DE102012102306A1

DE102012102306A1 - Laserdiodenvorrichtung

Info

Publication number: DE102012102306A1
Application number: DE201210102306
Authority: DE
Inventors: Uwe Strauss; Sönke Tautz; Alfred Lell; Karsten Auen; Clemens Vierheilig
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2012-03-19
Filing date: 2012-03-19
Publication date: 2013-09-19
Anticipated expiration: 2032-03-20
Also published as: CN103326233B; TW201349689A; CN105406351B; CN105406351A; DE102012102306B4; TWI565169B; CN103326233A

Abstract

Es wird eine Laserdiodenvorrichtung angegeben, die ein Gehäuse (1) mit einem Gehäuseteil (10) und mit einem mit dem Gehäuseteil (10) verbundenen Montageteil (11), das sich entlang einer Erstreckungsrichtung (110) vom Gehäuseteil (10) wegerstreckt, und einen Laserdiodenchip (2) auf dem Montageteil (11) aufweist, der auf einem Substrat (20) Halbleiterschichten (21, 22, 23, 24, 26) mit einer aktiven Schicht (23) zur Abstrahlung von Licht aufweist, wobei das Gehäuseteil (10) und das Montageteil (11) einen Grundkörper aus Kupfer aufweisen und zumindest das Gehäuseteil (10) stahlummantelt ist und zwischen dem Laserdiodenchip (2) und dem Montageteil (11) eine erste Lotschicht (3) angeordnet ist, die eine Dicke von größer oder gleich 3 µm aufweist.

Description

Es wird eine Laserdiodenvorrichtung angegeben.
Lichtquellen mit hoher optischer Leistungsdichte sind Schlüsselbauelemente für eine Vielzahl von Anwendungen. Beispielsweise weisen Laserdioden aus einem Nitrid-basierten Verbindungshalbleitermaterialsystem ein hohes Marktpotential für Projektionssysteme auf, insbesondere solchen mit Lichtströmen zwischen 1000 und 10000 Lumen.
Für derartige Anwendungen sind daher Bauelemente mit hohen Ausgangsleistungen sowie kompakte Gehäuse notwendig. Aus Kostengründen und im Rahmen einer Standardisierung sind Gehäuse der sogenannten TO-Baureihe (TO: „transistor outline“) in Form von TO-Metallgehäusen ("TO metal can") üblich, etwa in Form der bekannten Baugrößen TO38, TO56 und TO90, wobei die TO-Metallgehäuse im Wesentlichen aus Stahl gefertigt sind. Derzeit verfügbare Laserdioden in solchen Standard-TO-Bauformen, im Folgenden auch kurz als „TO-Gehäuse“ bezeichnet, sind jedoch bisher auf optische Leistungen unter 3 Watt begrenzt, was für viele Anwendungen nicht ausreichend ist. Bis heute ist es jedoch noch nicht gelungen, optische Leistungen über 3 Watt mit solchen Bauformen zu erreichen.
Beispielsweise sind aus der Druckschrift C. Vierheilig et al., Proc. SPIE, Bd. 8277, 82770K, 2012 blau emittierende Nitrid-basierte Laserdioden in TO-Gehäusen bekannt, die bei Raumtemperatur im Dauerstrichbetrieb Licht mit einer Wellenlänge im Bereich von 440 nm bis 460 nm bei maximal 2,5 Watt Ausgangsleistung abstrahlen können.
Eine Steigerung der optischen Ausgangsleistung wird üblicherweise dadurch versucht, dass die Dimension des optischen Resonators, also insbesondere die Chipfläche, vergrößert wird, da sich bei Nitrid-basierten Laserdioden ein Stromdichte abhängiges Langzeitalterungsverhalten gezeigt hat, wie beispielsweise in der Druckschrift S. Lutgen et al., Proc. SPIE, Bd. 7953, S. 79530G, 2011 beschrieben ist. Zudem kann durch eine Vergrößerung der aktiven Fläche auch der Wärmetransport aus der Licht erzeugenden Schicht in Richtung einer Wärmesenke verbessert werden.
Die Erfinder der vorliegenden Anmeldung haben in eigenen Untersuchungen und Studien jedoch herausgefunden, dass die Vergrößerung der Chipfläche zu keiner Leistungssteigerung führt. Hierzu sind in 1A für blau emittierende Laserdiodenchips, die auf einen Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial basieren, Messungen der optischen Ausgangsleistung P (in Watt) in Abhängigkeit vom Betriebsstrom I (in Ampere) gezeigt. Die für die Messung verwendeten Laserdiodenchips befanden sich dabei jeweils in einem TO-Gehäuse. Für zwei Einzelchips mit jeweils einer Bauteilgröße von 200 µm × 1200 µm und einer aktiven Fläche von 15 µm × 1200 µm wurden die Messkurven 1001 und 1002 ermittelt. Zum Erreichen höherer Leistungen wurde der oben beschriebene Ansatz untersucht, die Chipfläche zu verdoppeln. Die aus einer solchen Verdopplung zu erwartende Leistungssteigerung ist in Form der gestrichelten Linie 1003 angedeutet. Es hat sich jedoch gezeigt, dass die erreichbare Maximalleistung bei doppelter Chipfläche entgegen den Erwartungen sogar noch geringer als im Fall der Einzelchips ist, wie aus der Kurve 1004 für einen Laserdiodenchip mit im Vergleich zu den vorher beschriebenen Einzelchips verdoppelter aktiver Fläche ersichtlich ist.
Um die Effizienz der Lichterzeugung in Laserdiodenchips zu erhöhen, beispielsweise durch eine Reduktion von Injektionsbarrieren für Elektronen und Löcher beim Stromfluss in die Licht erzeugenden Quantenfilme, sind weiterhin Laserdiodenchips bekannt, die auf nicht-polaren oder semipolaren Substraten aufgewachsen sind, wie beispielsweise in der Druckschrift U. Strauß et al., physica status solidi, Bd. 248, S. 652–657, 2010 beschrieben ist. Wie in der Druckschrift D. Sizov et al., IEEE Journal of Lightwave Technology, Bd. 30, S. 679–699, 2012, beschrieben ist, sind die erreichbaren elektrischen Spannungen für solche nicht-polar oder semipolar gewachsenen Laserdiodenchips jedoch nicht besser als für entsprechende polar-gewachsene Laserdiodenchips.
Neben den Standard-TO-Gehäusen aus Edelstahl sind auch TO-Gehäuse bekannt, die zur besseren Wärmeabfuhr einen Sockel aufweisen, der auf Kupfer basiert oder einen Kupferkern und eine Stahloberfläche aufweist, wie beispielsweise in der Druckschrift DE 1184870 beschrieben ist, und die aufgrund des gut Wärme leitenden Kupfers zu einer Verbesserung der Wärmeabfuhr aus Laserdiodenchips führen sollen.
In 1B sind basierend auf Untersuchungen der Erfinder Messungen der optischen Ausgangsleistung P (in Watt) sowie der Betriebsspannung U (in Volt) von Laserdiodenchips in unterschiedlichen TO-Gehäusen in Abhängigkeit vom Betriebsstrom I (in Ampere) gezeigt. Die Kurven 1005 und 1007 zeigen die stromabhängige optische Leistung sowie die damit verbundene Betriebsspannung eines blau emittierenden GaN-Laserdiodenchips in einem üblichen TO56-Standardgehäuse mit einem Stahl-Sockel („base plate“) und einem Kupfer-Montageteil („stem“), während die Kurven 1006 und 1008 entsprechende Messungen für einen Laserdiodenchip in einem alternativen TO56-Gehäuse mit einem Stahl ummantelten Kupfer-Sockel und einem Stahl ummantelten Kupfer-Montageteil zeigen. Wie leicht zu erkennen ist, führt das alternative Gehäuse, das einen auf Stahl ummanteltem Kupfer basierenden Sockel aufweist, nicht ohne weiteres zu einer Verbesserung der Maximalleistung der Laserdiodenchips. Daher wurde der Ansatz solcher alternativer TO-Gehäuse von keinem Laserdiodenhersteller für Nitrid-basierte Laserdioden weiterverfolgt.
Zumindest eine Aufgabe von bestimmten Ausführungsformen ist es, eine Laserdiodenvorrichtung anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch einen Gegenstand gemäß dem unabhängigen Patentanspruch gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen des Gegenstands sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet und gehen weiterhin aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen hervor.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist eine Laserdiodenvorrichtung ein Gehäuse auf, in dem ein Laserdiodenchip angeordnet ist. Das Gehäuse weist insbesondere ein Gehäuseteil und ein mit dem Gehäuseteil verbundenes Montageteil auf, das sich entlang einer Erstreckungsrichtung vom Gehäuseteil wegerstreckt. Mit anderen Worten ragt das Montageteil vom Gehäuseteil ab und kann beispielsweise zapfenförmig ausgebildet sein. Das Montageteil weist eine Montagefläche auf, die sich entlang der Erstreckungsrichtung des Montageteils vom Gehäuseteil wegerstreckt und auf der der Laserdiodenchip angeordnet ist. Das Gehäuseteil kann insbesondere dazu vorgesehen und dafür ausgebildet sein, dass ein Gehäusedeckel zum Verschluss des Gehäuses auf dem Gehäuseteil angeordnet werden kann.
Das Gehäuseteil und das Montageteil, die insbesondere auch einstückig miteinander ausgebildet sein können, weisen jeweils einen Grundkörper aus Kupfer oder bei einstückiger Ausbildung auch einen gemeinsamen Grundkörper aus Kupfer aus. Zumindest das Gehäuseteil ist weiterhin stahlummantelt. Das bedeutet, dass das Gehäuseteil im Wesentlichen aus dem Kupfer des Grundkörpers gebildet ist und mit einer Stahlschicht bedeckt ist. Die Stahlschicht kann beispielsweise durch eine Schicht aus Edelstahl gebildet sein.
Weiterhin kann das Gehäuseteil beispielsweise Löcher oder Öffnungen aufweisen, durch die elektrische Zuleitungen beispielsweise in Form von Kontaktbeinen von der dem Montageteil abgewandten Seite des Gehäuseteils zur Seite, auf der das Montageteil angeordnet ist, ragen können. Die elektrischen Zuleitungen können für eine elektrische Kontaktierung des Laserdiodenchips vorgesehen sein, beispielsweise über eine Drahtverbindung zwischen einer elektrischen Zuleitung und dem Laserdiodenchip.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist zusätzlich zum Gehäuseteil auch das Montageteil Stahl ummantelt. Insbesondere können das Gehäuseteil und das Montageteil in dieser Ausführungsform einen gemeinsamen Kupfer-Grundkörper aufweisen, der mit einer Stahlschicht bedeckt ist.
