DE102017108050A1

DE102017108050A1 - Halbleiterstrahlungsquelle

Info

Publication number: DE102017108050A1
Application number: DE102017108050.3A
Authority: DE
Inventors: Andreas Wojcik; Hubert Halbritter; Josip Maric
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2017-04-13
Filing date: 2017-04-13
Publication date: 2018-10-18
Anticipated expiration: 2037-04-14
Also published as: US20210288464A1; US11552449B2; DE102017108050B4; WO2018188910A1; US11070025B2; US20200036156A1; CN110506332B; CN110506332A

Abstract

In einer Ausführungsform umfasst die Halbleiterstrahlungsquelle (1) einen Halbleiterchip (2) zur Strahlungserzeugung sowie einen Kondensatorkörper (3). Der Halbleiterchip (2) und der Kondensatorkörper (3) sind übereinander gestapelt angeordnet. Ferner ist der Halbleiterchip (2) flächig und direkt elektrisch mit dem Kondensatorkörper (3) verbunden.

Description

Es wird eine Halbleiterstrahlungsquelle angegeben.
Eine zu lösende Aufgabe liegt darin, eine Halbleiterstrahlungsquelle anzugeben, die effizient mit hohen Strömen gepulst betreibbar ist.
Diese Aufgabe wird unter anderem durch eine Halbleiterstrahlungsquelle mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Halbleiterstrahlungsquelle einen oder mehrere Halbleiterchips. Der mindestens eine Halbleiterchip ist zur Strahlungserzeugung eingerichtet. Das heißt, die im Betrieb der Halbleiterstrahlungsquelle emittierte Strahlung wird von dem mindestens einen Halbleiterchip generiert. Bei dem Halbleiterchip handelt es sich bevorzugt um einen Halbleiterlaserchip, wie einen kantenemittierenden Halbleiterlaser oder einen oberflächenemittierenden Halbleiterlaser, beispielsweise einen oberflächenemittierenden Laser mit einer vertikalen Resonatorstruktur, englisch vertical cavity surface emitting laser oder kurz VCSEL. Ebenso kann es sich bei dem Halbleiterchip um eine Superlumineszenzdiode handeln.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Halbleiterchip dazu eingerichtet, nahultraviolette Strahlung, sichtbares Licht oder nahinfrarote Strahlung zu erzeugen. Eine Wellenlänge maximaler Intensität der vom Halbleiterchip erzeugten Strahlung liegt beispielsweise bei mindestens 360 nm oder 400 nm oder 700 nm und/oder bei höchstens 1080 nm oder 960 nm oder 860 nm oder 485 nm. Es ist möglich, dass Strahlung aus mehreren verschiedenen Spektralbereichen emittiert wird. Beispielsweise können mehrere Halbleiterchips mit unterschiedlicher Wellenlänge maximaler Intensität in der Halbleiterstrahlungsquelle miteinander kombiniert sein. Alternativ wird bestimmungsgemäß nur eine bestimmte Wellenlänge erzeugt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Halbleiterstrahlungsquelle einen oder mehrere Kondensatorkörper. Über den mindestens einen Kondensatorkörper wird der zumindest eine Halbleiterchip elektrisch bestromt, insbesondere in einem Impulsbetrieb. Das heißt, der Kondensatorkörper ist zum elektrischen Betreiben des Halbleiterchips eingerichtet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind der Halbleiterchip und der Kondensatorkörper übereinandergestapelt angeordnet.
Sind mehrere Halbleiterchips und/oder mehrere Kondensatorkörper vorhanden, so kann eine 1:1-Zuordnung zwischen den gestapelten Halbleiterchips und den Kondensatorkörpern vorliegen, sodass nur ein Halbleiterchip und ein Kondensatorkörper übereinandergestapelt angerbracht sind. Bevorzugt liegt der Halbleiterchip oder liegen die Halbleiterchips vollständig innerhalb einer Grundfläche des Kondensatorkörpers, in Draufsicht gesehen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind der Halbleiterchip und der Kondensatorkörper flächig miteinander elektrisch verbunden. Besonders bevorzugt ist die elektrische Verbindung zwischen dem Halbleiterchip und dem Kondensatorkörper eine direkte elektrische Verbindung ohne zwischengeschaltete Komponenten. Dies bedeutet insbesondere, dass sich zwischen dem Halbleiterchip und dem Kondensatorkörper lediglich ein flächiges elektrisches Verbindungsmittel wie ein Lot oder ein elektrisch leitfähiger Kleber befindet. Besonders bevorzugt ist die elektrische Verbindung zwischen dem Halbleiterkörper und dem Kondensatorkörper bonddrahtfrei.
In mindestens einer Ausführungsform umfasst die Halbleiterstrahlungsquelle wenigstens einen Halbleiterchip zur Strahlungserzeugung sowie wenigstens einen Kondensatorkörper. Der Halbleiterchip und der zugeordnete Kondensatorkörper sind übereinander gestapelt angeordnet. Ferner ist der Halbleiterchip flächig und bevorzugt direkt elektrisch mit dem Kondensatorkörper verbunden.
