DE112020007153T5

DE112020007153T5 - Halbleiterlasermaschine

Info

Publication number: DE112020007153T5
Application number: DE112020007153.7T
Authority: DE
Inventors: Tomohiro Kyoto; Daisuke Morita; Kimio Shigihara; Keisuke Furuta
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2020-08-12
Filing date: 2020-08-12
Publication date: 2023-03-02
Also published as: US11699890B2; US20230163559A1; JP6906721B1; WO2022034653A1; JPWO2022034653A1

Abstract

Eine Halbleiterlasermaschine (20) umfasst ein Halbleiterlaserelement (1) mit einer ersten Endfläche, die einen Laserstrahl emittiert, und einer zweiten Endfläche, die der ersten Endfläche gegenüberliegt; eine Wärmesenke (3); und einen Subträger (2), der das Halbleiterlaserelement (1) an der Wärmesenke (3) befestigt. Der Subträger (2) umfasst ein Substrat (11), das als thermische Spannungsabbau dient, eine Lotschicht (12), die mit dem Halbleiterlaserelement (1) verbunden ist; und eine Verbindungsschicht (14), die zwischen dem Substrat (11) und der Lotschicht (12) ausgebildet ist. Im Vergleich zu dem Halbleiterlaserelement (1), ist das Substrat (11) nach hinten von der ersten Endfläche in Richtung hin zu der zweiten Endfläche weitergeführt. Was die Lotschicht (12) und die Verbindungsschicht (14) anbelangt, ist ein Teil zumindest der Lotschicht (12) hinter der zweiten Endfläche entfernt.

Description

Gebiet
Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Halbleiterlasermaschine mit einem Halbleiterlaserelement.
Hintergrund
Eine Halbleiterlasermaschine, wie beispielsweise ein Faserlaser oder ein direkter Diodenlaser (DDL), umfasst ein Halbleiterlaserelement, das als lichtemittierende Quelle dient. Die Erhöhung der Ausgangsleistung der Halbleiterlasermaschine wird vor allem in Bearbeitungsbereichen wie beispielsweise dem Laserschneiden und Laserschweißen gefördert.
Um eine höhere Leistung zu erzielen, ist die Halbleiterlasermaschine mit einer Wärmesenke versehen, die das Halbleiterlaserelement kühlt. Die Halbleiterlasermaschine mit der Wärmesenke kann mit einem Subträger versehen sein, um die thermischen Spannungen im Halbleiterlaserelement abzubauen. Die Wärmespannungen ergeben sich aus einer Differenz zwischen den jeweiligen Wärmeausdehnungskoeffizienten des Halbleiterlaserelements und der Wärmesenke. Der Subträger wird durch Löten mit der Halbleiterlasermaschine und der Wärmesenke verbunden.
Wenn der Subträger an dem Halbleiterlaserelement gelötet wird, wird ein geschmolzenes Lotmaterial gegen das Halbleiterlaserelement gedrückt und kann eine Fläche des Halbleiterlaserelements erklimmen. Das Lotmaterial, das die Fläche des Halbleiterlaserelements erklommen hat, kann einen Kurzschluss zwischen einer aktiven Schicht des Halbleiterlaserelements und einer Lotschicht verursachen. Daher ist es für die Halbleiterlasermaschine wünschenswert, zu verhindern, dass das Lotmaterial die Fläche des Halbleiterlaserelements erklimmt.
Eine in der Patentliteratur 1 offenbarte Halbleiterlasermaschine umfasst ein Halbleiterlaserelement mit zwei Endflächen zum Emittieren eines Laserstrahls und einen mit dem Halbleiterlaserelement verbundenen Subträger. Bei der in der Patentliteratur 1 offenbarten Halbleiterlasermaschine ist in einer Richtung entlang der Resonatorlänge eine Länge des Subträgers kürzer als eine Resonatorlänge, die ein Abstand zwischen den Endflächen ist. Die Endflächen des Subträgers sind in Richtung einer Mitte der Resonatorlänge des Halbleiterlaserelements jeweils von den Endflächen des Halbleiterlaserelements zurückgesetzt. Daher ermöglicht diese Konfiguration, dass ein Lotmaterial an einer Fläche des Subträgers daran gehindert wird, die Endflächen des Halbleiterlaserelements zu erklimmen.
Zitierliste
Patentliteratur
Patentliteratur 1: Japanische Patentoffenlegung Nr. H05-183239
Überblick über die Erfindung
Technisches Problem
Gemäß der in Patentliteratur 1 beschriebenen herkömmlichen Technik ist die Länge des Subträgers in Richtung der Resonatorlänge um so viel kürzer, wie die Endflächen des Subträgers jeweils von den Endflächen des Halbleiterlaserelements zurückgesetzt sind. Dadurch weist der Subträger ein reduziertes Gesamtvolumen auf. Aufgrund des reduzierten Gesamtvolumens des Subträgers diffundiert weniger Wärme, die sich vom Halbleiterlaserelement zur Wärmesenke ausbreitet, in den Subträger. In diesem Fall weist die Halbleiterlasermaschine eine verschlechterte Effizienz von Wärmeausbreitung vom Halbleiterlaserelement zur Wärmesenke auf, was bedeutet, dass eine effiziente Wärmeableitung der Wärmesenke schwierig ist. Daher ist die Bereitstellung einer Halbleiterlasermaschine, die Kurzschlussausfall verhindern und Wärme effizient ableiten kann, ein schwieriges Problem für die herkömmliche Technik.