Insbesondere kann das Gehäuse als sogenanntes TO-Gehäuse, beispielsweise mit einer Baugröße TO38, TO56 oder TO90, ausgebildet sein. Das Gehäuseteil kann auch als "base plate" und das Montageteil als "stem" bezeichnet werden. Im Vergleich zu üblicherweise verwendeten Standard-TO-Gehäusen, die zumindest ein Gehäuseteil oder ein Gehäuseteil und ein Montageteil aufweisen, die im Wesentlichen aus Stahl bestehen und keinen Kupfer-basierten Grundkörper aufweisen, weist das hier beschriebene Gehäuse aufgrund des Kupfers des stahlummantelten Gehäuseteils eine höhere Wärmeleitfähigkeit auf.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Gehäuse einen Gehäusedeckel auf, der auf dem Gehäuseteil aufgebracht und mit dem Gehäuseteil verschweißt ist. Hierzu ist es besonders vorteilhaft, dass das Gehäuseteil stahlummantelt ist, da dadurch wie bei einem Standard-TO-Gehäuse mit einem Stahlsockel der Gehäusedeckel mit dem Gehäuseteil verschweißt werden kann. Das Montageteil ragt entlang seiner Erstreckungsrichtung vom Gehäuseteil in den Gehäusedeckel hinein, so dass sich der Laserdiodenchip bei montiertem Gehäusedeckel auf dem Montageteil im durch den Gehäusedeckel und das Gehäuseteil gebildeten Hohlraum befindet. Der Gehäusedeckel weist weiterhin auf einer dem Gehäuseteil abgewandten Seite ein Fenster auf, durch das das vom Laserdiodenchip im Betrieb emittierte Licht von der Laserdiodenvorrichtung abgestrahlt werden kann. Der Gehäusedeckel kann beispielsweise Stahl, insbesondere Edelstahl, aufweisen oder bis auf das Fenster daraus sein. Durch das Verschweißen des Gehäuseteils mit dem Gehäusedeckel, der in Form einer Kappe über dem Montageteil und damit auch über dem Laserdiodenchip auf dem Montageteil ausgebildet ist, kann das Gehäuse hermetisch oder wenigstens sehr dicht verschlossen werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Laserdiodenchip auf dem Montageteil mittels einer ersten Lotschicht angeordnet. Das bedeutet insbesondere, dass zwischen dem Laserdiodenchip und dem Montageteil die erste Lotschicht angeordnet ist. Die erste Lotschicht weist eine Dicke von größer oder gleich 3 µm auf. Besonders bevorzugt kann die Dicke der Lotschicht auch größer oder gleich 5 µm sein.
Der Laserdiodenchip kann mittels der ersten Lotschicht direkt auf dem Montageteil montiert sein. Alternativ dazu ist es auch möglich, dass zwischen dem Laserdiodenchip und dem Montageteil ein Wärmeleitelement angeordnet ist, das als sogenannter Wärmespreizer ausgebildet ist. Das Wärmeleitelement kann insbesondere dazu dienen, den Wärmestrom zwischen dem Laserdiodenchip und dem Montageteil aufzuweiten beziehungsweise aufzuspreizen, um eine große Übergangsfläche beim Wärmetransfer in das Gehäuse, also insbesondere das Montageteil, zu erreichen. Weiterhin kann es auch möglich sein, dass das Wärmeleitelement beispielsweise Verspannungen zwischen dem Laserdiodenchip und dem Gehäuse, die beispielsweise durch unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten dieser hervorgerufen werden können, ausgleichen kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Wärmeleitelement mit der ersten Lotschicht auf dem Montageteil befestigt. Der Laserdiodenchip ist mit einer zweiten Lotschicht auf dem Wärmeleitelement befestigt. Beispielsweise kann auch die zweite Lotschicht eine Dicke von größer oder gleich 3 µm und bevorzugt von größer oder gleich 5 µm aufweisen. Merkmale und Vorteile, die in Verbindung mit der ersten Lotschicht beschrieben sind, können auch für die zweite Lotschicht gelten und umgekehrt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Wärmeleitelement Siliziumcarbid (SiC), Bornitrid (BN), Kupferwolfram (CuW) oder Diamant auf oder besteht daraus. Siliziumcarbid, Bornitrid, Kupferwolfram und Diamant können sich durch eine besonders hohe Wärmeleitfähigkeit auszeichnen. Alternativ dazu kann das Wärmeleitelement auch Aluminiumnitrid aufweisen.
Bei der hier beschriebenen Laserdiodenvorrichtung können sich somit zwischen dem Grundkörper des Kupfer-basierten Montageteils und dem Laserdiodenchip, die üblicherweise unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten haben, ein oder mehrere Materialien mit ebenfalls unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten befinden, insbesondere die erste Lotschicht und weiterhin beispielsweise eine Stahlummantelung des Montageteils und/oder eine oder mehrere weitere Lotschichten und/oder ein Wärmeleitelement. Dadurch können sich im Betrieb thermisch induzierte Verspannungen zwischen dem Laserdiodenchip und dem Gehäuse oder zwischen dem Laserdiodenchip und dem Wärmeleitelement sowie zwischen dem Wärmeleitelement und dem Gehäuse bilden, die sich auf den Betrieb der Laserdiodenvorrichtung negativ auswirken können. Während es im Stand der Technik üblich ist, die Dicke einer Lotschicht, mit der ein Laserdiodenchip montiert ist, möglichst dünn, insbesondere unter 2 µm, zu halten um eine möglichst gute Wärmeableitung zu erreichen, wird bei der hier beschriebenen Laserdiodenvorrichtung die erste Lotschicht und gegebenenfalls auch die zweite Lotschicht mit einer bevorzugt erheblich größeren Dicke verwendet. Der höhere thermische Widerstand einer solchen Lotschicht wird dabei in Kauf genommen, da sich eine derart dicke Lotschicht als vorteilhaft erwiesen hat, um thermisch induzierte Verspannungen zwischen dem Gehäuse und dem Laserdiodenchip auszugleichen. Beispielsweise kann eine hier beschriebene Lotschicht ein Weichlot auf Basis von Indium aufweisen, um besonders gut unterschiedliche thermische Ausdehnungen kompensieren zu können. Bei der hier beschriebenen Laserdiodenvorrichtung ist es somit möglich, als Wärmeleitelement Materialien wie Siliziumcarbid, Bornitrid, Kupferwolfram oder Diamant zu verwenden, die im Vergleich zu Aluminiumnitrid eine höhere Wärmeleitfähigkeit aber auch im Vergleich zu den üblichen Materialien für Laserdiodenchips deutlich unterschiedlichere thermische Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform basiert der Laserdiodenchip auf einem Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial. Der Laserdiodenchip kann insbesondere ein Substrat, bevorzugt ein elektrisch leitendes Substrat, beispielsweise kristallines (In,Al,Ga)N, aufweisen. Darüber kann eine Epitaxieschichtenfolge, also epitaktisch gewachsene Halbleiterschichten, aufgebracht sein, die auf einem Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial basiert und somit auf Basis von InAlGaN ausgeführt ist.
Unter InAlGaN-basierten Verbindungshalbleitermaterialien, (In,Al,Ga)N-basierten Verbindungshalbleitermaterialien sowie Nitrid-Verbindungshalbleitermaterialien fallen insbesondere solche, die ein Material aus dem III-V-Verbindungshalbleitermaterialsystem In_xAl_yGa_1-x-yN mit 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und x + y ≤ 1 aufweisen, beispielsweise also GaN, AlN, AlGaN, InGaN, AlInGaN. Der Laserdiodenchip kann insbesondere auf dem Substrat eine Halbleiterschichtenfolge aufweisen, die eine aktive Schicht aufweist, besonders bevorzugt auf Basis auf AlGaInN und/oder InGaN, die im Betrieb zur Abstrahlung von Licht vorgesehen ist. Insbesondere kann der Laserdiodenchip im Betrieb Licht aus einem ultravioletten bis grünen Wellenlängenbereich emittieren.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Laserdiodenchip auf dem Substrat Halbleiterschichten auf, die beispielsweise die aktive Schicht zwischen Wellenleiterschichten und Mantelschichten aufweisen. Insbesondere können auf dem Substrat eine erste Mantelschicht, darüber eine erste Wellenleiterschicht, darüber die aktive Schicht, darüber eine zweite Wellenleiterschicht und über dieser eine zweite Mantelschicht aufgebracht sein. Über der zweiten Mantelschicht können weiterhin eine Halbleiterkontaktschicht und über dieser eine elektrische Anschlussschicht, beispielsweise in Form einer Metallschicht, angeordnet sein. Die elektrische Kontaktierung des Laserdiodenchips kann besonders bevorzugt über die dem Substrat gegenüber liegende elektrische Anschlussschicht sowie über das leitfähige Substrat erfolgen, wobei das Substrat auf der den Halbleiterschichten abgewandten Seiten auch eine elektrische Anschlussschicht aufweisen kann. Auf der dem Substrat abgewandten Seite der aktiven Schicht kann zwischen der Wellenleiterschicht und der Mantelschicht weiterhin eine Ladungsträgerbarrierenschicht angeordnet sein, um ein sogenanntes Ladungsträger-Overshoot zu vermeiden.
Beispielsweise können die zwischen dem Substrat und der aktiven Schicht angeordneten Halbleiterschichten n-dotiert und die vom Substrat aus gesehen über der aktiven Schicht angeordneten Halbleiterschichten p-dotiert sein. Alternativ hierzu ist es auch möglich, die Dotierungsreihenfolge umzukehren. Die aktive Schicht kann undotiert oder n-dotiert sein. Der Laserdiodenchip kann als aktive Schicht beispielsweise einen herkömmlichen pn-Übergang, eine Doppelheterostruktur oder eine Quantentopfstruktur, besonders bevorzugt eine Mehrfach-Quantentopfstruktur (MQW-Struktur), aufweisen. Die Bezeichnung Quantentopfstruktur umfasst im Rahmen dieser Anmeldung insbesondere jegliche Struktur, bei der Ladungsträger durch Einschluss ("confinement") eine Quantisierung ihrer Energiezustände erfahren können. Insbesondere kann eine Quantentopfstruktur Quantentröge, Quantendräte und/oder Quantenpunkte und eine Kombination dieser Strukturen aufweisen. Beispielsweise kann die aktive Schicht InGaN-basierte Quantenfilme zwischen geeignet ausgebildeten Barriereschichten aufweisen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform basiert der Laserdiodenchip wie vorab beschrieben auf einem Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial und weist eine nicht-polare oder semi-polare Kristallstruktur auf. Nitrid-Verbindungshalbleitermaterialien weisen eine Wurtzit-Gitterstruktur auf und werden üblicherweise derart aufgewachsen, dass die Aufwachsrichtung der kristallographischen c-Achse und somit die Aufwachsebene der ]-Kristallebene entspricht. Dieses Wachstums führt zu einer polaren Kristallstruktur, durch die im Halbleiterkristall interne piezoelektrische Felder erzeugt werden, die eine interne Polarisation hervorrufen, wodurch die Injektion von Ladungsträgern in die aktive Schicht sowie die Verteilung der Ladungsträger in der aktiven Schicht erschwert sind. Wie in der Druckschrift U. Strauß et al., physica status solidi, Bd. 248, S. 652–657, 2010 beschrieben ist, zeigen Simulationen von polaren Kristallstruktur, dass bei einer polaren Kristallstruktur in einer aktiven Schicht mit einer Quantentopfstruktur mit Quantenfilmen Injektionsbarrieren von einigen 100 mV pro Quantenfilm entstehen können, abhängig von der Emissionswellenlänge der Quantenfilme. Die Druckschrift D. Sizov et al., IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, Bd. 17, Nr. 5, S. 1390–1401, 2011 beschreibt eine Reduktion der Injektionsbarrieren durch semi-polare Kristallgrenzflächen.
