JPH11346031A - Diode laser element and manufacture thereof - Google Patents

Diode laser element and manufacture thereof

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JPH11346031A
JPH11346031A JP11134768A JP13476899A JPH11346031A JP H11346031 A JPH11346031 A JP H11346031A JP 11134768 A JP11134768 A JP 11134768A JP 13476899 A JP13476899 A JP 13476899A JP H11346031 A JPH11346031 A JP H11346031A
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carrier
substrate
laser
diode laser
laser body
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JP11134768A
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Japanese (ja)
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Lorenzen Dierk
ロレンツェン ディルク
Franz Daiminger
ダイミンガー フランツ
Friedhelm Dorsch
ドルシュ フリートヘルム
Dusch Kacha
ジュース カーチャ
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Jenoptik AG
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Jenoptik Jena GmbH
Jenoptik AG
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a diode laser element, which is constituted of a carrying body and a base body having the largest heat conduction power and is provided with a bar-shaped laser body and a heat sink coupled with the laser body so that a stress and a curve are not generated in the heat sink, and a method of manufacturing the element. SOLUTION: A base body 1 is constituted as a fine stripe part body formed by arranging individual fine stripe parts 1b in the widthwise direction of a laser body, whereby the fine body 1 is formed so that a thermal expansion part to adapt to the thermal expansion of the laser body is generated at 25% or lower at the region of a laser body 3 mounting surface of the upper surface of a fine stripe part 1b column being surface-coupled with a carrying body 2.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明が属する技術分野】本発明は、延べ棒状のレーザ
ー体とヒートシンクとを有し、ヒートシンクが担持体を
備え、担持体が、高熱伝導能の誘電性基体と面結合する
ように取付けられるレーザー体の熱膨張係数よりも実質
的に大きな熱膨張係数を持った材料から成り、基体の上
面に、電流誘導と電気接点用の金属化部分が設けられ、
該金属化部分上に蝋材を用いてレーザー体が取付けられ
ているダイオードレーザー素子及びその製造方法に関す
るものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a laser having a bar-shaped laser body and a heat sink, the heat sink including a carrier, and the carrier being mounted so as to be surface-coupled to a dielectric substrate having a high thermal conductivity. Made of a material having a coefficient of thermal expansion substantially greater than that of the body, provided on the top surface of the substrate with metallized portions for current induction and electrical contacts,
The present invention relates to a diode laser device having a laser body mounted on the metallized portion by using a brazing material, and a method for manufacturing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】高出力ダイオードレザーとは、互いにa
だけずらして並設されている幅bのエミッターのn個のレ
ーザーダイオードの列から成る延べ棒状の半導体レーザ
ー体(以下単にレーザー体と記す)である。光学的共振
の長さrは、通常レーザー体の全幅B=n・aよりもかなり
短い。高出力ダイオードレーザーに対する典型的な値は
n=7...100、b=10...500μm、a=2
0...2000μm、r=0.3...2mm、B=
2...15mmの範囲である。エミッター幅とエミッ
ターのずれとの比であるf=b/aは、20%(連続波作
動)と90%(パルス作動)の間で変化する。最近で
は、高出力ダイオードレーザーの光学的出力は5Wない
し280Wに達する。高出力ダイオードレーザーは主に
半導体材料である、80μmないし150μm厚のガリウ
ム砒素(GaAs)から成っている。
2. Description of the Related Art High power diode lasers are
This is a bar-shaped semiconductor laser body (hereinafter simply referred to as a laser body) consisting of a row of n laser diodes of emitters of width b which are juxtaposed with each other. The length r of the optical resonance is usually much shorter than the overall width B = na of the laser body. Typical values for high power diode lasers are
n = 7. . . 100, b = 10. . . 500 μm, a = 2
0. . . 2000 μm, r = 0.3. . . 2 mm, B =
2. . . The range is 15 mm. The ratio of the emitter width to the emitter offset, f = b / a, varies between 20% (continuous wave operation) and 90% (pulse operation). Recently, the optical power of high power diode lasers has reached 5W to 280W. High power diode lasers are mainly made of semiconductor material, gallium arsenide (GaAs) with a thickness of 80 μm to 150 μm.

【0003】種々の損失機構のために、ダイオードレザ
ーに供給される電力のうちわずか20%ないし60%が
光学的出力に変換されるにすぎない。残りは熱エネルギ
ーの形で自由になり、構成要素を加熱させる。発生する
熱出力密度は、3kW/cmを越えることがある。この場
合レーザー体全体は50Wないし200Wのオーダーの損
失出力を出す。好適な放熱を保証するためには、レーザ
ー体は高熱伝導能(100W/(mK)以上)を持った材
料から成るヒートシンク上に取付けられる。すなわちレ
ーザー体の熱発生側(ほとんどの場合電気的に正の接点
であるエピタキシー側)が下向きになるなるように取付
けられる。レーザー体とヒートシンクとはダイオードレ
ーザー素子を形成する。
[0003] Due to various loss mechanisms, only 20% to 60% of the power supplied to the diode laser is converted to optical output. The rest is free in the form of thermal energy, causing the components to heat up. The heat output density generated can exceed 3 kW / cm 2 . In this case, the entire laser body produces a loss power on the order of 50W to 200W. To ensure good heat dissipation, the laser body is mounted on a heat sink made of a material with high thermal conductivity (100 W / (mK) or more). That is, the laser body is mounted such that the heat generating side (the epitaxy side which is an electrically positive contact in most cases) faces downward. The laser body and the heat sink form a diode laser element.

【0004】この場合注意すべきことは、ヒートシンク
上の取付け面ができるだけ平坦なことである。というの
も、ダイオードレーザー光を効率的に光線として形状化
するためには、直線から2μm以下でずれている線上に
すべてのレーザーダイオードエミッターが位置していな
ければならないからである(いわゆる「スマイルsmil
e」)。
It should be noted that the mounting surface on the heat sink is as flat as possible. This is because all laser diode emitters must be located on a line deviated by no more than 2 μm from a straight line in order to efficiently shape the diode laser beam as a light beam (the so-called “smile smil”).
e ").

【0005】10000時間以上の寿命を得るために
は、レーザー体の温度が70℃以上を越えてはならな
い。したがって室温での作動に対しては、ダイオードレ
ーザ素子のヒートシンクの熱抵抗に関して0.2ないし
0.6kWが要求される。次の表はこのようなヒートシン
クを構成するために考慮される一連の材料を列挙したも
のである。表には、熱伝導能以外に、これら材料のいく
つかを溶接過程または蝋付け過程により互いに結合させ
るために重要な役割をする線形膨張係数及び弾性モジュ
ールのような熱加工的な特性量が記載されている。
In order to obtain a life of 10,000 hours or more, the temperature of the laser body must not exceed 70 ° C. Therefore, for operation at room temperature, 0.2 to 0.6 kW is required for the thermal resistance of the heat sink of the diode laser device. The following table lists a series of materials considered to construct such a heat sink. In addition to the thermal conductivity, the table lists the coefficients of thermal expansion such as linear expansion coefficients and elastic modules that play an important role in bonding some of these materials together by welding or brazing processes. Have been.

【表1】 表からわかるように、熱伝導能が高いためにヒートシン
クに特に適した材料は、レーザー体の材料として典型的
なGaAsに比べるとかなり異なった熱膨張係数を持ってい
る。
[Table 1] As can be seen, materials that are particularly suitable for heat sinks due to their high thermal conductivity have significantly different coefficients of thermal expansion than GaAs, which is typical for laser bodies.

