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Die vorliegende Anmeldung betrifft eine Halbleiterlaserdiode, insbesondere eine Hochleistungs-Halbleiterlaserdiode und ein Halbleiterbauelement.
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Hochleistungsdiodenlaser insbesondere für Faserkoppelanwendungen sind oftmals nicht mehr durch die erreichbare optische Ausgangsleistung oder Zuverlässigkeit limitiert, sondern vor allem durch ihre Strahlqualität beziehungsweise die Brillanz. Insbesondere muss die optische Ausgangsleistung für die Ankopplung in eine optische Faser innerhalb eines gewissen Raumwinkels abgestrahlt werden. Hierfür ist das sogenannte Strahlparameterprodukt SPP maßgeblich, das definiert ist als das Produkt aus dem Abstrahlwinkel und der Fläche der Lichtemission. Bei üblichen Kantenemittern, insbesondere bei Breitstreifenlasern ist vor allem die Strahlqualität parallel zur Schichtebene (auch als „slow axis“ bezeichnet) begrenzt. Verschiedene Ansätze werden verfolgt, um den Divergenzwinkel entlang der slow-axis-Richtung zu reduzieren und damit das Strahlparameterprodukt zu verringern. Hierfür werden beispielsweise Wärmesenken mit Wasserkühlung verwendet, um so die Betriebstemperatur des Lasers zu senken. Auch Ansätze zur Verbesserung der verwendeten Epitaxiestrukturen oder des strukturellen Aufbaus des Resonators, beispielsweise eine Verlängerung des Resonators werden verfolgt.
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Die
DE 10 2007 001 743 A1 betrifft einen Halbleiterlaser mit einer elektrisch leitfähigen Wärmeleitschicht, die sich unterbrechungsfrei über einen gesamten Bestromungsbereich hinweg erstreckt.
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Die
DE 10 2011 055 891 A1 offenbart einen Halbleiterlaser mit einer elektrisch leitfähigen Metallisierungschicht.
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Die
DE 10 2014 105 191 A1 betrifft einen Halbleiterlaser mit einer Wärmespreizschicht, die zumindest außerhalb eines Bestromungsbereiches angeordnet ist.
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Die US 2008 / 0 075 133 A1 beschreibt unter anderem die Kontaktierung einer Laserdiode mittels eines Lotes.
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Die
DE 10 2012 106 687 A1 offenbart einen kantenemittierenden Halbleiterlaser, bei dem auf dem Steg eine Metallisierung aufgebracht ist, wodurch die Stromeinprägung zur Modensteuerung modifiziert wird.
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Die
DE 10 2016 125 857 A1 offenbart einen kantenemittierenden Halbleiterlaser, bei dem auf dem Steg verschiedene Kontaktmaterialien aufgebracht sind, wodurch die Stromeinprägung zur Modensteuerung modifiziert wird. Eine Aufgabe ist es, eine Halbleiterlaserdiode anzugeben, die sich auch bei hoher optischer Ausgangsleistung durch ein geringes Strahlparameterprodukt auszeichnet. Diese Aufgabe wird unter anderem durch eine Halbleiterlaserdiode gemäß Patentanspruch 1 und ein Halbleiterbauelement mit einer solchen Halbleiterlaserdiode gelöst. Weitere Ausgestaltungen und Zweckmäßigkeiten sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Es wird eine Halbleiterlaserdiode angegeben. Die Halbleiterlaserdiode ist insbesondere eine Hochleistungshalbleiterlaserdiode. Das bedeutet, die optische Ausgangsleistung beträgt mindestens 10 W, beispielsweise mindestens 30 W, etwa 50 W.
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Die Halbleiterlaserdiode ist beispielsweise ein Kantenemitter, bei dem ein Resonator für die zu erzeugende Strahlung senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene eines zur Erzeugung von Strahlung vorgesehenen aktiven Bereichs verläuft. Beispielsweise ist die Halbleiterlaserdiode ein Halbleiterlaser mit zumindest überwiegend lateraler Gewinnführung. Mit anderen Worten überwiegt bei der hier beschriebenen Halbleiterlaserdiode die laterale Gewinnführung gegenüber einer lateralen Indexführung im Resonator. Das Prinzip der lateralen Gewinnführung ist dem Fachmann bekannt und wird daher nicht weiter ausgeführt.
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Die Halbleiterlaserdiode weist eine Halbleiterschichtenfolge mit einem zur Erzeugung von Strahlung vorgesehenen aktiven Bereich auf. Der aktive Bereich ist beispielsweise zur Erzeugung von Strahlung im ultravioletten, sichtbaren oder infraroten Spektralbereich vorgesehen. Der aktive Bereich ist zum Beispiel zwischen einer ersten Halbleiterschicht und einer zweiten Halbleiterschicht angeordnet, wobei sich die erste Halbleiterschicht und die zweite Halbleiterschicht zumindest stellenweise bezüglich ihres Leitungstyps voneinander unterscheiden, sodass sich der aktive Bereich in einem pn-Übergang befindet.
