DE102014106159A1

DE102014106159A1 - Optoelektronisches Halbleiterlaserbauteil

Info

Publication number: DE102014106159A1
Application number: DE102014106159.4A
Authority: DE
Inventors: Alfred Lell; Jens Müller; Christoph Eichler; Sven Gerhard; Clemens Vierheilig
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2014-05-02
Filing date: 2014-05-02
Publication date: 2015-11-05

Abstract

In mindestens einer Ausführungsform umfasst das Halbleiterlaserbauteil (1) eine Laserdiode (2) zur Erzeugung einer Laserstrahlung (L). Ferner weist das Halbleiterlaserbauteil (1) ein luftdichtes Gehäuse (3) auf, in dem die Laserdiode (2) zusammen mit einem Reinhaltechip (4) angebracht ist. Der Reinhaltechip (4) ist zur Erzeugung einer Reinhaltestrahlung (C) vorgesehen. Die eine Laserdiode (2) weist eine Strahlungsaustrittsfläche (22) auf, durch die hindurch die Laserstrahlung (L) die Laserdiode (2) verlässt. Eine Einfangfläche (44) wird zeitweise oder dauerhaft von der Reinhaltestrahlung (C) bestrahlt oder durchstrahlt. Durch diese Bestrahlung weist die Einfangfläche (44) für Wasser, Sauerstoff, Kohlenwasserstoffe und/oder Kohlenwasserstoffbruchstücke wenigstens zeitweise ein größeres Anhaftvermögen auf als die Strahlungsaustrittsfläche (22).

Description

Es wird ein optoelektronisches Halbleiterlaserbauteil angegeben.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, ein optoelektronisches Halbleiterlaserbauteil mit einer hohen Lebensdauer anzugeben.
Diese Aufgabe wird unter anderem durch ein optoelektronisches Halbleiterlaserbauteil mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das optoelektronische Halbleiterlaserbauteil eine oder mehrere Laserdioden. Die mindestens eine Laserdiode ist zur Erzeugung einer Laserstrahlung im Betrieb des Halbleiterlaserbauteils eingerichtet. Umfasst das Halbleiterlaserbauteil mehrere der Laserdioden, so können diese zur Erzeugung von Laserstrahlung unterschiedlicher Wellenlängen ausgestaltet sein. Alternativ können alle Laserdioden baugleich sein, im Rahmen der Herstellungstoleranzen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform befindet sich die mindestens eine Laserdiode in einem Gehäuse. Das Gehäuse ist bevorzugt luftdicht. Das heißt, im bestimmungsgemäßen Gebrauch des Halbleiterlaserbauteils können keine Gase von innerhalb des Gehäuses nach außerhalb dringen und umgekehrt. Luftdicht kann bedeuten, dass unter Normaldruck und Normaltemperatur eine Luftaustauschrate aus dem Gehäuse heraus sowie in das Gehäuse hinein höchstens 0,5 mm³/a oder höchstens 0,1 mm³/a oder höchstens 0,03 mm³/a beträgt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Halbleiterlaserbauteil einen oder mehrere Reinhaltechips. Der mindestens eine Reinhaltechip ist zur Erzeugung einer Reinhaltestrahlung eingerichtet. Eine Wellenlänge der Reinhaltestrahlung, insbesondere eine Wellenlänge maximaler Intensität, englisch auch als peak wavelength bezeichnet, liegt bevorzugt im nahen ultravioletten, im sichtbaren oder im nahen infraroten Spektralbereich. Beispielsweise weist die Reinhaltestrahlung eine Wellenlänge maximaler Intensität von mindestens 300 nm oder 340 nm auf und/oder von höchstens 560 nm oder 460 nm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform befindet sich der mindestens eine Reinhaltechip zusammen mit der mindestens einen Laserdiode in dem Gehäuse. Insbesondere befinden sich der Reinhaltechip und die Laserdiode im selben Volumen. Das heißt, zwischen dem Reinhaltechip und der Laserdiode befindet sich dann keine Gasbarriere. Ein Gasaustausch, beispielsweise durch Diffusion oder Konvektion, ist dann zwischen der Laserdiode und dem Reinhaltechip möglich.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Laserdiode oder weisen jeweils die Laserdioden zumindest eine Strahlungsaustrittsfläche auf. Die Strahlungsaustrittsfläche ist eine solche Fläche oder Facette, durch die hindurch die Laserstrahlung die Laserdiode verlässt. Beispielsweise ist die Strahlungsaustrittsfläche durch ein Halbleitermaterial der Laserdiode oder durch eine Passivierung dieses Halbleitermaterials gebildet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Halbleiterlaserbauteil mindestens eine Einfangfläche auf. Die Einfangfläche wird zeitweise oder dauerhaft von der Reinhaltestrahlung bestrahlt und/oder durchstrahlt. Insbesondere aufgrund der Bestrahlung oder Durchstrahlung mit der Reinhaltestrahlung weist die Einfangfläche für Wasser oder Wasserdampf, Sauerstoff, Kohlenwasserstoffe und/oder Kohlenwasserstoffbruchstücke dauerhaft oder zeitweise ein größeres Anhaftvermögen auf als die Strahlungsaustrittsfläche der zumindest einen Laserdiode. Mit anderen Worten stellt die Einfangfläche dann eine Senke für Wasser, Sauerstoff und/oder Kohlenwasserstoffe dar, insbesondere relativ zur Strahlungsaustrittsfläche. Hierdurch sind die genannten Stoffe von der Strahlungsaustrittsfläche fernhaltbar oder hinsichtlich ihrer Konzentration an der Strahlungsaustrittsfläche reduzierbar, im Vergleich zu einer Anordnung ohne den Reinhaltechip.
Die Einfangfläche kann dabei während des Betriebs der Laserdiode zur Erzeugung der Laserstrahlung von der Reinhaltestrahlung oder auch vor und/oder nach dem Betrieb der Laserdiode von der Reinhaltestrahlung bestrahlt oder durchstrahlt werden. Es ist beispielsweise möglich, dass nur vor einer erstmaligen Inbetriebnahme der Laserdiode oder vor jeder Inbetriebnahme der Laserdiode der Reinhaltechip zur Erzeugung der Reinhaltestrahlung eingeschaltet wird. Es kann also sein, dass die Reinhaltestrahlung nur ein einziges Mal zu Beginn des Betriebs des Halbleiterlaserbauteils erzeugt wird.
In mindestens einer Ausführungsform umfasst das Halbleiterlaserbauteil mindestens eine Laserdiode zur Erzeugung einer Laserstrahlung. Ferner weist das Halbleiterlaserbauteil ein luftdichtes Gehäuse auf, in dem die Laserdiode zusammen mit mindestens einem Reinhaltechip angebracht ist. Der Reinhaltechip ist dabei zur Erzeugung einer Reinhaltestrahlung vorgesehen. Die mindestens eine Laserdiode weist zumindest eine Strahlungsaustrittsfläche auf, durch die hindurch die Laserstrahlung die Laserdiode verlässt. Es wird zumindest eine Einfangfläche zeitweise oder dauerhaft von der Reinhaltestrahlung bestrahlt oder durchstrahlt. Insbesondere durch diese Bestrahlung weist die Einfangfläche für Wasser, Sauerstoff, Kohlenwasserstoffe und/oder Kohlenwasserstoffbruchstücke wenigstens zeitweise ein größeres Anhaftvermögen auf als die Strahlungsaustrittsfläche.
Bei Licht emittierenden Halbleiterbauelementen, die ungeschützt unter Atmosphärenbedingungen betrieben werden, ist in der Regel eine erhöhte Ausfallrate zu beobachten, insbesondere bei erhöhten Leistungsdichten einer Strahlung. Dies gilt speziell für Wellenlängen im sichtbaren und im nahen ultravioletten Spektralbereich. Diese erhöhten Ausfallraten oder eine Degradation sind beispielsweise darauf zurückzuführen, dass Sauerstoff und/oder Feuchte auf einer Halbleiteroberfläche abgelagert werden. Auch eine Ablagerung von Kohlenwasserstoffen oder von Kohlenwasserstoffbruchstücken kann eine Reduzierung einer Strahlungsleistung hervorrufen.
