DE102012103160A1

DE102012103160A1 - Laserdiodenvorrichtung

Info

Publication number: DE102012103160A1
Application number: DE102012103160A
Authority: DE
Inventors: Uwe Strauss; Sönke Tautz; Alfred Lell; Clemens Vierheilig
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2012-04-12
Filing date: 2012-04-12
Publication date: 2013-10-17
Also published as: KR101960128B1; US9331453B2; WO2013152909A3; CN104247172A; US20140341247A1; KR20150002578A; JP2015513229A; DE112013001987A5; WO2013152909A2

Abstract

Es wird eine Laserdiodenvorrichtung angegeben, die ein Gehäuse (1) mit einem Montageteil (11) und einen auf einem Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial basierenden Laserdiodenchip (2) im Gehäuse (1) auf dem Montageteil (11) aufweist, wobei der Laserdiodenchip (2) mittels einer Lotschicht (3) unmittelbar auf dem Montageteil (11) montiert ist und die Lotschicht (3) 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 20000 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. Heutzutage werden für Laserdioden üblicherweise solche Standard-TO-Bauformen, im Folgenden auch kurz als „TO-Gehäuse“ bezeichnet, verwendet. Derzeit verfügbare Laserdioden in TO-Gehäusen sind bisher jedoch 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.
Bei solchen Laserdioden weisen die TO-Gehäuse thermische Unzulänglichkeiten auf, insbesondere bei der aus technischen Gründen üblichen Montage mit der der Halbleiterschichtenfolge abgewandten Seite des Substrats auf einer Wärmesenke zwischen einem Gehäuse und einer Laserdiode, so dass die Halbleiterschichtenfolge vom Gehäuse aus gesehen oben angeordnet ist („Epi up“).
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. Durch Studien konnte jedoch gezeigt werden, dass allein die Verwendung von solchen modifizierten TO-Gehäusen nicht zu einer Erhöhung der Ausgangsleistung von Laserdioden führt.
Im Falle von roten und infraroten Leistungslaserdioden, insbesondere auf Basis von Arseniden, sind thermisch optimierte Montagekonzepte mit sehr direkter Wärmeabfuhr bekannt, insbesondere eine Montage mit der dem Substrat gegenüber liegenden Seite der Halbleiterschichtenfolge nach unten („Epi down“) auf einer Wärmesenke zwischen der Laserdiode und einem Gehäuse und weiterhin die Verwendung eines Kupferträgers anstelle eines TO-Gehäuses.
Für Nitrid-basierte Laserdioden sind derartige Maßnahmen jedoch ungeeignet, da für einen Kupferträger eine kostengünstige Verkappung zum Schutz des Lasers vor Verschmutzung und mechanischer Beschädigung nicht möglich ist. Besonders Feuchtigkeit und Chemikalien, beispielsweise bei der Verwendung im Automobilbereich, können kritisch sein und ein hermetische Verkappen erforderlich machen, um die Laserdioden von solchen äußeren Einflüssen zu schützen. Da bei Nitrid-basierten Laserdioden typischerweise die p-Seite auf der vom Substrat abgewandten Seite des aktiven Bereichs angeordnet und möglichst dünn ausgeführt ist, da die Betriebsspannung mit zunehmender Dicke einer p-dotierten Nitrid-basierten Halbleiterschicht steigen kann, kann die „Epi down“-Montage wiederum wegen des bei Nitrid-basierte Laserdioden somit sehr nahe am p-Kontakt liegenden aktiven Bereichs beispielsweise beim Lötvorgang leicht zu Kurzschlüssen und damit zu einer Verringerung der Ausbeute führen.
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 mittels einer Lotschicht auf dem Montageteil angeordnet ist.
Das Gehäuse kann bevorzugt mit einer Außenfläche auf einer externen Wärmesenke, beispielsweise einem Kühlkörper oder einer Leiterplatte, montierbar sein. Zumindest das Montageteil und bevorzugt alle Bereiche des Gehäuses, die sich zwischen dem Laserdiodenchip und der Außenflächen befinden, die dafür vorgesehen ist, die Laserdiodenvorrichtung auf einer solchen externen Wärmesenke zu montieren, weisen ein Material mit hoher thermischer Leitfähigkeit auf, beispielsweise ein Metall, beispielsweise bevorzugt Kupfer oder auch Aluminium, oder ein Keramikmaterial, beispielsweise AlN. Weiterhin kann zumindest das Montageteil auch ein Verbundmaterial aufweisen und beispielsweise durch eine Metallkernplatine mit einer Metallschicht, die von einem Kunststoffmaterial umhüllt ist, gebildet werden. Weiterhin kann das Montageteil zur elektrischen Kontaktierung des Laserdiodenchips eine elektrische Zuleitung, beispielsweise in Form einer Leiterbahn, sowie eine Lötfläche aufweisen. Ist das Montageteil auf der dem Laserdiodenchip zugewandten Seite durch einen Grundkörper aus Metall gebildet, kann die elektrische Zuleitung durch den Grundkörper selbst ermöglicht werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Gehäuse einen Gehäusedeckel auf, der über dem Montageteil aufgebracht ist und das Gehäuse verschließt. Der Gehäusedeckel weist weiterhin ein Fenster auf, durch das das vom Laserdiodenchip im Betrieb emittierte Licht von der Laserdiodenvorrichtung abgestrahlt werden kann. Der Gehäusedeckel kann beispielsweise ein Metall wie etwa Stahl, insbesondere Edelstahl, oder auch ein Keramikmaterial aufweisen oder bis auf das Fenster daraus sein. Besonders bevorzugt kann durch den Gehäusedeckel ein hermetisch dichter Verschluss des Gehäuses ermöglicht werden. Beispielsweise kann der Gehäusedeckel mit dem Montageteil oder einem weiteren Gehäuseteil verschweißt sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Gehäuse ein mit dem Montageteil verbundenes Gehäuseteil auf. Das Montageteil kann sich entlang einer Erstreckungsrichtung vom Gehäuseteil wegerstreckt. Mit anderen Worten kann das Montageteil vom Gehäuseteil wegragen und beispielsweise zapfenförmig ausgebildet sein. Das Montageteil weist dabei bevorzugt 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 bevorzugt jeweils einen Grundkörper aus Kupfer oder bei einstückiger Ausbildung auch einen gemeinsamen Grundkörper aus Kupfer aus. Alternativ hierzu kann der Grundkörper auch ein anderes der vorgenannten Materialien aufweisen.
Zumindest das Gehäuseteil kann weiterhin stahlummantelt sein. Das bedeutet, dass das Gehäuseteil im Wesentlichen aus dem Grundkörpers gebildet ist und mit einer Stahlschicht bedeckt ist. Die Stahlschicht kann beispielsweise durch eine Schicht aus Edelstahl gebildet sein. Eine Stahlummantelung des Gehäuseteils kann besonders vorteilhaft sein, da dadurch wie bei einem Standard-TO-Gehäuse mit einem Stahlsockel ein Gehäusedeckel mit dem Gehäuseteil verschweißt werden kann. Das Montageteil ragt dabei 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.
