Brevet FR2868877A1 — publié le 20051014

Description La présente invention concerne l'amélioration du comportement thermique d'un émetteur laser à semi-conducteur. Généralement, le sous-ensemble optique d'émission intègre l'électronique de commande nécessaire à la fourniture des courants et des tensions de polarisation du composant laser et le laser lui-même. Un tel assemblage peut prendre plusieurs formes différentes: support silicium ou autre semiconducteur intégrant les lignes d'interconnexions entres les différents éléments, support silicium ou autre semi-conducteurs structurés ou les interconnexions sont réalisées à partir de fils. Dans une utilisation normale, le laser en fonctionnement dans un tel sous-ensemble voit sa température augmenter et varier suivant les conditions externes de température mais aussi suivant les conditions et le niveau d'injection électrique. Le fonctionnement à une température élevée entraîne les inconvénients suivants: - une durée de vie plus faible du laser - une variation de la longueur d'onde d'émission préjudiciable au fonctionnement des systèmes dans lesquels les lasers sont incorporés - Une saturation puis une diminution de la puissance émise 25 qui n'est plus compensable par une augmentation du courant d'injection. C'est ainsi que la grande majorité des composants lasers notamment les lasers à émission par la tranche du type Fabry-Perot ou à contre réaction distribuée (DFB acronyme Anglais de distributed feedback) intègre un régulateur en température du type Peltier permettant à la fois de compenser les fluctuations de température et de maintenir une température de fonctionnement proche de la température ambiante (25 C). Cette solution introduit un coût significatif et une complexité supplémentaire dans le montage des composants lasers. De plus ces régulateurs en température sont de taille relativement importante et handicapent l'intégration et la miniaturisation des émetteurs aujourd'hui engagée dans l'industrie des télécommunications. Dans le cas des lasers à émission par la surface (en anglais Vertical Cavity Surface Emitting Laser (VCSEL)), les mêmes types de problème énoncés plus haut sont rencontrés et sont souvent amplifiés notamment dans le cas des lasers à émission verticale à partir de matériaux quaternaires sur substrat InP pour les grandes longueur d'ondes d'émission (1.25}pm à 1, 65pm). En effet, les miroirs dit de Bragg constitués d'empilements périodiques de matériaux GaInAsP et d'InP sont de piètres conducteurs thermiques et ne permettent pas un fonctionnement en température de ce type de laser. La présente invention a pour but d'éviter ou tout du moins réduire significativement les effets thermiques pour les lasers à émission latérale et verticale. Pour cela il est proposé différents types de microassemblage suivant la nature du laser (émission latérale ou verticale) utilisant le report par retournement du composant laser sur un semiconducteur à forte conductivité thermique permettant de positionner ainsi: 1) de localiser la zone active d'émission au plus proche d'un premier support jouant le rôle de dissipateur thermique et 2) de libérer la face arrière du composant permettant l'intégration d'un deuxième drain thermique. Contrairement aux techniques de soudure dites brasures largement utilisées dans le cadre de lasers à très forte puissance, le montage proposé est réalisé à partir des technologies dites de flip chip à partir de soudures par billes. Ces techniques sont documentées dans divers articles et brevets, par exemple: "Procédé d'hybridation et de positionnement d'un composant optoélectronique et application de ce procédé au positionnement de ce composant par rapport à un guide d'onde intégré (FR9210040)" ou "Method to interconnect electric components by means of solder elements (US5131584)" Ce procédé à partir d'assemblage par billes permet donc une meilleure gestion de la thermique des composants mais aussi la réalisation simultanée des interconnexions pour les arrivées de courant continu et de courant de modulation de la diode laser. L'utilisation de connexions par billes permettent de minimiser les éléments parasites du fait de la petite taille des billes