Die vorliegende Offenbarung wurde im Hinblick auf die oben genannten Ausführungen gemacht, und ein Ziel der vorliegenden Offenbarung ist es, eine Halbleiterlasermaschine bereitzustellen, die Kurzschlussausfall verhindern und Wärme effizient ableiten kann.
Lösung des Problems
Um das oben genannte Problem zu lösen und das Ziel zu erreichen, umfasst eine Halbleiterlasermaschine gemäß der vorliegenden Offenbarung: ein Halbleiterlaserelement mit einer ersten Endfläche, die einen Laserstrahl emittiert, und einer zweiten Endfläche, die der ersten Endfläche gegenüberliegt; eine Wärmesenke; und einen Subträger, der das Halbleiterlaserelement an der Wärmesenke befestigt. Der Subträger umfasst: ein Substrat, das als thermischer Spannungsabbau dient; eine Lotschicht, die mit dem Halbleiterlaserelement verbunden ist; und eine Verbindungsschicht, die zwischen dem Substrat und der Lotschicht ausgebildet wird. Im Vergleich zu dem Halbleiterlaserelement ist das Substrat nach hinten von der ersten Endfläche in Richtung hin zu der zweiten Endfläche weitergeführt. In einem Abschnitt hinter der zweiten Endfläche wird zumindest die Lotschicht aus der Lotschicht und der Verbindungsschicht entfernt.
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Die Halbleiterlasermaschine gemäß der vorliegenden Offenbarung kann Kurzschlussausfall verhindern und Wärme effizient ableiten.
Figurenliste

1 ist eine Draufsicht einer Halbleiterlasermaschine gemäß einer ersten Ausführungsform.
2 zeigt eine erste Schnittansicht der Halbleiterlasermaschine gemäß der ersten Ausführungsform.
3 zeigt eine zweite Schnittansicht der Halbleiterlasermaschine gemäß der ersten Ausführungsform.
4 zeigt eine Schnittansicht einer Abwandlung der Halbleiterlasermaschine gemäß der ersten Ausführungsform.
5 ist eine Draufsicht einer Halbleiterlasermaschine gemäß einer zweiten Ausführungsform.
6 zeigt eine Schnittansicht der Halbleiterlasermaschine gemäß der zweiten Ausführungsform.
7 zeigt ein Konfigurationsbeispiel einer Halbleiterlasermaschine gemäß der zweiten Ausführungsform, die einen isolierenden Subträger verwendet.
8 ist eine Draufsicht einer Halbleiterlasermaschine gemäß einer dritten Ausführungsform.
9 zeigt eine Schnittansicht der Halbleiterlasermaschine gemäß der dritten Ausführungsform.

Beschreibung der Ausführungsformen
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen wird im Folgenden eine ausführliche Beschreibung von Halbleiterlasermaschinen gemäß den Ausführungsformen gegeben.
Erste Ausführungsform
1 ist eine Draufsicht einer Halbleiterlasermaschine gemäß einer ersten Ausführungsform. 2 zeigt eine erste Schnittansicht der Halbleiterlasermaschine gemäß der ersten Ausführungsform. 3 zeigt eine zweite Schnittansicht der Halbleiterlasermaschine gemäß der ersten Ausführungsform.
Die Halbleiterlasermaschine 20 gemäß der ersten Ausführungsform umfasst: ein Halbleiterlaserelement 1; eine Wärmesenke 3, die das Halbleiterlaserelement 1 kühlt; und einen Subträger 2, die das Halbleiterlaserelement 1 an der Wärmesenke 3 befestigt.
Das Halbleiterlaserelement 1 ist ein flacher, plattenförmiger Laserdiodenstreifen mit einer Vielzahl von Emittern. Für das Halbleiterlaserelement 1 wird ein Galliumarsenid (GaAs)-Substrat als halbisolierendes Substrat verwendet. Das Halbleiterlaserelement 1 umfasst eine aktive Schicht 10, die als lichtemittierende Schicht dient. 1 zeigt eine Oberseite des Halbleiterlaserelements 1. Das Halbleiterlaserelement 1 ist an seiner Unterseite, die der Oberseite gegenüber liegt, mit dem Subträger 2 verbunden. Das Halbleiterlaserelement 1 umfasst: eine plattenförmige Elektrode 8 an der Oberseite des Halbleiterlaserelements 1; und eine plattenförmige Elektrode 9 an der Unterseite des Halbleiterlaserelements 1.
Das Halbleiterlaserelement 1 umfasst einen Beschichtungsfilm 6 an einer seiner mehreren Seitenflächen, die einen Laserstrahl emittiert, d.h. an einer ersten Endfläche. Das Halbleiterlaserelement 1 umfasst an einer anderen seiner Seitenflächen, d.h. einer zweiten Endfläche, die der ersten Endfläche gegenüberliegt, einen Beschichtungsfilm 7. Die erste Endfläche und die zweite Endfläche bilden einen Resonator. Der Beschichtungsfilm 6 reflektiert einen Teil des einfallenden Lichts und lässt einen anderen Teil des einfallenden Lichts durch. Der Beschichtungsfilm 7 reflektiert einfallendes Licht.
