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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein optisches Halbleitermodul.
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Als
Verfahren zum Erzielen einer hohen optischen Leistung mit einem
optischen Halbleitermodul wurden in bekannter Weise eine Mehrzahl
von Laserdioden (im Folgenden als LD bezeichnet) auf einer Montagebasis
ausgerichtet, eine Mehrzahl von einzelnen LD in einem Halbleiterchip
integriert oder eine bekannte LD-Leiste aus einer Mehrzahl von LD
aufgebaut (s. z.B. Abs. 0030 und 1 der
japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 2002/232061).
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Ein
bekanntes Hochleistungs-LD-Feld ist im Allgemeinen so aufgebaut,
dass die jeweiligen einzelnen LD elektrisch parallel geschaltet
sind. Da es bei der LD-Leiste, die besonders häufig verwendet wird, unvermeidbar
ist, dass ein Substrat ein gemeinsamer Anschluss für die jeweiligen
LD ist, sind alle LD parallel geschaltet. Wenn eine einzelne LD
eine Kurzschlussstörung
bewirkt, konzentriert sich ein dem gesamten Feld zugeführter Strom
auf die gestörte
LD, und den anderen LD wird kein Strom zugeführt. Das führt zu einem Problem, dass
die Oszillation des gesamten Feldes beendet wird, auch wenn die
anderen LD in der Lage sind, gut zu arbeiten.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die obigen Probleme
zu lösen
und ein LD-Feld bereitzustellen, bei dem auch in dem Fall, in dem
eine einzelne LD eine Kurzschlussstörung bewirkt, eine Funktion
erzielt werden kann, dass die Oszillation der anderen LD in demselben
Feld fortgesetzt werden kann, ohne dass gesondert eine Sicherung
außerhalb
der LD verwendet wird, und bei dem in dem Fall einer Konstantstromsteuerung
ein Verlust einer optischen Leistung durch die LD bei der Kurzschlussstörung kompensiert
werden kann, indem automatisch ein Strom, der durch die gestörte LD floss, bis
der Kurzschluss auftrat, anteilweise den anderen LD zugeführt wird
und der in den anderen LD fließende
Strom erhöht
wird.
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Die
Aufgabe wird gelöst
durch ein optisches Halbleitermodul gemäß Anspruch 1 mit:
- • einem
oder einer Mehrzahl von Halbleiterchips, die jeweils eine oder eine
Mehrzahl von Laserdioden enthalten,
- • einer
Montagebasis bzw. einem Kühlkörper, auf dem
der eine oder die Mehrzahl von Halbleiterchips angebracht sind,
und
- • einem
Bonddraht, der dem Halbleiterchip einen Betriebsstrom zuführt;
wobei
Material, Durchmesser und Form des Bonddrahts so gewählt sind,
dass der Bonddraht durchbrennt, wenn ein vorgegebener über dem
Betriebsstrom der Laserdiode liegender Überstrom angelegt wird.
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Weitere
Merkmale und Zweckmäßigkeiten der
Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen
anhand der beigefügten Zeichnungen.
Von den Figuren zeigen:
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1 eine
perspektivische Ansicht, die einen Übersichtsaufbau einer ersten
Ausführungsform zeigt;
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2 ein
Schaltbild des LD-Felds der ersten Ausführungsform;
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3 eine
perspektivische Ansicht, die einen Übersichtsaufbau einer zweiten
Ausführungsform
zeigt;
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4 ein
Schaltbild des LD-Felds der zweiten Ausführungsform;
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5 eine
perspektivische Ansicht, die einen Übersichtsaufbau einer dritten
Ausführungsform zeigt;
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6 ein
Schaltbild des LD-Felds der dritten Ausführungsform;
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7 eine
perspektivische Ansicht, die einen Übersichtsaufbau einer vierten
Ausführungsform zeigt;
und
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8 ein
Schaltbild des LD-Felds der vierten Ausführungsform.