【0006】特に、平坦な取り付け面という点に対する
上記要求を満たすためには、レーザー体とヒートシンク
との結合をできるだけ曲げ応力がないように行なわねば
ならない。これは、原理的には、ヒートシンクとレーザ
ー体との熱膨張の違いを補償すること(たとえば軟蝋を
用いて)、及び(または)ヒートシンクの膨張をレーザ
ー体の膨張に適合させることによって達成される。
[0006] In particular, in order to satisfy the above requirement for a flat mounting surface, the connection between the laser body and the heat sink must be performed with as little bending stress as possible. This is achieved in principle by compensating for differences in thermal expansion between the heat sink and the laser body (eg, using soft wax) and / or adapting the expansion of the heat sink to that of the laser body. You.

【0007】軟蝋を用いて(たとえば鉛・すず)レーザ
ー体を塊状の銅からなるヒートシンク上に蝋付けするこ
とは知られている。ヒートシンクはその下面をぺルチエ
要素により冷却される。或いは、軟蝋を用いてレーザー
体をマイクロチャンネルヒートシンク上に蝋付けするこ
とが知られている。マイクロチャンネルヒートシンクは
銅または珪素からなっていて、冷却媒体が貫流する。両
ケースとも軟蝋は、膨張係数αの違いのために(銅:α
=16.5ppm/K、GaAs:α=6.5ppm/K)蝋付け後
の冷却の際に接合パートナーに生じる機械的応力を、塑
性流動により分解するために用いられる。このような応
力の低減が必要なのは、レーザー体の機械的応力が大き
いと、ダイオードレーザーの寿命に不都合な影響を及ぼ
すからである。すなわちGaAs材におけるスリップ、個々
のレーザーダイオードのブラックアウト、或いはレーザ
ー体の破損の原因になる。
[0007] It is known to braze a laser body (eg lead / tin) on a heat sink made of massive copper using soft wax. The heat sink is cooled on its lower surface by a Peltier element. Alternatively, it is known to braze the laser body onto a microchannel heat sink using soft wax. The microchannel heat sink is made of copper or silicon, through which the cooling medium flows. In both cases, the soft wax has a different expansion coefficient α (copper: α
= 16.5 ppm / K, GaAs: α = 6.5 ppm / K) It is used to break down the mechanical stress generated in the joining partner during cooling after brazing by plastic flow. Such stress reduction is necessary because large mechanical stresses on the laser body adversely affect the life of the diode laser. That is, it causes slip in the GaAs material, blackout of individual laser diodes, or damage of the laser body.

【0008】しかしながら、寿命テストで明らかになっ
たところによると、軟蝋は高出力の場合長期的に安定で
ない。高い電流密度と機械的残留応力の影響で蝋付け層
においてエレクトロマイグレーションやウィスカーの形
成が促進される。このためダイオードレーザーにグラデ
ーションが発生したり、故障したりする。このような作
用は、接合領域における残留応力を減少させることによ
り弱めることができる。換言すれば、ヒートシンクの膨
張係数をレーザー体の材料の膨張係数に十分に(ほぼ2
ppm/K以下)適合させる。
However, life tests have shown that soft wax is not stable in the long term at high power. The effect of high current density and mechanical residual stress promotes electromigration and whisker formation in the braze layer. For this reason, gradation occurs in the diode laser or the diode laser breaks down. Such an effect can be reduced by reducing the residual stress in the bonding area. In other words, the coefficient of expansion of the heat sink is sufficient (approximately 2) for the material of the laser body.
(ppm / K or less)

【0009】しかしながら、最後に挙げた解決法は軟蝋
の代りに硬蝋を使用するが(たとえば金・すず)、硬蝋
は量が少ないとエレクトロマイグレーションが発生する
傾向がある。硬蝋は流動能が小さいために、レーザー体
をヒートシンク上に蝋付けし、ヒートシンクの膨張係数
をレーザー体の膨張係数に0.5ppm/K以上対応させる
ことにより、蝋付け工程での機械的応力の発生を回避す
ることがどうしても必要である。このようなヒートシン
クはたとえば銅とタングステンの複合材(CuW)であ
る。タングステンは銅に比べるとかなり小さな熱伝導能
を有している。
[0009] However, the last mentioned solution uses hard wax instead of soft wax (eg gold / tin), but small amounts of hard wax tend to cause electromigration. Since hard wax has low flowability, the laser body is brazed on a heat sink, and the expansion coefficient of the heat sink is made to correspond to the expansion coefficient of the laser body by 0.5 ppm / K or more, so that the mechanical stress in the brazing process is increased. It is absolutely necessary to avoid the occurrence of Such a heat sink is, for example, a composite material of copper and tungsten (CuW). Tungsten has a much lower thermal conductivity than copper.

【0010】DE19644941からは、ヒートシンク
の膨張係数を適合させることを完全に省略した解決法が
知られている。硬蝋付け後の冷却の際に生じ、レーザー
体に作用する引張り応力は、エミッター間の所定の破断
予定個所においてレーザー体を破断させるので合目的で
ある。したがってレーザー体はk個の個別レーザーダイ
オードまたはレーザーダイオード群に分割される(応力
誘導型個別化)。このようにして、基体に対するレーザ
ー体全体のただ1つの大きな膨張係数ΔLは、レーザー
ダイオード群に付設されている結合面に対するこれらレ
ーザーダイオード群のより小さなk個の膨張係数ΔL/k
に減少する。このk個の膨張係数ΔL/kは無視できるほ
どの電圧を生じさせるにすぎない。
[0010] DE 196 44 941 discloses a solution in which the adaptation of the expansion coefficient of the heat sink is completely omitted. Tensile stresses which occur on cooling after hard brazing and which act on the laser body are expedient because they cause the laser body to break at predetermined predetermined breaking points between the emitters. The laser body is therefore divided into k individual laser diodes or groups of laser diodes (stress-guided individualization). In this way, only one large expansion coefficient ΔL of the entire laser body with respect to the substrate is reduced by k smaller expansion coefficients ΔL / k of these laser diodes with respect to the coupling surface assigned to the laser diodes.
To decrease. These k expansion coefficients ΔL / k only produce a negligible voltage.

【0011】レーザー体とヒートシンクとの種々の材料
結合に対し、組立工程で発生し個別化制御に対し作用す
る引張り応力がダイオードレーザー素子の寿命に影響力
を持っているかどうかは疑わしい。
For the various material connections between the laser body and the heat sink, it is doubtful whether the tensile stresses generated during the assembly process and acting on the individualization control have an influence on the life of the diode laser element.

【0012】したがってこれに関連して、熱的特性及び
熱加工的特性が異なっている材料を1つのヒートシンク
に組み合わせて、このヒートシンクの膨張をレーザー体
の膨張に適合させることには利点がある。ヒートシンク
はたとえば堅牢な担持体と、この担持体上に蝋付けされ
ている基体から成ることができる。基体とは、その厚さ
がその長さ及び幅に比べて小さいような材料層である。
このような基体は、従来の技術においては連続した層で
ある(閉じた基体)。
[0012] In this connection it is therefore advantageous to combine materials having different thermal and thermo-mechanical properties in one heat sink and to adapt the expansion of this heat sink to that of the laser body. The heat sink can consist, for example, of a rigid carrier and a substrate brazed onto the carrier. A substrate is a layer of material whose thickness is small compared to its length and width.
Such a substrate is a continuous layer in the prior art (closed substrate).

