DE102009009521A1

DE102009009521A1 - Halbleiterlaser und Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterlasers

Info

Publication number: DE102009009521A1
Application number: DE102009009521A
Authority: DE
Inventors: Martin Rudolf Dr. Behringer; Stefan Dr. Morgott; Wolfgang Pammer; Christian Ferstl; Andreas Hammer
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2009-02-18
Filing date: 2009-02-18
Publication date: 2010-08-19

Abstract

Es wird ein Halbleiterlaser angegeben, bei dem ein kantenemittierender Halbleiterlaserchip (32) zwischen einem ersten (10a) und einem zweiten Anschlussträger (10b) angeordnet ist. Darüber hinaus wird ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Halbleiterlasers angegeben.

Description

Es wird ein Halbleiterlaser angegeben. Darüber hinaus wird ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterlasers angegeben.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, einen Halbleiterlaser anzugeben, der bei verringerten Stromstärken betrieben werden kann. Ferner ist es eine Aufgabe, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Halbleiterlasers anzugeben.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterlasers umfasst der Halbleiterlaser einen ersten Anschlussträger. Bei dem ersten Anschlussträger handelt es sich um eine Leiterplatte. Der erste Anschlussträger umfasst vorzugsweise einen ersten Grundkörper aus einem elektrisch isolierenden Material und zumindest eine erste Anschlussstelle aus einem elektrisch leitenden Material, wobei die erste Anschlussstelle auf eine Oberseite des ersten Grundkörpers aufgebracht ist. Das heißt, der erste Anschlussträger umfasst einen elektrisch isolierenden Grundkörper, auf dessen Oberseite eine erste Anschlussstelle aufgebracht ist, über die beispielsweise ein kantenemittierender Halbleiterlaserchip elektrisch kontaktiert werden kann.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterlasers umfasst der Halbleiterlaser einen zweiten Anschlussträger, der einen zweiten Grundkörper aus einem elektrisch isolierenden Material und zumindest eine zweite Anschlussstelle aus einem elektrisch leitenden Material umfasst, wobei die zweite Anschlussstelle auf einer Oberseite des zweiten Grundkörpers aufgebracht ist. Beispielsweise sind der erste und der zweite Anschlussträger identisch ausgeführt. Das heißt, erster und zweiter Anschlussträger umfassen dann jeweils einen Grundkörper aus dem gleichen Material und jeweils zumindest eine Anschlussstelle, die auf die Oberseite des Grundkörpers aufgebracht ist, die für beide Anschlussträger ebenfalls aus dem gleichen Material besteht. Die Anschlussträger können darüber hinaus auch in ihren geometrischen Abmessungen identisch ausgeführt sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterlasers umfasst der Halbleiterlaser zumindest einen kantenemittierenden Halbleiterlaserchip. Bei dem kantenemittierenden Halbleiterlaserchip handelt es sich um einen elektrisch gepumpten, kantenemittierenden Halbleiterlaserchip, der elektromagnetische Strahlung beispielsweise im Spektralbereich zwischen Infrarotstrahlung und UV-Strahlung erzeugen kann.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterlasers ist der zumindest eine kantenemittierende Halbleiterlaserchip zwischen dem ersten und dem zweiten Anschlussträger angeordnet. Das heißt, der kantenemittierende Halbleiterlaserchip ist in einer Art ”Sandwich”-Struktur zwischen den beiden Anschlussträgern angeordnet und befindet sich mit beiden Anschlussträgern in mechanischem und elektrischem Kontakt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterlasers weist der kantenemittierende Halbleiterlaserchip eine Strahlungsaustrittsfläche auf, die durch den Teil einer Seitenfläche oder ”Facette” des kantenemittierenden Halbleiterlaserchips gebildet ist. Quer zur Strahlungsaustrittsfläche, das heißt beispielsweise senkrecht zur Strahlungsaustrittsfläche, verläuft eine erste Hauptfläche des kantenemittierenden Halbleiterlaserchips.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterlasers ist die zumindest eine erste Anschlussstelle, das heißt die Anschlussstelle des ersten Anschlussträgers, mit der ersten Hauptfläche des kantenemittierenden Halbleiterlaserchips elektrisch leitend verbunden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterlasers ist die zumindest eine zweite Anschlussstelle mit einer zweiten Hauptfläche des kantenemittierenden Halbleiterlaserchips leitend verbunden. Dabei verläuft die zweite Hauptfläche ebenfalls bevorzugt quer zur Strahlungsaustrittsfläche des kantenemittierenden Halbleiterlaserchips. Die zweite Hauptfläche ist dabei vorzugsweise der ersten Hauptfläche gegenüberliegend angeordnet und verläuft im Rahmen der Herstellungstoleranz plan-parallel zur ersten Hauptfläche.