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.
Besonders bevorzugt kann das Gehäuse als sogenanntes TO-Gehäuse, beispielsweise mit einer Baugröße TO38, TO56 oder TO90, ausgebildet sein. Das Gehäuseteil kann in dieser Ausführungsform 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 Gehäuse in dieser Ausführungsform aufgrund des Kupfers des stahlummantelten Gehäuseteils eine höhere Wärmeleitfähigkeit auf.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das Montageteil oder gegebenenfalls auch ein Gehäuseteil beispielsweise Löcher oder Öffnungen aufweisen, durch die elektrische Zuleitungen, beispielsweise in Form von Kontaktbeinen, von der dem Montageteil abgewandten Seite des Gehäuses 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 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 Bezeichnungen wie „InAlGaN-basierte Verbindungshalbleitermaterialien“, „(In,Al,Ga)N-basierte Verbindungshalbleitermaterialien“ und „Nitrid- Verbindungshalbleitermaterialien“ fallen insbesondere solche Halbleitermaterialien, 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 besonders bevorzugt Ausführungsform werden zur Herstellung des Laserdiodenchips wie oben beschrieben zuerst n-dotierte Schichten, dann der aktive Bereich und darüber p-dotierte Schicht aufgewachsen.
Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform wird der Laserdiodenchip mit dem Substrat auf dem Montageteil angeordnet, so dass der Laserdiodenchip auf der dem Montageteil und der Lotschicht abgewandten Seite des Substrats die bevorzugt epitaktisch abgeschiedenen Halbleiterschichten aufweist. Diese bevorzugte Montagerichtung wird im Folgenden auch als „Epi up“ bezeichnet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Laserdiodenchip eine Strahlungsauskoppelfläche mit einem Strahlungsauskoppelbereich auf, über den das in der aktiven Schicht erzeugte Licht im Betrieb abgestrahlt wird. Der Strahlungsauskoppelbereich wird typischerweise durch einen aufgrund interner Wellenleitungseffekte und eine gezielt gewählte Stromdichteverteilung auf der Strahlungsauskoppelfläche definiert. Der Laserdiodenchip ist dabei 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. 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 gebildet werden, die in einer Richtung senkrecht zur Aufwachs- und Anordnungsrichtung der Halbleiterschichten diese begrenzen.
Hier und im Folgenden wird die dem Montageteil zugewandte und mit der Lotschicht in direktem Kontakt stehende Außenfläche des Laserdiodenchip auch als Unterseite bezeichnet, während die in Schichtanordnungsrichtung dem Montageteil gegenüber liegende Außenfläche als Oberseite bezeichnet wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Laserdiodenchip direkt auf dem Montageteil mittels der Lotschicht angeordnet und somit unmittelbar auf dem Montageteil montiert. Das bedeutet insbesondere, dass zwischen dem Laserdiodenchip und dem Montageteil nur die Lotschicht angeordnet ist. Die Lotschicht weist eine Dicke von größer oder gleich 3 µm auf. Besonders bevorzugt kann die Dicke der Lotschicht auch größer oder gleich 4 µm und weiterhin auch größer oder gleich 5 µm sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Lotschicht ein Weichlot auf und ist bevorzugt aus einem Weichlot. Insbesondere kann das Weichlot auf einer Legierung mit einem oder mehreren Metallen ausgewählt aus Sn, In und Au gebildet sein, beispielsweise

– AuSn, besonders bevorzugt mit 80% Au und 20% Sn,
– AuGe, besonders bevorzugt mit 88% Au und 12% Ge,
– SnPb, besonders bevorzugt mit 63% Sn und 37% Pb,
– SnAg, besonders bevorzugt mit 96,5% Sn und 3,5% Ag oder 95% Sn und 5% Ag oder 80% Sn und 20% Ag,
– SnPbAg, besonders bevorzugt mit 63% Sn, 35,6% Pb und 1,4%
Ag,
– SnIn, besonders bevorzugt mit 95% Sn und 5% In,
– InAg, besonders bevorzugt mit 90% In und 10% Ag,
– SnInAg, besonders bevorzugt mit 77% Sn, 21,2% In und 2,8% Ag,
– SnCu, besonders bevorzugt mit 99% Sn und 1% Cu oder 99,3% Sn und 0,7% Cu,
– SnAgCu, besonders bevorzugt mit 95,5% Sn, 3,8% Ag und 0,7% Cu,
– SnSb, besonders bevorzugt mit 95% Sn und 5% Sb,
– SnAgSb, besonders bevorzugt mit 65% Sn, 25% Ag und 10% Sb,
– SnBi, besonders bevorzugt mit 58% Bi und 42% Sn,
– SnBiCu, besonders bevorzugt mit 90% Sn, 9,5% Bi und 0,5% Cu oder 95% Sn, 3,5% Bi und 1,5% Cu oder 95% Sn, 3% Bi und 2% Cu,
– SnBiInAg, besonders bevorzugt mit 78% Sn, 10% Bi, 10% In und 2% Ag.

Gemäß einer besonders bevorzugt Ausführungsform weist die Laserdiodenvorrichtung ein Gehäuse mit einem Montageteil auf, auf dem im Gehäuse unmittelbar mittels einer Lotschicht ein auf einem Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial basierender Laserdiodenchip montiert ist und die Lotschicht eine Dicke von größer oder gleich 3 µm aufweist.
Dass der Laserdiodenchip mittels der Lotschicht unmittelbar auf den Montageteil des Gehäuses montiert ist, bedeutet insbesondere, dass bei der hier beschriebenen Laserdiodenvorrichtung keine wie im Stand der Technik übliche zusätzliche Wärmesenke zwischen dem Laserdiodenchip und dem Gehäuse angeordnet ist, die als Wärmespreizer fungieren könnte. Eine solche Art der Montage von Laserdiodenchips, bei denen eine zusätzliche Wärmesenke zwischen dem Laserdiodenchip und dem Gehäuse verwendet wird, entspricht dem Stand der Technik. Die zusätzliche Wärmesenke unter dem Laserdiodenchip ist üblicherweise ein Montagekörper mit guter Wärmeleitfähigkeit zur Wärmespreizung mit einer Dicke von mehr als 10 µm und typischerweise beispielsweise 50 bis 120 µm. Diese Art der Montage wurde insbesondere für infrarote und rote Laser, besonders solche basierend auf Arseniden, optimiert und bisher ohne wesentliche Modifikationen auf die Montage von Nitrid-basierten Laserdiodenchips übertragen. Bei der hier beschriebenen Laserdiodenvorrichtung entfällt somit der Beitrag der Wärmesenke zum thermischen Gesamtwiderstand. Eine 200 μm dicke AlN-Wärmesenke, wie sie ebenfalls typischerweise im Stand der Technik verwendet wird, weist einen Wärmewiderstand von etwa 3 bis 4 K/W auf.