【0013】たとえば従来の技術として、レーザー体を
硬蝋でCuW基体上に蝋付けし、次にこの基体を軟蝋で銅
担持体の上に蝋付けすることにより、基体としてのCuW
の膨張適合性と、担持体としての銅の高い熱伝導能と
を、ヒートシンクの構造に利用することが知られてい
る。
[0013] For example, in the prior art, a laser body is brazed with a hard wax onto a CuW substrate and then the substrate is brazed with a soft wax onto a copper carrier to provide CuW as a substrate.
It has been known to utilize the expansion compatibility of copper and the high thermal conductivity of copper as a carrier in the structure of a heat sink.

【0014】ドイツ特許第19605302号公報で
は、ヒートシンクは3個の基体から形成される。これら
3個の基体を素材拘束的に面結合させることにより、ヒ
ートシンクの膨張適合性という目標が達成される。この
場合、GaAsよりも低い膨張係数の1個の基体(Al
Nセラミックスまたはタングステンシート)には、Ga
Asよりも膨張係数が高くより熱伝導能のある金属(た
とえば銅)が両面にコーティングされ、その厚さは、レ
ーザー体の取り付け面においてレーザー体材料の熱膨張
係数に対応するようなヒートシンクの効果的な熱膨張係
数が得られるように選定される。
In DE 196 05 302, the heat sink is formed from three substrates. By bonding these three substrates in a material-bound manner, the goal of heat sink expansion compatibility is achieved. In this case, one substrate (Al) having a lower expansion coefficient than GaAs
N ceramics or tungsten sheet)
A metal having a higher coefficient of expansion than As (for example, copper) is coated on both sides, and its thickness is determined by the effect of the heat sink on the mounting surface of the laser body so as to correspond to the coefficient of thermal expansion of the laser body material. Is selected so as to obtain a suitable thermal expansion coefficient.

【0015】この解決法の欠点は、すでに述べた解決法
と同様に、銅よりも熱伝導能が高い材料が使用されない
ことである。この種の材料は、高い熱出力密度を効果的
に広げるために、まさに基体の形状の点でダイオードレ
ーザー素子の熱発生領域に可能な限り密に位置している
必要がある。したがってこの個所においては、最大熱伝
導能の基体を定義する必要がある。この最大熱伝導能の
基体は、その材料の熱伝導能があらゆる金属の熱伝導能
よりも高く、420ないし430W/(mK)以上ある
(室温での銀に対する値よりも大きい)ことを特徴とし
ている。このような基体はわずかしか存在せず、たとえ
ば単結晶の炭化珪素(SC−SiC)、半透明の立方晶
窒化ホウ素(t−cBN)、熱的または高指向性のシア
ヌル系グラファイト(TPG,HOPG)、蒸気相から
化学的に析出させたダイアモンド(CVD−ダイアモン
ド)が挙げられる。これらにはすべて欠点があり、すな
わちその熱膨張係数はGaAsに比べて少なくとも2p
pm/Kだけ適合性に欠けており、レーザー体をこのよ
うな基体上に硬蝋付けすると、ダイオードレーザーに有
害な引張り応力が発生する。
A disadvantage of this solution is that, like the solutions already described, no material is used which has a higher thermal conductivity than copper. Such a material must be located as close as possible to the heat-generating region of the diode laser element in terms of the shape of the substrate, in order to effectively spread the high heat output density. Therefore, at this point, it is necessary to define the substrate with the highest thermal conductivity. This substrate of maximum thermal conductivity is characterized in that the thermal conductivity of the material is higher than that of any metal, 420 to 430 W / (mK) or more (greater than the value for silver at room temperature). I have. There are few such substrates, for example, single crystal silicon carbide (SC-SiC), translucent cubic boron nitride (t-cBN), and thermally or highly directional cyanuric graphite (TPG, HOPG). ) And diamond (CVD-diamond) chemically precipitated from the vapor phase. All of these have drawbacks, ie, their coefficient of thermal expansion is at least 2p compared to GaAs.
Lack of compatibility by pm / K, hard brazing of the laser body onto such a substrate produces a detrimental tensile stress on the diode laser.

【0016】金属材料は上記の高熱伝導能の非金属材料
に比べて熱伝導能が小さいばかりでなく、金属材料を基
体に使えない別の理由がある。それは、レーザー体内の
レーザーダイオードを個別に且つ互いに独立に作動させ
る(個別にアドレス指定可能)といういくつかの応用例
の要請から生じるものである。これは、従来の技術で
は、レーザー体を、導線により適宜構成され金属化され
た誘電性基体(誘電体)上に取りつけることによって達
成されるにすぎない。ここで誘電体とは、1mOhm以
上の比電気抵抗を持った材料のことである。
The metal material has not only a lower heat conductivity than the above-mentioned non-metal material having a high heat conductivity, but there is another reason that the metal material cannot be used for the base. It arises from the requirement of some applications to operate the laser diodes within the laser individually and independently of each other (individually addressable). In the prior art, this is only achieved by mounting the laser body on a metallized dielectric substrate (dielectric) suitably constituted by conductors. Here, the dielectric is a material having a specific electric resistance of 1 mOhm or more.

【0017】以上の説明に対応して、ダイオードレーザ
ー素子の概念に対する4つの重要な物理技術的要求につ
いて述べる。 (a)ヒートシンクの熱抵抗をできるだけ低くするため
には、最大熱伝導能の基体を使用する必要がある。 (b)個別にアドレス指定可能であるためには、局部的
に定義的に金属化されている誘電性基体上への取付けが
必要である。 (c)ダイオードレーザー素子の寿命を長くするために
は、エレクトロマイグレーションのない硬蝋を用いて、
レーザー体に対し膨張適合したヒートシンクの上に取り
付ける必要がある。 (d)レーザー体の「スマイル」を少なくするために
は、ヒートシンクの取り付け面が極めて平坦であること
が必要である。このためには、基体と担持体とを予め湾
曲なしに且つ応力なしに互いに結合させる必要がある。
In response to the above description, four important physical technical requirements for the concept of a diode laser device will be described. (A) In order to reduce the thermal resistance of the heat sink as much as possible, it is necessary to use a substrate having the maximum thermal conductivity. (B) Individual addressability requires mounting on a dielectric substrate that is locally defined and metallized. (C) To extend the life of the diode laser element, use hard wax without electromigration.
It must be mounted on a heat sink that is inflated to the laser body. (D) In order to reduce the "smile" of the laser body, it is necessary that the mounting surface of the heat sink is extremely flat. For this purpose, it is necessary to connect the base and the carrier to each other in advance without bending and without stress.

【0018】従来の技術によれば一連の試みが存在し、
部分的にはこれらの要求を満たしているが、膨張適合性
に関する前記(c)が中心である。WO/942470
3によれば、CVDダイアモンド基体の表面を構造化
し、生じた溝または穴を、膨張係数が基体に比べて著し
く高い金属で充填することが提案される。しかし熱加工
の点では、金属成分がチップ付近で高すぎるため、前記
(a)および(b)が十分に満たされず、高出力ダイオ
ードレーザー体に対してはこの方法は熱的に有利なもの
ではない。
According to the prior art, a series of attempts exist,
Although these requirements are partially satisfied, the above (c) regarding expansion compatibility is central. WO / 942470
No. 3 proposes structuring the surface of a CVD diamond substrate and filling the resulting grooves or holes with a metal whose coefficient of expansion is significantly higher than that of the substrate. However, in terms of thermal processing, the above (a) and (b) are not sufficiently satisfied because the metal component is too high near the chip, and this method is not thermally advantageous for high power diode laser bodies. Absent.

