DE102005019115B4

DE102005019115B4 - Halbleiterlaserbauelement

Info

Publication number: DE102005019115B4
Application number: DE102005019115A
Authority: DE
Inventors: Martin Dr. Behringer; Frank Möllmer; Thomas Dr. Höfer; Günter Waitl
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2005-01-24
Filing date: 2005-04-25
Publication date: 2010-04-08
Anticipated expiration: 2025-04-26
Also published as: DE102005019115A1

Abstract

Halbleiterlaserbauelement (1) mit
– einem Laserbarrenchip (3),
– einem Leiterrahmen (4) und
– einem Träger (6) mit
– einer Chipmontagefläche (6a),
– einer der Chipmontagefläche (6a) gegenüberliegenden Bodenfläche (6b) und
– mindestens einer von der Chipmontagefläche (6a) zur Bodenfläche (6b) verlaufenden Seitenfläche (6c),
wobei
– der Laserbarrenchip (3) auf der Chipmontagefläche (6a) des Trägers (6) angeordnet ist,
– der Leiterrahmen (4) zwei Streifen (4a, 4b) aufweist, die je mit einer Seitenfläche (6c) des Trägers (6) verbunden sind, und
– einem Metallblock (8), der elektrisch isoliert zwischen den Streifen (4a, 4b) angeordnet ist, wobei der Metallblock (8) einen elektrischen Anschluss des Laserbarrenchips (3) bildet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterlaserbauelement mit einem Laserbarrenchip.
Ein Laserbarrenchip weist eine Mehrzahl parallel geschalteter einzelner Laserdioden auf, die in der Regel monolithisch integriert sind. Je nach Ausführungsform und Betriebsart können sie Ausgangsleistungen von ca. 1 W bis zu mehreren 100 W erreichen. Dabei ist es erforderlich, die als Wärme auftretende Verlustleistung abzuführen, um einen ungehinderten Betrieb des Halbleiterlaserbauelements zu ermöglichen. Insbesondere kann eine Temperaturerhöhung des Bauelements zu einer Verschiebung der Wellenlänge, einem kleineren Wirkungsgrad oder einer verkürzten Lebensdauer führen. Aus diesem Grund werden Halbleiterlaserbauelemente im Hochleistungsbetrieb oftmals auf einer Wärmesenke montiert.
In der Offenlegungsschrift DE 102 09 374 A1 ist eine Diodenlaseranordnung u. a. mit einem Diodenlaserbarren beschrieben, der sich zwischen metallischen, vorzugsweise aus Kupfer bestehenden Kontaktplatten befindet, die zugleich als Wärmesenken dienen und insbesondere im Hochleistungsbereich zusätzlich Mikrokanäle aufweisen und durch ein Kühlfluid gekühlt werden. Derartige Anordnungen werden in der Regel einzeln montiert bzw. kontaktiert.
Ein strahlungsemittierendes Bauelement für hohe Leistungen ist aus der Offenlegungsschrift WO 02/084 749 A2 bekannt.
Die Druckschrift DE 198 21 544 A1 beschreibt ein Diodenlaserbauelement sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.
Die Druckschrift WO 2004/017 476 A2 beschreibt eine Halbleitervorrichtung mit einem Kühlelement, das einen Kühlkanal umfasst.
Die Druckschrift DE 198 41 204 A1 beschreibt eine Anordnung mit lichtemittierenden Leistungshalbleiterbauelementen sowie ein Verfahren zur Herstellung desselben. Bei den lichtemittierenden Leistungshalbleiterbauelementen kann es sich beispielsweise um Halbleiterlaser handeln.
Die Druckschrift DE 100 11 892 A1 beschreibt ein Montagesubstrat sowie eine Wärmesenke für Hochleistungslaserdiodenbarren.
Die Druckschrift WO 2004/107 511 A2 beschreibt ein Laserdiodenbauelement mit einem Kunststoffgehäuse sowie dessen Herstellung.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Halbleiterlaserbauelement anzugeben, das sich für eine Serienfertigung eignet. Zudem ist eine hohe Betriebsstabilität des Halbleiterlaserbauelements wünschenswert.