In dem Halbleiterlaserelement 1 wird das von der aktiven Schicht 10 erzeugte Licht im Resonator wiederholt reflektiert und dadurch verstärkt. Das im Resonator verstärkte Licht wird teilweise von dem Beschichtungsfilm 6 durchgelassen, sodass es als Laserstrahl von der ersten Endfläche des Halbleiterlaserelements 1 emittiert wird.
Die in 2 gezeigte Schnittansicht steht senkrecht zu einer optischen Achse des Resonators. Die in 3 gezeigte Schnittansicht umfasst die optische Achse des Resonators und steht senkrecht zu der in 2 gezeigten Schnittansicht. In der folgenden Beschreibung werden die Richtungen, in denen sich die optische Achse des Resonators erstreckt, als Richtungen der optischen Achse bezeichnet. Eine Richtung, die senkrecht zu den Richtungen der optischen Achse verläuft und in der das Halbleiterlaserelement 1 und der Subträger 2 auf der Wärmesenke 3 aufgeschichtet sind, wird als Aufschichtrichtung bezeichnet. Die in 2 und 3 gezeigten Schnittansichten werden beide entlang der Aufschichtrichtung betrachtet.
Der Subträger 2 umfasst: ein Substrat 11, das als thermischer Spannungsabbau dient; eine Lotschicht 12 und eine Verbindungsschicht 14, die zwischen dem Halbleiterlaserelement 1 und dem Substrat 11 ausgebildet werden; und eine Lotschicht 13 und eine Verbindungsschicht 15, die zwischen der Wärmesenke 3 und dem Substrat 11 ausgebildet werden. Die Lotschicht 12 ist eine erste Lotschicht, die mit dem Halbleiterlaserelement 1 verbunden ist. Die Verbindungsschicht 14 ist eine erste Verbindungsschicht, die zwischen dem Substrat 11 und der Lotschicht 12 ausgebildet wird. Die Lotschicht 13 ist eine zweite Lotschicht, die mit der Wärmesenke 3 verbunden ist. Die Verbindungsschicht 15 ist eine zweite Verbindungsschicht, die zwischen dem Substrat 11 und der Lotschicht 13 ausgebildet wird.
Bei der ersten Ausführungsform ist der Subträger 2 elektrisch leitend. Für das Substrat 11 des elektrisch leitenden Subträgers 2 wird ein elektrisch leitendes Material verwendet. Ein Leitungsdraht 4 ist mit der Elektrode 8 verbunden. Ein Leitungsdraht 5 ist mit der Wärmesenke 3 verbunden. Die Leitungsdrähte 4 und 5 sind mit einer Stromversorgung verbunden. Die Spannungsversorgung ist nicht dargestellt. Zwischen den Leitungsdrähten 4 und 5 wird eine Spannung angelegt, wodurch das Halbleiterlaserelement 1 mit Strom versorgt wird.
Ein Material, das für das Substrat 11 verwendet wird, weist einen Wärmeausdehnungskoeffizienten, der zwischen dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Halbleiterlaserelements 1 und dem Wärmeausdehnungskoeffizienten der Wärmesenke 3 liegt. Für das Substrat 11 kann ein Material mit demselben Wärmeausdehnungskoeffizienten wie das Halbleiterlaserelement 1 verwendet werden. Daher baut das Substrat 11 die Wärmespannung im Halbleiterlaserelement 1 ab. Das für das Substrat 11 verwendete Material weist außerdem eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit auf, um die Wärme vom Halbleiterlaserelement 1 zur Wärmesenke 3 effizient zu leiten. Das für das Substrat 11 des elektrisch leitenden Subträgers 2 verwendete Material ist beispielsweise Kupfer-Wolfram.
Die Verbindungsschichten 14 und 15 bestehen aus einem metallischen Material mit ausgezeichneter elektrischer Leitfähigkeit. Das metallische Material, das für die Verbindungsschichten 14 und 15 verwendet wird, ist beispielsweise Gold, Kupfer oder ein Verbundwerkstoff aus Gold und Zinn. Aufgrund der Verbindungsschichten 14 und 15 in der Halbleiterlasermaschine 20 wird eine gleichmäßige Energieversorgung des Halbleiterlaserelements 1 möglich.
In einem Verfahren zum Herstellen der Halbleiterlasermaschine 20 wird das Halbleiterlaserelement 1 über ein geschmolzenes Lotmaterial an der an dem Substrat 11 ausgebildeten Verbindungsschicht 14 angeordnet. Das Halbleiterlaserelement 1 wird mit dem Subträger 2 verbunden, wenn das Lotmaterial abkühlt und sich verfestigt. Die an dem Substrat 11 ausgebildete Verbindungsschicht 15 wird über ein geschmolzenes Lotmaterial auf der Wärmesenke 3 angeordnet. Der Subträger 2 wird mit der Wärmesenke 3 verbunden, wenn das Lotmaterial abkühlt und sich verfestigt. Die Lotschichten 12 und 13 ergeben sich aus der Verfestigung des geschmolzenen Lotmaterials.