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterlasers ist die Oberseite des ersten Grundkörpers der Oberseite des zweiten Grundkörpers zugewandt. Das heißt, der erste und der zweite Anschlussträger sind derart angeordnet, dass sich ihre Oberseiten, auf welchen sich erste und zweite Anschlussstellen befinden, zugewandt sind. Der kantenemittierende Halbleiterlaserchip ist dabei zwischen dem ersten und dem zweiten Anschlussträger angeordnet und vermittelt eine mechanische Verbindung zwischen dem ersten Anschlussträger und dem zweiten Anschlussträger. Dabei ist es insbesondere möglich, dass erster Anschlussträger und zweiter Anschlussträger deckungsgleich zueinander angeordnet sind. Die äußeren Abmessungen des Halbleiterlasers sind dann im Wesentlichen durch die äußeren Abmessungen der Anschlussträger bestimmt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterlasers umfasst der Halbleiterlaser einen ersten Anschlussträger, der einen ersten Grundkörper aus einem elektrisch isolierenden Material und zumindest eine erste Anschlussstelle aus einem elektrisch leitenden Material umfasst, wobei die erste Anschlussstelle auf eine Oberseite des ersten Grundkörpers aufgebracht ist. Darüber hinaus umfasst der Halbleiterlaser einen zweiten Anschlussträger, der einen zweiten Grundkörper aus einem elektrisch isolierenden Material und zumindest eine zweite Anschlussstelle aus einem elektrisch leitenden Material umfasst, wobei die zweite Anschlussstelle auf eine Oberseite des zweiten Grundkörpers aufgebracht ist. Ferner umfasst der Halbleiterlaser zumindest einen kantenemittierenden Halbleiterlaserchip, wobei der kantenemittierende Halbleiterlaserchip zwischen dem ersten und dem zweiten Anschlussträger angeordnet ist, die erste Anschlussstelle mit einer Hauptfläche des kantenemittierenden Halbleiterlaserchips leitend verbunden ist, wobei die erste Hauptfläche quer zu einer Strahlungsaustrittsfläche des kantenemittierenden Halbleiterlaserchips verläuft, die zweite Anschlussstelle mit einer zweiten Hauptfläche des kantenemittierenden Halbleiterlaserchips leitend verbunden ist, wobei die zweite Hauptfläche quer zu der Strahlungsaustrittsfläche des kantenemittierenden Halbleiterlaserchips verläuft, und die Oberseite des ersten Grundkörpers der Oberseite des zweiten Grundkörpers zugewandt ist.
Insgesamt ist mit dem Halbleiterlaser ein besonders kompakter Aufbau realisiert. Die im Betrieb im zumindest einen kantenemittierenden Halbleiterlaserchip erzeugte Wärme kann großflächig über beide Anschlussträger jeweils von einer Hauptfläche des kantenemittierenden Halbleiterlaserchips weggeführt werden.
Der Halbleiterlaser umfasst dabei vorzugsweise eine Vielzahl kantenemittierender Halbleiterlaserchips, beispielsweise wenigstens drei kantenemittierende Halbleiterlaserchips.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterlasers umfasst der Halbleiterlaser eine Vielzahl kantenemittierender Halbleiterlaserchips, die über einen gemeinsamen Träger oder zumindest eine gemeinsame Halbleiterschicht miteinander verbunden sind. Bei dem gemeinsamen Träger handelt es sich dabei nicht um den ersten oder den zweiten Anschlussträger. Vielmehr kann es sich bei dem gemeinsamen Träger beispielsweise um ein Wachstumssubstrat handeln, auf welches die Vielzahl kantenemittierender Halbleiterlaserchips epitaktisch abgeschieden sind. Es ist jedoch auch möglich, dass ein solches Wachstumssubstrat von den epitaktisch hergestellten Schichten der kantenemittierenden Halbleiterlaserchips entfernt ist und die kantenemittierenden Halbleiterlaserchips dann durch zumindest eine epitaktisch gewachsene, gemeinsame Halbleiterschicht miteinander verbunden sind. Beispielsweise sind die kantenemittierenden Halbleiterlaserchips des Halbleiterlasers gemeinsam epitaktisch hergestellt.
Beispielsweise nach der Montage auf den ersten Anschlussträger wird der Verbund der kantenemittierenden Halbleiterlaserchips zu einzelnen Emittern vereinzelt, wobei die einzelnen kantenemittierenden Halbleiterlaserchips elektrisch voneinander getrennt werden. Dabei müssen die kantenemittierenden Halbleiterlaserchips nicht vollständig voneinander getrennt werden, sondern es kann eine gemeinsame Schicht der kantenemittierenden Halbleiterlaserchips undurchtrennt bleiben. Beispielsweise beträgt die Dicke der gemeinsamen Halbleiterschicht, durch welche die kantenemittierenden Halbleiterlaserchips miteinander verbunden sind, wenigstens 10 μm. Das Trennen der kantenemittierenden Halbleiterlaserchips kann dabei beispielsweise mechanisch durch Sägen, Ritzen, Ätzen oder ähnliche Verfahren erfolgen. Darüber hinaus ist es möglich, dass die einzelnen kantenemittierenden Halbleiterlaserchips rein elektrisch beispielsweise durch Ionenimplantation voneinander getrennt werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterlasers ist jedem kantenemittierenden Halbleiterlaserchip des Halbleiterlasers genau eine erste Anschlussstelle und genau eine zweite Anschlussstelle ein-eindeutig zugeordnet. Das heißt, jeder kantenemittierende Halbleiterlaserchip ist mit seiner ersten Hauptfläche an genau einer ersten Anschlussstelle befestigt und mit seiner zweiten Hauptfläche genau an einer zweiten Anschlussstelle befestigt, wobei auf den Anschlussstellen kein weiterer kantenemittierender Halbleiterlaserchip befestigt sind. Das heißt, jedes Paar von Anschlussstellen dient dann dazu, genau einen kantenemittierenden Halbleiterlaserchip elektrisch zu kontaktieren.