Ein Problem beim Schalten von hohen Strömen in kurzer Zeit ist eine Reduktion von Induktivitäten, etwa im Strompfad zwischen einem Kondensator, einem Laser sowie einem Schaltelement wie einem Feldeffekttransistor. Mit der angegebenen Halbleiterstrahlungsquelle lässt sich die Induktivität reduzieren, sodass kleine Impulsanstiegszeiten und hohe Schaltströme ermöglicht sind.
Alternative Möglichkeiten, eine Induktivität zu reduzieren, liegt in einer möglichst nahen Platzierung von diskreten Einzelkomponenten der Halbleiterstrahlungsquelle, um Weglängen elektrischer Zuführungen zu minimieren. Teilweise kann eine Induktivitätskompensation durch das Schalten eines Kurzschlussstroms auf einen Teil der Schaltung erfolgen. Hierbei erfolgt das Kompensieren der Induktivität jedoch auf Kosten der elektrischen Leistung.
Bei der hier beschriebenen Halbleiterstrahlungsquelle werden Kondensatorkörper etwa in Form von Siliziumchips verwendet, welche auf zumindest einer Seite beispielsweise eine Metallbeschichtung etwa aus Gold aufweisen, sodass der Kondensatorkörper als duales Bauteil dienen kann. Zum einen dient der Kondensatorkörper als Montageplattform, auch als Submount bezeichnet, für den Halbleiterchip. Zum anderen dient der Kondensatorkörper als Energiespeicher für die kurzen Laserimpulse. Diese Kombination bedeutet, dass praktisch jegliche Induktivität, ansonsten etwa verursacht durch Bonddrähte oder elektrische Leitungen zwischen dem Halbleiterchip und dem Kondensatorkörper, entfällt. Dabei handelt es sich bei dem Halbleiterchip bevorzugt um einen Dünnfilm-Laserchip, bei dem ein Aufwachssubstrat entfernt wurde, wobei der Kondensatorkörper bevorzugt als Trägersubstrat für eine Halbleiterschichtenfolge des Halbleiterchips dient.
Mit der hier beschriebenen Halbleiterstrahlungsquelle lässt sich eine niedrige Gesamtinduktivität erreichen, wodurch höhere Stromstärken und/oder kürzere Strahlungsimpulse erzielbar sind, verbunden mit einer erhöhten Effizienz. Weiterhin lässt sich eine geringe Bauteilgröße realisieren. Die Halbleiterstrahlungsquelle lässt sich im Automobilbereich, etwa in Scheinwerfern, verwenden. Da für den Kondensatorkörper standardisierte Bauteile verwendet werden können, lassen sich Kosten der Halbleiterstrahlungsquelle senken. Ferner ist die Halbleiterstrahlungsquelle bevorzugt hochtemperaturtauglich, etwa in Scheinwerferanwendungen. Dies kann bedeuten, dass die Halbleiterstrahlungsquelle bei Betriebstemperaturen etwa von mindestens 180 °C oder 150 °C oder 120 °C einsetzbar ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform handelt es sich bei dem Halbleiterchip um einen Halbleiterlaserchip. Beispielsweise wird ein substratloser Halbleiterlaserchip, auch als Dünnfilm-Laserchip bezeichnet, verwendet. Damit ist der Halbleiterchip bevorzugt frei von einem Aufwachssubstrat einer Halbleiterschichtenfolge, in der sich eine aktive Zone zur Erzeugung der Strahlung befindet. Der Kondensatorkörper kann als mechanischer Träger des Halbleiterchips fungieren, sodass der Halbleiterchip ohne den Kondensatorkörper mechanisch nicht selbsttragend ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Kondensatorkörper eine größere Grundfläche auf als der Halbleiterchip. Alternativ können der Kondensatorchip und der Halbleiterchip die gleiche Grundfläche aufweisen. Gleiche Grundfläche bedeutet insbesondere, dass der Halbleiterchip und der Kondensatorchip in Draufsicht gesehen deckungsgleich sind. Abweichend hiervon können der Halbleiterchip und der Kondensatorkörper auch nicht deckungsgleich sein, sodass insbesondere der Kondensatorkörper in Draufsicht gesehen den Halbleiterchip an einer oder an mehreren Seiten überragt. Bevorzugt befindet sich der Halbleiterchip vollständig auf dem Kondensatorkörper, sodass der Halbleiterchip den Kondensatorkörper seitlich nicht überragt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform beträgt die Größe einer elektrischen Kontaktfläche zwischen dem Halbleiterchip und dem Kondensatorkörper mindestens 35 % oder 50 % oder 70 % oder 90 % der Grundfläche des Kondensatorkörpers. Mit anderen Worten erfolgt eine ganzflächige oder nahezu ganzflächige elektrische Kontaktierung zwischen dem Kondensatorkörper und dem Halbleiterchip.