Die Degradation von Licht emittierenden Halbleiterbauteilen ist beispielsweise in den folgenden Druckschriften beschrieben, deren Offenbarungsgehalt insbesondere hinsichtlich der Degradation mit aufgenommen wird: Okayasu et al., „Facet oxidation of InGaAs/GaAs strained quantum-well lasers" in Journal of Applied Physics, Vol. 69, S. 8346 aus dem Jahr 1991; Kümmler et al. in „Gradual facet degradation of (Al,In)GaN quantum-well lasers" in Applied Physics Letters, Vol. 84, No. 16, S. 2989 aus dem Jahr 2004; Schoedl et al. in „Facet degradation of (Al,In)GaN laser diodes" in Phys. Stat. Sol. (a), Vol. 201, No. 12, S. 2635 aus dem Jahr 2004; Smeeton et al. in „Atomic force microscopy analysis of cleaved facets in III-nitride laser diodes grown on free-standing GaN substrates" in Applied Physics Letters, Vol. 88, S. 041910 aus dem Jahr 2006.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform basiert die mindestens eine Laserdiode auf AlGaAs, InGaAlP oder AlInGaN. Es können mehrere verschiedene Laserdioden vorhanden sein, die auf unterschiedlichen Halbleitermaterialien basieren.
Insbesondere umfasst die mindestens eine Laserdiode eine Halbleiterschichtenfolge. Die Halbleiterschichtenfolge basiert bevorzugt auf einem III-V-Verbindungshalbleitermaterial. Bei dem Halbleitermaterial handelt es sich zum Beispiel um ein Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial wie Al_nIn_1-n-mGa_mN oder um ein Phosphid-Verbindungshalbleitermaterial wie Al_nIn_1-n-mGa_mP oder auch um ein Arsenid-Verbindungshalbleitermaterial wie Al_nIn_1-n-mGa_mAs, wobei jeweils 0 ≤ n ≤ 1, 0 ≤ m ≤ 1 und n + m ≤ 1 ist. Dabei kann die Halbleiterschichtenfolge Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen. Der Einfachheit halber sind jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters der Halbleiterschichtenfolge, also Al, As, Ga, In, N oder P, angegeben, auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt und/oder ergänzt sein können. Entsprechendes kann für den Reinhaltechip gelten.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Laserdiode oder zumindest eine der Laserdioden an der Lichtaustrittsfläche eine Beschichtung wie eine Entspiegelungsschicht, eine Passivierungsschicht und/oder eine dielektrische, hoch reflektierende Schicht auf. Beispielsweise basiert diese Beschichtung auf einem oder mehreren der folgenden Materialien oder besteht aus einem oder mehreren dieser Materialien: Al₂O₃, SiO₂, Si₃N₄, TiO₂, ZrO₂, Ta₂O₅, HfO₂, Si. Die zumindest eine Beschichtung ist beispielsweise durch Bedampfung, Sputtern oder CVD aufgebracht.
Solche Beschichtungen sind beispielsweise in der Druckschrift Mukai et al. in „Current status and future prospects of GaN-based LEDs and LDs" in Phys. Stat. Sol. (a), Vol. 201, No. 12, S. 2712 aus dem Jahr 2004 oder in der Druckschrift Ito et al. in „AlGaInN violet laser diodes grown on GaN substrates with low aspect ratio" in Phys. Stat. Sol. (a), Vol. 200, No. 1, S. 131 aus dem Jahr 2003 angegeben. Der Offenbarungsgehalt dieser Druckschriften hinsichtlich der zumindest einen Beschichtung wird durch Rückbezug mit aufgenommen.
Insbesondere bei hohen Laserdichten der Laserstrahlung an der Strahlungsaustrittsfläche ist jedoch nicht nur die Halbleiterschichtenfolge, sondern sind auch die genannten Materialien für die Beschichtung anfällig für eine Degradation, etwa aufgrund von Feuchte, Sauerstoff oder Kohlenwasserstoffablagerung.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Gehäuse ein so genanntes TO-basiertes Gehäuse. TO steht hierbei für Transistor Outline. Beispielsweise handelt es sich um ein Gehäuse der Bauart TO-38, TO-56 oder TO-90. Beispielsweise erfolgt eine Montage der Laserdiode und/oder des Reinhaltechips unter Schutzgasatmosphäre.
Aufgrund der Anfälligkeit einer Laserfacette der Laserdiode ist eine große Aufmerksamkeit auf die Dichtigkeit des Gehäuses zu legen sowie dass während der Montage insbesondere der Laserdiode keine Feuchtigkeit in das Gehäuse gelangt. Hierdurch ist ein hoher Montageaufwand erforderlich, der mit relativ hohen Kosten verbunden ist. Wegen der Verwendung des Reinhaltechips sind allerdings größere Mengen an Feuchte, Sauerstoff und/oder Kohlenwasserstoffen in dem Gehäuse tolerierbar, da durch den Reinhaltechip diese Stoffe von der Strahlungsaustrittsfläche im Betrieb der Laserdiode ferngehalten werden können. Damit ist durch den Reinhaltechip eine Kostenersparnis und/oder eine erhöhte Lebensdauer des Halbleiterlaserbauteils erzielbar.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Reinhaltestrahlung eine kleinere Wellenlänge maximaler Intensität auf als die Laserstrahlung. Beispielsweise liegt ein Unterschied zwischen den Wellenlängen maximaler Intensität bei mindestens 20 nm oder 40 nm oder 60 nm. Insbesondere liegt die Wellenlänge maximaler Intensität der Reinhaltestrahlung im nahen ultravioletten Spektralbereich und die Wellenlänge maximaler Intensität der Laserstrahlung im blauen oder im grünen Spektralbereich.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist eine Energiedichte der Reinhaltestrahlung an der Einfangfläche mindestens so groß oder größer als eine Energiedichte der Laserstrahlung an der Strahlungsaustrittsfläche. Die Energiedichte ist hierbei in Watt pro Quadratmillimeter zu bestimmen. Beispielsweise ist die Energiedichte der Reinhaltestrahlung an der Einfangfläche mindestens doppelt so groß wie die Energiedichte der Laserstrahlung an der Strahlungsaustrittsfläche.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform gelangt die Reinhaltestrahlung im bestimmungsgemäßen Gebrauch nicht oder nur teilweise aus dem Gehäuse heraus. Mit anderen Worten wird die Reinhaltestrahlung in dem Gehäuse vollständig oder teilweise zurückgehalten. Hierzu weist das Gehäuse beispielsweise dichroitisch reflektierende und transmittierende Schichten an einem Fenster des Gehäuses auf und/oder die Reinhaltestrahlung wird entlang einer anderen Richtung geführt als die aus dem Gehäuse auszukoppelnde Laserstrahlung. Zum Beispiel verlässt nur ein Anteil von höchstens 50 % oder 20 % oder 10 % oder 5 % oder 2 % oder 0,5 % oder 0,1 % der Reinhaltestrahlung das Gehäuse. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass ein Anteil der Reinhaltestrahlung an der gesamten, im Betrieb von dem Halbleiterlaserbauteil emittierten Strahlung höchstens 50 % oder 20 % oder 10 % oder 5 % oder 2 % oder 0,5 % oder 0,1 % beträgt, zeitlich gemittelt und/oder zu jedem Betriebszeitpunkt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Einfangfläche eine Lichtaustrittsfläche der Reinhaltestrahlung aus dem Reinhaltechip. Mit anderen Worten entspricht die Lichtaustrittsfläche an dem Reinhaltechip dann der Strahlungsaustrittsfläche an der Laserdiode. Aufgrund der größeren Energiedichte und/oder aufgrund der kleineren Wellenlänge der Reinhaltestrahlung an der Lichtaustrittsfläche ist eine Senke für Feuchte, Sauerstoff und/oder Kohlenwasserstoffen an dem Reinhaltechip gebildet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform handelt es sich bei dem Reinhaltechip um eine Leuchtdiode oder um eine Laserdiode. Sind mehrere der Reinhaltechips vorhanden, so können diese allesamt baugleich sein. Alternativ können Reinhaltechips zur Emission von Strahlung unterschiedlicher Wellenlängen und/oder unterschiedlicher Energiedichten vorhanden sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Reinhaltechip einen oder mehrere pn-Übergänge auf. Bevorzugt ist der mindestens eine pn-Übergang des Reinhaltechips vollständig oder stellenweise oder weitestgehend, also beispielsweise zu mindestens 50 %, frei von einer Passivierungsschicht. Mit anderen Worten liegt dann der pn-Übergang wenigstens stellenweise frei, sodass ein Halbleitermaterial des Reinhaltechips im Bereich des pn-Übergangs einer Atmosphäre in dem Gehäuse ausgesetzt ist. Mit anderen Worten stellt der pn-Übergang dann wenigstens einen Teil der Einfangfläche dar.