Als "nicht-polare" oder "semi-polare" Kristallstrukturen werden hier und im Folgenden Kristallstrukturen bezeichnet, deren Aufwachsrichtung und damit deren vertikale Stromrichtung im Betrieb von der kristallographischen c-Achse des Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial abweicht und insbesondere nicht parallel ist und die somit eine Aufwachsebene aufweisen, die von der [0001]-Ebene abweichen und nicht parallel zu dieser sind. Beispiele für nicht-polare Kristallstrukturen sind etwa die folgenden Richtungen beziehungsweise Aufwachsebenen: [1–100], [11–20] sowie alle Kristallebenen zwischen diesen. Semi-polare Ebenen sind alle Kristallebenen zwischen der [0001]-Ebene und einer nicht-polaren Kristallebene. Eine nicht-polare oder semi-polare Kristallstruktur kann beispielsweise durch das Aufwachsen der Halbleiterschichten auf einer nicht-polaren oder semi-polaren Substratoberfläche erreicht werden.
Durch die nicht-polare oder semi-polare Kristallstruktur des Laserdiodenchips kann es somit möglich sein, den Spannungsabfall und damit die Verlustleistung in der aktiven Schicht des Laserdiodenchips im Vergleich zu einem Laserdiodenchip, der auf einem Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial basiert und eine polare Kristallstruktur aufweist, zu reduzieren. Bei Laserdiodenchips mit nicht-polaren oder semi-polaren Kristallstrukturen konnten jedoch bisher keine Vorwärtsspannungen erreicht werden, die bei gleichem Strom geringer als die von Leuchtdiodenchips mit polaren Kristallstrukturen sind. Die Erfinder führen dies auf einen höheren Kontaktwiderstand zurück, insbesondere auf der dem Substrat abgewandten Seite der Halbleiterschichten zur elektrischen Anschlussschicht hin. Im Falle einer p-dotierten Halbleiterkontaktschicht auf der dem Substrat abgewandten Seite der aktiven Schicht kann dies beispielsweise auf die schwere p-Dotierbarkeit von Nitrid-Verbindungshalbleitermaterialien zurückgeführt werden.
Insbesondere kann der hier beschriebene Laserdiodenchip derart ausgeführt sein, dass der Laserdiodenchip im Vergleich zu einem Laserdiodenchip, der auf einem Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial basiert und eine polare Kristallstruktur aufweist, im Betrieb in den Halbleiterschichten auf der dem Substrat abgewandten Seite der aktiven Schicht eine größere Verlustleistung und in der aktiven Schicht eine kleinere Verlustleistung aufweist als der Laserdiodenchip, der auf einem Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial mit polarer Kristallstruktur basiert.
Wie weiter oben beschrieben ist, ergibt die Verwendung eines Gehäuses, beispielsweise eines TO-Gehäuses, das auf Kupfer basiert oder einen Kupferkern und eine Stahloberfläche aufweist, im Vergleich zur Verwendung eines Standard-TO-Gehäuses aus Edelstahl für sich allein genommen keine Verbesserung der Laserleistung, während die Verwendung von Laserdiodenchips mit einer nicht-polaren oder semi-polaren Kristallstruktur in einem Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial zu keiner Verbesserung der Vorwärtsspannung führt. Auch die Verwendung einer Lotschicht mit einer Dicke von größer oder gleich 3 µm erscheint wegen des höheren thermischen Widerstands kontraproduktiv.
Jedoch haben die Erfinder erkannt, dass die Kombination des oben beschriebenen Gehäuses mit dem Kupfer-Grundkörper, des Laserdiodenchips basierend auf einem Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial mit einer nicht-polaren oder semi-polaren Kristallstruktur und der ersten Lotschicht mit einer Dicke von größer oder gleich 3 µm besonders vorteilhaft ist, um im Vergleich zu bekannten Laserdiodenvorrichtungen höhere Ausgangsleistungen zu erzielen. Entgegen dem Stand der Technik bei anderen Lasersystemen wie beispielsweise GaAs-basierten Laserdiodenchips in TO-Gehäusen haben die Erfinder erkannt, dass es vorteilhaft ist, einen großen Temperaturgradienten im Betrieb innerhalb des Laserdiodenchips zu erzeugen, was durch die gezielte Wahl und Kombination der hier beschriebenen Komponenten der Laserdiodenvorrichtung möglich ist. Insbesondere durch die im Vergleich zu einem üblichen Laserdiodenchip basierend auf einem Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial mit einer polaren Kristallstruktur unterschiedliche Verlustleistungsverteilung und durch das Kupfer des Grundkörpers des Gehäuses wiederum wird ein großer Temperaturgradient im Laserdiodenchip und im Gegensatz dazu ein geringer Temperaturgradient im Gehäusematerial erzielt, wobei die gute Wärmeleitfähigkeit des Kupfer-Grundkörpers, wie oben beschrieben ist, nicht für sich alleine sondern in Kombination mit dem hier beschriebenen Laserdiodenchip vorteilhaft ist. Die Kombination des hier beschriebenen Gehäuses mit dem hier beschriebenen Laserdiodenchip ist weiterhin gerade dadurch möglich, dass eine im Vergleich zum Stand der Technik deutlich dickere und hinsichtlich des höheren thermischen Widerstands kontraproduktiv erscheinende erste Lotschicht verwendet wird.
Weiterhin ist es vorteilhaft, bei der hier beschriebenen Laserdiodenvorrichtung im Vergleich zu bekannten Laserdiodenchips die Fläche der aktiven Schicht des Laserdiodenchips zu vergrößern. Insbesondere kann die aktive Schicht eine Fläche von größer oder gleich 10000 µm² und bevorzugt von größer oder gleich 20000 µm² bis zu 30000 µm² aufweisen. Als Flächenbegrenzung wird hierbei ein Abfall der Stromdichte von einem Maximalwert auf 10% angenommen.
Wie oben beschrieben ist, ist eine Vergrößerung der Fläche der aktiven Schicht allein kontraproduktiv im Hinblick auf die Erreichung einer höheren Ausgangsleistung des Laserdiodenchips. Die Erfinder haben jedoch erkannt, dass nur durch die Kombination mit dem vorab beschriebenen Temperaturgradienten im Laserdiodenchip eine höhere Ausgangsleistung erreicht werden kann, die durch die großflächiger bestromte, Laserlicht erzeugende Chipfläche ermöglicht wird. Der Temperaturgradient im Laserdiodenchip wiederum kann nur durch eine geringere Wärmeentwicklung sowie eine bessere Wärmeabfuhr in beziehungsweise aus der aktiven Schicht kombiniert mit einem im Vergleich zum Stand der Technik heißeren elektrischen Kontakt auf der dem Substrat abgewandte Seite der aktiven Schicht erreicht werden.
Die Verschlechterung des elektrischen Kontakts auf der dem Substrat abgewandten Seite der aktiven Schicht, also die gezielte Einrichtung einer höheren Verlustleistung im Vergleich zum Stand der Technik, wird dabei nicht nur durch die geringeren Verluste in der aktiven Schicht kompensiert, sondern wird durch den möglichen Hochstrombetrieb, beispielsweise durch eine größere Fläche der aktiven Schicht, und den gezielt eingestellten Temperaturgradienten im Laserdiodenchip überkompensiert, so dass gerade durch die Kombination der hier beschriebenen Maßnahmen im Vergleich zum Stand der Technik eine deutliche Verbesserung in Form einer Erhöhung der Ausgangsleistung erreicht werden kann. Bei der hier beschriebenen Laserdiodenvorrichtung kann insbesondere eine höhere optische Ausgangsleistung im Bereich mehrerer Watt, insbesondere von mehr als 3 W, sowie eine höhere Konversionseffizienz der elektrischen Eingangsleistung in optische Ausgangsleistung erreicht werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Montageteil senkrecht zur Erstreckungsrichtung einen Querschnitt auf, der zumindest an einer Seite bis an einen über dem Montageteil angeordneten und auf dem Gehäuseteil angebrachten Gehäusedeckel heranragt. Mit anderen Worten ist das Montageteil in einer Ebene senkrecht zur Erstreckungsrichtung so dick, dass das Montageteil bis an den Gehäusedeckel heranreicht. Dabei kann zwischen dem Montageteil und dem Gehäusedeckel noch ein Spalt vorhanden sein. Alternativ dazu kann das Montageteil den Gehäusedeckel auch berühren. Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Montageteil auf einer möglichst großen Fläche bis an den Gehäusedeckel heranreicht.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weisen das Gehäuseteil und der Gehäusedeckel in einer Ebene senkrecht zur Erstreckungsrichtung des Montageteils einen kreisförmigen Querschnitt auf. Das Montageteil kann in einer Ebene senkrecht zur Erstreckungsrichtung besonders vorteilhaft einen Querschnitt aufweisen, der mehr als ein halbkreisförmiges Kreissegment, also mehr als eine Halbkreisfläche, einnimmt. Je dicker das Montageteil ausgebildet ist und je größer somit also die Querschnittsfläche des Montageteils senkrecht zur Erstreckungsrichtung ist, desto größer ist die Wärmeableitung durch das Gehäuse. Der nicht vom Montageteil innerhalb des Gehäusedeckels ausgefüllte Raum ist zur Montage des Laserdiodenchips vorgesehen.
Weiterhin kann es auch möglich sein, dass sich der Querschnitt des Montageteils in Richtung des Gehäuseteils vergrößert. Beispielsweise kann das Montageteil in einer Ebene entlang der Erstreckungsrichtung einen keilförmigen Querschnitt aufweisen und damit relativ zu einer Montageebene des Montageteils, auf der der Laserdiodenchip angeordnet ist, breiter und/oder dicker werden. Im Vergleich zu einem Standard-TO-Gehäuse kann der Laserdiodenchip auf einem derartigen Montageteil in eine schräge Richtung abstrahlen, wodurch beispielsweise erreicht werden kann, dass das Montageteil eine möglichst große Dicke und Breite aufweisen kann, ohne dass es zu einer Abschattung durch das Fenster des Gehäusedeckels kommt.