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die elektrische Kontaktfläche zwischen dem Halbleiterchip und dem Kondensatorkörper eine Größe von mindestens 60 % oder 80 % oder 95 % einer Basisfläche des Halbleiterchips auf. Bei der Basisfläche handelt es sich insbesondere um die Fläche des Halbleiterchips in Draufsicht gesehen. Das heißt, der Halbleiterchip kann über die gesamte oder nahezu über die gesamte Basisfläche elektrisch Kontaktiert sein. Insbesondere ist die Basisfläche eine Hauptseite, also eine größte Seite des Halbleiterchips. Beispielsweise ist der Halbleiterchip quaderförmig oder näherungsweise quaderförmig geformt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen der Halbleiterchip und der Kondensatorkörper in Draufsicht gesehen mit einer Toleranz von höchstens 5 % oder 10 % oder 20 % entlang von Hauptrichtungen oder entlang jeder Richtung gleiche laterale Abmessungen auf. Das heißt, der Halbleiterchip und der Kondensatorkörper können in Draufsicht gesehen gleich oder näherungsweise gleich groß sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist eine Hauptemissionsrichtung des Halbleiterchips parallel zur Basisfläche des Halbleiterchips und/oder zur Grundfläche des Kondensatorkörpers und/oder zur elektrischen Kontaktfläche zwischen dem Halbleiterchip und dem Kondensatorkörper ausgerichtet. Alternativ ist die Hauptemissionsrichtung senkrecht zur Basisfläche und/oder zur Grundfläche und/oder zur elektrischen Kontaktfläche orientiert. Die Begriffe „senkrecht“ und „parallel“ beziehen sich dabei auf Winkel von 90° und 0° relativ zueinander, insbesondere mit einer Toleranz von höchstens 5° oder 10° oder 15°.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Halbleiterstrahlungsquelle eine oder mehrere Ansteuereinheiten. Die mindestens eine Ansteuereinheit umfasst ein Schaltelement oder umfasst mehrere Schaltelemente zum gepulsten Betrieb des Halbleiterchips. Bei den Schaltelementen handelt es sich etwa um Feldeffekttransistoren. Zusätzlich zu dem zumindest einen Schaltelement kann die Ansteuereinheit einen integrierten Schaltkreis, insbesondere einen anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis, kurz ASIC, enthalten. Die Ansteuereinheit kann auch eine Speichereinheit und/oder eine Identifikationseinheit umfassen. Sind mehrere Halbleiterchips oder mehrere Emitterbereiche zur Erzeugung insbesondere von Laserstrahlung vorhanden, so kann jedem Halbleiterchip und/oder jeder Emittereinheit ein separates Schaltelement oder mehrere separate Schaltelemente zugeordnet sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Ansteuereinheit elektrisch mit einer dem Kondensatorkörper gegenüberliegenden Seite des Halbleiterchips verbunden. Diese Verbindung kann durch eine oder mehrere Leiterbahnen oder durch einen oder mehrere Bonddrähte erfolgen. Das heißt, zwischen dem Halbleiterchip und der Ansteuereinheit liegt nicht notwendigerweise eine flächige elektrische Verbindung vor.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Ansteuereinheit und der Kondensatorkörper nebeneinander auf einem gemeinsamen Träger angeordnet. In diesem Fall überlappen die Ansteuereinheit und der Kondensatorkörper in Draufsicht gesehen einander bevorzugt nicht.
Gemäß zumindest einer bevorzugten Ausführungsform sind die Ansteuereinheit, der Kondensator und der Halbleiterchip übereinander gestapelt angeordnet. Dabei können diese drei Komponenten unmittelbar übereinander gestapelt sein, sodass sich zwischen diesen Komponenten lediglich Verbindungsmittel wie Lote oder Kleber befinden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform befindet sich der Kondensatorkörper zwischen der Ansteuereinheit und dem Halbleiterchip. Alternativ kann sich der Halbleiterchip zwischen der Ansteuereinheit und dem Kondensatorkörper befinden. Die genannten Komponenten können jeweils flächig elektrisch direkt miteinander verbunden sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Halbleiterchip als Stegwellenleiter-Laser gestaltet. Der Halbleiterchip umfasst dann einen Stegwellenleiter, englisch ridge waveguide.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform befindet sich der Stegwellenleiter an einer dem Kondensatorkörper abgewandten Seite des Halbleiterchips. Somit kann sich zwischen dem Stegwellenleiter und dem Kondensatorkörper eine Halbleiterschichtenfolge durchgängig über den Halbleiterchip hinweg erstrecken. Damit ist eine effiziente Bestromung der Halbleiterschichtenfolge direkt über den Kondensator an dieser Seite des Halbleiterchips ermöglicht. Der Stegwellenleiter befindet sich beispielsweise in einer p-leitenden Seite des Halbleiterchips, sodass eine n-leitende Seite des Halbleiterchips dem Kondensatorkörper zugewandt sein kann und optional direkt elektrisch mit dem Kondensatorkörper verbunden ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform handelt es sich bei dem Kondensatorkörper um einen Chip. Insbesondere ist der Kondensatorkörper als monolithischer, bestimmungsgemäß nicht in Subkomponenten unterteilbarer Körper gestaltet. Insbesondere basiert der Kondensatorkörper auf Silizium.