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Reinhaltechip eine Aufrauung und/oder eine Kammstruktur auf. Die Aufrauung erstreckt sich über den pn-Übergang hinweg und/oder die Kammstruktur durchdringt den pn-Übergang. Aufgrund dieser Aufrauung und/oder dieser Kammstruktur ist eine freiliegende Fläche des pn-Übergangs vergrößert, im Vergleich zu einem Reinhaltechip ohne eine solche Aufrauung oder Kammstruktur. Hierdurch ist die Einfangfläche vergrößerbar.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist in dem Gehäuse mindestens ein Einfangmaterial, englisch getter, angebracht. Das Einfangmaterial dient bevorzugt zum Einfangen von Feuchtigkeit, Sauerstoff, Kohlenwasserstoffen und/oder Kohlenwasserstoffbruchstücken. Das Einfangen kann ein permanentes oder ein temporäres Einfangen sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist wenigstens ein Teil der Einfangfläche eine Begrenzungsfläche des Einfangmaterials, die im Betrieb von der Reinhaltestrahlung bestrahlt ist. Zum Einfangen von Feuchte, Sauerstoff und/oder Kohlenwasserstoffen dient dann eine Kombination aus dem Einfangmaterial und einer Bestrahlung des Einfangmaterials. Zum Beispiel ist es möglich, dass die Reinhaltestrahlung das Einfangmaterial fotochemisch aktiviert.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird das Einfangmaterial nicht von der Laserstrahlung bestrahlt. Mit anderen Worten befindet sich das Einfangmaterial dann außerhalb des Strahlengangs der Laserstrahlung.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Einfangmaterial unmittelbar an dem Gehäuse, beispielsweise an einer Gehäuseinnenwand, und/oder an dem Reinhaltechip angebracht. Somit kann das Einfangmaterial in direktem Kontakt zu dem pn-Übergang des Reinhaltechips stehen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Halbleiterlaserbauteil eine oder mehrere Regenerationslichtquellen auf. Bei der mindestens einen Regenerationslichtquelle handelt es sich bevorzugt um eine Laserdiode oder um eine Leuchtdiode. Die Regenerationslichtquelle ist ferner bevorzugt in dem Gehäuse angebracht und kann sich in demselben Volumen befinden wie die Laserdiode zur Erzeugung der Laserstrahlung und wie der Reinhaltechip.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Regenerationslichtquelle zur Erzeugung einer Regenerationsstrahlung vorgesehen. Die Regenerationsstrahlung ist dazu eingerichtet, eine Ablagerung von Feuchtigkeit, Sauerstoff, Kohlenwasserstoffen und/oder Kohlenwasserstoffbruchstücken an der Einfangfläche und/oder an der Strahlungsaustrittsfläche zu verringern oder zu beseitigen. Durch das Belichten mit der Regenerationsstrahlung kann die Einfangfläche somit vollständig oder teilweise von Wasser, Sauerstoff und/oder Kohlenwasserstoffen befreit oder freigelegt werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform verlässt die Regenerationsstrahlung im bestimmungsgemäßen Gebrauch das Halbleiterlaserbauteil nicht. Die Regenerationsstrahlung verbleibt also in dem Gehäuse und tritt nicht aus dem Halbleiterlaserbauteil heraus.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Regenerationsstrahlung eine größere Wellenlänge maximaler Intensität auf als die Laserstrahlung und/oder als die Reinhaltestrahlung. Bevorzugt liegt die Wellenlänge maximaler Intensität der Regenerationsstrahlung im nahinfraroten Spektralbereich, beispielsweise bei mindestens 800 nm oder 850 nm und/oder bei höchstens 1500 nm oder 980 nm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird das Einfangmaterial und/oder der Reinhaltechip zeitweise oder dauerhaft von der Regenerationslichtquelle bestrahlt. Hierdurch ist es möglich, beispielsweise den Reinhaltechip mittels der Regenerationslichtquelle zu säubern, insbesondere an der Einfangfläche und/oder an der Lichtaustrittsfläche.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Halbleiterlaserbauteil eine oder mehrere Optiken. Die mindestens eine Optik ist beispielsweise durch einen Spiegel, durch ein Prisma oder durch eine Linse gebildet. Die zumindest eine Optik ist zu einem Umlenken und/oder zu einem Fokussieren der Reinhaltestrahlung eingerichtet. Beispielsweise wird mittels der Optik die Reinhaltestrahlung auf die Einfangfläche fokussiert oder gebündelt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Einfangfläche vollständig oder teilweise durch die Optik oder durch eine der Optiken oder durch mehrere der Optiken gebildet. Beispielsweise stellt die Einfangfläche einen Teil eines Spiegels dar, auf den die Reinhaltestrahlung trifft und von dem die Reinhaltestrahlung umgelenkt und in ihrer Richtung geändert wird.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Halbleiterlaserbauteil mindestens eine erste und mindestens eine zweite Optik. Die eine oder die mehreren ersten Optiken wirken dabei strahlumlenkend und die eine oder die mehreren zweiten Optiken wirken fokussierend auf die Reinhaltestrahlung. Die Reinhaltestrahlung wird dabei bevorzugt auf mehrere Stellen der ersten Optiken oder der ersten Optik fokussiert. Beispielsweise bilden diese Stellen, auf die fokussiert wird, vollständig oder teilweise die Einfangfläche.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Laserdiode zur Erzeugung der Laserstrahlung und der Reinhaltechip elektrisch unabhängig voneinander ansteuerbar. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass die Laserdiode und der Reinhaltechip elektrisch in Serie oder elektrisch parallel geschaltet sind. Weiterhin ist es möglich, dass der Reinhaltechip antiparallel zu der Laserdiode verschaltet ist, sodass der Reinhaltechip nur dann in Betrieb ist, wenn die Laserdiode ausgeschaltet ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Reinhaltestrahlung innerhalb des Gehäuses teilweise oder vollständig schräg und/oder antiparallel zu der Laserstrahlung geführt. Hierdurch ist verhinderbar, dass die Reinhaltestrahlung aus dem Gehäuse heraustritt. Insbesondere ist es möglich, dass die Reinhaltestrahlung ohne Zuhilfenahme von Optiken den Reinhaltechip beispielsweise antiparallel zur Laserstrahlung verlässt und auf das Gehäuse trifft.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Halbleiterlaserbauteil eine oder mehrere Schutzdioden zum Schutz gegen Schäden vor elektrostatischen Entladungen, kurz ESD-Schutzdioden. Hierdurch ist die Laserdiode zur Erzeugung der Laserstrahlung schützbar. Es ist möglich, dass der Reinhaltechip und/oder die Regenerationslichtquelle als ESD-Schutzdiode für die mindestens eine Laserdiode gestaltet sind. Sind mehrere der Laserdioden zur Erzeugung der Laserstrahlung vorhanden, so kann jeder der Laserdioden eine eigene ESD-Schutzdiode, beispielsweise ein eigener Reinhaltechip, zugeordnet sein.