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Im
Folgenden werden Ausführungsformen der
vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
Gleiche Referenzzeichen bezeichnen durch die Zeichnungen hindurch
gleiche Komponenten, und redundante Beschreibungen unterbleiben.
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Im
Folgenden wird mit Bezug auf 1 und 2 eine
erste Ausführungsform
der Erfindung beschrieben. 1 ist eine
perspektivische Ansicht, die einen Übersichtsaufbau der ersten
Ausführungsform zeigt.
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Wie
in dieser Figur dargestellt, ist ein LD-Feld 1 der ersten
Ausführungsform
so aufgebaut, dass eine Mehrzahl von einzelnen LD 3A bis 3G auf einer
Montagebasis 2 aus leitendem CuW angebracht sind. Eine
Metallplatte 6, die ein leitender Abschnitt wird, ist über einer
Isolierplatte 5 an einer von den jeweiligen einzelnen LD
getrennten Stelle angebracht, und die jeweiligen LD 3A bis 3G und
die Metallplatte 6 sind über einen Bonddraht 7 verbunden. Eine
Ansteuerschaltung 8 für
das LD-Feld 1 ist zwischen der Metallplatte 6 und
der Montagebasis 2 angeschlossen.
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Die
jeweiligen LD 3A bis 3G sind so angebracht, dass
die jeweiligen Seiten der (nicht dargestellten) pn-Übergänge auf
der Seite der Montagebasis 2 liegen.
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Der
Bonddraht 7 ist beispielsweise gebildet durch Bündeln von
sieben Adern aus einem Goldmaterial (Au) mit einem Durchmesser von
25 μm. Material,
Durchmesser und Anzahl der Adern des Bonddrahts 7 sind
so ausgewählt,
dass der Bonddraht 7 durchbrennt und die LD elektrisch
freigibt, wenn ein Überstrom
von 5A bis 6A mit Bezug auf den normalen Betriebsstrom von 1A (500%
bis 600 mit Bezug auf den Betriebsstrom) hindurchfließt, der
den jeweiligen LD von der Ansteuerschaltung 8 über die
Metallplatte 6 zugeführt
wird. Wenn ein Bonddraht aus Au verwendet wird, bedeutet dies, dass
der Durchmesser und die Anzahl der Adern so ausgewählt werden
können,
dass eine Stromdichte in dem Draht 1,46·105 A/cm2 bis 1,75·105 A/cm2 wird, wenn der LD ein Überstrom von 5A bis 6A zugeführt wird.
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Wenn
der Aderdurchmesser beispielsweise 20 m beträgt, kann der Bonddraht durch
das Bündeln von
11 Adern aufgebaut sein. Wenn der Aderdurchmesser 30 μm beträgt, kann
der Bonddraht durch Bündeln
von 5 Adern aufgebaut sein.
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Weiterhin
wurde die Beschreibung für
die LD gegeben, deren normaler Betriebsstrom 1A beträgt. Im Fall
einer LD, deren normaler Betriebsstrom 0,8A beträgt, können das Material, der Durchmesser
und die Anzahl der Adern des Bonddrahtes so ausgewählt werden,
dass der Bonddraht 7 durchbrennt und die LD elektrisch
freigibt, wenn ein Überstrom
von 4A bis 4,8A (500% bis 600% mit Bezug auf den Betriebsstrom)
zugeführt
wird.
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Dabei
wurde die Beschreibung für
eine bevorzugte Ausführungsform
gegeben. Die untere Grenze für
den Aderdurchmesser und die Anzahl von Adern des Bonddrahts kann
jedoch ein Wert sein, der durch Multiplizieren eines Wertes, bei
dem der Bonddraht bei dem normalen Betriebsstrom der LD nicht durchbrennt,
mit einem Sicherheitskoeffizienten gewonnen wird. Die obere Grenze
des Aderdurchmessers und der Anzahl von Adern des Bonddrahtes kann
ein Wert sein, bei dem der Bonddraht durchbrennt entweder bei einem
Wert, der kleiner ist als ein Stromwert, bei dem die LD vollständig beschädigt wird
(10qA in dieser Ausführungsform)
oder bei einem Wert „Anzahl
der auf dem LD-Feld angebrachten LD" * "normaler
Betriebsstrom der LD".