vis-à-vis de l'utilisation de fils et donc d'assurer également une meilleure intégrité des signaux hyperfréquences. La face arrière du composant étant alors accessible il est proposé un procédé de retrait du substrat et de dépôt ou de report d'un élément métallique à forte dissipation thermique permettant d'améliorer le comportement en température du dispositif laser. L'invention s'applique de manière similaire aux composants lasers à émission latérale et verticale. L'invention sera mieux comprise et les différents autres points novateurs apparaîtront à l'aide de la description ci après et des figures s'y rapportant qui représentent: Figure 1 (a): coupe d'un laser à émission par la tranche conventionnel ayant un contact en face avant et un contact en face arrière Figure 1 (b): schéma d'un laser à émission par la tranche conventionnel ayant les deux contacts en face avant Figure 2: Schéma de principe de l'invention et exemple 25 d'ensemble laser et dissipateur thermique tel que proposé dans l'invention (a) Schéma de principe de l'invention (b) avec contact N et P pour l'injection électrique du courant de modulation en face arrière et face avant 30 respectivement (c) avec contacts N et P pour l'injection électrique reportés en face avant. Figure 3: procédé de fabrication de l'invention dans le cas d'un laser à émission latérale ou les deux contacts sont situés sur la même face. Figure 4: Application de l'invention au cas particulier d'un laser à émission verticale. La figure 1 représente l'empilement conventionnel des diodes lasers à semi-conducteurs bien connues de l'homme de l'art. On distingue ainsi, les couches de confinement optiques et électriques (101), les couches (105) de confinement de la cavité optique et la couche d'émission (104) ou se réalise l'effet laser. L'injection des porteurs est obtenue par la réalisation de deux contacts (100) dont l'un est en face avant et l'autre via la face arrière, généralement ces deux contacts injectent les trous et des électrons respectivement qui vont se recombiner dans la zone active d'émission (104) pour émettre de la lumière. La variante représentée sur la figure lb, concerne la même structure de laser conventionnelle ou le contact en face arrière est reporté en face par des étapes de gravure additionnelles. Ces deux structures sont réalisées sous forme de puces manipulables. La figure 2 propose le schéma de principe de l'invention (Fig 2a) et son application au cas d'une diode laser à émission latérale ou les contacts sont face avant et face arrière (fig 2b) et uniquement sur la face avant (fig 2c) Le schéma de principe (Fig 2a) de l'invention est représenté dans sa forme finale. Il est clair que le procédé de réalisation lui-même contribue au caractère original de l'ensemble et sera décrit plus bas. L'invention consiste à hybrider par retournement avec des billes de soudure (107) (technique dite de flip chip) un composant optique ou électronique (108) sur un support en semi-conducteur (106) par exemple en silicium ou sont préalablement intégrées les lignes d'interconnexions nécessaires au fonctionnement du composant (108). D'autres types de support sont possibles tels que: le carbure de silicium, le nitrure d'aluminium, le nitrure de gallium. Dans un niveau de complexité plus élevé, le générateur de courant et de modulation de la diode laser peuvent être intégrés sur le seul dissipateur thermique reporté. De la même manière, l'un au moins des supports dissipateurs pourra intégrer l'électronique permettant le fonctionnement et 10 /ou le contrôle de la diode laser. Les billes de soudure (107) réalisent les connexions électriques et permettent de drainer la chaleur du composant en fonctionnement vers le substrat semi-conducteur qui constitue un bon dissipateur thermique. Il clair pour l'homme de l'art que plus le nombre de bille (107) est grand plus la surface de contact sera grande et plus le drainage thermique vers le substrat 106 sera efficace. Un procédé d'enrobage avec un élément polymère conducteur thermique mais isolant électrique permet d'améliorer la résistance thermique et de solidifier l'ensemble. La face arrière du composant (108) est alors utilisée pour intégrer soit