Bei infraroten und roten Lasern, die auf arsenidischen Verbindungshalbleitermaterialien basieren und die wegen ihres schlecht Wärme leitenden Substrats üblicherweise "Epi down" montiert werden, bestünde bei Verzicht auf eine zusätzliche Wärmesenke ein hohes Risiko, dass durch Lot an den Chipkanten der aktive Bereich kurzgeschlossen wird oder aber im Betrieb Lot an den Chipkanten migriert und solche Kurzschlüsse erzeugt. Außerdem würden durch den Verzicht auf die Wärmesenke hohe Verspannungen und Kristalldefekte im Laserdiodenchip im Betrieb auftreten, so genannte "dark line defects", die aufgrund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Chips und des Gehäuses beim Abkühlen nach dem Löten entstehen und die zum Ausfall des Bauteils führen können. Durch den Einsatz von sehr weichen Loten kann dieses Risiko zwar etwas verringert werden, ist aber immer noch zu hoch. Weiche Lote wie In neigen weiterhin zum Migrieren und können dadurch leicht Kurzschlüsse über dem aktiven Bereich eines Laserdiodenchips bewirken.
Die Erfinder haben erkannt, dass entgegen der bisherigen Annahmen und Vorgehensweisen solche Probleme für Laserdiodenchips, die auf einem Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial basieren, nicht zutreffen. Beispielsweise können Substrate verwendet werden, die eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 200 W/mK anstelle von 46 W/mK bei GaAs-Substraten aufweisen. Dadurch können auf Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial basierende Laserdiodenchips auch "Epi up" montiert werden, sodass bei einer bevorzugten Substratdicke von größer oder gleich 50 μm und kleiner oder gleich 150 μm, bevorzugt beispielsweise eine Dicke von etwa 110 µm, keine erhöhte Kurzschlussgefahr besteht. "Dark line defects" sind für Nitrid-basierte Laserdiodenchips nicht bekannt und stellen somit ebenfalls kein Problem dar.
Für eine hohe Qualität der Montage des Laserdiodenchips auf dem Montageteil des Gehäuses ohne zusätzliche Wärmesenke dazwischen ist die hier beschriebene Lotschicht mit einer Dicke von größer oder gleich 3 μm von besonderem Vorteil, während aus thermischen Gründen im Stand der Technik eine möglichst dünne Lotschicht bevorzugt wird. Insbesondere eignet sich ein oben beschriebenes Weichlot, um thermische Verspannungen beim Abkühlen nach dem Auflöten des Laserdiodenchips sowie Unebenheiten des Montageteils auszugleichen. Solche Unebenheiten können beispielsweise kaum vermeidbar sein, wenn ein Montageteil auf Kupfer-Basis mit einer Stahlummantelung verwendet wird. Die Verwendung der hier beschriebenen dicken Lotschicht bringt somit in Summe thermische Vorteile, da eine homogene und insbesondere lunkerfreie Lötung, wie sie durch die hier beschriebene Dicke der Lotschicht möglich ist, den für sich genommenen größeren thermischen Widerstand, der durch die hier beschriebene Dicke der Lotschicht im Vergleich zu einer dünnen Lotschicht hervorgerufen wird, überwiegt. Insbesondere kann, obwohl die im Stand der Technik üblicherweise verwendete Wärmesenke weggelassen wird, insgesamt eine Reduzierung des thermischen Widerstands zwischen dem Laserdiodenchip und dem Gehäuse erreicht werden, wobei für eine möglichst durchgängige und großflächige thermische Anbindung des Laserdiodenchips an die dicke Lotschicht weiterhin besonders bevorzugt die weiter unten beschriebenen Verankerungselemente im Laserdiodenchip vorgesehen sein können. Eine Wärmespreizung kann bei der hier beschriebenen Laserdiodenvorrichtung dabei auch durch das Gehäuse und insbesondere dem Montageteil erfolgen.
Insbesondere ist für die hier beschriebene Laserdiodenvorrichtung eine im Vergleich zum Stand der Technik deutliche Steigerung der Ausgangsleistung auf mehr als 3 W möglich. Eine solche Steigerung ist jedoch nur durch die Kombination eines möglichst gut Wärme leitenden Gehäuses wie beispielsweise einem Kupfer-basierten Gehäuse mit der dicken Lotschicht möglich, da beispielsweise nur die Verwendung eines solchen thermisch optimierten Gehäuses den thermischen Widerstand zwar um etwa 2 bis 3 K/W erniedrigen kann, dies aber nicht ausreichend ist, um eine Ausgangsleistung von mehr als 3 W zu erreichen.
Die hier beschriebene Laserdiodenvorrichtung kann mit Vorteil jedoch äußerlich völlig den bisher nach dem Stand der Technik gefertigten Bauteilen entsprechen und mit vergleichbaren, massenfertigungstauglichen Prozessen hergestellt werden. Die Kosten, gemessen etwa in Dollar pro Watt, können somit deutlich gesenkt werden. Weiterhin sind für eine gleiche Lichtleistung in einer Anwendung bei der Verwendung der hier beschriebenen Laserdiodenvorrichtung im Vergleich zu bekannten Laserdioden weniger Bauteile notwendig.
Bei üblichen Laserdioden, bei denen Laserdiodenchips über eine zusätzliche Wärmesenke auf einem Gehäuse montiert werden, kann die Wärmesenke nicht nur als Wärmespreizer wirken, sondern auch Verspannungen reduzieren, die auf den Chip wirken, da das Gehäuse üblicherweise einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der weit über dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Chips liegt. Bei der hier beschriebenen Laserdiodenvorrichtung ist eine solche Verspannungskompensation durch eine zusätzliche Wärmesenke nicht möglich. Unterscheiden sich die thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Laserdiodenchip und dem Gehäuse zu stark, kann es beim Abkühlen nach dem Löten des Laserdiodenchips auf Raumtemperatur dazu kommen, dass sich das Gehäuse stärker zusammenzieht als der Laserdiodenchip. Dadurch kann es passieren, dass der Laserdiodenchip eine vom Gehäuse weg gewandte konvexe Wölbung ausbildet. Hierdurch kann es zu einem Chip-Abscheren kommen, wodurch der Laserdiodenchip nicht mehr optimal und ganzflächig aufgelötet ist. Besonders bevorzugt weist der Laserdiodenchip daher eine Verspannung auf, die bestrebt ist, die dem Montageteil zugewandte Unterseite des Laserdiodenchips konvex zu verformen oder die zumindest einer konkaven Verformung der dem Montageteil zugewandten Unterseite des Laserdiodenchips entgegenwirkt. Beispielsweise kann der Laserdiodenchip derart ausgebildet sein, dass er in einem unmontierten Zustand eine schüsselförmige Krümmung oder zumindest eine minimale Schüsselform bei nahezu planer Ausführung aufweist. Eine geeignete Verspannung des Laserdiodenchips kann beispielsweise durch gezielt gewählte Aufwachsbedingungen beim Aufwachsen der Halbleiterschichten auf dem Substrat eingestellt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Laserdiodenchip in der dem Montageteil zugewandten Unterseite zumindest ein Verankerungselement für das Lot der Lotschicht auf. Das Verankerungselement kann beispielsweise durch eine Vertiefung oder eine Erhebung in der dem Montageteil zugewandten Unterseite des Laserdiodenchips gebildet sein. Bevorzugt weist der Laserdiodenchip eine Mehrzahl von Verankerungselementen auf, die regelmäßig oder unregelmäßig geformt und/oder angeordnet sein können. Ein oder mehrere Verankerungselemente können beispielsweise auch angrenzend an Seitenflächen des Laserdiodenchips, also an Chipkanten zwischen der der Lotschicht zugewandten Unterseite des Laserdiodenchips und der Strahlungsauskoppelfläche und/oder der Rückseitenfläche und/oder einer oder mehrerer Seitenflächen, jeweils als stufenförmige Vertiefung ausgebildet sein. Durch die Verankerungselemente kann eine Verzahnung des Lots und des Laserdiodenchips erreicht werden, die zusätzlich oder alternativ zu einer vorab beschriebenen gezielten Verspannung des Laserdiodenchips einem Chip-Abscheren entgegenwirken kann. In der oben beschriebenen bevorzugten "Epi up"-Montage sind das zumindest eine und bevorzugt die Mehrzahl von Verankerungselemente im Substrat ausgebildet.
