KR101960128B1 - 레이저 다이오드 디바이스 - Google Patents

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우베 슈트라우스
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알프레드 렐
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오스람 옵토 세미컨덕터스 게엠베하
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Abstract

본 발명은, 실장부(11)를 구비한 하우징(1)과, 하우징(1) 내에서 실장부(11) 상에 실장되고 질화물 화합물 반도체 재료를 기반으로 하는 레이저 다이오드 칩(2)을 포함하는 레이저 다이오드 디바이스에 관한 것이며, 레이저 다이오드 칩(2)은 땜납층(3)에 의해 실장부(11) 상에 직접적으로 실장되고 땜납층(3)은 3㎛보다 두껍거나 그와 동일한 두께를 보유한다.

Description

레이저 다이오드 디바이스{LASER DIODE DEVICE}
본 발명은 레이저 다이오드 디바이스에 관한 것이다.
본 출원은 독일 특허 출원 10 2012 103 160.6의 우선권을 청구하며, 상기 독일 특허 출원의 공개 내용은 본 출원에 참조로서 통합된다.
높은 광학 출력 밀도를 갖는 광원들은 다양한 적용 분야를 위한 핵심 부품이다. 예컨대 질화물을 기반으로 하는 화합물 반도체 재료 계로 이루어진 레이저 다이오드들은 투영 시스템들에 대한, 특히 1000과 20000루멘 사이의 광속을 갖는 투영 시스템들에 대한 높은 시장 잠재력을 나타내고 있다.
그러므로 상기 유형의 적용 분야들을 위해서는 높은 출력 전력을 갖는 부품들뿐 아니라 조밀한 하우징도 필요하다. 비용의 이유에서, 그리고 표준화 범위에서, TO 금속 캔("TO metal can") 형태, 가령 공지된 구조 크기 TO38, TO56 및 TO90 형태의 이른바 TO 시리지[TO: "트랜지스터 개요(Transistor outline)" ]의 하우징이 통상적이며, TO 금속 캔은 실질적으로 강재(steel)로 제조된다. 오늘날 레이저 다이오드를 위해서는, 통상적으로, 하기에서 축약하여 "TO 하우징"으로서도 표현되는 상기 표준 TO 구조 형상들이 이용된다. 그러나 TO 하우징 내에서 현재 가용한 레이저 다이오드들은 지금까지 3와트 미만의 광학 출력으로 제한되고 있으며, 이는 다양한 적용 분야를 위해 충분하지 않다. 더욱이 지금까지도 상기 구조 형상들로 3와트를 초과하는 광학 출력을 달성하지 못하고 있다.
예컨대 간행물, Proc. SPIE, 8277권, 82770K(2012년)으로부터는 C. Vierheilig(피어하일리히) 등의 논문 "TO 하우징 구조의 질화물 기반 청색 발광 레이저 다이오드"가 공지되었으며, 이 레이저 다이오드는 실온에서 연속 발진 동작 모드에서 최대 2.5와트의 출력 전력 조건에서 440㎚ 내지 460㎚ 범위의 파장을 갖는 광을 방출할 수 있다.
상기 레이저 다이오드들의 경우, TO 하우징들은, 특히 하우징과 레이저 다이오드 사이의 히트 싱크 상에 기술적인 이유에서 통상적으로 반도체층 시퀀스를 등지는 기판의 면으로 실장할 경우, 열 결점(thermal deficiency)을 나타내며, 그럼으로써 반도체층 시퀀스는 하우징에서부터 볼 때 상부에 배치된다("Epi up" 방식).
특수강 소재의 표준 TO 하우징들 외에도, 더욱 우수한 열 방출을 위해, 구리를 기반으로 하거나, 또는 구리 코어 및 강재 표면을 구비한 베이스를 포함하는 TO 하우징들도 공지되었다. 그러나 연구 결과, 상기 개질된 TO 하우징들의 이용만으로는 레이저 다이오드들의 출력 전력을 증가시키지 못하는 것으로 확인되었다.
특히 비소화물을 기반으로 하는 적색 및 적외선 파워 레이저 다이오드의 경우, 매우 직접적인 열 방출을 이용한 열적으로 최적화된 실장 개념들이 공지되어 있으며, 특히 레이저 다이오드와 하우징 사이의 히트 싱크 상에서 하부 방향을 향해 기판에 대향하여 위치하는 반도체층 시퀀스의 면을 이용한 실장("Epi down" 방식), 및 그 밖에 TO 하우징 대신 구리 캐리어의 이용도 공지되어 있다.
그러나 질화물 기반 레이저 다이오드에 대해 상기 유형의 조치들은 부적합한데, 그 이유는 구리 캐리어의 경우 오염 및 기계적 손상으로부터 레이저를 보호하기 위한 경제적인 밀봉이 불가능하기 때문이다. 예컨대 자동차 분야에서 이용할 때 특히 습도 및 화학약품은 임계 사항일 수 있으면서, 상기 외부 영향들로부터 레이저 다이오드들을 보호하기 위해 기밀 밀봉을 필요하게 할 수 있다. 질화물 기반 레이저 다이오드들의 경우, 동작 전압은 p-도핑된 질화물 기반 반도체층의 증가하는 두께와 더불어 증가할 수 있으므로, 전형적으로 p 면은 기판을 등지는 활성 영역의 면 상에 배치되고 최대한 얇게 형성되기 때문에, "Epi down" 실장은 다시금, 질화물 기반 레이저 다이오드들의 경우 결과적으로 p-접점에 매우 가깝게 위치하는 활성 영역으로 인해, 예컨대 납땜 공정 동안, 쉽게 단락되고 그에 따라 수율의 감소로 이어질 수 있다.
적어도 본 발명의 소정의 실시예들의 과제는 레이저 다이오드 디바이스를 명시하는 것에 있다.
상기 과제는 특허 독립 청구항에 따르는 대상을 통해 해결된다. 상기 대상의 바람직한 실시예들 및 개선예들은 그 특징들이 종속 청구항들에 명시되어 있으며, 그 밖에도 하기 기술 내용 및 도면으로부터 제시된다.
하나 이상의 실시예에 따라서, 레이저 다이오드 디바이스는 하우징을 포함하고, 이 하우징 내에서 레이저 다이오드 칩은 땜납층에 의해 실장부(mounting part) 상에 배치된다.
하우징은 바람직하게는 외부 표면으로 외부 히트 싱크, 예컨대 방열판 또는 회로 기판 상에 실장될 수 있다. 적어도 실장부와, 바람직하게는 상기 외부 히트 싱크 상에 레이저 다이오드 디바이스를 실장하기 위해 제공되는 외부 표면과 레이저 다이오드 칩 사이에 위치되는 하우징의 모든 영역은 높은 열전도도를 갖는 재료, 예컨대 금속, 예컨대 바람직하게는 구리 또는 알루미늄, 또는 세라믹 재료, 예컨대 AIN을 포함한다. 그 밖에도, 적어도 실장부는 복합 재료도 포함할 수 있고, 예컨대 플라스틱 재료에 의해 둘러싸인 금속 층을 구비한 금속 코어 기판에 의해 형성될 수 있다. 그 밖에도, 실장부는, 레이저 다이오드 칩의 전기 접촉을 위해, 예컨대 스트립 도체 형태의 전기 공급 라인뿐 아니라, 납땜 표면도 포함할 수 있다. 실장부가 레이저 다이오드 칩으로 향해 있는 면 상에서 금속 소재의 본체에 의해 형성된다면, 본체 자체에 의한 전기 공급 라인이 가능해질 수 있다.
한 추가 실시예에 따라서, 하우징은, 실장부 위쪽에 제공되어 하우징을 밀폐하는 하우징 커버를 포함한다. 그 밖에도, 하우징 커버는 윈도우를 포함하며, 이 윈도우를 통해서는 동작 중에 레이저 다이오드 칩으로부터 방출된 광이 레이저 다이오드 디바이스로부터 방출될 수 있다. 하우징 커버는 예컨대 강재, 특히 특수강과 같은 금속, 또는 세라믹 재료를 포함할 수 있거나, 또는 윈도우에 이르기까지 상기 금속 또는 세라믹 재료로 이루어질 수 있다. 특히 바람직하게는, 하우징 커버를 통해, 하우징의 기밀 밀봉식 밀폐가 가능해질 수 있다. 예컨대 하우징 커버는 실장부 또는 추가 하우징 부분과 용접될 수 있다.
한 추가 실시예에 따라서, 하우징은, 실장부와 결합된 하우징 부분을 포함한다. 실장부는 연장 방향을 따라서 하우징 부분으로부터 이격 연장될 수 있다. 달리 말하면, 실장부는 하우징 부분으로부터 이격 돌출될 수 있고, 예컨대 스터드(stud) 형태로 형성될 수 있다. 이 경우, 실장부는, 바람직하게는, 실장부의 연장 방향을 따라서 하우징 부분으로부터 이격 연장되고 그 상에는 레이저 다이오드 칩이 배치되는 실장 표면을 포함한다.
하우징 부분은 특히, 하우징 커버가 하우징의 밀폐를 위해 하우징 부분 상에 배치될 수 있도록 하기 위해 제공되고 그를 위해 형성될 수 있다. 특히 상호 간에 일체형으로 형성될 수 있는 하우징 부분 및 실장부는 바람직하게는 구리 소재의 본체를 각각 포함하거나, 또는 일체형으로 형성된 경우에는 구리 소재의 공통 본체도 포함한다. 이에 대체되는 방식으로, 본체는 앞서 언급한 재료들 중에서 또 다른 재료도 포함할 수 있다.
그 밖에도, 적어도 하우징 부분은 강재로 둘러싸일 수 있다. 이는, 하우징 부분이 실질적으로 본체로 형성되고 강재 층으로 덮인다는 것을 의미한다. 강재 층(steel layer)은 예컨대 특수강 소재의 층을 통해 형성될 수 있다. 하우징 부분의 강재 커버는 특히 바람직할 수 있는데, 그 이유는 그 결과로 강재 베이스(steel base)를 포함한 표준 TO 하우징의 경우처럼, 하우징 커버가 하우징 부분과 용접될 수 있기 때문이다.
이 경우, 실장부는 그 연장 방향을 따라서 하우징 부분에서부터 하우징 커버 안쪽으로 돌출되며, 그럼으로써 하우징 커버가 실장부 상에 실장된 경우 레이저 다이오드 칩은 하우징 커버 및 하우징 부분을 통해 형성된 중공 공간 내에 위치된다.
한 추가 실시예에 따라서, 하우징 부분에 추가로, 실장부도 강재로 둘러싸인다. 특히 하우징 부분과 실장부는 상기 실시예에서, 강재 층으로 덮이는 공통의 구리 본체를 포함할 수 있다.
