WO2013079346A1 - Halbleiterlaserdiode - Google Patents

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WO2013079346A1
WO2013079346A1 PCT/EP2012/073004 EP2012073004W WO2013079346A1 WO 2013079346 A1 WO2013079346 A1 WO 2013079346A1 EP 2012073004 W EP2012073004 W EP 2012073004W WO 2013079346 A1 WO2013079346 A1 WO 2013079346A1
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semiconductor
laser diode
semiconductor laser
width
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PCT/EP2012/073004
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Christian Lauer
Harald KÖNIG
Uwe Strauss
Alexander Bachmann
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Osram Opto Semiconductors Gmbh
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    • H01S5/2036—Broad area lasers
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    • H01S5/2054—Methods of obtaining the confinement

Definitions

  • a semiconductor laser diode is specified.
  • Semiconductor material are produced, which is epitaxially deposited on a substrate, to ensure sufficient heat dissipation to heat sinks or carriers
  • Coolant having.
  • the assembly is usually by means of soldering.
  • the loss heat sources in high-power laser diode chips of conventional design with asymmetrical mirror reflectivities and one or more emitter strips are not evenly distributed. Rather, the heat loss sources are in
  • the heat loss is by conduction from the chip over the soldering surface forming metallization and the solder to the heat sink
  • the thermal resistance of a laser diode chip is to be kept as low as possible, since important laser parameters can benefit from this in operation, such as high efficiency, low beam divergence, higher load capacity and higher reliability. Against this background, the meaningful to choose
  • Minimum size of the thermal bonding surface in about the range of expansion of the loss-heat generating region or is slightly larger due to heat spreading effects in the semiconductor material.
  • soldering interface usually has in
  • the individual semiconductor layers have a lateral direction perpendicular to the vertical growth direction
  • the semiconductor layer sequence has an active layer which generates laser radiation in operation in an active region.
  • the laser radiation is emitted during operation via a radiation decoupling surface, wherein the radiation decoupling surface is formed by a side surface of the semiconductor layer sequence and having an opposite back surface of the
  • Semiconductor layer sequence forms a resonator in the longitudinal direction.
  • the semiconductor laser diode described here is thus preferably a so-called edge-emitting
  • Semiconductor layer sequence is applied to a metallization layer, wherein the upper side of the semiconductor layer sequence is formed by a semiconductor cover layer.
  • the semiconductor capping layer is the one in vertical
  • a structured heat-dissipating layer is further applied.
  • the structured heat-dissipating layer has at least the metallization layer.
  • the active region of the semiconductor laser diode has a width of greater than or equal to 30 ⁇ m.
  • Such a semiconductor laser diode may also be referred to as so-called
  • Strip laser particularly preferred as so-called
  • the width of the active region can furthermore be less than or equal to 200 ⁇ and particularly preferably greater than or equal to 50 ⁇ and less than or equal to 150 ⁇ . In a preferred embodiment, the active region may have a width of about 100 ⁇ m. The width of the active region becomes, taking into account current spreading effects in the semiconductor layers in FIG.
  • This layer which is preferably strip-shaped, is referred to here as the current-supplying semiconductor layer
  • the semiconductor capping layer may be formed by the semiconductor capping layer and / or one or more underlying layers.
  • the resonator of the semiconductor layer sequence is a resonator with at least predominantly lateral gain control. In other words, outweighs the one described here
  • a semiconductor laser diode the lateral gain guide against a lateral index guide in the resonator, which could be achieved, for example, by a ridge structure near the active layer in the semiconductor layer disposed above the active layer.
  • the principles of lateral gain guidance and lateral indexing are known to those skilled in the art and therefore will not be further elaborated.
  • An example of a semiconductor laser which, in contrast to the semiconductor laser diode described here, has a predominantly lateral index guide, can be a trapezoidal ridge waveguide laser known to the person skilled in the art.
  • a resonator with predominantly lateral gain control will be referred to briefly as a resonator with lateral gain control.
  • Semiconductor laser diode extends in the longitudinal direction in each case to about 50 ym zoom to the radiation coupling-out and the back surface.
  • the thermal influence range is seen from the center of the active area by the distance from the center of the active.
  • Tmin denotes the global maximum and the global minimum of the temperature in the region between the lateral center of the active region and the lateral edge of the semiconductor layer sequence ,
  • Tmin denotes the global minimum of the temperature between two adjacent active regions.
  • Heating the semiconductor layer sequence outside the predefined thermal influence range for example, directly at the radiation output surface and the
  • the width of the thermal influence region depends on the width of the active region and thus on the width of the region in the active layer into which current is injected. Due to heat spreading effects in the
  • the thermal influence area is always wider than the active area.
  • the width of the thermal influence area is smaller than that
  • Width of active area plus about twice 50 ym. In other words, the thermal dominates
  • Influence area the active area in the lateral direction on both sides by less than 50 ym.
  • the metallization layer furthermore has a cumulative width in the region above the thermal influence region.
  • the cumulative width corresponds to the width of the metallization layer in the case of a metallization layer that is locally contiguous and unstructured in its width. Indicates the metallization layer in the lateral direction a structuring on a region, for example
  • the accumulated width denotes the sum of the widths of all sections in this area.
  • the ratio of the cumulative width of the semiconductor laser diode varies as a function of a distance to the radiation decoupling surface
  • the patterned heat-dissipating layer thus enables heat removal from the active region, which varies along a longitudinal and / or lateral direction.
  • Influence region in the longitudinal direction can thus be varied, the local thermal resistance for heat dissipation from the thermal influence range of the semiconductor layer sequence.
  • the local thermal resistance here and hereinafter denotes a quantity that is proportional to the quotient of the local temperature increase of the active region of the semiconductor laser diode and the local
  • the local thermal resistance thus provides a measure of how strongly a portion of the active region is affected by the operation of the
  • Heat dissipation through the structured heat conductive layer is and thus provides a measure in particular for the
  • structuring of the patterned heat dissipating layer and in particular of the metallization can be chosen so that in the thermal influence range of the local thermal resistance is adapted to the local power dissipation density and in areas where the local heat dissipation
  • Loss power density is lower than in other subranges, is higher.
  • That one layer or one element is arranged "on” or “above” another layer or element or is applied here and below may mean that the one layer or the one element is arranged directly in direct mechanical and / or electrical contact on the other layer or the other element. Furthermore, it can also mean that the one layer or the one element is arranged indirectly on or above the other layer or the other element. In this case, further layers and / or elements can then be arranged between the one and the other layer or between the one and the other element.
  • a layer or element is disposed "between" two other layers or elements may, here and in the following, mean that the one layer or element is directly in direct mechanical and / or electrical contact or in indirect contact with one of the other two Layers or elements and in direct mechanical and / or electrical contact or in
  • the semiconductor layer sequence has semiconductor layers which each extend along a main plane, wherein the main plane is spanned by the longitudinal and the lateral or transverse direction, respectively, while the semiconductor layer
  • Width for example, a semiconductor layer sequence, another layer or an area, the speech, so is the extension of the element concerned in lateral
  • length is meant an extension in the longitudinal direction, while thickness or height denotes an extension in the vertical direction.