par dépôt soit également par report un deuxième dissipateur thermique (109) réalisé dans des matériaux métalliques (Or, Cuivre, par ex.) ou connus pour leur grande propriétés de conduction thermique (carbure de silicium, nitrure d'aluminium, nitrure de gallium). La connectique électrique des lasers est ainsi réalisée en même temps que les dissipateurs thermiques soient directement en face arrière du laser soit par report d'un matériau à forte conductivité thermique. Ce montage et procédé peut être directement appliqué au montage de diodes lasers couvrant la gamme de longueurs d'onde allant de 0, 6pm à 2pm suivant les deux configurations (contacts face avant et arrière (fig la) et contacts sur la face avant (Fig lb)). La figure 2b montre un exemple de configuration. Dans ce cas particulier le deuxième dissipateur thermique est reporté et soudé par billes (107) Il permet également d'assurer la connexion électrique sur la face arrière de la diode laser (112) via des billes (109) connectées aux lignes d'alimentation du composant intégrées sur le substrat semi-conducteur (106). Un deuxième enrobage (110) permet de solidifier l'ensemble et également d'améliorer le contact thermique entre 109 et 112. Dans le cas particulier d'une diode laser ayant les deux contacts en face avant l'assemblage est alors très proche du schéma de principe. Le report du deuxième dissipateur thermique peut être dans ce cas réalisé soit - par croissance électrolytique direct du métal sur la face arrière du composant sur des épaisseurs supérieures à 20 50}im - par report d'un bloc de métal collé par une colle à bonne conduction thermique. Le dissipateur peut être alors complètement intégré au boîtier ou être le boîtier ce qui améliore nettement la surface thermique d'échange. C'est ce deuxième cas particulier qui est représenté sur la figure 2c. La figure 3 propose et détaille un exemple de procédé de fabrication modulable suivant les caractéristiques géométriques et topologiques du laser utilisé. Il s'applique aux lasers à émission latérale avec contacts n et p en face avant ainsi qu'aux lasers à émission verticale dit VCSEL. Le substrat 106 (fig 3a) de départ intègre les lignes électriques d'alimentation du laser et les plots d'accrochage des billes de soudure pour la liaison. Il peut également comporter d'autres composants nécessaires au bon fonctionnement de l'émetteur laser considéré (éléments passifs capacitifs, inductifs, résistances, photodiodes, circuit de pilotage...). Ce substrat peut être réalisé en silicium, le plus communément employé mais aussi en divers matériaux semi-conducteurs par exemple en nitrure d'aluminium (A1N), nitrure de Gallium (GaN), diamant. Dans un premier temps toutes les billes de soudure (107) seront réalisées (Fig3b) par les techniques conventionnelles. Ces billes seront préférentiellement de petite taille autour de 20pm de diamètre de manière à pouvoir en positionner le plus possible. Ces techniques impliquent différentes étapes technologiques de résinage, lithographie, ouverture des zones de contact, dépôt du matériau fusible (indium par exemple), formatage des billes. Le composant laser à émission latérale ou verticale est ensuite positionné et soudé par traitement thermique au réseau de billes qui assure ainsi la connexion électrique et le contact thermique entre le laser et le support semi- conducteur dissipateur (Fig3c). Le composant est ensuite enrobé avec un polymère conducteur thermique et isolant électrique de manière (111) à assurer un maintien mécanique ainsi qu'un contact thermique aussi large que possible de la puce laser. Notons que suivant le procédé de soudure on peut avoir un phénomène d'auto alignement de la puce. La réalisation des billes de soudure ainsi que les méthodes d'enrobage sont décrites dans les procédés relatifs aux brevets US 5496769 et FR9615348. On effectue ensuite un résinage (114), procédé classique en microélectronique. Un polissage de l'ensemble permet de planariser et de libérer la face arrière du composant (Fig3e). Le polissage permet également d'éliminer tout ou partie du substrat sur lequel a été réalisé le laser et qui généralement est du matériau GaAs ou InP considérés comme de