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der der Kondensatorkörper aus mehreren elektrisch parallel geschalteten Einzelkondensatoren zusammengesetzt. Die jeweiligen Einzelkondensatoren können durch monolithisch integrierte Schaltungen in einem Chip, wiederum etwa auf Silizium basierend, gefertigt sein. Es ist möglich, dass jede der Einzelkondensatoren einen separaten elektrischen Anschluss an Außenflächen des Kondensatorkörpers aufweist. Alternativ können elektrische Zuleitungen zu den Einzelkondensatoren an Außenflächen des Kondensatorkörpers zusammengefasst sein. Sind mehrere Halbleiterchips zur Strahlungserzeugung vorhanden, so kann jedem Halbleiterchip oder jedem Emitterbereich einer der Einzelkondensatoren zugeordnet sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die direkte, flächige elektrische Verbindungsleitung oder Verbindung zwischen dem Halbleiterchip und dem Kondensatorkörper und/oder zwischen dem Halbleiterchip und der Ansteuereinheit und/oder zwischen der Ansteuereinheit und dem Kondensatorkörper nur eine vernachlässigbare Induktivität auf. Beispielsweise liegt diese Induktivität der Verbindungsleitung oder der elektrischen Verbindung bei höchstens 100 pH oder 50 pH oder 10 pH. Damit ist eine Induktivität der Verbindungsleitung oder der elektrischen Verbindung signifikant geringer als bei einem Bonddraht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Kondensatorkörper und/oder die Einzelkondensatoren eine Kapazität von mindestens 10 nF oder 20 nF oder 50 nF auf. Das heißt, der Kondensatorkörper weist eine vergleichsweise große Kapazität auf.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Halbleiterstrahlungsquelle oberflächenmontierbar. Das heißt, elektrische Anschlussflächen zur externen elektrischen Kontaktierung der Halbleiterstrahlungsquelle liegen bevorzugt in einer gemeinsamen Ebene. Solche elektrischen Anschlussflächen sind insbesondere an dem Kondensatorkörper oder an der Ansteuereinheit oder an einem Träger der Halbleiterstrahlungsquelle angebracht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform beträgt eine Gesamtdicke des Kondensatorkörpers zusammen mit dem Halbleiterchip mindestens 0,1 mm oder 0,2 mm. Alternativ oder zusätzlich liegt diese Gesamtdicke bei höchstens 1 mm oder 0,5 mm. Alternativ oder zusätzlich betragen mittlere laterale Abmessungen des Kondensatorkörpers und/oder des Halbleiterchips, also insbesondere deren mittlere Kantenlängen in Draufsicht gesehen, mindestens 0,2 mm oder 0,4 mm und/oder höchstens 2 mm oder 1 mm oder 0,6 mm. Es ist möglich, dass der Kondensatorkörper eine größere Dicke aufweist als der Halbleiterchip. Beispielsweise übersteigt die Dicke des Kondensatorkörpers diejenige des Halbleiterchips um mindestens einen Faktor 2 oder 5.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Halbleiterstrahlungsquelle mehrere der Halbleiterchips. Alternativ ist ein einziger Halbleiterchip vorhanden, der in mehrere Emitterbereiche, die elektrisch gemeinsam oder unabhängig voneinander ansteuerbar sein können, unterteilt ist. Die Halbleiterchips oder die Emitterbereiche sind in Draufsicht gesehen bevorzugt in einem Feld regelmäßig zweidimensional angeordnet. Die Anordnung kann auf einem rechteckigen oder hexagonalen Muster beruhen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Halbleiterchips und/oder Emitterbereiche gemeinsam auf einem einzigen Kondensator angeordnet. Alternativ können Gruppen von Halbleiterchips und/oder Emittereinheiten jeweils auf einem einzigen Kondensatorkörper angebracht sein. Weiter ist es möglich, dass die Halbleiterchips auf mehreren Kondensatorkörpern verteilt angebracht sind. Dabei kann pro Halbleiterchip genau ein Kondensatorkörper vorgesehen sein und umgekehrt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Halbleiterstrahlungsquelle dazu eingerichtet, Laserimpulse oder Strahlungsimpulse mit einer kleinen mittleren Impulsdauer zu erzeugen. Beispielsweise liegt die Impulsdauer bei mindestens 0,2 ns oder 0,5 ns und/oder bei höchstens 5 ns oder 2 ns.
Speziell bei laufzeitabhängigen Anwendungen, sogenannten TOF-Anwendungen oder Time Of Flight-Anwendungen, werden immer kürzere Lichtimpulse auch in Sub-Nanosekunden-Bereich benötigt. In konventionellen diskreten Aufbauten mit Bonddrahtkontaktierung sind solche Schaltzeiten betriebsbedingt aufgrund von relativ hohen Induktivitäten, etwa korreliert mit Leiterbahnen auf einer gedruckten Leiterplatte oder mit Bonddrähten, nicht oder nur schwer möglich. Damit ist die hier beschriebene Halbleiterstrahlungsquelle für solche Anwendungen besonders geeignet.
Nachfolgend wird eine hier beschriebene Halbleiterstrahlungsquelle 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:

1A, 2A, 3, 4A, 5A, 6A, 7A, 8A und 8B schematische Schnittdarstellungen von Ausführungsbeispielen von hier beschriebenen Halbleiterstrahlungsquellen,
5B, 6B und 7B schematische Draufsichten auf Ausführungsbeispiele von hier beschriebenen Halbleiterstrahlungsquellen,
1B, 2B, 4B und 9 schematische Schaltpläne von Ausführungsbeispielen von hier beschriebenen Halbleiterstrahlungsquellen,
10 eine perspektivische Darstellung eines Beispiels eines Kondensatorkörpers für hier beschriebene Halbleiterstrahlungsquellen, und
11 eine schematische Schnittdarstellung einer Abwandlung einer Halbleiterstrahlungsquelle.