  • semiconductor layer sequence in addition to the active layer further functional semiconductor layers, such as waveguide layers, cladding layers, buffer layers and / or semiconductor contact layers.
  • the semiconductor layer sequence can have, for example, a conventional pn junction, a double heterostructure or a single or multiple quantum well structure.
  • the quantum well structure may, for example, comprise quantum wells, quantum wires or quantum dots or combinations of these structures.
  • the semiconductor layer sequence may, for example, comprise one or more semiconductor layers of an arsenide, a phosphidic or a nitridic semiconductor material.
  • a semiconductor layer sequence based on In x Ga y Al x - y As for red radiation for example, a semiconductor layer sequence based on In x Ga y Al x - y P and short wavelength visible, in particular in the range of green to blue light, and / or for UV radiation
  • the substrate may be completely or partially removed after growth. Furthermore, on the semiconductor layer sequence for
  • the metallization layer which is in direct contact with the semiconductor cover layer, preferably forms such an electrode layer.
  • the semiconductor cover layer thus preferably forms a semiconductor contact layer, which may particularly preferably be highly doped, in particular with a dopant concentration of more than 1 ⁇ 10 18 cm -3 .
  • the semiconductor cover layer may have a thickness in the range of about 200 nm.
  • Transverse conductivity of the semiconductor cover layer may also have a greater or lesser thickness.
  • Semiconductor layer sequence can by another
  • Electrode be contacted.
  • a passivation layer at least in partial areas on the top of the
  • Semiconductor layer sequence may be arranged in such a way
  • the semiconductor cover layer can be structured and removed in partial areas.
  • the semiconductor cover layer can be structured and removed in partial areas.
  • the semiconductor layer sequence between the structured heat-dissipating layer and the active region can supply a current to the active region
  • Semiconductor layer have. The power feeding
  • Semiconductor layer may be patterned and an in
  • Radiation decoupling surface are smaller, so that the current-supplying layer has a trapezoidal structure.
  • the current-supplying layer may have a width which increases with increasing distance to
  • Radiation decoupling surface is larger at least in a subregion.
  • the width of the thermal influence range is also varied.
  • the current-supplying layer can be structured as described above and have or be formed by the semiconductor cover layer.
  • the structured current-supplying semiconductor layer it is also possible for the structured current-supplying semiconductor layer to be between the active
  • the structured current-supplying semiconductor layer comprises or is formed by them.
  • the structured current-supplying semiconductor layer may thus preferably form a strip in the longitudinal direction which is opposite from the radiation output surface to the radiation output surface
  • supplying semiconductor layer has a width which becomes smaller or larger with increasing distance to the radiation decoupling surface, at least in a partial area the width of the current injection and thus the width of the
  • Radiation decoupling surface can be varied.
  • the current density and thus also the local power dissipation density in the active layer near the radiation outcoupling surface can be smaller than at a greater distance from the radiation outcoupling surface. In this case, it may be possible with advantage, the
  • Radiation decoupling surface it may be possible to lower the occurring at conventional laser diodes increased temperature at the radiation decoupling surface.
  • Direction extending opening is formed in a top side passivation layer, narrower and in their form regardless of the width and / or structuring of the current supplying layer.
  • At least one semiconductor layer between the semiconductor cover layer and the active layer has an edge in the lateral direction, which is structured.
  • the edge in the lateral direction is thus the width of the semiconductor layer limiting
  • Semiconductor layer with the structured edge between the structured power supply semiconductor layer and the active layer may be arranged.
  • the edge may be, for example, jagged structured.
  • Structuring can increase the current and thus the
  • Extension of the active region in the active layer can be influenced in an advantageous manner.
  • Metallization layer one or more preferably a plurality of layers each of a metal or an alloy.
  • the metallization layer may have a vertical structure in the form of the plurality of layers
  • the total thickness of the metallization layer can be up to a few microns.
  • the metallization layer can be a layer sequence with the
  • the layers of the metallization layer can be chosen in particular for reasons of manufacturability, the mechanical adhesive force between the metal and the upper side of the semiconductor layer sequence and the electrical contact resistance of the metal-semiconductor junction.
  • the structured heat-dissipating layer is formed by the metallization layer.
  • Metallization layer by structuring in the lateral and / or longitudinal direction in the thermal
  • Influencing causes a local thermal resistance along a longitudinal and / or lateral direction, which varies.
  • the ratio of the cumulative width of the metallization layer decreases to the width of the thermal influence area with increasing distance to the radiation decoupling surface. This can be achieved that with increasing distance to
  • Influence range is lower, so that takes place at increasing distance from the radiation output surface less heat dissipation.
  • Influence range is lower, so that takes place at increasing distance from the radiation output surface less heat dissipation.
  • Subareas of the semiconductor layer sequence increases, so that temperature differences along the resonator direction
  • the metallization layer in dependence on a distance to the radiation decoupling a
  • the varying structuring and / or the varying width may preferably at least in one
  • Partial region different from a structuring and / or width of the arranged between the metallization and the active layer semiconductor layers of the
  • Be semiconductor layer sequence may mean that the metallization layer and the semiconductor layers arranged above the active layer, ie in particular, for example, the semiconductor cover layer, do not form a ridge waveguide structure with identical layer cross sections in the lateral and longitudinal directions, as is the case with known ridge waveguide lasers.
  • the metallization layer and the semiconductor layers arranged above the active layer ie in particular, for example, the semiconductor cover layer, do not form a ridge waveguide structure with identical layer cross sections in the lateral and longitudinal directions, as is the case with known ridge waveguide lasers.
  • the metallization layer and the semiconductor layers arranged above the active layer ie in particular, for example, the semiconductor cover layer
  • Metallization layer has a width that is consistent with
  • the metallization layer becomes narrower with a larger distance to the radiation decoupling surface.
  • the area by means of which the semiconductor laser diode can be arranged on an external support or an external heat sink, for example by soldering, increases with increasing distance from the surface
  • Heat dissipation through the metallization layer is thus with increasing distance to the radiation decoupling surface
  • near the radiation decoupling surface means that in particular the end of the metallization layer facing the radiation decoupling surface in the longitudinal direction is meant.
  • Near the back surface can the
  • openings which are arranged above the current-supplying layer in the vertical direction, wherein the openings with increasing distance to
  • Radiation decoupling surface can occupy a larger area. This may mean that as the distance to the radiation decoupling surface increases, the size, the number, the density or a combination of these gets bigger. As a result, the cumulative width of the metallization layer decreases with increasing distance to the radiation decoupling surface.