【0019】米国特許第5455738号公報には、1
00μm以上のダイアモンド粒子から成る複合材が記載
されている。ダイアモンド粒子は、所望の有効膨張係数
が生じるような割合で、アルミニウムまたは銅から成る
金属マトリックス内へ装入される。このような複合材は
機械的に成分が非常に異なっているために、機械的な後
加工を許さず、取り付け面を延べ棒状のダイオードレー
ザー体に必要な平面度に研磨することができない(前記
d)。さらに、金属成分が高すぎるために、純粋な銅に
対するこの複合材の有効熱伝導能の改善率は50%以下
である。この解決法は、アドレス指定可能にするための
概念を含んでいない。
US Pat. No. 5,455,738 discloses 1
A composite consisting of diamond particles of at least 00 μm is described. The diamond particles are loaded into a metal matrix consisting of aluminum or copper at a rate such that a desired effective coefficient of expansion occurs. Such composites do not allow mechanical post-processing because of their mechanically very different components, and their mounting surfaces cannot be polished to the flatness required for bar-shaped diode laser bodies (see above). d). In addition, the improvement in the effective thermal conductivity of this composite over pure copper is less than 50% due to too high a metal component. This solution does not include the concept of making it addressable.

【0020】他の特許は、層構造による膨張適合性を起
点にしている。米国特許第5299214号公報は、ダ
イアモンド基体をより膨張係数の高い担持体上へ設置
し、材料厚を、所望の膨張係数が生じるように変化させ
ることを提案している。この解決法は、機械的に非対称
であるために、比較的広い面に対しては湾曲や破断が発
生する危険がある。
Other patents originate from the expansion compatibility of the layer structure. U.S. Pat. No. 5,299,214 proposes placing a diamond substrate on a carrier having a higher expansion coefficient and varying the material thickness to produce the desired expansion coefficient. This solution risks bending and breaking over relatively large surfaces due to mechanical asymmetry.

【0021】曲げ応力を回避するために対称性を重視し
たこの種の解決法は、ドイツ特許公開第1950609
3号公報に見られる。この公報には、前記ドイツ特許第
19605302号公報とは逆のバージョンが記載され
ており、銅層がその中心部において、熱膨張がより小さ
い二つの層と上面及び下面にて結合されている。さらに
銅層の中心部には、冷却媒体の案内に用いる構造部を挿
入することができる。この構成が有利な点は、ダイオー
ドレーザー体が金属化されたCVDダイアモンドに直接取
付けられ、したがって前述した他の解決法に比べて熱膨
張が最も優れていることである。またこの公報に記載の
発明は、他の前記解決法に比べると、誘電性CVDダイア
モンド基体のポテンシャルを個々のエミッターの電気的
アドレス指定に関して利用しながらも、同時に熱膨張に
優れている唯一の発明である。
A solution of this kind which emphasizes symmetry in order to avoid bending stresses is described in DE-A 1 950 609.
See No. 3 publication. This publication describes a reverse version of DE 196 05 302, in which a copper layer is joined at its center to two layers with lower thermal expansion at the upper and lower surfaces. Furthermore, a structure used for guiding the cooling medium can be inserted into the center of the copper layer. The advantage of this arrangement is that the diode laser body is mounted directly on the metallized CVD diamond and therefore has the best thermal expansion compared to the other solutions described above. Also, the invention described in this publication is the only invention which utilizes the potential of a dielectric CVD diamond substrate with respect to the electrical addressing of individual emitters, while at the same time having excellent thermal expansion, compared to the other solutions mentioned above. It is.

【0022】しかしながら、対称構造により与えられる
結合面の数は少なくとも3つであり、したがって少なく
とも二つの結合面が存在することになるのが欠点であ
る。また、冷却要素の内部でCVDダイアモンド基体に対
する結合技術的な課題が見出せない。ここでは、基体と
担持体だけから構成されているヒートシンクを考慮する
ことにより、技術的な欠陥が穴埋めされている。
The disadvantage, however, is that the number of coupling planes provided by the symmetrical structure is at least three, so that there are at least two coupling planes. In addition, there is no technical problem of bonding to the CVD diamond substrate inside the cooling element. Here, the technical deficiencies are filled in by taking into account a heat sink consisting only of the base and the carrier.

【0023】熱伝導能が最大である基体を含んでいるヒ
ートシンクの膨張適合性のためには、レーザー体材料の
膨張係数よりも著しく高い熱膨張係数を持った担持体に
基体を機械的に安定に結合させることが必要である。膨
張適合性に必要な基体と担持体との厚さ比は両材料の弾
性特性の相違により決定される。すでに述べたことから
明らかなように、最大熱伝導能のある基体の弾性モジュ
ールは膨張適合性のある担持体の弾性モジュールよりも
一般に3ファクターないし10ファクター高い。厚さが
一定の担持体の膨張適合性に対する影響は、担持体の弾
性モジュールが増大すれば大きくなる。逆に、弾性モジ
ュールが一定であるときの膨張適合性に対する影響は、
担持体の厚さが増大すれば大きくなる。また、担持体の
厚さは一定であるが、薄すぎる場合には、担持体の線形
膨張係数が増大すれば、膨張適合性に対する担持体の影
響力は大きくなる。
For the expansion compatibility of a heat sink containing a substrate having the highest thermal conductivity, the substrate is mechanically stabilized on a carrier having a coefficient of thermal expansion significantly higher than that of the laser body material. It is necessary to bind to The thickness ratio between the substrate and the carrier required for expansion compatibility is determined by the difference in the elastic properties of the two materials. As is evident from what has already been mentioned, elastic modules of the substrate with maximum thermal conductivity are generally 3 to 10 factors higher than elastic modules of the expansion-compatible carrier. The effect on the expansion suitability of a carrier of constant thickness is greater as the elastic module of the carrier increases. Conversely, the effect on expansion compatibility when the elastic module is constant is:
It increases as the thickness of the carrier increases. In addition, when the thickness of the carrier is constant, but is too thin, the influence of the carrier on the expansion compatibility increases if the linear expansion coefficient of the carrier increases.

【0024】接合パートナーである基体と担持体との結
合による膨張適合性の問題は、熱加工的に非常に異な
り、しかも大きな面積の二つの要素を平坦に、熱的に薄
く、且つ安定につなき合わせた接合ゾーンの提供にあ
る。このような問題性はいまだかつて公にされなかっ
た。
The problem of expansion compatibility due to the bonding between the substrate and the carrier, which are the joining partners, is very different from the viewpoint of thermo-mechanical processing, and the two elements having a large area are flat, thermally thin and stable. The purpose is to provide a joint zone. Such problems have never been publicized.

【0025】大きな面積にわたって安定に結合させる場
合、接合ゾーンは塑性流動により接合パートナー間の機
械的応力の分解に用いられることが指摘されている。し
たがって結合面積が大きければ大きいほど、接合ゾーン
は厚くなければならない。しかし数10μm厚の接合ゾ
ーンは、熱抵抗に悪影響を及ぼす。また、接合ゾーンの
塑性流動は担持体の膨張適合作用を弱め、長期安定性の
点では技術的に検出困難なプロセスである。
It has been pointed out that in the case of a stable bond over a large area, the joining zone is used for resolving mechanical stress between the joining partners by plastic flow. Thus, the larger the bonding area, the thicker the bonding zone must be. However, a bonding zone having a thickness of several tens of μm adversely affects the thermal resistance. Also, plastic flow in the joining zone weakens the expansion adaptation of the carrier and is a process which is technically difficult to detect in terms of long-term stability.

