TW201349689A - 雷射二極體組件 - Google Patents

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Abstract

具體說明一種雷射二極體組件，其係包含：有殼體部(10)和有連接至該殼體部(10)以及沿著延伸方向(110)延伸離開該殼體部(10)之安裝部(11)的殼體(1)，以及在該安裝部(11)上的雷射二極體晶片(2)，該雷射二極體晶片在基板(20)上有半導體層(21、22、23、24、26)以及用於發光的主動層(23)，其中該殼體部(10)及該安裝部(11)有由銅構成的主體以及至少該殼體部(10)有鋼塗層，以及配置厚度大於或等於3微米的第一焊料層(3)於該雷射二極體晶片(2)與該安裝部(11)之間。

Description

雷射二極體組件
具體說明一種雷射二極體組件。
本專利申請案主張德國專利申請案第10 2012 102 306.9號的優先權，其全部揭示內容併入本文作為參考資料。
有高光學功率密度的光源為許多應用的關鍵零件。例如，由氮化物基化合物半導體材料系統構成的雷射二極體在投影系統有高度市場潛力，特別是有1000至10 000流明之光通量者。
因此，有高輸出功率及小型化殼體的零件為此類應用所需。基於成本以及在標準化的背景下，形式為TO金屬殼體(“TO金屬鑵”)的所謂TO型序列(TO：“電晶體外形”)的殼體常有例如習知結構尺寸TO38、TO56及TO90的形式，其中TO金屬殼體實質由鋼製成。不過，迄今為止，按標準TO設計的目前市售雷射二極體(也簡稱為“TO殼體”)限制於3瓦特以下的光學功率，這對許多應用而言是不足的。然而，至今用這種設計尚無法實現3瓦特以上的光學功率。
例如，C. Vierheilig等人在文獻Proc.SPIE,vol.8277,82770K,2012揭示數種在TO殼體內的藍光氮化物基雷射二極體，它們在室溫以連續波操作可放射波長在440奈米至460奈米之間 以及輸出功率最多2.5瓦特的光線。
常常有人企圖藉由增加光學共振器(亦即，尤其是晶片區)的尺寸來提高光輸出功率，因為已發現氮化物基雷射二極體有取決於電流密度的長期老化性能，如S. Lutgen等人在文獻Proc.SPIE,vol.7953,page 79530G,2011中所述。此外，增加主動區也使得有可能改善熱由光產生層朝著散熱片方向的傳輸。
然而，本申請案的發明人已在自己的試驗及研究中發現，增加晶片區無法導致功率增加。在此方面，第1A圖以工作電流I(單位安培)為橫軸圖示基於氮化物化合物半導體材料之發藍光雷射二極體晶片的光輸出功率P測量值(單位瓦特)。在此情形下，用來測量的雷射二極體晶片係各自位於TO殼體中。測定各有200微米x1200微米之零件尺寸及15微米x1200微米之主動區的兩個個別晶片的測量曲線1001及1002。為了實現較高的功率，試驗用於加倍晶片區的上述方法。以虛線1003的形式圖示加倍預期會增加的功率。不過，已發現，與預期相反，晶片區加倍可實現的最大功率甚至仍比個別晶片的情形小，這可用有加倍主動區之雷射二極體晶片的曲線1004與前述個別晶片做比較即可明白。
為了提高雷射二極體晶片產生光線的效率，例如藉由在電流流入光產生量子薄膜(light-generating quantum film)期間降低電子及電洞的注入阻障(injection barrier)，已知還有成長於無極性或半極性基板上的雷射二極體晶片，如U. Strau β等人在文獻physica status solidi,vol.248,pages 652-657,2010中所述。不過，如D. Sizov等人在文獻IEEE journal of Lightwave Technology, vol.30,pages 679-699,2012中所述，以無極性或半極性方式成長於此類雷射二極體晶片上可實現的電壓都不優於對應的極性成長雷射二極體晶片。
除了由高級鋼構成的標準TO殼體以外，為了要有更好的散熱，已知也有以銅為基礎或有銅核心及鋼表面之基底的TO殼體，如文獻DE 1184870所述，其係旨在改善雷射二極體晶片的散熱，因為銅有良好的導熱性。
第1B圖基於本發明人的試驗以工作電流I(單位安培)為橫軸圖示雷射二極體晶片之光輸出功率P(單位瓦特)及工作電壓U(單位伏特)在不同TO殼體的測量值。曲線1005及1007圖示發藍光氮化鎵雷射二極體晶片在具有鋼基底(“底板”)及銅製安裝部(“柄部”)之慣用TO56標準殼體中的電流相依光學功率及相關工作電壓，同時曲線1006及1008圖示雷射二極體晶片在具有塗鋼銅基底(steel-coated copper base)及塗鋼銅安裝部之替代TO56殼體中的對應測量值。容易看出端倪，有塗鋼銅基底的替代殼體無法直截了當地改善雷射二極體晶片的最大功率。因此，任何雷射二極體製造商已不再追求氮化物基雷射二極體的替代TO殼體。
特定具體實施例的至少一個目標是要具體說明一種雷射二極體組件。
此目標是用申請專利範圍的獨立項達成。獨立項的有利具體實施例及發展描述於附屬項而且由以下說明及附圖也可明白。
根據至少一個具體實施例，一種雷射二極體組件包 含配置雷射二極體晶片於其中的殼體。特別是，該殼體有殼體部以及連接至該殼體部和沿著延伸方向延伸離開該殼體部的安裝部。換言之，該安裝部突出離開該殼體部以及可具體化成插銷樣式(pin-type fashion)，例如。該安裝部有沿著該安裝部之延伸方向延伸離開該殼體部以及配置該雷射二極體晶片於其上的安裝區。特別是，可將該殼體部裝設及設計成使得它有可能在該殼體部上配置殼體蓋用以封閉該殼體。
該殼體部及該安裝部(特別是，也可以整合方式具體化)各有由銅或它者構成的主體，就整合具體實施例而言，有由銅構成的共用主體。此外，至少該殼體部經鋼塗覆。這意指該殼體部實質由該主體之銅形成以及覆蓋鋼層。例如，該鋼層可用由高級鋼構成之層形成。
此外，該殼體部可具有數個孔或開口，例如，例如形式為接觸腳之電氣引線(electrical lead)通過該等孔或開口可由該殼體部背離該安裝部之一側突出離開至配置該安裝部之一側。可裝設與該雷射二極體晶片電氣接觸的電氣引線，例如經由電氣引線與雷射二極體晶片之間的導線連接。
根據另一具體實施例，除了該殼體部以外，該安裝部也經鋼塗覆。特別是，在此具體實施例中，該殼體部及該安裝部可具有覆蓋鋼層的共用銅製主體。
特別是，可將該殼體具體化為例如有結構尺寸TO38、TO56或TO90的所謂TO殼體。該殼體部也可稱為“底板”，以及該安裝部稱為“柄部”。與常用以及有實質由鋼組成而沒有銅基主體之至少一個殼體部或殼體部及安裝部的標準TO殼體相比， 描述於此之殼體由於塗鋼殼體部中之銅而有較高導熱性。