Für die Verbindung des Halbleiterlaserelements 1 mit dem Subträger 2 kann eine Folie aus Lotmaterial verwendet werden. In diesem Fall wird das Halbleiterlaserelement 1 über die ungeschmolzene Folie aus Lotmaterial an der an dem Substrat 11 ausgebildeten Verbindungsschicht 14 angeordnet. Die Folie aus Lotmaterial wird durch Erhitzen geschmolzen und dann verfestigt, wodurch das Halbleiterlaserelement 1 mit dem Subträger 2 verbunden wird. Für die Verbindung des Subträgers 2 mit der Wärmesenke 3 kann ebenso wie für die Verbindung des Halbleiterlaserelements 1 mit dem Subträger 2 eine Folie aus Lotmaterial verwendet werden.
Für die Wärmesenke 3 wird ein Material mit höherer Wärmeleitfähigkeit verwendet, wie beispielsweise ein metallisches Material wie Kupfer oder Silber. Die Wärmesenke 3 kann eine so genannte wassergekühlte Wärmesenke sein, die einen Kanal umfasst, durch den Kühlwasser fließen kann. Während das Kühlwasser zirkuliert, wird die Wärmesenke 3 gekühlt. Die Wärmesenke 3 ist nicht auf diejenige beschränkt, die durch das zirkulierende Kühlwasser gekühlt wird. Um gekühlt zu werden, kann die Wärmesenke 3 auf einen Kühlblock gesetzt werden, durch den Kühlwasser fließen kann. Die Wärmesenke 3 kann auf eine Kühlquelle wie beispielsweise eine Peltier-Vorrichtung gesetzt werden.
In der folgenden Beschreibung ist eine Vorwärtsrichtung von der zweiten Endfläche zur ersten Endfläche und eine Rückwärtsrichtung von der ersten Endfläche zur zweiten Endfläche. Bei der ersten Ausführungsform ist das Substrat 11 ein rechteckiges Parallelepiped, das im Vergleich zum Halbleiterlaserelement 1 nach hinten weitergeführt ist. Das Substrat 11 weist eine hintere Endfläche auf, die sich hinter der zweiten Endfläche befindet. Das Substrat 11 weist eine vordere Endfläche auf, die sich hinter der ersten Endfläche befindet. Das Substrat 11 ist in Richtung der optischen Achse länger als das Halbleiterlaserelement 1.
Bei der ersten Ausführungsform sind die jeweiligen Teilen der Lotschicht 12 und der Verbindungsschicht 14 hinter der zweiten Endfläche entfernt. Die Lotschicht 12 und die Verbindungsschicht 14 weisen ihre jeweiligen Hinterkanten auf, die vor der zweiten Endfläche positioniert sind. Die Lotschicht 12 weist in Richtung der optischen Achse eine Vorderkante auf, die mit der vorderen Endfläche des Substrats 11 ausgerichtet ist. Die Verbindungsschicht 14 weist in Richtung der optischen Achse eine Vorderkante auf, die mit der vorderen Endfläche des Substrats 11 ausgerichtet ist. Die Lotschicht 12 und die Verbindungsschicht 14 sind beide kürzer als das Halbleiterlaserelement 1 in Richtung der optischen Achse. Die Lotschicht 12 und die Verbindungsschicht 14 können beide die gleiche Länge wie das Halbleiterlaserelement 1 in Richtung der optischen Achse aufweisen.
Die Lotschicht 13 weist in Richtung der optischen Achse eine Hinterkante auf, die mit der hinteren Endfläche des Substrats 11 ausgerichtet ist. Die Verbindungsschicht 15 weist in Richtung der optischen Achse eine Hinterkante auf, die mit der hinteren Endfläche des Substrats 11 ausgerichtet ist. Eine Vorderkante der Lotschicht 13 ist mit der vorderen Endfläche des Substrats 11 ausgerichtet. Eine Vorderkante der Verbindungsschicht 15 ist mit der vorderen Endfläche des Substrats 11 ausgerichtet. Die Lotschicht 13 und die Verbindungsschicht 15 sind beide länger als das Halbleiterlaserelement 1 in Richtung der optischen Achse. Somit sind das Substrat 11, die Lotschicht 13 und die Verbindungsschicht 15 im Vergleich zum Halbleiterlaserelement 1 nach hinten weitergeführt.
Bei dem Herstellungsverfahren der Halbleiterlasermaschine 20 gemäß der ersten Ausführungsform wird das Lotmaterial, das zum Verbinden des Halbleiterlaserelements 1 mit dem Subträger 2 verwendet wird, nicht hinter der zweiten Endfläche angeordnet. Dadurch wird verhindert, dass das geschmolzene Lotmaterial während des Lötens des Halbleiterlaserelements 1 gegen das Halbleiterlaserelement 1 gepresst wird und die zweite Endfläche erklimmt. Da das Lotmaterial daran gehindert wird, die zweite Endfläche zu erklimmen, ist ein Kurzschluss zwischen der aktiven Schicht 10 und der Lotschicht 12 vermeidbar.
Bei der ersten Ausführungsform ist die Lotschicht 12 nicht über die erste Endfläche hinaus nach vorne vorgesehen. Da das Lotmaterial nicht vor der ersten Endfläche vorgesehen ist, wird das Lotmaterial auch daran gehindert, die erste Endfläche zu erklimmen.