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterlasers umfasst der Halbleiterlaser eine Vielzahl kantenemittierender Halbleiterlaserchips, die in Reihe geschaltet sind. Durch dieses serielle elektrische Verschalten der Emitter ist erreicht, dass zum Betrieb der Vielzahl von kantenemittierenden Halbleiterlaserchips eine geringere Stromstärke Verwendung finden kann, als bei kantenemittierenden Halbleiterlaserchips, die nicht in Reihe verschaltet sind. Bei einer Vielzahl kantenemittierender Halbleiterlaserchips, die elektrisch parallel betrieben werden, muss die Vielzahl von kantenemittierenden Halbleiterlaserchips mit einer Stromstärke betrieben werden, die n-mal der Stromstärke für einen einzelnen Emitter entspricht, wobei n die Zahl der kantenemittierenden Halbleiterlaserchips des Halbleiterlasers ist. Die Vielzahl kantenemittierender Halbleiterlaserchips kann dabei jedoch bei einer relativ niedrigen Spannung – nämlich der Spannung eines einzelnen kantenemittierenden Halbleiterlaserchips – betrieben werden. Sind die kantenemittierenden Halbleiterlaserchips in Reihe miteinander verschaltet, so kann jeder kantenemittierende Halbleiterlaserchip mit der relativ niedrigen Stromstärke, die zum Betrieb eines einzelnen kantenemittierenden Halbleiterlaserchips benötigt wird, betrieben werden. Dies geschieht jedoch bei einer hohen Spannung, nämlich n-mal der Spannung für einen einzelnen kantenemittierenden Halbleiterlaserchip, wobei n die Zahl der kantenemittierenden Halbleiterlaserchips des Halbleiterlasers ist.
Das heißt, es wird eine Stromquelle benötigt, die viel Spannung aber wenig Strom zur Verfügung stellen muss. Dadurch ist erreicht, dass bei einem so genannten Laserabbrand nicht der gesamte Strom für alle kantenemittierenden Halbleiterlaserchips durch einen einzigen, beschädigten kantenemittierenden Halbleiterlaserchip fließt. Dadurch kann erreicht werden, dass beim Ausfall eines einzelnen kantenemittierenden Halbleiterlaserchips die übrigen kantenemittierenden Halbleiterlaserchips weiterhin funktionieren. Dazu kann beispielsweise eine Schmelzsicherung zum Einsatz kommen, welche beim Abbrand eines einzelnen kantenemittierenden Halbleiterlaserchips diesen überbrückt, sodass die übrigen kantenemittierenden Halbleiterlaserchips des Halbleiterlasers weiterhin in Reihe miteinander verschaltet sind und auf diese Weise weiter betrieben werden können. Insgesamt ist der Halbleiterlaser damit besonders abbrandstabil.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterlasers enthält oder besteht der erste und/oder der zweite Grundkörper aus einem keramischen Material. Bei dem keramischen Material kann es sich beispielsweise um ein Aluminiumnitrid, ein Aluminiumoxid wie Al₂O₃ oder Siliziumnitrid handeln. Dabei ist es möglich, dass der erste und der zweite Grundkörper aus demselben Material bestehen und beide Grundkörper aus einem keramischen Material gebildet sind.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterlasers enthalten die erste und/oder die zweite Anschlussstelle eine Schicht aus einem Metall, das zumindest stellenweise eine maximale Dicke von wenigstens 5 μm aufweist. Beispielsweise handelt es sich bei dem Metall um Kupfer. Das heißt, auf dem Grundkörper, der beispielsweise aus einem keramischen Material besteht, ist als Anschlussstelle eine Schicht aufgebracht, die ein Metall enthält und zumindest stellenweise eine maximale Dicke von wenigstens 5 μm aufweist. Ist zum Beispiel der Grundkörper des Anschlussträgers aus Aluminiumnitrid gebildet, so kann die Anschlussstelle eine Schicht aus Kupfer umfassen, die dann vorzugsweise eine maximale Dicke zwischen wenigstens 10 μm und höchstens 100 μm aufweist. Die maximale Dicke der Metallschicht der Anschlussstelle ist dazu so gewählt, dass der thermische Ausdehnungskoeffizient des Anschlussträgers an den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des kantenemittierenden Halbleiterlaserchips angepasst ist. Der kantenemittierende Halbleiterlaserchip basiert dabei beispielsweise auf GaAs und der Ausdehnungskoeffizient des ersten und des zweiten Anschlussträgers ist durch die Wahl des Materials des Grundkörpers und die Wahl der Dicke der Metallschicht der Anschlussstelle an den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des kantenemittierenden Halbleiterlaserchips angepasst. Das heißt, die Anschlussstellen der Anschlussträger sind nicht nur so dimensioniert, dass sie den Strom, der zum Betrieb der kantenemittierenden Halbleiterlaserchips notwendig ist, tragen können, sondern die Dicke der Anschlussstellen ist derart eingestellt, dass die kantenemittierenden Halbleiterlaserchips frei von thermischen Verspannungen montiert werden können.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterlasers weist die erste und/oder die zweite Anschlussstelle eine Schicht aus einem Metall auf, die zumindest stellenweise eine maximale Dicke von wenigstens 5 μm aufweist. Die Schicht weist dazu ferner eine minimale Dicke auf, wobei die minimale Dicke wenigstens die maximale Dicke abzüglich der Dicke des kantenemittierenden Halbleiterlaserchips ist. Vorzugsweise sind die minimale Dicke und die maximale Dicke für beide Anschlussträger des Halbleiterlasers gleich gewählt. Die Summe der maximalen Dicken entspricht dann im Wesentlichen der Summe der minimalen Dicken plus der Dicke des kantenemittierenden Halbleiterlaserchips. „Im Wesentlichen” heißt, dass sich zwischen den Anschlussträgern und dem Halbleiterlaserchip sowie zwischen den Anschlussstellen der Anschlussträger weitere, dünne Schichten wie Schichten aus einem Verbindungsmaterial und/oder aus elektrisch isolierendem Material befinden können.