【0026】DE19644941では、大きな面積のレ
ーザー体を、引張り応力を負荷した基体上に蝋付けする
場合、レーザー体は取付け時により小さな独立した個別
面に分割される。これらの個別面は大きな引張り応力を
吸収することはできない。またこのような取付けプロセ
スは、基体よりも大きな膨張係数を有し、しかもほとん
ど塑性を持っていないような材料(半導体及び塩類)に
対してのみ可能である。このような接合プロセスは、担
持体・基体結合に対しては、担持体材料の金属特性のゆ
えに問題にならない。また担持体の材料は、取付けの間
圧縮応力により基体をより小さな、応力の危険のない部
分基体へ分解させることができない。
In DE 196 44 941, when a large-area laser body is brazed onto a substrate subjected to a tensile stress, the laser body is divided into smaller, independent individual surfaces upon mounting. These individual surfaces cannot absorb large tensile stresses. Also, such an attachment process is only possible for materials (semiconductors and salts) that have a larger coefficient of expansion than the substrate and have little plasticity. Such a bonding process is not a problem for the carrier-substrate bond due to the metallic properties of the carrier material. Also, the material of the carrier does not allow the substrate to break down into smaller, stress-free partial substrates due to compressive stresses during mounting.

【0027】[0027]

【発明が解決すべき課題】本発明の課題は、担持体と最
大熱伝導能がある基体から構成され、延べ棒状のレーザ
ー体と応力及び湾曲が生じないように結合されるヒート
シンクを備えたダイオードレーザー素子、及びその製造
方法を提供することである。
An object of the present invention is to provide a diode comprising a carrier and a substrate having a maximum thermal conductivity and having a heat sink coupled to a bar-shaped laser body without causing stress and bending. An object of the present invention is to provide a laser element and a manufacturing method thereof.

【0028】また、本発明によるダイオードレーザー素
子を製造している間、レーザー体に作用する引張り応力
ができるだけ小さいようにすることも課題とする。
Another object is to make the tensile stress acting on the laser body as small as possible during the manufacture of the diode laser device according to the invention.

【0029】[0029]

【課題を解決するための手段】この課題は、本発明によ
れば、基体を担持体上へ取付ける前に、基体をk個の一
連の部分基体に分解し、配置を容易にするための所定の
領域においてもこれらk個の部分基体が互いに結合され
たままであるときに、これらk個の部分基体を個別の部
分基体として互いに独立に担持体と結合させることによ
り解消される。
SUMMARY OF THE INVENTION According to the present invention, there is provided, in accordance with the present invention, a method for disassembling a substrate into a series of k partial substrates prior to mounting the substrate on a carrier to facilitate placement. When these k sub-substrates are still connected to each other in the region (1), the problem is solved by connecting the k sub-substrates to the carrier independently of each other as individual sub-substrates.

【0030】上記構成により、幅Bの大きな面に発生し
ていた機械的応力の問題も湾曲の問題も、B/kよりも小
さな幅のk個のより小さな面により解消される。応力誘
導型個別化(DE19644941)と本発明との相違
は、発生する取付け応力の相違及びその作用にある。引
張り応力を負荷して取付ける(zugverspannende Montag
e)場合、個別化の前提は硬蝋付けである。これに対して
本発明による、圧縮応力を負荷して取付ける(druckvers
pannende Montage)場合には、個別化が硬蝋付けの前提
である。
With the above configuration, both the problem of mechanical stress and the problem of curvature occurring on a surface having a large width B can be solved by k smaller surfaces having a width smaller than B / k. The difference between the stress-induced individualization (DE 19644941) and the present invention lies in the differences in the mounting stresses generated and their effects. Mounting with tensile stress (zugverspannende Montag
In case e), the premise of individualization is hard brazing. On the other hand, according to the present invention, mounting by applying a compressive stress (druckvers
In the case of pannende Montage), individualization is a prerequisite for hard brazing.

【0031】基体を独立した細条部の形態の部分基体に
個別化することによりヒートシンクの構成が機械的に著
しく改善されるとともに、本発明による解決法には以下
に述べるような他の利点がある。
The individualization of the substrate into individual sub-substrates in the form of individual strips significantly improves the construction of the heat sink mechanically, and the solution according to the invention has other advantages as described below. is there.

【0032】個別化された基体細条部の形状をその高さ
(基体の厚さ)に関し変化させることができるばかりで
なく、その個々の幅及び間隔に関しても変化させること
ができ、したがって、膨張適合性を得るために基体と担
持体との厚さの比を変えられるとともに、さらにいっそ
うの自由度が得られる。つまり細条部の間隔と細条部の
幅との比を変えることができる。このことは、基体また
は担持体の厚さが予め特定されているような場合に有利
である。
Not only can the shape of the individualized substrate strip vary with respect to its height (the thickness of the substrate), but also with respect to its individual width and spacing, and therefore the expansion The ratio of the thickness of the substrate to the carrier can be varied to obtain compatibility, and further freedom is obtained. That is, the ratio between the interval between the strips and the width of the strips can be changed. This is advantageous when the thickness of the substrate or carrier is specified in advance.

【0033】閉じた基体(個別にアドレス指定可能にす
るために、パターン化された金属化部分の形状で導電路
構造を基体上に設けねばならない)上に取付ける場合と
は異なり、基体を個々の細条部に分解する場合には、細
条部の間隔を、二つのレーザーダイオードのエミッター
間隔に相当する大きさに選定できるので有利である。し
たがって、複数のレーザーダイオードに別個に電流を供
給でき、金属化部分を湿式化学的にパターン化するプロ
セスを省略できる。
Unlike mounting on a closed substrate (where the conductive path structure must be provided on the substrate in the form of patterned metallization to be individually addressable), the substrate is individually In the case of disassembly into strips, the distance between the strips is advantageously selected to a size corresponding to the distance between the emitters of the two laser diodes. Thus, current can be separately supplied to the plurality of laser diodes, and the process of wet-chemical patterning the metallization can be omitted.

【0034】さらに、望ましくない相互作用の可能性、
たとえば個々のエミッター間の熱的なクロストークが低
減される。延べ棒状のレーザー体のエミッター数と占積
率とは時として非常に変わりやすい。それにもかかわら
ず基体の細条部の数を維持する必要がある場合には、種
々のレーザー体構造に有利な、3つの異なる構成が可能
である。すなわち(a)すでに述べた構成であり、1個
のレーザーダイオードを1個の細条部上に配置する構
成。(b)エミッター数が多い場合に、それぞれ複数個
のレーザーダイオードを1個の細条部に配置する構成。
(c)エミッター数が少ない場合に、1個のレーザーダ
イオードがその位置に関し複数個の細条部にわたって延
在し、有利には隙間の上方にエミッターが存在しないよ
うにレーザーダイオードを配置する構成。
Further, the possibility of unwanted interactions,
For example, thermal crosstalk between individual emitters is reduced. The number of emitters and the space factor of a bar-shaped laser body are sometimes very variable. If, however, it is necessary to maintain the number of strips of the substrate, three different configurations are possible, which are advantageous for different laser body structures. That is, (a) the configuration described above, in which one laser diode is arranged on one strip. (B) A configuration in which, when the number of emitters is large, a plurality of laser diodes are arranged on one strip.
(C) an arrangement in which, when the number of emitters is small, one laser diode extends over a plurality of strips with respect to its position, advantageously arranging the laser diode such that there is no emitter above the gap.