Die gestrichelten Pfeile in 2 und 3 zeigen, wie sich die Wärme vom Halbleiterlaserelement 1 zur Wärmesenke 3 ausbreitet. Bei der ersten Ausführungsform ist das Substrat 11 im Vergleich zum Halbleiterlaserelement 1 nach hinten weitergeführt. Nachdem sich die Wärme vom Halbleiterlaserelement 1 durch die Lotschicht 12 und die Verbindungsschicht 14 zum Substrat 11 ausgebreitet hat, findet daher eine rückwärtige Wärmediffusion im Substrat 11 über die zweite Endfläche hinaus statt.
Da das Substrat 11, die Lotschicht 13 und die Verbindungsschicht 15 im Vergleich zum Halbleiterlaserelement 1 nach hinten weitergeführt sind, breitet sich die diffundierte Wärme vom Substrat 11 über die Verbindungsschicht 15 und die Lotschicht 13 zur Wärmesenke 3 aus. Da die Wärme des Halbleiterlaserelements 1 in dem Subträger 2 diffundiert, kann die Halbleiterlasermaschine 20 die Wärmeausbreitung vom Halbleiterlaserelement 1 zur Wärmesenke 3 fördern. Daher kann die Halbleiterlasermaschine 20 Kurzschlussausfall verhindern und eine effiziente Wärmeableitung erreichen.
Da die Halbleiterlasermaschine 20 die Wärme des Halbleiterlaserelements 1 effizient ableiten kann, kann die Dehnung des Halbleiterlaserelements 1, die durch seine Temperaturverteilung verursacht wird, reduziert werden. Folglich kann die Halbleiterlasermaschine 20 die Verschlechterung der Strahlqualität, die sich aus der Dehnung des Halbleiterlaserelements 1 ergibt, reduzieren. Da die Halbleiterlasermaschine 20 eine effiziente Ableitung der Wärme des Halbleiterlaserelements 1 ermöglicht, wird auch die Verschlechterung des Halbleiterlaserelements 1 unterdrückt, was zu einer längeren Lebensdauer des Halbleiterlaserelements 1 führt.
Unter einer Vielzahl der Seitenflächen des Halbleiterlaserelements 1 werden die Seitenflächen mit Ausnahme der ersten und zweiten Endflächen als eine rechte Seitenfläche und eine linke Seitenfläche bezeichnet. Die rechte und die linke Seitenfläche sind einander nach links und rechts zugewandt. Das Substrat 11 ist im Vergleich zum Halbleiterlaserelement 1 ebenfalls nach links und rechts weitergeführt. Bei der ersten Ausführungsform können Teile der Lotschicht 12 und der Verbindungsschicht 14 von Teilen des Substrats 11 entfernt werden, die vom Halbleiterlaserelement 1 nach links und rechts weitergeführt sind, ebenso wie die entsprechenden Teile dieser Schichten 12 und 14 von einem Teil des Substrats 11 entfernt werden, der von der zweiten Endfläche nach hinten weitergeführt ist. Dadurch wird auch verhindert, dass das Lotmaterial die rechte und linke Seitenfläche erklimmt. Daher kann die Halbleiterlasermaschine 20 Kurzschlussausfall verhindern.
Gemäß der ersten Ausführungsform ist das Substrat 11 der Halbleiterlasermaschine 20 im Vergleich zum Halbleiterlaserelement 1 nach hinten weitergeführt, und die jeweiligen Teile der Lotschicht 12 und der Verbindungsschicht 14 sind hinter der zweiten Endfläche entfernt. Daher kann die Halbleiterlasermaschine 20 Kurzschlussausfall verhindern und die Wärme effizient ableiten.
4 zeigt eine Schnittansicht einer Halbleiterlasermaschine gemäß der ersten Ausführungsform. Ähnlich wie die in 3 gezeigte Schnittansicht umfasst die in 4 gezeigte Schnittansicht die optische Achse des Resonators und steht senkrecht zu der in 2 dargestellten Schnittansicht. Bei der Abwandlung gemäß der ersten Ausführungsform ist ein Abstand Δz zwischen der Hinterkante der Lotschicht 12 und einer hinteren Endfläche des Subträgers 2 größer als eine Dicke t eines Abschnitts des Subträgers 2, der die hintere Endfläche umfasst.
Um die Wärmeausbreitung von dem Halbleiterlaserelement 1 zu der Wärmesenke 3 zu fördern, sollte das Substrat 11 in Richtung der optischen Achse eine Abmessung aufweisen, die es ermöglicht, dass sich ein Wärmeübertragungspfad in dem Substrat 11 in einem Winkel von etwa 45 Grad zu der aufgeschichteten Richtung erstreckt. Die Erfüllung von Δz > t stellt sicher, dass sich der Wärmeübertragungspfad in einem Abschnitt des Substrats 11, der von der zweiten Endfläche nach hinten weitergeführt ist, um etwa 45 Grad erstreckt. Daher ermöglicht diese Halbleiterlasermaschine 20, die Δz > t erfüllt, die Diffusion von Wärme im Substrat 11 für eine effiziente Wärmeableitung. Die Halbleiterlasermaschine 20, die in der Abwandlung gemäß der ersten Ausführungsform dargestellt ist, kann Kurzschlussausfall verhindern und Wärme effizient ableiten.