Das zumindest eine und bevorzugt die mehreren Verankerungselemente können beispielsweise gezielt als diskrete Erhebungen oder Vertiefungen eingebracht werden. Die Verankerungselemente können insbesondere punktförmige Erhebungen und/oder Vertiefungen oder auch linienförmige Erhebungen und/oder Vertiefungen aufweisen. Beispielsweise können Verankerungselemente auch durch eine gezielte Aufrauung oder einen gezielten mechanischen oder chemischen Abtrag gebildet werden. Darüber hinaus ist es auch möglich, dass ein Verankerungselement beispielsweise in Form einer Stufe im Bereich der Substratkante an einer oder beiden Facetten, also der Strahlungsauskoppelfläche und/oder der Rückseitenfläche, vorgesehen ist.
Zur Herstellung des zumindest einen Verankerungselements und bevorzugt der Mehrzahl von Verankerungselementen können bevorzugt trocken- oder nasschemisches Ätzen, insbesondere anisotrope Ätzverfahren, lithographische Strukturierungen und/oder mechanische Strukturierungen durchgeführt werden.
Bevorzugt weist das zumindest eine und bevorzugt die Mehrzahl von Verankerungselementen eine Tiefe von größer oder gleich 0,1 μm und kleiner oder gleich 10 μm und bevorzugt von größer oder gleich 0,5 μm und kleiner oder gleich 5 μm auf. Eine Größe von größer oder gleich 0,1 μm und bevorzugt größer oder gleich 0,5 μm ist besonders geeignet, dass eine ausreichende Verzahnung zwischen dem Laserdiodenchip und dem Lot entsteht, während eine Tiefe von kleiner oder gleich 10 μm und bevorzugt von kleiner oder gleich 5 μm besonders geeignet ist, um eine vollständige Füllung beziehungsweise Umschließung eines Verankerungselements mit dem Lot und damit eine möglichst großflächige Anbindung des Laserdiodenchips an die Lotschicht zu erreichen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Laserdiodenchip auf den Seitenflächen und/oder der Strahlungsauskoppelfläche und/oder der Rückseitenfläche eine Metallisierung auf. Die Metallisierung kann insbesondere in Form einer Metallschicht ausgebildet sein. Die Metallisierung ist somit insbesondere schichtförmig mit einer Haupterstreckungsebene ausgebildet, die parallel zur Anordnungsrichtung der Halbleiterschichtenfolgen des Laserdiodenchips ist. Durch eine derartige Metallisierung kann eine Kühlung des Laserdiodenchips über die mit der Metallisierung versehenen Flächen des Laserdiodenchips erreicht werden. Beispielsweise kann die Metallisierung unmittelbar auf dem Substrat und zumindest einigen Halbleiterschichten angeordnet sein. Besonders bevorzugt ist die Metallisierung dabei vom Montageteil aus gesehen unterhalb der aktiven Schicht, also bei einer oben beschriebenen "Epi up"-Montage auf Seitenflächen des Substrats und Seitenflächen derjenigen Halbleiterschichten, die zwischen dem Substrat und der aktiven Schicht angeordnet sind, angeordnet. Dadurch kann verhindert werden, dass durch die Metallisierung ein Kurzschluss durch eine Überbrückung der n- und p-dotierten Schichten über- und unterhalb der aktiven Schicht hervorgerufen wird. Aufgrund eines solchen direkten Kontakts der Metallisierung mit dem Halbleitermaterial des Laserdiodenchips kann eine effektive Entwärmung ermöglicht werden.
Ist die Metallisierung auf der Strahlungsauskoppelfläche und/oder der Rückseitenfläche unmittelbar in Kontakt mit den Halbleiterschichten angeordnet, so befindet sich die Metallisierung bevorzugt zwischen den Halbleiterschichten und einer optischen Schicht auf der Strahlungsauskoppelfläche beziehungsweise der Rückseitenfläche. Die optische Schicht wird insbesondere durch die für Laserdiodenchips übliche Facettenverspiegelung oder -entspiegelung gebildet. Üblicherweise ist die optische Schicht auf der Strahlungsauskoppelfläche und der Rückseitenfläche aus einem dielektrischen Material beziehungsweise einer dielektrischen Schichtenfolge gebildet. Ist eine Metallisierung auf der Strahlungsauskoppelfläche vorgesehen, so bleibt der Strahlungsauskoppelbereich frei von der Metallisierung, sodass das in der aktiven Schicht erzeugte Licht ungehindert abgestrahlt werden kann.
Weiterhin ist es auch möglich, dass eine Metallisierung eine Außenseite des Laserdiodenchips bildet. Mit anderen Worten ist die Metallisierung von keiner weiteren Schicht des Laserdiodenchips bedeckt. Im Falle, dass die Metallisierung auf den Seitenflächen angeordnet ist, kann die Metallisierung sowohl unmittelbar auf den Halbleiterschichten aufgebracht sein, als auch Außenseiten des Laserdiodenchips bilden. Ist die Metallisierung auf der Strahlungsauskoppelfläche und/oder der Rückseitenfläche angeordnet und bildet eine Außenseite des Laserdiodenchips, so bedeutet dies mit anderen Worten, dass die Metallisierung auf der optischen Schicht der Strahlungsauskoppelfläche oder der Rückseitenfläche angeordnet ist. Insbesondere kann die Metallisierung bis zur Unterseite des Laserdiodenchips heranreichen. Durch eine Metallisierung, die eine Außenseite des Laserdiodenchips bildet, kann erreicht werden, dass das Lot der Lotschicht die Metallisierung benetzen kann. Dadurch kann ein Teil der Lotschicht gezielt an der Metallisierung „hochlaufen“ und somit einen guten thermischen Kontakt und damit eine gute Entwärmung des Laserdiodenchips über die mit der Metallisierung versehenen Flächen des Laserdiodenchips ermöglichen.