Das heißt, dort wo sich der kantenemittierende Halbleiterlaserchip befindet, ist die Dicke der Anschlussstellen der Anschlussträger des kantenemittierenden Halbleiterlasers reduziert, sodass sich insgesamt ein besonders kompakter Aufbau ergibt, bei dem die kantenemittierenden Halbleiterlaserchips zwischen den beiden Anschlussträgern eingeklemmt sind und die Dicke der Anordnung durch die Dicke der Anschlussträger vorgegeben ist.
An den Stellen, an denen zwischen den Anschlussträgern kein kantenemittierender Halbleiterlaserchip angeordnet ist, also dort, wo die Anschlussstellen ihre maximale Dicke haben, kann sich zwischen den gegenüberliegenden Anschlussstellen der beiden Anschlussträger jeweils eine Schmelzsicherung – zum Beispiel in Form einer elektrisch isolierenden Schicht – befinden, die bei unzulässiger Erwärmung des kantenemittierenden Halbleiterlaserchips, welcher den Anschlussstellen zugeordnet ist, aufschmilzt und diesen überbrückt. Auf diese Weise ist ein besonders abbrandstabiler Betrieb des Halbleiterlasers sichergestellt.
Es wird darüber hinaus ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterlasers angegeben. Beispielsweise kann mit dem Verfahren ein Halbleiterlaser hergestellt werden, der hier beschrieben ist. Das heißt, sämtliche Merkmale des Halbleiterlasers sind für das Verfahren zur Herstellung des Halbleiterlasers offenbart und umgekehrt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens umfasst das Verfahren einen Verfahrensschritt, bei dem ein erster Anschlussträger, der einen ersten Grundkörper aus einem elektrisch isolierenden Material und eine Vielzahl erster Anschlussstellen aus einem elektrisch leitenden Material umfasst, bereitgestellt wird, wobei die ersten Anschlussstellen auf eine Oberseite des ersten Grundkörpers aufgebracht sind.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens umfasst das Verfahren einen Verfahrensschritt, bei dem ein Laserbarren mit einer Vielzahl von kantenemittierenden Halbleiterlaserchips auf die Vielzahl erster Anschlussstellen aufgebracht wird. Der Laserbarren mit einer Vielzahl kantenemittierender Halbleiterlaserchips kann dabei beispielsweise mit einem Hartlot auf dem bereitgestellten Anschlussträger montiert werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens umfasst das Verfahren einen Verfahrensschritt, bei dem der Laserbarren zumindest teilweise in eine Vielzahl von kantenemittierenden Halbleiterlaserchips, die unabhängig voneinander betreibbar sind, zertrennt wird. Dabei kann das Zertrennen mechanisch durch Sägen, Ritzen oder chemisch – zum Beispiel durch Ätzen – oder auch rein elektrisch durch Ionenimplantation zwischen den einzelnen kantenemittierenden Halbleiterlaserchips erfolgen. Wichtig ist, dass die kantenemittierenden Halbleiterlaserchips nach dem Zertrennen elektrisch derart voneinander isoliert sind, dass sie getrennt voneinander betrieben werden können. Insbesondere ist es möglich, dass ein Träger oder eine gemeinsame Halbleiterschicht auch nach dem zumindest teilweise Zertrennen des Laserbarrens die kantenemittierenden Halbleiterlaserchips mechanisch miteinander verbindet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens umfasst das Verfahren einen Verfahrensschritt, bei dem ein zweiter Anschlussträger, der einen zweiten Grundkörper aus einem elektrisch isolierenden Material und eine Vielzahl zweiter Anschlussstellen aus einem elektrisch leitenden Material umfasst, auf die Vielzahl von kantenemittierenden Halbleiterlaserchips aufgebracht wird.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens umfasst das Verfahren die folgenden Schritte:

– Bereitstellen eines ersten Anschlussträgers, der einen ersten Grundkörper aus einem elektrisch isolierenden Material und eine Vielzahl erster Anschlussstellen aus einem elektrisch leitenden Material umfasst, wobei die ersten Anschlussstellen auf eine Oberseite des ersten Grundkörpers aufgebracht sind.
– Aufbringen eines Laserbarrens mit einer Vielzahl von kantenemittierenden Halbleiterlaserchips auf die Vielzahl von ersten Anschlussstellen.
– Zumindest teilweises Zertrennen des Laserbarrens in eine Vielzahl von kantenemittierenden Halbleiterlaserchips, die unabhängig voneinander betreibbar sind.