Zweite Ausführungsform
5 ist eine Draufsicht einer Halbleiterlasermaschine gemäß einer zweiten Ausführungsform. 6 zeigt eine Schnittansicht der Halbleiterlasermaschine gemäß der zweiten Ausführungsform. In der Halbleiterlasermaschine 21 gemäß der zweiten Ausführungsform werden nicht sowohl die Lotschicht 12 als auch die Verbindungsschicht 14, sondern nur Teil der Lotschicht 12 hinter der zweiten Endfläche des Halbleiterlaserelements 1 entfernt. Bei der zweiten Ausführungsform weisen die Bestandteile, die mit denen bei der oben beschriebenen ersten Ausführungsform identisch sind, die gleichen Bezugszeichen auf, und es werden hauptsächlich die Unterschiede zur ersten Ausführungsform beschrieben. Die in 6 gezeigte Schnittansicht umfasst die optische Achse und wird entlang der Aufschichtrichtung betrachtet.
Die Verbindungsschicht 14 weist in Richtung der optischen Achse eine Hinterkante auf, die mit der hinteren Endfläche des Substrats 11 ausgerichtet ist. Die Verbindungsschicht 14 weist die gleiche Länge wie das Substrat 11 in Richtung der optischen Achse auf. Daher ist bei der zweiten Ausführungsform nur die Verbindungsschicht 14 und nicht sowohl die Lotschicht 12 als auch die Verbindungsschicht 14 im Vergleich zum Halbleiterlaserelement 1 nach hinten weitergeführt. Der Teil der Lotschicht 12 wird hinter der zweiten Endfläche entfernt.
Bei der zweiten Ausführungsform kann der Subträger 2 entweder elektrisch leitend oder isolierend sein. 5 zeigt ein Konfigurationsbeispiel, bei dem ein elektrisch leitender Subträger 2 verwendet wird. Wenn der elektrisch leitende Subträger 2 verwendet wird, ist der Leitungsdraht 5 mit der Wärmesenke 3 verbunden.
7 zeigt ein Konfigurationsbeispiel einer Halbleiterlasermaschine gemäß der zweiten Ausführungsform, bei der der isolierende Subträger verwendet wird. Für das Substrat 11 des isolierenden Subträgers 2 wird ein isolierendes Material verwendet. Der Leitungsdraht 4 ist mit der Elektrode 8 in ähnlicher Weise verbunden wie im Fall des elektrisch leitenden Subträgers 2. Anders als bei dem elektrisch leitenden Subträger 2 ist der Leitungsdraht 5 mit der Verbindungsschicht 14 verbunden. Für das Substrat 11 des isolierenden Subträgers 2 wird ein keramisches Material wie Aluminiumnitrid oder Siliziumkarbid verwendet.
Bei der zweiten Ausführungsform liegt die Verbindungsschicht 14 hinter der zweiten Endfläche frei, sodass es möglich ist, das Halbleiterlaserelement 1 über die Verbindungsschicht 14 mit Strom zu versorgen. Daher wird die Verbindungsschicht 14 bei der zweiten Ausführungsform als Zuführungseinheit verwendet, was die Verwendung des isolierenden Subträgers 2 ermöglicht. Wenn es sich bei der Wärmesenke 3 um eine wassergekühlte Wärmesenke handelt, wird durch die Verwendung des isolierenden Subträgers 2 elektrolytische Korrosion verhindert, die ein Problem im Zusammenhang mit wassergekühlten Wärmesenken darstellt.
Im Herstellungsprozess der Halbleiterlasermaschine 21 gemäß der zweiten Ausführungsform wird ein Lotmaterial, das zum Verbinden des Halbleiterlaserelements 1 mit dem Subträger 2 verwendet wird, nicht hinter der zweiten Endfläche angeordnet. Dadurch wird verhindert, dass das geschmolzene Lotmaterial während des Lötens des Halbleiterlaserelements 1 gegen das Halbleiterlaserelement 1 gepresst wird und die zweite Endfläche erklimmt. Da das Lotmaterial daran gehindert wird, die zweite Endfläche zu erklimmen, ist ein Kurzschluss zwischen der aktiven Schicht 10 und der Lotschicht 12 vermeidbar. Wie bei der ersten Ausführungsform ist auch bei der zweiten Ausführungsform das Substrat 11 im Vergleich zum Halbleiterlaserelement 1 nach hinten weitergeführt. Daher kann die Halbleiterlasermaschine 21 Kurzschlussausfall verhindern und Wärme effizient ableiten.
Bei der zweiten Ausführungsform können Teile der Lotschicht 12 von den Teilen des Substrats 11 entfernt werden, die vom Halbleiterlaserelement 1 nach links und rechts weitergeführt sind, ebenso wie der Teil der Lotschicht 12 von dem Teil des Substrats 11 entfernt wird, der von der zweiten Endfläche nach hinten weitergeführt ist. Dadurch wird auch verhindert, dass das Lotmaterial die rechte und linke Seitenfläche erklimmt. Daher kann die Halbleiterlasermaschine 21 Kurzschlussausfall verhindern.
Wie bei der Abwandlung gemäß der ersten Ausführungsform können auch bei der zweiten Ausführungsform der Abstand Δz zwischen der Hinterkante der Lotschicht 12 und der hinteren Endfläche des Subträgers 2 und die Dicke t des Abschnitts des Subträgers 2, der die hintere Endfläche umfasst, Δz > t erfüllen. Auf diese Weise kann die Halbleiterlasermaschine 21 Kurzschlussausfall verhindern und Wärme effizient ableiten.