Zum Ausgleich der schrägen Abstrahlrichtung bei einem keilförmigen Querschnitt des Montageteils kann das Gehäuseteil in einer Ebene parallel zur Erstreckungsrichtung einen keilförmigen Querschnitt aufweisen. Alternativ oder zusätzlich hierzu kann auch der Verbindungswinkel zwischen dem Gehäuseteil und dem Montageteil ungleich 90° sein, wobei ein Verbindungswinkel von 90° der Standardanordnung eines Montageteils auf einem Gehäuseteil eines Standard-TO-Gehäuses entspricht. Dadurch kann erreicht werden, dass trotz schräg gerichteter Abstrahlung durch den Laserdiodenchip die Laserdiodenvorrichtung das vom Laserdiodenchip erzeugte Licht in etwa in einem rechten Winkel zu einer Montagefläche des Gehäuses, mit der die Laserdiodenvorrichtung auf einem Träger wie etwa einer Leiterplatte montiert werden kann, abstrahlen kann. Alternativ ist es auch möglich, beispielsweise einen Hilfsring am Gehäuseteil anzubringen, wodurch eine schräge Montage des Gehäuses und damit der Laserdiodenvorrichtung erreicht werden kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Laserdiodenchip eine Strahlungsauskoppelfläche auf, über die das in der aktiven Schicht erzeugte Licht im Betrieb abgestrahlt wird. Der Laserdiodenchip ist bevorzugt als kantenemittierender Laserdiodenchip ausgeführt, bei dem die Strahlungsauskoppelfläche beispielsweise durch Brechen, Spalten und/oder Ätzen eines Halbleiterschichtverbunds entlang einer Kristallebene erzeugt werden kann. Weiterhin weist der Laserdiodenchip eine der Strahlungsauskoppelfläche gegenüberliegend angeordnete Rückseitenfläche auf. Als Strahlungsauskoppelfläche kann insbesondere ein Bereich einer Vorderseitenfläche des Laserdiodenchips bezeichnet sein, über den das im Laserdiodenchip erzeugte kohärente Licht abgestrahlt wird. Die Vorderseitenfläche, insbesondere auch die Strahlungsauskoppelfläche, und die Rückseitenfläche werden bei kantenemittierenden Laserdiodenchips üblicherweise auch als so genannte Facetten bezeichnet. Weiterhin weist der Laserdiodenchip Seitenflächen auf, die die Rückseitenfläche und die Strahlungsauskoppelflächen miteinander verbinden und die durch die Seiten der Halbleiterschichten in einer Richtung senkrecht zur Aufwachs- und Anordnungsrichtung der Halbleiterschichten gebildet werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Laserdiodenchip zumindest auf der Strahlungsauskoppelfläche eine kristalline Schutzschicht auf. Als „kristalline“ Schicht wird hier und im Folgenden eine Schicht bezeichnet, die in ihrer Gesamtheit eine kristalline Struktur, also eine Nah- und eine Fernordnung, aufweist. Im Gegensatz hierzu weisen eine amorphe Schicht lediglich eine Nahordnung und eine teilkristalline beziehungsweise partiell kristalline Schicht nur in Teilen oder Bereichen auch eine Fernordnung auf, die sich jedoch nicht über die gesamte Schicht fortsetzt.
Insbesondere kann die kristalline Schutzschicht hermetisch dicht sein, insbesondere hermetisch dicht im Bereich der Strahlungsauskoppelfläche, also bevorzugt dem Bereich der Vorderseitenfläche des Laserdiodenchips, über den im Betrieb die Laserstrahlung abgestrahlt wird. Eine hermetisch dichte Schicht kann hierbei insbesondere eine Dichtigkeit aufweisen, die ausreichend hoch ist, dass die von der hermetisch dichten Schicht bedeckte Fläche des Laserdiodenchips während der Lebensdauer des Laserdiodenchips und der Laserdiodenvorrichtung derart geschützt ist, dass keine die Lebensdauer verkürzenden Schäden auftreten. Insbesondere kann die kristalline Schutzschicht eine höhere Dichtigkeit aufweisen als beispielsweise eine amorphe oder eine partiell kristalline Schicht. Dies kann beispielsweise davon herrühren, dass die kristalline Schicht bevorzugt ohne Gitterfehler, so genannte "pin holes", ausgebildet ist, die Undichtigkeiten hervorrufen können.
Die kristalline Schutzschicht kann die Flächen des Laserdiodenchips, die von der kristallinen Schutzschicht bedeckt sind, also zumindest die Strahlungsauskoppelfläche, vor Umwelteinflüssen wie beispielsweise schädigenden Gasen schützen. Solche Umwelteinflüsse können beispielsweise gebildet werden durch Sauerstoff, Ozon, in saurem Regen enthaltene Stoffe und andere Chemikalien. Beispielsweise bei einem Einsatz der Laserdiodenvorrichtung als Lichtquelle in der Automobiltechnik kann im Fall eines ungeschützten Laserdiodenchips aufgrund von aggressiven Medien wie etwa Kohlenwasserstoffen sowie Schwefel- und Stickstoffverbindungen, beispielsweise Schwefelwasserstoff und Schwefel- und Stickoxide, eine Gefährdung des Laserdiodenchips und insbesondere dessen Strahlungsauskoppelfläche auftreten. Solche schädigenden Umwelteinflüsse können beispielsweise dann in das Gehäuse der Laserdiodenvorrichtung bis zum Laserdiodenchip vordringen, wenn das Gehäuse selbst nicht hermetisch dicht gegenüber der Umgebung abgeschlossen ist. Bei dem Gehäuse der hier beschriebenen Laserdiodenvorrichtung besteht aufgrund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten eine besondere technische Herausforderung darin, beim Verschließen des Gehäuses das auf Kupfer oder auf stahlummanteltem Kupfer basierende Gehäuse mit einem Stahl-basierten Gehäusedeckel mit einer ausreichenden Dichtigkeit zu verschweißen. Insbesondere bei der Hochvolumenfertigung derartiger Bauteile kann es zu einer Erhöhung der Schlupfrate („escape rate“) von Bauteilen kommen, die eine Rest-Undichtigkeit aufweisen. Es ist zwar bekannt, die Facetten von Laserdiodenchips mit Beschichtungen zu versehen, jedoch sind diese üblicherweise amorph bis partiell kristallin und können aufgrund ihrer Korngrenzen und Fehlstellen die Diffusion von Facettenschädigenden Materialien nur unzureichend verhindern. Die kristalline Schutzschicht stellt somit einen den zuverlässigen Einsatz der Laserdiodenvorrichtung gewährleistenden zusätzlichen Schutz insbesondere der kritischen Strahlungsauskoppelfläche dar.
Weiterhin können die hier beschriebenen dicken Lotschichten zwischen dem Laserdiodenchip und dem Gehäuse, beispielsweise die erste Lotschicht, dazu führen, dass Lotpartikel über die Oberflächen des Laserdiodenchips, insbesondere in Bereichen der Laserfacetten, migrieren. Ohne eine ausreichend dichte Facettenbeschichtung können die Lotpartikel durch die Facettenbeschichtung diffundieren, was zu Leckströmen über die Laserfacetten führen kann. Durch die hier beschriebene kristalline Schutzschicht kann eine ausreichend dichte Facettenbeschichtung gewährleistet werden, die eine Schädigung des Laserdiodenchips durch Lotpartikel verhindern kann. Durch die kristalline Schutzschicht kann im Falle eines kristallinen dielektrischen Materials zudem eine deutliche Steigerung der Durchbruchfeldstärke erreicht werden, wodurch ein Schutz vor elektrischem Durchbruch, beispielsweise aufgrund einer hochlaufenden Lotschicht oder einer über die Facette hängenden p-Metallisierung, erreicht werden kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird der Laserdiodenchip bei der Herstellung der Laserdiodenvorrichtung zumindest auf der Strahlungsauskoppelfläche mit der kristallinen Schutzschicht versehen. Hierzu wird ein Aufbringverfahren verwendet, mit dem sich eine kristalline dielektrische, halbleitende oder leitende Schicht herstellen lässt. Beispielsweise kann hierzu ein Verfahren zur chemischen Gasphasenabscheidung (CVD: "chemical vapor deposition") bei erhöhten Temperaturen gewählt werden, insbesondere bei Temperaturen von größer oder gleich 500°C und bevorzugt von größer oder gleich 600°C. Besonders bevorzugt kann die kristalline Schutzschicht auch durch Abscheidung mittels eines Atomlagenabscheideverfahrens (ALD: "atomic layer deposition"), insbesondere einem Atomlagenepitaxieverfahren (ALE: "atomic layer epitaxy"), erfolgen. Auch die Atomlagenabscheideverfahren können bei im Vergleich zu üblichen Herstellungsverfahren von Facettenbeschichtungen erhöhten Temperaturen von größer oder gleich 500°C und bevorzugt von größer oder gleich 600°C durchgeführt werden, um die kristalline Schutzschicht zu erhalten. Vorteilhaft an den genannten Verfahren, insbesondere einem Atomlagenabscheideverfahren, sind die fehlerfreie, „pin hole“-freie Struktur, eine gute Haftung auf Oberflächen, eine hohe Stabilität, eine gute Überformung auch von Unebenheiten mit einem großen Aspektverhältnis sowie eine verspannungsarme Struktur. Besonders vorteilhaft ist bei solchen Schutzschichten deren geringe Durchlässigkeit gegenüber Gasen, beispielsweise Sauerstoff oder feuchter Luft, wie beispielsweise in den Druckschriften P.F. Carcia et al., Journal of Applied Physics 106, 023533 (2009) und T. Hirvikorpia, Applied Surface Science 257, 9451–9454 (2011) beschrieben ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die kristalline Schutzschicht genau eine kristalline Schicht auf. Alternativ hierzu ist es auch möglich, dass die kristalline Schutzschicht eine Mehrzahl von kristallinen Schichten aufweist. Die Mehrzahl der kristallinen Schichten kann beispielsweise durch mehrere kristalline Schichten aus verschiedenen Materialien gebildet werden. Weiterhin ist es auch möglich, dass die Mehrzahl der kristallinen Schichten durch eine abwechselnde Folge von zumindest zwei kristallinen Schichten aus unterschiedlichen Materialien gebildet wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist auf der Strahlungsauskoppelfläche eine optische Schicht aufgebracht. Die optische Schicht kann beispielsweise eine Verspiegelungs- oder Entspiegelungsschicht sein. Derartige optische Schichten weisen üblicherweise eine und bevorzugt mehrere Schichten aus transparenten Materialien auf, die eine periodische Abfolge von unterschiedlichen Brechungsindices bilden können.
Beispielsweise kann die kristalline Schutzschicht die optische Schicht bilden. Dies kann insbesondere dann mit Vorteil möglich sein, wenn die kristalline Schutzschicht eine Mehrzahl von kristallinen Schichten aufweist. Alternativ hierzu ist es auch möglich, dass zusätzlich zur kristallinen Schutzschicht eine optische Schicht aufgebracht ist, die nicht zwingend kristallin, sondern beispielsweise amorph oder teilweise kristallin sein kann. Die optische Schicht kann in diesem Fall mittels eines herkömmlichen Aufbringverfahrens, wie es aus dem Stand der Technik bekannt für Facettenbeschichtungen ist, aufgebracht sein.
Die optische Schicht kann beispielsweise zwischen der Strahlungsauskoppelfläche und der kristallinen Schutzschicht angeordnet und durch die kristalline Schutzschicht bedeckt sein. Hierdurch kann es möglich sein, dass zusätzlich zur Strahlungsauskoppelfläche auch die optische Schicht durch die kristalline Schutzschicht geschützt ist. Alternativ dazu ist es auch möglich, dass die kristalline Schutzschicht zwischen der Strahlungsauskoppelfläche und der optischen Schicht angeordnet ist. Die kristalline Schutzschicht ist in diesem Fall mit Vorteil möglichst nahe und besonders bevorzugt direkt auf dem Laserdiodenchip, also zumindest auf der Strahlungsauskoppelfläche, angeordnet. In Kombination mit einer zusätzlichen optischen Schicht kann die kristalline Schutzschicht auch einen Teil der optischen Funktionalität der Beschichtung aufweisen und somit ein Teil der optischen Schicht sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die kristalline Schutzschicht durch ein dielektrisches Material gebildet oder weist zumindest ein dielektrisches Material auf. Insbesondere bei einer direkten und unmittelbaren Beschichtung der Strahlungsauskoppelfläche und gegebenenfalls weiterer Flächen des Laserdiodenchips ist eine dielektrische Schicht von Vorteil, da hierdurch Kurzschlüsse des Laserdiodenchips vermieden werden können. In Kombination mit einer optischen Schicht oder auch einer Passivierungsschicht zwischen der kristallinen Schutzschicht und dem Laserdiodenchip kann die kristalline Schutzschicht auch ein halbleitendes oder leitendes Material aufweisen oder daraus sein.