【0035】[0035]

【発明の実施の形態】次に、本発明の3つの実施の形態
を図面を用いて詳細に説明する。
Next, three embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

【0036】第1実施形態 基体1は半透明の立方晶窒化ホウ素(t−cBN)から
成り、その寸法は延べ棒状のレーザー体の幅に等しく、
厚さは0.2mmないし0.8mmで、長さはレーザーダイ
オードの共振長さの1倍ないし3倍に相当している。こ
の基体1の上面及び下面の全面に薄膜金属化部分4aを
備えさせる。次にレーザーにより、10ないし50μm
幅の複数個の平行なチャンネル1aを、基体1を横切る
ように穿設する。これにより細条部構造が生じる。本実
施形態(図1のa及びb)では、生じた細条部1bの数
は、取付けられるべき延べ棒状のレーザー体3のエミッ
ター3aの数量に一致している。次に、細条部1b上の薄
膜金属化部分4aをガルバーニ電流により銅で補強す
る。補強の程度は、電流の案内に必要な厚さの金属膜が
上面に形成され(基体上面の厚膜金属化部分4b)、且
つ下面において、析出金属(基体下面の厚膜金属化部分
4c)により細条部ギャップが再び閉鎖されるように選
定する。導体の必要な厚さは、電流密度が流動方向にお
いてエレクトロマイグレーションの閾値(100000
A/cm)の半分の値を有するように選定する(100
アンペアの直流電流で作動する1cm幅のレーザー体3に
対しては、たとえばほぼ20μmである)。良好な蝋付
けを行なうことができるように、厚膜金属化部分にニッ
ケルまたは金を被着させる。その後、細条構造部を全部
周囲の基体1から切り離すことができる。この場合、個
々の細条構造部は圧膜金属化部分4aと4bを介して互い
に結合されているので、個々の細条部が互いに分断する
ことはない。次に、このようにして得られた細条構造部
を、共晶のAuGe蝋材5を用いて、金を被着させた1.5
mm厚の銅担持体2と結合させ、これにより取付け面にほ
ぼ6.5ppm/Kの膨張係数が得られる。この時点で、取
付け面に、レーザー体の蝋付けに用いる共晶の金・すず
蝋材6をスパッタリングさせることができる。
First Embodiment The substrate 1 is made of translucent cubic boron nitride (t-cBN), the size of which is equal to the width of the bar-shaped laser body.
The thickness is 0.2 mm to 0.8 mm, and the length corresponds to 1 to 3 times the resonance length of the laser diode. A thin-film metallized portion 4a is provided on the entire upper and lower surfaces of the substrate 1. Next, with a laser, 10 to 50 μm
A plurality of parallel channels 1a of width are drilled across the substrate 1. This results in a strip structure. In the present embodiment (a and b in FIG. 1), the number of the formed strips 1b matches the number of the emitters 3a of the bar-shaped laser body 3 to be attached. Next, the thin film metallized portion 4a on the strip 1b is reinforced with copper by galvanic current. The degree of reinforcement is such that a metal film having a thickness necessary for guiding the current is formed on the upper surface (thick film metallized portion 4b on the upper surface of the substrate) and deposited metal is formed on the lower surface (thick metallized portion 4c on the lower surface of the substrate). To close the strip gap again. The required thickness of the conductor is such that the current density is the electromigration threshold (100,000) in the direction of flow.
(A / cm 2 ) (100
For example, for a 1 cm wide laser body 3 operating with amperage DC current, it is approximately 20 μm). Nickel or gold is deposited on the thick film metallization to allow for good brazing. Thereafter, the entire strip structure can be cut off from the surrounding base 1. In this case, the individual strip structures are connected to one another via the pressure-membrane metallized parts 4a and 4b, so that the individual strips do not separate from one another. Next, the strip structure obtained in this manner was coated with gold using eutectic AuGe brazing material 5 to form 1.5.
It is combined with a copper carrier 2, which has a thickness of mm, so that an expansion coefficient of approximately 6.5 ppm / K is obtained on the mounting surface. At this point, the eutectic gold / tin brazing material 6 used for brazing the laser body can be sputtered on the mounting surface.

【0037】第2実施形態 厚さが0.1ないし0.5mmで、長さがレーザー体3の
レーザーダイオードの共振長さの2倍ないし5倍に相当
するCVDダイアモンド基体1の上面をパターン化して、
金の金属化部分4aを形成させる。導電路の数は、レー
ザー体のエミッター3aの数に対応している。次に、そ
れぞれ2つの導電路の間に、レーザーを用いて10ない
し100μm幅の連続したチャンネル1aが形成されるよ
うに基体1を切る。この場合切断は、すべての細条部1
bが端部において共通の横細条部1cを介して結合された
ままであるように行なう。このようにして生じた櫛形構
造部の担持体2として、1.5mm厚の酸化アルミニウム
・銅複合体から成るヒートシンクを選定する。このヒー
トシンクは多層DCB技術で製造されたものであり、構成
要素の液冷を行なうための供給部及び排出部7a,7bを
備えたマイクロチャンネル構造部7を内部に有してい
る。酸化アルミニウム層2bは冷却チャンネル構造部に
対向するようにレーザー体とは逆の側にあり、よってヒ
ートシンクの熱抵抗に悪影響しない。酸化アルミニウム
層2bは、マイクロチャンネルのために曲がりやすくな
っている冷却部の安定性を向上させるためだけに用い
る。この時点で、銅から成っているマイクロチャンネル
のカバー層に、10μm厚の活性蝋材5を用いてダイア
モンドを直接蝋付けする。本発明によれば、蝋付け面の
長さはダイアモンド細条部1bの長さよりも短く、した
がって結合細条部1cはレーザー体と蝋付けされない。
同時に、電流供給部をレーザー体と蝋付けする。25μ
m厚の銅フォイルを、ガルバーニ電流により金とすずで
被覆する。金とすずは、本来の蝋付けを行なう前に再溶
融させることにより共晶の金・すず蝋材5へ置換された
ものである。同時に、銅フォイルを櫛形ダイアモンドの
金属化部分4a上のレーザー体と蝋付けさせ、個々のレ
ーザーダイオードのP接点への電流供給部として用い
る。個別に制御可能にするため、ガルバーニ蝋付けを行
なう前に、銅フォイル4bを選択的にエッチングするこ
とによりパターン化して、銅フォイルの片面にレーザー
体のエミッターと同数の細条部が生じるようにし、蝋付
け後細条部の端部において銅フォイルを切り離す。
Second Embodiment The upper surface of the CVD diamond substrate 1 having a thickness of 0.1 to 0.5 mm and a length corresponding to 2 to 5 times the resonance length of the laser diode of the laser body 3 is patterned. hand,
A metallized portion 4a of gold is formed. The number of conductive paths corresponds to the number of emitters 3a of the laser body. Next, the substrate 1 is cut using a laser so that continuous channels 1a having a width of 10 to 100 μm are formed between the two conductive paths. In this case, the cutting is performed on all the strips 1
b is such that it remains connected at its ends via a common lateral strip 1c. A heat sink made of a 1.5 mm-thick aluminum oxide / copper composite is selected as the carrier 2 of the comb-shaped structure thus generated. This heat sink is manufactured by a multi-layer DCB technology, and has a microchannel structure section 7 having a supply section and a discharge section 7a, 7b for liquid cooling of components therein. The aluminum oxide layer 2b is on the opposite side of the laser body so as to face the cooling channel structure, and therefore does not adversely affect the heat resistance of the heat sink. The aluminum oxide layer 2b is used only for improving the stability of the cooling portion which is easily bent due to the microchannel. At this point, the diamond is brazed directly to the cover layer of the microchannel made of copper using a 10 μm thick active brazing material 5. According to the invention, the length of the brazing surface is shorter than the length of the diamond strip 1b, so that the connecting strip 1c is not brazed to the laser body.
At the same time, the current supply is brazed to the laser body. 25μ
A m-thick copper foil is coated with gold and tin by galvanic current. Gold and tin are replaced with eutectic gold-tin brazing material 5 by re-melting before the actual brazing. At the same time, the copper foil is brazed to the laser body on the metallized portion 4a of the comb diamond and used as a current supply to the P-contact of the individual laser diode. Prior to galvanic brazing, the copper foil 4b is patterned by selective etching so that it has as many strips on one side of the copper foil as the laser body emitters before galvanic brazing. The copper foil is cut off at the end of the strip after brazing.