  • a material is arranged in the openings, which has a lower thermal conductivity than the metallization layer. Furthermore, it may also be possible that in the openings a material is arranged, which has a lower solderability than the
  • thermal resistance is achieved at the solder interface. It can thereby be achieved that in the region of the openings a lower thermal conductivity and thus a lower heat dissipation of the heat generated in the active region is made possible on a heat sink arranged on the metallization.
  • the material can for example by a
  • Plastic for example Benzocyclobuten (BCB)
  • BCB Benzocyclobuten
  • a non-solderable or poorly solderable material such as a poorly solderable metal, such as an oxidized metal is formed.
  • a metallization is produced without openings and the
  • Metallization is then oxidized in separate sub-areas, the area density of the oxidized
  • Radiation decoupling surface increases. According to a further embodiment, the
  • Metallization layer in the lateral direction on an edge which is structured like an island.
  • the edge in the lateral direction denotes the edge of the metallization layer, through the width of the metallization layer is determined and which runs along the longitudinal direction.
  • An edge with an island-like structuring may in particular mean that a central strip is arranged over the active region along the longitudinal direction and that
  • Metallization layer in the lateral direction next to the central strip has islands.
  • the islands may preferably have a lower areal density, that is to say have one or more properties selected from the size, the number and the density which increase with increasing lateral density
  • Metallization layer may particularly preferably be halftone-structured. Furthermore, it may also be possible for the edge to have openings in the lateral direction which increase with increasing lateral distance from the center of the
  • Metallization be seen from larger and / or increase in number and / or density.
  • Heat sink applied As an internal heat sink or
  • integrated heat sink is here and below referred to an area or a layer, or directly and preferably without soldered directly on the
  • the internal heat sink thus belongs in contrast to an external heat sink or a carrier on the
  • the semiconductor laser diode is soldered to the semiconductor laser diode and is preferably on a plurality of semiconductor laser diodes in the form of a wafer composite this applied, optionally structured and isolated with the wafer composite.
  • the internal heat sink can be achieved that the thermal resistance between the semiconductor layer sequence and an external heat sink is lower.
  • the internal heat sink can be one of
  • Heat sink in the lateral and longitudinal direction not structured and thus has a homogeneous thermal conductivity in the lateral and longitudinal direction.
  • the varying local thermal resistance in the longitudinal and / or lateral direction can thus be determined by the structured
  • integrated heat sink only reduces the overall thermal resistance of the semiconductor laser diode.
  • the structured heat-dissipating layer additionally has the internal heat sink on, wherein the internal heat sink structuring at least in the lateral and / or longitudinal direction
  • the internal heat sink may be part of the patterned heat dissipating layer.
  • the structuring of the internal heat sink can be any shape.
  • Thermal conductivity are formed, which are arranged in a structured manner in the lateral and / or longitudinal direction.
  • the internal heat sink can also be a
  • the integrated heat sink may comprise one or more metals, for example selected from Au, Ag, Cu and Ni, alloys, for example CuW, dielectrics,
  • an oxide or a nitride such as silicon oxide or silicon nitride
  • a polymer for example, BCB
  • a crystalline semiconductor such as A1N
  • an amorphous nitride such as silicon oxide or silicon nitride
  • BCB a polymer
  • a crystalline semiconductor such as A1N
  • an amorphous nitride such as silicon oxide or silicon nitride
  • a polymer for example, BCB
  • a crystalline semiconductor such as A1N
  • Heat sinks can, for example, by vapor deposition
  • the internal heat sink has at least two materials with very different
  • the internal heat sink can be a thickness of a few hundred nanometers, and preferably of 1 ⁇ or more. Particularly preferred is the internal
  • Heat sink when using metallic materials and a thickness of more than 2 ⁇ deposited by electrodeposition.
  • the internal heat sink can in the case of
  • electrically conductive materials serve as an electrical supply for the metallization. If electrically nonconductive materials for the internal heat sink are used, an electrical feed element is
  • the electrical parallel path has a low
  • the thickness of the integrated heat sink should depend on the thermal conductivity of the materials used
  • the minimum thickness should be 1 ⁇ , preferably at least 2 ⁇ and more preferably at least 5 ⁇ .
  • Semiconductors and thus a change in the properties of the semiconductor layer sequence for example in the case of copper, silver or gold, or by metallurgical reactions between different metals.
  • As an encapsulation for example, barriers of closed layers
  • encapsulation gold platinum or chromium, in the case of copper, for example, nickel as encapsulation.
  • a thin-layer encapsulation can be used to encapsulate a material to be encapsulated.
  • the layers of the thin-layer encapsulation generally have a thickness of less than or equal to a few 100 nm.
  • the thin layers for example, by means of a
  • Suitable materials for the layers of the encapsulation arrangement are, for example, aluminum oxide, zinc oxide, zirconium oxide, titanium oxide, hafnium oxide, lanthanum oxide, etc.
  • the encapsulation arrangement preferably has one
  • Layer sequence with a plurality of thin layers, each having a thickness between an atomic layer and 10 nm, the boundaries are included.
  • the internal heat sink is applied by means of electrodeposition. This may make it possible, metallic layers and / or areas at room temperature or at the later operating temperature of
  • Temperatures deposited by vapor deposition or sputtering may, after cooling to room temperature because of the different thermal expansion coefficients between the materials used, ie
  • a large tension can lead to impairments in performance, especially with regard to
  • Heat sink a region with a first material, which is arranged in the lateral direction between two further regions, each with a second material.
  • the second material may have a different and preferably a lower thermal conductivity than the first material
  • first and the second material may also be possible for the first and the second material to alternate in the vertical direction, for example that the second material in the vertical direction between regions of the first material is arranged.
  • Material may also have a wedge shape, wherein
  • the thickness of the second material increases with increasing lateral distance from a center of the internal heat sink.
  • the first material has a width which becomes smaller with increasing distance to the radiation decoupling surface.
  • the second material for example in the form of a variety of
  • a third material may be present, which has a different thermal conductivity from the first and the second material and which is at least partially arranged as described above for the first or the second material.
  • Heat sink in the longitudinal direction have a shorter length than the semiconductor layer sequence, so that in the area of the radiation decoupling surface and / or in the region of the
  • the semiconductor layer sequence may have a projection over the first material of the heat sink.
  • a second material for example, with a higher thermal conductivity than the first material can be arranged.
  • the second material may further be formed of a material having a high thermal conductivity which melts at a low temperature, in particular at a lower temperature than the first material.
  • the second material by a
  • Metal such as indium may be formed with a melting point of about 157 ° C or tin having a melting point of about 230 ° C.
  • the second material can be in the form of a depot be applied in the region of the supernatant.
  • the singulation can take place, for example, by breaking the wafer composite to produce laser facets.
  • a self-aligned throat of the second material can be formed from the depot by heating above the melting point of the second material so that the second material and the transition to the first material in the longitudinal direction reduce local area
  • the throat may be concave or convex, depending on the material, amount and dimensions available and process parameters.