In 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer Halbleiterstrahlungsquelle 1 illustriert. Beispielsweise ist die Halbleiterstrahlungsquelle 1 zur Emission von nahinfraroter Strahlung eingerichtet.
Die Halbleiterstrahlungsquelle 1 umfasst einen Halbleiterchip 2. Beispielsweise ist der Halbleiterchip 2 ein kantenemittierender Laser. Weiterhin beinhaltet die Halbleiterstrahlungsquelle 1 eine Ansteuereinheit 4 sowie einen Kondensatorkörper 3. Der Halbleiterchip 2, der Kondensatorkörper 3 sowie die Ansteuereinheit 4 sind auf einem gemeinsamen Träger 5 angebracht. Der Träger 5 stellt die die Halbleiterstrahlungsquelle 1 tragende und mechanisch stützende Komponente dar.
Der Halbleiterchip 2 zur Strahlungserzeugung sowie der Kondensatorkörper 3 sind übereinander gestapelt auf dem Träger 5 angeordnet. Die Ansteuereinheit 4 befindet sich seitlich neben diesem Stapel. Über eine flächige Leiterbahn 55 oder eine zusammenhängende elektrische Kontaktfläche sind der Kondensatorkörper 3 sowie die Ansteuereinheit 4 elektrisch miteinander verbunden. Der Kondensatorkörper 3 und der Halbleiterchip 2 sind über eine direkte, flächige elektrische Verbindung D aneinander angeschlossen, in 1B als fett gedruckte Linie veranschaulicht. Übrige elektrische Verbindungen können durch Bonddrähte 6 realisiert sein.
Der Kondensatorkörper 3 sowie der Halbleiterchip 2 sind an eine Versorgungsspannung V und an eine Erdleitung GND angeschlossen. Ein Schaltelement 41 wie ein Feldeffekttransistor der Ansteuereinheit 4 ist zudem mit einer Signalleitung S verbunden. Die Ansteuereinheit 4 ist beispielsweise aus dem zumindest einen Schaltelement 41 und einem anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis zusammengesetzt.
Aufgrund der flächigen elektrischen Verbindung D sind der Halbleiterchip 2 sowie der Kondensatorkörper 3 praktisch induktivitätsfrei miteinander elektrisch verbunden. Hierdurch sind schnelle Impulsanstiegszeiten und hohe Ströme zum Betreiben des Halbleiterchips 2 realisierbar. Die Stromstärke beträgt beispielsweise zwischen 5 A und 35 A. Bei Anwendungen im Bereich Automotive, insbesondere LIDAR (Light Detection and Ranging), liegen die Stromstärken typischerweise im Bereich von 20 A bis 35 A, beispielsweise bei etwa 30 A. Bei anderen Time of Flight Anwendungen betragen die Stromstärken typsicherweise zwischen 5 A und 15 A, beispielsweise etwa 10 A.
Abweichend von der Darstellung in 1A ist es möglich, dass der Halbleiterchip 2 und der Kondensatorkörper 3 in einem nicht gezeichneten, gemeinsamen Gehäuse, auch als Package bezeichnet, untergebracht sind. Alternativ zu den Bonddrähten 6 können, wie auch in allen Ausführungsbeispielen, elektrische Leiterbahnen verwendet werden, die etwa auf Seitenflächen der jeweiligen Komponenten oder entlang solcher Seitenflächen geführt sind.
Beim Ausführungsbeispiel der 1 befindet sich ein anodenseitiger Kontakt des Halbleiterchips an einer dem Träger 5 abgewandten Seite. Diese dem Träger 5 abgewandte Seite ist über einen oder mehrere Bonddrähte 6 oder über zumindest eine elektrische Leiterbahn mit der Ansteuereinheit 4 elektrisch verbunden. Demgegenüber ist gemäß 2 die Polarität vertauscht, sodass die Anodenseite des Halbleiterchips 2 dem Träger 5 zugewandt ist. Im Übrigen stimmt das Ausführungsbeispiel der 2 mit dem der 1 überein.
Beim Ausführungsbeispiel der 3 sind sowohl der Halbleiterchip 2 als auch die Ansteuereinheit 4 auf dem gemeinsamen Kondensatorkörper 3 angebracht. Damit kann der Kondensatorkörper 3 als Montageplattform für den Halbleiterchip 2 und die Ansteuereinheit 4 dienen. Der Träger 5 ist damit optional. Eine Anodenseite des Halbleiterchips 2 kann dem Kondensatorkörper 3 zugewandt sein oder auch von diesem abgewandt sein. Das heißt, in 3 können die elektrischen Verschaltungen gemäß 1B oder gemäß 2B vorliegen.