Diese Aufgabe wird durch ein Halbleiterlaserbauelement mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Ein erfindungsgemäßes Halbleiterlaserbauelement weist einen Laserbarrenchip, einen Leiterrahmen und einen Träger mit einer Chipmontagefläche, einer der Chipmontagefläche gegenüberliegenden Bodenfläche und mindestens eine von der Chipmontagefläche zur Bodenfläche verlaufende Seitenfläche auf, wobei der Laserbarrenchip auf der Chipmontagefläche des Trägers angeordnet ist und der Leiterrahmen mit der Seitenfläche verbunden ist.
Der Laserbarrenchip, der eine Mehrzahl parallel geschalteter einzelner Laserdioden aufweist, ist typischerweise aus einem Halbleitermaterial gefertigt und enthält vorzugsweise eine Verbindung aus Elementen der III. und V. Hauptgruppe des Periodensystems. Besonders bevorzugt enthält er GaAs oder AlGaAs (Al_xGa_1-xAs mit 0 ≤ x ≤ 1), wobei selbstverständlich auch andere III-V-Verbindungshalbleiter wie GaP oder GaN sowie hierauf basierende oder hiervon abgeleitete Verbindungen wie
InGaAlP (In_xAl_yGa_1-x-yP; mit 0 ≤ x ≤ 1; 0 ≤ y ≤ 1),
InGaAlN (In_xAl_yGa_1-x-yN; mit 0 ≤ x ≤ 1; 0 ≤ y ≤ 1) oder
InGaAlPN (In_xAl_yGa_1-x-yP_nN_1-n; mit 0 ≤ x ≤ 1; 0 ≤ y ≤ 1; 0 ≤ n ≤ 1) im Rahmen der Erfindung vorgesehen sein können.
Der Laserbarrenchip hat typischerweise eine rechteckförmige Grundfläche, deren laterale Abmessung bevorzugt zwischen 0,4 und 10 mm beträgt. Besonders bevorzugt ist der Laserbarrenchip 10 mm lang, 0,3 bis 3,0 mm breit und/oder 0,05 bis 0,15 mm hoch. Denkbar ist beispielsweise auch eine rautenartige oder kreisförmige Grundfläche des Laserbarrenchips, wobei die laterale Abmessung bzw. der Durchmesser ebenfalls bevorzugt zwischen 0,4 und 10 mm beträgt.
Der Laserbarrenchip ist vorteilhafterweise auf einem Träger montiert. Dieser besitzt vorzugsweise eine quaderförmige Gestalt und weist dabei eine Chipmontagefläche auf, worauf sich der Laserbarrenchip befindet, ferner eine Bodenfläche und vier Seitenflächen. Mindestens zwei dieser Seitenflächen sind mit dem Leiterrahmen verbunden.
Der Leiterrahmen ist bevorzugt streifenförmig bzw. zangenartig ausgebildet. Ist er horizontal orientiert, kann er das obere Ende des vertikal ausgerichteten Trägers zangenartig umschließen. Dabei befindet sich das untere Ende des Trägers unterhalb des Leiterrahmens. Somit kann der Träger beispielsweise auf einen Sockel montiert bzw. aufgebracht werden, ohne dass der Leiterrahmen mit dem Sockel in Kontakt kommt.
In einer bevorzugten Ausführung ist der Leiterrahmen, beispielsweise aus Cu, einteilig und U-förmig ausgebildet. Ein Modul aus Laserbarrenchip, Träger und Sockel kann dabei von den parallelen Seiten des Leiterrahmens zangenartig umschlossen sein. Allerdings wird das Modul an den Seitenflächen, an denen es vom Leiterrahmen umgeben wird, vorzugsweise nicht vollständig bedeckt. Denkbar ist, dass der Leiterrahmen an zwei, drei oder vier Seitenflächen mit dem Modul verbunden ist. Der Leiterrahmen kann dabei einen ersten elektrischen Anschluss des Laserbarrenchips bilden. Ein zweiter elektrischer Anschluss kann in Form eines Metallblocks zwischen zangenartigen Enden des Leiterrahmens angeordnet sein. Das Modul kann beispielsweise durch Bonddrähte mit dem zweiten elektrischen Anschluss verbunden sein.