根據另一具體實施例，該殼體有鋪設於該殼體部上以及焊接至該殼體部的殼體蓋。為此目的，該殼體部經鋼塗覆特別有利，因此，就具有鋼基底的標準TO殼體而言，該殼體蓋可焊接至該殼體部。該安裝部沿著延伸方向由該殼體部突出進入該殼體蓋，使得在裝上殼體蓋的情形下，該雷射二極體晶片在由該殼體蓋及該殼體部形成的空腔中位於該安裝部上。該殼體蓋在背離該殼體部之一側上也有窗口，該雷射二極體晶片在操作期間所放射的光線可通過該窗口由該雷射二極體組件射出。該殼體蓋可包含例如鋼，特別是高級鋼，或由其構成，除了該窗口以外。由於該殼體部焊接至該殼體蓋(其係以蓋體之形式具體化於該安裝部上方從而也在該安裝部上之雷射二極體晶片上方)，因此可氣密地或至少非常緊密地封閉該殼體。
根據另一具體實施例，用第一焊料層配置該雷射二極體晶片於該安裝部上。特別是，這意謂配置該第一焊料層於該雷射二極體晶片、該安裝部之間。該第一焊料層有大於或等於3微米的厚度。該焊料層的厚度也可大於或等於5微米則特別較佳。
該雷射二極體晶片可用該第一焊料層直接裝在該安裝部上。或者，具體化為所謂散熱器的導熱元件也有可能配置於該雷射二極體晶片、該安裝部之間。特別是，該導熱元件可用來擴大或擴散該雷射二極體晶片與該安裝部之間的熱流，以便在熱傳遞進入該殼體期間實現大傳遞面積，亦即，尤其是該安裝部。此外，也有可能該導熱元件可補償，例如，該雷射二極體晶片與該殼體之間的應變，例如由彼等不同熱膨脹係數引起的。
根據另一具體實施例，該導熱元件用該第一焊料層固定於該安裝部上。該雷射二極體晶片用第二焊料層固定於該導熱元件上。例如，該第二焊料層也可有大於或等於3微米的厚度，以及大於或等於5微米為較佳。與第一焊料層有關的特徵及優點也適用於第二焊料層，反之亦然。
根據另一具體實施例，該導熱元件包含碳化矽(SiC)、氮化硼(BN)、銅鎢合金(CuW)或鑽石或由彼等組成。碳化矽、氮化硼、銅鎢合金及鑽石的特點是有特別高的導熱性。或者，該導熱元件也可包含氮化鋁。
就描述於此之雷射二極體組件而言，因此，在常有不同熱膨脹係數的銅基安裝部之主體與該雷射二極體晶片之間可能存在同樣有不同熱膨脹係數的一或更多材料，特別是該第一焊料層，此外，例如，該安裝部的鋼塗覆及/或一層或多層其他焊料層及/或導熱元件。結果，在操作期間，在該雷射二極體晶片與該殼體之間或在該雷射二極體晶片與該導熱元件之間以及也在該導熱元件與該殼體之間可能形成熱誘發應變(thermally induced strain)，此應變對於該雷射二極體組件的操作有不利影響。先前技術常使用以安裝雷射二極體晶片之焊料層的厚度儘可能地薄，特別是2微米以下，以便實現最佳散熱，就描述於此之雷射二極體組件而言，其係使用厚度大很多較佳的第一焊料層，以及若需要的話，第二焊料層也是。此一焊料層的較高熱阻(thermal resistance)在此被接受，因為可證明此一厚焊料層有利於補償該殼體與該雷射二極體晶片之間的熱誘發應變。例如，描述於此的焊料層可包含銦基軟焊料以便能夠特別好地補償不同的熱膨脹。就描述於此之雷 射二極體組件而言，因此，有可能使用諸如碳化矽、氮化硼、銅鎢合金或鑽石之類的材料作為導熱元件，它們有高於氮化鋁的導熱性，而且與雷射二極體晶片的習用材料相比，也有更明顯不同的熱膨脹係數。
根據另一具體實施例，該雷射二極體晶片係基於氮化物化合物半導體材料。特別是，該雷射二極體晶片可包含基板，導電基板為較佳，例如結晶(銦、鋁、鎵)氮。在其上方可鋪設磊晶層序列，亦即，磊晶成長半導體層，其係基於氮化物化合物半導體材料，因而其具體化係基於銦鋁鎵氮(InAlGaN)。
基於銦鋁鎵氮的化合物半導體材料，基於(銦、鋁、鎵)氮的化合物半導體材料以及氮化物化合物半導體材料係包括，特別是，由III-V化合物半導體材料系統InxAlyGa1-x-yN組成的材料，在此0x1，0y1，以及x+y1，亦即，例如氮化鎵、氮化鋁、鋁鎵氮、銦鎵氮、鋁銦鎵氮。特別是，該雷射二極體晶片在該基板上有帶有在操作期間用以發光之主動層的半導體層序列，基於鋁鎵銦氮(AlGaInN)及/或銦鎵氮(InGaN)特別較佳。特別是，該雷射二極體晶片在操作期間可放射由紫外線至綠色波長範圍的光線。
根據另一具體實施例，該雷射二極體晶片在該基板上有數個半導體層，該等半導體層有例如在波導層、披覆層(cladding layer)之間的主動層。特別是，在該基板上有可能鋪設第一披覆層，在其上之第一波導層，在其上之主動層，在其上之第二波導層以及在其上之第二披覆層。在該第二披覆層上方，也有可能配置半導體接觸層，以及在其上例如形式為金屬層的電連接 層。經由位於該基板對面的電連接層以及也經由該導電基板，建立該雷射二極體晶片的電氣接觸特別較佳，其中該基板在背離該等半導體層之一側上也可有電連接層。在該主動層背離該基板之一側上，也可配置電荷載子阻障層於該波導層、該披覆層之間以避免所謂的電荷載子突增(charge carrier overshoot)。
例如，可n型摻雜配置於該基板、該主動層之間的半導體層，以及可p型摻雜配置於該主動層上方的半導體層(從該基板觀看)。或者，摻雜次序也有可能反過來。可以不摻雜或n型摻雜該主動層。該雷射二極體晶片可具有作為主動層的例如習知pn接面、雙異質結構或量子阱結構，多量子阱結構(MQW結構)特別較佳。在本申請案的背景下，特別是，名稱量子阱結構涵蓋電荷載子在其中可經驗能態(energy state)由局限所致之量子化的任何結構。特別是，量子阱結構可具有量子阱、量子線及/或量子點及該等結構的組合。例如，該主動層在經適當具體化的阻障層之間可具有基於銦鎵氮的量子薄膜。
根據另一具體實施例，如上述，該雷射二極體晶片係基於氮化物化合物半導體材料以及有無極性或半極性晶體結構。氮化物化合物半導體材料有纖鋅礦晶格(wurtzite lattice)結構以及通常經成長成其成長方向對應至晶體c軸從而成長平面對應至[0001]晶面。此成長導致在造成內部極化之半導體晶體內部壓電場(semiconductor crystal internal piezoelectric field)中產生的極性晶體結構，藉此使得電荷載子注入主動層以及電荷載子在主動層中的散佈更加困難。如U. Strau β等人在文獻physica status solidi,vol.248,pages 652-657,2010中所述，極性晶體結構的模擬顯示，以在 有帶量子薄膜之量子阱結構之主動層中的極性晶體結構而言，取決於量子薄膜的發射波長，可出現每量子薄膜數百毫伏特的注入阻障。D,Sizov等人在文獻IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics,vol.17,no.5,pages 1390-1401,2011中描述用半極性晶體介面降低注入阻障的方法。