Darüber hinaus wird ein Verfahren zum Betreiben eines optoelektronischen Halbleiterlaserbauteils, wie in einer oder mehreren der oben genannten Ausführungsformen angegeben, beschrieben. Merkmale des Verfahrens sind daher auch für das Halbleiterlaserbauteil offenbart und umgekehrt.
Gemäß dem Verfahren wird der Reinhaltechip dauerhaft oder zeitweise derart betrieben, dass die Einfangfläche von der Reinhaltestrahlung bestrahlt wird. Hierdurch wird ein Einfangvermögen für Wasser, Sauerstoff, Kohlenwasserstoff oder Kohlenwasserstoffbruchstücke an der Einfangfläche zeitweise oder dauerhaft erhöht, relativ zu der mindestens einen Strahlungsaustrittsfläche der Laserdiode zur Erzeugung der Laserstrahlung.
Bei dem hier beschriebenen Halbleiterlaserbauteil kann eine Konzentration von Kohlenwasserstoffen und/oder von Kohlenwasserstoffbruchstücken innerhalb des Gehäuses auch nach dem Verkappen und Verschließen des Gehäuses nachträglich und während des Betriebs verringert werden. Ebenso kann bei nicht hermetisch dichten Gehäusen insbesondere eine Kohlenwasserstoffkonzentration während des Betriebs konstant gehalten oder reduziert werden oder es ist möglich, einen Anstieg der Konzentration von Kohlenwasserstoffen zu verlangsamen.
Außerdem können durch die Reinhaltestrahlung Kohlenwasserstoffe zerstört und gecrackt werden, ohne dass dabei das Gehäuse und damit die Laserdiode zur Erzeugung der Laserstrahlung hohen Temperaturen ausgesetzt wird. Somit lässt sich eine thermische Belastung des Halbleiterlaserbauteils verringern. Auch durch die reduzierte Konzentration von Kohlenwasserstoffen, Feuchte und/oder Sauerstoff in dem Gehäuse, insbesondere an der Strahlungsaustrittsfläche der Laserdiode, ist eine erhöhte Lebensdauer des Halbleiterlaserbauteils und eine reduzierte Anfälligkeit gegen so genannte CODs, englisch: Catastrophic Optical Damage, erzielbar.
Weiterhin resultieren aus den reduzierten Anforderungen an die Hermetizität des Gehäuses neue Designfreiheiten für das Gehäuse, beispielsweise hinsichtlich einer Höhe des Gehäuses.
Weiterhin können vereinfachte Montageprozesse wie etwa die Verwendung von Klebern in dem Gehäuse ermöglicht werden und/oder es ist ein verringertes Aufheizen des Gehäuses erzielbar. Die Verkappung oder Verschließung des Gehäuses kann auch unter einer weniger sauberen Atmosphäre durchgeführt werden, was zu einer Kostenreduktion führen kann. Weiterhin ist durch die Verwendung des Reinhaltechips als ESD-Schutzdiode eine ESD-Stabilität des Halbleiterlaserbauteils erhöhbar.
Nachfolgend wird ein hier beschriebenes optoelektronisches Halbleiterlaserbauteil unter Bezugnahme auf die Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen geben dabei gleiche Elemente in den einzelnen Figuren an. Es sind dabei jedoch keine maßstäblichen Bezüge dargestellt, vielmehr können einzelne Elemente zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
Es zeigen:
1 bis 19, 23 bis 30, 32 und 33 schematische Darstellungen von Ausführungsbeispielen von hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterlaserbauteilen, und
20 bis 22 und 31 schematische Darstellungen von Reinhaltechips für Ausführungsbeispiele von hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterlaserbauteilen.
In 1 ist in einer schematischen Draufsicht ein Ausführungsbeispiel eines Halbleiterlaserbauteils 1 dargestellt. Das Halbleiterlaserbauteil 1 weist mehrere Laserdioden 2 zur Erzeugung einer Laserstrahlung L auf. Ferner umfasst das Halbleiterlaserbauteil 1 einen Reinhaltechip 4. Bei dem Reinhaltechip 4 handelt es sich um eine Laserdiode, mit der im Betrieb die Reinhaltestrahlung C erzeugt wird. Der Reinhaltechip 4 sowie die Laserdioden 2 zur Erzeugung der Laserstrahlung L sind auf einer Leiterplatte 8 in einem hermetisch dichten Gehäuse 3 angebracht.
An dem Gehäuse 3 ist optional ein Einfangmaterial 5 angebracht. Das Einfangmaterial 5 wird zumindest zeitweise von der Reinhaltestrahlung C bestrahlt und ist zum temporären oder dauerhaften Einfangen von Feuchtigkeit, Sauerstoff, Kohlenwasserstoffen und/oder Kohlenwasserstoffbruchstücken eingerichtet.
In dem Gehäuse 3 ist ferner ein Fenster 30 angebracht. Die Laserstrahlung L kann durch das Fenster 30 hindurch das Halbleiterlaserbauteil 1 verlassen. Für die Reinhaltestrahlung C ist das Fenster 30 bevorzugt undurchlässig. Beispielsweise weist das Fenster 30 eine dielektrische Schichtenfolge oder einen Bragg-Spiegel auf, der durchlässig für die Laserstrahlung L und undurchlässig für die Reinhaltestrahlung C ist.
Der Reinhaltechip 4 kann also eine Art Opferchip darstellen, um eine Kontamination von Strahlungsaustrittsflächen 22 für die Laserstrahlung L aus den Laserdioden 2 heraus mit Feuchte, Sauerstoff und/oder Kohlenwasserstoffen zu verhindern oder zu reduzieren. Durch den Reinhaltechip 4 ist damit eine Alterung der Strahlungsaustrittsflächen 22 reduzierbar, einhergehend mit einer erhöhten Lebensdauer des Halbleiterlaserbauteils 1.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel des Halbleiterlaserbauteils 1 ist in einer schematischen Schnittdarstellung in 2 gezeigt. Das Gehäuse 3 ist dabei als so genanntes TO-Gehäuse gestaltet. Das Gehäuse 3 umfasst eine Gehäusegrundplatte 32, durch die hindurch zwei elektrische Kontaktstifte 34 zu einem externen elektrischen Anschließen des Halbleiterlaserbauteils 1 geführt sind. Auf der Gehäusegrundplatte 32 ist eine Montageplatte 37 mit einer Montagefläche 38 angebracht. Bei der Montageplatte 37 handelt es sich bevorzugt um eine Wärmesenke für die zum Beispiel genau eine Laserdiode 2.
Die Laserdiode 2 sowie der Reinhaltechip 4 sind über Bonddrähte 35 mit den Kontaktstiften 34 elektrisch verbunden. Der Reinhaltechip 4 ist beispielsweise entgegen der Laserdiode 2 gepolt und erzeugt somit während des Betriebs der Laserdiode 2 kein Licht. Statt dessen kann der Reinhaltechip 4 durch eine gezielte Umpolung betrieben werden, um an der Einfangfläche 44, die eine Lichtaustrittsfläche des Reinhaltechips 4 ist, beispielsweise Kohlenwasserstoffe oder Kohlenwasserstoffreste, Feuchtigkeit und/oder Sauerstoff aufzusammeln. Dies kann vor einer erstmaligen Inbetriebnahme der Laserdiode 2 und/oder des Halbleiterlaserbauteils 1 geschehen, um nach der Verkapselung das Volumen innerhalb des Gehäuses 3 einmalig zu reinigen, oder vor jeder Inbetriebnahme der Laserdiode 2 und/oder des Halbleiterlaserbauteils 1. Ebenso ist es möglich, den Reinhaltechip 4 gezielt nach einem Ausschalten der Laserdiode 2 oder in definierten Zeitabständen zu betreiben.