Die Polarität der elektrischen Anschlüsse richtet sich nach der Montage des Laserbarrenchips, das heißt sie hängt davon ab, wo die p-leitende und die n-leitende Schicht angeordnet sind.
In einer weiteren möglichen Ausführung ist der Leiterrahmen zweiteilig in Form zweier Streifen ausgebildet. Diese Streifen können parallel angeordnet und dazwischen das Modul geklemmt sein. Wieder kann der Leiterrahmen den ersten elektrischen Anschluss bilden. Bevorzugt ist weiterhin ein Metallblock zwischen diese Streifen geklemmt, der als zweiter elektrischer Anschluss dienen kann. Das Modul kann auch hier durch Bonddrähte mit dem zweiten elektrischen Anschluss verbunden sein. Der Leiterrahmen ist dabei lediglich mit zwei Seitenflächen des Moduls verbunden.
Ferner ist denkbar, dass der Leiterrahmen mehrteilig ausgebildet ist.
Der Träger ist vorzugsweise als Wärmesenke ausgebildet. Der Vorteil der oben beschriebenen Anordnung ist, dass die Wärmesenke zur weiteren Kühlung des Laserbarrenchips direkt auf den Sockel, der bevorzugt einen Kühlkörper bildet, montiert werden kann, ohne dass die Wärme durch eine zusätzliche Schicht oder den Leiterrahmen geführt werden muss. Dadurch können thermische Verspannungen, die an Grenzflächen zwischen Materialien mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auftreten, verringert werden.
Die Wärmesenke enthält vorzugsweise ein Material mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten, der dem Halbleitermaterial des Laserbarrenchips, von dem es kontaktiert wird, angepasst ist. Angepasst bedeutet dabei, dass sich die thermischen Ausdehnungskoeffizienten höchstens um 3 ppm/K unterscheiden. Bevorzugt unterscheiden sie sich um 1 oder weniger als 1 ppm/K. Besonders bevorzugt weisen sie den gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf.
Beispielsweise beträgt der thermische Ausdehnungskoeffizient von Galliumarsenid 6 ppm/K. Vorteilhafterweise wird bei einem Laserbarrenchip, der Galliumarsenid enthält, für die Wärmesenke ein Material mit einem an den thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Galliumarsenid angepassten thermischen Ausdehnungskoeffizienten verwendet. Hierbei eignen sich besonders die Materialien Aluminiumnitrid, Siliziumkarbid und vor allem Kupfer-Wolfram oder Kupfer-Diamant. Der thermische Ausdehnungskoeffizient von Kupfer-Wolfram und Kupfer-Diamant ist günstigerweise einstellbar, d. h. über das Verhältnis des Wolfram- bzw. Diamant-Anteils zum Kupfer-Anteil kann der thermische Ausdehnungskoeffizient zwischen 4,5 ppm/K bzw. 1,1 ppm/K (Diamant) und 17 ppm/K (Kupfer) eingestellt werden, wobei vorzugsweise ein thermischer Ausdehnungskoeffizient von ca. 6 ppm/K gewählt wird.
Für eine Reduzierung des thermischen Widerstandes (der bei Wärmeleitung als Übergangswiderstand oder konvektiver Wärmewiderstand auftritt), der von der laseraktiven Zone bis zum Sockel auftritt, ist in einer besonderen Ausführung eines Halbleiterlaserbauelements ein aktiv gekühlter Sockel vorgesehen. Dieser enthält ein System aus Mikrokanälen, vorzugsweise mit einer großen Oberfläche, die von einer Kühlflüssigkeit oder einem Kühlgas durchströmt werden. Ferner ist der Sockel, der als Kühlkörper dient, aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit, beispielsweise Cu, gebildet. Ein solcher Sockel wird als Mikrokanalkühler (MCC) bezeichnet.