Im Ausführungsbeispiel der 4 ist illustriert, dass sowohl die Ansteuereinheit 4 als auch der Kondensatorkörper 3 und der Halbleiterchip 2 in der angegebenen Reihenfolge übereinander gestapelt angeordnet sind. Damit liegen flächige, direkte elektrische Verbindungen D beiderseits des Kondensatorkörpers 3 vor. Übrige elektrische Verbindungen sind durch die Bonddrähte 6 oder alternativ durch Metallisierungen oder Leiterbahnen, insbesondere entlang von Seitenflächen, gebildet.
Abweichend von 4A kann die Ansteuereinheit 4 als Montageebene dienen, sodass der Träger 5 dann entfallen kann.
Die zugehörige elektrische Verschaltung ist in 4B symbolisiert. Beiderseits des Kondensatorkörpers 3 sind die elektrischen Verbindungen D praktisch induktivitätsfrei gestaltet. Die elektrische Verschaltung der 4B entspricht dabei der in 1B gezeigten Verschaltung. Alternativ kann die Verschaltung erfolgen, wie in Verbindung mit 2B illustriert.
Gemäß 5A ist wieder eine Stapelanordnung der Ansteuereinheit 4, des Halbleiterchips 2 sowie des Kondensatorkörpers 3 gegeben. Dabei befindet sich der Halbleiterchip 2 direkt zwischen dem Kondensatorkörper 3 und der Ansteuereinheit 4 und ist über die flächigen elektrischen Verbindungen D mit diesen verbunden. In Draufsicht gesehen können der Halbleiterchip 2, der Kondensatorkörper 3 und die Ansteuereinheit 4 deckungsgleich angeordnet sein.
Beim Ausführungsbeispiel der 6 handelt es sich bei dem Halbleiterchip 2 um einen Stegwellenleiter-Halbleiterlaser mit einem Stegwellenleiter 22. Der Stegwellenleiter 22 befindet sich an einer dem Kondensatorkörper 3 abgewandten Seite des Halbleiterchips 2. Es ist möglich, dass der Kondensatorkörper 3 als Stützträger für den Halbleiterchip 2 fungiert.
Optional kann der Kondensatorkörper 3 den Halbleiterchip 2 ringsum in einem schmalen Streifen umgeben, in Draufsicht gesehen. Somit liegt der Halbleiterchip 2 vollständig auf dem Kondensatorkörper 3 auf. Eine Hauptemissionsrichtung des Halbleiterchips 2 erfolgt entlang des Stegwellenleiters 22 und damit parallel zu Hauptseiten des Kondensatorkörpers 3.
In 7 ist gezeigt, dass der Halbleiterchip 2 eine Vielzahl von Emittereinheiten 21 aufweist. Die Emittereinheiten 21 sind in Draufsicht gesehen insbesondere in Form eines regelmäßigen, beispielsweise quadratischen Gitters angeordnet. Die Emittereinheiten 21 können elektrisch unabhängig voneinander ansteuerbar oder elektrisch parallel geschaltet sein. Bei dem Halbleiterchip 2 handelt es sich etwa um einen oberflächenemittierenden Halbleiterlaser mit einer Emissionsrichtung senkrecht zu Hauptseiten des Kondensatorkörpers 3. Alle Emittereinheiten 21 sind dem gemeinsamen Kondensatorkörper 3 elektrisch zugeordnet.
Beim Ausführungsbeispiel der 8 sind mehrere der Halbleiterchips 2 zur Strahlungserzeugung vorhanden. Dabei kann, siehe 8A, pro Halbleiterchip 2 je ein separater Kondensatorkörper 3 vorhanden sein oder es können, siehe 8B, alle Halbleiterchips 2 auf einem gemeinsamen Kondensatorkörper 3 angebracht sein.
Eine der 8A entsprechende Anordnung kann auch hinsichtlich der Emittereinheiten 21 aus 7 vorliegen.
Weiterhin ist in 8B illustriert, dass die Ansteuereinheit 4 in dem Träger 5 integriert sein kann. Der Träger 5 basiert in diesem Beispiel insbesondere auf Silizium. Gleiches kann für alle anderen Ausführungsbeispiele gelten.
In 8A ist eine gemeinsame Ansteuereinheit 4 für alle Halbleiterchips 2 vorhanden. Alternativ kann für jeden Stapel aus Halbleiterchip 2 und zugehörigem Kondensatorkörper 3 eine eigene Ansteuereinheit 4 vorliegen.
In 9 ist eine elektrische Verschaltung gezeigt, die gleichermaßen auch in allen anderen Ausführungsbeispielen vorliegen kann. Die Schaltung der 9 ist dabei analog zur Schaltung der 2B aufgebaut, kann in gleicher Weise aber auch wie in 1B aufgebaut sein.
In 9 sind mehrere der Schaltelemente 41 vorhanden, die elektrisch parallel geschaltet sind. Alternativ oder zusätzlich sind mehrere Einzelkondensatoren 33 vorhanden, die gemeinsam den Kondensatorkörper 3 bilden. Auch die Einzelkondensatoren 33 sind elektrisch parallel geschaltet.