Die Metallisierung kann insbesondere eines oder mehrere der Metalle Au, Ti, Pt, Cr, Pd, Ni, Ag, W, Cu aufweisen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Laserdiodenchip auf einer dem Montageteil abgewandten Oberseite zumindest eine sich von der Rückseitenfläche zur Strahlungsauskoppelfläche erstreckende Vertiefung auf, die mit einer Passivierung bedeckt ist. Insbesondere ragt die Vertiefung von der Oberseite aus gesehen bis über die aktive Schicht in die Halbleiterschichtenfolgen hinein. Bevorzugt weist der Laserdiodenchip zwei Vertiefungen auf, die sich jeweils von der Strahlungsauskoppelfläche zur Rückseitenfläche erstrecken und zwischen denen auf der Oberseite ein Kontaktbereich angeordnet ist, über den eine gezielte Stromeinprägung beziehungsweise Stromdichteverteilung im Laserdiodenchip und insbesondere in der aktiven Schicht erzeugt wird. Somit befinden sich die Vertiefungen mit der Passivierung bevorzugt zwischen möglichen Migrationspfaden des Lots, entlang derer das Lot von einer Metallisierung auf den Seitenflächen des Laserdiodenchips zum Kontaktbereich hin wandern könnte. Dadurch kann ein unkontrolliertes Hochlaufen des Lots an den Chipkanten oder eine unkontrollierte Migration von Lot im Betrieb der Laserdiodenvorrichtung verhindert werden, wodurch ein Kurzschließen der aktiven Schicht hervorgerufen würde. Die Vertiefungen können auch als so genannte Mesa-Gräben bezeichnet werden, die die aktive Schicht unterbrechen.
Da durch die hier beschriebene Ausgestaltung der Laserdiodenvorrichtung im Vergleich zu Laserdioden im Stand der Technik eine deutliche Reduktion des thermischen Widerstands erreicht werden kann, ist es möglich Laserdiodenchips mit einer im Vergleich zum Stand der Technik größeren aktiven Fläche, also einer größeren bestromten Fläche, zu betreiben. In der hier beschriebenen Laserdiodenvorrichtung können somit Laserdiodenchips mit einer im Vergleich zum Stand der Technik längeren und/oder breiteren bestromten Fläche eingesetzt werden. Insbesondere kann die aktive Schicht eine Fläche von größer oder gleich 2500 µm², bevorzugt von größer oder gleich 10000 µm² und besonders 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.
Weiterhin ist es bei der hier beschriebenen Laserdiodenvorrichtung auch möglich, anders als im Stand der Technik ohne weiteren Aufwand mehr als einen Laserdiodenchip in einem der hier beschriebenen Gehäuse zu verwenden, wodurch ebenfalls eine Steigerung der Ausgangsleistung erreicht werden kann.
Weitere Vorteile, vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen.
Es zeigen:
1A und 1B schematische Darstellungen einer Laserdiodenvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel,
2 eine schematische Darstellung eines Laserdiodenchips gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,
3 einen Ausschnitt einer Laserdiodenvorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,
4A bis 4C Ausschnitte von Laserdiodenvorrichtungen gemäß weiteren Ausführungsbeispielen, und
5A bis 11 schematische Darstellungen von Ausschnitten 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 1A und 1B ist ein Ausführungsbeispiel für eine Laserdiodenvorrichtung 100 gezeigt, wobei in 1A eine schematische Schnittdarstellung und in 1B eine Aufsicht der Laserdiodenvorrichtung 100 gezeigt sind. Die nachfolgende Beschreibung bezieht gleichermaßen auf die 1A und 1B.
Die Laserdiodenvorrichtung 100 weist ein Gehäuse 1 auf, in dem auf einem Montageteil 11 ein Laserdiodenchip 2 mittels einer Lotschicht 3 montiert ist.
Das Gehäuse 1 weist eine möglichst große Wärmeleitfähigkeit auf und ist im gezeigten Ausführungsbeispiel in Form eines so genannten TO-Gehäuses ausgebildet. Das Gehäuse 1 weist dabei ein Gehäuseteil 10 und das am Gehäuseteil angeordnete Montageteil 11 auf. Das Montageteil 11 erstreckt sich 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 einem Metall, das im gezeigten Ausführungsbeispiel Kupfer ist, 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. Das Montageteil 11 kann durch einen unbeschichteten Grundkörper, also im gezeigten Ausführungsbeispiel durch den Kupfer-Grundkörper, gebildet sein oder, wie durch die gestrichelte Linie um das Montageteil 11 angedeutet ist, ebenfalls eine Ummantelung, bevorzugt eine Stahlummantelung, aufweisen.
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.
Über dem Montageteil 11 und damit über dem Laserdiodenchip 2 wird bevorzugt ein Gehäusedeckel 14 angeordnet, wie 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 im gezeigten Ausführungsbeispiel 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.
Alternativ zum hier gezeigten Gehäuse 1 in TO-Bauart kann das Gehäuse 1 auch davon abweichend ausgebildet sein. Beispielsweise kann das Gehäuse 1 ein Montageteil 11 aus Keramik oder einem Metall aufweisen, auf dem direkt oder auf zusätzlichen Seitenteilen ein Gehäusedeckel angeordnet ist. Weiterhin kann das Montageteil 11 beispielsweise auch durch eine Metallkernplatine gebildet werden. Unabhängig von der geometrischen und materialspezifischen Ausgestaltung des Gehäuses 1 weist dieses bevorzugt eine möglichst große Wärmeleitfähigkeit auf.
Das Montageteil 11 weist eine Montagefläche 13 auf, auf der ein Laserdiodenchip 2 angeordnet ist. Insbesondere ist der Laserdiodenchip 2 über die Lotschicht 3 unmittelbar auf der Montagefläche 13 des Montageteils 11 montiert und dadurch elektrisch und thermisch an das Gehäuse 1 angeschlossen. Zwischen dem Laserdiodenchip 2 und dem Montageteil 11 ist somit nur die Lotschicht 3 angeordnet.
Die Lotschicht 3 weist eine Dicke von größer oder gleich 3 µm auf und wird durch ein Weichlot gebildet, insbesondere ein Weichlot auf Basis eines oder mehrerer Metalle ausgewählt aus Sn, In und Au. Insbesondere kann die Lotschicht durch eines der oben im allgemeinen Teil genannten Lotmaterialien gebildet sein.
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 Lotschicht 3 der hier beschriebenen Laserdiodenvorrichtung 100 eine Dicke von größer oder gleich 3 µm auf. Die Dicke der ersten Lotschicht 3 kann auch größer oder gleich 4 µm oder sogar größer oder gleich 5 µm sein. Dadurch können thermisch induzierte Spannungen kompensiert werden, die im Betrieb durch die im Laserchip 2 erzeugte Wärme oder das nach dem Auflöten des Laserdiodenchips 2 erfolgende Abkühlen und die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Laserdiodenchips 2 und des Gehäuses 1 auftreten. Weiterhin können durch eine derart dicke Lotschicht beispielsweise auch Oberflächenunebenheiten auf der Montagefläche 13 des Montageteils 11 ausgeglichen werden. Diese können insbesondere dann auftreten, wenn das Montageteil 11 den hier gezeigten Kupfer-Grundkörper und eine Ummantelung aus Stahl aufweist.