Der Laserbarrenchip wird bevorzugt mit Hartlot, beispielsweise AuSn, auf den Träger gebondet, wodurch eine gute Zyklenbeständigkeit erreicht werden kann. Unter Zyklenbeständigkeit ist dabei die Beständigkeit bei wechselnder thermischer Belastung zu verstehen. Eine solche Hartlotmontage ist hinsichtlich der Alterung vorteilhaft, da diese Montage auch bei höheren Temperaturen bis etwa 450°C beständig ist.
Durch das Hartlot kann der Laserbarrenchip elektrisch leitend und wärmeleitend mit dem Träger verbunden werden. Ferner kann zwischen dem Träger und dem Laserbarrenchip eine Kontaktmetallisierung angeordnet sein, die den Laserbarrenchip mit dem Leiterrahmen elektrisch leitend verbindet.
Die Kontaktmetallisierung kann als homogene Metallschicht ausgebildet sein. Alternativ kann die Kontaktmetallisierung strukturiert sein. Die Ausgestaltung der Kontaktmetallisierung ermöglicht unterschiedliche Verschaltungen von Laserdioden des Laserbarrenchips.
Als Verbindung zwischen dem Träger und dem Sockel wird vorzugsweise ein Weichlot, beispielsweise AgSn, verwendet, das bei Temperaturen verarbeitet werden kann, bei denen keine thermischen Deformierungen von Teilen des Bauelements zu erwarten sind. Somit kann der Sockel nach der Laserbarrenchipmontage angebracht werden. Alternativ kann auch ein Hartlot verwendet werden.
Vorzugsweise bilden der Teil des Leiterrahmens, der das Modul zangenartig einschließt, zusammen mit dem Träger, der mit dem Leiterrahmen verbunden ist, den ersten elektrischen Anschluss des Halbleiterlaserbauelements. Ein elektrisch isolierter Teil, der sich zwischen den zangenförmigen Enden des Leiterrahmens befinden kann, bildet bevorzugt den zweiten elektrischen Anschluss und ist durch Bonddrähte mit der Oberseite des Laserbarrenchips verbunden. Die Polarität der Anschlüsse hängt vom Leitungstyp der Schicht an der der Chipmontagefläche zu- und abgewandten Seite des Laserbarrenchips ab.
Als besonders vorteilhaft für die Stabilität des Leiterrahmens kann sich eine Umhüllung mit einer Formmasse erweisen, in die der Leiterrahmen zumindest teilweise eingebettet ist. Diese Umhüllung kann beispielsweise in einem Spritzguss- oder Spritzpressverfahren entstehen.
Ein erfindungsgemäßes Halbleiterlaserbauelement kann zuverlässig und alterungsstabil im Dauerstrichbetrieb bei einer Ausgangsleistung größer 5 W betrieben werden. Bevorzugt ist die Ausgangsleistung größer als 100 W. Besonders bevorzugt beträgt sie 300 W. Ferner ist auch ein Betrieb des Bauelements im Pulsbetrieb möglich.
Die Abstrahlung der vom Halbleiterlaserbauelement emittierten Strahlung kann in vertikaler Richtung relativ zu einer Chipmontagefläche des Laserbarrenchips erfolgen. Vorzugsweise erfolgt die Abstrahlung in lateraler Richtung.
Die erfindungsgemäße Konstruktion des Halbleiterlaserbauelements ermöglicht eine leichte Handhabung des Bauelements bei nachfolgenden Herstellungsschritten, da es am Leiterrahmen leicht gefasst werden kann. Ferner tritt keine besondere Erwärmung des Leiterrahmens im Laufe des Herstellungsprozesses und im Betrieb auf, da der Hauptwärmestrom direkt durch den Träger zum Sockel abgeführt und die Kontaktfläche zwischen dem Leiterrahmen und dem Sockel klein gehalten wird.