Hermetisch und luftdicht abgeschlossen wird das Gehäuse 3 durch einen Gehäusedeckel 31, der auf die Gehäusegrundplatte 32 angebracht wird, beispielsweise durch Verpressen oder Löten oder Kleben. Das Fenster 30 befindet sich entlang einer Hauptabstrahlrichtung der Laserstrahlung L, in Draufsicht auf die Gehäusegrundplatte 32 gesehen, über der Laserdiode 2.
Abweichend vom Ausführungsbeispiel gemäß 2 ist beim Ausführungsbeispiel gemäß 3 der Reinhaltechip 4 parallel zu der Laserdiode 2 gepolt und emittiert somit während des Betriebs der Laserdiode 2. Damit sich Fremdstoffe oder Verunreinigungen an dem Reinhaltechip 4 und nicht an der Laserdiode 2 ablagern, emittiert der Reinhaltechip 4 bevorzugt kurzwelliger als die Laserdiode 2 und/oder weist eine höhere optische Leistungsdichte an der Lichtaustrittsfläche auf als die Laserdiode 2. Es ist möglich, dass ein Teil der von dem Reinhaltechip 4 erzeugten Strahlung das Halbleiterlaserbauteil im Betrieb verlässt.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel, wie in 4 gezeigt, ist in dem Gehäuse 3 zusätzlich ein Widerstand 33 angebracht. Über den Widerstand 33 ist ein Stromfluss zwischen der Laserdiode 2 und dem Reinhaltechip 4 regulierbar. Der Widerstand 33 kann fest eingestellt oder variierbar sein.
Je nach Anwendungsgebiet ist es auch möglich, anstelle oder zusätzlich zu dem Widerstand 33 andere elektrische Bauelemente wie Transistoren, Kondensatoren und/oder Spulen zu einer Regelung des Stromflusses durch die Laserdiode 2 und/oder durch den Reinhaltechip 4 in oder an dem Gehäuse 3 anzubringen. Beispielsweise ist eine Regelung der Laserdiode 2 und/oder des Reinhaltechips 4 hinsichtlich eines gepulsten oder eines Dauerstrich-Betriebs möglich.
Gemäß 5 befindet sich das Fenster 30 lediglich im Bereich der Laserdiode 2, sodass keine oder nur vernachlässigbar wenig Strahlung C des Reinhaltechips 4 das Gehäuse 3 im Betrieb verlassen kann.
Beim Ausführungsbeispiel gemäß 6 erstreckt sich das Fenster 30, wie auch in den 1 bis 4, vollständig über die Laserdiode 2 sowie über den Reinhaltechip 4 hinweg. Das Fenster 30 wirkt bevorzugt reflektierend oder absorbierend oder streuend für die von dem Reinhaltechip 4 erzeugte Strahlung C und ist bevorzugt durchlässig für die Laserstrahlung L der Laserdiode 2. Das Fenster 30 ist dann also dichroitisch gestaltet.
Auch beim Ausführungsbeispiel gemäß 7 erstreckt sich das Fenster 30 vollständig über die Laserdiode 2 sowie über den Reinhaltechip 4. In dem Bereich des Fensters 30, in dem die von dem Reinhaltechip 4 emittierte Strahlung C auf das Fenster 30 auftreffen würde, ist jedoch eine Abdeckung 55 angebracht. Die Abdeckung 55 ist undurchlässig für die von dem Reinhaltechip 4 erzeugte Strahlung C.
Optional ist es möglich, dass die Abdeckung 55 mit dem Einfangmaterial 5 ausgebildet ist. Es kann die Abdeckung 55 also einen Teil der Einfangfläche 44 oder auch die vollständige Einfangfläche 44 bilden. Alternativ oder zusätzlich stellt die Lichtaustrittsfläche des Reinhaltechips 4 einen Teil oder die gesamte Einfangfläche 44 dar.
Entsprechende Abdeckungen 55 oder dichroitische Fenster 30 können auch in allen anderen Ausführungsbeispielen vorhanden sein.
Gemäß 8 sind die Laserdiode 2 und der Reinhaltechip 4 nicht lateral nebeneinander angeordnet, sondern in Richtung senkrecht zu der Montagefläche 38 und somit in Richtung senkrecht zur Zeichenebene der 8 gestapelt angeordnet. Die Laserdiode 2 und der Reinhaltechip 4 können dabei elektrisch in Serie oder parallel geschaltet sein.
Gemäß 9 ist der Reinhaltechip 4 nicht durch eine Laserdiode, wie in den 1 bis 8, sondern durch einen Leuchtdiodenchip gebildet. Die den Reinhaltechip 4 bildende Leuchtdiode emittiert dabei bevorzugt kurzwelliger als die Laserdiode 2. Hinsichtlich der elektrischen Verschaltung und der Gestaltung etwa des Fensters 30 können die Ausgestaltungen aus den Ausführungsbeispielen mit einer Laserdiode als Reinhaltechip 4 analog herangezogen werden.
Das Halbleiterlaserbauteil 1, wie in 10 dargestellt, weist mehrere Laserdioden 2 auf, die zur Erzeugung der Laserstrahlung L eingerichtet sind. Der Reinhaltechip 4, beispielsweise eine andere Art von Laserdiode, ist auf derselben Leiterplatte 8 wie die Laserdioden 2 angebracht. Der Reinhaltechip 4 ist dabei antiparallel zu den Laserdioden 2 gepolt und emittiert somit während des Betriebs der Laserdioden 2 kein Licht. Leiterbahnen oder eine Verdrahtung der Laserdioden 2 sowie des Reinhaltechips 4 sind zur Vereinfachung der Darstellung nicht gezeichnet.
Gemäß 11 erstreckt sich das Fenster 30 nicht über den Reinhaltechip 4 hinweg. Somit wird durch das Gehäuse 3 die Reinhaltestrahlung C an einem Austreten aus dem Gehäuse 3 gehindert.
Wie auch in allen anderen Ausführungsbeispielen ist es möglich, dass der Reinhaltechip 4 beidseitig, insbesondere parallel und antiparallel zu der Laserstrahlung L, die Reinhaltestrahlung C emittiert.
Beim Ausführungsbeispiel, wie in der schematischen Draufsicht in 12 gezeigt, ist der Reinhaltechip 4 durch eine Leuchtdiode gebildet. Beispielsweise ist der Reinhaltechip 4 derart gestaltet, sodass der Reinhaltechip 4 eine Schutzdiode gegen Schäden vor elektrostatischen Entladungen für die Laserdioden 2 bildet.
In 13 ist beispielhaft gezeigt, dass die Laserstrahlung L senkrecht zur Zeichenebene und die Reinhaltestrahlung C in der Zeichenebene der 13 verläuft. Die Laserstrahlung L und die Reinhaltestrahlung C sind damit also senkrecht zueinander orientiert. Dies ist insbesondere der Fall, falls der Reinhaltechip 4 als Leuchtdiodenchip gestaltet ist.
Beim Ausführungsbeispiel gemäß 14 sind der Reinhaltechip 4 und die Laserdioden 2 auf unterschiedlichen Leiterplatten 8 in dem Gehäuse 3 angebracht. Bei den drei Laserdioden 2 handelt es sich beispielsweise um eine grün, um eine rot und um eine blau emittierende Laserdiode. Das Halbleiterlaserbauteil 1 ist dann beispielsweise ein RGB-Bauteil. Über drei Umlenkoptiken 9 wird die von den Laserdioden 2 emittierte Strahlung zu einem einzigen Strahl L zusammengeführt und aus dem Gehäuse 3 ausgekoppelt.