Durch diese mehrfach vorhandenen Schaltelemente 41 und/oder Einzelkondensatoren 33 wird eine Stromstärke in den jeweiligen elektrischen Zuleitungen reduziert. Hierdurch kann die Induktivität weiter gesenkt werden, insbesondere an den elektrischen Verbindungen, die nicht durch die direkte, flächige Verbindung D realisiert sind.
In 10 ist ein Beispiel für einen Kondensatorkörper 3 gezeigt. Der Kondensatorkörper 3 basiert auf Silizium. Eine Dicke T des Kondensatorkörpers 3 liegt beispielsweise bei ungefähr 0,25 mm. Eine Länge L sowie eine Breite W liegen insbesondere im Bereich von 0,4 mm bis 0,8 mm. An beiden Hauptseiten des Kondensatorkörpers 3 befinden sich elektrische Kontaktflächen 31a, 31b. An einer Unterseite kann die elektrische Kontaktfläche 31b sich vollständig über den Kondensatorkörper 3 erstrecken. An einer Oberseite weist die Kontaktfläche 31a kleinere laterale Abmessungen a, b auf als der Kondensatorkörper 3 an sich. Dabei kann sich die Kontaktfläche 31a mittig an der Oberseite des Kondensatorkörpers 3 befinden. Längen und Breiten a, b der Kontaktfläche 31a sind beispielsweise jeweils um mindestens 50 µm oder 100 µm und/oder um höchstens 200 µm oder 100 µm kleiner als die zugehörige Länge L sowie Breite W des Kondensatorkörpers 3.
Abweichend von der Darstellung in 10 kann auch die Kontaktfläche 31b an der Unterseite gestaltet sein wie die Kontaktfläche 31a, wie in 10 gezeichnet, sodass die Unterseite dann nur teilweise von der Kontaktfläche 31b bedeckt ist. Weiterhin ist es möglich, dass beide Kontaktflächen 31a, 31b die zugehörigen Hauptseiten des Kondensatorkörpers 3 vollständig bedecken.
Beispielsweise handelt es sich bei dem Kondensatorkörper 3 um einen Siliziumchip-Kondensator der Firma IPDiA, insbesondere aus der Serie WTSC. Eine Kapazität des Kondensatorkörpers 3 liegt beispielsweise im Bereich einiger 10 nF.
In 11 ist eine Abwandlung 10 der Halbleiterstrahlungsquelle gezeigt. Dabei befinden sich der Halbleiterchip 2, der Kondensatorkörper 3 sowie die Ansteuereinheit 3 nebeneinander auf dem Träger 5. Somit liegen keine flächigen, direkten elektrischen Verbindungen zwischen den vorgenannten Komponenten vor. Hierdurch ist eine Induktivität der elektrischen Zuleitungen erhöht.
Im Vergleich der Bauteile etwa der 2 und 11 lässt sich mit der in 2 erläuterten Konfiguration eine geringere Gesamtinduktivität erzielen. Damit einhergehend können größere maximale optische Leistungen, kleinere Impulsbreiten in der Zeitdomäne und schnellere Impulsanstiegszeiten erreicht werden sowie eine insgesamt höhere Effizienz.
Beispielsweise liegt in den 2 und 11 die Induktivität des Halbleiterchips 2 je bei 100 pH oder weniger. Auch eine Induktivität des Schaltelements 41, insbesondere ein Feldeffekttransistor, liegt zum Beispiel je bei höchstens 100 pH oder bei etwa 100 pH. Durch die Bonddrähte 6 ergibt sich eine Induktivität von ungefähr 0,25 nH. Bei der Abwandlung 10 in 11 ergibt sich durch den Kondensatorkörper 3 eine Induktivität im Bereich von 200 pH bis 700 pH und für die elektrischen Zuführungen über den Träger 5 hinweg von etwa 0,2 nH oder mehr.
Demgegenüber ist bei Bauformen, wie in Verbindung mit 2 illustriert, eine Induktivität des Kondensatorkörpers 3 von ungefähr 50 pH und von Zuleitungen über den Träger 5 von weniger als 0,1 nH erreichbar.
Somit weist die Abwandlung 10 der 11 eine Gesamtinduktivität von ungefähr 1,2 nH auf, wohingegen bei der Halbleiterstrahlungsquelle 1 gemäß insbesondere 2 eine Gesamtinduktivität von lediglich ungefähr 0,5 nH erzielbar ist. Durch die hier beschriebene Halbleiterstrahlungsquelle ist die Induktivität signifikant reduzierbar.
Die in den Figuren gezeigten Komponenten folgen, sofern nicht anders kenntlich gemacht, bevorzugt in der angegebenen Reihenfolge jeweils unmittelbar aufeinander. Sich in den Figuren nicht berührende Schichten sind voneinander beabstandet. Soweit Linien parallel zueinander gezeichnet sind, sind die entsprechenden Flächen ebenso parallel zueinander ausgerichtet. Ebenfalls, soweit nicht anders kenntlich gemacht, sind die relativen Dickenverhältnisse, Längenverhältnisse und Positionen der gezeichneten Komponenten zueinander in den Figuren korrekt wiedergegeben.
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.