Die Konstruktion des Halbleiterlaserbauelements aus einem Modul und einem Leiterrahmen, der das Modul teilweise umgibt, kann sich kostengünstig auswirken, da auf große Wärmesenken verzichtet werden kann, auf denen Platz für sowohl n- als auch p-Kontakte vorgesehen sein muss. Des weiteren ist durch die Verwendung von Leiterrahmen eine im Vergleich zur herkömmlichen Einzelbarrenmontage kostensenkende Serienfertigung (Leadframe-Technologie) möglich. Ferner lassen sich relativ kleine Träger in der Größe des Laserbarrenchips verwenden, wodurch ebenfalls Kosten gesenkt werden können.
Weitere Merkmale, Vorteile und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgend in Verbindung mit den 1 bis 4 erläuterten Ausführungsbeispielen.
Es zeigen:
1a eine schematische dreidimensionale Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Halbleiterlaserbauelements,
1b eine schematische dreidimensionale Ansicht eines Trägers für ein erfindungsgemäßes Halbleiterlaserbauelement,
2 eine schematische Schnittansicht eines ersten Mikrokanalkühlers für das erste Ausführungsbeispiel,
3 eine schematische dreidimensionale Ansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Halbleiterlaserbauelements,
4 eine schematische Schnittansicht eines zweiten Mikrokanalkühlers für das zweite Ausführungsbeispiel.
In den Ausführungsbeispielen und Figuren sind gleiche oder gleichwirkende Bestandteile jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
In 1a ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines Halbleiterlaserbauelements schematisch dargestellt. Das Halbleiterlaserbauelement 1 weist im wesentlichen drei verschiedene Bauteilgruppen auf, die sich durch ihre Funktion unterscheiden.
Eine erste Bauteilgruppe I bildet der Laserbarrenchip 3, der in lateraler Richtung elektromagnetische Strahlung 14 abstrahlt. Die Strahlung 14 verlässt den Laserbarrenchip 3 vorzugsweise auf nur einer Strahlungsaustrittsseite, wobei die der Strahlungsaustrittsseite gegenüberliegende Seite verspiegelt sein kann und deshalb kaum Strahlung durchlässt. Die Strahlung 14 kann das Halbleiterlaserbauelement ungehindert verlassen, d. h. dass das Halbleiterlaserbauelement 1 keine Elemente zur Richtungsänderung der Strahlung, beispielsweise Reflektoren, aufweist.
Der Laserbarrenchip kann beispielsweise top-down montiert sein und auf seiner der Chipmontagefläche abgewandten Seite eine Metallisierung 21 aufweisen, die mittels Bonddrähten mit einem elektrischen Anschluss 8 elektrisch leitend verbunden ist.
Der Laserbarrenchip 3 kann beispielsweise für einen Dauerstrichbetrieb mit einer Ausgangsleistung bis zu 300 W vorgesehen sein.
Bevorzugt enthält der Laserbarrenchip 3 GaAs oder AlGaAs oder ein anderes III-V-Verbindungshalbleitermaterial.
Eine zweite Bauteilgruppe II, umfassend einen Leiterrahmen 4 und einen Metallblock 8, ermöglicht die elektrische Versorgung des Laserbarrenchips 3. Der Leiterrahmen 4 bildet einen ersten elektrischen Anschluss. Der Metallblock 8 bildet einen zweiten elektrischen Anschluss. Dabei enthält der Leiterrahmen 4 vorzugsweise Kupfer. Der Laserbarrenchip 3 ist über einen Träger 6, der beispielsweise auf seiner Chipmontagefläche eine Kontaktmetallisierung 5 aufweist, an den Leiterrahmen 4 elektrisch angeschlossen. Zwischen dem Laserbarrenchip 3 und dem Metallblock 8 sind Drahtverbindungen 10 angebracht.