Gemäß 15 ist die Umlenkoptik 9 durch ein Prisma gebildet. Wie auch in allen anderen Ausführungsbeispielen ist es möglich, dass mehrere der Reinhaltechips 4 in dem Gehäuse 3 untergebracht sind. Beispielsweise befindet sich in je einer Ecke des Gehäuses 3 einer der Reinhaltechips 4, etwa in Draufsicht auf die Leiterplatte 8 gesehen.
Beim Ausführungsbeispiel gemäß 16 sind vier der Reinhaltechips 4 vorhanden. Die Reinhaltechips 4, zum Beispiel Laserdioden, strahlen in unterschiedliche Richtungen die Reinhaltestrahlung C ab. Hierdurch ist es möglich, dass Innenseiten des Gehäuses 3 vergleichsweise großflächig ausgeleuchtet werden. Hierdurch ist eine besonders große Einfangfläche 44, insbesondere an den Innenseiten des Gehäuses 3, erzielbar.
Im Ausführungsbeispiel, wie in 17 dargestellt, sind mehrere Optiken 7 zu einem Umlenken der Reinhaltestrahlung C vorhanden. Anstelle von separaten Spiegeln kann die Optik 7 teilweise oder vollständig durch speziell beschichtete oder geformte Bereiche der Innenseiten des Gehäuses 3 gebildet sein. Durch solche Mehrfachreflexionen ist es ebenso möglich, einen großen Bereich der Innenseiten des Gehäuses zu beleuchten und somit eine große Einfangfläche 44 zu erzielen.
Es ist auch möglich, dass die Einfangfläche 44 direkt durch die Optiken 7 teilweise oder vollständig gebildet ist. Auch können die Optiken 7 teildurchlässige Spiegel sein, sodass ein Teil der Reinhaltestrahlung C jeweils durch die Optiken 7 hindurch läuft und auf das Gehäuse 3 trifft und dort die Einfangfläche 44 bildet. Optional kann dann die Reinhaltestrahlung C auf die Innenseiten des Gehäuses 3 fokussiert werden.
Anstelle von planaren Spiegeln können als Optiken 7 auch Prismen, gekrümmte Spiegel oder Linsen zu einer Strahlumlenkung eingesetzt werden.
Gemäß 18 ist die Reinhaltestrahlung C durch die Linse 7b zu einem parallelen Strahlbündel geformt, das ringförmig in dem Gehäuse 3 umherläuft. Hiermit sind vergleichsweise große Einfangflächen 44 an den reflektierenden Optiken 7a erzielbar. Dabei ist auch ein Volumen in dem Gehäuse 3, das der Reinhaltestrahlung C ausgesetzt ist, vergrößerbar. Insbesondere falls die Reinhaltestrahlung C ultraviolette Strahlung zum Brechen und Zerstören von Kohlenwasserstoffen ist, ist diese Anordnung mit einem großen, von der Reinhaltestrahlung C durchstrahlten Volumen nutzbringend.
Beim Ausführungsbeispiel, wie in 19 illustriert, ist die Reinhaltestrahlung durch die Linsen 7b auf mehrere Stellen der planaren Spiegel 7a fokussiert. Die Bereiche, in denen die Reinhaltestrahlung C fokussiert ist, stellen die Einfangflächen 44 dar. Eine weitere Einfangfläche 44 befindet sich optional an den Innenseiten des Gehäuses 3.
In 20 ist schematisch eine Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels des Reinhaltechips 4 gezeigt. Der Reinhaltechip 4 ist dabei als Leuchtdiode gestaltet. Der Reinhaltechip 4 umfasst ein Substrat 43 sowie eine n-leitende Schicht n und eine p-leitende Schicht p. Zwischen den Schichten n, p befindet sich ein pn-Übergang 41. Zu einer elektrischen Kontaktierung ist ferner eine Metallisierungsschicht 42 an der p-leitenden Schicht p angebracht. Der pn-Übergang 41 liegt frei.
Dabei ist der pn-Übergang 41 bevorzugt nicht passiviert, sodass sich in diesem Bereich ein hohes elektrisches Feld E ergibt, welches eine Ablagerung etwa von Kohlenwasserstoffen oder Feuchtigkeit an dem Reinhaltechip 4 verstärkt. Die Einfangfläche 44 ist damit insbesondere durch einen Bereich um den pn-Übergang 41 herum gebildet.
Wie in 21 dargestellt, kann eine Halbleiterschichtenfolge n, 41, p des als Leuchtdiodenchip gebildeten Reinhaltechips 4 mit einer Aufrauung 45 versehen sein. Bevorzugt erstreckt sich die Aufrauung 45 über den pn-Übergang 41 hinweg. Anders als in 21 dargestellt ist es auch möglich, dass die Aufrauung 45 auf den pn-Übergang 41 beschränkt ist.
In 22A ist eine schematische Draufsicht und in 22B eine schematische Schnittdarstellung entlang der Linie A-A aus 22A gezeigt. Der Reinhaltechip 4, der ein Leuchtdiodenchip ist, ist mit einer Kammstruktur 46 versehen, die sich durch den pn-Übergang 41 hindurch erstreckt. Hierdurch ist eine freiliegende Fläche des pn-Übergangs 41, die bevorzugt nicht passiviert ist, vergrößert. Entsprechend der Kammstruktur 46 sind bevorzugt Leiterstege der Metallisierung 42 geformt, siehe 22A. Optional ist zusätzlich zu der Kammstruktur 46 die Aufrauung 45 vorhanden.
In 23 sind schematisch Verschaltungsmöglichkeiten der Leuchtdioden 2 und des Reinhaltechips 4 beispielhaft dargestellt. Zur Vereinfachung der Darstellung sind optional vorhandene, weitere elektrische Elemente wie Serienwiderstände, Kapazitäten, Induktivitäten oder Schaltkreise zur Ansteuerung jeweils nicht dargestellt.
Gemäß 23A sind die mehreren Laserdioden 2 elektrisch parallel zu dem Reinhaltechip 4 geschaltet.
Gemäß 23B liegt eine antiparallele elektrische Verschaltung der Laserdioden 2 mit dem Reinhaltechip 4 vor.
Der Reinhaltechip 4 kann hierbei als ESD-Schutzdiode für die Laserdioden 2 dienen. Durch einen gezielten, kontrollierten Betrieb der Laserdioden 2 in Sperrrichtung ist der Reinhaltechip 4 gezielt zur Strahlungsemission anregbar und eine zeitweise Reinigungsfunktion ist erzielbar. Beispielsweise bei jeder Inbetriebnahme des Halbleiterlaserbauteils 1 wird der Reinhaltechip 4 kurzzeitig aktiviert.
In 23C ist gezeigt, dass der Reinhaltechip 4 elektrisch unabhängig von den Laserdioden 2 ansteuerbar ist.
In 23D ist dargestellt, dass der Reinhaltechip 4 elektrisch in Serie mit zumindest einem Teil der Laserdioden 2 geschaltet ist. Wie auch bei allen anderen Verschaltungen ist es möglich, dass die Laserdioden 2 untereinander parallel, in Serie oder kombiniert parallel und in Serie zueinander geschaltet sind.
In 23E ist illustriert, dass mehrere der Reinhaltechips 4 antiparallel zu mehreren der Laserdioden 2 geschaltet sind, wobei die Laserdioden 2 teilweise seriell verschaltet sind.
Gemäß 23F ist nur eine Laserdiode 2 vorhanden, die antiparallel zu den zwei Reinhaltechips 4 verschaltet ist. Entsprechend Umgekehrtes ist der Fall in 23G.
Beim Ausführungsbeispiel, wie in 24 gezeigt, ist das Einfangmaterial 5 vorhanden, das von dem Reinhaltechip 4 zumindest zeitweise mit der Reinhaltestrahlung C bestrahlt wird. Das Einfangmaterial 5 ist nur in einem vergleichsweise kleinen Bereich an der Innenseite des Gehäuses 3 angebracht, der von der Reinhaltestrahlung C bestrahlt wird.