특히 바람직하게는, 하우징은 예컨대 구조 크기 TO38, TO56 또는 TO90을 갖는 이른바 TO 하우징으로서 형성될 수 있다. 하우징 부분은 상기 실시예에서 "베이스 플레이트(base plate)"로서도 표현되고 실장부는 "스템(stem)"으로서 표현될 수 있다. 하나 이상의 하우징 부분을 포함하거나, 또는 실질적으로 강재로 구성되어 구리 기반 본체를 포함하지 않는 하우징 부분 및 실장부를 포함하는 통상적으로 이용되는 표준 TO 하우징들과 비교하여, 상기 실시예의 하우징은 강재로 둘러싸인 하우징 부분의 구리를 바탕으로 상대적으로 더 높은 열전도도를 보유한다.
한 추가 실시예에 따라서, 실장부, 또는 경우에 따라 하우징 부분도 예컨대 구멍들 또는 개구부들을 포함할 수 있고, 이 구멍들 또는 개구부들을 통해, 예컨대 접촉 핀들(contact pin)의 형태인 전기 공급 라인들은 실장부를 등지는 하우징의 면에서부터 그 상에 실장부가 배치되는 면 쪽으로 돌출될 수 있다. 전기 공급 라인들은, 예컨대 전기 공급 라인과 레이저 다이오드 칩 사이의 와이어 연결을 통한 레이저 다이오드 칩의 전기 접촉을 위해 제공될 수 있다.
한 추가 실시예에 따라서, 레이저 다이오드 칩은 질화물 화합물 반도체 재료를 기반으로 한다. 레이저 다이오드 칩은 특히 기판, 바람직하게는 전기 전도성 기판, 예컨대 결정질 (In,Al,Ga)N을 포함할 수 있다. 그 위에는, 질화물 화합물 반도체 재료를 기반으로 하고 그에 따라 InAlGaN을 기반으로 형성된 에피택셜 층 시퀀스, 다시 말하면 에피택셜 성장된 반도체층들이 도포될 수 있다.
"InAlGaN 기반 화합물 반도체 재료들", "(In,Al,Ga)N 기반 화합물 반도체 재료들", 및 "질화물 화합물 반도체 재료들"과 같은 명칭에 속하는 경우는 특히 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 및 x + y ≤ 1인 조건의 III-V-화합물 반도체 재료 계로 이루어진 재료를 함유하는 반도체 재료들, 예컨대 다시 말하면 GaN, AlN, AlGaN, InGaN, AlInGaN이다. 레이저 다이오드 칩은, 특히 기판 상에, 동작 중에 광의 방출을 위해 제공되는, 특히 바람직하게는 AlGaInN 및/또는 InGaN을 기반으로 하는 활성층을 보유하는 반도체층 시퀀스를 포함할 수 있다. 특히 레이저 다이오드 칩은 동작 중에 자외선 파장 범위에서부터 녹색 파장 범위까지의 광을 방출할 수 있다.
한 추가 실시예에 따라서, 레이저 다이오드 칩은 기판 상에, 예컨대 도파관 층들과 커버 층들 사이의 활성층을 구비한 반도체층들을 포함한다.
특히 기판 상에 제 1 커버 층이 도포되고, 그 위에 제 1 도파관 층이 도포되고, 그 위에 활성층이 도포되고, 그 위에 제 2 도파관 층이 도포되며, 그리고 이 제 2 도파관 위에는 제 2 커버 층이 도포될 수 있다. 그 밖에도, 제 2 커버 층 위에는 반도체 접촉 층이 배치되고, 이 반도체 접촉 층 위에는 예컨대 금속 층 형태의 전기 접속층이 배치될 수 있다. 레이저 다이오드 칩의 전기 접촉은 특히 바람직하게는, 기판에 대향하여 위치하는 전기 접속층을 통해, 그리고 전도성 기판을 통해 수행될 수 있으며, 기판은 반도체층들을 등지는 면 상에 전기 접속층을 포함할 수도 있다. 그에 따라, 이 경우, 레이저 다이오드 칩은, 땜납층에 의해, 직접적으로 기판으로, 또는 반도체층들을 등지는 기판의 면 상에 배치된 레이저 다이오드 칩의 전기 접속층으로, 실장부 상에 실장될 수 있다. 그 밖에도, 기판을 등지는 활성층의 면 상에서, 도파관 층과 커버 층 사이에는, 이른바 전하 캐리어 오버슈트를 방지하기 위해, 전하 캐리어 장벽 층이 배치될 수 있다.
예컨대, 기판과 활성층 사이에 배치된 반도체층들은 n-도핑되고, 기판에서부터 볼 때 활성층 위쪽에 배치되는 반도체층들은 p-도핑될 수 있다. 또한, 이에 대체되는 방식으로, 도핑 시퀀스를 거꾸로 실행할 수도 있다. 활성층은 도핑되지 않거나 n-도핑될 수 있다. 레이저 다이오드 칩은 활성층으로서 예컨대 통상적인 pn-접합, 이중 헤테로 구조, 또는 양자 우물 구조, 특히 바람직하게는 다중 양자 우물 구조(MQW 구조)를 포함할 수 있다. 양자 우물 구조란 명칭은 본 출원의 범위에서 특히 전하 캐리어가 속박("confinement")을 통해 그 에너지 상태들의 양자화를 경험할 수 있는 그런 구조를 포함한다. 특히 양자 우물 구조는 양자 우물들, 양자 와이어들 및/또는 양자점들 및 이들 구조들의 조합을 포함할 수 있다. 예컨대 활성층은 적합하게 형성된 장벽 층들 사이에 InGaN 기반 양자 필름들을 포함할 수 있다.
특히 바람직한 실시예에 따라서, 레이저 다이오드 칩의 제조를 위해, 앞서 기술한 것처럼, 맨 먼저 n-도핑된 층들이 성장되고, 그 다음 활성 영역과 그 위에 p-도핑된 층이 성장된다.
추가의 특히 바람직한 실시예에 따라서, 레이저 다이오드 칩은 기판으로 실장부 상에 배치되며, 그럼으로써 레이저 다이오드 칩은 실장부 및 땜납층을 등지는 기판의 면 상에 바람직하게는 에피택셜 증착된 반도체층들을 포함하게 된다. 상기 바람직한 실장 방향은 하기에서 "Epi up"으로서도 표현된다.
한 추가 실시예에 따라서, 레이저 다이오드 칩은 복사선 아웃커플링 영역을 구비한 복사선 아웃커플링 표면을 포함하고, 복사선 아웃커플링 영역을 통해 활성층에서 생성된 광이 동작 중에 방출된다. 복사선 아웃커플링 영역은 전형적인 방식으로 복사선 아웃커플링 표면 상에서 내부 도파관 효과를 바탕으로 목표한 바대로 선택된 전류 밀도 분포를 통해 정의된다. 이 경우, 레이저 다이오드 칩은 바람직하게는, 복사선 아웃커플링 표면이 예컨대 결정 평면(crystal plane)을 따라서 반도체층 복합 재료의 절개, 분할 및/또는 에칭을 통해 제조될 수 있는, 측면 방출 레이저 다이오드 칩으로서 형성된다. 그 밖에도, 레이저 다이오드 칩은 복사선 아웃커플링 표면에 대향하여 배치된 후방 표면도 포함한다. 복사선 아웃커플링 표면 및 후방 표면은, 측면 방출 레이저 다이오드 칩의 경우, 통상적으로 이른바 파세트들(facet)로서도 표현된다. 그 밖에도, 레이저 다이오드 칩은 측면들도 포함하며, 이 측면들은, 후방 표면과 복사선 아웃커플링 표면들을 서로 연결하면서, 반도체층들의 성장 및 배치 방향에 대해 수직인 방향으로 반도체층들을 범위 한정하는 반도체층들의 측면들을 통해 형성된다.
여기서, 그리고 하기에서도, 실장부로 향해 있으면서 땜납층과 직접 접촉하는 레이저 다이오드 칩의 외부 표면은 하면으로서도 표현되고, 그에 반해 층 배치 방향으로 실장부에 대향하여 위치하는 외부 표면은 상면으로서 표현된다.
한 추가 실시예에 따라서, 레이저 다이오드 칩은 땜납층에 의해 실장부 상에 직접적으로 배치되고, 그에 따라 실장부 상에 직접적으로 실장된다. 이는, 특히, 레이저 다이오드 칩과 실장부 사이에 땜납층만이 배치된다는 것을 의미한다. 땜납층은 3㎛보다 더 두껍거나 그와 동일한 두께를 보유한다. 특히 바람직하게는, 땜납층의 두께는 4㎛보다 더 두껍거나 그와 동일할 수 있으며, 그 밖에도 5㎛보다 더 두껍거나 그와 동일할 수 있다.
한 추가 실시예에 따라서, 땜납층은 연납(soft solder)을 포함하고 바람직하게는 연납으로 이루어진다.
특히 연납은 Sn, In 및 Au에서 선택된 하나 이상의 금속을 함유한 합금으로 형성될 수 있으며, 상기 합금은 예컨대
- 특히 바람직하게는 80%의 Au 및 20%의 Sn을 함유한 AuSn,
- 특히 바람직하게는 88%의 Au 및 12%의 Ge을 함유한 AuGe,
- 특히 바람직하게는 63%의 Sn 및 37%의 Pb를 함유한 SnPb,
- 특히 바람직하게는 96.5%의 Sn 및 3.5%의 Ag, 또는 95%의 Sn 및 5%의 Ag, 또는 80%의 Sn 및 20%의 Ag를 함유한 SnAg,
- 특히 바람직하게는 63%의 Sn, 35.6%의 Pb 및 1.4%의 Ag를 함유한 SnPbAg,
- 특히 바람직하게는 95%의 Sn 및 5%의 In을 함유한 SnIn,
- 특히 바람직하게는 90%의 In 및 10%의 Ag를 함유한 InAg,
- 특히 바람직하게는 77%의 Sn, 21.2%의 In 및 2.8%의 Ag를 함유한 SnInAg,
- 특히 바람직하게는 99%의 Sn 및 1%의 Cu, 또는 99.3%의 Sn 및 0.7%의 Cu를 함유한 SnCu,
- 특히 바람직하게는 95.5%의 Sn, 3.8%의 Ag 및 0.7%의 Cu를 함유한 SnAgCu,
- 특히 바람직하게는 95%의 Sn 및 5%의 Sb를 함유한 SnSb,
- 특히 바람직하게는 65%의 Sn, 25%의 Ag 및 10%의 Sb를 함유한 SnAgSb,
- 특히 바람직하게는 58%의 Bi 및 42%의 Sn을 함유한 SnBi,
- 특히 바람직하게는 90%의 Sn, 9.5%의 Bi 및 0.5%의 Cu, 또는 95%의 Sn, 3.5%의 Bi 및 1.5%의 Cu, 또는 95%의 Sn, 3%의 Bi 및 2%의 Cu를 함유한 SnBiCu,
- 특히 바람직하게는 78%의 Sn, 10%의 Bi, 10%의 In 및 2%의 Ag를 함유한 SnBiInAg이다.
특히 바람직한 실시예에 따라서, 레이저 다이오드 디바이스는 실장부를 구비한 하우징을 포함하며, 하우징 내에서 실장부 상에 직접적으로 땜납층에 의해 질화물 화합물 반도체 재료를 기반으로 하는 레이저 다이오드 칩이 실장되고 땜납층은 3㎛보다 더 두껍거나 그와 동일한 두께를 보유한다.