Eine dritte Bauteilgruppe III dient der Kühlung des Laserbarrenchips 3 und sorgt somit für ein alterungsstabiles Funktionieren des Halbleiterlaserbauelements 1. Dazu weist sie einen Träger 6, vorzugsweise in Form eines Submounts, auf, der auf einem Sockel 7, z. B. einem Mikrokanalkühler, aufsitzt.
Vorzugsweise enthält der Träger 6 ein besonders gut wärmeleitendes Material, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient an den des Laserbarrenmaterials angepasst ist. Besonders bevorzugt werden Kupfer-Wolfram, Kupfer-Diamant, Aluminiumnitrid oder Siliziumkarbid als Trägermaterial verwendet.
Nachfolgend wird beschrieben, wie die drei genannten Bauteilgruppen miteinander verbunden sind.
Wie in 1a dargestellt ist der Leiterrahmen H-förmig ausgebildet und ist horizontal orientiert. Zwischen den parallelen Streifen 4a und 4b des Leiterrahmens 4 ist am unteren Ende des Leiterrahmens 4 der Metallblock 8 eingebunden. Zur Fixierung des Metallblocks 8 im Halbleiterlaserbauelement 1 verläuft durch die Streifen 4a und 4b und den Metallblock 8 ein Verbindungssteg 15, der ein elektrisch isolierendes Material enthält, beispielsweise ein Kunststoffmaterial oder ein Keramikmaterial.
Der Laserbarrenchip 3 ist vorzugsweise mittels einer Hartlotverbindung, z. B. AuSn, auf die Chipmontagefläche des Trägers 6 aufgebracht und zwar bevorzugt dergestalt, dass eine Kante des Laserbarrenchips 3 mit einer Kante des Trägers 6 bündig abschließt. Der Träger 6 ist mit einer Hartlotverbindung oder besonders bevorzugt mittels einer Weichlotverbindung, z. B. AgSn, auf der Oberseite des Sockels 7 befestigt.
Das Modul aus den Bauteilgruppen I und III wird mit der oberen Seite des H-förmigen Leiterrahmens so verschweißt, dass der Leiterrahmen 4 den Träger 6 an drei Seiten umschließt und mit den Seitenflächen des Trägers 6 teilweise verbunden ist.
Durch diese Anordnung wird die entstehende Verlustwärme hauptsächlich in vertikaler Richtung und direkt durch den Träger abgeführt. Einerseits wird so ein stabiler Betrieb des Halbleiterlaserbauelements 1 ermöglicht. Andererseits kann dadurch eine thermisch bedingte Ausdehnung des Leiterrahmens 4 verringert werden, was sich für die Stabilität des Moduls bestehend aus dem Leiterrahmen 4, dem Verbindungssteg 15 und dem eingebundenen Metallblock 8 als vorteilhaft erweist.
In 1b ist eine mögliche Ausführungsform eines Trägers dargestellt. Der Träger 6 weist dabei eine quaderförmige Gestalt auf. Die sechs Flächen des Quaders werden von der Chipmontagefläche 6a, der Bodenfläche 6b und den vier Seitenflächen 6c gebildet.
Gemäß 1a ist eine Kühlanordnung 7 an den Träger 6 angekoppelt. In 2 ist der Querschnitt einer möglichen Kühlanordnung, die einen geschlossenen Kühlkreislauf bildet, schematisch dargestellt. Dieser Kühlkreislauf ist mit einer Flüssigkeit, wie beispielsweise Wasser, unter einem Druck gefüllt, der in der Nähe des Dampfdrucks liegt. Durch die Wärmeerzeugung im Träger 6 verdampft Flüssigkeit in einer im Träger 6 ausgebildeten Vertiefung und steigt über eine Verbindungsleitung in einen Kühlkörperinnenraum 16 auf. An den Innenflächen der Kühlrippen 17, die in Verbindung mit dem Kühlkörperinnenraum 16 liegen, kondensiert die verdampfte Kühlflüssigkeit und fällt in eine Sammeleinrichtung 18 zurück. Die Sammeleinrichtung 18 bzw. die rückführende Verbindungsleitung 19 ist vorzugsweise mit einem porösen Material gefüllt, so dass die Flüssigkeit mittels Kapillarkräften zum Träger 6 zurückgeführt werden kann. Mit einer derartigen Anordnung sind Wärmekoeffizienten im Bereich von 100.000 W/m²K erzielbar.