– Aufbringen eines zweiten Anschlussträgers, der einen zweiten Grundkörper aus einem elektrisch isolierenden Material und eine Vielzahl zweiter Anschlussstellen aus einem elektrisch leitenden Material umfasst, wobei die zweiten Anschlussstellen auf eine Oberseite des zweiten Grundkörpers aufgebracht sind, auf die Vielzahl von kantenemittierenden Halbleiterlaserchips.

Das Aufbringen des zweiten Anschlussträgers auf die Vielzahl von kantenemittierenden Halbleiterlaserchips kann dabei mit einem Lot erfolgen, das bei niedrigeren Temperaturen als das erste Lot, mit dem die kantenemittierenden Halbleiterlaserchips auf dem ersten Anschlussträger befestigt sind, erfolgen. Alternativ ist es auch möglich, dass der Temperaturgradient beim Verbinden so eingestellt wird, dass das zweite Lotmaterial aufschmilzt, aber die Temperatur beim ersten Lotmaterial nicht derart stark ansteigt, dass dieses aufschmelzen kann. Erste und zweite Anschlussträger können dann mit dem gleichen Lot am Halbleiterlaserchip befestigt sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens erfolgt das zumindest teilweise Zertrennen des Laserbarrens nach dem Aufbringen des Laserbarrens auf die Vielzahl von ersten Anschlussstellen. Das heißt, der Laserbarren, mit der Vielzahl von kantenemittierenden Halbleiterlaserchips, wird erst nach dem Aufbringen und mechanischem Befestigen des Laserbarrens auf den ersten Anschlussträgern in einzelne kantenemittierende Halbleiterlaserchips zerteilt. Dies ermöglicht eine besonders schnelle Montage der kantenemittierenden Halbleiterlaserchips, da diese nicht einzeln auf den ersten Anschlussträger aufgesetzt werden müssen. Darüber hinaus sind die kantenemittierenden Halbleiterlaserchips auf diese Weise besonders genau zueinander positioniert, da sie im Verbund auf den ersten Anschlussträger aufgebracht werden und beim Vereinzeln bereits eine feste, unveränderliche Position auf dem ersten Anschlussträger haben.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens werden die ersten Anschlussstellen und/oder die zweiten Anschlussstellen vor dem Aufbringen des Laserbarrens, der eine Vielzahl kantenemittierender Halbleiterlaserchips umfasst, stellenweise gedünnt. Das heißt, dort wo später die kantenemittierenden Halbleiterlaserchips mit den Anschlussstellen verbunden werden, wird deren Dicke derart reduziert, dass die Summe der reduzierten Dicken der Anschlussstellen und der Dicke der kantenemittierenden Halbleiterlaserchips in etwa der Dicke der nicht gedünnten Anschlussstellen entspricht.
Im Folgenden wird der hier beschriebene Halbleiterlaser anhand von Ausführungsbeispielen und den dazugehörigen Figuren näher erläutert.
Die 1A bis 1D zeigen anhand schematischer Darstellungen ein erstes Ausführungsbeispiel eines hier beschriebenen Halbleiterlasers.
Die 2 zeigt anhand einer schematischen Darstellung ein zweites Ausführungsbeispiel eines hier beschriebenen Halbleiterlasers.
Gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Figuren und die Größenverhältnisse der in den Figuren dargestellten Elemente untereinander sind nicht als maßstäblich zu betrachten. Vielmehr können einzelne Elemente zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
Die 1A zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines hier beschriebenen Halbleiterlasers anhand einer schematischen Seitenansicht. Der Halbleiterlaser umfasst einen ersten Anschlussträger 10a und einen zweiten Anschlussträger 10b. Der erste Anschlussträger 10a umfasst einen ersten Grundkörper 1a. Der erste Grundkörper 1a besteht vorzugsweise aus einem keramischen Material, vorliegend aus Aluminiumnitrid. Auf die Oberseite 11a des ersten Grundkörpers 1a ist eine Vielzahl erster Anschlussstellen 2a aufgebracht. Vorliegend enthalten die ersten Anschlussstellen 2a eine dicke Schicht aus Kupfer, auf die eine Isolatorschicht 21 beziehungsweise eine Metallisierung 41 aufgebracht ist. Die ersten Anschlussstellen 2a weisen eine maximale Dicke DMAX auf und eine minimale Dicke DMIN. Die maximale Dicke DMAX beträgt vorzugsweise wenigstens 10 μm und höchstens 100 μm.
Der Halbleiterlaser umfasst ferner einen zweiten Anschlussträger 10b, der vorliegend identisch zum ersten Anschlussträger 10a ausgeführt ist. Das heißt, der zweite Anschlussträger 10a umfasst einen zweiten Grundkörper 1b aus einem keramischen Material, auf dessen Oberseite 11b eine Vielzahl zweiter Anschlussstellen 2b aufgebracht ist, die ebenfalls jeweils eine maximale Dicke DMAX und eine minimale Dicke DMIN aufweisen.
Zwischen dem ersten Anschlussträger 10a und dem zweiten Anschlussträger 10b ist eine Vielzahl kantenemittierender Halbleiterlaserchips 32 in Form eines Laserbarrens 3 angeordnet. Die kantenemittierenden Halbleiterlaserchips 32 sind an ihrer ersten Hauptfläche 33a mit dem ersten Anschlussträger 10a über eine Metallisierung 41, zum Beispiel ein Lotmaterial, mechanisch verbunden und elektrisch angeschlossen.