Der Laserdiodenchip 2 ist vorzugsweise, wie in 2 gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel 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 weist einen Strahlungsauskoppelbereich 270 auf, über den im Betrieb die im Laserdiodenchip 2 erzeugte Laserstrahlung abgestrahlt wird. Weiterhin weist der Laserdiodenchip 2 Seitenflächen auf, die die Strahlungsauskoppelfläche 27 und die Rückseitenfläche 28 miteinander verbinden. Auf der Strahlungsauskoppelfläche 27 und der Rückseitenfläche 28 sind bevorzugt optische Schicht (nicht gezeigt) aufgebracht, die Verspiegelungs- und/oder Entspiegelungsschichten bilden und durch die ein Resonator mit den gewünschten Reflexions- und Auskoppeleigenschaften gebildet 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). Die elektrische Anschlussschicht 25 kann beispielsweise durch eine Strukturierung nur mit einem Teilbereich der Halbleiterkontaktschicht 24 in elektrischen Kontakt stehen, um eine Stromeinprägung in einen gezielt gewählten Bereich der aktiven Schicht 23 zu erreichen.
Die gezeigte Anordnungsrichtung des Laserdiodenchips 2 mit dem Substrat 20 direkt auf der Lotschicht 3 wird auch als „Epi up“ bezeichnet.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind von der aktiven Schicht 23 aus gesehen die Halbleiterschichten, die dem Substrat 20 zugewandt sind, n-dotiert, während die mit dem Bezugszeichen 26 gekennzeichneten Halbleiterschichten, die auf der dem Substrat 20 abgewandten Seite der aktiven Schicht 23 angeordnet sind, p-dotiert sind. Die aktive Schicht 23 kann beispielsweise n-dotiert oder undotiert sein und insbesondere im gezeigten Ausführungsbeispiel eine Mehrfach-Quantentopfstruktur aufweisen.
Im Folgenden werden die der Lotschicht 3 gegenüber liegende Seite des Laserdiodenchips 2 als Oberseite 30 und die der Lotschicht 3 zugewandte und direkt mit der Lotschicht 3 in Kontakt stehende Seite des Laserdiodenchips 2 als Unterseite 31 bezeichnet. Die Oberseite kann beispielsweise zumindest teilweise durch die elektrische Anschlussschicht 25 gebildet werden. Ist die elektrische Anschlussschicht 25 strukturiert ausgebildet, kann die Oberseite 30 auch teilweise durch einen freiliegenden Teilbereich der Halbleiterkontaktschicht 24 und/oder beispielsweise durch eine in Teilbereichen auf der elektrischen Anschlussschicht 25 und/oder der Halbleiterkontaktschicht 24 aufgebrachte Passivierungsschicht gebildet werden.
Das Material des Montageteils 11, das wie oben beschrieben beispielsweise durch den Kupfer-Grundkörper oder ein anderes Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit gebildet werden kann, weist üblicherweise einen deutlich höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als der Laserdiodenchip 2 auf. Hierdurch kann es insbesondere nach dem Auflöten des Laserdiodenchips 2 auf das Montageteil 11 des Gehäuses 1 zu Verspannungen zwischen dem Laserdiodenchip 2 und dem Montageteil 11 kommen, die je nach Wahl des Lots möglicherweise nur teilweise durch die Lotschicht 3 ausgeglichen werden können. Als Folge hiervon könnte es passieren, dass sich das Montageteil 11 beim Abkühlen nach dem Auflöten des Laserdiodenchips 2 so weit zusammenzieht, dass der Laserdiodenchip 2 auf der Lotschicht 3 aufgewölbt wird und auf der dem Montageteil 11 abgewandten Oberseite 30 eine konvexe Biegung aufweist. Dementsprechend formt sich in diesem Fall die dem Montageteil 11 zugewandte Unterseite 31 des Laserdiodenchips 2 konkav aus. Das Zusammenziehen des Montageteils 11 beim Abkühlen ist durch die gestrichelten Pfeile angedeutet. Ist die Wölbung des Laserdiodenchips 2 zu groß, kann es zu einem zumindest teilweisen Chip-Abscheren kommen, also zu einer zumindest teilweisen Ablösung des Laserdiodenchips 2 von der Lotschicht 3. Besonders bevorzugt weist der Laserdiodenchip 2 daher, wie in 3 durch die gepunktete Linie angedeutet ist, eine Verspannung auf, die bestrebt ist, die dem Montageteil 11 zugewandte Unterseite 31 des Laserdiodenchips 2 in einem unmontierten Zustand konvex zu verformen. Mit anderen Worten kann der Laserdiodenchip 2 so hergestellt werden, dass er nach der Fertigung bevorzugt die in 3 durch die gepunktete Linie angedeutete schüsselförmige Krümmung aufweist. Der Laserdiodenchip 2 kann auch nach dem Abkühlen des Lots der Lotschicht 3 noch leicht schüsselförmig ausgebildet sein. Alternativ hierzu kann der Laserdiodenchip 2 auch plan oder nahezu plan mit einer minimalen Schüsselform ausgebildet sein und dennoch eine Verspannung in den Halbleiterschichten aufweisen, die geeignet ist, die thermischen Verspannungen, die beim Abkühlen nach dem Lötvorgang auftreten können, zumindest teilweise auszugleichen und die zumindest teilweise einer konkaven Verformung der dem Montageteil 11 zugewandten Unterseite 31 des Laserdiodenchips 2 entgegenwirkt.
Eine entsprechende Verspannung der Halbleiterschichten des Laserdiodenchips 2 kann durch geeignet gewählte Prozessparameter beim Aufwachsen der Halbleiterschichten eingestellt werden.
Alternativ oder zusätzlich zur Verspannung, die in 3 angedeutet ist, kann der Laserdiodenchip 2 auf der Unterseite 31 auch zumindest ein Verankerungselement 32 und bevorzugt eine Mehrzahl von Verankerungselementen 32 aufweisen, die durch Vertiefungen und/oder Erhebungen gebildet werden. In den 4A bis 4C sind Beispiele für solche Verankerungselemente 32 gezeigt, die insbesondere auch in Kombinationen vorhanden sein können. Durch die Verankerungselemente 32 kann eine ausreichende Haftung des Laserdiodenchips 2 an der Lotschicht 3 erreicht werden, wodurch ein großflächiger thermischer Anschluss und dadurch eine Reduzierung des thermischen Widerstands zwischen dem Laserdiodenchip 2 und dem Gehäuse 1 erreicht werden kann.