Gemäß 25 emittiert der Reinhaltechip 4 beidseitig die Reinhaltestrahlung C. Das Einfangmaterial 5, an dem die Einfangflächen 44 gebildet sind, ist dementsprechend an mehreren voneinander getrennten Stellen der Innenseite des Gehäuses 3 angebracht.
Anders als in den 24 und 25, emittiert der Reinhaltechip 4 in 26 die Reinhaltestrahlung C senkrecht zu den Laserdioden 2. Die Emissionsrichtungen gemäß 26 sind damit orientiert, wie in Verbindung mit 13 gezeigt.
Gemäß 27 erstreckt sich das Einfangmaterial 5 im Wesentlichen auf die gesamten Innenseiten des Gehäuses 3. Anders als dargestellt können in 27 optional auch Optiken vorhanden sein, insbesondere wie in Verbindung mit den 16 bis 19 beschrieben. Sind solche Optiken vorhanden, ist es möglich, dass die Optiken teilweise oder vollständig von dem Einfangmaterial 5 bedeckt sind. In 27 emittieren der Reinhaltechip 4 sowie die Laserdioden 2 die Strahlungen L, C jeweils innerhalb der Zeichenebene.
Gemäß 28 sind die Strahlrichtungen analog zu 26 orientiert und der Reinhaltechip 4 ist bevorzugt als Leuchtdiodenchip gestaltet. Auch gemäß 28 sind mindestens 50 % der Innenseiten des Gehäuses 3 von einem oder von mehreren der Einfangmaterialien 5 bedeckt. Auch in allen anderen Ausführungsbeispielen können mehrere der Einfangmaterialien 5 vorhanden sein.
In 29 befindet sich das Einfangmaterial 5 unmittelbar an dem Reinhaltechip 4. Beispielsweise ist das Einfangmaterial 5 unmittelbar an der Lichtaustrittsfläche des Reinhaltechips 4 angebracht, siehe auch 31. Anders als in 31 dargestellt, kann sich das Einfangmaterial 5 alternativ oder zusätzlich auf den pn-Übergang 41 erstrecken.
Gemäß 30 emittieren der Reinhaltechip 4 sowie die Laserdiode 2 innerhalb der Zeichenebene, jedoch senkrecht zueinander. Das Einfangmaterial 5 ist an der Leiterplatte 8 angebracht und beabstandet von dem Gehäuse 3 montiert.
Beim Ausführungsbeispiel, wie in 32 gezeigt, weist das Halbleiterlaserbauteil 1 zusätzlich eine Regenerationslichtquelle 6 auf. Die Regenerationslichtquelle 6 ist dazu eingerichtet, die Einfangfläche 44 mindestens zum Teil und wenigstens zeitweise zu bestrahlen. Dies geschieht beispielsweise über ein optisches Heizen der Einfangfläche 44. Gemäß 32 ist die Einfangfläche 44 durch eine Lichtaustrittsfläche des Reinhaltechips 4 gebildet. Eine entsprechende Regenerationslichtquelle 6 kann auch in allen anderen Ausführungsbeispielen vorhanden sein.
Beispielsweise ist der Reinhaltechip 4 dazu eingerichtet, langkettige Kohlenwasserstoffe zu zerlegen, deren Fragmente sich an der Lichtaustrittsfläche des Reinhaltechips 4 niederschlagen. Eine solche Niederschlagung von Fragmenten erfolgt beispielsweise aufgrund des relativ hohen elektrischen Feldes im Bereich des pn-Übergangs 41. Die Regenerationslichtquelle 6 ist dann eingerichtet, diese kurzkettigen Kohlenwasserstofffragmente insbesondere durch Heizen vollständig oder teilweise zu entfernen oder abzulösen.
Beispielsweise handelt es sich bei den Laserdioden 2 um InGaN-Laser mit einer Hauptemissions-Wellenlänge, englisch peak wavelength, von mindestens 340 nm oder 370 nm oder 420 nm und/oder von höchstens 560 nm oder 650 nm. Eine optische oder elektrische Leistung beträgt beispielsweise höchstens 10 W. Bei dem Reinhaltechip 4 handelt es sich beispielsweise um einen InGaN-Laser mit einer Hauptwellenlänge von mindestens 350 nm und/oder höchstens 420 nm, beispielsweise 405 nm. Eine elektrische und/oder optische Leistung des Reinhaltechips 4 liegt beispielsweise bei höchstens 10 W. Die Regenerationslichtquelle 6 ist zum Beispiel ein GaAsP-Laser mit einer Hauptwellenlänge von mindestens 780 nm und/oder höchstens 960 nm, beispielsweise 808 nm. Die Regenerationslichtquelle 6 kann eine elektrische oder optische Leistung von mehr als 10 W aufweisen, gepulst oder im Dauerstrichbetrieb. Entsprechende Lichtquellen 2, 4, 6 können auch in allen anderen Ausführungsbeispielen Verwendung finden.
Gemäß 33 bestrahlt die Regenerationslichtquelle 6 einen Bereich des Einfangmaterials 5, der von dem Reinhaltechip 4 bestrahlt wird. Beispielsweise dient das Einfangmaterial 5 zu einem Einsammeln von Kohlenwasserstoffen oder Kohlenwasserstoffbruchstücken, bevorzugt unterstützt durch die Reinhaltestrahlung C. Um die Sammelfunktion des Einfangmaterials 5 langfristig zu gewährleisten, kann durch die Regenerationslichtquelle 6 das Einfangmaterial 5 insbesondere durch lokales, optisches Heizen gereinigt werden. Hierbei ist es möglich, dass ein von der Regenerationslichtquelle 6 bestrahlter Bereich des Einfangmaterials 5 über die Betriebsdauer des Halbleiterlaserbauteils 1 hinweg variiert.
Das Einfangmaterial 5 ist zum Beispiel ein Zeolith. Zeolithe können in ihrer mikroporösen Gerüststruktur aus AlO₄- und SiO₄-Tetraedern Wassermoleküle und andere niedermolekulare Stoffe aufnehmen und bei einem Erhitzen wieder abgeben, ohne selbst zerstört zu werden. Zeolithe weisen die allgemeine Strukturformel Mⁿ⁺ _x/n[(AlO₂)^–x (SiO₂)_y]·zH₂O auf, wobei n die Ladung des Kations M (meist 1 oder 2) ist. M ist dabei in der Regel ein Kation aus der ersten oder zweiten Hauptgruppe des Periodensystems. z gibt an, wie viele Wassermoleküle von dem Kristall aufgenommen werden können.
Zum Beispiel ist das Einfangmaterial 5 einer der folgenden Stoffe oder umfasst einen oder mehrere dieser Stoffe: Zeolith A: Na₁₂[(AlO₂)₁₂(SiO₂)₁₂]·27H₂O; Zeolith X: Na₈₆[(AlO₂)₈₆(SiO₂)₁₀₆]·264H₂O; Zeolith Y: Na₅₆[(AlO₂)₅₆(SiO₂)₁₃₆]·250H₂O; Zeolith L: K₉[(AlO₂)₉(SiO₂)₂₇]·22H₂O; Mordenit: Na_8,7[(AlO₂)_8,7(SiO₂)_39,3]·24H₂O; ZSM 5: Na_0,3H_3,8[(AlO₂)_4,1(SiO₂)_91,9], ZSM 11: Na_0,1H_1,7[(AlO₂)_1,8{SiO₂)_94,2]; Kohlenstoff-Nanopartikel; Aktivkohle oder poröser Kohlenstoff; poröse Metalle wie Pt-Nanopartikel; Aerogel oder hochporöse Feststoffe etwa auf Silicatbasis, Kunststoffbasis oder Kohlenstoffbasis wie Aerographit.