Ebenso sind die kantenemittierenden Halbleiterlaserchips 32 an ihrer zweiten Hauptfläche 33b über eine Metallisierung 41 mit dem zweiten Anschlussträger 10b mechanisch verbunden und elektrisch an diesen angeschlossen. Auf den ersten Anschlussträger 10a sind die kantenemittierenden Halbleiterlaserchips 32 beispielsweise mittels eines Hartlots befestigt. An den zweiten Anschlussträger 10b können die kantenemittierenden Halbleiterlaserchips 32, beispielsweise mit ihrer p-Seite, mittels einer Metallisierung 41, die aus AuSn besteht, befestigt sein.
Die kantenemittierenden Halbleiterlaserchips 32 weisen jeweils eine Strahlungsaustrittsfläche 34 auf, durch die elektromagnetische Strahlung 31 die kantenemittierenden Halbleiterlaserchips 32 im Betrieb verlässt. Die Strahlungsaustrittsfläche 34 verläuft dabei senkrecht zur ersten Hauptfläche 33a sowie zur zweiten Hauptfläche 33b eines jeden kantenemittierenden Halbleiterlaserchips 32.
Im Bereich der maximalen Dicke DMAX der Schicht 4 der beiden Anschlussträger 10a, 10b befindet sich zwischen der ersten Anschlussstelle 2a und der zweiten Anschlussstelle 2b jeweils eine Isolatorschicht 21. Bei der Isolatorschicht 21 handelt es sich beispielsweise um ein Kunststoffmaterial, welches aufschmilzt, wenn der kantenemittierende Halbleiterlaserchip 32, welcher mit der ersten Anschlussstelle 2a und der zweiten Anschlussstelle 2b verbunden ist, sich unzulässig erwärmt. Die Isolatorschicht 21 stellt auf diese Weise eine Schmelzsicherung dar, welche den kantenemittierenden Halbleiterlaserchip 32 bei dessen Ausfall überbrücken kann.
Die maximale Dicke DMAX der Schicht 4, welche die Anschlussstellen 2a, 2b bildet, ist vorzugsweise so gewählt, dass die Summe der maximalen Dicken der Schichten 4 für beide Anschlussträger der Summe der minimalen Dicken plus der Dicke DL der kantenemittierenden Halbleiterlaserchips 32 entspricht. Die Bereiche minimaler Dicke umfassen dabei die gedünnten Anschlussstellen 2a, 2b und die Metallisierungen 41. Die Bereiche maximaler Dicke umfassen die Anschlussstellen 2a, 2b und die Isolatorschicht 21. Im Bereich der minimalen Dicken sind die beiden Anschlussstellen 2a, 2b, die zum Beispiel aus Kupfer bestehen, gegenüber den Bereichen maximaler Dicke in ihrer Dicke reduziert.
Der Laserbarren 3 mit der Vielzahl kantenemittierender Halbleiterlaserchips 32 ist auf diese Weise nach Art eines Sandwich zwischen den beiden Anschlussträgern 10a, 10b angeordnet.
Ferner kann sich zwischen dem ersten Anschlussträger 10a und dem zweiten Anschlussträger 10b ein Leerraum 35 befinden, der seitlich vom kantenemittierenden Halbleiterlaserchip 32 sowie den Anschlussstellen 2a, 2b begrenzt ist. Dieser Leerraum kann als Reservoir dienen für das Material der Isolatorschicht 21, wenn diese aufschmilzt. Das heißt, beim Aufschmelzen der Isolatorschicht 21 kann das Material in den Leerraum 35 fließen.
Die 1B zeigt den Halbleiterlaser der 1A in der Vorderansicht. Bei der 1B blickt man dabei auf die Strahlungsaustrittsflächen 34 der kantenemittierenden Halbleiterlaserchips 32. Ferner ist zu erkennen, dass jedem kantenemittierenden Halbleiterlaserchip 32 genau ein Paar von Anschlussstellen 2a, 2b jeweils eindeutig zugeordnet ist. Ferner sind zwischen den kantenemittierenden Halbleiterlaserchips 32 Trennbereiche 5 angeordnet, durch welche die kantenemittierenden Halbleiterlaserchips elektrisch voneinander entkoppelt sind. Über den gemeinsamen Träger beziehungsweise die gemeinsame Halbleiterschicht 7 hängen die einzelnen kantenemittierenden Halbleiterlaserchips 32 des Laserbarrens 3 mechanisch miteinander zusammen.
Die 1C zeigt anhand einer schematischen Seitenansicht den Halbleiterlaser der 1A und 1B von hinten, das heißt von der Seite, welche der Strahlungsaustrittsfläche 34 der einzelnen kantenemittierenden Halbleiterlaserchips 32 abgewandt ist. Aus der 1C ist ersichtlich, dass der Halbleiterlaser einen ersten und einen zweiten äußeren elektrischen Kontakt 22a, 22b aufweisen kann, über den sämtliche kantenemittierenden Halbleiterlaserchips 32 elektrisch kontaktierbar sind, falls diese miteinander in Reihe verschaltet sind.