레이저 다이오드 칩이 땜납층에 의해 하우징의 실장부 상에 직접적으로 실장된다는 점은, 특히 여기서 기술되는 레이저 다이오드 디바이스의 경우, 종래 기술에서처럼 통상적인 것이면서 열 분산기로서 기능할 수도 있는 추가 히트 싱크가 레이저 다이오드 칩과 하우징 사이에 배치되지 않는다는 점을 의미한다. 레이저 다이오드와 하우징 사이에서 추가 히트 싱크가 이용되는 레이저 다이오드 칩의 상기 유형의 실장은 종래 기술에 상응한다. 레이저 다이오드 칩 하부의 추가 히트 싱크는 통상적으로 10㎛를 상회하는, 전형적으로는 예컨대 50 내지 120㎛인 두께를 가지면서 열 분산을 위해 우수한 열전도도를 갖는 실장 몸체이다. 상기 유형의 실장은 특히 적외선 및 적색 레이저, 특히 비소화물을 기반으로 하는 레이저를 위해 최적화되었으며, 지금까지 실질적인 개질 없이 질화물 기반 레이저 다이오드 칩의 실장으로 전용되었다. 그에 따라, 여기서 기술되는 레이저 다이오드 디바이스의 경우, 총 열 저항에 대한 히트 싱크의 기여는 생략된다. 마찬가지로 전형적으로 종래 기술에서 이용되는 것과 같은 200㎛ 두께의 AlN 히트 싱크는 약 3 내지 4K/W의 열 저항을 보유한다.
비소화물 화합물 반도체 재료들을 기반으로 하고 그 불충분한 열 전도성 기판으로 인해 통상적으로 "Epi down" 방식으로 실장되는 적외선 및 적색 레이저들의 경우, 추가 히트 싱크가 배제될 때, 칩 테두리에서의 땜납에 의해 활성 영역이 단락되거나, 또는 동작 중에 땜납이 칩 테두리 상에서 이동하여 상기 단락을 생성하는 높은 위험이 존재할 수도 있다. 또한, 히트 싱크의 배제를 통해, 동작 중에 레이저 다이오드 칩 내에 높은 스트레인(strain) 및 결정 결함(crystal defect)이 발생할 수도 있으며, 다시 말하면 납땜 후 냉각 동안 칩 및 하우징의 서로 상이한 열팽창계수로 인해 발생하여 부품의 고장을 야기할 수 있는 이른바 "암흑선 결함(dark line defect)"이 발생할 수 있다. 매우 연성인 땜납들의 이용을 통해, 상기 위험이 비록 다소 감소될 수 있기는 하지만, 상기 위험은 항상 여전히 너무 높다. 그 밖에도, In과 같은 연성인 땜납은 이동하는 경향을 나타내며, 그 결과로 레이저 다이오드 칩의 활성 영역 위쪽에서 쉽게 단락을 야기할 수 있다.
본원의 발명자는, 종전까지의 상정들(assumption) 및 접근법들과 다르게, 상기 문제들은 질화물 화합물 반도체 재료를 기반으로 하는 레이저 다이오드 칩들의 경우 발생하지 않는다는 점을 확인하였다. 예컨대 GaAs 기판들의 경우 46W/mK 대신 약 200W/mk의 열전도도를 보유하는 기판들이 이용될 수 있다. 그 결과로, 질화물 화합물 반도체 재료를 기반으로 하는 레이저 다이오드 칩들은 "Epi up" 방식으로 실장될 수 있으며, 그럼으로써 50㎛보다 더 두껍거나 그와 동일하고 150㎛보다 더 얇거나 그와 동일한 바람직한 기판 두께, 바람직하게는 예컨대 약 110㎛의 두께의 경우 증가된 단락 위험은 존재하지 않게 된다. "암흑선 결함"은 질화물 기반 레이저 다이오드 칩들에 대해 알려져 있지 않으며, 그에 따라 마찬가지로 문제를 나타내지도 않는다.
중간에 추가 히트 싱크가 개재되지 않은 조건에서 하우징의 실장부 상에 레이저 다이오드 칩을 실장하는 실장의 높은 품질을 위해, 여기서 기술되는, 3㎛보다 더 두껍거나 그와 동일한 두께를 갖는 땜납층이 특히 바람직하며, 그에 반해 종래 기술에서는 열적 이유에서 최대한 얇은 땜납층이 선호된다. 특히 레이저 다이오드 칩의 납땜 후 냉각 동안 열 스트레인뿐 아니라, 실장부의 비평면성도 보상하기 위해, 앞에서 기술한 연납이 적합하다. 상기 비평면성은, 예컨대 강재 커버를 포함한 구리 기반의 실장부가 이용된다면, 거의 방지될 수 없다. 그에 따라, 여기서 기술되는 두꺼운 땜납층의 이용은 전체적으로 열적 장점을 제공하는데, 그 이유는, 여기서 기술되는 땜납층의 두께를 통해 가능한 것과 같은 균일하면서도 특히 공동 없는 납땜이, 얇은 땜납층과 비교하여 여기서 기술되는 땜납층의 두께를 통해 야기되는, 그 자체로 볼 때 상대적으로 더 큰 열 저항을 극복하기 때문이다. 특히, 종래 기술에서 통상적으로 이용되는 히트 싱크가 생략된다고 하더라도, 전체적으로 레이저 다이오드 칩과 하우징 사이의 열 저항이 감소될 수 있으며, 그 밖에도 두꺼운 땜납층에 대한 레이저 다이오드 칩의 최대한 연속적이면서 아주 넓은 열적 연결을 위해 특히 바람직하게는 레이저 다이오드 칩 내에 하기에서 계속해서 기술되는 고정 부재들이 제공될 수 있다. 이 경우, 열 분산은, 여기서 기술되는 레이저 다이오드 디바이스의 경우, 하우징과 특히 실장부를 통해 수행될 수 있다.
특히, 여기서 기술되는 레이저 다이오드 디바이스의 경우, 종래 기술과 비교하여 출력 전력이 3W 이상으로 분명하게 증가할 수 있다. 그러나 상기 증가는, 예컨대 두꺼운 땜납층과, 예컨대 구리 기반 하우징처럼 최대한 우수한 열 전도성을 갖는 하우징의 조합을 통해서만 가능한데, 그 이유는 예컨대 상기와 같이 열적으로 최적화된 하우징만을 이용할 경우 약 2내지 3K/W만큼 열 저항을 감소시킬 수 있기는 하지만, 3W 이상의 출력 전력을 달성하기에는 충분하지 않기 때문이다.
그러나 여기서 기술되는 레이저 다이오드 디바이스는 바람직하게는 종전까지 종래 기술에 따라서 제조된 부품들에 외면상 완전히 상응할 수 있으면서 대량 생산에 적합한 대응하는 공정들로 제조될 수 있다. 그에 따라, 가령 와트당 달러 단위로 평가되는 비용은 분명하게 절감될 수 있다. 그 밖에도, 한 적용 분야에서 동일한 광출력에 대해, 여기서 기술되는 레이저 다이오드 디바이스를 이용할 때, 공지된 레이저 다이오드들과 비교하여 더 적은 부품이 필요하다.
레이저 다이오드 칩들이 추가 히트 싱크를 통해 하우징 상에 실장되는 통상적인 레이저 다이오드들의 경우, 히트 싱크는 열 분산기로서 작용할 뿐 아니라, 칩 상에 작용하는 스트레인도 감소시킬 수 있는데, 그 이유는 하우징이 통상적으로 칩의 열팽창계수를 훨씬 상회하는 열팽창계수를 보유하기 때문이다. 여기서 기술되는 레이저 다이오드 디바이스의 경우, 상기 스트레인 보상은 추가 히트 싱크를 통해서는 불가능하다. 레이저 다이오드 칩과 하우징 사이의 열팽창계수들이 서로 너무 많이 다르다면, 실온에서 레이저 다이오드 칩의 납땜 후 냉각 동안, 하우징은 레이저 다이오드 칩보다 더 심하게 수축될 수 있다. 그 결과로, 레이저 다이오드 칩이 하우징을 등지는 볼록한 만곡부가 형성되는 점이 발생할 수 있다. 그 결과로, 칩 전단(chip shearing)이 발생할 수 있고, 그럼으로써 레이저 다이오드 칩은 더 이상 최적으로, 그리고 전체 표면에 걸쳐 납땜되지 않게 된다. 그러므로 특히 바람직하게는, 레이저 다이오드 칩은, 실장부로 향해 있는 레이저 다이오드 칩의 하면을 볼록하게 변형시키거나, 또는 실장부로 향해 있는 레이저 다이오드 칩의 하면의 적어도 오목한 변형(concave deformation)을 상쇄시키는 장력을 갖는다. 예컨대 레이저 다이오드 칩은, 실장되지 않은 상태에서 사발 형태의 곡률, 또는 거의 평면으로 형성되는 경우는 적어도 최소의 사발 형태를 보유하는 방식으로 형성될 수 있다. 레이저 다이오드 칩의 적합한 장력은 예컨대 기판 상에 반도체층들을 성장시킬 때 목표한 바대로 선택된 성장 조건들을 통해 설정될 수 있다.
한 추가 실시예에 따라서, 레이저 다이오드 칩은 실장부로 향해 있는 하면에 땜납층의 땜납을 위한 하나 이상의 고정 부재를 포함한다. 고정 부재는 예컨대 실장부로 향해 있는 레이저 다이오드 칩의 하면 내 함몰부 또는 융기부를 통해 형성될 수 있다. 바람직하게는, 레이저 다이오드 칩은, 규칙적으로, 또는 불규칙적으로 형성되고, 그리고/또는 배치될 수 있는 복수의 고정 부재를 포함한다. 하나 이상의 고정 부재는 예컨대 레이저 다이오드 칩의 측면들에 인접하여, 다시 말하면 땜납층으로 향해 있는 레이저 다이오드 칩의 하면과 복사선 아웃커플링 표면 및/또는 후방 표면 및/또는 하나 이상의 측면 사이의 칩 테두리들에 인접하여, 각각 단차형 함몰부로서 형성될 수 있다. 고정 부재들을 통해, 앞에서 기술한 레이저 다이오드 칩의 목표하는 장력에 추가되거나 대체되는 방식으로 칩 전단을 상쇄시킬 수 있는, 땜납과 레이저 다이오드 칩의 치합(toothing)이 달성될 수 있다. 앞에서 기술한 바람직한 "Epi up" 실장에서, 하나 이상의 고정 부재, 및 바람직하게는 복수의 고정 부재가 기판 내에 형성된다.
하나 이상의 고정 부재, 및 바람직하게는 복수의 고정 부재는 예컨대 목표한 바대로 이산 융기부들 또는 함몰부들로서 구성될 수 있다. 고정 부재들은 특히 점 형태의 융기부들 및/또는 함몰부들, 또는 선형 융기부들 및/또는 함몰부들을 포함할 수 있다. 예컨대 고정 부재들은 목표하는 거칠기 처리나, 또는 목표하는 기계적 또는 화학적 금속 제거를 통해서도 형성될 수 있다. 그 밖에도, 고정 부재는 예컨대 단차(step)의 형태로 기판 테두리의 영역에서 하나 또는 2개의 파세트 상에, 다시 말하면 복사선 아웃커플링 표면 및/또는 후방 표면 상에 제공될 수도 있다.