【0038】第3実施形態 幅がレーザー体の幅に相当し、厚さが0.3ないし1mm
で、長さがレーザー体3のレーザーダイオードの共振長
さの2倍ないし5倍であるCVDダイアモンド基体1の上
面を金4aで金属化し、前面全体を金4dで金属化する。
下面は、前縁の70%の長さに相当する部分だけ5μm
の共晶の金・すず蝋材5でスパッタリングする。第2実
施形態で述べた櫛形構造部1bをダイアモンドに切り込
み形成するが、本実施形態では、金属化部分4aと5全
体に切り込みを入れる(切断の際に、エッジに細条部壁
のグラファイト残滓物が生じ、その比抵抗は1ないし2
mOhm cmである)。さらに個々の細条部1bの端部にして
基体の下面の、結合細条部1cの前方及び金・すず蝋付
け部5の後方に、破断予定個所1dを0.15mmの深さ
で切り込み形成する。この櫛形ダイアモンド1の下面
を、2mm厚の金を被着した銅担持体2の上に蝋付けす
る。銅担持体2は、部分的に液体で充填されヒートパイ
プの機能を有する平坦な中空空間7を含んでいる。結合
細条部1cは、冷却後折り取ることができ、個々の細条
部1bが残る。この時点で個々の導電路4aは電気的に銅
冷却部と結合されており、銅冷却部とともにガルバーニ
電流により10μmだけ金4bで補強される。次に導電路
を共晶の鉛・すず蝋材6で蒸着する。この蝋材6はもっ
ぱら、レーザー体を膨張に関し適合させたヒートシンク
に蝋付けするためだけに用いる。
Third Embodiment The width corresponds to the width of the laser body, and the thickness is 0.3 to 1 mm.
Then, the upper surface of the CVD diamond substrate 1 whose length is 2 to 5 times the resonance length of the laser diode of the laser body 3 is metallized with gold 4a, and the entire front surface is metallized with gold 4d.
The lower surface is 5 μm only at the portion corresponding to 70% of the leading edge
Is sputtered with the eutectic gold / tin brazing material 5. In the present embodiment, the comb-shaped structure portion 1b described in the second embodiment is cut into diamond. In this embodiment, a cut is made in the entire metallized portions 4a and 5 (in the case of cutting, the graphite residue of the strip wall is formed on the edge. And the specific resistance is 1 to 2
mOhm cm). Further, at the end of each of the strips 1b, in front of the connecting strips 1c and behind the gold / tin brazing portion 5 on the lower surface of the base, cut portions 1d to be broken are formed at a depth of 0.15 mm. I do. The lower surface of the comb-shaped diamond 1 is brazed on a copper carrier 2 coated with 2 mm thick gold. The copper carrier 2 includes a flat hollow space 7 which is partially filled with liquid and has the function of a heat pipe. The connecting strips 1c can be cut off after cooling, leaving individual strips 1b. At this point, the individual conductive paths 4a are electrically connected to the copper cooling part and are reinforced with the copper cooling part by the gold 4b by 10 μm by the galvanic current. Next, a conductive path is deposited with eutectic lead / tin brazing material 6. This brazing material 6 is used exclusively for brazing the laser body to a heat sink adapted for expansion.

【0039】個々のエミッターを個別に制御するために
は、前面金属部分4dを取り去って、その代わりに、基
体蝋付け後銅担持体1のための金結合ワイヤー4eを張
り渡す必要がある。金結合ワイヤーはガルバーニ電流で
補強したあと再び切断される。
In order to control the individual emitters individually, it is necessary to remove the front metal part 4d and instead replace the gold bonding wire 4e for the copper carrier 1 after brazing the substrate. The gold bonding wire is cut again after being reinforced by galvanic current.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】aは本発明によるダイオードレーザー素子の第
1実施形態の分解斜視図、bはその横断面図である。
FIG. 1A is an exploded perspective view of a first embodiment of a diode laser device according to the present invention, and FIG. 1B is a transverse sectional view thereof.

【図2】aは本発明によるダイオードレーザー素子の第
2実施形態の分解斜視図、bはその横断面図である。
FIG. 2A is an exploded perspective view of a second embodiment of the diode laser device according to the present invention, and FIG. 2B is a transverse sectional view thereof.

【図3】aは本発明によるダイオードレーザー素子の第
3実施形態の分解斜視図、bはその横断面図である。
3A is an exploded perspective view of a third embodiment of the diode laser device according to the present invention, and FIG. 3B is a cross-sectional view thereof.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 基体 1a チャンネル 1b 細条部 1c 横細条部 2 担持体 2a 銅層 2b 補強層、セラミックス層 3 延べ棒状のレーザー体 3a エミッター 4a 薄膜金属化部分<2μm 4b 基体上面側の厚膜金属化部分>2μm 4c 基体下面側の厚膜金属化部分>2μm 4d 基体前面側の薄膜金属化部分<2μm 4e 結合ワイヤー 5 基体と担持体の間にある蝋材層 6 基体と延べ棒状ダイオードレーザー体の間にある
蝋材層 7 中空空間 7a 排出部 7b 供給部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Substrate 1a Channel 1b Strip part 1c Horizontal strip part 2 Carrier 2a Copper layer 2b Reinforcement layer, ceramic layer 3 Bar-shaped laser body 3a Emitter 4a Thin film metallized part <2 μm 4b Thick metallized part on the upper surface side of base > 2 μm 4c Thick metallized portion on the lower surface of the substrate> 2 μm 4d Thin metallized portion on the front surface of the substrate <2 μm 4e Bonding wire 5 Brazing material layer between the substrate and the carrier 6 Between the substrate and the bar-shaped diode laser body Layer 7 hollow space 7a discharge section 7b supply section

フロントページの続き (72)発明者 フリートヘルム ドルシュ ドイツ連邦共和国 デー・65185 ヴィー スバーデン ヘルダーシュトラーセ 5 (72)発明者 カーチャ ジュース ドイツ連邦共和国 デー・07745 イェー ナ ショメルスシュトラーセ 9アーContinued on the front page (72) Inventor Friedhelm Dorsch Germany Day 65185 Wiesbaden Herderstrasse 5 (72) Inventor Katja Juice Germany Day 07745 Jena Schomerstrasse 9a