Besonders bevorzugt kann die kristalline Schutzschicht durch ein Oxid gebildet werden oder zumindest ein Oxid aufweisen. Durch den Sauerstoff des oxidischen Materials können beispielsweise mit Wassermolekülen Wasserstoffbrückenbindungen ausgebildet werden, wodurch die Wassermoleküle am Eindringen in die kristalline Schicht gehindert werden können. Besonders bevorzugt kann das Oxid dielektrisch sein.
Besonders bevorzugt kann die kristalline Schutzschicht in einer oder in mehreren kristallinen Schichten eines oder mehrerer der folgenden Materialien aufweisen: Al₂O₃, Si₃N₄, Nb_xAl_yO_z, Al₂O₃/TiO₂, Al₂O₃/Ta₂O₅, HfO₂, Ta₂O₅/ZrO₂, Ta₂O₅, Ta_xTi_yO_z, Ta₂O₅/NbO₅, TiO₂, ZrO₂, HfO₂, Ta₂O₅, Nb₂O₅, Sc₂O₃, Y₂O₃, MgO, B₂O₃, SiO₂, GeO₂, La₂O₃, CeO₂, PrO_x, Nd₂O₃, Sm₂O₃, EuO_x, Gd₂O₃, Dy₂O₃, Ho₂O₃, Er₂O₃, Tm₂O₃, Yb₂O₃, Lu₂O₃, SrTiO₂, BaTiO₃, PbTiO₃, PbZrO₃, Bi_xTi_yO, Bi_xSi_yO, SrTa₂O₆, SrBi₂Ta₂O₉, YScO₃, LaAlO₃, NdAlO₃, GdScO₃, LaScO₃, LaLuO₃, Er₃Ga₅O₁₃, HfSiO, HfTiO, AlSiO, LaAlO, LaHfO, In₂O₃, ZnO, Ga₂O₃, V₂O₅, HfAlO, HfTaO, HfZrO, Ru, Pt, Ir, Td, Rh, Ag, W, Cu, Co, Fe, Ni, Mo, Ta, Ti, Al, Si, Ge, In₂O₃, In₂O₃:Sn, In₂O₃:F, In₂O₃:Zr, SnO₂, SnO₂:Sb, ZnO:Al, ZnO:B, ZnO:Ga, RuO₂, RhO₂, IrO₂, Ga₂O₃, V₂O₅, WO₃, W₂O₃, BN, AlN, GaN, InN, SiN_x, Ta₃N₅, Cu₃N, Zr₃N₄, Hf₃N₄, NiO, CuO, FeO_x, CrO_x, CoO_x, MnO_xTiN, Ti_xSi_yN_z, NbN, TaN, Ta₃N₅, MoN_x, W₂N, GaAs, AlAs, AlP, InP, GaP, InAs, TaC.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist auf der der Strahlungsauskoppelfläche gegenüber liegenden Rückseitenfläche des Laserdiodenchips ebenfalls eine kristalline Schutzschicht aufgebracht. Durch die kristalline Schutzschicht auf der Strahlungsauskoppelfläche sowie auf der Rückseitenfläche können die gegenüber Umwelteinflüssen empfindlichen Facetten des Laserdiodenchips effektiv geschützt werden.
Auf der Rückseitenfläche kann weiterhin auch eine optische Schicht, insbesondere eine Verspiegelungsschicht, aufgebracht sein. Wie weiter oben für die Beschichtung der Strahlungsauskoppelfläche beschrieben ist, kann auch auf der Rückseitenfläche die optische Schicht zwischen der kristallinen Schutzschicht und der Rückseitenfläche angeordnet sein. Alternativ hierzu kann die kristalline Schutzschicht auch zwischen der optischen Schicht und der Rückseitenfläche angeordnet sein. Besonders vorteilhaft kann es auch sein, wenn die optische Schicht auf der Rückseitenfläche des Laserdiodenchips durch die kristalline Schutzschicht gebildet wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind auf Seitenflächen des Laserdiodenchips, die die Rückseitenfläche und die Strahlungsauskoppelfläche verbinden, eine oder mehrere kristalline Schutzschichten aufgebracht. Insbesondere kann es vorteilhaft sein, wenn auf allen senkrecht zur Aufwachs- und Anordnungsrichtung der Halbleiterschichten angeordneten Seitenflächen sowie auf den Facetten des Laserdiodenchips eine kristalline Schutzschicht aufgebracht ist, sodass die Halbleiterschichten und die Grenzflächen zwischen Halbleiterschichten rundum geschützt sind.
Weitere Vorteile, vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen.
Es zeigen:
1A und 1B Messungen für herkömmliche Laserdiodenvorrichtungen,
2A und 2B schematische Darstellungen einer Laserdiodenvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel,
3 eine schematische Darstellung eines Laserdiodenchips gemäß einem Ausführungsbeispiel,
4 bis 5B Messungen von Laserdiodenvorrichtungen,
6 bis 9 schematische Darstellungen von Laserdiodenvorrichtungen gemäß weiteren Ausführungsbeispielen und
10 bis 16 schematische Darstellungen von Teilen von Laserdiodenvorrichtungen gemäß weiteren Ausführungsbeispielen.
In den Ausführungsbeispielen und Figuren können gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen sein. Die dargestellten Elemente und deren Größenverhältnisse untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen, vielmehr können einzelne Elemente, wie zum Beispiel Schichten, Bauteile, Bauelemente und Bereiche, zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
In den 2A, 2B ist ein Ausführungsbeispiel für eine Laserdiodenvorrichtung 100 gezeigt, wobei in 2A eine schematische Schnittdarstellung und in 2B eine Aufsicht auf die Vorderseite der Laserdiodenvorrichtung 100 entgegen der in 2A gezeigten Richtung 110 gezeigt sind. Die nachfolgende Beschreibung bezieht gleichermaßen auf die 2A und 2B.
Die Laserdiodenvorrichtung 100 weist ein Gehäuse 1 auf, das in Form eines so genannten TO-Gehäuses ausgebildet ist. Das Gehäuse 1 weist ein Gehäuseteil 10 und ein am Gehäuseteil angeordnetes Montageteil 11 auf. Das Montageteil 11 erstreckt sich entlang der Erstreckungsrichtung 110 vom Gehäuseteil 10 weg und ist im gezeigten Ausführungsbeispiel einstückig mit dem Gehäuseteil 10 ausgebildet. Das Gehäuseteil 10 und das Montageteil 11 weisen hierzu einen aus Kupfer gebildeten Grundkörper auf. Das Gehäuseteil 10 weist weiterhin eine Ummantelung 12 aus Stahl auf, die durch eine Beschichtung des Kupfer-Grundkörpers im Bereich des Gehäuseteils 10 gebildet ist.
Darüber hinaus kann das Gehäuseteil 10 beispielsweise Löcher oder Öffnungen aufweisen, in denen Zuleitungsbeinchen angeordnet sind, die von der dem Montageteil 11 abgewandten Seite des Gehäuseteils 10 zur Seite des Montageteils 11 ragen. Darin angeordnete und befestigte Zuleitungsbeinchen können beispielsweise als elektrische Durchführungen ausgebildet sein und Möglichkeiten zur elektrischen Kontaktierung bieten.
Das Montageteil 11 weist eine Montagefläche 13 auf, auf der ein Laserdiodenchip 2 angeordnet ist. Insbesondere ist der Laserdiodenchip 2 über eine erste Lotschicht 3 auf der Montagefläche 13 des Montageteils 11 montiert und dadurch elektrisch und thermisch an das Gehäuse 1 angeschlossen.
Über dem Montageteil 11 und damit über dem Laserdiodenchip 2 kann ein Gehäusedeckel 14 angeordnet werden, der durch die gestrichelten Linien angedeutet ist. Der Gehäusedeckel 14, der weiterhin ein Fenster 15 aufweisen kann, kann beispielsweise Stahl aufweisen und bevorzugt bis auf das Fenster 15 aus Stahl sein. Dadurch, dass das Gehäuseteil 10 die Stahlummantelung 12 aufweist, kann der Gehäusedeckel 14 auf dem Gehäuseteil 10 des Gehäuses 1 aufgebracht und wie bei üblichen TO-Gehäusen mit Stahlsockeln in einem Standardprozess mittels Verschweißung befestigt werden. Weiterhin kann durch die Verschweißung des Gehäusedeckels 14 mit der Ummantelung 12 des Gehäuseteils 10 bevorzugt eine möglichst dichte Verbindung erreicht werden, durch die der Laserdiodenchip 2 vor schädigenden Umwelteinflüssen geschützt werden kann.
Wie aus 2B ersichtlich ist, sind das Gehäuseteil 10 und der Gehäusedeckel 14 in einer Ebene senkrecht zur Erstreckungsrichtung 110 kreisförmig ausgebildet. Das Montageteil 11 wiederum weist im gezeigten Ausführungsbeispiel einen Querschnitt auf, der mehr als ein halbkreisförmiges Kreissegment, also mehr als eine Halbkreisfläche, einnimmt. Weiterhin ragt das Montageteil 11 auf der der Montagefläche 13 abgewandten Seite bis an den Gehäusedeckel 14 heran. Dadurch kann das Montageteil 11 möglichst dick in seinem Querschnitt ausgebildet werden, wodurch eine hohe thermische Leitfähigkeit erreicht werden kann.
Während es zur optimalen Wärmeabfuhr bei Standard-Laserdiodenbauelementen üblich ist, einen Laserdiodenchip über eine möglichst dünne Lotschicht an ein Gehäuse anzukoppeln, um ein möglichst geringen Wärmewiderstand zu erzielen, weist die erste Lotschicht 3 im hier gezeigten Ausführungsbeispiel eine Dicke von größer oder gleich 3 µm und bevorzugt von größer oder gleich 5 µm auf. Dadurch können thermisch induzierte Spannungen, die im Betrieb durch die im Laserchip 2 erzeugte Wärme und die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Laserdiodenchips 2 und des Gehäuses 1 auftreten, kompensiert werden. Weiterhin können durch eine derart dicke Lotschicht beispielsweise auch Oberflächenunebenheiten auf der Montagefläche 13 des Montageteils 11 ausgeglichen werden. Diese können insbesondere auch auftreten, wenn das Montageteil 11, wie unten in 6 gezeigt ist, wie das Gehäuseteil 10 eine Ummantelung 12 aus Stahl aufweist.
Der Laserdiodenchip 2 ist vorzugsweise, wie in 3 gezeigt ist, als kantenemittierten Laserdiodenchip mit einer durch eine Seitenfläche gebildeten Strahlungsauskoppelfläche 27 und einer der Strahlungsauskoppelfläche gegenüberliegenden Rückseitenfläche 28 ausgebildet sein. Die Strahlungsauskoppelfläche 27 kann insbesondere durch den Bereich der Vorderseitenfläche des Laserdiodenchips 2 gebildet werden, über den im Betrieb die im Laserdiodenchip 2 erzeugte Laserstrahlung abgestrahlt wird.