하나 이상의 고정 부재, 및 바람직하게는 복수의 고정 부재의 제조를 위해, 바람직하게는 건식 또는 습식 화학 에칭, 특히 이방성 에칭 방법, 리소그래피 구조화, 및/또는 기계적 구조화가 실행될 수 있다.
바람직하게는, 하나 이상의 고정 부재, 및 바람직하게는 복수의 고정 부재는 0.1㎛보다 더 크거나 그와 동일하고 10㎛보다 더 작거나 그와 동일한 깊이, 바람직하게는 0.5㎛보다 더 크거나 그와 동일하고 5㎛보다 더 작거나 그와 동일한 깊이를 보유한다. 0.1㎛보다 더 크거나 그와 동일하고, 바람직하게는 0.5㎛보다 더 크거나 그와 동일한 크기는, 레이저 다이오드 칩과 땜납 사이에 충분한 치합이 이루어지도록 하기 위해 특히 적합하며, 그에 반해 10㎛보다 더 작거나 그와 동일하고, 바람직하게는 5㎛보다 더 작거나 그와 동일한 깊이는, 땜납으로 고정 부재를 완전하게 채우거나 에워싸고, 그에 따라 땜납층에 대한 레이저 다이오드 칩의 최대한 전체 표면의 결합을 달성하기 위해 특히 적합하다.
한 추가 실시예에 따라서, 레이저 다이오드 칩은 측면들 및/또는 복사선 아웃커플링 표면 및/또는 후방 표면 상에 금속 배선(metallization)을 포함한다. 금속 배선은 금속 층의 형태로 형성될 수 있다. 그에 따라, 금속 배선은 특히 층 형태로 주 연장 평면을 구비하여 형성되며, 이 주 연장 평면은 레이저 다이오드 칩의 반도체층 시퀀스의 배치 방향에 대해 평행하다. 상기 유형의 금속 배선을 통해, 레이저 다이오드 칩의 표면들이면서 금속 배선을 구비한 상기 표면들을 통해 레이저 다이오드 칩의 냉각이 달성될 수 있다. 예컨대 금속 배선은 기판과 적어도 수 개의 반도체층 상에 직접적으로 배치될 수 있다. 이 경우, 특히 바람직하게는, 금속 배선은 실장부에서부터 볼 때 활성층의 하부에, 다시 말하면 앞에서 기술한 "Epi up" 실장의 경우 기판의 측면들, 및 기판과 활성층 사이에 배치된 반도체층들의 측면들 상에 배치된다. 그 결과로, 금속 배선을 통해 활성층의 상부 및 하부에서 n-도핑된 층과 p-도핑된 층의 브리지에 의한 단락이 야기되는 점은 방지될 수 있다. 레이저 다이오드 칩의 반도체 재료와 금속 배선의 상기 직접적인 접촉을 바탕으로 효과적인 냉각이 가능해질 수 있다.
금속 배선이 반도체층들과 직접적으로 접촉하여 복사선 아웃커플링 표면 및/또는 후방 표면 상에 배치된다면, 금속 배선은 바람직하게는 반도체층들과 복사선 아웃커플링 표면 또는 후방 표면 상의 광학 층 사이에 위치된다. 광학 층은 특히 레이저 다이오드 칩의 경우 통상적인 파세트 반사 코팅층 또는 파세트 반사 방지 코팅층을 통해 형성된다. 통상적으로, 복사선 아웃커플링 표면 또는 후방 표면 상의 광학 층은 유전체 재료 또는 유전체 층 시퀀스로 형성된다. 금속 배선이 복사선 아웃커플링 표면 상에 제공된다면, 복사선 아웃커플링 영역은 금속 배선이 없는 상태로 유지되며, 그럼으로써 활성층에서 생성된 광은 방해받지 않으면서 방출될 수 있게 된다.
또한, 그 밖에도, 금속 배선은 레이저 다이오드 칩의 외면을 형성할 수도 있다. 달리 말하면, 금속 배선은 레이저 다이오드 칩의 추가 층에 의해 덮이지 않는다. 금속 배선이 측면들 상에 배치되는 경우, 금속 배선은 반도체층들 상에 직접적으로 도포될 수 있을 뿐 아니라, 레이저 다이오드 칩의 외면들도 형성할 수 있다. 금속 배선이 복사선 아웃커플링 표면 및/또는 후방 표면 상에 배치되어 레이저 다이오드 칩의 외면을 형성한다면, 이는 달리 말하면, 금속 배선이 복사선 아웃커플링 표면 또는 후방 표면의 광학 층 상에 배치된다는 것을 의미한다. 특히 금속 배선은 레이저 다이오드 칩의 하면에까지 도달할 수 있다. 레이저 다이오드 칩의 외면을 형성하는 금속 배선을 통해, 땜납층의 땜납이 금속 배선을 습윤화할 수 있는 점이 달성될 수 있다. 그 결과로, 땜납층의 일부분은 목표한 바대로 금속 배선 상에서 "상승할" 수 있고, 그에 따라 레이저 다이오드 칩의 표면들이면서 금속 배선을 구비한 상기 표면들을 통한 레이저 다이오드 칩의 우수한 열적 접촉과 그에 따른 우수한 냉각을 가능하게 할 수 있다.
금속 배선은 특히 금속들 Au, Ti, Pt, Cr, Pd, Ni, Ag, W, Cu 중에서 하나 이상의 금속을 포함할 수 있다.
한 추가 실시예에 따라서, 레이저 다이오드 칩은 실장부를 등지는 상면 상에 후방 표면에서부터 복사선 아웃커플링 표면까지 연장되면서 부동화부로 덮이는 하나 이상의 함몰부를 포함한다. 특히 함몰부는 상면에서부터 볼 때 활성층을 넘어서까지 반도체층 시퀀스들 안쪽으로 돌출된다. 바람직하게는, 레이저 다이오드 칩은 2개의 함몰부를 포함하고, 이 함몰부들은 각각 복사선 아웃커플링 표면에서부터 후방 표면까지 연장되며, 그리고 상기 함몰부들 사이에서 상면 상에 접촉 영역이 배치되며, 이 접촉 영역을 통해 레이저 다이오드 칩 내에서, 그리고 특히 활성층 내에서 목표하는 전류 인가 또는 전류 밀도 분포가 생성된다. 그에 따라, 함몰부들은 부동화부와 함께 바람직하게는 땜납의 가능한 이동 경로들 사이에 위치되며, 상기 이동 경로들을 따라 땜납은 레이저 다이오드 칩의 측면들 상의 금속 배선에서부터 접촉 영역에 이르기까지 이동될 수도 있다. 그 결과로, 레이저 다이오드 디바이스의 동작 중에, 칩 테두리들에서 땜납의 제어되지 않는 상승이나, 또는 땜납의 제어되지 않는 이동은 방지될 수 있으며, 그럼으로써 활성층의 단락이 야기될 수도 있다. 또한, 함몰부들은 활성층을 중단시키는 이른바 메사 트렌치(mesa trench)로서도 표현될 수 있다.
레이저 다이오드 디바이스의 여기서 기술되는 구성을 통해, 종래 기술에서의 레이저 다이오드들과 비교하여, 열 저항의 분명한 감소가 달성될 수 있기 때문에, 종래 기술과 비교하여 상대적으로 더 큰 활성 표면, 다시 말하면 상대적 더 큰 활성화된 표면(energized surface)을 갖는 레이저 다이오드 칩을 동작시킬 수 있다. 그에 따라, 여기서 기술되는 레이저 다이오드 디바이스에서는, 종래 기술과 비교하여 상대적으로 더 길고, 그리고/또는 더 넓은 활성화된 표면을 갖는 레이저 다이오드 칩들이 이용될 수 있다. 특히 활성층은 2500μ㎡보다 더 크거나 그와 동일하고, 바람직하게는 10000μ㎡보다 더 크거나 그와 동일하고, 특히 바람직하게는 20000μ㎡보다 더 크거나 그와 동일하고 30000μ㎡까지에 이르는 면적을 보유할 수 있다. 이 경우, 최댓값에서 10%로 전류 밀도의 강하가 면적 제한으로서 인정된다.
그 밖에도, 여기서 기술되는 레이저 다이오드 디바이스의 경우, 종래 기술에서와 다르게, 추가 비용 없이, 여기서 기술되는 하우징들 중 하나의 하우징에서 하나보다 더 많은 레이저 다이오드 칩을 이용할 수도 있으며, 그럼으로써 마찬가지로 출력 전력의 증가가 달성될 수 있게 된다.
추가의 장점들, 바람직한 실시예들 및 개선예들은 하기에서 도들과 결부되어 기술되는 실시예들로부터 제시된다.
도 1a 및 도 1b는, 일 실시예에 따르는 레이저 다이오드 디바이스를 도시한 개략도이다.
도 2는, 한 추가 실시예에 따르는 레이저 다이오드 칩을 도시한 개략도이다.
도 3은, 한 추가 실시예에 따르는 레이저 다이오드 디바이스의 일부분을 도시한 개략도이다.
도 4a 내지 도 4c는, 추가 실시예들에 따르는 레이저 다이오드 디바이스의 일부분을 각각 도시한 개략도이다.
도 5a 내지 도 11은, 추가 실시예들에 따르는 레이저 다이오드 디바이스의 일부분을 각각 도시한 개략도이다.
실시예들 및 도들에서 동일하거나, 동일한 유형이거나, 동일하게 동작하는 요소들은 각각 동일한 도면 부호들로 표시될 수 있다. 도시된 요소들 및 이들 요소의 상호 간 크기 비율은 정확한 척도로 도시된 것으로 간주해서는 안 되며, 오히려, 예컨대 층들, 구조 부재들, 부품들 및 영역들과 같은 개별 요소들은 더욱 나은 형태성을 위해, 그리고/또는 더욱 나은 이해를 위해 과정된 방식으로 크게 도시되어 있을 수 있다.
도 1a와 도 1b에는, 레이저 다이오드 디바이스(100)를 위한 일 실시예가 도시되어 있고, 도 1a에는 개략적 단면도가 도시되어 있으며, 도 1b에는 레이저 다이오드 디바이스(100)의 상면도가 도시되어 있다. 하기 기술 내용은 동일한 방식으로 도 1a 및 도 1b에 관련된다.
레이저 다이오드 디바이스(100)는 하우징(1)을 포함하고, 이 하우징 내에서 실장부(11) 상에는 땜납층(3)에 의해 레이저 다이오드 칩(2)이 실장된다.