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Eine Strahlungsauskoppelfläche der Halbleiterlaserdiode verläuft senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene des aktiven Bereichs. Die Strahlungsauskoppelfläche bildet insbesondere eine Grenzfläche des Resonators für die im aktiven Bereich zu erzeugende Strahlung. Eine Hauptabstrahlungsachse der Halbleiterlaserdiode verläuft senkrecht zur Strahlungsauskoppelfläche und parallel zur Haupterstreckungsebene des aktiven Bereichs.
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Die Halbleiterlaserdiode umfasst weiterhin eine Hauptfläche, die die Halbleiterschichtenfolge in vertikaler Richtung begrenzt. Als vertikale Richtung wird eine Richtung bezeichnet, die senkrecht zur Haupterstreckungsebene des aktiven Bereichs verläuft.
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Die Halbleiterlaserdiode weist eine Kontaktschicht auf, die an die Hauptfläche angrenzt. Die Kontaktschicht ist im Betrieb der Halbleiterlaserdiode dafür vorgesehen, Ladungsträger in das angrenzende Halbleitermaterial der Halbleiterschichtenfolge einzuprägen. Die Kontaktschicht ist insbesondere für die externe elektrische Kontaktierung der Halbleiterlaserdiode, insbesondere seitens der Hauptfläche, vorgesehen.
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Die Halbleiterlaserdiode weist eine wärmeableitende Schicht auf, die bereichsweise auf einer dem aktiven Bereich abgewandten Seite der Kontaktschicht angeordnet ist. Die wärmeableitende Schicht bedeckt die Kontaktschicht insbesondere nicht vollständig, sodass die Kontaktschicht stellenweise für die externe elektrische Kontaktierung der Halbleiterlaserdiode freiliegt. Die wärmeableitende Schicht ist Teil der Halbleiterlaserdiode und beispielsweise durch eine Abscheidung auf der Kontaktschicht ausgebildet.
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Die wärmeableitende Schicht weist eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 100 W/(K*m) auf.
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Die Halbleiterlaserdiode umfasst eine Halbleiterschichtenfolge mit einem zur Erzeugung von Strahlung vorgesehenen aktiven Bereich, eine Strahlungsauskoppelfläche, die senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene des aktiven Bereichs verläuft, eine Hauptfläche, die die Halbleiterschichtenfolge in vertikaler Richtung begrenzt, eine Kontaktschicht, die an die Hauptfläche angrenzt und eine wärmeableitende Schicht, die bereichsweise auf einer dem aktiven Bereich abgewandten Seite der Kontaktschicht angeordnet ist, wobei die Kontaktschicht stellenweise für eine externe elektrische Kontaktierung der Halbleiterlaserdiode freiliegt.
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Die Kontaktschicht bildet eine Montagefläche 15 der Halbleiterlaserdiode 1. An dieser Montagefläche kann die Halbleiterlaserdiode zur Herstellung eines Halbleiterbauelements mit einem Verbindungsmittel, etwa einem Lot, an einer Wärmesenke befestigt werden. Die Wärmeleitfähigkeit von typischerweise verwendeten Loten wie beispielsweise AuSn enthaltenden Loten liegt im Bereich von 50 W/(K*m) oder darunter, sodass diese Schicht oftmals diejenige Schicht ist, die den größten Wärmewiderstand im Wärmepfad zur Wärmesenke aufweist. Das Verbindungsmittel wird stellenweise durch die wärmeableitende Schicht ersetzt. Diese wärmeableitende Schicht weist verglichen zum Verbindungsmittel eine höhere, beispielsweise mindestens doppelt so hohe, mindestens viermal so hohe oder auch mindestens zehnmal so hohe Wärmeleitfähigkeit auf. Die wärmeableitende Schicht erhöht also lokal die Wärmeableitung aus der Halbleiterlaserdiode in vertikaler Richtung.
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Die wärmeableitende weist Schicht eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 100 W/(K*m) auf. Beispielsweise enthält die wärmeableitende Schicht diamantähnlichen Kohlenstoff (diamond-like carbon, DLC), ein Carbid, etwa Siliciumcarbid oder Borcarbid, ein Nitrid, etwa Aluminiumnitrid oder Bornitrid oder Berylliumnitrid oder ein Oxid, etwa Berylliumoxid. Diamantähnlicher Kohlenstoff kann beispielsweise so abgeschieden werden, dass er eine Wärmeleitfähigkeit von 500 W/(K*m) oder mehr aufweist, etwa mittels einer Plasmaabscheidung.
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Die wärmeableitende Schicht ist elektrisch isolierend. Die wärmeableitende Schicht dient also ausschließlich der thermischen Kontaktierung, nicht jedoch der elektrischen Kontaktierung der Halbleiterlaserdiode. Mit anderen Worten findet eine räumliche Trennung zwischen den Bereichen, in denen die elektrische Kontaktierung erfolgt, und den Bereichen, über die überwiegend die Wärmeableitung erfolgt, statt.