  • the above described structuring of the heat-dissipating layer may in particular make it possible to achieve the local thermal resistance between the semiconductor layer sequence in the semiconductor laser diode described here and an external heat sink, whereby an inhomogeneity of the
  • Temperature distribution can be reduced within the semiconductor layer in the thermal influence range. This may allow the strength of a through
  • Metallizations ie the metallization layer or additionally also the internal heat sink, at the
  • Lot interfaces and further, for example, also by a highly conductive, lateral and longitudinal
  • Influence range the distributions of electric current and heat flow are influenced within certain limits independently, so that the temperature distribution in the semiconductor laser diode can be changed independently of electrical parameters and preferably can be homogenized. As described above, the two- or
  • Thermal conductivity contrast between structured and unstructured areas can be increased.
  • structuring the surface thermally connected to an external heat sink or an external support
  • the total thermal resistance of the semiconductor laser diode may increase as compared with a case without patterning, but also the strength of the thermal lens can be reduced.
  • Particularly advantageous may also be the monolithic integration of an internal heat sink described above, for example in the form of a thick metallization with high thermal conductivity, to the thermally poorly conductive
  • FIGS. 1A and 1B are a schematic sectional view and a schematic plan view of a laser diode
  • FIG. 1C shows the dependency of the lateral far-field angle on the coupled-out optical power in a laser diode according to FIGS. 1A and 1B,
  • Figures 2A and 2B are schematic sectional views of
  • FIGS. 3A to 3D schematic representations of plan views of semiconductor laser diodes according to further exemplary embodiments
  • Figures 4A and 4B are schematic representations of plan views of semiconductor laser diodes according to others
  • FIG. 5 to 7 are schematic representations of planets of
  • FIGS. 8 to 9C show schematic representations of plan views and sectional views of semiconductor laser diodes according to further exemplary embodiments
  • FIGS. 10A to 11 show schematic illustrations of FIG
  • identical, identical or identically acting elements can each be provided with the same reference numerals.
  • the illustrated elements and their proportions with each other are not to be regarded as true to scale, but individual elements, such as layers, components, components and areas, for better presentation and / or better understanding may be exaggerated.
  • Figs. 1A and 1B is a common one
  • FIG. 1A shows a sectional view
  • FIG. 1B shows a plan view.
  • the semiconductor layer sequence 2 has an active layer 23 with an active region 24 which is in operation
  • Rear surface 12 of the semiconductor layer sequence 2 form a resonator and are at least partially with a
  • VerLiteungs- or provided an antireflection coating may for example
  • High-power laser diode chip to act a conventional wide-strip laser diode chip with lateral gain guidance.
  • the arrangement direction of the semiconductor layers 21, 22, 23, 25 of the semiconductor layer sequence 2 characterizes here and in the following figures a vertical direction, while the laser resonator between the radiation outcoupling surface 11 and the radiation outcoupling surface 11 opposite
  • Rear side surface 12 extends in the longitudinal direction. Perpendicular to the longitudinal resonator direction in the
  • Main extension plane of the semiconductor layers 21, 22, 23, 25 is defined a lateral or transverse direction.
  • a semiconductor cover layer 25 Arranged above the active region 24 is a semiconductor cover layer 25, which forms the upper side 20 of the semiconductor layer sequence 2.
  • the semiconductor cover layer 25 is electrically contacted by a metallization layer 3, which is applied over a large area on the upper side of the semiconductor layer sequence 2.
  • a metallization layer 3 which is applied over a large area on the upper side of the semiconductor layer sequence 2.
  • Passivation layer 10 for example, from a
  • Dielectric such as an oxide or a nitride arranged.
  • Electrode layer for contacting the
  • Area 24 which thus also has a width of greater than or equal to 30 ym.
  • the laser diode chip shown in Figs. 1A and 1B is a so-called single emitter with a single active one
  • Area 24 is formed.
  • contacted areas of the semiconductor cap layer 25 may also be formed a so-called laser bar, wherein the metallization layer 3 is usually cut through between the individual active areas, so that the individual active areas of the laser bar can be electrically operated independently.
  • the course of the semiconductor cover layer 25 is indicated in FIG. 1B by the dotted line.
  • Semiconductor cap layer 25 also the course of the active
  • Laser diode chips according to the example of FIGS. 1A and 1B are usually provided with the metallization layer 3 on an external heat sink or a carrier with high
  • the metallization layer 3 serves as a soldering surface of the laser diode chip and allows a
  • the metallization layer 3 has, in particular for reasons of manufacturability, for example with regard to the mechanical adhesion between metal and semiconductor and the electrical contact resistance of the metal-semiconductor junction, usually a plurality of metallic layers or layers with alloys, for example Ti / Pt / Au or AuGe / Ni / Au, with total thickness up to a few microns.
  • alloys for example Ti / Pt / Au or AuGe / Ni / Au
  • Subdivided laser diode chip in the lateral and longitudinal direction at most for the separation of individual active areas in the case of a laser bar when it is necessary to operate individual active areas of the laser bar electrically separated from each other. Furthermore, it may also be possible for the metallization layer to be close to the
  • Radiation decoupling surface 11 or the back surface 12 is withdrawn from these, that is thinner than in the rest
  • Metallization layer 3 of the known laser diode chip the entire thermal influence region 29 uniform.
  • Loss heat sources in the semiconductor layer sequence 2 for example, due to asymmetric mirror reflectivities of the VerLiteonne or anti-reflective coatings of
  • Radiation decoupling surface 11 and the back surface 12 is not evenly distributed.
  • known laser diode chips usually have at
  • Radiation decoupling surface 11 at the active region 24 has a maximum temperature in the longitudinal, vertical and lateral directions with increasing distance to
  • Beam divergence of the laser is increased, as shown in Figure IC.
  • Figure IC the increase of the lateral
  • the laser diode chip of FIGS. 1A and 1B has a suitable structuring in order to counteract the development of such a thermal lens.
  • the local thermal resistance that is, essentially the quotient of the temperature increase of the active region of the semiconductor laser diode and the local
  • Power loss density suitably influenced in order to achieve the most homogeneous temperature profile in the lateral and longitudinal direction in the semiconductor layer sequence 2.
  • FIGS. 2A and 2B sectional views of two exemplary embodiments of semiconductor laser diodes are shown. Since the heat loss sources in the semiconductor layer sequence 2 lead laterally onto the active region 24, taking into account dissipation effects which lead to the formation of the thermal influence range defined above in the general part,
  • Metallization layer 3 whose width is chosen to be much lower, so that the metallization layer 3 is no longer over the entire width of the semiconductor layer sequence second and thus over the entire top 20 of the
  • Semiconductor layer sequence 2 extends.
  • the exemplary embodiments shown below are designed as a structured, current-supplying semiconductor layer which has a high dopant concentration of more than 10 ⁇ 18 cm -3 and thus a high transverse conductivity.
  • semiconductor cover layer 25 may be formed in the form of a single strip, which is contacted by metallization layer 3.
  • the semiconductor covering layer 25 may, for example, via a
  • Trenches are generated adjacent to the central strip to define the area of the semiconductor cap layer 25 to be contacted.