Gemäß der zweiten Ausführungsform ist der Teil der Lotschicht 12 der Halbleiterlasermaschine 21 hinter der zweiten Endfläche entfernt. Daher kann die Halbleiterlasermaschine 21 einen Kurzschluss verhindern und die Wärme effizient ableiten.
Gemäß der ersten und zweiten Ausführungsform ist das Substrat 11 jeder der Halbleiterlasermaschinen 20 und 21 im Vergleich zum Halbleiterlaserelement 1 nach hinten weitergeführt, und was die Lotschicht 12 und die Verbindungsschicht 14 anbelangt, ist der Teil zumindest der Lötschicht 12 hinter der zweiten Endfläche entfernt. Daher kann jede der Halbleiterlasermaschinen 20 und 21 den Kurzschlussausfall verhindern und die Wärme effizient ableiten.
Dritte Ausführungsform
8 ist eine Draufsicht einer Halbleiterlasermaschine gemäß einer dritten Ausführungsform. 9 zeigt eine Schnittansicht der Halbleiterlasermaschine gemäß der dritten Ausführungsform. In der Halbleiterlasermaschine 22 gemäß der dritten Ausführungsform ist das Substrat 11 nach vorne über die erste Endfläche des Halbleiterlaserelements 1 hinaus weitergeführt, sodass es im Vergleich zum Halbleiterlaserelement 1 weitergeführt ist. Bei der dritten Ausführungsform weisen Bestandteile, die mit denen der oben beschriebenen ersten oder zweiten Ausführungsform identisch sind, die gleichen Bezugszeichen auf, und es werden hauptsächlich die Unterschiede zur ersten oder zweiten Ausführungsform beschrieben. Die in 9 gezeigte Schnittansicht umfasst die optische Achse und wird entlang der Aufschichtrichtung betrachtet.
Das Substrat 11 ist im Vergleich zum Halbleiterlaserelement 1 nach hinten und vorne weitergeführt. Die vordere Endfläche des Substrats 11 befindet sich vor der ersten Endfläche. Das Substrat 11 ist in Richtung der optischen Achse länger als das Halbleiterlaserelement 1.
Wie bei der zweiten Ausführungsform werden auch bei der dritten Ausführungsform nicht sowohl die Lotschicht 12 als auch die Verbindungsschicht 14, sondern nur Teil der Lotschicht 12 hinter der zweiten Endfläche des Halbleiterlaserelements 1 entfernt. Vor der ersten Endfläche des Halbleiterlaserelements 1 wird nur Teil der Lotschicht 12, nicht Teil der Lotschicht 12 und der Verbindungsschicht 14, entfernt. Die Verbindungsschicht 14 weist in Richtung der optischen Achse eine Vorderkante auf, die mit der vorderen Endfläche des Substrats 11 ausgerichtet ist. Entsprechende Abschnitte des Substrats 11 und der Verbindungsschicht 14, die von der ersten Endfläche nach vorne weitergeführt sind, weisen in Richtung der optischen Achse Längen auf, die nicht dazu führen, dass ein diffundierender Laserstrahl von der ersten Endfläche des Halbleiterlaserelements 1 mit der Verbindungsschicht 14 interferiert.
Das Substrat 11 ist bei der dritten Ausführungsform im Vergleich zum Halbleiterlaserelement 1 nach hinten und vorne weitergeführt. Wärme, die sich vom Halbleiterlaserelement 1 über die Lotschicht 12 und die Verbindungsschicht 14 zum Substrat 11 ausgebreitet hat, wird im Substrat 11 über die zweite Endfläche hinaus nach hinten und über die erste Endfläche hinaus nach vorne diffundiert. Da die rückwärtige Wärmediffusion und die vorwärtige Wärmediffusion im Substrat 11 stattfinden, kann die Halbleiterlasermaschine 22 die Wärmeausbreitung vom Halbleiterlaserelement 1 zur Wärmesenke 3 fördern. Daher kann die Halbleiterlasermaschine 22 Kurzschlussausfall verhindern und Wärme effizient ableiten.
Bei der dritten Ausführungsform der Halbleiterlasermaschine 22 ist es möglich, die Kühleffizienz in der Nähe der ersten Endfläche zu verbessern, wo die Temperatur im Halbleiterlaserelement 1 leicht ansteigt, weil die Wärme über die erste Endfläche hinaus in das Substrat 11 diffundiert. Da es in der Halbleiterlasermaschine 22 möglich ist, die Kühleffizienz in der Nähe der ersten Endfläche zu verbessern, wird eine Verschlechterung des Halbleiterlaserelements 1 unterdrückt, und die Lebensdauer des Halbleiterlaserelements 1 wird verlängert.
Im Herstellungsprozess der Halbleiterlasermaschine 22 gemäß der dritten Ausführungsform wird ein Lotmaterial, das zum Verbinden des Halbleiterlaserelements 1 mit dem Subträger 2 verwendet wird, nicht vor der ersten Endfläche angeordnet. Dadurch wird verhindert, dass das geschmolzene Lotmaterial beim Löten des Halbleiterlaserelements 1 gegen das Halbleiterlaserelement 1 gepresst wird und die erste Endfläche erklimmt. Da das Lotmaterial daran gehindert wird, die erste Endfläche zu erklimmen, ist ein Kurzschluss zwischen der aktiven Schicht 10 und der Lotschicht 12 vermeidbar.