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Die wärmeableitende Schicht ist in Draufsicht auf die Halbleiterlaserdiode zu mindestens 70 % ihrer gesamten Fläche innerhalb eines Bestromungsbereichs angeordnet. Der Bestromungsbereich ist derjenige Bereich, in dem die Kontaktschicht Ladungsträger über die Hauptfläche in die Halbleiterschichtenfolge einprägt. Die wärmeableitende Schicht ist also überwiegend, beispielsweise auch zu mindestens 90 % oder vollständig innerhalb des Bestromungsbereichs angeordnet. Mit anderen Worten wird die Wärmeableitung gezielt in dem Bereich der Halbleiterlaserdiode erhöht, in dem auch die größten Verlustwärmedichten auftreten.
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In einem Bereich, der sich, in Querrichtung gesehen, außerhalb des Bestromungsbereichs befindet, ist die wärmeableitende Schicht dagegen nicht oder nur zu einem sehr geringen Anteil vorhanden. Die Querrichtung bezeichnet eine Richtung, die parallel zur Haupterstreckungsebene des aktiven Bereichs und parallel zur Strahlungsauskoppelfläche verläuft. Im Betrieb der Halbleiterlaserdiode stellt sich dadurch ein Temperaturprofil ein, das am Rand des Bestromungsbereichs einen geringeren Temperaturgradienten aufweist. Durch ein solches Temperaturprofil kann der Effekt der Selbstfokussierung aufgrund einer thermischen Linsenwirkung im Material der Halbleiterlaserdiode verringert werden. Durch Vermeidung oder zumindest Verringerung des Effekts der Selbstfokussierung kann der Abstrahlwinkel in Querrichtung und damit das Strahlparameterprodukt verringert werden.
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Die wärmeableitende Schicht weist innerhalb des Bestromungsbereichs zumindest eine Öffnung auf, in der die Kontaktschicht freiliegt, wobei die Öffnung der wärmeableitenden Schicht beispielsweise ein Aspektverhältnis von höchstens 1:1 aufweist. Das Aspektverhältnis bezeichnet hierbei das Verhältnis zwischen der maximalen vertikalen Ausdehnung der Öffnung zur minimalen lateralen Ausdehnung. Die Öffnung ist also höchstens so tief wie breit. Vorzugsweise beträgt das Aspektverhältnis höchstens 1:1,5 oder höchstens 1:2. Insbesondere weisen alle Öffnungen der wärmeableitenden Schicht ein derartiges Aspektverhältnis auf. Es hat sich gezeigt, dass Öffnungen mit einem solchen Aspektverhältnis effizient mit einem Verbindungsmittel bei der Montage der Halbleiterlaserdiode befüllt werden können. Nicht verfüllte Teilbereiche der Öffnungen würden dagegen zu einer deutlichen Erhöhung des Wärmewiderstands führen und könnten die Funktion der Halbleiterlaserdiode und/oder ihre Lebensdauer negativ beeinträchtigen.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Halbleiterlaserdiode nimmt eine Materialbelegung der Kontaktschicht mit der wärmeableitenden Schicht ausgehend von einer Hauptabstrahlungsachse mit zunehmendem Abstand von der Hauptabstrahlungsachse und/oder ausgehend von der Strahlungsauskoppelfläche mit zunehmendem Abstand von der Strahlungsauskoppelfläche im Mittel ab.
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Je höher die Materialbelegung der Kontaktschicht mit der wärmeableitenden Schicht lokal ist, desto effizienter ist die Wärmeableitung in dem entsprechenden Bereich. Im Betrieb der Halbleiterlaserdiode stellt sich in Querrichtung ein Temperaturprofil ein, das an der Hauptabstrahlungsachse sein Temperaturmaximum aufweist. Entlang der Hauptabstrahlungsachse ist die Temperatur typischerweise im Bereich der Strahlungsauskoppelfläche am höchsten.
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Mit anderen Worten ist die Materialbelegung der Kontaktschicht mit der wärmeableitenden Schicht so variiert, dass in den Bereichen, in denen lokal die größte Verlustleistungsdichte entsteht, auch die effizienteste Wärmeableitung erfolgt.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Halbleiterlaserdiode nimmt eine Flächenbelegung der Kontaktschicht mit der wärmeableitenden Schicht ausgehend von der Hauptstrahlungsachse mit zunehmendem Abstand von der Hauptstrahlungsachse im Mittel ab. Beispielsweise weist die wärmeableitende Schicht zumindest stellenweise voneinander beabstandete Teilbereiche auf, wobei eine Querausdehnung der Teilbereiche mit zunehmendem Abstand von der Hauptabstrahlungsachse abnimmt und/oder ein Abstand der Teilbereiche mit zunehmendem Abstand von der Hauptabstrahlungsachse zunimmt.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Halbleiterlaserdiode nimmt eine Flächenbelegung der Kontaktschicht mit der wärmeableitenden Schicht ausgehend von der Strahlungsauskoppelfläche mit zunehmendem Abstand von der Strahlungsauskoppelfläche im Mittel ab. Beispielsweise weist die wärmeableitende Schicht zumindest stellenweise voneinander beabstandete Teilbereiche auf, wobei ein Abstand der Teilbereiche mit zunehmendem Abstand von der Strahlungsauskoppelfläche zunimmt und/oder eine Ausdehnung der Teilbereiche entlang der Hauptabstrahlungsachse abnimmt.