Claims (13)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】延べ棒状のレーザー体(3)とヒートシン
クとを有し、ヒートシンクが担持体(2)を備え、担持
体(2)が、高熱伝導能の誘電性基体(1)と面結合す
るように取付けられるレーザー体(3)の熱膨張係数よ
りも実質的に大きな熱膨張係数を持った材料から成り、
基体(1)の上面に、電流誘導と電気接点用の金属化部
分(4a,4b)が設けられ、該金属化部分(4a,4b)
上に蝋材(6)を用いてレーザー体(3)が取付けられ
ているダイオードレーザー素子において、 基体(1)を、レーザー体の幅方向に個々の部分基体
(1b)を並べて成る細条部体として構成することによ
り、担持体(2)と面結合している部分基体(1b)列
の上面のレーザー体(3)取り付け面領域に、25%以
下でレーザー体の熱膨張に適合する熱膨張部が生じるよ
うにしたことを特徴とするダイオードレーザー素子。
The present invention has a bar-shaped laser body (3) and a heat sink, and the heat sink includes a carrier (2), and the carrier (2) is surface-bonded to a dielectric substrate (1) having high thermal conductivity. Made of a material having a coefficient of thermal expansion substantially greater than the coefficient of thermal expansion of the laser body (3) mounted to
Metallized portions (4a, 4b) for current induction and electrical contact are provided on the upper surface of the base (1), and the metallized portions (4a, 4b) are provided.
In a diode laser element on which a laser body (3) is mounted using a brazing material (6), a base (1) is formed by arranging individual partial bases (1b) in the width direction of the laser body. By configuring as a body, 25% or less of heat which is adapted to the thermal expansion of the laser body is provided in the mounting surface area of the laser body (3) on the upper surface of the row of partial substrates (1b) which are surface-bonded to the carrier (2) A diode laser device wherein an expansion portion is formed.
【請求項2】基体(1)の細条部(1b)の数量がレー
ザー体(3)のエミッター(3a)の数量に対応してお
り、エミッターの中心がそれぞれ細条部の中心と一直線
上に並ぶようにレーザー体(3)が細条部(1b)上に
取付けられていることを特徴とする、請求項1に記載の
ダイオードレーザー素子。
2. The number of the strips (1b) of the substrate (1) corresponds to the number of the emitters (3a) of the laser body (3), and the center of each of the emitters is aligned with the center of the strip. The diode laser element according to claim 1, characterized in that the laser body (3) is mounted on the strip (1b) so as to be arranged in a row.
【請求項3】基体(1)がt−cBNまたはCVDダイアモン
ドから成っていることを特徴とする、請求項1または2
に記載のダイオードレーザー素子。
3. The method according to claim 1, wherein the substrate is made of t-cBN or CVD diamond.
4. The diode laser element according to item 1.
【請求項4】基体の細条部(1b)が横細条部(1c)
を介して互いに結合されており、しかも横細条部(1
c)が担持体(2)と面結合されることなく、互いに結
合されていることを特徴とする、請求項1から3までの
いずれか一つに記載のダイオードレーザー素子。
4. The thin strip (1b) of the base is a horizontal strip (1c).
And are connected to each other through a horizontal strip (1
4. The diode laser element according to claim 1, wherein c) is coupled to one another without being surface-coupled to the carrier.
【請求項5】各細条部(1b)の個々のストライプ状の
金属化部分(4a,4b)が、任意の大きさの電気抵抗
部を介して、少なくとも1つの隣接する金属化部分と結
合されていることを特徴とする、請求項1から4までの
いずれか一つに記載のダイオードレーザー素子。
5. The individual striped metallizations (4a, 4b) of each strip (1b) are connected to at least one adjacent metallization via arbitrarily large electrical resistances. The diode laser device according to any one of claims 1 to 4, wherein the diode laser device is provided.
【請求項6】担持体(2)が、塊状の銅または互いに面
結合されている2つの銅層(2a)を有していることを
特徴とする、請求項1から5までのいずれか一つに記載
のダイオードレーザー素子。
6. The carrier according to claim 1, wherein the carrier has a bulk copper or two copper layers which are surface-bonded to one another. 4. A diode laser element according to any one of the above.
【請求項7】担持体(2a)が少なくとも1つの閉じた
中空空間(7)を有し、中空空間(7)が部分的に液体
で充填されており、この液体は、基体(1)下方の担持
体熱導入領域から蒸発により担持体熱放出領域へ搬送さ
れ、そこで凝縮し、液体として担持体熱導入領域へ還流
することにより対流型熱搬送を可能にし、よってヒート
パイプの原理にしたがって機能することを特徴とする、
請求項1から6までのいずれか一つに記載のダイオード
レーザー素子。
7. The carrier (2a) has at least one closed hollow space (7), the hollow space (7) being partially filled with a liquid, which liquid is below the substrate (1). The convection type heat transfer is enabled by being conveyed from the heat transfer region of the carrier to the heat release region of the carrier by evaporation, condensed there, and returned to the heat transfer region of the carrier as a liquid, thereby functioning according to the principle of the heat pipe. Characterized in that
The diode laser device according to claim 1.
【請求項8】担持体が少なくとも2つの銅層(2a)か
ら成り、そのうち少なくとも一つの銅層に冷却チャンネ
ル構造部(7)が形成され、冷却チャンネル構造部
(7)には、該冷却チャンネル構造部または他の銅層に
形成した供給部及び排出部(7a,7b)を介して、対
流型熱放出を可能にする液状媒体またはガス状媒体が供
給されることを特徴とする、請求項1から6までのいず
れか一つに記載のダイオードレーザー素子。
8. The carrier comprises at least two copper layers (2a), of which at least one copper layer has a cooling channel structure (7) formed therein, wherein the cooling channel structure (7) has a cooling channel structure. Liquid or gaseous medium enabling convective heat release is supplied via supply and discharge portions (7a, 7b) formed in the structure or another copper layer. 7. The diode laser device according to any one of 1 to 6.
【請求項9】前記少なくとも2つの銅層(2a)のうち
少なくとも1つの銅層の代りに、担持体(2)の機械的
安定性及び(または)熱伝導能を向上させる他の材料か
ら成る層が設けられていることを特徴とする、請求項1
から8までのいずれか一つに記載のダイオードレーザー
素子。
9. In place of at least one copper layer of said at least two copper layers (2a), it consists of another material which improves the mechanical stability and / or thermal conductivity of the carrier (2). 2. The method according to claim 1, wherein a layer is provided.
9. The diode laser device according to any one of items 1 to 8.
【請求項10】請求項1に記載のダイオードレーザー素
子の製造方法において、 まず基体(1)の細条部(1b)を担持体(2)と結合
させ、次に基体(1)と担持体(2)との結合を一時的
に解離させずに、延べ棒状のレーザー体(3)を基体
(1)の上面へ蝋材(6)を用いて蝋付けすることを特
徴とする製造方法。
10. The method for manufacturing a diode laser device according to claim 1, wherein the thin strip portion (1b) of the base (1) is first bonded to the support (2), and then the base (1) and the support are provided. A manufacturing method characterized in that a bar-shaped laser body (3) is brazed to an upper surface of a base (1) using a brazing material (6) without temporarily dissociating the bond with (2).
【請求項11】基体(1)の細条部(1b)を硬蝋
(5)を用いて担持体(2)上に蝋付けすることを特徴
とする、請求項10に記載の製造方法。
11. The method according to claim 10, wherein the strips (1b) of the substrate (1) are brazed onto the carrier (2) using hard wax (5).
【請求項12】レーザー体(3)を軟蝋(6)を用いて
基体(1)の金属化部分(4a,4b)上に蝋付けする
ことを特徴とする、請求項10または11に記載の製造
方法。
12. The method as claimed in claim 10, wherein the laser body is brazed onto the metallized part of the substrate using a soft wax. Manufacturing method.
【請求項13】レーザー体(3)を硬蝋(6)を用いて
基体(1)の金属化部分(4a,4b)上に蝋付けする
ことを特徴とする、請求項10または11に記載の製造
方法。
13. The method according to claim 10, wherein the laser body is brazed onto the metallized part of the substrate using a hard wax. Manufacturing method.
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