在此及以下，“無極性”或“半極性”晶體結構係指成長方向以及垂直電流方向在操作期間偏離(特別是，不平行)該氮化物化合物半導體材料的晶體c軸的晶體結構，因此它有偏離[0001]平面以及不與其平行的成長平面。無極性晶體結構的實施例為，例如，以下方向或成長平面：[1-100]，[11-20]，以及在以上兩者之間的所有晶面。半極性平面為在[0001]平面、無極性晶面之間的所有晶面。例如，藉由成長該等半導體層於無極性或半極性基板表面上，可實現無極性或半極性晶體結構。
因而，與基於氮化物化合物半導體材料以及有極性晶體結構的雷射二極體晶片相比，該雷射二極體晶片的無極性或半極性晶體結構使得有可能減少雷射二極體晶片之主動層的壓降從而功率損失。不過，就有無極性或半極性晶體結構的雷射二極體晶片而言，過去不可能以相同的電流實現比有極性晶體結構之發光二極體晶片還低的順向電壓。本發明人把這歸因於較高的接觸電阻，特別是在該等半導體層中向該電連接層背離該基板之一側上。以在該主動層背離該基板之一側上的p型摻雜半導體接觸層而言，這可歸因於，例如，難以p型摻雜的氮化物化合物半導體材料。
特別是，可將描述於此之雷射二極體晶片具體化成， 與基於氮化物化合物半導體材料以及有極性晶體結構的雷射二極體晶片相比，在操作期間，相較於基於氮化物化合物半導體材料以及有極性晶體結構的雷射二極體晶片，該雷射二極體晶片在主動層背離基板之一側上的半導體層片中有較高的功率損失，以及在主動層中有較低的功率損失。
也如上述，與應用由高級鋼構成之標準TO殼體相比，例如，應用TO殼體的殼體，其係基於銅或有銅核心及鋼表面，就本身來說，不能導致雷射功率改善，同時應用在氮化物化合物半導體材料中有無極性或半極性晶體結構的雷射二極體晶片不能導致順向電壓改善。應用厚度大於或等於3微米的焊料層也似乎起反作用，因為有較高的熱阻。
不過，本發明人已經認識到，與習知雷射二極體組件相比，有銅製主體之上述殼體、基於氮化物化合物半導體材料以及有無極性或半極性晶體結構之雷射二極體晶片和厚度大於或等於3微米之第一焊料層的組合特別有利於實現較高的輸出功率。與先前技術相反，以TO殼體內的其他雷射系統(例如，基於砷化鎵的雷射二極體晶片)而言，本發明人已經認識到，在操作期間有利於在雷射二極體晶片內產生大溫度梯度，這有可能依靠有針對性的選擇與描述於此之雷射二極體組件的零件組合。特別是，與基於氮化物化合物半導體材料以及有極性晶體結構的習用雷射二極體晶片相比，由於有不同的功率損失分布，以及由於該殼體主體的銅，在雷射二極體晶片可得到大溫度梯度，相對而言，在殼體材料可得到小溫度梯度，其中如上述，銅製主體的良好導熱性本身不利，反而與描述於此之雷射二極體晶片結合才有利。 此外，由於使用明顯比先前技術更厚以及對於較高熱阻似乎起反作用的第一焊料層，所以有可能精確地組合描述於此之殼體與描述於此之雷射二極體晶片。
此外，就描述於此之雷射二極體組件而言，與習知雷射二極體晶片相比，增加雷射二極體晶片之主動層的面積是有利的。特別是，該主動層可具有大於或等於10 000微米平方的面積，以及大於或等於20 000微米平方達30 000微米平方為較佳。在此假設電流密度由最大值到10%的減量為面積限制。
如上述，單獨增加主動層的面積對於實現有較高輸出功率的雷射二極體晶片起反作用。不過，本發明人已經認識到，只有通過上述溫度梯度與雷射二極體晶片的組合才可實現較高的輸出功率，這是由有較大通電面積的雷射-光產生晶片區促成。接著，只因主動層的釋熱減少及有更好散熱結合在主動層背離基板之一側上有比先前技術還熱的電氣接觸，可實現雷射二極體晶片的溫度梯度。
電氣接觸在主動層背離基板之一側上的減損，亦即，有針對性地建立比先前技術還高的功率損失，在此情形下不僅可用主動層的較低損失補償，也可用可能高電流操作(例如，有較大面積的主動層)過度補償以及在雷射二極體晶片中以標定方式設定的溫度梯度，藉此，與先前技術相比，通過描述於此之措施的組合，可精確地以增加輸出功率的方式實現大幅改善。就描述於此之雷射二極體組件而言，特別是，有可能實現在多個瓦特範圍內(特別是，3瓦特以上)的較高光輸出功率，以及電輸入功率與光輸出功率也有較高的轉換效率。
根據另一具體實施例，該安裝部有與延伸方向垂直的橫截面，該橫截面至少在一側儘可能遠地突出配置於安裝部上以及裝在殼體部上的殼體蓋。換言之，與延伸方向垂直的平面中，該安裝部有一厚度使得安裝部可儘可能遠地伸到殼體蓋。就此情形而言，該安裝部與該殼體蓋仍有間隙。或者，該安裝部也可觸及該殼體蓋。如果安裝部越過最大可能區域儘可能遠地伸到殼體蓋則特別有利。
根據另一具體實施例，與安裝部延伸方向垂直的平面中，該殼體部與該殼體蓋有圓形橫截面。該安裝部在與延伸方向垂直的平面中有佔據面積大於半圓(亦即，大於半圓面積)的橫截面。因此，使安裝部愈厚以及使安裝部與延伸方向垂直的橫截面面積愈大，則通過殼體所耗散的熱愈多。未被殼體蓋內之安裝部填充的空間用來安裝雷射二極體晶片。
此外，也有可能使安裝部橫截面在殼體部方向的尺寸遞增。例如，該安裝部在沿著延伸方向的平面中有楔形橫截面因而相對於有雷射二極體晶片配置於其上之安裝部的安裝平面，可變較寬及/或較厚。與標準TO殼體相比，在此一安裝部之上的雷射二極體晶片可斜向發光，這使得有可能實現以下效果，例如，安裝部可具有最大可能厚度及寬度，而沒有通過殼體蓋之窗口的陰影。
為了補償在安裝部有楔形橫截面之情形下的傾斜發射方向，殼體部在與延伸方向平行的平面中可具有楔形橫截面。或者，殼體部與安裝部的連接角度也可不等於90°，其中90°的連接角度係對應至安裝部在標準TO殼體之殼體部上的標準配置。 藉此可實現的是，儘管通過雷射二極體晶片斜向發射，雷射二極體組件對於殼體的安裝區大約可以直角放射雷射二極體晶片所產生的光線，雷射二極體組件可用安裝區裝在載體(例如，印刷電路板)上。或者，例如，也有可能裝配輔助環於殼體部，藉此可實現殼體以及雷射二極體組件的斜向安裝。
根據另一具體實施例，該雷射二極體晶片有輻射耦出區(radiation coupling-out area)，在操作期間，主動層中產生的光線係經由該輻射耦出區放射。將該雷射二極體晶片具體化為邊射型雷射二極體晶片為較佳，其中例如藉由沿著晶面弄破、劈開及/或蝕刻半導體層複合集合物(semiconductor layer composite assemblage)可產生該輻射耦出區。此外，該雷射二極體晶片有配置於該輻射耦出區對面的後側區。特別是，雷射二極體晶片之前側區中經由它放射雷射二極體晶片中所產生之同調光的區域可稱為輻射耦出區。以邊射型雷射二極體晶片而言，前側區，特別是輻射耦出區，以及後側區也經常被稱為所謂的刻面(facet)。此外，該雷射二極體晶片有側區使後側區與輻射耦出區相互連接以及該等側區由半導體層在與半導體層成長及配置方向垂直之方向的側面形成。