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Die wärmeableitende Schicht ist also so strukturiert, dass die Wärmeableitung im Bereich der Strahlungsauskoppelfläche effizienter ist als in Bereichen, die weiter von der Strahlungsauskoppelfläche entfernt sind.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Halbleiterlaserdiode ist jeder beliebige Punkt in der wärmeableitenden Schicht in Draufsicht auf die Halbleiterlaserdiode höchstens 10 um, insbesondere höchstens 5 um von der Kontaktschicht entfernt. Auch bei einer elektrisch isolierend ausgebildeten wärmeableitenden Schicht ist so gewährleistet, dass Ladungsträger mit einer hinreichenden Homogenität über die Hauptfläche in die Halbleiterschichtenfolge eingeprägt werden können.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Halbleiterlaserdiode variiert eine vertikale Ausdehnung der wärmeableitenden Schicht. Die Materialbelegung der Kontaktschicht mit der wärmeableitenden Schicht kann also alternativ oder ergänzend zu einer lateralen Strukturierung auch über die lokal sich verändernde Dicke der wärmeableitenden Schicht erzielt werden. An den Stellen, an denen die wärmeableitende Schicht am dicksten ist, ist die Wärmeableitung aus der Halbleiterlaserdiode im Betrieb am effizientesten.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Halbleiterlaserdiode nimmt die vertikale Ausdehnung der wärmeableitenden Schicht mit zunehmendem Abstand von der Strahlungsauskoppelfläche ab. Die Wärmeableitung aus der Halbleiterlaserdiode ist also im Bereich der Strahlungsauskoppelfläche größer als in Bereichen, die entlang der Hauptabstrahlungsachse weiter von der Strahlungsauskoppelfläche entfernt sind.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Halbleiterlaserdiode nimmt die vertikale Ausdehnung der wärmeableitenden Schicht mit zunehmendem Abstand von der Hauptabstrahlungsachse ab. Die Dicke der wärmeableitenden Schicht wird also so variiert, dass die Wärmeableitung im Bereich der Hauptabstrahlungsachse höher ist als in Bereichen, die in Querrichtung weiter von der Hauptabstrahlungsachse entfernt sind.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Halbleiterlaserdiode ist auf der Halbleiterschichtenfolge außerhalb des Bestromungsbereichs eine Wärmeblockierschicht angeordnet. Als Wärmeblockierschicht wird insbesondere eine Schicht verstanden, die eine Wärmeleitfähigkeit von höchstens 30 W/(K*m), insbesondere von höchstens 10 W/(K*m) aufweist. Mittels einer solchen Wärmeblockierschicht kann die vertikale Wärmeableitung aus der Halbleiterschichtenfolge außerhalb des Bestromungsbereichs gezielt verringert werden. Der Verlauf des sich einstellenden Temperaturprofils und des sich daraus ergebenden Brechungsindexverlaufs kann so in Querrichtung weitergehend abgeflacht werden. Beispielsweise ist die Wärmeblockierschicht auch elektrisch isolierend ausgebildet.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Halbleiterlaserdiode ist die Wärmeblockierschicht in vertikaler Richtung innerhalb der Kontaktschicht angeordnet. Das heißt, auf beiden Seiten der Wärmeblockierschicht, in vertikaler Richtung gesehen, befindet sich Material der Kontaktschicht. Davon abweichend kann die Wärmeblockierschicht jedoch auch an einer anderen Stelle im thermischen Pfad in Richtung der Wärmesenke angeordnet sein.
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Ein Halbleiterbauelement weist zumindest gemäß einer Ausführungsform eine Halbleiterlaserdiode mit zumindest einem der vorstehend beschriebenen Merkmale auf. Weiterhin umfasst das Halbleiterbauelement eine Wärmesenke, wobei die Halbleiterlaserdiode mit einem Verbindungsmittel an der Wärmesenke befestigt ist. Das Verbindungsmittel grenzt unmittelbar an die wärmeableitende Schicht und an die Kontaktschicht an, befüllt die Öffnung und kontaktiert die Kontaktschicht. Beispielsweise ist das Verbindungsmittel ein Lot.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterbauelements weist die wärmeableitende Schicht eine mindestens doppelt so große, beispielsweise eine mindestens viermal so große, Wärmeleitfähigkeit auf wie das Verbindungsmittel. Je größer der Unterschied zwischen der Wärmeleitfähigkeit des Verbindungsmittels und der Wärmeleitfähigkeit der wärmeableitenden Schicht ist, desto effizienter kann lokal die Wärmeabfuhr aus der Halbleiterlaserdiode über die wärmeableitende Schicht gesteigert werden. Weitere Ausgestaltungen und Zweckmäßigkeiten ergeben sich aus der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Figuren.
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Gleich, gleichartige oder gleichwirkende Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Die Figuren sind jeweils schematische Darstellungen und daher nicht unbedingt maßstabsgetreu. Vielmehr können vergleichsweise kleine Elemente und insbesondere Schichtdicken zur Verdeutlichung übertrieben groß dargestellt sein.