Die in dem Ausführungsbeispiel dargestellte Kühlrippenstruktur ist bei diesem sogenannten Heat-Pipe-Konzept nicht zwingend notwendig, sie vergrößert allerdings die für den Wärmeaustausch genutzte Oberfläche bedeutend. Zusätzlich zu der Kühlrippenstruktur oder anstelle der Kühlrippenstruktur kann auch noch über eine freie oder mit einem Lüfter erzwungene Konvektion die Wärme abgeführt werden. Ebenfalls ist der zusätzliche Einsatz einer konventionellen Wärmesenke möglich.
3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines Halbleiterlaserbauelements. Wie das erste Ausführungsbeispiel weist das Halbleiterlaserbauelement 1 drei verschiedene Bauteilgruppen auf, die sich in ihrer Funktion unterscheiden.
Die erste Bauteilgruppe I wird vom Laserbarrenchip 3 gebildet, der vorzugsweise ein Halbleitermaterial aus einer III-V-Verbindung enthält. Der Laserbarrenchip 3 emittiert auf einer Strahlungsaustrittsseite elektromagnetische Strahlung 14 in lateraler Richtung. Denkbar ist auch eine vertikale Abstrahlung. Der Laserbarrenchip 3 weist an seiner der Chipmontagefläche gegenüberliegenden Oberseite eine Metallisierung 21 auf, die elektrisch angeschlossen werden und einen ohmschen Kontakt bilden kann.
Die zweite Bauteilgruppe II besteht aus dem Leiterrahmen 4 und dem Metallblock 8. Der Leiterrahmen 4 ist im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel zweiteilig ausgebildet und weist zwei parallel zueinander angeordnete Metallstreifen 4a und 4b auf. Auch hier bildet der Leiterrahmen 4 den ersten elektrischen Anschluss und der Metallblock 8 den zweiten elektrischen Anschluss. Die Kontaktierung kann entsprechend des ersten Ausführungsbeispiels erfolgen.
Der Metallblock 8 ist zwischen die Metallstreifen 4a und 4b geklemmt. Die Kontaktflächen zwischen den Metallstreifen 4a, 4b und dem Metallblock 8 sind mit einer Isolierschicht 9, z. B. einem nicht leitenden Kleber, bedeckt, die zugleich haftvermittelnd wirken kann. Die Anordnung aus Metallstreifen 4a, 4b und Metallblock 8 erhält somit eine zangenartige bzw. klemmenartige Gestalt.
In diese Anordnung kann das Modul aus Laserbarrenchip 3 und Träger 6, der sich auf dem Sockel 7 befindet (Bauteilgruppe III), eingespannt werden, so dass die Metallstreifen 4a und 4b jeweils eine Seitenfläche des Trägers 6 teilweise bedecken.
Entsprechend der vorhergehenden Ausführungen kann der Träger 6 als Wärmesenke ausgebildet sein und dabei ein Material mit einem an den Laserbarrenchip 3 angepassten thermischen Ausdehnungskoeffizienten enthalten. Zur weiteren Kühlung befindet sich der Träger 6 auf einer Kühlanordnung, dem Sockel 7. Dieser wird durch die 4 näher erläutert.
Gemäß 4 weist der Sockel 7 eine aktiv gekühlte Wärmesenke auf, die ein Mikrokanalsystem 11 mit einem Zulauf 12 und einem Ablauf 13 für ein Kühlmittel aufweist, das das Mikrokanalsystem 11 durchströmt. Das Kühlmittel ist eine Flüssigkeit, insbesondere Wasser, oder ein Gas.