하우징(1)은 최대한 높은 열전도도를 보유하고, 도시된 실시예에서 이른바 TO 하우징의 형태로 형성된다. 이 경우, 하우징(1)은 하우징 부분(10)과 하우징 부분 상에 배치된 실장부(11)를 포함한다. 실장부(11)는 하우징 부분(10)으로부터 이격 연장되고, 도시된 실시예에서는 하우징 부분(10)과 일체형으로 형성된다. 이를 위해, 하우징 부분(10)과 실장부(11)는, 도시된 실시예에서 구리인 금속으로 형성된 본체를 포함한다.
그 밖에도, 하우징 부분(10)은 강재의 커버(12)를 포함하며, 이 커버는 하우징 부분(10)의 영역에서 구리 본체의 코팅을 통해 형성된다. 실장부(11)는 코팅되지 않은 본체에 의해, 다시 말하면 도시된 실시예에서는 구리 본체에 의해 형성될 수 있거나, 또는 실장부(11)의 둘레에 파선을 통해 지시된 것처럼 마찬가지로 커버, 바람직하게는 강재 커버를 포함할 수 있다.
그 밖에도, 하우징 부분(10)은 예컨대 구멍들 또는 개구부들을 포함할 수 있고, 이 구멍들 또는 개구부들 내에는 실장부(11)를 등지는 하우징 부분(10)의 면에서부터 실장부(11)의 면 쪽으로 돌출된 공급 라인 핀들이 배치된다. 상기 구멍들 또는 개구부들 내에 배치되어 고정된 공급 라인 핀들은 예컨대 전기 부싱들로서 형성될 수 있으면서, 전기 접촉을 위한 가능성을 제공할 수 있다.
실장부(11) 위쪽에는, 그에 따라 레이저 다이오드 칩(2) 위쪽에는, 바람직하게는, 파선으로 지시된 것처럼, 하우징 커버(14)가 배치된다. 그 밖에 윈도우(15)도 포함할 수 있는 하우징 커버(14)는 예컨대 강을 포함할 수 있고, 바람직하게는 윈도우(15)에 이를 때까지 강재로 이루어질 수 있다. 도시된 실시예에서 하우징 부분(10)이 강재 커버(12)를 포함하는 것을 통해, 하우징 커버(14)는 하우징(1)의 하우징 부분(10) 상에 제공될 수 있으며, 그리고 강재 베이스들을 포함한 통상적인 TO 하우징들의 경우처럼 표준 공정에서 용접에 의해 고정될 수 있다.
여기서 도시된 TO 구조 유형의 하우징(1)에 대체되는 방식으로, 하우징(1)은 상기 도시된 하우징과 다르게 형성될 수도 있다. 예컨대 하우징(1)은 세라믹 또는 금속 소재의 실장부(11)를 포함할 수 있고, 이 실장부 상에는 직접적으로, 또는 추가 측면 부재들 상에 하우징 커버가 배치된다. 그 밖에도, 실장부(11)는 예컨대 금속 코어 기판을 통해서도 형성될 수 있다. 하우징(1)의 기하학적인 재료 고유의 구성과 무관하게, 상기 하우징은 바람직하게는 최대한 높은 열전도도를 보유한다.
실장부(11)는 실장 표면(13)을 포함하고, 이 실장 표면 상에는 레이저 다이오드 칩(2)이 배치된다. 특히 레이저 다이오드 칩(2)은 땜납층(3)을 통해 실장부(11)의 실장 표면(13) 상에 직접적으로 실장되고, 그 결과로 하우징(1)에 전기적으로, 그리고 열적으로 연결된다. 그에 따라, 레이저 다이오드 칩(2)과 실장부(11) 사이에는 땜납층(3)만이 배치된다.
땜납층(3)은 3㎛보다 더 두껍거나 그와 동일한 두께를 보유하고 연납에 의해, 특히 Sn, In 및 Au에서 선택되는 하나 이상의 금속을 기반으로 하는 연납에 의해 형성된다. 특히 땜납층은 앞에서 일반적인 부분에서 언급한 땜납 재료들 중 하나의 땜납 재료를 통해 형성될 수 있다.
최적의 열 방출을 위해 표준 레이저 다이오드 부품들에서 통상적으로 최대한 낮은 열 저항을 달성하기 위해 하우징 상에 최대한 얇은 땜납층을 통해 레이저 다이오드 칩을 결합하는 반면에, 여기서 기술되는 레이저 다이오드 디바이스(100)의 땜납층(3)은 3㎛보다 더 두껍거나 그와 동일한 두께를 보유한다. 또한, 제 1 땜납층(3)의 두께는 4㎛보다 더 두껍거나 그와 동일하거나, 심지어는 5㎛보다 더 두껍거나 그와 동일할 수 있다. 그 결과로, 동작 중에 레이저 칩(2) 내에서 생성된 열을 통해, 또는 레이저 다이오드 칩(2)의 납땜 후에 수행되는 냉각, 및 레이저 다이오드 칩(2)과 하우징(1)의 서로 상이한 열팽창계수를 통해 발생하는 열적으로 유도되는 응력들은 보상될 수 있다. 그 밖에도, 상기 유형으로 두꺼운 땜납층을 통해, 예컨대 실장부(11)의 실장 표면(13) 상에서 표면 비평면성도 보상될 수 있다. 상기 표면 비평면성은, 특히 실장부(11)가 여기서 도시된 구리 본체 및 강재의 커버를 포함할 때 발생할 수 있다.
레이저 다이오드 칩(2)은 바람직하게는, 도 2에 바람직한 실시예에 따라서 도시된 것처럼, 측면들을 통해 형성된 복사선 아웃커플링 표면(27)과, 복사선 아웃커플링 표면에 대향하여 위치하는 후방 표면(28)을 포함한 측면 방출 레이저 다이오드 칩으로서 형성된다. 복사선 아웃커플링 표면(27)은 복사선 아웃커플링 영역(270)을 포함하고, 이 복사선 아웃커플링 영역을 통해 동작 중에 레이저 다이오드 칩(2) 내에서 생성된 레이저 복사선이 방출된다. 그 밖에도, 레이저 다이오드 칩(2)은 측면들을 포함하고, 이 측면들은 복사선 아웃커플링 표면(27)과 후방 표면(28)을 서로 연결한다. 복사선 아웃커플링 표면(27) 및 후방 표면(28) 상에는 바람직하게는 광학 층들(미도시)이 도포되고, 이 광학 층들은 반사 코팅층들 및/또는 반사 방지 코팅층들을 형성하며, 상기 광학 층들을 통해 목표하는 반사 및 아웃커플링 특성을 갖는 공명기가 형성된다.
특히 레이저 다이오드 칩(2)은 질화물 화합물 반도체 재료를 기반으로 한다. 이를 위해, 레이저 다이오드 칩(2)은 기판(20)을 포함하고, 이 기판은 바람직하게는 전기 전도성으로 형성되고 예컨대 결정질 (In,Al,Ga)N을 포함하거나, 또는 이 결정질 (In,Al,Ga)N으로 이루어진다. 그 위에는, 질화물 화합물 반도체 재료를 기반으로 하는 반도체층 시퀀스가 성장되며, 이런 성장은 바람직하게는 예컨대 금속 유기 기상 에피택시(MOVPE, "metal organic vapor phase epitaxy")와 같은 에피택시 방법에 의해 수행된다. 레이저 다이오드 칩(2)은 기판(20) 상에 활성층(23)을 포함하며, 이 활성층은 도파관 층들(22)과 커버 층들(21) 사이에 배치된다. 특히 레이저 다이오드 칩(2)은 기판(20) 상에 제 1 커버 층(21)을 포함하며, 이 제 1 커버 층 상에는 제 1 도파관 층(22)이, 그리고 그 위에 활성층(23)이 연속해서 배치된다. 활성층(23) 위에는 성장 방향으로 추가 도파관 층(22) 및 추가 커버 층(21)이 연속 도포되며, 그리고 그 위에는 예컨대 금속 전극 층 형태인 전기 접속층(25)에 의해 접촉되는 반도체 접촉 층(24)이 도포된다. 레이저 다이오드 칩(2)의 전기 연결은 전기 접속층(25) 및 전기 전도성 기판(20)을 통해 수행되며, 이 전기 전도성 기판은 반도체층들(21, 22, 23, 24)을 등지는 면 상에 추가 전기 접속층을 포함할 수 있다(미도시). 전기 접속층(25)은 예컨대 구조화를 통해, 활성층(23)의 목표한 바대로 선택된 영역 내로 전류 인가를 달성하기 위해, 반도체 접촉 층(24)의 부분 영역과만 전기 접촉할 수 있다.
땜납층(3) 상에 직접적으로 기판(20)을 포함한 레이저 다이오드 칩(2)을 배치하는 도시된 배치 방향은 "Epi up"으로서도 표현된다.
도시된 실시예에서, 활성층(23)에서부터 볼 때, 기판(20)으로 향해 있는 반도체층들은 n-도핑되고, 그에 반해 도면 부호 26으로 표시되어 있으면서 기판(20)을 등지는 활성층(23)의 면 상에 배치된 반도체층들은 p-도핑된다. 활성층(23)은 예컨대 n-도핑되거나 도핑되지 않을 수 있으면서, 특히 도시된 실시예에서는 다중 양자 우물 구조를 보유할 수 있다.
하기에서, 레이저 다이오드 칩(2)의 면이면서 땜납층(3)에 대향하여 위치하는 상기 면은 상면(30)으로서 표현되고, 레이저 다이오드 칩(2)의 면이면서 땜납층(3)으로 향해 있고 땜납층(3)과 직접적으로 접촉하는 상기 면은 하면(31)으로서 표현된다. 상면은 예컨대 적어도 부분적으로 전기 접속층(25)을 통해 형성된다. 전기 접속층(25)이 구조화되어 형성된다면, 상면(30)은 부분적으로 반도체 접촉 층(24)의 노출된 부분 영역을 통해, 그리고/또는 예컨대 전기 접속층(25) 및/또는 반도체 접촉 층(24) 상의 부분 영역에 도포된 부동화 층을 통해 형성될 수 있다.