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Es zeigen:
- 1A ein Ausführungsbeispiel für eine Halbleiterlaserdiode in schematischer Schnittansicht;
- 1B ein Ausführungsbeispiel für ein Halbleiterbauelement mit einer solchen Halbleiterlaserdiode;
- 1C einen schematischen Verlauf der Temperatur im Betrieb der Halbleiterlaserdiode entlang einer Querrichtung x;
- 2A eine Darstellung einer Vergleichsprobe ohne eine wärmeableitende Schicht mit einem zugehörigen Temperaturverlauf in 2B, einem zugehörigen Brechungsindexverlauf in 2C und einer schematischen Darstellung des Strahlverlaufs in Draufsicht auf die Vergleichsprobe in 2D;
- die 3A und 3B jeweils ein Ausführungsbeispiel für eine Halbleiterlaserdiode in schematischer Schnittansicht;
- 4 ein Ausführungsbeispiel für eine Halbleiterlaserdiode in schematischer Draufsicht;
- 5 ein Ausführungsbeispiel für eine Halbleiterlaserdiode in schematischer Schnittansicht;
- Die 6A, 6B, 6C und 6D jeweils ein Ausführungsbeispiel für eine Halbleiterlaserdiode in schematischer Draufsicht; und
- die 7A, 7B und 7C jeweils ein Ausführungsbeispiel für eine Halbleiterlaserdiode in schematischer Schnittansicht entlang der Hauptabstrahlungsachse (7A und 7B) und senkrecht dazu (7C).
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In den Figuren ist zur Veranschaulichung der räumlichen Richtungen teilweise für die Zeichenebene ein Koordinatensystem angegeben, wobei sich die x-Richtung auf eine Querrichtung senkrecht zu einer Hauptabstrahlungsachse, die y-Richtung auf eine Richtung senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene des aktiven Bereichs und die z-Achse auf eine Richtung entlang der Hauptabstrahlungsachse beziehen.
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In 1A ist ein Ausführungsbeispiel für eine Halbleiterlaserdiode in schematischer Schnittansicht gezeigt, wobei der Schnitt parallel zu einer beispielsweise in 4 gezeigten Strahlungsauskoppelfläche 10 verläuft.
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Die Halbleiterlaserdiode 1 weist eine Halbleiterschichtenfolge 2 mit einem zur Erzeugung von Strahlung vorgesehenen aktiven Bereich 20 auf. In vertikaler Richtung erstreckt sich die Halbleiterschichtenfolge 2 zwischen einer Hauptfläche 11 und einem Träger 25, auf dem die Halbleiterschichtenfolge 2 angeordnet ist. An die Hauptfläche 11 grenzt eine Kontaktschicht 3 an, die für die externe elektrische Kontaktierung der Halbleiterlaserdiode stellenweise freiliegt. Weiterhin ist auf der dem aktiven Bereich 20 abgewandten Seite der Kontaktschicht 3 eine wärmeableitende Schicht 4 angeordnet. Die wärmeableitende Schicht 4 ist exemplarisch in eine Mehrzahl von Teilbereichen 41 strukturiert. In Öffnungen 45 zwischen den Teilbereichen 41 liegt die Kontaktschicht frei, sodass an diesen Stellen eine Ladungsträgerinjektion über die Kontaktschicht in die Halbleiterschichtenfolge 2 erfolgen kann.
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Die Ladungsträgerinjektion erfolgt über einen Bestromungsbereich 19, in dem die Kontaktschicht 3 an die Halbleiterschichtenfolge 2 angrenzt. Seitlich des Bestromungsbereichs 19 ist auf der Halbleiterschichtenfolge 2 eine Passivierungsschicht 5 angeordnet, sodass an den Stellen, die von der Passivierungsschicht bedeckt sind, keine direkte Stromeinprägung in vertikaler Richtung erfolgt.
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Der Bestromungsbereich 19 bewirkt einen Hauptemissionsbereich 16, in dem der Großteil der im aktiven Bereich zu erzeugenden und im Resonator zu verstärkenden Strahlung propagiert.
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Beispielsweise definiert der Hauptemissionsbereich denjenigen Bereich, in dem die Strahlungsemission größer oder gleich dem 1/e-fachen der maximalen Strahlungsleistung ist.
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Der aktive Bereich 20 ist zwischen einer ersten Halbleiterschicht 21 und einer zweiten Halbleiterschicht 22 angeordnet. Beispielsweise ist die erste Halbleiterschicht p-leitend und die zweite Halbleiterschicht n-leitend oder umgekehrt. Die Halbleiterlaserdiode 1 ist über die Kontaktschicht 3 und eine weitere Kontaktschicht 35 extern elektrisch kontaktierbar, sodass im Betrieb der Halbleiterlaserdiode durch Anlegen einer externen elektrischen Spannung zwischen der Kontaktschicht 3 und der weiteren Kontaktschicht 35 Ladungsträger aus entgegengesetzten Richtungen in den aktiven Bereich injiziert werden und dort unter Emission von Strahlung rekombinieren können. Die Strahlungsauskoppelfläche 10 bildet gemeinsam mit einer gegenüberliegenden Seitenfläche der Halbleiterlaserdiode einen Resonator für die im aktiven Bereich im Betrieb erzeugte Strahlung. Die Halbleiterlaserdiode ist insbesondere als eine Breitstreifen-Hochleistungshalbleiterlaserdiode mit einer Ausgangsleistung von mindestens 10 W, insbesondere mit mindestens 30 W, beispielsweise 50 W oder mehr ausgebildet.