Bei der dritten Ausführungsform können die Lotschicht 12 und die Verbindungsschicht 14 sowohl hinter der zweiten Endfläche als auch vor der ersten Endfläche entfernt werden. Auch diese Halbleiterlasermaschine 22 verhindert Kurzschlüsse zwischen der aktiven Schicht 10 und der Lotschicht 12.
Bei der dritten Ausführungsform können Teile der Lotschicht 12 von den Teilen des Substrats 11 entfernt werden, die vom Halbleiterlaserelement 1 nach links und rechts weitergeführt sind. Dadurch wird auch verhindert, dass das Lotmaterial die rechte und linke Seitenfläche erklimmt. Daher kann die Halbleiterlasermaschine 22 Kurzschlussausfall verhindern.
Wie bei der Abwandlung gemäß der ersten Ausführungsform können der Abstand Δz zwischen der hinteren Kante der Lotschicht 12 und der hinteren Endfläche des Subträgers 2 und die Dicke t des Abschnitts des Subträgers 2, der die hintere Endfläche umfasst, bei der dritten Ausführungsform Δz > t erfüllen. Auf diese Weise kann die Halbleiterlasermaschine 22 Kurzschlussausfall verhindern und Wärme effizient ableiten.
Gemäß der dritten Ausführungsform ist das Substrat 11 der Halbleiterlasermaschine 22 im Vergleich zum Halbleiterlaserelement 1 nach vorne weitergeführt, und die Lotschicht 12 ist vor der ersten Endfläche entfernt. Daher kann die Halbleiterlasermaschine 22 Kurzschlussausfall verhindern und Wärme effizient ableiten.
Die oben genannten Konfigurationen, die bei den Ausführungsformen dargestellt sind, veranschaulichen den Inhalt der vorliegenden Offenbarung. Die Konfigurationen der Ausführungsformen können mit anderen Techniken, die allgemein bekannt sind, kombiniert werden. Die Konfigurationen der Ausführungsformen können in geeigneter Weise miteinander kombiniert werden. Die Konfigurationen der Ausführungsformen können teilweise weggelassen oder geändert werden, ohne vom Kern der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.
Bezugszeichenliste

1: Halbleiterlaserelement;
2: Subträger;
3: Wärmesenke;
4, 5: Leitungsdraht;
6, 7: Beschichtungsfilm;
8, 9: Elektrode;
10: aktive Schicht;
11: Substrat;
12, 13: Lotschicht;
14, 15: Verbindungsschicht;
20, 21, 22: Halbleiterlasermaschine.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP H05183239 [0006]

Claims

Halbleiterlasermaschine, umfassend: ein Halbleiterlaserelement mit einer ersten Endfläche, die dazu konfiguriert ist, einen Laserstrahl zu emittieren, und einer zweiten Endfläche, die der ersten Endfläche gegenüberliegt; eine Wärmesenke; und einen Subträger, der dazu konfiguriert ist, das Halbleiterlaserelement an der Wärmesenke zu befestigen, wobei der Subträger umfasst: ein Substrat, das dazu konfiguriert ist, thermische Spannungen abzubauen; eine Lotschicht, die mit dem Halbleiterlaserelement verbunden ist; und eine Verbindungsschicht, die zwischen dem Substrat und der Lotschicht ausgebildet ist, wobei das Substrat im Vergleich zu dem Halbleiterlaserelement nach hinten von der ersten Endfläche in Richtung hin zu der zweiten Endfläche weitergeführt ist, und wobei, was die Lotschicht und die Verbindungsschicht anbelangt, ein Teil zumindest der Lotschicht hinter der zweiten Endfläche entfernt ist.
Halbleiterlasermaschine nach Anspruch 1, wobei der Subträger umfasst: eine erste Lotschicht als die Lotschicht, die mit dem Halbleiterlaserelement verbunden ist; eine erste Verbindungsschicht als die Verbindungsschicht, die zwischen dem Substrat und der ersten Lotschicht ausgebildet ist; eine zweite Lotschicht, die mit der Wärmesenke verbunden ist; und eine zweite Verbindungsschicht, die zwischen dem Substrat und der zweiten Lotschicht ausgebildet ist, wobei das Substrat, die zweite Lotschicht und die zweite Verbindungsschicht im Vergleich zu dem Halbleiterlaserelement nach hinten weitergeführt sind.
Halbleiterlasermaschine nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein Abstand zwischen einer Hinterkante der Lotschicht und einer hinteren Endfläche des Subträgers größer ist als eine Dicke eines Teils des Subträgers, der die hintere Endfläche umfasst.
Halbleiterlasermaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Verbindungsschicht im Vergleich zu dem Halbleiterlaserelement nach hinten weitergeführt ist.
Halbleiterlasermaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Subträger im Vergleich zum Halbleiterlaserelement nach vorne von der zweiten Endfläche in Richtung hin zu der ersten Endfläche weitergeführt ist, und wobei, was die Lotschicht und die Verbindungsschicht anbelangt, ein Teil zumindest der Lotschicht vor der ersten Endfläche entfernt ist.