Insbesondere basiert der Laserdiodenchip 2 auf einem Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial. Der Laserdiodenchip 2 weist hierzu ein Substrat 20 auf, das bevorzugt elektrisch leitend ausgebildet ist und beispielsweise kristallines (In,Al,Ga)N aufweist oder daraus ist. Darüber ist eine Halbleiterschichtenfolge basierend auf einem Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial aufgewachsen, bevorzugt mittels eines Epitaxieverfahrens wie beispielsweise metallorganischer Gasphasenepitaxie (MOVPE, „metal organic vapor phase epitaxy“). Der Laserdiodenchip 2 weist auf dem Substrat 20 eine aktive Schicht 23 auf, die zwischen Wellenleiterschichten 22 und Mantelschichten 21 angeordnet ist. Insbesondere weist der Laserdiodenchip 2 eine erste Mantelschicht 21 auf dem Substrat 20 auf, auf der eine erste Wellenleiterschicht 22 und darüber die aktive Schicht 23 angeordnet sind. Über der aktiven Schicht 23 folgt in Aufwachsrichtung eine weitere Wellenleiterschicht 22 sowie eine weitere Mantelschicht 21 und darüber eine Halbleiterkontaktschicht 24, die von einer elektrischen Anschlussschicht 25, beispielsweise in Form einer metallischen Elektrodenschicht, kontaktiert wird. Der elektrische Anschluss des Laserdiodenchips 2 erfolgt über die elektrische Anschlussschicht 25 und das elektrisch leitende Substrat 20, das auf der den Halbleiterschichten 21, 22, 23, 24 abgewandten Seite eine weitere elektrische Anschlussschicht aufweisen kann (nicht gezeigt).
Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind von der aktiven Schicht 23 aus gesehen die Halbleiterschichten, die dem Substrat 20 zugewandt sind, n-dotiert, während die Halbleiterschichten, die auf der dem Substrat 20 abgewandten Seite der aktiven Schicht 23 angeordnet sind, p-dotiert sind. Alternativ ist auch eine umgekehrte Dotierreihenfolge möglich. Die aktive Schicht 23 kann beispielsweise n-dotiert oder undotiert sein und insbesondere im gezeigten Ausführungsbeispiel eine Mehrfach-Quantentopfstruktur aufweisen.
Durch das Kupfer-basierte Gehäuse 1 wird insbesondere eine im Vergleich zu einem Standard-TO-Gehäuse aus Stahl verbesserte Wärmeleitfähigkeit erreicht. In 4 zeigen hierzu die Kurven 401 und 402 die optische Ausgangsleistung P (in Watt) und die Kurven 403 und 404 die Betriebsspannung U (in Volt) jeweils in Abhängigkeit vom Betriebsstrom I (in Ampere) für blau emittierende GaN-basierte Laserdiodenchips, wobei Laserdiodenchips in Standard-TO56-Gehäusen mit einem Sockel aus Stahl und Laserdiodenchips in hier beschriebenen Kupferbasierten Gehäusen mit einem Gehäuseteil aus Stahl ummanteltem Kupfer, montiert mittels einer Lotschichtdicke von etwa 5 µm, untersucht wurden. Ein Vergleich der Kurven 401 und 403 für den Fall des hier beschriebenen Kupferbasierten Gehäuses und der dicken Lotschicht mit den Kurven 402 und 404 für den Fall des Standard-TO-Gehäuses und einer dünnen Lotschicht zeigt trotz höherem Wärmewiderstand des dickeren Lots eine Verbesserung des Ausgangsleistung bei der Verwendung des hier beschriebenen Gehäuses mit der hier beschriebenen ersten Lotschicht 3.
Um eine möglichst große Ausgangsleistung für das vom Laserdiodenchip 2 im Betrieb emittierte Licht zu erreichen, werden gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, das ebenfalls anhand der 2A, 2B und 3 erläutert wird, bei der Laserdiodenvorrichtung 100 bestimmte Temperaturgradienten erzeugt. Insbesondere liegt dabei im Gehäuse 1 ein minimaler Temperaturgradient vor, der durch den Kupfer-basierten Grundkörper des Gehäuses 1 erreicht wird.
Im Gegensatz zum möglichst hoch wärmeleitfähigen Gehäuse 1 zur Erzeugung eines möglichst geringen Temperaturgradienten im Gehäuse 1 ist der Laserdiodenchip 2 hingegen derart ausgebildet, dass zwischen der elektrischen Anschlussschicht 25 und dem Substrat 20 ein möglichst großer Temperaturgradient vorliegt. Zum Einstellen eines solchen gezielten Temperaturgradienten müssen der Laserdiodenchip 2 und das Gehäuse 1 aufeinander abgestimmt werden. Untersuchungen der Erfinder haben insbesondere gezeigt, dass im Laserdiodenchip 2 elektrische Verluste getrennt betrachtet werden müssen. Zum einen ist der Spannungsabfall am im gezeigten Ausführungsbeispiel als p-dotierter Kontakt ausgebildeten Oberseitenkontakt im Bereich der Schichten 26 zu berücksichtigen, der durch die schwierige p-Dotierbarkeit im Nitrid-Halbleitermaterialsystem hervorgerufen wird.
In ist hierzu die elektrische Spannung eines Nitrid-basierten polaren Laserdiodenchips 2 in einem TO-Gehäuse für verschiedene Temperaturen (in °C) bei einem Betriebsstrom von 1 Ampere in einem gepulsten Modus mit einer Pulslänge von 1 µs und einem Tastverhältnis von 1% gezeigt. In 5B ist die Betriebsspannung U (in Volt) in Abhängigkeit vom Betriebsstrom I (in Ampere) für eine Laserdiodenvorrichtung mit einem Kupfer-basierten Gehäuse (Kurve 501) im Vergleich zu einer Laserdiodenvorrichtung mit einem Standard-TO56-Gehäuse aus Stahl (Kurve 502) gezeigt. Im Kupfer-basierten Gehäuse steigt die Betriebsspannung an, woraus geschlossen werden kann, dass die Schichten 26 im Falle der Kurve 501 kälter als im Falle der Kurve 502 aufgrund der verbesserten Wärmeabfuhr sind.
Zum anderen ist der Spannungsabfall in den darunter liegenden Schichten und insbesondere in der aktiven Schicht 23 zu berücksichtigen. Da die aktive Schicht 23 im gezeigten Ausführungsbeispiel als Mehrfach-Quantentopfstruktur mit einem Schichtpaket von Licht erzeugenden Quantenfilmen ausgebildet ist, entsteht ein Spannungsabfall insbesondere an den Grenzflächen der Quantentopfstruktur. Dabei ist der Laserdiodenchip 2 so ausgeführt, dass bei nahezu gleicher Verlustleistung wie bei Standard-Laserdiodenchips elektrische Barrieren und Widerstände nahe des Oberseitenkontakts in Kauf genommen werden und Verluste nahe oder unterhalb der aktiven Schicht 23 minimiert werden.
Hierzu ist der Laserdiodenchip 2 als ein Laserdiodenchip ausgeführt, der auf einem Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial basiert und eine nicht-polare oder semi-polare Kristallstruktur aufweist, die im allgemeinen Teil beschrieben ist. Durch die nicht-polare oder semi-polare Kristallstruktur des Laserdiodenchips 2 kann erreicht werden, dass im Vergleich zu Standard-Laserdiodenchips, die auf einem Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial basieren und eine polare Kristallstruktur aufweisen, auf der dem Substrat 20 abgewandten Seite der aktiven Schicht 23, also in den Schichten 26, im Betrieb eine größere Verlustleistung vorliegt, während in der aktiven Schicht 23 eine geringere Verlustleistung erreicht wird.
Die Verschlechterung des elektrischen Kontakts im Bereich der Schichten 26 oberhalb der aktiven Schicht 23 durch eine höhere elektrische Verlustleistung im Vergleich zu einem herkömmlichen Laserdiodenchip, der auf einem Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial mit einer polaren Kristallstruktur basiert, wird nicht nur durch die geringeren Verluste in der aktiven Schicht 23 kompensiert. Vielmehr wird eine Überkompensation durch einen möglichen Hochstrombetrieb und den gezielt eingestellten Temperaturgradienten im Laserdiodenchip 2 erreicht, so dass durch die hier beschriebene Kombination des Gehäuses 1 mit dem nicht-polaren oder semi-polaren Laserdiodenchip 2 und der ersten Lotschicht 3 im Vergleich zu bekannten Laserdiodenvorrichtungen eine deutliche Verbesserung erreicht wird.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Chipfläche des hier beschriebenen Laserdiodenchips 2 im Vergleich zu bekannten Laserdiodenchips vergrößert wird, insbesondere ist eine Stromeinprägung in die aktive Schicht 23 auf einer Fläche von größer oder gleich 10000 µm² und bevorzugt von größer oder gleich 20000 bis 30000 µm² vorteilhaft, wobei als Flächenbegrenzung ein Abfall der Stromdichte von einem Maximalwert auf 10% dieses angenommen wird. Durch die vorab beschriebenen Maßnahmen, die zu einem möglichst großen Temperaturgradienten im Laserdiodenchip 2 führen, also eine verbesserte Wärmeabfuhr aus der aktiven Schicht 23 kombiniert mit einem heißeren Oberseitenkontakt im Bereich der Schichten 26, führt eine Vergrößerung der Fläche, in die der Strom eingeprägt wird, im Vergleich zum Stand der Technik zu einer Erhöhung der optischen Ausgangsleistung.
In den folgenden Figuren sind weitere Ausführungsbeispiele für Laserdiodenvorrichtungen gezeigt, die Modifikationen und Variationen des in 2A, 2B und 3 dargestellten Ausführungsbeispiels zeigen. Die nachfolgende Beschreibung beschränkt sich daher im Wesentlichen auf die Unterschiede zum vorherigen Ausführungsbeispiel. Insbesondere können die nachfolgend beschriebenen Laserdiodenvorrichtungen einen Gehäusedeckel aufweisen, auch wenn dieser nicht in den Figuren explizit gezeigt ist.
In 6 ist ein Ausführungsbeispiel für eine Laserdiodenvorrichtung 101 gezeigt, bei der im Vergleich zur Laserdiodenvorrichtung 100 gemäß der 2A und 2B nicht nur das Gehäuseteil 10 sondern auch das Montageteil 11 eine Ummantelung 12 aus Stahl aufweist. Hierdurch kann wie bei einem Standard-TO-Gehäuse eine Montagefläche 13 aus Stahl erreicht werden, während gleichzeitig die durch das Kupfer verbesserte Wärmeleitfähigkeit erzielt werden kann.
In den 7A bis 7C ist eine Laserdiodenvorrichtung 102 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel in einer schematischen Schnittdarstellung (7A), in einer Aufsicht entgegen der Erstreckungsrichtung 110 (7B) sowie in einer Aufsicht auf die Montagefläche 13 (7C) gezeigt. Im Vergleich zu den vorherigen Ausführungsbeispielen ist bei der Laserdiodenvorrichtung 102 zwischen dem Laserdiodenchip 2 und dem Montageteil 11 des Gehäuses 1 ein Wärmeleitelement 4 angeordnet. Das Wärmeleitelement ist insbesondere als so genannter Wärmespreizer ausgebildet und dient dazu, dem Wärmestrom zwischen dem Laserdiodenchip 2 und die Montageteil 11 des Gehäuses 1 aufzuweiten, um eine möglichst große Übergangsfläche beim Wärmetransfer in das Gehäuse 1 zu erreichen.