Bezugszeichenliste

1: Halbleiterstrahlungsquelle
2: Halbleiterchip
21: Emittereinheit
22: Stegwellenleiter
3: Kondensatorkörper
31: elektrische Kontaktfläche des Kondensatorkörpers
33: Einzelkondensator
4: Ansteuereinheit
41: Schaltelement
5: Träger
55: flächige Leiterbahn
6: Bonddraht
10: Abwandlung
D: direkte, flächige elektrische Verbindungsleitung
GND: Erdkontakt/Ground
S: Signalleitung
V: Versorgungsspannung
a, b, L, T, W: Abmessungen des Kondensatorkörpers

Claims

Halbleiterstrahlungsquelle (1) mit - mindestens einem Halbleiterchip (2) zur Strahlungserzeugung, und - mindestens einem Kondensatorkörper (3), wobei - der Halbleiterchip (2) und der Kondensatorkörper (3) übereinander gestapelt angeordnet sind, und - der Halbleiterchip (2) flächig direkt elektrisch mit dem Kondensatorkörper (3) verbunden ist.
Halbleiterstrahlungsquelle (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, bei der der Halbleiterchip (2) ein Halbleiterlaserchip ist, wobei der Kondensatorkörper (3) eine größere Grundfläche aufweist als der Halbleiterchip (2) und eine elektrische Kontaktfläche zwischen dem Halbleiterchip (2) und dem Kondensatorkörper (3) mindestens 50 % der Grundfläche beträgt.
Halbleiterstrahlungsquelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Halbleiterchip (2) und der Kondensatorkörper (3) mit einer Toleranz von höchstens 10 % entlang jeder Richtung gleiche laterale Abmessungen aufweisen, wobei die elektrische Kontaktfläche zwischen dem Halbleiterchip (2) und dem Kondensatorkörper (3) mindestens 80 % einer Basisfläche des Halbleiterchips (2) beträgt.
Halbleiterstrahlungsquelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Halbleiterchip (2) und der Kondensatorkörper (3) aneinander gelötet sind, wobei eine Hauptemissionsrichtung des Halbleiterchips (2) parallel zur Basisfläche des Halbleiterchips (2) und/oder zur Grundfläche des Kondensatorkörpers (3) orientiert ist.
Halbleiterstrahlungsquelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend eine Ansteuereinheit (4) mit einem oder mit mehreren Schaltelementen (41) zum gepulsten Betrieb des Halbleiterchips (2), wobei die Ansteuereinheit (4) elektrisch mit einer dem Kondensatorkörper (3) gegenüberliegenden Seite des Halbleiterchips (2) verbunden ist.
Halbleiterstrahlungsquelle (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, bei der die Ansteuereinheit (4) und der Kondensatorkörper (3) nebeneinander auf einem gemeinsamen Träger (5) angeordnet sind.
Halbleiterstrahlungsquelle (1) nach Anspruch 5, bei der die Ansteuereinheit (4), der Kondensatorkörper (3) und der Halbleiterchip (2) übereinander gestapelt angeordnet sind, sodass sich der Kondensatorkörper (3) zwischen der Ansteuereinheit (4) und dem Halbleiterchip (2) befindet.
Halbleiterstrahlungsquelle (1) nach Anspruch 5, bei der die Ansteuereinheit (4), der Kondensatorkörper (3) und der Halbleiterchip (2) übereinander gestapelt angeordnet sind, sodass sich der Halbleiterchip (2) zwischen der Ansteuereinheit (4) und dem Kondensatorkörper (3) befindet, wobei der Halbleiterchip (2) sowohl mit der Ansteuereinheit (4) als auch mit dem Kondensatorkörper (3) flächig elektrisch direkt verbunden ist.
Halbleiterstrahlungsquelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Halbleiterchip (2) ein Stegwellenleiter-Laser ist, wobei sich ein Stegwellenleiter (22) des Halbleiterchips (2) an einer dem Kondensatorkörper (3) abgewandten Seite des Halbleiterchips (2) befindet.
Halbleiterstrahlungsquelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Kondensatorkörper (3) monolithisch als Chip und auf Silizium basierend gestaltet ist.
Halbleiterstrahlungsquelle (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei der der Kondensatorkörper (3) aus mehreren elektrisch parallel geschalteten Einzelkondensatoren (33) zusammengesetzt ist.
Halbleiterstrahlungsquelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die direkte, flächige elektrische Verbindungsleitung (D) zwischen dem Halbleiterchip (2) und dem Kondensatorkörper (3) eine Induktivität von höchstens 50 pH aufweist.
Halbleiterstrahlungsquelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Kondensatorkörper (3) eine Kapazität von mindestens 20 nF aufweist, wobei die Halbleiterstrahlungsquelle (1) oberflächenmontierbar ist, und wobei eine Gesamtdicke des Kondensatorkörpers (3) zusammen mit dem Halbleiterchip (2) mindestens 0,1 mm und höchstens 0,5 mm beträgt.
Halbleiterstrahlungsquelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend mehrere der Halbleiterchips (2), die in Draufsicht gesehen regelmäßig in einem Feld zweidimensional angeordnet sind, wobei die Halbleiterchips (2) gemeinsam auf einem einzigen Kondensatorkörper (3) angeordnet sind oder die Halbleiterchips (2) auf mehreren Kondensatorkörpern (3) angebracht sind.