  • semiconductor laser diodes shown which may have a structure according to the embodiments of Figures 2A and 2B.
  • the semiconductor laser diodes according to the following embodiments have a structured heat-dissipating layer 4 on top of the
  • Metallization layer 3 has.
  • the patterned heat dissipating layer 4 allows heat dissipation from the active region 24 with a local thermal resistance that varies along a longitudinal and / or lateral direction.
  • heat dissipating layer 4 it may be possible to at least partially decouple or separate the electrical and thermal path in the semiconductor laser diodes shown, whereby the distributions of electric current and
  • the semiconductor layer sequence 2 has a structured current-supplying semiconductor layer 26, which is explained by way of example with reference to a structured semiconductor cover layer 25. Alternatively or in addition to this, too
  • the metallization layer 3 serves on the
  • the semiconductor laser diodes shown can be mounted on an external heat sink or an external support.
  • the structurings of the heat-dissipating layer 4 and optionally also of the current-supplying semiconductor layer 26, these have laterally, longitudinally and vertically different shapes, ie different geometries and / or layer thicknesses, in addition to those shown, at least in some or all three dimensions
  • Embodiments may also be constructed in several stages or from several different materials.
  • the embodiments shown below each have a metallization layer 3 with a cumulative width Bl whose ratio to the width B2 of the thermal influence region 29 as a function of the distance to
  • Radiation decoupling surface 11 varies.
  • FIGS. 3A to 3D show exemplary embodiments of FIG
  • the metallization layer 3 in this case has a cumulative width Bl which corresponds to the lateral width, which decreases as the distance to the radiation decoupling surface 3 increases.
  • thermal influence region 29 remains substantially the same in the longitudinal direction. This reduces that
  • the metallization layer 3 near the radiation decoupling surface 11 may have a width B1 which is greater than or equal to the width B2 of the
  • Metallization layer 3 are also reduced so far that it is even narrower than the thermal influence region 29 in the region of the rear side surface 12. Because of the high
  • FIG. 3C shows a further exemplary embodiment in which the metallization layer 3 has a width that corresponds to the width of the current-supplying semiconductor layer 26 in the area of the radiation coupling-out area 11 and that to
  • Rear side surface 12 is reduced toward.
  • FIG. 3D shows a further exemplary embodiment in which the metallization layer 3 has wedge-shaped recesses from the rear side surface 12, whereby the cumulative width Bl of the metallization layer 3 is also reduced with increasing distance to the radiation decoupling surface 11 in relation to the width B2 of the thermal influence region 29.
  • Radiation decoupling surface 11 in relation to the width B2 of the thermal influence region 29 is the solderable surface and thus also the thermal connection surface of the shown
  • Radiation decoupling layer 11 is reduced. As a result, in the area of the radiation decoupling surface 11, a larger one takes place
  • FIGS. 4A and 4B show further exemplary embodiments of semiconductor laser diodes in which the
  • the semiconductor cover layer 25 a radiation for decoupling surface 11 towards increasing width.
  • the resulting active region 24 thereby has a trapezoidal shape.
  • a thermal influence region 29 also forms, the width B2 of which decreases with increasing distance to the radiation coupling-out surface 11.
  • the metallization layer 3 has a width Bl, which also increases with increasing distance to
  • Radiation decoupling surface 11 decreases. Due to the described design of the current-supplying semiconductor layer 26 and the metallization layer 3, an adaptation of the
  • Metallization layer 3 has a constant cumulative width Bl between the radiation decoupling surface 11 and the
  • Embodiment of Figure 4B are combined to achieve an improvement in the homogenization of the temperature profile by a combination of the effects described.
  • Metallization layer material 3 has. As a result, an additional solder contact area can be made possible off the thermal influence area 29.
  • lateral direction has an edge which is structured.
  • a serrated shape is shown in FIG.
  • the current density profile in the active layer 23 can be additionally shaped.
  • thermal influence area 29 is not shown for the sake of clarity.
  • FIG. 8 shows a semiconductor laser diode according to a further exemplary embodiment, which represents a further development of the exemplary embodiment shown in FIG. 3B.
  • the current-supplying layer 26 is embodied purely by way of example with a constant width in the longitudinal direction from the radiation decoupling surface 11 to the rear side surface 12, while the metallization layer 3 is designed as
  • the metallization layer 3 has in the lateral direction next to the central strip island-like regions 30 with the material of the metallization layer 3, so that the metallization layer 3 in the lateral direction has an edge which is structured like an island.
  • this can be a halftone microstructuring of the metallization layer 3 for the targeted production of
  • Metallization layer 3 act, causing the local
  • Thermal resistance can be additionally structured.
  • the cumulative width of the metallization layer 3 decreases with increasing distance to the radiation decoupling surface 11.
  • the island-like structuring 30 can in lateral direction with respect to the size, the number and / or the density of the islands with increasing distance from the central
  • Stripes become smaller.
  • the height of the individual island-like region 30 may be in a size range of greater than or equal to 1 nm to less than or equal to 100 ⁇ .
  • FIGS. 9A to 9C show further exemplary embodiments of semiconductor laser diodes which, compared to the previous embodiments, have a metallization layer 3 formed as a structured heat dissipating layer 4, which has openings 31 whose size, number and / or density increase with increasing distance to
  • Radiation decoupling surface 11 occupy a larger area, which also the cumulative width of the
  • Radiation decoupling surface 11 decreases.
  • the openings 31 may increase in size with increasing distance to the
  • Metallization layer 3 a total of a flat
  • connection surface for a solder but in which no solder joint or voids come about in the region of the openings 31, which in these areas a small
  • FIG. 9B shows a sectional view in which, according to a further exemplary embodiment, a semiconductor laser diode is provided with the substrate 1, the semiconductor layer sequence 2 and a metallization layer 3 structured with openings 31 according to the previous exemplary embodiment by means of a
  • Lot Mrs 5 is disposed on an external heat sink 6.
  • the longitudinal resonator direction is perpendicular to the plane of the drawing.
  • the metallization layer 3 formed as a structured heat-dissipating layer results in particular in the lack of metallization in the
  • Openings 31 a patterning of the solder interface which, as shown in the embodiment shown by a
  • a metallization layer 3 with openings 31 filled with air or vacuum is advantageous.
  • a material 32 with the lowest possible thermal conductivity, which allows mechanical attachment ie
  • a plastic or a thermally poorly conductive metal oxide for example, a plastic or a thermally poorly conductive metal oxide.
  • the side facing away from the semiconductor layer sequence 2 of the internal heat sink 7 is used as a soldering surface for mounting the
  • the internal heat sink 7 may consist of a single layer of a material or of several layers. Furthermore, it is also possible for the internal heat sink 7 to have a lateral and / or longitudinal structuring, as shown in connection with the following exemplary embodiments.