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In 2A ist ein Vergleichsbeispiel 99 für eine Halbleiterlaserdiode ohne eine wärmeableitende Schicht 4 gezeigt. Im Hauptemissionsbereich 16 entsteht auch die größte Verlustwärme, sodass sich, wie in 2B dargestellt, ein Temperaturprofil in Querrichtung einstellt, das am Rand des Hauptemissionsbereichs 16 vergleichsweise stark abfällt. In 2C ist ein zugehöriger Brechungsindexverlauf in der Halbleiterschichtenfolge 2 gezeigt, welcher mit der Temperaturänderung korreliert. Dieser Brechungsindexverlauf führt, wie in 2D in Draufsicht anhand von Pfeilen schematisch dargestellt, innerhalb der Halbleiterlaserdiode zu einer Selbstfokussierung, was nach dem Strahlungsaustritt aus der Strahlungsauskoppelfläche 10 zu einer vergrößerten Strahldivergenz in Querrichtung, also entlang der slow-axis führt.
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In 1B ist ein Halbleiterbauelement 9 mit einer Halbleiterlaserdiode 1 gemäß 1A und einer Wärmesenke 6 gezeigt, wobei die Halbleiterlaserdiode 1 mit einem Verbindungsmittel 65, etwa einem Lot an der Wärmesenke befestigt ist. Das Verbindungsmittel 65 grenzt an die Kontaktschicht 3 und an die wärmeableitende Schicht 4 unmittelbar an. Insbesondere befüllt das Verbindungsmittel 65 die Öffnungen 45 innerhalb der wärmeableitenden Schicht vollständig oder zumindest im Wesentlich vollständig. Im Unterschied zu dem in 2B dargestellten Temperaturverlauf bewirkt die wärmeableitende Schicht 4 einen Temperaturverlauf, der am Rand des Hauptemissionsbereichs 16 flacher abfällt. Zudem wird die im Bereich des Hauptemissionsbereichs 16 auftretende Maximaltemperatur mittels der wärmeableitenden Schicht deutlich abgesenkt.
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In Querrichtung ist die wärmeableitende Schicht 4 so strukturiert, dass eine Materialbelegung der Kontaktschicht 3 mit der wärmeableitenden Schicht 4 in den Bereichen am höchsten ist, in denen auch die Verlustleistungsdichte am höchsten ist. Die wärmeableitende Schicht ist in Draufsicht auf die Halbleiterlaserdiode mindestens zu 70 % ihrer gesamten Fläche oder mindestens 90 %, oder wie in 1B gezeigt, vollständig innerhalb des Bestromungsbereichs 19 angeordnet. Außerhalb des Bestromungsbereichs ist die Wärmeableitung aus der Halbleiterlaserdiode 1 mittels der wärmeableitenden Schicht also nicht oder zumindest nicht wesentlich erhöht, sodass sich das in 1C dargestellte flache Profil des Temperaturverlaufs in Querrichtung einstellt.
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Mittels der wärmeableitenden Schicht 4 ist lokal die Strecke reduziert, in der die Wärme in vertikaler Richtung das Verbindungsmittel 65 passieren muss. Da ein Verbindungsmittel wie beispielsweise ein üblicherweise verwendetes AuSn-Lot eine Wärmeleitfähigkeit von lediglich 50 W/(K*m) oder darunter aufweist, kann durch die Positionierung der wärmeableitenden Schicht 4 innerhalb des Verbindungsmittels 65 eine besonders starke Verbesserung der Wärmeableitungseigenschaften erzielt werden. Für die wärmeableitende Schicht eignet sich beispielsweise diamantähnlicher Kohlenstoff, welcher durch eine Plasmaabscheidung mit einer Wärmeleitfähigkeit von 500 W/(K*m) oder darüber hergestellt werden kann. Die Wärmeleitfähigkeit der wärmeableitenden Schicht kann also bis zu zehnmal höher sein als die Wärmeleitfähigkeit des Verbindungsmittels 65. Eine Verbesserung der Temperatureigenschaften wird jedoch auch mit einem Material für die wärmeableitende Schicht erzielt, das eine geringere Wärmeleitfähigkeit, nämlich eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 100 W/(K*m) aufweist. Insbesondere kann für die wärmeableitende Schicht auch ein anderes der im allgemeinen Teil im Zusammenhang mit der wärmeableitenden Schicht genannten Materialien Anwendung finden.
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Es hat sich gezeigt, dass auf diese Weise die Strahldivergenz in Querrichtung und damit das Strahlparameterprodukt reduziert werden können. Der beschriebene Halbleiter-Leitlaser eignet sich daher insbesondere besonders für eine Fasereinkopplung, da bei gleicher optischer Ausgangsleistung mehr Lichtleistung in die Faser eingekoppelt werden kann. Dies führt zu einem Kostenvorteil im System.