앞에서 기술한 것처럼 예컨대 구리 본체 또는 높은 열전도도를 갖는 또 다른 재료를 통해 형성될 수 있는 실장부(11)의 재료는 통상적으로 레이저 다이오드 칩(2)보다 훨씬 더 높은 열팽창계수를 보유한다. 그 결과로, 특히 하우징(1)의 실장부(11) 상에 레이저 다이오드 칩(2)을 납땜한 후에 레이저 다이오드 칩(2)과 실장부(11) 사이에 장력이 발생할 수 있으며, 이런 장력은 땜납의 각각의 선택에 따라 어쩌면 부분적으로만 땜납층(3)을 통해 보상될 수 있다. 이 결과로서, 실장부(11)는 레이저 다이오드 칩(2)의 납땜 후 냉각 동안, 레이저 다이오드 칩(2)이 땜납층(3) 상에서 만곡되어 실장부(11)를 등지는 상면(30) 상에 볼록한 만곡부를 포함하는 정도로 수축되는 점이 발생할 수도 있다. 그에 상응하게, 이 경우, 실장부(11)로 향해 있는 레이저 다이오드 칩(2)의 하면(31)은 오목하게 형성된다. 냉각 동안 실장부(11)의 수축은 파선 화살표에 의해 지시되어 있다. 레이저 다이오드 칩(2)의 만곡이 너무 크다면, 적어도 부분적인 칩 전단, 다시 말하면 땜납층(3)으로부터 레이저 다이오드 칩(2)의 적어도 부분적인 아웃커플링가 발생할 수 있다. 그러므로 특히 바람직하게는, 레이저 다이오드 칩(2)은, 도 3에서 점선에 의해 지시된 것처럼, 실장되지 않은 상태에서 실장부(11)를 향해 있는 레이저 다이오드 칩(2)의 하면(31)을 오목하게 변형시키고자 하는 장력을 보유한다. 달리 말하면, 레이저 다이오드 칩(2)은, 제조 후에 바람직하게는 도 3에서 점선을 통해 지시된 사발 형태의 곡률을 보유하도록 제조될 수 있다. 또한, 레이저 다이오드 칩(2)은 땜납층(3)의 땜납의 냉각 후에도, 여전히 거의 유사한 사발 형태로 형성될 수 있다. 이에 대체되는 방식으로, 레이저 다이오드 칩(2)은 평평하게, 또는 거의 평평하게 최소의 사발 형태를 구비하여 형성될 수 있으면서, 그럼에도 납땜 공정 후 냉각 동안 발생할 수 있는 열 스트레인을 적어도 부분적으로 보상하면서 실장부(11)를 향해 있는 레이저 다이오드 칩(2)의 하면(31)의 적어도 부분적인 오목한 변형을 상쇄시키기에 적합한 장력을 반도체층들 내에 보유할 수 있다.
레이저 다이오드 칩(2)의 반도체층들의 상응하는 장력은 반도체층들을 성장시킬 때 적합하게 선택된 공정 매개변수들을 통해 설정될 수 있다.
도 3에 지시된 장력에 대체되거나 추가되는 방식으로, 레이저 다이오드 칩(2)은 하면(31) 상에 하나 이상의 고정 부재(32) 및 바람직하게는 복수의 고정 부재(32)도 포함할 수 있으며, 상기 고정 부재는 함몰부들 및/또는 융기부들을 통해 형성된다. 도 4a 내지 도 4c에는, 특히 서로 조합되어서도 제공될 수 있는 상기 고정 부재들(32)에 대한 예시들이 도시되어 있다. 고정 부재들(32)을 통해, 땜납층(3) 상에서 레이저 다이오드 칩(2)의 충분한 파지가 달성될 수 있으며, 그럼으로써 레이저 다이오드 칩(2)과 하우징(1) 사이에 넓은 면적의 열적 연결과 그 결과로 열 저항의 감소가 달성될 수 있게 된다.
도 4a에서, 고정 부재(32)는 복사선 아웃커플링 표면(27)과 하면(31) 사이에서 칩 테두리 상의 함몰부를 통해 형성되며, 이 함몰부 내로는 땜납층(3)의 땜납이 침입할 수 있다. 바람직하게는 칩 테두리를 따라서 연장되면서 단차 형태로 형성되는 함몰부로서 형성된 상기 유형의 고정 부재(32)는 목표한 바대로 땜납층(3)의 땜납과 칩 테두리의 치합을 달성하기 위해 제공될 수 있다. 대체되거나 추가되는 방식으로, 단차형 함몰부로서 형성된 고정 부재(32)는 하면(31)과 후방 표면(28) 사이에서, 그리고/또는 하면(31)과 측면(29) 사이에서 칩 테두리 상에도 제공될 수 있다. 그 밖에도, 하면(31) 상의 모든 칩 테두리 상에도, 단차형 함몰부로서 형성된 고정 부재(32)가 각각 제공될 수 있다.
도 4b와 도 4c에는, 고정 부재(32)로서 레이저 다이오드 칩(2)의 하면(31) 내 함몰부 및 융기부가 도시되어 있다. 상기 함몰부 및 융기부는 레이저 다이오드 칩의 하면(31)의 목표하는 구조화를 통해 제조될 수 있고, 예컨대 복수 개로도 규칙적으로 이산 점 형태 또는 선형 융기부들 또는 함몰부들로서 형성될 수 있다. 바람직하게는, 다수의 고정 부재(32)는 융기부들 및 함몰부들의 형태로 하면(31)의 거칠기 처리를 통해서도 제조될 수 있다. 이 경우, 고정 부재들(32)은 전체 하면(31)에 걸쳐서 확률적 분포 방식으로 배치되고 상호 간에 전환될 수 있다.
도시된 실시예들에 따르는 고정 부재들(32)은 예컨대 건식 또는 습식 화학 에칭, 특히 이방성 에칭, 리소그래피 구조화, 및/또는 기계적 구조화를 통해 제조될 수 있다.
고정 부재들(32)은 바람직하게는, 땜납층(3)의 땜납이 고정 부재들(32) 내로, 또는 그 사이로 침입할 수 있는 유형의 크기, 다시 말하면 폭 및/또는 깊이 또는 높이를 보유한다. 이를 위해, 바람직하게는, 고정 부재들의 크기는 0.1㎛보다 더 크거나 그와 동일하며, 특히 바람직하게는 0.5㎛보다 더 크거나 그와 동일하다. 그 밖에도, 고정 부재들(32)은, 최대, 땜납층(3)의 땜납이 고정 부재들을 완전하게 변형하거나 채울 수 있는 정도의 크기를 보유하며, 그럼으로써 레이저 다이오드 칩(2)의 하면(31)과 땜납층(3)의 공동 및 기포 없는 결합이 가능하게 된다. 이를 위해, 고정 부재들은 바람직하게는 10㎛보다 더 작거나 그와 동일하고, 바람직하게는 5㎛보다 더 작거나 그와 동일한 크기를 보유한다.
도 5a 내지 도 11에는, 전술한 실시예들과 조합될 수 있으면서, 레이저 다이오드 칩(2)은 하나 이상의 측면(29), 복사선 아웃커플링 표면(27) 및/또는 후방 표면(28) 상에 금속 배선(6)을 포함하는, 추가 실시예들이 부분별로 도시되어 있다. 금속 배선(6)은, 바람직하게는 Au, Ti, Pt, Cr, Pd, Ni, Ag, W, Cu 또는 이들 금속의 혼합물들 또는 합금들을 포함하거나, 또는 그로 이루어진 하나 이상의 금속 층을 통해 형성된다. 금속 배선을 통해, 이 금속 배선에 의해 코팅된 레이저 다이오드 칩(2)의 표면들은 추가로 냉각될 수 있으며, 그럼으로써 더 효과적인 열 배출이 가능해질 수 있다.
하기에서 기술되는 레이저 다이오드 칩(2)의 파세트들 상에, 다시 말하면 그 복사선 아웃커플링 표면(27) 및 후방 표면(28) 상에, 반사 코팅층들 또는 반사 방지 코팅층들의 형태인 광학 층들(7)이 도시되어 있다.
도 5a와 도 5b에는, 각각 상면에 대한 상면도와 복사선 아웃커플링 표면(27)에 대해 평행한 단면도로 레이저 다이오드 칩(2)이 도시되어 있으며, 이 레이저 다이오드 칩은, 복사선 아웃커플링 표면(27)과 후방 표면(28)을 서로 연결하는 측면들(29) 상에, 각각 금속 배선(6)을 포함한다. 이 경우, 금속 배선(6)은 레이저 다이오드 칩(2)의 반도체층들 및 기판에 직접적으로 접촉하여 배치되어, 이와 동시에 레이저 다이오드 칩(2)의 외부 표면들을 형성한다. 도 5b로부터 알 수 있듯이, 금속 배선(6)은, 실장부(11) 또는 하면(31)에서부터 볼 때, 레이저 다이오드 칩(2)의 n- 및 p-도핑된 면의 단락을 방지하기 위해, 활성층(23)의 하부에 배치된다. 금속 배선들(6)은 레이저 다이오드 칩(2)의 외면들을 형성하는 것을 통해, 땜납층(3)의 땜납은 상기 금속 배선들을 습윤화하면서, 도 5b에 지시된 것처럼, 상기 금속 배선들 상에서 상승될 수 있다. 그 결과로, 레이저 다이오드 칩(2)의 측면들(29)과 땜납층(3) 사이에 우수한 열적 접촉이 달성될 수 있으며, 그럼으로써 측면들(29)은 레이저 다이오드 칩(2)의 냉각에 기여할 수 있게 된다.
도 6 및 도 7에는, 도 5a 및 도 5b의 실시예에서처럼 금속 배선들(6)이 측면들(29) 상에 배치되어 있는 추가 실시예들이 부분별로 도시되어 있다. 측면들 상에서 금속 배선이 상기 유형으로 배치되는 경우, 측면 테두리들 상에서는, 제공된 금속 배선(6)을 통해, 그리고/또는 납땜 공정 중에 상승하는 땜납을 통해 야기될 수 있는 단락의 위험이 증가하는데, 그 이유는 금속 입자가 활성층(23) 쪽으로 이동하여 활성층을 예컨대 브리지할 수 있기 때문이다. 그러므로 도 6 및 도 7의 실시예들의 레이저 다이오드 칩들(2)은, 바람직하게는 복사선 아웃커플링 표면(27)에서부터 후방 표면(28)까지 연장되면서 부동화부(34), 예컨대 가령 SiO2와 같은 유전체 산화물로 덮이는 함몰부들(33)을 포함한다. 함몰부들(33)은, 상면(30)에서부터 볼 때 활성층(23)의 하부에까지 도달하는 정도의 깊이를 보유한다. 그 결과로, 금속 배선들(6)의 입자 또는 땜납 입자에 대한 장벽이 달성될 수 있으며, 그럼으로써 상기 땜납 입자나 상기 금속 배선들의 입자는 더 이상 단락을 야기할 수 없게 된다.
도 6에 도시된 것처럼, 함몰부들(33)은 상면(3)과 측면들(29) 사이에서 칩 테두리들 상에 형성될 수 있다. 그 밖에도, 함몰부들(33)은, 도 7에 도시된 것처럼, 계속해서 안쪽 방향을 향해, 활성층(23)의 활성화된 영역이면서 구조화된 전기 접속층(25)에 의해 범위 한정되는 상기 활성화된 영역의 방향으로 더 깊게 형성될 수 있다. 함몰부들(33)은 메사 트렌치로서도 표현될 수 있다.
도 8에는, 금속 배선들(6)이 복사선 아웃커플링 표면(27) 및 후방 표면(28) 상의 광학 층들(7) 상에 배치되어 레이저 다이오드 칩(2)의 외면들을 형성하며, 그럼으로써 복사선 아웃커플링 표면(27) 및 후방 표면(28) 상에서 땜납층(3)의 땜납이 상승될 수 있고 그로 인해 땜납층(3)에 대한, 그에 따라 하우징(1)에 대한 레이저 다이오드 칩(2)의 파세트들의 우수한 열적 연결을 달성할 수 있는, 추가 실시예가 도시되어 있다. 특히 복사선 아웃커플링 표면(27) 상의 금속 배선(6)의 경우, 금속 배선(6)이, 도 8에 도시된 것처럼, 하면(31)에서부터 볼 때, 활성층(23)의 하부에 배치됨으로써, 복사선 아웃커플링 영역(270)에는 금속 배선(6)이 없게 하는 것이 중요하다.