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Weiter
stellen 4A bis 4G Lichtabstrahlbereiche der jeweiligen
LD dar.
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2 zeigt
ein Schaltbild des LD-Felds 1. Von den LD sind jedoch nur 3A bis 3E dargestellt. Wenn
eine einzelne LD, beispielsweise 3A, eine Kurzschlussstörung erzeugt,
während
das LD-Feld 1 angesteuert wird, wird eine elektrische Potenzialdifferenz
zwischen beiden Enden der LD 3A sehr klein. Entsprechend
fließt
ein höherer
Strom, beispielsweise ein Überstrom
von 5A bis 6A mit Bezug auf den Betriebsstrom von 1A, durch die
LD 3A. Auf Grund dieses Überstroms brennt der Bonddraht 7 durch. Daher
wird die LD 3A, die die Kurzschlussstörung bewirkt hat, automatisch
von der Schaltung getrennt.
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Wenn
das LD-Feld 1 mit einem Konstantstrom angesteuert wurde,
wird der Strom, der in der gestörten
LD 3A floss, anteilweise den anderen LD 3B bis 3E zugeführt. Somit
kann die Oszillation als ganzes Feld fortgeführt werden. Weiterhin wird
die Oszillation der gestörten
LD 3A beendet, und eine optische Leistung von der LD 3A wird
0. Die optischen Leistungen der anderen LD 3B bis 3E werden jedoch
durch den Strom, der anteilweise den anderen LD 3B bis 3E zugeführt wird,
ein wenig angehoben, was den Verlust an optischer Leistung durch
das Beenden der Oszillation der gestörten LD 3A kompensiert.
Diese Funktion, dass die optische Leistung bei der Konstantstromansteuerung
automatisch kompensiert wird, ist in den weiter unten beschriebenen anderen
Ausführungsformen ähnlich.
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Als
Nächstes
wird mit Bezug auf 3 und 4 eine zweite
Ausführungsform
der Erfindung beschrieben. 3 ist eine
perspektivische Ansicht, die einen Übersichtsaufbau der zweiten
Ausführungsform
zeigt. In dieser Figur werden dieselben Bezugszeichen wie in 1 für Komponenten
verwendet, die identisch mit denen in 1 sind oder
ihnen entsprechen, und ihre Beschreibung unterbleibt.
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In 3 sind 31A bis 31D Halbleiterchips, die
eine Mehrzahl einzelner LD enthalten. Die jeweiligen Halbleiterchips 31A bis 31D sind
so angebracht, dass die jeweiligen Seiten der (nicht dargestellten) pn-Übergänge der
jeweiligen LD auf der Seite der leitenden Montagebasis 2 liegen. 41A bis 41H stellen Lichtabstrahlbereiche
der Mehrzahl von LD dar, die in den jeweiligen Halbleiterchips enthalten
sind.
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4 zeigt
ein Schaltbild des LD-Felds 1 von 3. Von den
Halbleiterchips sind jedoch nur 31A bis 31C dargestellt.
Weiterhin stellen 51A bis 51C Substratabschnitte
der jeweiligen Halbleiterchips 31A bis 31C dar.
Da die Mehrzahl der einzelnen in demselben Halbleiterchip enthaltenen
LD ein gemeinsames Substrat aufweist, ist das Schaltbild wie in 4 dargestellt.
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Wenn
eine LD aus der Mehrzahl der in einem Halbleiterchip, z.B. 31A,
enthaltenen LD eine Kurzschlussstörung verursacht, brennt der
mit dem Halbleiterchip 31A verbundene Bonddraht durch.
Somit wird der Halbleiterchip 31A von der Schaltung getrennt
und die Stromzufuhr zu dem Halbleiterchip 31A wird automatisch
beendet. Die anderen Halbleiterchips 31B und 31C können jedoch
ihre Oszillation fortsetzen.