根據另一具體實施例，該雷射二極體晶片至少在該輻射耦出區上有晶體保護層。在此及以下，“結晶”層係指整體有晶體結構(亦即，短距及長距規則性(long-range order))之層。反之，非晶層只有短距規則性以及部份結晶或部份結晶層在部份或區域中也有短距規則性，但是整層沒有連續的長距規則性。
特別是，該晶體保護層可氣密性防滲(hermetically impermeable)，特別是在輻射耦出區的區域氣密性防滲，亦即，最好為雷射二極體晶片之前側區中雷射輻射在操作期間經由它放射的區域。就此情形而言，特別是，氣密性防滲層可具有在雷射二極體晶片及雷射二極體組件之使用壽命期間足以保護雷射二極體晶片中被氣密性防滲層覆蓋之區域的防滲性使得不會發生縮短使用壽命的損壞。特別是，該晶體保護層可具有高於例如非晶或部份結晶層的防滲性。例如，這可基於以下事實：結晶層最好經具體化成沒有所謂“針孔”可能造成洩露的晶格缺陷。
該晶體保護層可保護雷射二極體晶片中被晶體保護層覆蓋的區域，亦即，至少輻射耦出區，免受害於環境影響，例如，有害氣體。此類環境影響可由，例如，氧、臭氧、酸雨中之物質，及其他化學物。例如，當雷射二極體組件用作汽車工程的光源時，在雷射二極體晶片未受保護的情形下，可能因腐蝕介質(例如，碳氫化合物及硫和氮化合物，例如硫化氫及硫和氮氧化物)而危及雷射二極體晶片，特別是它的輻射耦出區。此類有害環境影響可滲入雷射二極體組件的殼體遠到雷射二極體晶片，例如在殼體本身對周遭未以氣密性防滲方式密封時。以描述於此之雷射二極體組件的殼體而言，由於熱膨脹係數不同，在封閉殼體、基於銅或塗鋼銅之殼體與鋼基殼體蓋的焊接有充分防滲性時，有特殊的技術挑戰。特別是，在量產該等零件時，有殘留洩露之零件的逃逸率(escape rate)可能增加。雖然已知可使雷射二極體晶片的刻面具有塗層，然而該塗層經常為非晶至部份結晶，以及由於有灰色邊界及不完美性，因此可防止破壞刻面材料只擴散至不充分的範圍。因此，該晶體保護層構成特別是關鍵輻射耦出區的額外 保護，這可確保雷射二極體組件的可靠使用。
此外，描述於此在雷射二極體晶片、殼體之間的厚焊料層(例如，第一焊料層)可具有以下作用：焊粒(solder particle)經由雷射二極體晶片的表面遷移，特別是在雷射刻面的區域。在刻面塗層沒有充分防滲下，焊粒可能擴散通過刻面塗層，這可能導致經由雷射刻面的洩露電流。描述於此之晶體保護層可確保有充分防滲刻面塗層而可防止焊粒造成雷射二極體晶片損壞。用該晶體保護層，以結晶介電材料而言，又有可能實現崩潰場強度(breakdown field strength)的大幅增加，藉此有可能實現保護避免例如因焊料層上流或p型金屬化懸在刻面上方引起的電崩潰(electrical breakdown)。
根據另一具體實施例，雷射二極體晶片在雷射二極體組件的生產期間，至少於輻射耦出區上設有晶體保護層。為此目的，使用可製造結晶介電、半導體或導電層的鋪設方法(application method)。例如，有可能選擇溫度加高的化學氣相沉積(CVD)法，特別是大於或等於500℃的溫度，以及大於或等於600°C為較佳。該晶體保護層也可以用原子層沈積(ALD)法(特別是，原子層磊晶(ALE)法)來沈積則特別較佳。與用於製造刻面塗層的習用方法相比，也可以大於或等於500℃的加高溫度實施原子層沈積法，大於或等於600℃為較佳，以便得到該晶體保護層。上述方法(特別是，原子層沈積法)的優點是無缺陷、無“針孔”的結構、優良的表面黏著、高穩定性、在有高深寬比的不平度下有優良的超形成性(overforming)，以及低應變結構。在有此保護層的情形下，特別有利的是對於氣體有低滲透性，例如，氧或潮濕空 氣，如P.F. Carcia等人在文獻Journal of Applied Physics 106,023533(2009)中以及T. Hirvikorpia在文獻Applied Surface Science 257,9451-9454(2011)中所述。
根據另一具體實施例，該晶體保護層只有一個結晶層。或者，該晶體保護層也有可能有複數個結晶層。該等複數個結晶層，例如，可由由不同材料構成的複數個結晶層形成。此外，也有可能由不同材料構成的至少兩個結晶層以交替序列形成該等複數個結晶層。
根據另一具體實施例，在該輻射耦出區上鋪設光學層。該光學層，例如，可為反射或抗反射層。此類光學層常有由透明材料構成的一層(多層為較佳)，以及由透明材料構成的多層而可形成由不同折射率組成的周期序列為較佳。
例如，該晶體保護層可形成該光學層。這可能有利，特別是在該晶體保護層有多個結晶層時。或者，除了該晶體保護層以外，也有可能舖設光學層，此光學層不必為結晶層，反而，例如，可為非晶或部份結晶層。就此情形而言，該光學層可用習知施加方法舖設，例如先前技術習知用於刻面塗層者。
該光學層可配置於該輻射耦出區與該晶體保護層之間，例如，以及可用該晶體保護層覆蓋。這使得有可能，除了該輻射耦出區以外，也用該晶體保護層保護該光學層。或者，也有可能配置該晶體保護層於該輻射耦出區、該光學層之間。就此情形而言，儘可能靠近雷射二極體晶片地配置該晶體保護層是有利的，以及直接於該雷射二極體晶片上特別較佳，亦即，至少在輻射耦出區上。結合另一光學層，該晶體保護層也可具有該塗層之 光學功能的一部份以及為該光學層之一部份。
根據另一具體實施例，該晶體保護層由介電材料形成或至少包含介電材料。特別是，以輻射耦出區的直接塗層而言，以及若適當的話，雷射二極體晶片的其他區域，介電層是有利的，因為藉此可避免雷射二極體晶片短路。結合在晶體保護層、雷射二極體晶片之間的光學層或者鈍化層，該晶體保護層也可包含半導體或導電材料或由其構成。
該晶體保護層由氧化物形成或至少包含氧化物特別較佳。由於氧化物材料的氧可與水分子形成氫橋鍵(hydrogen bridge bond)，例如，藉此可防止水分子滲入結晶層。該氧化物為電介質特別較佳。