In 4A ist das Verankerungselement 32 durch eine Vertiefung an der Chipkante zwischen der Strahlungsauskoppelfläche 27 und der Unterseite 31 gebildet, in die das Lot der Lotschicht 3 eingreifen kann. Ein derartiges als Vertiefung ausgebildetes Verankerungselement 32, das sich bevorzugt entlang der Chipkante erstreckt und stufenförmig ausgebildet ist, kann gezielt eingebracht werden, um eine Verzahnung der Chipkante mit dem Lot der Lotschicht 3 zu erreichen. Alternativ oder zusätzlich kann ein als stufenförmige Vertiefung ausgebildetes Verankerungselement 32 auch an einer Chipkante zwischen der Unterseite 31 und der Rückseitenfläche 28 und/oder der Unterseite 31 und einer Seitenfläche 29 vorgesehen sein. Weiterhin kann an allen Chipkanten an der Unterseite 31 jeweils ein als stufenförmige Vertiefung ausgebildetes Verankerungselement 32 vorgesehen sein.
In den 4B und 4C sind als Verankerungselement 32 eine Vertiefung und eine Erhebung in der Unterseite 31 des Laserdiodenchips 2 gezeigt. Diese können durch eine gezielte Strukturierung der Unterseite 31 des Laserdiodenchips erzeugt werden und beispielsweise auch in einer Mehrzahl als regelmäßig als diskrete punktförmige oder linienförmige Erhebungen oder Vertiefungen ausgebildet sein. Bevorzugt kann eine Vielzahl von Verankerungselementen 32 in Form von Erhebungen und Vertiefungen auch durch eine Aufrauung der Unterseite 31 hergestellt werden. In diesem Fall sind die Verankerungselemente 32 über die gesamte Unterseite 31 stochastisch verteilt angeordnet und können ineinander übergehen.
Die Verankerungselemente 32 gemäß den gezeigten Ausführungsbeispielen können beispielsweise durch trocken- oder nasschemisches Ätzen, insbesondere anisotropes Ätzen, lithographische Strukturierung und/oder mechanische Strukturierung hergestellt werden.
Die Verankerungselemente 32 weisen bevorzugt eine derartige Größe, also eine Breite und/oder eine Tiefe beziehungsweise Höhe, auf, dass das Lot der Lotschicht 3 in oder zwischen die Verankerungselemente 32 eindringen kann. Bevorzugt ist die Größe der Verankerungselemente hierzu größer oder gleich 0,1 μm und besonders bevorzugt größer oder gleich 0,5 μm. Weiterhin weisen die Verankerungselemente 32 eine Größe auf, die maximal derart groß ist, dass das Lot der Lotschicht 3 diese komplett umformen oder ausfüllen kann, so dass eine lunker- und blasenfrei Anbindung der Lotschicht 3 and die Unterseite 31 des Laserdiodenchips 2 möglich ist. Hierfür weisen die Verankerungselemente bevorzugt eine Größe von kleiner oder gleich 10 μm und bevorzugt von kleiner oder gleich 5 μm auf.
In den 5A bis 11 sind ausschnittsweise weitere Ausführungsbeispiele gezeigt, die mit den vorgenannten Ausführungsbeispielen kombinierbar sind und in denen der Laserdiodenchip 2 auf zumindest einer Seitenfläche 29, der Strahlungsauskoppelfläche 27 und/oder der Rückseitenfläche 28 eine Metallisierung 6 aufweist. Die Metallisierung 6 wird durch eine oder mehrere Metallschichten gebildet, die bevorzugt Au, Ti, Pt, Cr, Pd, Ni, Ag, W, Cu oder Mischungen oder Legierungen daraus aufweisen oder daraus sind. Durch die Metallisierung können die dadurch beschichteten Flächen des Laserdiodenchips 2 zusätzlich gekühlt werden, wodurch ein effektiverer Wärmeabtransport ermöglicht werden kann.
Auf den Facetten, also auf der Strahlungsauskoppelfläche 27 und der Rückseitenfläche 28, der im folgenden beschriebenen Laserdiodenchip 2 sind optische Schichten 7 in Form von Verspiegelungs- oder Entspiegelungsschichten gezeigt.
In den 5A und 5B ist in einer Aufsicht auf die Oberseite und in einer Schnittdarstellung parallel zur Strahlungsauskoppelfläche 27 ein Laserdiodenchip 2 gezeigt, der auf den Seitenflächen 29, die die Strahlungsauskoppelfläche 27 und die Rückseitenfläche 28 miteinander verbinden, jeweils eine Metallisierung 6 aufweist. Die Metallisierung 6 ist dabei in direktem Kontakt zum Substrat und den Halbleiterschichten des Laserdiodenchips 2 angeordnet und bildet gleichzeitig Außenflächen des Laserdiodenchips 2. Wie aus 5B ersichtlich ist, ist die Metallisierung 6 vom Montageteil 11 beziehungsweise von der Unterseite 31 her gesehen unterhalb der aktiven Schicht 23 angeordnet, um ein Kurzschließen der n- und p-dotierten Seite des Laserdiodenchips 2 zu vermeiden. Dadurch, dass die Metallisierungen 6 Außenseiten des Laserdiodenchips 2 bilden, kann das Lot der Lotschicht 3 diese benetzen und sich an diesen hochziehen, wie in 5B angedeutet ist. Dadurch kann ein guter thermischer Kontakt zwischen den Seitenflächen 29 des Laserdiodenchips 2 und der Lotschicht 3 erreicht werden, wodurch die Seitenflächen 29 zur Entwärmung des Laserdiodenchips 2 beitragen können.
In den 6 und 7 sind ausschnittsweise weitere Ausführungsbeispiele gezeigt, bei denen wie im Ausführungsbeispiel der 5A und 5B Metallisierungen 6 auf den Seitenflächen 29 angeordnet sind. Bei einer derartigen Anordnung der Metallisierung auf den Seitenflächen besteht an den Seitenkanten eine erhöhte Gefahr von Kurzschlüssen, die durch die aufgebrachte Metallisierung 6 und/oder durch das sich beim Lötprozess hochziehende Lot hervorgerufen werden kann, da Metallpartikel zur aktiven Schicht 23 wandern und diese beispielsweise überbrücken können. Die Laserdiodenchips 2 der Ausführungsbeispiele der 6 und 7 weisen deshalb Vertiefungen 33 auf, die sich bevorzugt von der Strahlungsauskoppelfläche 27 bis zur Rückseitenfläche 28 erstrecken und die mit einer Passivierung 34, beispielsweise ein dielektrisches Oxid wie etwa SiO₂, bedeckt sind. Die Vertiefungen 33 weisen eine derartige Tiefe auf, dass sie von der Oberseite 30 aus gesehen bis unterhalb der aktiven Schicht 23 reichen. Dadurch kann eine Barriere für Lotpartikel oder Partikel der Metallisierungen 6 erreicht werden, sodass diese nicht mehr zu einem Kurzschluss führen können.
Wie in 6 gezeigt ist, können die Vertiefungen 33 an den Chipkanten zwischen der Oberseite 30 und den Seitenflächen 29 ausgebildet sein. Weiterhin können die Vertiefungen 33, wie in 7 gezeigt ist, auch weiter nach innen in Richtung des durch eine strukturierte elektrische Anschlussschicht 25 definierten bestromten Bereichs der aktiven Schicht 23 gezogen sein. Die Vertiefungen 33 können auch als Mesa-Gräben bezeichnet werden.