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Verglichen
mit der ersten Ausführungsform ist
die Anzahl der mit dem Halbleiterchip von der Schaltung getrennten
LD größer, wenn
die Kurzschlussstörung
in einem Halbleiterchip verursacht wird. Diese Ausführungsform
hat jedoch die Wirkung, dass die Anzahl der bei der Herstellung
des LD-Felds 1 aufzubringenden Halbleiterchips verringert
werden kann.
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Als
Nächstes
wird mit Bezug auf 5 und 6 eine dritte
Ausführungsform
der Erfindung beschrieben. 5 ist eine
perspektivische Ansicht, die einen Übersichtsaufbau der dritten
Ausführungsform zeigt.
In dieser Figur werden dieselben Bezugszeichen wie in 1 für Komponenten
verwendet, die identisch mit denen in 1 sind oder
ihnen entsprechen, und ihre Beschreibung unterbleibt.
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In 5 bezeichnet
das Bezugszeichen 32 eine LD-Leiste, die durch integrales
Ausformen einer Mehrzahl von LD aus einem Wafer gewonnen wird. Die
LD-Leiste ist so angebracht, dass die den Seiten der (nicht dargestellten)
pn-Übergänge der
jeweiligen LD entgegengesetzten Seiten auf der Seite der leitenden
Montagebasis 2 als gemeinsamer Elektrode liegen. Wie in
der Figur dargestellt, sind die Elektroden 32A bis 32K der
jeweiligen LD auf einer Deckfläche
der LD-Leiste 32 als unabhängige Elektroden angeordnet,
und die jeweiligen Elektroden 32A bis 32K und die
Metallplatte 6 sind über
den Bonddraht 7 miteinander verbunden. 42A bis 42K stellen
Lichtabstrahlbereiche der jeweiligen LD 32A bis 32K dar.
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6 zeigt
ein Schaltbild des LD-Felds 1 von 5. Das Bezugszeichen 36 bezeichnet
einen Substratabschnitt der LD-Leiste 32, der die gemeinsame
Elektrode für
die Mehrzahl von LD wird.
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Wenn
eine LD in der LD-Leiste 32 eine Kurzschlussstörung verursacht,
konzentriert sich in diesem Fall ein Strom auf die LD in der Kurzschlussstörung. Jedoch
nur der Bonddraht 7 für
diese eine LD brennt durch, und nur diese LD wird von der Schaltung
getrennt. Somit können
die anderen LD in der LD-Leiste 32 ihre Oszillation fortsetzen.
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In
dieser Ausführungsform
ist es vorteilhaft, dass die Anzahl der LD-Leisten, die chipgebondet werden
muss, lediglich 1 beträgt.
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Als
Nächstes
wird mit Bezug auf 7 und 8 eine vierte
Ausführungsform
der Erfindung beschrieben. 7 ist eine
perspektivische Ansicht, die einen Übersichtsaufbau der vierten
Ausführungsform zeigt.
Während 5 der
dritten Ausführungsform das
LD-Feld 1, das die LD-Leiste 32 enthält, von
der Seite einer vorderen Endfläche
aus gesehen zeigt, zeigt 7 das LD-Feld von der Seite
einer hinteren Endfläche
aus gesehen.
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In 7 ist
die LD-Leiste 32 auf einer Montagebasis 20 angebracht,
die aus isolierendem AlN besteht. Die Metallplatte 6, die
ein Leitabschnitt wird, ist an einer Stelle getrennt von der LD-Leiste 32 angebracht.
Die LD-Leiste 32 ist so angebracht, dass die Seiten der
(nicht dargestellten) pn-Übergänge der jeweiligen
LD mit der Montagebasis 20 in Kontakt sind. Eine Mehrzahl
von Metallisierungen 33A bis 33K, deren Enden
jeweils mit den Elektroden auf den Seiten der pn-Übergänge der
jeweili gen LD, d.h. den Elektroden auf der Seite des Lichtabstrahlpunkts, verbunden
sind und die strukturiert sind, sind auf der Montagebasis 20 so
angebracht, dass sie sich zu der Seite der Metallplatte 6 hin
erstrecken. Die jeweiligen Metallisierungen und die Metallplatte 6 sind
durch den Bonddraht 7 miteinander verbunden, der ähnlich wie
in der ersten Ausführungsform
ausgebildet ist.