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Mit der beschriebenen Ausgestaltung der wärmeableitenden Schicht wird der unerwünschte Effekt der thermischen Linse in der Halbleiterlaserdiode insbesondere nicht oder zumindest nicht nur über eine Verschlechterung der thermischen Leitfähigkeit in Außenbereichen der Halbleiterlaserdiode, also in vergleichsweise großen Abständen zur Hauptabstrahlungsachse 18 erzielt, was zwangsläufig zu einer Erhöhung der Temperatur innerhalb der Halbleiterlaserdiode insgesamt und damit zu einer reduzierten Effizienz der Halbleiterlaserdiode führen würde. Vielmehr wird die Temperatur in der Halbleiterlaserdiode im Betrieb durch die wärmeableitende Schicht reduziert, insbesondere lokal in den Bereichen, in denen die Verlustleistungsdichte besonders hoch ist. Damit erhöht sich die Effizienz der Halbleiterlaserdiode und gleichzeitig verbessert sich die Strahlqualität.
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Mit anderen Worten wird der Negativeffekt der thermischen Linse insbesondere dadurch erreicht, dass in einem Wärmepfad zwischen dem aktiven Bereich 20 und der Wärmesenke 6 das vergleichsweise schlecht thermisch leitende Verbindungsmittel 65 stellenweise durch die wärmeableitende Schicht 4 ersetzt wird. Die elektrische Kontaktierung kann über die Bereiche der Kontaktschicht 3 erfolgen, die nicht von der wärmeableitenden Schicht 4 bedeckt sind.
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Beispielsweise ist die wärmeableitende Schicht in lateraler Richtung so ausgebildet, dass diese eine homogene laterale Stromeinprägung nicht oder zumindest nicht wesentlich behindert. Beispielsweise ist jeder beliebige Punkt in der wärmeableitenden Schicht 4 in Draufsicht auf die Halbleiterlaserdiode 1 höchstens 10 µm von der Kontaktschicht 3 entfernt.
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Die Öffnungen 45 der wärmeableitenden Schicht 4, in der die Kontaktschicht freiliegt, weisen vorzugsweise ein Aspektverhältnis von höchstens 1:1, insbesondere höchstens 1:1,5 oder 1:2 auf. Durch ein hinreichend niedriges Aspektverhältnis kann ein vollständiges Befüllen der Öffnungen 45 mit dem Verbindungsmittel 65 bei der Montage an der Wärmesenke vereinfacht erreicht werden.
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Weitere Ausführungsbeispiele für eine Halbleiterlaserdiode sind in den 3A und 3B in Schnittansicht gezeigt. Diese Ausführungsbeispiele entsprechen im Wesentlichen dem im Zusammenhang mit 1A beschriebenen Ausführungsbeispiel.
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Im Unterschied hierzu weist die Halbleiterlaserdiode 1 eine Wärmeblockierschicht 7 auf. Die Wärmeblockierschicht 7 ist insbesondere in einem Randbereich der Halbleiterlaserdiode angeordnet, etwa in einem größeren Abstand von der Hauptabstrahlungsachse als ein äußerer Rand des Bestromungsbereichs 19. Mittels der Wärmeblockierschicht 7 kann die Wärmeabfuhr im Randbereich der Halbleiterlaserdiode 1 gezielt verringert werden, sodass die Ausbildung eines vergleichsweise flach verlaufenden Temperaturprofils im Betrieb der Halbleiterlaserdiode weiter gefördert wird. Die Wärmeblockierschicht 7 befindet sich in einem thermischen Pfad von dem aktiven Bereich 20 in Richtung der Wärmesenke. In 3A ist die Wärmeblockierschicht 7 innerhalb der Kontaktschicht 3 angeordnet, in vertikaler Richtung gesehen befindet sich auf beiden Seiten der Wärmeblockierschicht 7 Material der Kontaktschicht 3.
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Bei dem in 3B dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Wärmeblockierschicht 7 auf der der Halbleiterschichtenfolge 2 zugewandten Seite der Kontaktschicht 3 angeordnet.
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Beispielsweise eignet sich für die Wärmeblockierschicht 7 Siliciumoxid oder ein anderes Material mit einer Wärmeleitfähigkeit von höchstens 30 W/(K*m), insbesondere von höchstens 10 W/(K*m).
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Die 4 und 5 zeigen jeweils ein Ausführungsbeispiel für eine Halbleiterlaserdiode, wobei diese Ausführungsbeispiele im Wesentlichen dem in 1A und 3A beschriebenen Ausführungsbeispielen entsprechen. Bei beiden Ausführungsbeispielen variiert die Materialbelegung der Kontaktschicht 3 mit der wärmeableitenden Schicht 4 ausgehend von der Hauptabstrahlungsachse 18 derart, dass die Materialbelegung mit zunehmendem Abstand von der Hauptabstrahlungsachse im Mittel abnimmt. Dies wird bei diesen Ausführungsbeispielen dadurch erreicht, dass die Teilbereiche 41 der wärmeableitenden Schicht 4 mit zunehmendem Abstand von der Hauptabstrahlungsachse 18 eine geringere Querausdehnung aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann auch der Abstand zwischen benachbarten Teilbereichen mit zunehmendem Abstand von der Hauptabstrahlungsachse 18 zunehmen.