도 9에는, 레이저 다이오드 칩(2)에 대한 추가 실시예가 상면도로 도시되어 있으며, 이 경우에는 복사선 아웃커플링 표면(27) 및 후방 표면(28)뿐 아니라 측면들(29)이 금속 배선(6)을 구비하며, 그럼으로써 레이저 다이오드 칩(2)은 둘레에 완전하게 열적으로 연결될 수 있게 된다.
도 10에는, 레이저 다이오드 칩(2)에 대한 추가 실시예가 도시되어 있으며, 이 경우에는 도 8의 실시예와 비교하여 금속 배선(6)이 복사선 아웃커플링 표면(27) 및 후방 표면(28) 상에 직접적으로 배치된다. 달리 말하면, 금속 배선(6)은 레이저 다이오드 칩(2)의 반도체층들과 복사선 아웃커플링 표면 및 후방 표면(28) 상의 광학 층들(7) 사이에 배치된다. 그 결과로, 비록 땜납층(3)의 땜납에 의한 금속 배선(6)의 습윤화가 달성될 수는 없지만, 그럼에도 복사선 아웃커플링 표면(27) 및 후방 표면(28)과 금속 배선(6)이 직접 접촉하는 것을 통해, 레이저 다이오드 칩(2)의 파세트들의 특히 효과적인 냉각이 달성될 수 있다.
도 11에는, 레이저 다이오드 칩(2)에 대한 추가 실시예가 도시되어 있으며, 이 경우에는 이전의 실시예와 비교하여, 광학 층들(7)이 복사선 아웃커플링 표면(27) 및 후방 표면(28) 상에 부분적으로만 도포되고 특히 땜납층(3)에까지 도달하지 않으며, 그럼으로써 이전의 도들의 실시예들의 장점들이 조합될 수 있는데, 그 이유는 금속 배선(6)이 파세트들 상에 직접적으로 배치되면서, 이와 동시에 땜납층(3)의 땜납에 의해 습윤화될 수 있기 때문이다.
도면들 및 실시예들에 도시되고 기술된 특징들은, 비록 대응하는 조합이 분명하게 도면들에 도시되거나 기술되어 있지 않다고 하더라도, 상호 간에 조합될 수 있다. 그 밖에도, 도면들에 도시된 실시예들은 일반적인 부분의 실시예들에 따르는, 대체되거나 추가되는 특징들도 포함할 수 있다.
본 발명은 실시예들에 따르는 기술 내용을 통해 상기 실시예들로만 국한되지 않는다. 오히려 본 발명은 각각의 새로운 특징 및 특징들의 각각의 조합도 포함하며, 이는 특히, 비록 대응하는 특징 또는 대응하는 조합 자체가 분명하게 특허청구범위 또는 실시예들에 명시되어 있지 않다고 하더라도, 특허청구범위 내 특징들의 각각의 조합도 포함한다.

Claims (18)

  1. 레이저 다이오드 디바이스로서,
    실장부(11)를 구비한 하우징(1)과, 이 하우징(1) 내에서 상기 실장부(11) 상에 있으며 질화물 화합물 반도체 재료를 기반으로 하는 레이저 다이오드 칩(2)을 포함하고,
    상기 레이저 다이오드 칩(2)은 기판(20) 상에 광을 생성하기 위한 활성층(23)을 구비한 반도체층들(21, 22, 23, 24)을 포함하며, 상기 레이저 다이오드 칩(2)은 생성된 광을 방출하기 위한 복사선 아웃커플링 영역(270)을 구비한 복사선 아웃커플링 표면(27)과, 이 복사선 아웃커플링 표면(27)에 대향하여 위치하는 후방 표면(28)과, 복사선 아웃커플링 표면(27)과 후방 표면(28)을 연결하는 측면(29)을 더 포함하고,
    상기 레이저 다이오드 칩(2)은 땜납층(3)에 의해서 상기 실장부(11) 상에 직접 실장되며, 상기 땜납층(3)은 3㎛ 이상의 두께를 갖고,
    상기 레이저 다이오드 칩(2)은, 하면(31)에 융기부들 및 함몰부들 중 적어도 하나로서 형성되는 복수의 고정 부재(32)를 포함하고,
    상기 레이저 다이오드 칩(2)은,
    - 상기 측면(29) 상에 금속 배선(6)을 포함하고, 상기 실장부(11)를 등지는 상면(30) 상에 상기 후방 표면(28)에서부터 상기 복사선 아웃커플링 표면(27)으로 연장된 두 개의 함몰부들(33)을 포함하며, 상기 함몰부들(33)은 메사 트렌치(mesa trench)로서 형성되며 부동화부(passivation; 34)로 덮이고, 상기 함몰부들(33) 사이에서 상면 상에 접촉 영역이 배치되는 것, 및
    - 상기 복사선 아웃커플링 표면(27) 및 상기 후방 표면(28) 중 적어도 하나 상에 금속 배선(6)을 포함하는 것
    중 적어도 하나를 포함하고,
    상기 금속 배선(6)은 상기 레이저 다이오드 칩(2)의 외면들을 형성하고, 상기 땜납층(3)의 땜납은 상기 금속 배선(6)을 습윤화하며, 상기 땜납층(3)의 땜납은 상기 복사선 아웃커플링 표면(27), 상기 후방 표면(28) 및 상기 측면(29) 중 적어도 하나의 상기 하우징(1)에 대한 열적 접촉을 형성하는 것인 레이저 다이오드 디바이스.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 기판(20)은 결정질 (In,Al,Ga)N으로 이루어진 전기 전도성 기판이며,
    상기 레이저 다이오드 칩(2)은, 상기 땜납층(3)에 의해 직접 상기 기판(20)으로, 또는 상기 반도체층들(21, 22, 23, 24)을 등지는 상기 기판(20)의 면 상에 배치된 상기 레이저 다이오드 칩(2)의 전기 접속층으로, 상기 실장부(11) 상에 실장되는 것인 레이저 다이오드 디바이스.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 실장부(11)는 금속 코어 기판을 포함하거나, 금속 또는 세라믹으로 이루어진 본체를 포함하는 것인 레이저 다이오드 디바이스.
  4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 하우징(1)은 상기 실장부(11)와 결합된 하우징 부분(10)을 포함하고, 상기 하우징 부분(10) 및 상기 실장부(11)는 구리로 이루어진 본체를 포함하며, 적어도 상기 하우징 부분(10)은 강재로 둘러싸이는 것(steel-sheathed)인 레이저 다이오드 디바이스.
  5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 하우징(1)은 상기 실장부(11) 위쪽에 상기 하우징(1)을 밀폐하는 하우징 커버(14)를 포함하는 것인 레이저 다이오드 디바이스.
  6. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 땜납층(3)은 연납으로 이루어지는 것인 레이저 다이오드 디바이스.
  7. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 레이저 다이오드 칩(2)은, 상기 실장부(11)를 향해 있는 상기 레이저 다이오드 칩(2)의 하면(31)을 볼록하게 변형시키거나, 또는 상기 실장부(11)를 향해 있는 상기 하면(31)의 적어도 오목한 변형을 상쇄시키는 장력을 갖는 것인 레이저 다이오드 디바이스.
  8. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 고정 부재(32)는 규칙적으로 배치된 이산 점 형태의 또는 선형의 복수의 융기부들 또는 함몰부들로서 형성되는 것인 레이저 다이오드 디바이스.
  9. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 고정 부재(32)는 0.1㎛ 이상 그리고 10㎛ 이하의 폭, 깊이, 폭과 깊이 모두 또는 높이를 갖는 것인 레이저 다이오드 디바이스.
  10. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 레이저 다이오드 칩(2)은, 고정 부재(32)로서, 상기 하면(31)과 상기 복사선 아웃커플링 표면(27) 또는 상기 후방 표면(28) 또는 측면(29) 사이에서 칩 테두리 상에 단차형 함몰부를 포함하는 것인 레이저 다이오드 디바이스.
  11. 제 1항에 있어서, 상기 실장부(11)는 금속 코어 기판을 포함하거나, 구리 또는 세라믹으로 이루어진 본체를 포함하는 것인 레이저 다이오드 디바이스.
  12. 제 1항에 있어서, 상기 고정 부재(32)는 0.5㎛ 이상 그리고 5㎛ 이하의 폭, 깊이, 폭과 깊이 모두 또는 높이를 갖는 것인 레이저 다이오드 디바이스.
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 금속 배선(6)은 Au, Ti, Pt, Cr, Pd, Ni, Ag, W, Cu의 금속들 중에서 적어도 하나 이상의 금속을 포함하는 것인 레이저 다이오드 디바이스.
  16. 삭제
  17. 레이저 다이오드 디바이스로서,
    실장부(11)를 구비한 하우징(1)과, 이 하우징(1) 내에서 상기 실장부(11) 상에 있으며 질화물 화합물 반도체 재료를 기반으로 하는 레이저 다이오드 칩(2)을 포함하고,
    상기 레이저 다이오드 칩(2)은 기판(20) 상에 광을 생성하기 위한 활성층(23)을 구비한 반도체층들(21, 22, 23, 24)을 포함하며, 상기 레이저 다이오드 칩(2)은 생성된 광을 방출하기 위한 복사선 아웃커플링 영역(270)을 구비한 복사선 아웃커플링 표면(27)과, 이 복사선 아웃커플링 표면(27)에 대향하여 위치하는 후방 표면(28)과, 복사선 아웃커플링 표면(27)과 후방 표면(28)을 연결하는 측면(29)을 더 포함하고,
    상기 레이저 다이오드 칩(2)은 땜납층(3)에 의해서 상기 실장부(11) 상에 직접 실장되며, 상기 땜납층(3)은 3㎛ 이상의 두께를 갖고,
    상기 하우징(1)은 상기 실장부(11)와 결합된 하우징 부분(10)을 포함하고, 상기 하우징 부분(10) 및 상기 실장부(11)는 구리로 이루어진 본체를 포함하며, 적어도 상기 하우징 부분(10)은 강재로 둘러싸이고(steel-sheathed),
    상기 레이저 다이오드 칩(2)은,
    - 상기 측면(29) 상에 금속 배선(6)을 포함하고, 상기 실장부(11)를 등지는 상면(30) 상에, 상기 후방 표면(28)에서부터 상기 복사선 아웃커플링 표면(27)으로 연장된 두 개의 함몰부들(33)을 포함하고, 상기 함몰부들(33)은 메사 트렌치(mesa trench)로서 형성되며 부동화부(passivation; 34)로 덮이고, 상기 함몰부들(33) 사이에서 상면 상에 접촉 영역이 배치되는 것, 및
    - 상기 복사선 아웃커플링 표면(27) 및 상기 후방 표면(28) 중 적어도 하나 상에 금속 배선(6)을 포함하는 것
    중 적어도 하나를 포함하고,
    상기 금속 배선(6)은 상기 레이저 다이오드 칩(2)의 외면들을 형성하고, 상기 땜납층(3)의 땜납은 상기 금속 배선(6)을 습윤화하며, 상기 땜납층(3)의 땜납은 상기 복사선 아웃커플링 표면(27), 상기 후방 표면(28) 및 상기 측면(29) 중 적어도 하나의 상기 하우징(1)에 대한 열적 접촉을 형성하는 것인 레이저 다이오드 디바이스.
