteuerchip

64

weiterer Kondensator

65

Fotodiode

66

Bonddraht

67

Treiber für das Schaltelement

68

Schaltelement

7

Montageseite

8

Abdeckung

81

Kleber

82

Fenster

EN

Triggeranschluss

GND

Erdanschluss (Ground)

L

Laserstrahlung

VCC

Anschluss für die Versorgungsspannung für den weiteren Kondensator

VLD

Anschluss für die Versorgungsspannung für die Halbleiterlaserdiode

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• US 2019/0312407 A1