Es versteht sich, dass die in der Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung sowohl einzeln als auch in jeder möglichen Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein können.

Claims

Halbleiterlaserbauelement (1) mit – einem Laserbarrenchip (3), – einem Leiterrahmen (4) und – einem Träger (6) mit – einer Chipmontagefläche (6a), – einer der Chipmontagefläche (6a) gegenüberliegenden Bodenfläche (6b) und – mindestens einer von der Chipmontagefläche (6a) zur Bodenfläche (6b) verlaufenden Seitenfläche (6c), wobei – der Laserbarrenchip (3) auf der Chipmontagefläche (6a) des Trägers (6) angeordnet ist, – der Leiterrahmen (4) zwei Streifen (4a, 4b) aufweist, die je mit einer Seitenfläche (6c) des Trägers (6) verbunden sind, und – einem Metallblock (8), der elektrisch isoliert zwischen den Streifen (4a, 4b) angeordnet ist, wobei der Metallblock (8) einen elektrischen Anschluss des Laserbarrenchips (3) bildet.
Halbleiterlaserbauelement (1) nach Anspruch 1, wobei der Laserbarrenchip (3) ein III-V-Verbindungshalbleitermaterial enthält.
Halbleiterlaserbauelement (1) nach Anspruch 2, wobei der Laserbarrenchip (3) GaAs oder AlGaAs enthält.
Halbleiterlaserbauelement (1) nach Anspruch 2, wobei der Laserbarrenchip (3) GaP, GaN, GaAlInP, GaAlInN oder GaAlInPN enthält.
Halbleiterlaserbauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine laterale Abmessung des Laserbarrenchips (3) zwischen 0,4 und 10 mm beträgt.
Halbleiterlaserbauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Leiterrahmen (4) einteilig ausgebildet ist.
Halbleiterlaserbauelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Leiterrahmen (4a, 4b) zwei- oder mehrteilig ausgebildet ist.
Halbleiterlaserbauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich der thermische Ausdehnungskoeffizient des Halbleitermaterials, das im Laserbarrenchip (3) enthalten ist und den Träger (6) kontaktiert, und des Trägers (6) maximal um 3 ppm/K voneinander unterscheiden.
Halbleiterlaserbauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Träger (6) eine vorzugsweise metallische Kupfer-Wolfram-Verbindung enthält.
Halbleiterlaserbauelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Träger (6) ein Kupfer-Diamant-Gemisch enthält.
Halbleiterlaserbauelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Träger (6) Aluminiumnitrid enthält.
Halbleiterlaserbauelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Träger (6) Siliziumkarbid enthält.
Halbleiterlaserbauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Träger (6) auf einem Kühlkörper (7) angeordnet ist.
Halbleiterlaserbauelement (1) nach Anspruch 13, wobei der Kühlkörper (7) ein Mikrokanalsystem (11) zur aktiven Kühlung aufweist.
Halbleiterlaserbauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Laserbarrenchip (3) mittels eines Hartlotes mit dem Träger (6) verbunden ist.
Halbleiterlaserbauelement (1) nach Anspruch 13 oder 14, wobei der Träger (6) durch ein Weichlot mit dem Kühlkörper (7) verbunden ist.
Halbleiterlaserbauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Leiterrahmen (4) einen elektrischen Anschluss des Halbleiterlaserbauelements (1) bildet.
Halbleiterlaserbauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Laserbarrenchip (3) durch Bonddrähte (10) mit dem Metallblock (8) verbunden ist.
Halbleiterlaserbauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Halbleiterlaserbauelement (1) für einen Dauerstrichbetrieb vorgesehen ist.
Halbleiterlaserbauelement (1) nach Anspruch 19, wobei das Halbleiterlaserbauelement (1) für Leistungen im Bereich zwischen 5 W und 300 W vorgesehen ist.
Halbleiterlaserbauelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 18, wobei das Halbleiterlaserbauelement (1) für einen Pulsbetrieb vorgesehen ist.