Die 1D zeigt anhand einer schematischen Draufsicht die beiden Anschlussträger 10a, 10b, wobei auf einen der Anschlussträger der Laserbarren 3 montiert ist. Wie aus der 1D ersichtlich ist, sind die kantenemittierenden Halbleiterlaserchips 32 in diesem Ausführungsbeispiel nicht in Reihe miteinander verschaltet, sondern jeweils einzeln kontaktierbar.
Im Unterschied dazu ist in Verbindung mit der 2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines hier beschriebenen kantenemittierenden Halbleiterlasers beschrieben, bei dem die Anschlussstellen 2a, 2b jeweils durch elektrische Verbindungen 6, die zum Beispiel durch Drahtkontakte realisiert sein können, miteinander verbunden sind. Bei einer Kontaktierung des Halbleiterlasers über die äußeren Kontakte 22a und 22b können die in Reihe miteinander verschalteten kantenemittierenden Halbleiterlaserchips 32 kontaktiert werden. Die Isolatorschicht 21 zwischen den dicken Bereichen der Anschlussstellen 2a, 2b dienen dabei als Schmelzsicherung zur Überbrückung eines ausgefallenen kantenemittierenden Halbleiterlaserchips 32.
Insgesamt ergeben sich bei den hier beschriebenen Halbleiterlasern die folgenden Vorteile:
Die einzelnen kantenemittierenden Halbleiterlaserchips 32 können, wenn eine Reihenschaltung Verwendung findet, bei geringeren Strömen und höherer Spannung betrieben werden. Der Halbleiterlaser ist besonders abbrandstabil, da eine Schmelzsicherung in den Halbleiterlaser integriert werden kann.
Aufgrund der Möglichkeit, den Halbleiterlaser bei geringeren Strömen zu betreiben, ergibt sich eine geringere Verlustleistung und damit eine erhöhte Effizienz.
Durch die Verwendung eines elektrisch isolierten Grundkörpers mit relativ dicken Anschlussstellen ergibt sich eine besonders gute Kühlung für die kantenemittierenden Halbleiterlaserchips 32.
Für den Grundkörper kann ein kostengünstiges keramisches Material wie Aluminiumnitrid anstatt eines teuren Verbundswerkstoffs, wie beispielsweise CuW, Verwendung finden.
Der Montageaufwand für die Montage der kantenemittierenden Halbleiterlaserchips ist reduziert, da der Laserbarren mit einer Vielzahl von kantenemittierenden Halbleiterlaserchips vor dem Vereinzeln auf den ersten Anschlussträger 10a befestigt werden kann.
In Folgenden ist anhand einer Beispielsrechnung gezeigt, dass die Effizienz des Halbleiterlasers aufgrund der Reihenschaltung der kantenemittierenden Halbleiterlaserchips im Halbleiterlaser verbessert ist.
Dabei wird davon ausgegangen, dass der Laserbarren 3 n = 25 einzelne kantenemittierende Halbleiterlaserchips 32 umfasst.
Der elektrische Widerstand eines jeden kantenemittierenden Halbleiterlaserchips wird zu 50 mΩ angenommen.
Für die elektrischen Zuleitungen, das heißt die Anschlussstellen 2a, 2b, wird ein elektrischer Widerstand von 1 mΩ angenommen. Der Widerstand der elektrischen Verbindungen 6, die nur in der Reihenschaltung vorhanden sind, beträgt 62,6 mΩ.
Die Laserschwelle beträgt bei den Einzelemittern 0,7 A, in der Parallelschaltung daher 25·0,7 A, also 17,5 A. Die Betriebsspannung beträgt 1,6 V und die Steilheit beträgt 1,35 W/A pro Einzelemitter. Durch jeden Einzelemitter fließt ein Strom von 6,62 A, so dass im Falle der Parallelschaltung ein Gesamtstrom von 25·6,62 A, also 165,5 A notwendig ist. Die Spannung beträgt im Fall der Parallelschaltung 1,6 V, im Fall der Reihenschaltung 25·1,6, also 40 V. Die Leistung des Halbleiterlasers beträgt 200 W ohne Verlustleistung für die Reihen- und die Parallelschaltung. Im Falle der Reihenschaltung beträgt die Gesamtleistung (mit Verlustleistung) 322,7 W, im Falle der Parallelschaltung aller Halbleiterlaserchips 347,35 W.
Insgesamt ist aufgrund der reduzierten Stromstärke in der Reihenschaltung, das heißt 1/25 der Stromstärke beim Parallelbetrieb der kantenemittierenden Halbleiterlaserchips, die Verlustleistung bei einer Reihenschaltung der kantenemittierenden Halbleiterlaserchips reduziert, so dass die Effizienz von zirka 57,6% im Parallelbetrieb auf 62% im Seriellbetrieb steigt.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese 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.