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34 stellt
eine hintere Endfläche
der LD-Leiste 32 dar. 35A bis 35K stellen
Lichtabstrahlbereiche der Mehrzahl von LD in der LD-Leiste 32 dar.
Weiter ist 8 eine Ansteuerschaltung des LD-Felds 1.
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8 zeigt
ein Schaltbild des LD-Felds 1 von 7. 36 ist
ein Substratabschnitt der LD-Leiste 32, der eine gemeinsame
Elektrode für
die Mehrzahl von LD wird.
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Wenn
eine LD in der LD-Leiste 32 eine Kurzschlussstörung verursacht,
brennt der Bonddraht 7 durch und trennt die gestörte LD von
der Schaltung. Somit können ähnliche
Funktionen und Wirkungen wie jeweils bei den vorigen Ausführungsformen
erzielt werden.
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Weiterhin
ist die LD-Leiste 32 in dieser Ausführungsform so auf der Montagebasis 20 angebracht,
dass die Seiten der pn-Übergänge der
jeweiligen LD mit der Montagebasis 20 in Kontakt sind. Daher
gibt es Vorteile, dass gute Wärmeableiteigenschaften
erzielt werden können.
Die Anzahl von LD-Leisten, die chipgebondet werden, ist lediglich
1. Weiterhin wird auch in dieser Ausführungsform nur eine LD in der
Kurzschlussstörung
automatisch von der Schaltung getrennt, und die Oszillation des
gesamten LD-Felds kann fortgesetzt werden.
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In
den vorigen Ausführungsformen
wurden jeweils Fälle
beschrieben, in denen CuW bzw. AlN als Bestandteil für die Montagebasis beschrieben
wurden. Materialien sind jedoch nicht darauf eingeschränkt, und ähnliche
Effekte können
durch Verwenden eines Materials wie beispielsweise SiC und Si erwartet
werden.
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Weiterhin
kann anstelle der Montagebasis ein Kühlkörper verwendet werden, und
die LD und dgl. können
auf den Kühlkörperchip
gebondet sein.
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Auch
wenn der Fall der Verwendung von Au als Material für den Bonddraht
beschrieben wurde, sind die Materialien nicht darauf eingeschränkt. Ähnliche
Effekte können
erwartet werden durch Verwendung anderer Materialien wie beispielsweise
einer Goldlegierung, Aluminium (Al), einer Aluminiumlegierung, Kupfer
(Cu) oder einer Kupferlegierung. Bei der Verwendung von Al beispielsweise
wären der
geeignete Aderdurchmesser und die geeignete Anzahl von Adern des
Bonddrahts, der durchbrennt, wenn der LD ein Überstrom von 5A bis 6A mit
Bezug auf den Betriebsstrom von 1A (500% bis 600% mit Bezug auf den
Betriebsstrom) zugeführt
wird, ein Durchmesser von 25 μm
und 10 Teile, ein Durchmesser von 20 μm und 16 Teile bzw. ein Durchmesser
von 30 μm
und 7 Teile.
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Die
Hauptvorteile der vorliegenden Erfindung, die oben beschrieben wurden,
können
wie folgt zusammengefasst werden: Es wird sehr einfach, ein Gesamtsystem
zu entwerfen unter Verwendung eines Hochleistungs-LD-Felds, das
durch eine Kurzschlussstörung
in einer LD in dem Feld nicht gestoppt wird. Wenn ein Überstrom
der LD zugeführt
wird, die die Kurzschlussstörung
bewirkt hat, ist es möglich, eine
Beschädigung
des Halbleiterchips zu vermeiden, die diese LD enthält.