  • the internal heat sink 7 can be, for example, one or more metals, alloys, dielectrics, polymers,
  • the internal heat sink 7 can be applied in particular by vapor deposition, sputtering, electroplating, deposition from a plasma, spin-coating or bonding. If necessary, one or more materials or layers of the internal heat sink, as described in the general part, may be encapsulated from the environment, for example, by a low-reactant metal or by a thin film encapsulation described above in the general section.
  • structured heat-dissipating layer 4 is formed.
  • the semiconductor layer sequence 2 and the metallization layer 3 may be implemented as in one of the previous embodiments.
  • the structuring of the internal heat sink 7 in two or three dimensions shown in the following embodiments enables an additional targeted influencing of the thermal conductivity in all three dimensions and thus a structuring of the local
  • thermal resistance In particular, they have the following shown internal heat sinks 7 different areas, which consist of different materials 71, 72, 73 with different thermal conductivities. Compared to conventional heat sinks, the
  • Ceramic materials for example, so-called DCB ("Direct Copper Bonded") of copper and aluminum nitride, and which are thus vertically structured, are the internal heat sinks shown here 7 lateral and / or longitudinal
  • the selected materials 71, 72, 73 are not only as in the known vertically structured
  • the first material 71 has, in the exemplary embodiment of FIG. 10A, as in the following exemplary embodiments of FIGS. 10B to 10H, a higher thermal conductivity than the second material 72, so that preferably heat in the vicinity of the active region can be dissipated.
  • Conductivity can be achieved.
  • the second material 72 has an additional structuring with a thickness increasing outward along the lateral direction, as a result of which the thermal conductivity in the lateral direction towards the outside can be continuously reduced.
  • the first material 71 has a width which increases with increasing distance to the semiconductor layer sequence 2, as a result of which
  • FIG. 10E shows a further exemplary embodiment of a semiconductor laser diode in which the first material 71 has a decreasing width as the distance to the radiation decoupling surface 11 increases, so that in the region of
  • Radiation decoupling surface 11 more heat can be dissipated than near the radiation decoupling surface 11th
  • the second material 72 is strip-shaped laterally adjacent to the active region of FIG. 10F.
  • the internal heat sink 7 has, in addition to the second material 72, a third material 73 which has a different thermal conduction coefficient than the first and second materials 71, 72, whereby the heat dissipation and the local heat dissipation
  • thermal resistance of the internal heat sink 7 is further adjustable. Alternatively or in addition to the shown
  • the second material 72 is arranged continuously in the longitudinal direction
  • the second material as shown in Figure 10H, also have a pointwise or areawise structuring.
  • the number, size and / or density of the regions with the second material 72 in the first material 71 may increase with increasing distance to the first material 71
  • Semiconductor laser diode having a structured as a heat dissipating layer 4 formed internal heat sink 7, which has a structured first material 71, which has a distance from the radiation decoupling surface 11 and the back surface 12, so that the
  • Semiconductor layer sequence 2 and the metallization layer 3 form a supernatant over the first material 71.
  • Supernatant may, for example, by a lithographic
  • Radiation coupling-out surface 11 and the rear side surface 12 is formed in the embodiment shown here, a throat with a good thermal conductivity second material 72 respectively in these areas, so that a self-adjusted thermal connection of the radiation coupling surface 11 and the back surface 12 can be made.
  • Such throats may be accomplished, for example, by depositing a deposit with the second material 72 adjacent the first material 71, the second material 72 being a low-temperature melting material having good thermal properties
  • Conductivity for example, a metal such as indium or tin, has or is from.
  • a depot is preferably before the generation of the radiation decoupling surface 11, for example by breaking, on the corresponding areas of a wafer composite of a plurality of still more connected
  • the throat may be concave or convex, depending on the material, amount present, dimensions and process parameters.
  • Heat sinks can also be combined with one another according to further exemplary embodiments, which are not explicitly shown, for combining the respective effects and advantages.

Landscapes

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Abstract

Es wird eine Halbleiterlaserdiode mit den folgenden Merkmalen angegeben : eine Halbleiterschichtenfolge (2) mit vertikal übereinander aufgebrachten Halbleiterschichten (21, 22, 23, 25, 26) mit einer aktiven Schicht (23), die einen aktiven Bereich (24) mit einer Breite von größer oder gleich 30 μm aufweist, der im Betrieb Laserstrahlung über eine Strahlungsauskoppelfläche (11) abstrahlt, wobei die Strahlungsauskoppelfläche (11) durch eine Seitenfläche der Halbleiterschichtenfolge (2) gebildet wird und mit einer gegenüberliegenden Rückseitenfläche (12) einen Resonator mit lateraler Gewinnführung in einer longitudinalen Richtung bildet und wobei die Halbleiterschichtenfolge (2) durch den Betrieb in einem thermischen Einflussbereich (29) erwärmt wird, eine Metallisierungsschicht (3) in direktem Kontakt mit einer Oberseite (20) der Halbleiterschichtenfolge (2), wobei die Oberseite (20) durch eine Halbleiterdeckschicht (25) gebildet wird, und eine strukturierte Wärme ableitende Schicht (4) auf der Oberseite (20) der Halbleiterschichtenfolge (2), wobei die strukturierte Wärme ableitende Schicht (4) zumindest die Metallisierungsschicht (3) aufweist, wobei die Metallisierungsschicht (3) eine kumulierte Breite (B1) aufweist und das Verhältnis der kumulierten Breite (B1) zu einer Breite (B2) des thermischen Einflussbereichs (29) in Abhängigkeit von einem Abstand zur Strahlungsauskoppelfläche (11) variiert, wobei die strukturierte Wärme ableitende Schicht (4) eine Wärmeableitung aus dem aktiven Bereich (24) ermöglicht, die entlang einer longitudinalen und/oder lateralen Richtung variiert.

Description

Beschreibung
Halbleiterlaserdiode Es wird eine Halbleiterlaserdiode angegeben.
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 10 2011 055 891.8, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Hochleistungslaserdiodenchips , die aus einem
Halbleitermaterial hergestellt sind, das epitaktisch auf einem Substrat abgeschieden wird, werden zur Sicherstellung ausreichender Wärmeabfuhr auf Wärmesenken oder Träger
montiert, die eine hohe thermische Leitfähigkeit und zum Teil auch eine aktive Kühlung, also einen Durchfluss eines
Kühlmittels, aufweisen. Die Montage erfolgt üblicherweise mittels Löten. Dazu weisen die Laserdiodenchips auf der
Montagefläche eine großflächige Metallisierung auf, die als Lötfläche dient.
Die Verlustwärmequellen in Hochleistungslaserdiodenchips üblicher Bauart mit asymmetrischen Spiegelreflektivitäten und einem oder mehreren Emitterstreifen sind nicht gleichmäßig verteilt. Vielmehr sind die Verlustwärmequellen in
Resonatorrichtung nahe der Auskoppelfacette am stärksten sowie in einer lateralen Richtung quer zur Resonatorrichtung im Halbleitermaterial auf die elektrisch kontaktierten
Emitterstreifen konzentriert. Die Verlustwärme wird durch Wärmeleitung aus dem Chip über die die Lötfläche bildende Metallisierung und über das Lot zur Wärmesenke
beziehungsweise dem Träger abgeführt. Dabei sind die Pfade von elektrischem Strom und Wärmestrom typischerweise nahezu identisch .