Die hier beschriebene Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele 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.
Bezugszeichenliste

1: optoelektronisches Halbleiterlaserbauteil
2: Laserdiode
22: Strahlungsaustrittsfläche
3: Gehäuse
31: Gehäusedeckel
32: Gehäusegrundplatte
33: Widerstand
34: elektrischer Kontaktstift
35: Bonddraht
37: Montageplatte
38: Montagefläche
4: Reinhaltechip
41: pn-Übergang
42: Metallisierung
43: Substrat
44: Einfangfläche
45: Aufrauhung
46: Kammstruktur
5: Einfangmaterial
55: Abdeckung
6: Regenerationslichtquelle
7: Optik
8: Leiterplatte
9: Umlenkoptik
C: Reinhaltestrahlung
E: elektrisches Feld
L: Laserstrahlung
n: n-leitende Schicht
p: p-leitende Schicht
P: Regenerationsstrahlung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

Okayasu et al., „Facet oxidation of InGaAs/GaAs strained quantum-well lasers“ in Journal of Applied Physics, Vol. 69, S. 8346 aus dem Jahr 1991 [0013]
Kümmler et al. in „Gradual facet degradation of (Al,In)GaN quantum-well lasers“ in Applied Physics Letters, Vol. 84, No. 16, S. 2989 aus dem Jahr 2004 [0013]
Schoedl et al. in „Facet degradation of (Al,In)GaN laser diodes“ in Phys. Stat. Sol. (a), Vol. 201, No. 12, S. 2635 aus dem Jahr 2004 [0013]
Smeeton et al. in „Atomic force microscopy analysis of cleaved facets in III-nitride laser diodes grown on free-standing GaN substrates“ in Applied Physics Letters, Vol. 88, S. 041910 aus dem Jahr 2006 [0013]
Mukai et al. in „Current status and future prospects of GaN-based LEDs and LDs“ in Phys. Stat. Sol. (a), Vol. 201, No. 12, S. 2712 aus dem Jahr 2004 [0017]
Ito et al. in „AlGaInN violet laser diodes grown on GaN substrates with low aspect ratio“ in Phys. Stat. Sol. (a), Vol. 200, No. 1, S. 131 aus dem Jahr 2003 [0017]

Claims

Optoelektronisches Halbleiterlaserbauteil (1) mit – mindestens einer Laserdiode (2) zur Erzeugung einer Laserstrahlung (L), – einem luftdichten Gehäuse (3), in dem die Laserdiode (2) angebracht ist, und – mindestens einem Reinhaltechip (4) zur Erzeugung einer Reinhaltestrahlung (C), wobei – der Reinhaltechip (4) zusammen mit der mindestens einer Laserdiode (2) in dem Gehäuse (3) untergebracht ist, – die mindestens eine Laserdiode (2) zumindest eine Strahlungsaustrittsfläche (22) aufweist, durch die hindurch die Laserstrahlung (L) die Laserdiode (2) verlässt, und – mindestens eine Einfangfläche (44) zeitweise oder dauerhaft von der Reinhaltestrahlung (C) bestrahlt und/oder durchstrahlt wird, sodass die Einfangfläche (44) für Wasser, Sauerstoff, Kohlenwasserstoffe und/oder Kohlenwasserstoffbruchstücke wenigstens zeitweise ein größeres Anhaftvermögen aufweist als die Strahlungsaustrittsfläche (22).
Optoelektronisches Halbleiterlaserbauteil (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem die Reinhaltestrahlung (C) eine kleinere Wellenlänge aufweist als die Laserstrahlung (L), wobei eine Energiedichte in W/mm² der Reinhaltestrahlung (C) an der Einfangfläche (44) mindestens so groß ist wie eine Energiedichte der Laserstrahlung (L) an der Strahlungsaustrittsfläche (22), und wobei die Reinhaltestrahlung (C) in dem Gehäuse (3) zurückgehalten wird.
Optoelektronisches Halbleiterlaserbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Einfangfläche (44) eine Lichtaustrittsfläche der Reinhaltestrahlung (C) aus dem Reinhaltechip (4) ist, wobei der Reinhaltechip (4) eine Leuchtdiode oder eine Laserdiode ist.
Optoelektronisches Halbleiterlaserbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Reinhaltechip (4) mindestens einen pn-Übergang (41) aufweist und der pn-Übergang (41) frei von einer Passivierungsschicht ist, sodass der pn-Übergang (41) wenigstens einen Teil der Einfangfläche (44) bildet und einer Atmosphäre in dem Gehäuse (3) ausgesetzt ist.
Optoelektronisches Halbleiterlaserbauteil (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem der Reinhaltechip (4) mit einer Aufrauung (45) und/oder mit einer Kammstruktur, die den pn-Übergang (41) durchdringt, versehen ist, sodass eine freiliegende Fläche des pn-Übergangs vergrößert ist.
Optoelektronisches Halbleiterlaserbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem in dem Gehäuse (3) mindestens ein Einfangmaterial (5) zum Einfangen von Wasser, Sauerstoff, Kohlenwasserstoffen und/oder Kohlenwasserstoffbruchstücken angebracht ist, wobei wenigstens ein Teil der Einfangfläche (44) eine von der Reinhaltestrahlung (C) bestrahlte Begrenzungsfläche des Einfangmaterials (5) ist.
Optoelektronisches Halbleiterlaserbauteil (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem das Einfangmaterial (5) nicht von der Laserstrahlung (L) bestrahlt wird und das Einfangmaterial unmittelbar an dem Gehäuse (3) und/oder an dem Reinhaltechip (4) angebracht ist.
Optoelektronisches Halbleiterlaserbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend zumindest eine Regenerationslichtquelle (6), die eine Laserdiode oder eine Leuchtdiode ist, wobei die Regenerationslichtquelle (6) in dem Gehäuse (3) angebracht ist und zur Erzeugung einer Regenerationsstrahlung (P) vorgesehen ist, und wobei die Regenerationslichtquelle (6) dazu eingerichtet ist, eine Ablagerung von Wasser, Sauerstoff, Kohlenwasserstoffen und/oder Kohlenwasserstoffbruchstücken an der Einfangfläche (44) zu verringern.
Optoelektronisches Halbleiterlaserbauteil (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem die Regenerationsstrahlung (P) das Gehäuse (3) nicht verlässt, wobei die Regenerationsstrahlung (P) eine größere Wellenlänge aufweist als die Laserstrahlung (L) und die Reinhaltestrahlung (C), und wobei im Betrieb die Regenerationslichtquelle (6) wenigstens zeitweise den Reinhaltechip (4) und/oder das Einfangmaterial (5) bestrahlt.
Optoelektronisches Halbleiterlaserbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend mindestens eine Optik (7) zum Umlenken und/oder Fokussieren der Reinhaltestrahlung (C), wobei die Einfangfläche (44) mindestens zum Teil durch die Optik (7) gebildet ist.
Optoelektronisches Halbleiterlaserbauteil (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, das mehrere der Optiken (7) umfasst, wobei erste der Optiken (7) strahlumlenkend und zweite der Optiken (7) fokussierend für die Reinhaltestrahlung (C) wirken, sodass die Reinhaltestrahlung (C) auf mehrere Stellen der ersten Optiken (7) fokussiert ist.
Optoelektronisches Halbleiterlaserbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Laserdiode (2) und der Reinhaltechip (4) elektrisch unabhängig voneinander ansteuerbar sind.
Optoelektronisches Halbleiterlaserbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Laserstrahlung (L) und die Reinhaltestrahlung (C) innerhalb des Gehäuses (3) ausschließlich schräg und/oder antiparallel zueinander verlaufen.
Optoelektronisches Halbleiterlaserbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Reinhaltechip (4) einen Schutz gegen Schäden durch elektrostatische Entladungen für die Laserdiode (2) bildet.