  18. 제 17항에 있어서, 상기 레이저 다이오드 칩(2)은 상기 실장부(11)를 향해 있는 하면(31)에 상기 땜납층(3)을 위한 적어도 하나의 고정 부재(32)를 포함하며, 이 고정 부재(32)는 함몰부 또는 융기부에 의해 형성되는 것인 레이저 다이오드 디바이스.
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Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20150171052A1 (en) * 2013-12-18 2015-06-18 Chung-Shan Institute Of Science And Technology, Armaments Bureau, M.N.D Substrate of semiconductor and method for forming the same
KR102497180B1 (ko) * 2015-03-11 2023-02-08 코닌클리케 필립스 엔.브이. 발광 디바이스 냉각
DE102015116336B4 (de) * 2015-09-28 2020-03-19 Osram Opto Semiconductors Gmbh Halbleiterlaser
DE102016110790B4 (de) * 2016-06-13 2022-01-13 OSRAM Opto Semiconductors Gesellschaft mit beschränkter Haftung Halbleiterlaserdiode
DE102017117135A1 (de) * 2017-07-28 2019-01-31 Osram Opto Semiconductors Gmbh Verfahren zur Herstellung einer Mehrzahl von Laserdioden und Laserdiode
CN112868146B (zh) * 2018-10-17 2024-06-04 奥斯兰姆奥普托半导体股份有限两合公司 激光设备和用于制造激光设备的方法
CN113573840A (zh) * 2019-02-02 2021-10-29 努布鲁有限公司 高可靠性、高功率、高亮度蓝色激光二极管系统及其制造方法
JP7412182B2 (ja) * 2020-01-10 2024-01-12 三菱電機株式会社 はんだ板材、および光素子用パッケージの製造方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001127382A (ja) * 1999-10-29 2001-05-11 Nichia Chem Ind Ltd 半導体レーザ装置、半導体レーザパッケージおよび半導体レーザ素子の製造方法
JP2003101113A (ja) * 2001-09-27 2003-04-04 Sharp Corp 窒化物半導体レーザ装置
JP2008021909A (ja) * 2006-07-14 2008-01-31 Matsushita Electric Ind Co Ltd 電子装置及びその実装方法

Family Cites Families (52)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR1317902A (ko) 1959-10-23 1963-05-10
US5018820A (en) 1990-03-02 1991-05-28 Gte Laboratories Incorporated Method of optically coupling an uptapered single-mode optical fiber to optoelectronic components
JP2560131B2 (ja) * 1990-05-23 1996-12-04 ローム株式会社 半導体レーザ装置
JPH04137521A (ja) 1990-09-28 1992-05-12 Toshiba Corp 半導体超格子及びその製造方法
JP2965668B2 (ja) * 1990-11-13 1999-10-18 株式会社東芝 半導体レーザ素子及びその製造方法
US5319655A (en) 1992-12-21 1994-06-07 Xerox Corporation Multiwavelength laterally-injecting-type lasers
US5557116A (en) 1992-12-24 1996-09-17 Sharp Kabushiki Kaisha Semiconductor laser device and resin layer
US6044101A (en) * 1995-08-29 2000-03-28 Siemens Aktiengesellschaft Semiconductor laser device
US6347107B1 (en) * 1998-07-15 2002-02-12 Eastman Kodak Company System and method of improving intensity control of laser diodes using back facet photodiode
US6335548B1 (en) 1999-03-15 2002-01-01 Gentex Corporation Semiconductor radiation emitter package
TW451535B (en) 1998-09-04 2001-08-21 Sony Corp Semiconductor device and package, and fabrication method thereof
US6590920B1 (en) 1998-10-08 2003-07-08 Adc Telecommunications, Inc. Semiconductor lasers having single crystal mirror layers grown directly on facet
JP2001135745A (ja) 1999-11-05 2001-05-18 Shinko Electric Ind Co Ltd 半導体パッケージ用ステム、半導体パッケージ用アイレット、及び半導体パッケージ用アイレットの製造方法
JP2003198038A (ja) * 2001-12-28 2003-07-11 Sharp Corp 半導体発光装置、半導体発光装置用マウント部材および半導体発光装置の製造方法
JP2004006824A (ja) 2002-04-17 2004-01-08 Nichia Chem Ind Ltd 光半導体用パッケージ及びその製造方法
JP2004304111A (ja) * 2003-04-01 2004-10-28 Sharp Corp 多波長レーザ装置
JP2005019973A (ja) 2003-05-30 2005-01-20 Shinko Electric Ind Co Ltd 光半導体素子用ステムの製造方法
JP2005026291A (ja) 2003-06-30 2005-01-27 Sharp Corp 窒化物系半導体発光装置およびその製造方法
JP2005101073A (ja) * 2003-09-22 2005-04-14 Neomax Material:Kk 半導体素子パッケージのステムおよび同ステム用クラッド材
JP2005116583A (ja) * 2003-10-03 2005-04-28 Pentax Corp 光半導体装置
JP2005277265A (ja) * 2004-03-26 2005-10-06 Fuji Photo Film Co Ltd 半導体レーザ素子
DE102004052686A1 (de) * 2004-08-23 2006-03-02 Osram Opto Semiconductors Gmbh Halbleiterbauelement mit einem gekrümmten Spiegel und Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelements mit einem gekrümmten Halbleiterkörper
JP4649172B2 (ja) 2004-11-09 2011-03-09 新光電気工業株式会社 半導体パッケージ用ステムの製造方法
KR100610950B1 (ko) 2005-02-25 2006-08-09 엘에스전선 주식회사 열방출 구조가 개선된 레이저 다이오드 및 그 제조방법
JP2006269567A (ja) * 2005-03-23 2006-10-05 Fuji Photo Film Co Ltd 半導体レーザ装置、光送信モジュール、及び光送受信モジュール
DE102005041064B4 (de) * 2005-08-30 2023-01-19 OSRAM Opto Semiconductors Gesellschaft mit beschränkter Haftung Oberflächenmontierbares optoelektronisches Bauelement und Verfahren zu dessen Herstellung
DE102005058237A1 (de) * 2005-09-30 2007-04-05 Osram Opto Semiconductors Gmbh Oberflächenemittierendes Halbleiterlaser-Bauelement und optische Projektionsvorrichtung mit solch einem oberflächenemittierenden Halbleiterlaser-Bauelement
DE102005053274A1 (de) * 2005-09-30 2007-04-12 Osram Opto Semiconductors Gmbh Verfahren zum Herstellen einer Mehrzahl von Halbleiterchips und Halbleiterbauelement
DE102006017294A1 (de) * 2005-12-30 2007-07-05 Osram Opto Semiconductors Gmbh Optisch pumpbare Halbleitervorrichtung
US7598603B2 (en) 2006-03-15 2009-10-06 Infineon Technologies Ag Electronic component having a power switch with an anode thereof mounted on a die attach region of a heat sink
JP4573863B2 (ja) 2006-11-30 2010-11-04 三洋電機株式会社 窒化物系半導体素子の製造方法
US20080130698A1 (en) 2006-11-30 2008-06-05 Sanyo Electric Co., Ltd. Nitride-based semiconductor device and method of fabricating the same
JP5032171B2 (ja) * 2007-03-26 2012-09-26 株式会社東芝 半導体発光素子およびその製造方法ならびに発光装置
US7907652B2 (en) 2007-04-25 2011-03-15 Sanyo Electric Co., Ltd. Semiconductor laser device
US7929587B2 (en) 2007-04-27 2011-04-19 Sanyo Electric Co., Ltd. Semiconductor laser diode element and method of manufacturing the same
JP5150149B2 (ja) 2007-07-03 2013-02-20 シャープ株式会社 窒化物半導体発光素子および窒化物半導体発光素子の製造方法
JP5443356B2 (ja) 2008-07-10 2014-03-19 株式会社東芝 半導体レーザ装置
JP5344676B2 (ja) 2008-08-29 2013-11-20 学校法人金沢工業大学 発光素子用基板および発光素子
CN201303205Y (zh) 2008-10-22 2009-09-02 华信光电科技股份有限公司 激光二极管装置
JP5383313B2 (ja) 2009-05-20 2014-01-08 パナソニック株式会社 窒化物半導体発光装置
US8102887B2 (en) 2009-05-26 2012-01-24 Corning Incorporated Edge bonded optical packages
JP2011060932A (ja) 2009-09-09 2011-03-24 Panasonic Corp 窒化物半導体発光装置
JP5368957B2 (ja) * 2009-12-04 2013-12-18 シャープ株式会社 半導体レーザチップの製造方法
DE102009058796A1 (de) 2009-12-18 2011-06-22 OSRAM Opto Semiconductors GmbH, 93055 Optoelektronisches Bauelement und Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements
JP2011151080A (ja) 2010-01-19 2011-08-04 Sharp Corp 半導体レーザ装置
JP5644160B2 (ja) 2010-04-06 2014-12-24 三菱電機株式会社 半導体レーザ装置
JP5707772B2 (ja) 2010-08-06 2015-04-30 日亜化学工業株式会社 窒化物半導体レーザ素子及びその製造方法
TW201221337A (en) 2010-11-26 2012-06-01 Jiundar Ind Co Ltd Manufacturing method of continuously generating thin film
US8518814B2 (en) * 2011-12-02 2013-08-27 Northrop Grumman Systems Corporation Methods of fabrication of high-density laser diode stacks
US8867582B2 (en) 2012-04-04 2014-10-21 Osram Opto Semiconductors Gmbh Laser diode assembly
US8737445B2 (en) 2012-04-04 2014-05-27 Osram Opto Semiconductors Gmbh Laser diode assembly
US9008138B2 (en) * 2012-04-12 2015-04-14 Osram Opto Semiconductors Gmbh Laser diode device

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001127382A (ja) * 1999-10-29 2001-05-11 Nichia Chem Ind Ltd 半導体レーザ装置、半導体レーザパッケージおよび半導体レーザ素子の製造方法
JP2003101113A (ja) * 2001-09-27 2003-04-04 Sharp Corp 窒化物半導体レーザ装置
JP2008021909A (ja) * 2006-07-14 2008-01-31 Matsushita Electric Ind Co Ltd 電子装置及びその実装方法

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Publication number Publication date
KR20150002578A (ko) 2015-01-07
WO2013152909A3 (de) 2013-12-19
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DE102012103160A1 (de) 2013-10-17
CN104247172A (zh) 2014-12-24
US9331453B2 (en) 2016-05-03
JP2015513229A (ja) 2015-04-30
WO2013152909A2 (de) 2013-10-17
US20140341247A1 (en) 2014-11-20

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