該晶體保護層在一或複數個結晶層中可包含下列材料中之一或多種特別較佳：Al2O3、Si3N4、NbxAlyOz、Al2O3/TiO2、Al2O3/Ta2O5、HfO2、Ta2O5/ZrO2、Ta2O5、TaxTiyOz、Ta2O5/NbO5、TiO2、ZrO2、HfO2、Ta2O5、Nb2O5、Sc2O3、Y2O3、MgO、B2O3、SiO2、GeO2、La2O3、CeO2、PrOx、Nd2O3、Sm2O3、EuOx、Gd2O3、Dy2O3、Ho2O3、Er2O3、Tm2O3、Yb2O3、Lu2O3、SrTiO2、BaTiO3、PbTiO3、PbZrO3、BixTiyO、BixSiyO、SrTa2O6、SrBi2Ta2O9,、YScO3、LaAlO3、NdAlO3、GdScO3、LaScO3、LaLuO3、Er3Ga5O13、HfSiO、HfTiO、AlSiO、LaAlO、LaHfO、In2O3、ZnO、Ga2O3、V2O5、HfAlO、HfTaO、HfZrO、Ru、Pt、Ir、Td、Rh、Ag、W、Cu、Co、Fe、Ni、Mo、Ta、Ti、Al、Si、Ge、In2O3、In2O3：Sn、In2O3：F、In2O3：Zr、SnO2、SnO2：Sb、ZnO：Al、ZnO：B、ZnO：Ga、RuO2、RhO2、IrO2、Ga2O3、V2O5、WO3、W2O3、BN、AlN、GaN、InN、SiNx、Ta3N5、Cu3N、Zr3N4、 Hf3N4、NiO、CuO、FeOx、CrOx、CoOx、MnOxTiN、TixSiyNz、NbN、TaN、Ta3N5、MoNx、W2N、GaAs、AlAs、AlP、InP、GaP、InAs、TaC。
根據另一具體實施例，同樣舖設晶體保護層於該雷射二極體晶片中位於該輻射耦出區對面的後側區上。用輻射耦出區及後側區上的晶體保護層可有效地保護對於環境影響敏感之雷射二極體晶片的刻面。
此外，在該後側區上可施加光學層，特別是反射層。如以上在說明輻射耦出區之塗層時所述，有可能也在後側區上配置光學層於晶體保護層、後側區之間。或者，該晶體保護層也可配置於光學層、後側區之間。如果在雷射二極體晶片之後側區上的光學層由晶體保護層形成，也特別有利。
根據另一具體實施例，在雷射二極體晶片中使後側區與輻射耦出區連接的側區上舖設一層或多層晶體保護層。特別是，如果舖設晶體保護層於與半導體層成長及配置方向垂直的所有側區上以及於雷射二極體晶片的刻面上，使得該等半導體層與半導體層的介面都有全面保護是有利的。
1‧‧‧殼體
2‧‧‧雷射二極體晶片
3‧‧‧第一焊料層
4‧‧‧導熱元件
5‧‧‧第二焊料層
6‧‧‧晶體保護層
7‧‧‧光學層
10‧‧‧殼體部
11‧‧‧安裝部
12‧‧‧塗層
13‧‧‧安裝區
14‧‧‧殼體蓋
15‧‧‧窗口
20‧‧‧基板
21‧‧‧第一披覆層
22‧‧‧第一波導層
23‧‧‧主動層
24‧‧‧半導體接觸層
25‧‧‧電連接層
26‧‧‧層
27‧‧‧輻射耦出區
28‧‧‧後側區
29‧‧‧側區
100至104‧‧‧雷射二極體組件
110‧‧‧方向
401至404、501、502、1001、1002、1004、1005、1007、1006、1008‧‧‧曲線
1003‧‧‧虛線
由以下結合附圖所描述的示範具體實施例可明白其他的優點、有利具體實施例及發展。
第1A圖及第1B圖圖示習知雷射二極體組件的測量值。
第2A圖及第2B圖示意圖示根據示範具體實施例的雷射二極體組件，第3圖示意圖示根據示範具體實施例的雷射二極體晶片， 第4圖至第5B圖圖示雷射二極體組件的測量值，第6圖至第9圖示意圖示根據其他示範具體實施例的雷射二極體組件，以及第10圖至第16圖根據其他示範具體實施例示意圖示雷射二極體組件的部件。
在該等示範具體實施例及附圖中，類型相同或作用一樣的元件在各個情形下可用相同元件符號表示。不應認為圖示元件及它們之間的尺寸關係是按照真實的比例繪製；反而，可能以誇大方式圖示個別元件(例如，層、結構部件、零件及區域)的尺寸以便於更好地圖解說明及/或提供更好的了解。
第2A圖、第2B圖圖示雷射二極體組件100的示範具體實施例，其中第2A圖為示意剖面圖而第2B圖的平面圖圖示與第2A圖中之方向110相反的雷射二極體組件100之正面。以下說明同樣有關於第2A圖及第2B圖。
雷射二極體組件100包含具體化成所謂TO殼體之形式的殼體1。殼體1有殼體部10與配置於該殼體部的安裝部11。在圖示示範具體實施例中，安裝部11沿著延伸方向110延伸離開殼體部10以及以與殼體部10整合的方式具體化。為此目的，殼體部10及安裝部11有由銅形成的主體。殼體部10也有由鋼構成的塗層12，其係由在殼體部10區域中之銅製主體的塗層形成。
此外，殼體部10可具有數個孔或開口，例如，其中配置由殼體部10背離安裝部11之一側突出到安裝部11側的小線腳(lead leg)。例如，可將配置及固定於其中的小線腳具體化為電 氣穿通線(electrical feedthrough)，以及提供建立電氣接觸的可能性。
安裝部11有安裝區13，雷射二極體晶片2係配置於安裝區13上。特別是，雷射二極體晶片2是用第一焊料層3裝在安裝部11的安裝區13上，從而電氣及熱連接至殼體1。
可配置殼體蓋14於安裝部11上方從而在雷射二極體晶片2上方，該殼體蓋用虛線表示。例如，進一步具有窗口15的殼體蓋14可包含鋼，以及除窗口15以外，由鋼構成為較佳。由於殼體部10有鋼塗覆12，可鋪設殼體蓋14於殼體1的殼體部10上，以及如同有鋼基底的習用TO殼體，在標準製程中，可用焊接法固定。此外，通過焊接殼體蓋14於殼體部10的塗層12，有可能實現儘可能地防滲以及可保護雷射二極體晶片2免於有害環境影響的連接為較佳。
由第2B圖可見，殼體部10及殼體蓋14在垂直於延伸方向110的平面中具體化為圓形。在圖示示範具體實施例中，安裝部11接著有佔據面積大於半圓(亦即，大於半圓面積)的橫截面。此外，安裝部11在背離安裝區13之一側儘可能遠地突出殼體蓋14。結果，可使安裝部11的橫截面儘可能地厚，藉此可實現高導熱性。
儘管常見為了優化標準雷射二極體零件的散熱而經由儘可能薄的焊料層使雷射二極體晶片耦合至殼體，然而為了得到儘可能低的熱阻，在圖示示範具體實施例中的第一焊料層3有大於或等於3微米的厚度，以及大於或等於5微米為較佳。從而，有可能補償在操作期間因雷射晶片2產生熱以及雷射二極體晶片 2與殼體1有不同熱膨脹係數而發生的熱誘發應力。此外，例如，用有如此厚的焊料層也可補償安裝部11之安裝區13的表面不平整。尤其是，如第6圖所示，如果安裝部11像殼體部10那樣有由鋼構成的塗層12，也可能出現不平整。
如第3圖所示，雷射二極體晶片2形成為具有由側區形成之輻射耦出區27及位於輻射耦出區對面之後側區28的邊射型雷射二極體晶片為較佳。特別是，輻射耦出區27可用雷射二極體晶片2的前側區形成，在操作期間，雷射二極體晶片2所產生的雷射輻射係經由該前側區射出。