Claims

Halbleiterlaser mit – einem ersten Anschlussträger (10a), der einen ersten Grundkörper (1a) aus einem elektrisch isolierenden Material und zumindest eine erste Anschlussstelle (2a) aus einem elektrisch leitenden Material umfasst, wobei die erste Anschlussstelle (2a) auf eine Oberseite (11a) des ersten Grundkörpers (1a) aufgebracht ist, – einen zweiten Anschlussträger (10b), der einen zweiten Grundkörper (1b) aus einem elektrisch isolierenden Material und zumindest eine zweite Anschlussstelle (2b) aus einem elektrisch leitenden Material umfasst, wobei die zweite Anschlussstelle (2b) auf eine Oberseite (11b) des zweiten Grundkörpers (1b) aufgebracht ist, und – zumindest einen kantenemittierenden Halbleiterlaserchip (32), wobei – der kantenemittierenden Halbleiterlaserchip (32) zwischen dem ersten (10a) und dem zweiten Anschlussträger (10b) angeordnet ist, – die erste Anschlussstelle (2a) mit einer ersten Hauptfläche (33a) des kantenemittierenden Halbleiterlaserchips (32) leitend verbunden ist, wobei die erste Hauptfläche (33a) quer zu einer Strahlungsaustrittsfläche (34) des kantenemittierenden Halbleiterlaserchips (32) verläuft, – die zweite Anschlussstelle (2b) mit einer zweiten Hauptfläche (33b) des kantenemittierenden Halbleiterlaserchips (32) leitend verbunden ist, wobei die zweite Hauptfläche (33b) quer zu der Strahlungsaustrittsfläche (34) des kantenemittierenden Halbleiterlaserchips (32) verläuft, und – die Oberseite (11a) des ersten Grundkörpers (1a) der Oberseite (11b) des zweiten Grundkörpers (1b) zugewandt ist.
Halbleiterlaser gemäß dem vorherigen Anspruch mit – einer Vielzahl kantenemittierender Halbleiterlaserchips (32).
Halbleiterlaser gemäß zumindest einem der vorherigen Ansprüche mit – einer Vielzahl kantenemittierender Halbleiterlaserchips (32), die über einen gemeinsamen Träger oder zumindest eine gemeinsame Halbleiterschicht miteinander verbunden sind.
Halbleiterlaser gemäß zumindest einem der vorherigen Ansprüche, bei dem jedem kantenemittierenden Halbleiterlaserchip (32) genau eine erste Anschlussstelle (2a) und genau eine zweite Anschlussstelle (2b) eineindeutig zugeordnet ist.
Halbleiterlaser gemäß zumindest einem der vorherigen Ansprüche mit – einer Vielzahl kantenemittierender Halbleiterlaserchips (32), die in Reihe geschaltet sind.
Halbleiterlaser gemäß zumindest einem der vorherigen Ansprüche, bei dem der erste (1a) und/oder der zweite Grundkörper (1b) ein keramisches Material enthalten, oder aus einem solchen bestehen.
Halbleiterlaser gemäß zumindest einem der vorherigen Ansprüche, bei dem der erste (1a) und der zweite Grundkörper (1b) aus demselben Material bestehen.
Halbleiterlaser gemäß zumindest einem der vorherigen Ansprüche, bei dem der erste (1a) und der zweite Grundkörper (1b) aus einem der folgenden Materialien bestehen: Aluminiumnitrid, Siliziumnitrid, Aluminiumoxid.
Halbleiterlaser gemäß zumindest einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die erste (2a) und/oder die zweite Anschlussstelle (2b) eine Schicht (4) aus einem Metall enthalten, die zumindest stellenweise eine maximale Dicke (DMAX) von wenigstens 5 μm aufweist.
Halbleiterlaser gemäß dem vorherigen Anspruch, bei dem die Schicht (4) eine maximale (DMAX) und eine minimale Dicke (DMIN) aufweist, wobei die minimale Dicke (DMIN) wenigstens die maximale Dicke (DMAX) abzüglich der Dicke (DL) des kantenemittierenden Halbleiterlaserchips ist.
Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterlasers mit den Schritten: – Bereitstellen eines ersten Anschlussträgers (10a), der einen ersten Grundkörper (1a) aus einem elektrisch isolierenden Material und eine Vielzahl erster Anschlussstellen (2a) aus einem elektrisch leitenden Material umfasst, wobei die ersten Anschlussstellen (2a) auf eine Oberseite (11a) des ersten Grundkörpers (1a) aufgebracht sind, – Aufbringen eines Laserbarrens (3) mit einer Vielzahl von kantenemittierenden Halbleiterlaserchips (32) auf die Vielzahl von ersten Anschlussstellen (2a), – zumindest teilweises Zertrennen des Laserbarrens (3) in eine Vielzahl von kantenemittierenden Halbleiterlaserchips (32), die unhängig voneinander betreibbar sind, – Aufbringen eines zweiten Anschlussträgers (10b), der einen zweiten Grundkörper (1b) aus einem elektrisch isolierenden Material und eine Vielzahl zweiter Anschlussstellen (2b) aus einem elektrisch leitenden Material umfasst, wobei die zweiten Anschlussstellen (2a) auf eine Oberseite (11b) des zweiten Grundkörpers (1b) aufgebracht sind, auf die Vielzahl von kantenemittierenden Halbleiterlaserchips (32).
Verfahren gemäß dem vorherigen Anspruch, wobei ein Halbleiterlaser gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 hergestellt wird.
Verfahren gemäß Ansprüche 11 oder 12, wobei das zumindest teilweise Zertrennen des Laserbarrens (3) nach dem Aufbringen des Laserbarrens (3) auf die Vielzahl von ersten Anschlussstellen (1a) erfolgt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei die ersten (2a) und/oder die zweiten Anschlussstellen (2b) vor dem Aufbringen auf den Laserbarren (3) mit einer Vielzahl von kantenemittierenden Halbleiterlaserchips (32) stellenweise gedünnt werden.