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Die lokalen Wärmeableitungseigenschaften können so gezielt auf die jeweils lokal auftretende Verlustleistungsdichte, insbesondere im Bereich des Bestromungsbereichs 19 angepasst werden.
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In den 6A, 6B, 6C und 6D sind jeweils Ausführungsbeispiele für eine Halbleiterlaserdiode in Draufsicht dargestellt, wobei sich diese Ausführungsbeispiele hinsichtlich der lokalen Flächenbelegungsdichte der wärmeableitenden Schicht 4 unterscheiden.
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Bei dem in 6A dargestellten Ausführungsbeispiel weisen die Teilbereiche 41 der wärmeableitenden Schicht entlang der Hauptabstrahlungsachse eine konstante Breite auf. Die Teilbereiche sind in Querrichtung lateral nebeneinander angeordnet.
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Bei dem in 6B dargestellten Ausführungsbeispiel ist die wärmeableitende Schicht in Teilbereiche 41 unterteilt, die sowohl entlang der Hauptabstrahlungsachse 18 als auch senkrecht dazu in Querrichtung nebeneinander angeordnet sind.
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Im Unterschied zur 6A nimmt die Breite der Teilbereiche 41 in dem in 6C dargestellten Ausführungsbeispiel in Richtung der Strahlungsauskoppelfläche 10 stellenweise zu. Dadurch ist die Kontaktschicht im Bereich der Strahlungsauskoppelfläche 10 im Mittel stärker mit Material der wärmeableitenden Schicht 4 belegt als in Bereichen, die weiter von der Strahlungsauskoppelfläche beabstandet sind. Entlang der Hauptabstrahlungsachse ist die Temperatur im Bereich der Strahlungsauskoppelfläche 10 typischerweise am höchsten. Durch die beschriebene stärkere Belegung mit der wärmeableitenden Schicht 4 in diesen Bereich kann ein dadurch entstehender Temperaturgradient vermindert werden.
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Dieser Effekt kann auch bei der in 6D dargestellten Ausgestaltung der wärmeableitenden Schicht 4 erzielt werden.
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Bei dieser Ausgestaltung variiert der Abstand benachbarter Teilbereiche 41 der wärmeableitenden Schicht derart, dass der mittlere Abstand zwischen benachbarten Teilbereichen entlang der Hauptabstrahlungsachse 18 mit zunehmendem Abstand von der Strahlungsauskoppelfläche 10 zunimmt. Alternativ oder ergänzend kann die Ausdehnung der Teilbereiche 41 in lateraler Richtung, also entlang der Hauptabstrahlungsache 18 oder senkrecht dazu, mit zunehmendem Abstand von der Strahlungsauskoppelfläche 10 abnehmen.
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Die 7A bis 7C zeigen Ausführungsbeispiele für die Ausgestaltung der wärmeableitenden Schicht in vertikaler Richtung, also entlang der Richtung y. Diese Ausgestaltungen sind für alle vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele geeignet. Details der Halbleiterlaserdiode 1 sind zur vereinfachten Darstellung nicht explizit gezeigt und können wie vorstehend beschrieben ausgebildet sein. Bei dem in 7A dargestellten Ausführungsbeispiel weist die wärmeableitende Schicht 4 durchweg eine konstante Dicke, also eine konstante vertikale Ausdehnung, auf. Eine solche wärmeableitende Schicht ist besonders einfach herstellbar.
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Bei dem in 7B dargestellten Ausführungsbeispiel variiert die Dicke der wärmeableitenden Schicht 4. Insbesondere nimmt die Dicke mit zunehmendem Abstand von der Strahlungsauskoppelfläche 10 ab. Eine variierende Materialbelegung der Kontaktschicht mit der wärmeableitenden Schicht 4 kann in diesem Fall also allein oder zusätzlich durch eine Variation der Schichtdicke der wärmeableitenden Schicht 4 erzielt werden. Der Temperaturverlauf entlang der Hauptabstrahlungsachse kann so, wie in Zusammenhang mit den 6c und 6d beschrieben, an die erhöhte Verlustleistung und somit die erhöhte Temperatur im Bereich der Strahlungsauskoppelfläche 11 angepasst werden.
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Bei dem in 7C dargestellten Ausführungsbeispiel variiert die Dicke der wärmeableitenden Schicht 4 in Querrichtung. Insbesondere nimmt die Dicke mit zunehmendem Abstand von der Hauptabstrahlungsachse 18 ab. Selbstverständlich kann die wärmeableitende Schicht sowohl in Querrichtung als auch entlang der Haupterstreckungsachse bezüglich ihrer vertikalen Ausdehnung variieren.
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Mittels einer Variation der vertikalen Ausdehnung der wärmeableitenden Schicht 4 in Querrichtung kann, wie im Zusammenhang mit den 1A, 4 und 5 beschrieben, der Temperaturgradient in Querrichtung im Betrieb der Halbleiterlaserdiode einen flacheren Verlauf annehmen.
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Die in Zusammenhang mit den 7B und 7C beschriebene Variation der vertikalen Ausdehnung kann alternativ oder zusätzlich zu der lateralen Strukturierung der wärmeableitenden Schicht in Teilbereiche 41 und dazwischen angeordnete Öffnungen 45 erfolgen.