mauvais conducteurs thermiques. Ceci est particulièrement recommandé dans le cas des lasers à émission verticale. A partir de cette étape, un dépôt métallique d'accrochage (115) est réalisé sur l'ensemble du substrat (fig 3f) permettant par la suite le dépôt électrolytique de ce même métal ou d'un autre métal. A ce stade, on peut définir la taille du dissipateur par les techniques conventionnelles de résinage et de photolithographie (Fig3g). Le dépôt est ensuite réalisé sur des épaisseurs allant de quelques dizaines de microns à 100pm (Fig 3h). Les étapes représentées sur les fig 3i, 3j et 3k consistent à éliminer les différentes couches de résines par des solvants libérant ainsi l'ensemble de l'empilement du dispositif. Ces étapes sont des étapes technologiques connues de l'homme de l'art. Le procédé de fabrication dans le cas d'un laser à émission verticale est similaire. Il présente néanmoins la différence que nous allons préciser. Il est ainsi nécessaire de réaliser un trou dans le substrat de départ permettant l'émission de lumière vers le bas sans absorption dans le substrat 106 L'assemblage final est représenté en figure 4. Ce trou pourra servir de guide pour la fibre. Cette particularité peut être évité si le substrat de départ est transparent à la longueur d'onde d'émission du laser. Ce type d'assemblage est particulièrement intéressant pour les applications laser nécessitant de générer des fortes puissances mais aussi pour des fonctionnements à forte modulation d'intensité (par exemple un fonctionnement des diodes lasers à forte fréquence de modulation de 10GHz et au- delà) sans avoir à utiliser un refroidisseur externe du type Peltier. De plus dans cette configuration flip chip du composant, le substrat peut être intégralement retiré et remplacé par un matériau à haut pouvoir de dissipation. Ainsi la chaleur est évacuée au plus proche de la jonction semi conductrice. En effet un amincissement conventionnel peut difficilement être poussé en deçà d'une épaisseur de 100pm de substrat sans poser des problèmes de manipulation. L'invention est directement applicable également aux dispositifs électroniques de puissance tels les transistors bipolaires, transistors à effet de champ qui sont des composants possédant deux contacts en face avant et dont l'architecture et les matériaux sont compatibles avec le procédé décrit. Revendications 1. Assemblage comprenant un premier dissipateur thermique, une diode laser et un second dissipateur thermique, la diode laser et les premier et second dissipateurs étant empilés et assemblés par la technique de soudure par bille. 2. Assemblage selon la revendication 1 où l'un des deux dissipateurs est directement déposé sur la face arrière de la diode laser. 3. Assemblage selon la revendication 1 où l'un des deux dissipateur est intégré au boîtier. 4. Assemblage selon la revendication 3 où l'un des deux dissipateurs constitue également une partie du boîtier de l'ensemble. 5. Assemblage selon la revendication 2, caractérisé par le fait qu'un, au moins, des dissipateurs intègre un générateur de courant et de modulation et/ou de l'électronique permettant le fonctionnement et/ou le contrôle de la diode laser. 6. Assemblage selon la revendication 1, où le premier dissipateur est réalisé à partir d'un matériau semi-conducteur tel le silicium, carbure de silicium, nitrure d'aluminium, nitrure de gallium et dont le second dissipateur thermique est soit un élément métallique déposé en cuivre (Cu) , or (Au) ou soit un élément métallique (cuivre (Cu), or (Au)) ou semiconducteur reporté (carbure de silicium, nitrure d'aluminium, nitrure de gallium). 7. Assemblage suivant les revendications 1 et 2 où la diode laser émet dans une gamme de longueur d'ondes allant de 0, 6pm à 2pm. 8. Utilisation de l'assemblage selon les revendications 1 à 7 où la diode laser est plus spécifiquement un laser à émission verticale par la face avant ou face arrière. 9. Utilisation de l'assemblage selon les revendications 1 à 4 et 6 où la diode laser est remplacée par un transistor bipolaire. 10. Utilisation de l'assemblage selon les revendications 1 à 4 et 6 où la diode laser est remplacée par un transistor à effet de champ.