Die erste Lotschicht 3, mit der das Wärmeleitelement 4 auf dem Montageteil 11 des Gehäuses 1 montiert ist, kann dabei wie oben beschrieben mit einer Dicke von größer oder gleich 3 µm und besonders bevorzugt von größer oder gleich 5 µm ausgebildet sein. Weiterhin ist eine zweite Lotschicht 5 zwischen dem Wärmeleitelement 4 und dem Laserdiodenchip 2 angeordnet, mit der der Laserdiodenchip 2 auf dem Wärmeleitelement 4 montiert ist. Die zweite Lotschicht 5 kann bevorzugt ebenfalls eine Dicke von größer oder gleich 3 µm und besonders bevorzugt von größer oder gleich 5 µm aufweisen. Alternativ hierzu ist es auch möglich, dass nur eine der beiden Lotschichten 3, 5 eine derartig große Dicke aufweist, beispielsweise nur die erste Lotschicht 3.
Das Montageteil 11 kann wie im gezeigten Ausführungsbeispiel gezeigt ist, durch Kupfer gebildet sein, oder, wie in Verbindung mit 6 beschrieben und in 7A durch die gestrichelte Linie angedeutet ist, auch eine Stahlummantelung 12 aufweisen.
Der Laserdiodenchip 2 und das Gehäuse 1 haben aufgrund der unterschiedlichen Materialien unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten. Üblicherweise weisen Nitridbasierte Halbleitermaterialien einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von etwa 5,6 × 10^–6 1/K und eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 100 W/mK auf, während Kupfer einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von etwa 16...18 × 10^–6 1/K und eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 300 W/mK aufweist. Dazwischen befinden sich mehrere Materialien mit ebenfalls unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, so beispielsweise eine Stahlummantelung 12 des Montageteils 11, die Lotschichten 3 und 5 sowie das Wärmeleitelement 4. Stahl weist einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von etwa 6...12 × 10^–6 1/K und eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 30...70 W/mK auf. Das Wärmeleitelement 4 kann beispielsweise AlN aufweisen oder daraus sein, das einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von etwa 4,5...5,7 × 10^–6 1/K und eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 80...200 W/mK aufweist. Der thermische Ausdehnungskoeffizient eines AlN-Wärmeleitelements 4 ist somit relativ gut an den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Laserdiodenchips 2 angepasst. Am Grenzübergang zwischen dem AlN-Wärmeleitelement 4 zum Gehäuse 1, also entweder zu Kupfer oder zu stahlummantelten Kupfer, besteht jedoch ein signifikanter Unterschied in den thermischen Ausdehnungskoeffizienten.
Besonders bevorzugt kann als Material für das Wärmeleitelement 4 anstelle von AlN daher SiC, insbesondere 6H-SiC, verwendet werden, das zwar einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von etwa 4,4 × 10^–6 1/K aber auch eine höhere Wärmeleitfähigkeit von etwa 200...500 W/mK aufweist. Alternativ hierzu kann als Wärmeleitelement 4 auch eines der folgenden Materialien verwendet werden: CuW mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von etwa 6...8 × 10^–6 1/K und eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 200...250 W/mK, BN mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von etwa 2,5...4 × 10^–6 1/K und eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 600 W/mK, Diamant, beispielsweise mittels CVD erzeugter Diamant, der eine noch höhere Wärmeleitfähigkeit von etwa 1000 W/mK bei einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 2,3 × 10^–6 1/K aufweist. Obwohl derartige Materialien für das Wärmeleitelement 4 hinsichtlich einer thermischen Verspannung eher ungünstig sind, können diese bei der hier beschriebenen Laserdiodenvorrichtung bevorzugt verwendet werden, da die durch diese Materialien hervorgerufenen größeren thermischen Verspannungen durch die hier beschriebenen dicken Lotschichten 3, 5 ausgeglichen werden können. Die Lotschichten 3, 5 können beispielsweise ein Weichlot auf Basis von Indium aufweisen, um eine möglichst gute Kompensation der thermisch induzierten Verspannungen zu ermöglichen.
In 8 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Laserdiodenvorrichtung 103 gezeigt, die rein beispielhaft wie die Laserdiodenvorrichtung 102 des vorherigen Ausführungsbeispiels ein Wärmeleitelement 4 zwischen dem Laserdiodenchip 2 und dem Gehäuse 1 aufweist.
Im Vergleich zu den vorherigen Ausführungsbeispielen weist die Laserdiodenvorrichtung 103 ein Montageteil 11 auf, das senkrecht zur Erstreckungsrichtung 110 einen Querschnitt aufweist, der sich in Richtung zum Gehäuseteil 10 hin, also entgegen der Erstreckungsrichtung 110, vergrößert. Das Montageteil 11 weist hierzu in der gezeigten Schnittebene einen keilförmigen Querschnitt auf, der nahe am Gehäuseteil 1 höher ist als in Bereichen, die weiter vom Gehäuseteil 1 entfernt sind. Mit anderen Worten nimmt die Dicke des Montageteils 11 zum Gehäuseteil 10 hin zu.
Ein derartiger keilförmiger Querschnitt des Montageteils 11 kann insbesondere vorteilhaft sein, um eine möglichst hohe Wärmeleitfähigkeit zu erreichen, und kann durch die schräge Anordnung des Laserdiodenchips 2 zum angedeuteten Gehäusedeckel 14 und dessen Fenster 15 zu einer nur geringen oder gar keiner Abschattung durch das Fenster 15 des Gehäusedeckels 14 führen. Um eine Montagefläche für die Laserdiodenvorrichtung 103 zu gewährleisten, die senkrecht zur Abstrahlrichtung des Laserdiodenchips 2 ausgerichtet ist, weist das Gehäuseteil 10 des Gehäuses 1 im gezeigten Ausführungsbeispiel ebenfalls einen keilförmigen Querschnitt auf. Alternativ hierzu ist es auch möglich, dass der Verbindungswinkel zwischen dem Montageteil 11 und dem Gehäuseteil 10 ungleich 90° ist und dem Öffnungswinkel des Keils, der das Montageteil 11 bildet, angepasst ist. Weiterhin ist es auch möglich, einen Hilfsring am Gehäuseteil 10 anzubringen, der einen entsprechenden Querschnitt aufweist, wodurch das Gehäuse 1 schräg auf einer Auflagefläche montiert werden kann.
In 9 ist in einer Aufsicht auf die Montagefläche 13 ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Laserdiodenvorrichtung 104 gezeigt, die zusätzlich oder alternativ zum keilförmigen Querschnitt des Montageteils 11 des vorherigen Ausführungsbeispiels einen keilförmigen Querschnitt des Montageteils 11 mit einer sich vergrößernden Breite in der Ebene der Montagefläche 13 aufweist.
Durch die in den 8 und 9 gezeigte sich zum Gehäuseteil 10 vergrößernde Höhe und/oder Breite des Montageteils 11 kann zusätzlich zur Ausbildung des Gehäuses 1 als Kupfer-basiertes Gehäuse eine Vergrößerung und Optimierung der Wärmeleitfähigkeit des Gehäuses 1 bewirkt werden.
In den nachfolgenden 10 bis 16 sind Ausführungsbeispiele für den Laserdiodenchip 2 gezeigt, der mittels einer ausschnittsweise gezeigten Lotschicht in einem Gehäuse 1 der vorher beschriebenen Laserdiodenvorrichtungen 100, 101, 102, 103, 104 montiert sein kann. Der Schichtaufbau des Laserdiodenchips 2 ist in den nachfolgenden Figuren der Übersichtlichkeit halber nicht gezeigt.
Der Laserdiodenchip 2 der nachfolgenden Ausführungsbeispiele weist zumindest auf einer Strahlungsauskoppelfläche 27 eine kristalline Schutzschicht 6 auf, die geeignet und dafür vorgesehen ist, zumindest die Strahlungsauskoppelfläche 27 vor schädigenden Umwelteinflüssen, beispielsweise hervorgerufen durch die Umgebungsluft, zu schützen. Solche schädigenden Umwelteinflüsse in der Umgebungsluft können beispielsweise Sauerstoff, Ozon, saurer Regen, Schwefel und Schwefelverbindungen sowie Stickoxide und Kohlenwasserstoffe und andere schädigende Chemikalien sein. Derartige Stoffe können möglicherweise ungewollt auch in ein mit einem Gehäusedeckel 14 verschlossenes Gehäuse 1 eindringen, da aufgrund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen Kupfer und Stahl eine besondere technische Herausforderung daran besteht, einen Stahl-basierten Gehäusedeckel 14 hinreichend dicht mit dem Gehäuseteil 10 zu verbinden und zu verschweißen. Insbesondere bei einer Hochvolumenfertigung solcher Gehäuse 1 kann es zu einer Erhöhung eines unerkannten Anteils von Bauteilen kommen, die eine Rest-Undichtigkeit aufweisen. Daher kann die kristalline Schutzschicht 6 für einen zuverlässigen Einsatz des Laserdiodenchips 2 in einem hier beschriebenen hochwärmeleitfähigen Gehäuse 1 als zusätzlicher Schutz zumindest der Strahlungsauskoppelfläche 27 erforderlich sein.
Insbesondere können die im folgenden beschriebenen kristallinen Schutzschichten 6 hermetisch dicht sein und somit eine Dichtigkeit aufweisen, die ausreichend hoch ist, dass der Laserdiodenchip 2 über seine gesamte Lebensdauer ausreichend geschützt ist. Die kristallinen Schutzschichten 6 gemäß der nachfolgenden Ausführungsbeispiele können beispielsweise mittels eines Atomlagenabscheideverfahrens, insbesondere mittels eines Atomlagenepitaxieverfahrens, oder mittels eines chemischen Gasphasenabscheideverfahrens, insbesondere bei Temperaturen von größer oder gleich 500°C und bevorzugt von größer oder gleich 600°C, auf den Laserdiodenchip 2 aufgebracht werden. Insbesondere mittels Atomlagenabscheidung aufgebrachte Schutzschichten 6 bilden mit Vorteil eine kristallfehlerfreie, so genannte „pin hole“-freie Struktur aus, die eine gute Haftung an Oberflächen, eine hohe Stabilität, eine gute Überformung und eine verspannungsarme Struktur aufweist.
Weiterhin kann durch die dicke erste Lotschicht 3 und gegebenenfalls auch durch die dicke zweite Lotschicht 5 ein vermehrtes Lotangebot unterhalb des Laserdiodenchips 2 vorliegen, das dazu führen kann, dass Lotpartikel hinauf zum Laserdiodenchip 2 und insbesondere zur Strahlungsauskoppelfläche 27 migrieren können und durch eine nicht-hermetisch dichte Facettenbeschichtung diffundieren können, was zu Leckströmen über die Strahlungsauskoppelfläche 27 führen kann. Durch die kristalline Schutzschicht 6 kann somit auch ein Schutz gegenüber einer Diffusion von Lot zur Oberfläche des Laserdiodenchips 2 erreicht werden. Weiterhin kann die kristalline Schutzschicht im Falle eines dielektrischen Materials eine deutliche Steigerung der Durchbruchfeldstärke bewirken.