特別是，雷射二極體晶片2為基於氮化物化合物的半導體材料。為此目的，雷射二極體晶片2有較佳具體化為導電型以及例如包含結晶(銦、鋁、鎵)氮或由彼等構成的基板20。在其上成長基於氮化物化合物半導體材料的半導體層序列，較佳用磊晶法，例如金屬有機氣相磊晶法(MOVPE)。雷射二極體晶片2在基板20上有配置於波導層22、披覆層21之間的主動層23。特別是，雷射二極體晶片2在基板20上有第一披覆層21，在第一披覆層上有第一波導層22以及在第一波導層22上有主動層23。沿著成長方向，在主動層23上面有另一波導層22及另一披覆層21和半導體接觸層24，而半導體接觸層24與例如形式為金屬電極層的電連接層25接觸。雷射二極體晶片2的電氣連接係經由電連接層25與導電基板20，導電基板20在背離半導體層21、22、23及24之一側上可具有另一電連接層(未圖示)。
在圖示示範具體實施例中，由主動層23可見，面向基板20的半導體層均為n型摻雜，而配置於主動層23背離基板 20之一側上的半導體層均為p型摻雜。或者，相反的摻雜次序也有可能。主動層23可為n型摻雜或或未摻雜，例如，以及可具有多量子阱結構，特別是，在圖示示範具體實施例中。
特別是，與由鋼構成之標準TO殼體相比，用銅基殼體1來實現改善導熱性。在第4圖中，在此方面，在各個情形下，以工作電流I(單位安培)為橫軸，曲線401及402圖示光輸出功率P(單位瓦特)，以及曲線403及404圖示發藍光氮化鎵基雷射二極體晶片的工作電壓U(單位伏特)，其中係試驗在有鋼基底的標準TO56殼體之中的雷射二極體晶片，以及在描述於此有由塗鋼銅構成用厚約5微米之焊料層裝上之殼體部的銅基殼體之中的雷射二極體晶片。比較用於描述於此之銅基殼體及厚焊料層之案例的曲線401及403與用於標準TO殼體及薄焊料層之案例的曲線402及404，顯示儘管較厚焊料有較高的熱阻，若使用有描述於此之第一焊料層3的描述於此之殼體可改善輸出功率。
為了在操作期間實現雷射二極體晶片2放射光的最高可能輸出功率，根據另一示範具體實施例，如在說明第2A圖、第2B圖及第3圖時所解釋的，雷射二極體組件100產生特定的溫度梯度。特別是，殼體1中有最小溫度梯度，此溫度梯度的實現係依靠殼體1的銅基主體。
另一方面，與有最高可能導熱性用以在殼體1中產生最小可能溫度梯度的殼體1相反，雷射二極體晶片2具體化成在電連接層25、基板20之間有最大可能溫度梯度。為了設定此一標定溫度梯度，必須使雷射二極體晶片2及殼體1相互協調。特別是，本發明人的試驗顯示，必須個別考慮雷射二極體晶片2 的電損耗(electrical loss)。首先，必須納入考慮諸層26區域中之上接觸層(top side contact，在圖示示範具體實施例中，其係具體化為p型摻雜接觸)的壓降，該壓降係由難以p型摻雜的氮化物半導體材料系統造成。
第5A圖在此方面圖示氮化物基極性雷射二極體晶片2在TO殼體中以1安培之工作電流、脈衝長度有1微秒之脈衝模式以及1%之工作比(duty ratio)在不同溫度(單位℃)下的電壓。第5B圖以工作電流I(單位安培)為橫軸圖示有銅基殼體之雷射二極體組件的工作電壓U(單位伏特)(曲線501)及比較有鋼製標準TOS6殼體的雷射二極體組件(曲線502)。在銅基殼體中，工作電壓會上升，由此可推斷諸層26在曲線501比曲線502冷些，因為散熱有改善。
第二，必須納入考慮底下諸層的壓降，特別是主動層23。由於圖示示範具體實施例的主動層23具體化為有數個光產生量子薄膜之層堆疊的多量子阱結構，因此會有壓降產生，尤其是在量子阱結構的介面處。就此情形而言，雷射二極體晶片2經具體化成與標準雷射二極體晶片之案例有實質相同的功率損失，接受在上接觸層附近的電子阻障(electrical barrier)及電阻，以及最小化在主動層23附近及下面的損失。
為此目的，雷射二極體晶片2經具體化為基於氮化物化合物半導體材料及具有無極性或半極性晶體結構的雷射二極體晶片，這在一般部份中有描述。用雷射二極體晶片2的無極性或半極性晶體結構可實現的是，與基於氮化物化合物半導體材料以及有極性晶體結構的標準雷射二極體晶片相比，操作期間在主 動層23背離基板20之一側上(亦即，層26)有較高的功率損失，而在主動層23實現較低的功率損失。
與基於氮化物化合物半導體材料以及有極性晶體結構的習知雷射二極體晶片相比，由於有較高的電功率損失，不僅用主動層23的較低損失來補償在主動層23上方之諸層26區域的電氣接觸之阻抗(impediment)。反而，用可能高流動操作及在雷射二極體晶片2中以標定方式設定的溫度梯度來實現過度補償，使得，與習知雷射二極體組件相比，用殼體1與無極性或半極性雷射二極體晶片2及第一焊料層3的描述於此之組合實現顯著的改善。
與習知雷射二極體晶片相比，如果增加描述於此之雷射二極體晶片2的晶片面積是特別有利的；特別是，電流以大於或等於10 000微米平方(大於或等於20 000至30 000微米平方為較佳)的面積送入主動層23是有利的，其中係假定電流密度由最大值到10%的減量為面積限制。由於上述措施導致雷射二極體晶片2有最大可能溫度梯度，亦即，改善主動層23的散熱以及在諸層26的區域中有較熱的上接觸層，與先前技術相比，送入電流的面積增加導致光輸出功率也增加。
以下附圖圖示雷射二極體組件的其他示範具體實施例，其係第2A圖、第2B圖及第3圖之示範具體實施例的修改及變體。因此，以下說明實質限於與前述示範具體實施例的差別。特別是，以下所描述的雷射二極體組件可具有殼體蓋，即使附圖沒有明確圖示該殼體蓋。
第6圖圖示雷射二極體組件101的示範具體實施 例，其中，與第2A圖及第2B圖的雷射二極體組件100相比，殼體部10與安裝部11都有由鋼構成的塗層12。結果，在標準TO殼體的情形下，有可能實現由鋼構成的安裝區13，同時可得到用銅來改善的導熱性。
第7A圖至第7C圖圖示另一示範具體實施例之雷射二極體組件102的示意剖面圖(第7A圖)，與延伸方向110相反的平面圖(第7B圖)以及安裝區13的平面圖(第7C圖)。與前述示範具體實施例相比，在雷射二極體組件102的情形下，在雷射二極體晶片2與殼體1的安裝部11之間配置導熱元件4。特別是，該導熱元件經具體化為所謂的散熱器以及用來擴大雷射二極體晶片2與殼體1的安裝部11之間的熱流以便實現在熱傳遞期間進入殼體1的最大可能過渡面積。
就此情形而言，如上述，第一焊料層3(導熱元件4用它裝在殼體1的安裝部11上)可具體化成有大於或等於3微米的厚度，以及大於或等於5微米的厚度特別較佳。此外，在導熱元件4與雷射二極體晶片2之間配置第二焊料層5，雷射二極體晶片2用該第二焊料層裝在導熱元件4上。第二焊料層5同樣有大於或等於3微米的厚度為較佳，以及大於或等於5微米的厚度特別較佳。或者，也有可能兩個焊料層3、5之中只有一個有如此大的厚度，例如只有第一焊料層3。