Hinsichtlich des Temperatur-Managements sind übliche
Hochleistungslaserdiodenchips zur möglichst großen
Wärmeableitung mit einer möglichst großen thermischen
Anbindungsfläche zwischen dem Halbleiterchip und der
Wärmesenke beziehungsweise dem Träger versehen, also mit einer möglichst großflächigen, die Lötfläche bildenden
Metallisierung. Dadurch soll der thermische Widerstand eines Laserdiodenchips möglichst gering gehalten werden, da wichtige Laserparameter davon im Betrieb profitieren können, etwa eine hohe Effizienz, eine geringe Strahldivergenz, eine höhere Belastbarkeit und eine höhere Zuverlässigkeit. Vor diesem Hintergrund entspricht die sinnvoll zu wählende
Mindestgröße der thermischen Anbindungsfläche in etwa dem Bereich der Ausdehnung der die Verlustwärme erzeugenden Region beziehungsweise ist wegen Wärmespreizungseffekten im Halbleitermaterial etwas größer.
Allerdings besitzt die Lötgrenzfläche üblicherweise im
Vergleich zum Wärmesenken- oder Trägermaterial einen großen thermischen Übergangswiderstand, wodurch sich in üblichen Laserdiodenchips ein Temperaturprofil ausbilden kann, das aufgrund der vorgenannten inhomogenen Verteilung der
Verlustwärme durch die Temperaturabhängigkeit von Brechzahl und optischem Gewinn eine thermische Linse erzeugt. Dies hat zur Folge, dass sich bei größeren Betriebsströmen
beziehungsweise Ausgangsleistungen die Strahldivergenz bekannter Laserdiodenchips vergrößert.
Mit der bekannten Vorgehensweise, das Halbleitermaterial möglichst großflächig an eine Wärmesenke beziehungsweise an einen Träger thermisch anzubinden, stößt man bei der
Optimierung einiger Laserparameter jedoch an eine Grenze, da zwar die absolute Höhe der Temperatur im Halbleitermaterial verringert werden kann, die grundsätzliche Inhomogenität der Temperaturverteilung aber erhalten bleibt. Methoden zur Unterdrückung der durch die Inhomogenität hervorgerufenen thermischen Linse sind bis auf die Optimierung der Effizienz des Lasers, die ohnehin üblicherweise betrieben wird, nicht bekannt .
Zumindest eine Aufgabe von bestimmten Ausführungsformen ist es, eine Halbleiterlaserdiode anzugeben, bei der eine
Inhomogenität in der Temperaturverteilung im Vergleich zu bekannten Laserdioden vermindert wird.
Diese Aufgabe wird durch einen Gegenstand gemäß dem
unabhängigen Patentanspruch gelöst. Vorteilhafte
Ausführungsformen und Weiterbildungen des Gegenstands sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet und gehen weiterhin aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen hervor .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist eine
Halbleiterlaserdiode eine Halbleiterschichtenfolge mit vertikal übereinander aufgebrachten Halbleiterschichten auf. Die einzelnen Halbleiterschichten weisen eine senkrecht zur vertikalen Aufwachsrichtung gerichtete laterale
beziehungsweise transversale sowie eine zur vertikalen
Richtung und zur lateralen Richtung senkrechte longitudinale Richtung auf. Insbesondere weist die Halbleiterschichtenfolge eine aktive Schicht auf, die in einem aktiven Bereich im Betrieb Laserstrahlung erzeugt. Die Laserstrahlung wird im Betrieb über eine Strahlungsauskoppelfläche abgestrahlt, wobei die Strahlungsauskoppelfläche durch eine Seitenfläche der Halbleiterschichtenfolge gebildet wird und mit einer gegenüberliegenden Rückseitenfläche der
Halbleiterschichtenfolge einen Resonator in longitudinaler Richtung bildet. Die hier beschriebene Halbleiterlaserdiode ist somit bevorzugt eine so genannte kantenemittierende
Halbleiterlaserdiode .
Im direkten Kontakt mit einer Oberseite der
Halbleiterschichtenfolge ist eine Metallisierungsschicht aufgebracht, wobei die Oberseite der Halbleiterschichtenfolge durch eine Halbleiterdeckschicht gebildet wird. Mit anderen Worten ist die Halbleiterdeckschicht die in vertikaler
Richtung oberste Halbleiterschicht der
Halbleiterschichtenfolge.
Auf der Oberseite der Halbleiterschichtenfolge ist weiterhin eine strukturierte Wärme ableitende Schicht aufgebracht. Die strukturierte Wärme ableitende Schicht weist zumindest die Metallisierungsschicht auf.
Weiterhin weist der aktive Bereich der Halbleiterlaserdiode eine Breite von größer oder gleich 30 μιη auf. Eine solche Halbleiterlaserdiode kann auch als so genannter
Streifenlaser, insbesondere bevorzugt als so genannter
Breitstreifenlaser, bezeichnet werden. Die Breite des aktiven Bereichs kann weiterhin kleiner oder gleich 200 μιη sein und besonders bevorzugt größer oder gleich 50 μιη und kleiner oder gleich 150 μιη. In einer bevorzugten Ausführungsform kann der aktive Bereich eine Breite von etwa 100 μιη aufweisen. Die Breite des aktiven Bereichs wird unter Berücksichtung von StromaufWeitungseffekten in den Halbleiterschichten im
Wesentlichen durch die Breite einer die laterale Stromaufweitung definierenden Halbleiterschicht bestimmt. Diese Schicht, die bevorzugt streifenförmig ausgebildet ist, wird hier als die Strom zuführende Halbleiterschicht
bezeichnet und kann durch die Halbleiterdeckschicht und/oder eine oder mehrere darunter liegende Schichten gebildet sein.
Der Resonator der Halbleiterschichtenfolge ist ein Resonator mit zumindest überwiegend lateraler Gewinnführung. Mit anderen Worten überwiegt bei der hier beschriebenen
Halbleiterlaserdiode die laterale Gewinnführung gegenüber einer lateralen Indexführung im Resonator, die beispielsweise durch eine Stegstruktur nahe der aktiven Schicht in den über der aktiven Schicht angeordneten Halbleiterschichten erreicht werden könnte. Die Prinzipien der lateralen Gewinnführung und der lateralen Indexführung sind dem Fachmann bekannt und werden daher nicht weiter ausgeführt. Ein Beispiel für einen Halbleiterlaser, der im Gegensatz zur hier beschriebenen Halbleiterlaserdiode eine überwiegend laterale Indexführung aufweist, kann ein dem Fachmann bekannter trapezförmiger Stegwellenleiterlaser sein. Im Folgenden wird ein Resonator mit überwiegend lateraler Gewinnführung kurz als Resonator mit lateraler Gewinnführung bezeichnet.