In 10 ist ein Ausführungsbeispiel für einen Laserdiodenchip 2 in einer Schnittdarstellung gezeigt, bei dem eine kristalline Schutzschicht 6 direkt auf der Strahlungsauskoppelfläche 27 des Laserdiodenchips 2 aufgebracht ist. Die kristalline Schutzschicht 6 weist hierzu ein dielektrisches Material auf, beispielsweise eines der oben im allgemeinen Teil genannten dielektrischen Materialien. Alternativ dazu kann es auch möglich sein, dass zwischen der kristallinen Schutzschicht 6 und der Strahlungsauskoppelfläche 27 eine dielektrische Passivierungsschicht angeordnet ist, so dass für die kristalline Schutzschicht 6 auch ein halbleitendes oder leitendes Material, wie oben im allgemeinen Teil beschrieben ist, verwendet werden kann.
Weiterhin sind auf der Strahlungsauskoppelfläche 27 sowie auf der der Strahlungsauskoppelfläche 27 gegenüber liegenden Rückseitenfläche 28 optische Schichten 7 in Form von Schichtstapeln aufgebracht, die als Entspiegelung oder Verspiegelung der jeweiligen Laserfacette ausgebildet sind. Beispielsweise kann die auf der Strahlungsauskoppelfläche 27 aufgebrachte optische Schicht 7 als Entspiegelungsschicht ausgebildet sein, während die auf der Rückseitenfläche 28 aufgebrachte optische Schicht 7 als Verspiegelungsschicht ausgebildet ist. Die optischen Schichten 7 können mittels eines für die Beschichtung von Laserdiodenfacetten üblichen Verfahrens aufgebracht werden, durch das typischerweise amorphe oder teilkristalline Schichten erzeugt werden.
Die kristalline Schutzschicht 6 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel somit zwischen der optischen Schicht 7 und der Strahlungsauskoppelfläche 27 angeordnet. Zum Schutz der Strahlungsauskoppelfläche 27 kann es ausreichend sein, wenn die kristalline Schutzschicht 6 eine Dicke von einigen Nanometern bis zu einigen 10 Nanometern aufweist, so dass die kristalline Schutzschicht 6 keinen Einfluss auf die optischen Eigenschaften der auf der Strahlungsauskoppelfläche 27 aufgebrachten Beschichtung hat, die dann im Wesentlichen durch die optische Schicht 7 bestimmt werden. Alternativ hierzu ist auch möglich, dass die kristalline Schutzschicht 6 als Teil der optischen Schicht 7 ausgebildet ist und eine entsprechend gewählte Dicke aufweist.
In 11 ist ein Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem zusätzlich zur kristallinen Schutzschicht 6 auf der Strahlungsauskoppelfläche 27 auch auf der Rückseitenfläche 28 eine kristalline Schutzschicht 6 zwischen der Rückseitenfläche 28 und der optischen Schicht 7 angeordnet ist. Hierdurch kann auch die Rückseitenfläche 28 sowohl vor schädigenden Gasen als auch vor auf die Rückseitenfläche 28 möglicherweise migrierendes oder diffundierendes Lot geschützt werden.
In 12 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem die optische Schicht 7 auf der Strahlungsauskoppelfläche 27 durch die kristalline Schutzschicht 6 gebildet wird. Die kristalline Schutzschicht 6 weist hierzu eine und bevorzugt mehrere Schichten aus unterschiedlichen Materialien auf, die die gewünschten Entspiegelungs- oder Verspiegelungseigenschaften aufweisen.
In 13 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem auch die optische Schicht 7 auf der Rückseitenfläche 28 durch eine kristalline Schutzschicht 6 gebildet wird. Auch in diesem Fall können die kristallinen Schutzschichten 6 jeweils eine und bevorzugt mehrere kristalline Schichten aus unterschiedlichen Materialien aufweisen, die zur gewünschten Entspiegelungs- oder Verspiegelungseigenschaft führen.
In 14 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem im Vergleich zum Ausführungsbeispiel der 10 auf der Strahlungsauskoppelfläche 27 die kristalline Schutzschicht 6 auf der optischen Schicht 7 aufgebracht ist, so dass die optische Schicht 7 zwischen der kristallinen Schutzschicht 6 und der Strahlungsauskoppelfläche 27 angeordnet ist und somit durch die kristalline Schutzschicht 6 bedeckt wird. Hierdurch kann zum einen die optische Schicht 7 zusätzlich zur Strahlungsauskoppelfläche 27 durch die kristalline Schutzschicht 6 geschützt werden. Weiterhin ist es auch möglich, für die kristalline Schutzschicht 6 alternativ zu einem dielektrischen Material auch ein halbleitendes Material oder ein leitendes Material, beispielsweise eines der oben im allgemeinen Teil genannten Materialien, zu verwenden.
Im Ausführungsbeispiel der 15 ist auch auf der optischen Schicht 7 auf der Rückseitenfläche 28 eine kristalline Schutzschicht 6 aufgebracht, die die Rückseitenfläche 28 sowie die optische Schicht 7 auf der Rückseitenfläche 28 schützen kann.
In 16 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel gezeigt, das den Laserdiodenchip 2 in einer Aufsicht von oben zeigt und bei dem zusätzlich zur kristallinen Schutzschicht 6 auf der Strahlungsauskoppelfläche 27 und der Rückseitenfläche 28 eine kristalline Schutzschicht 6 auf den Seitenfläche 29 aufgebracht sind, die die Rückseitenfläche 28 und die Strahlungsauskoppelfläche 27 miteinander verbinden. Hierdurch kann ein allseitiger Schutz des Laserdiodenchips 2 und insbesondere dessen Halbleiterschichten und der Grenzflächen zwischen den Halbleiterschichten erreicht werden, da alle Seitenflächen des Laserdiodenchips 2 mit der kristallinen Schutzschicht 6 bedeckt sind. Die kristalline Schutzschicht 6 kann dabei wie in 16 gezeigt ist über den optischen Schichten 7 aufgebracht sein. Alternativ dazu ist es auch möglich, die kristalline Schutzschicht 6 direkt auf der Strahlungsauskoppelfläche und/oder der Rückseitenfläche 28 aufzubringen.
Die in den Figuren und Ausführungsbeispielen gezeigten und beschriebenen Merkmale sind gemäß weiteren Ausführungsbeispielen miteinander kombinierbar, auch wenn solche Kombinationen nicht explizit in den Figuren gezeigt sind. Insbesondere sind die unterschiedlichen Gehäuseformen, die Verwendung eines Wärmeleitelements 4 sowie die Anordnung einer oder mehrerer Schutzschichten 6 auf dem Laserdiodenchip 2 miteinander kombinierbar. Weiterhin können die in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele auch alternative oder zusätzliche Merkmale gemäß den Ausführungsformen des allgemeinen Teils aufweisen.
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.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 1184870 [0008]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

C. Vierheilig et al., Proc. SPIE, Bd. 8277, 82770K, 2012 [0004]
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U. Strauß et al., physica status solidi, Bd. 248, S. 652–657, 2010 [0007]
D. Sizov et al., IEEE Journal of Lightwave Technology, Bd. 30, S. 679–699, 2012 [0007]
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D. Sizov et al., IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, Bd. 17, Nr. 5, S. 1390–1401, 2011 [0027]
P.F. Carcia et al., Journal of Applied Physics 106, 023533 (2009) [0045]
T. Hirvikorpia, Applied Surface Science 257, 9451–9454 (2011) [0045]

Claims

Laserdiodenvorrichtung, aufweisend ein Gehäuse (1) mit einem Gehäuseteil (10) und mit einem mit dem Gehäuseteil (10) verbundenen Montageteil (11), das sich entlang einer Erstreckungsrichtung (110) vom Gehäuseteil (10) wegerstreckt, und einen Laserdiodenchip (2) auf dem Montageteil (11), der auf einem Substrat (20) Halbleiterschichten (21, 22, 23, 24, 26) mit einer aktiven Schicht (23) zur Abstrahlung von Licht aufweist, wobei das Gehäuseteil (10) und das Montageteil (11) einen Grundkörper aus Kupfer aufweisen und zumindest das Gehäuseteil (10) stahlummantelt ist und zwischen dem Laserdiodenchip (2) und dem Montageteil (11) eine erste Lotschicht (3) angeordnet ist, die eine Dicke von größer oder gleich 3 µm aufweist.
Laserdiodenvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Laserdiodenchip (2) auf einem Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial basiert und eine nicht-polare oder semi-polare Kristallstruktur aufweist.
Laserdiodenvorrichtung nach Anspruch 2, wobei der Laserdiodenchip (2) im Betrieb in Schichten (26) auf der dem Substrat (20) abgewandten Seite der aktiven Schicht (23) eine größere Verlustleistung und in der aktiven Schicht (23) eine kleinere Verlustleistung aufweist als ein Laserdiodenchip, der auf einem Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial basiert und eine polare Kristallstruktur aufweist.
Laserdiodenvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die aktive Schicht (23) eine Fläche von größer oder gleich 10000 µm² aufweist.
Laserdiodenvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Dicke der ersten Lotschicht (3) größer oder gleich 5 µm ist.
Laserdiodenvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei zwischen dem Laserdiodenchip (2) und dem Montageteil (11) ein Wärmeleitelement (4) angeordnet ist.
Laserdiodenvorrichtung nach Anspruch 6, wobei das Wärmeleitelement (4) mit der ersten Lotschicht (3) auf dem Montageteil (11) befestigt ist und der Laserdiodenchip (2) auf dem Wärmeleitelement (4) mit einer zweiten Lotschicht (5) befestigt ist, die eine Dicke von größer oder gleich 3 µm aufweist.
Laserdiodenvorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, wobei das Wärmeleitelement (4) SiC, BN, CuW oder Diamant aufweist.
Laserdiodenvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei auf dem Gehäuseteil (10) ein Gehäusedeckel (14) aufgebracht und mit dem Gehäuseteil (10) verschweißt ist und das Montageteil (11) entlang der Erstreckungsrichtung (110) vom Gehäuseteil (10) in den Gehäusedeckel (14) hineinragt.
Laserdiodenvorrichtung nach Anspruch 9, wobei das Montageteil (11) senkrecht zur Erstreckungsrichtung (110) zumindest an einer Seite bis an den Gehäusedeckel (14) heranragt.
Laserdiodenvorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, wobei das Gehäuseteil (10) und der Gehäusedeckel (14) in einer Ebene senkrecht zur Erstreckungsrichtung (110) einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen und das Montageteil (11) in einer Ebene senkrecht zur Erstreckungsrichtung (110) einen Querschnitt aufweist, der mehr als eine Halbkreisfläche einnimmt.
Laserdiodenvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Montageteil (11) einen Querschnitt aufweist, der sich in Richtung des Gehäuseteils (10) vergrößert.
Laserdiodenvorrichtung nach Anspruch 12, wobei das Montageteil (11) in einer Ebene parallel zur Erstreckungsrichtung (110) einen keilförmigen Querschnitt aufweist.
Laserdiodenvorrichtung nach Anspruch 13, wobei das Gehäuseteil (10) in einer Ebene parallel zur Erstreckungsrichtung (110) einen keilförmigen Querschnitt aufweist.
Laserdiodenvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Laserdiodenchip (2) eine Strahlungsauskoppelfläche (27) aufweist, auf der eine kristalline Schutzschicht (6) aufgebracht ist.