安裝部11可由銅形成，如圖示示範具體實施例所示，或者也可有鋼塗覆12，如說明第6圖時所述以及如第7A圖的虛線所示。
雷射二極體晶片2與殼體1由於材料不同而有不同 的熱膨脹係數。氮化物基半導體材料經常有約5.6 x 10-6 l/K的熱膨脹係數以及約100 W/mK的導熱性，而銅有約16至18 x 10-6 l/K的熱膨脹係數以及約300 W/mK的導熱性。位於其間的複數種材料(因而例如，安裝部11的鋼塗覆12，焊料層3、5及導熱元件4)同樣有不同的熱膨脹係數。鋼有約6至12 x 10-6 l/K的熱膨脹係數以及約30至70 W/mK的導熱性。例如，導熱元件4可包含氮化鋁或由其構成，氮化鋁有約4.5至5.7 x 10-6 l/K的熱膨脹係數以及約80至200 W/mK的導熱性。因此，氮化鋁導熱元件4的熱膨脹係數與雷射二極體晶片2的熱膨脹係數相對良好地匹配。不過，在氮化鋁導熱元件4與殼體1(亦即，銅或者是塗鋼銅)的過渡邊界處，熱膨脹係數有顯著差異。
因此，有可能使用碳化矽，特別是6H-SiC，作為導熱元件4的材料特別較佳，而不是氮化鋁，雖然它有約4.4 x 10-6 l/K的熱膨脹係數，也有約200至500 W/mK的較高導熱性。或者，因為導熱元件4也有可能使用下列材料中之一者：熱膨脹係數約有6至8 x 10-6 l/K及導熱性約有200至250 W/mK的銅鎢合金，熱膨脹係數約有2.5至4 x 10-6 l/K及導熱性約有600 W/mK的氮化硼，有約1000 W/mK之更高導熱性及2.3 x 10-6 l/K之熱膨脹係數的鑽石(例如，用CVD生產的鑽石)。儘管此等材料用於導熱元件4有相當不利的熱應變，然而描述於此之雷射二極體組件可使用它們為較佳，因為這些材料所產生的較大熱應變可用描述於此之厚焊料層3、5補償。焊料層3、5可包含銦基軟焊料，例如，以便使得熱誘發應變有最好的可能補償。
第8圖圖示雷射二極體組件103的另一示範具體實 施例，此係純粹用來舉例說明，如同前述示範具體實施例的雷射二極體組件102，它有在雷射二極體晶片2、殼體1之間的導熱元件4。
與前述示範具體實施例相比，雷射二極體組件103之安裝部11垂直於延伸方向110的橫截面係增加在朝向殼體部10之方向(亦即，與延伸方向110相反)的尺寸。為此目的，安裝部11在圖示截面中有在殼體部1附近且高於離殼體部1較遠之區域的楔形橫截面。換言之，安裝部11的厚度往殼體部10遞增。
安裝部11的此一楔形橫截面可能有利，特別是，為了實現最高可能導熱性，以及由於雷射二極體晶片2對於圖示殼體蓋14及其窗口15呈傾斜配置，因此可導致只有少許或完全沒有遮蔽地通過殼體蓋14的窗口15。為了確保雷射二極體組件103之安裝區的定向與雷射二極體晶片2的發射方向垂直，在圖示示範具體實施例中，殼體1的殼體部10同樣有楔形橫截面。或者，安裝部11與殼體部10的連接角度也有可能不等於90°以及適合形成安裝部11之楔形物的導入角度(opening angle)。此外，也有可能有對應橫截面的輔助環以安裝殼體部10，藉此殼體1可傾斜地裝在承受區(bearing area)上。
第9圖的平面圖圖示雷射二極體組件104之另一示範具體實施例的安裝區13，另外或替代前述示範具體實施例之安裝部11的楔形橫截面，安裝部11的楔形橫截面在安裝區13的平面中有遞增寬度。
由於安裝部11的高度及/或寬度向殼體部10遞增，如第8圖及第9圖所示，除了殼體1具體實施例為銅基殼體以外， 也可使殼體1的導熱性增加及優化。
接著，第10圖至第16圖圖示可用部份圖示之焊料層裝在上述雷射二極體組件100、101、102、103、104之殼體1內的雷射二極體晶片2之示範具體實施例。為求簡潔，後續附圖不圖示雷射二極體晶片2的層結構。
以下示範具體實施例的雷射二極體晶片2至少在輻射耦出區27上有晶體保護層6，其係適合以及經裝設成至少可保護輻射耦出區27免於有害環境影響，例如由周遭空氣所造成的。周遭空氣的有害環境影響，例如，可為氧、臭氧、酸雨、硫及硫化合物和氮氧化物及碳氫化合物以及其他有害化學物。此類物質也有可能不合意地滲入用殼體蓋14密封的殼體1，因為，由於銅與鋼有不同的熱膨脹係數，充分防滲地連接及焊接鋼基殼體蓋14與殼體部10是特別的技術挑戰。特別是，在量產殼體1時，有殘留洩漏的零件中不能辨認的比例可能會增加。因此，為了可靠地使用有描述於此有高導熱性之殼體1中的雷射二極體晶片2，可能需要作為至少輻射耦出區27之額外保護的晶體保護層6。
特別是，以下所描述的晶體保護層6可氣密性防滲，從而有高到足以在整個使用壽命期間充分保護雷射二極體晶片2的防滲性。根據以下示範具體實施例的晶體保護層6鋪設於雷射二極體晶片2可用例如原子層沈積法，特別是原子層磊晶法，或化學氣相沉積法，特別是以大於或等於500℃的溫度，以及大於或等於600℃為較佳。特別是，用原子層沈積鋪設的保護層6有利地形成無晶體缺陷的所謂無“針孔”結構，其係具有優良的表面黏著、高穩定性、優良的超形成性以及低應變結構。
此外，由於有厚的第一焊料層3，以及若適當的話，也由於有厚的第二焊料層5，可增加在雷射二極體晶片2下面的焊料供給，其效果是，焊粒可向上遷移到雷射二極體晶片2(特別是，輻射耦出區27)以及可擴散通過非氣密性防滲的刻面塗層，這可能導致經由輻射耦出區27的洩露電流。因此，用晶體保護層6也可保護焊料不擴散到雷射二極體晶片2的表面。此外，就介電材料而言，晶體保護層可造成崩潰場強度顯著增加。
第10圖的橫截面圖示雷射二極體晶片2的示範具體實施例，其中晶體保護層6係直接鋪設於雷射二極體晶片2的輻射耦出區27上。為此目的，晶體保護層6包含介電材料，例如以上在一般部份中提及的介電材料中之一者。或者，也有可能配置介電鈍化層於晶體保護層6、輻射耦出區27之間，使得如在一般部份中提及的半導體或導電材料也可用於晶體保護層6。
此外，鋪設形式為層堆疊的光學層7(其係具體化為各個雷射刻面的抗反射塗層或反射塗層)於輻射耦出區27以及位於輻射耦出區27對面的後側區28上。例如，鋪設於輻射耦出區27上的光學層7可具體化為抗反射層，而鋪設於後側區28上的光學層7具體化為反射層。可用常用於鋪設雷射二極體刻面以及製造典型非晶或部份結晶層的方法來鋪設光學層7。
在圖示示範具體實施例中，晶體保護層6以此方式配置於光學層7、輻射耦出區27之間。為了保護輻射耦出區27，如果晶體保護層6有數奈米至數十奈米的厚度就足夠，使得晶體保護層6不影響鋪設於輻射耦出區27上之塗層的光學性質(隨後其係由光學層7實質決定)。或者，也有可能將晶體保護層6具體 化為光學層7之一部份以及有經適當選定的厚度。