In 8 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem Metallisierungen 6 auf den optischen Schichten 7 auf der Strahlungsauskoppelfläche 27 und der Rückseitenfläche 28 angeordnet sind und Außenseiten des Laserdiodenchips 2 bilden, wodurch sich an der Strahlungsauskoppelfläche 27 und der Rückseitenfläche 28 Lot der Lotschicht 3 hochziehen kann und so zu einem guten thermischen Anschluss der Facetten des Laserdiodenchips 2 an die Lotschicht 3 und damit an das Gehäuse 1 führen kann. Insbesondere im Falle einer Metallisierung 6 auf der Strahlungsauskoppelfläche 27 ist es wichtig, dass die Metallisierung 6 wie in 8 gezeigt von der Unterseite 31 her gesehen unterhalb der aktiven Schicht 23 angeordnet ist, sodass der Strahlungsauskoppelbereich 270 frei von der Metallisierung 6.
In 9 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen Laserdiodenchip 2 in einer Aufsicht gezeigt, bei dem sowohl die Strahlungsauskoppelfläche 27, die Rückseitenfläche 28 als auch die Seitenflächen 29 mit einer Metallisierung 6 versehen sind, sodass der Laserdiodenchip 2 rundum thermisch angeschlossen werden kann.
In 10 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen Laserdiodenchip 2 gezeigt, bei dem im Vergleich zum Ausführungsbeispiel der 8 die Metallisierung 6 unmittelbar auf der Strahlungsauskoppelfläche 27 und der Rückseitenfläche 28 angeordnet ist. Mit anderen Worten ist die Metallisierung 6 zwischen den Halbleiterschichten des Laserdiodenchips 2 und den optischen Schichten 7 auf der Strahlungsauskoppelfläche und der Rückseitenfläche 28 angeordnet. Hierdurch kann zwar keine Benetzung der Metallisierung 6 durch das Lot der Lotschicht 3 erreicht werden, jedoch kann durch den unmittelbaren Kontakt der Metallisierung 6 mit der Strahlungsauskoppelfläche 27 und der Rückseitenfläche 28 dennoch eine besonders effektive Entwärmung der Facetten des Laserdiodenchips 2 erreicht werden.
In 11 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen Laserdiodenchip 2 gezeigt, bei dem im Vergleich zum vorherigen Ausführungsbeispiel die optischen Schichten 7 auf der Strahlungsauskoppelfläche 27 und der Rückseitenfläche 28 nur teilweise aufgebracht sind und insbesondere nicht bis zur Lotschicht 3 reichen, so dass eine Kombination der Vorteile der Ausführungsbeispiele der vorherigen Figuren erreicht werden kann, da die Metallisierung 6 unmittelbar auf den Facetten angeordnet ist und gleichzeitig vom Lot der Lotschicht 6 benetzt werden kann.
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 oder beschrieben sind. 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 Nicht-Patentliteratur

C. Vierheilig et al., Proc. SPIE, Bd. 8277, 82770K, 2012 [0004]

Claims

Laserdiodenvorrichtung, aufweisend ein Gehäuse (1) mit einem Montageteil (11), und einen auf einem Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial basierenden Laserdiodenchip (2) im Gehäuse (1) auf dem Montageteil (11), der auf einem Substrat (20) Halbleiterschichten (21, 22, 23, 24) mit einer aktiven Schicht (23) zur Erzeugung von Licht aufweist und der eine Strahlungsauskoppelfläche (27) mit einem Strahlungsauskoppelbereich (270) zur Abstrahlung des erzeugten Lichts, eine der Strahlungsauskoppelfläche (27) gegenüber liegende Rückseitenfläche (28) und die Strahlungsauskoppelfläche (27) und die Rückseitenfläche (28) verbindende Seitenflächen (29) aufweist, wobei der Laserdiodenchip (2) mittels einer Lotschicht (3) unmittelbar auf dem Montageteil (11) montiert ist und die Lotschicht (3) eine Dicke von größer oder gleich 3 µm aufweist.
Laserdiodenvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Montageteil (11) eine Metallkernplatine oder einen Grundkörper aus Metall, insbesondere Kupfer, oder aus Keramik aufweist.
Laserdiodenvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Gehäuse (1) ein mit dem Montageteil (11) verbundenes Gehäuseteil (10) aufweist, das Gehäuseteil (10) und das Montageteil (11) einen Grundkörper aus Kupfer aufweisen und zumindest das Gehäuseteil (10) stahlummantelt ist.
Laserdiodenvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Gehäuse (1) einen Gehäusedeckel (14) über dem Montageteil (11) aufweist, der das Gehäuse (1) verschließt.
Laserdiodenvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Lotschicht (3) aus einem Weichlot ist.
Laserdiodenvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Laserdiodenchip (2) eine Verspannung aufweist, die bestrebt ist, die dem Montageteil (11) zugewandte Unterseite (31) des Laserdiodenchips (2) konvex zu verformen, oder die zumindest einer konkaven Verformung der dem Montageteil (11) zugewandten Unterseite (31) entgegenwirkt.
Laserdiodenvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Laserdiodenchip (2) in der dem Montageteil (11) zugewandten Unterseite (31) zumindest ein Verankerungselement (32) für die Lotschicht (3) aufweist, das durch eine Vertiefung oder Erhebung gebildet wird.
Laserdiodenvorrichtung nach Anspruch 7, wobei der Laserdiodenchip (2) eine Mehrzahl von Verankerungselementen (32) aufweist, die als Erhebungen und/oder Vertiefungen in der Unterseite (31) ausgebildet sind.
Laserdiodenvorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, wobei der Laserdiodenchip (2) als Verankerungselement (32) eine stufenförmige Vertiefung an einer Chipkante zwischen der Unterseite (31) und der Strahlungsauskoppelfläche (27) oder der Rückseitenfläche (28) oder einer Seitenfläche (29) aufweist.
Laserdiodenvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Laserdiodenchip (2) auf den Seitenflächen (29) eine Metallisierung (6) aufweist.
Laserdiodenvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Laserdiodenchip (2) auf der Strahlungsauskoppelfläche (27) und/oder der Rückseitenfläche (28) eine Metallisierung (6) aufweist.
Laserdiodenvorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Metallisierung (6) unmittelbar auf den Halbleiterschichten zwischen den Halbleiterschichten und einer optischen Schicht (7) auf der Strahlungsauskoppelfläche (27) und/oder der Rückseitenfläche (28) angeordnet ist.
Laserdiodenvorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, wobei die Metallisierung (6) Außenseiten des Laserdiodenchips (2) bildet und das Lot der Lotschicht (3) die Metallisierung (6) benetzt.
Laserdiodenvorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei die Metallisierung (6) zumindest eines oder mehrere der Metalle Au, Ti, Pt, Cr, Pd, Ni, Ag, W, Cu aufweist.
Laserdiodenvorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei der Laserdiodenchip (2) auf einer dem Montageteil (11) abgewandten Oberseite (30) zumindest eine sich von der Rückseitenfläche (28) zur Strahlungsauskoppelfläche (27) erstreckende Vertiefung (33) aufweist, die mit einer Passivierung (34) bedeckt ist.