第11圖圖示示範具體實施例，其中，除了輻射耦出區27及後側區28上的晶體保護層6以外，也配置晶體保護層6於後側區28、光學層7之間。結果，也可保護後側區28免於有害氣體以及可能遷移或擴散至後側區28的焊料。
第12圖圖示另一示範具體實施例，其中輻射耦出區27上的光學層7係由晶體保護層6形成。為此目的，晶體保護層6有具有所欲抗反射或反射性質的一層，以及有由不同材料構成之複數層為較佳。
第13圖圖示另一示範具體實施例，其中後側區28上的光學層7也由晶體保護層6形成。在此情形下，晶體保護層6也各有導致有所欲抗反射或反射性質的一層，以及有由不同材料構成之複數個結晶層為較佳。
第14圖圖示另一示範具體實施例，其中，與第10圖的示範具體實施例相比，在輻射耦出區27上，鋪設晶體保護層6於光學層7上，藉此配置光學層7於晶體保護層6、輻射耦出區27之間以及因而被晶體保護層6覆蓋。結果，首先，除了輻射耦出區27以外，可用晶體保護層6保護光學層7。此外，作為介電材料的替代物，晶體保護層6也有可能也使用半導體材料或導電材料，例如以上在一般部份中提及的介電材料中之一者。
在第15圖的示範具體實施例中，也鋪設晶體保護層6於後側區28上的光學層7上，該保護層可保護後側區28以及後側區28上的光學層7。
第16圖圖示另一示範具體實施例，其圖示雷射二極 體晶片2的俯視圖，以及其中，除了輻射耦出區27及後側區28上的晶體保護層6以外，鋪設晶體保護層6於使後側區28與輻射耦出區27相互連接的側區29上。結果，對於雷射二極體晶片2，特別是彼之半導體層以及半導體層之間的介面，可實現所有側面的保護，因為有晶體保護層6覆蓋雷射二極體晶片2的所有側區。就此情形而言，如第16圖所示，可鋪設覆蓋光學層7的晶體保護層6。或者，也有可能直接鋪設晶體保護層6於輻射耦出區及/或後側區28上。
描述及圖示於附圖及示範具體實施例的特徵可根據其他示範具體實施例來相互組合，即使該等組合未明確圖示於附圖。特別是，不同的殼體形式，導熱元件4的應用以及一層或多層保護層6在雷射二極體晶片2上的配置可相互組合。此外，圖示於附圖的示範具體實施例也可具有根據一般部份中之具體實施例的替代或附加特徵。
本發明不被基於該等示範具體實施例的描述限制於該等示範具體實施例。反而，本發明涵蓋任何新穎特徵以及任何特徵組合，尤其是包括申請專利範圍的任何特徵組合，即使此一特徵或此一組合本身未明確具體說明於申請專利範圍或示範具體實施例。
1‧‧‧殼體
2‧‧‧雷射二極體晶片
3‧‧‧第一焊料層
10‧‧‧殼體部
11‧‧‧安裝部
12‧‧‧塗層
13‧‧‧安裝區
14‧‧‧殼體蓋
15‧‧‧窗口
100‧‧‧雷射二極體組件
110‧‧‧方向

Claims (15)

  1. 一種雷射二極體組件，係包含：具有殼體部(10)和具有連接至該殼體部(10)以及沿著延伸方向(110)延伸離開該殼體部(10)之安裝部(11)的殼體(1)，以及在該安裝部(11)上的雷射二極體晶片(2)，該雷射二極體晶片在基板(20)上具有半導體層(21、22、23、24、26)以及用於發光的主動層(23)，其中，該殼體部(10)及該安裝部(11)具有由銅構成的主體，以及至少該殼體部(10)經鋼塗覆，以及配置厚度大於或等於3微米的第一焊料層(3)於該雷射二極體晶片(2)與該安裝部(11)之間。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之雷射二極體組件，其中，該雷射二極體晶片(2)係基於氮化物化合物半導體材料以及具有無極性或半極性晶體結構。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之雷射二極體組件，其中，與基於氮化物化合物半導體材料及有具極性晶體結構的雷射二極體晶片相比，在操作期間，該雷射二極體晶片(2)在該主動層(23)背離該基板(20)之一側上的層(26)中有較高的功率損失，以及在該主動層(23)中有較低的功率損失。
  4. 如申請專利範圍第1項至第3項中任一項所述之雷射二極體組件，其中，該主動層(23)具有大於或等於10000微米平方的面積。
  5. 如申請專利範圍第1項至第4項中任一項所述之雷射二極體組 件，其中，該第一焊料層(3)的厚度大於或等於5微米。
  6. 如申請專利範圍第1項至第5項中任一項所述之雷射二極體組件，其中，導熱元件(4)係配置於該雷射二極體晶片(2)與該安裝部(11)之間。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之雷射二極體組件，其中，該導熱元件(4)係藉由該第一焊料層(3)固定於該安裝部(11)上，以及該雷射二極體晶片(2)係藉由厚度大於或等於3微米的第二焊料層(5)固定於該導熱元件(4)上。
  8. 如申請專利範圍第6項或第7項所述之雷射二極體組件，其中，該導熱元件(4)包含碳化矽、氮化硼、銅鎢合金或鑽石。
  9. 如申請專利範圍第1項至第8項中任一項所述之雷射二極體組件，其中，殼體蓋(14)係鋪設於該殼體部(10)上以及焊接至該殼體部(10)，以及該安裝部(11)沿著該延伸方向(110)由該殼體部(10)突出進入該殼體蓋(14)。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之雷射二極體組件，其中，該安裝部(11)至少在垂直於該延伸方向(110)之一側儘可能遠地突出該殼體蓋(14)。
  11. 如申請專利範圍第9項或第10項所述之雷射二極體組件，其中，該殼體部(10)及該殼體蓋(14)在垂直於該延伸方向(110)的平面中具有圓形橫截面，以及該安裝部(11)在垂直於該延伸方向(110)的平面中具有佔據面積大於半圓的橫截面。
  12. 如申請專利範圍第1項至第11項中任一項所述之雷射二極體組件，其中，該安裝部(11)具有尺寸沿著該殼體部(10)之方向遞增的橫截面。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之雷射二極體組件，其中，該安裝部(11)在平行於該延伸方向(110)的平面中具有楔形橫截面。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之雷射二極體組件，其中，該殼體部(10)在平行於該延伸方向(110)的平面中具有楔形橫截面。
  15. 如申請專利範圍第1項至第14項中任一項所述之雷射二極體組件，其中，該雷射二極體晶片(2)具有輻射耦出區(27)，在該輻射耦出區(27)上係鋪設晶體保護層(6)。
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