Durch den Betrieb der Halbleiterlaserdiode wird die
Halbleiterschichtenfolge bei der Erzeugung der
Lasserstrahlung in einem Bereich erwärmt, der hier und im Folgenden als thermischer Einflussbereich bezeichnet wird. Der thermische Einflussbereich der hier beschriebenen
Halbleiterlaserdiode reicht dabei in longitudinaler Richtung jeweils bis etwa 50 ym an die Strahlungsauskoppelfläche und die Rückseitenfläche heran. In lateraler Richtung wird der thermische Einflussbereich vom Zentrum des aktiven Bereichs aus gesehen durch den Abstand vom Zentrum des aktiven Bereichs definiert, bei dem die Temperatur auf einen Wert Tmin+ (Tmax-Tmin) /10 abgefallen ist, wobei Tmax und Tmin das globale Maximum und das globale Minimum der Temperatur im Bereich zwischen der lateralen Mitte des aktiven Bereichs und dem lateralen Rand der Halbleiterschichtenfolge bezeichnet. Im Falle einer Halbleiterlaserdiode mit einer Mehrzahl von aktiven Bereichen, die in lateraler Richtung nebeneinander angeordnet sind, bezeichnet Tmin das globale Minimum der Temperatur zwischen zwei benachbarten aktiven Bereichen.
Erwärmungen der Halbleiterschichtenfolge außerhalb des vorab definierten thermischen Einflussbereichs, beispielsweise unmittelbar an der Strahlungsauskoppelfläche und der
Rückseitenfläche, werden im Folgenden nicht beachtet.
Die Breite des thermischen Einflussbereichs hängt von der Breite des aktiven Bereichs ab und somit von der Breite des Bereichs in der aktiven Schicht, in den Strom injiziert wird. Aufgrund von Wärmespreizungseffekten in der
Halbleiterschichtenfolge ist der thermische Einflussbereich stets breiter als der aktive Bereich. Typischerweise ist die Breite des thermischen Einflussbereichs kleiner als die
Breite des aktiven Bereichs plus etwa dem Zweifachen von 50 ym. Mit anderen Worten überragt der thermische
Einflussbereich den aktiven Bereich in lateraler Richtung auf beiden Seiten jeweils um weniger als 50 ym.
Die Metallisierungsschicht weist weiterhin eine kumulierte Breite im Bereich oberhalb des thermischen Einflussbereichs auf. Die kumulierte Breite entspricht dabei bei einer in ihrer Breite lokal zusammenhängenden und unstrukturierten Metallisierungsschicht der Breite der Metallisierungsschicht. Weist die Metallisierungsschicht in lateraler Richtung in einem Bereich eine Strukturierung auf, beispielsweise
Öffnungen, einen halbtonartig strukturierten Rand oder keilförmige Aussparungen wie weiter unten beschrieben sind, so bezeichnet die kumulierte Breite die Summe der Breiten aller Teilstücke in diesem Bereich.
Bei der hier beschriebenen Halbleiterlaserdiode variiert in Abhängigkeit von einem Abstand zur Strahlungsauskoppelfläche das Verhältnis der kumulierten Breite der
Metallisierungsschicht zur Breite des thermischen
Einflussbereichs, wobei die kumulierte Breite und die Breite des thermischen Einflussbereichs für das Verhältnis bei gleichem Abstand zur Strahlungsauskoppelfläche zu nehmen sind. Die strukturierte Wärme ableitende Schicht ermöglicht so eine Wärmeableitung aus dem aktiven Bereich, die entlang einer longitudinalen und/oder lateralen Richtung variiert.
Durch das variierende Verhältnis der kumulierten Breite der Metallisierungsschicht und der Breite des thermischen
Einflussbereichs in longitudinaler Richtung kann somit der lokale thermische Widerstand zur Wärmeableitung aus dem thermischen Einflussbereich der Halbleiterschichtenfolge variiert werden. Der lokale thermische Widerstand bezeichnet hierbei und im Folgenden eine Größe, die proportional zum Quotienten aus der lokalen Temperaturerhöhung des aktiven Bereichs der Halbleiterlaserdiode und der lokalen
Verlustleistungsdichte, die beim Betrieb der
Halbleiterlaserdiode entsteht, ist. Der lokale thermische Widerstand stellt somit ein Maß dafür da, wie stark sich ein Teilbereich des aktiven Bereichs durch den Betrieb der
Halbleiterlaserdiode aufgrund der Stromeinprägung in den aktiven Bereich und der dadurch hervorgerufenen lokalen Verlustleistungsdichte erwärmt. Je höher der lokale thermische Widerstand ist, desto höher fällt die lokale
Temperaturerhöhung bei einer bestimmten lokalen
Verlustleistungsdichte aus und umgekehrt. Der lokale
thermische Widerstand ist umso niedriger, je größer die
Wärmeableitung durch die strukturierte Wärme leitende Schicht ist und stellt somit auch ein Maß insbesondere für die
Wärmeableitung dieser dar, da der lokale thermische
Widerstand und damit die lokale Temperaturerhöhung bei einer lokalen Verlustleistungsdichte umso geringer ist, je größer die entsprechende lokale Wärmeableitung durch die
strukturierte Wärme ableitende Schicht ist.
Bei einer großflächigen thermischen Anbindung durch eine unstrukturierte Wärme ableitende Schicht, wie dies bei bekannten Laserdiodenchips der Fall ist, ist der lokale thermische Widerstand für die Wärmeableitung überall
zumindest im Wesentlichen homogen, so dass an Stellen mit höherer lokalen Verlustleistungsdichte eine höhere
Temperaturerhöhung hervorgerufen wird als an Stellen mit einer niedrigeren Verlustleistungsdichte, was zur oben beschriebenen inhomogenen Temperaturverteilung insbesondere im thermischen Einflussbereich führt. Bei der hier
beschriebenen Halbleiterlaserdiode kann die Strukturierung der strukturierten Wärme ableitenden Schicht und insbesondere der Metallisierungsschicht mit Vorteil so gewählt werden, dass im thermischen Einflussbereich der lokale thermische Widerstand an die lokale Verlustleistungsdichte angepasst ist und in Teilbereichen, in denen die lokale
Verlustleistungsdichte niedriger als in anderen Teilbereichen ist, höher ist.
Dass eine Schicht oder ein Element „auf" oder „über" einer anderen Schicht oder einem anderen Element angeordnet oder aufgebracht ist, kann hier und im Folgenden bedeuten, dass die eine Schicht oder das eine Element unmittelbar in direktem mechanischem und/oder elektrischem Kontakt auf der anderen Schicht oder dem anderen Element angeordnet ist. Weiterhin kann es auch bedeuten, dass die eine Schicht oder das eine Element mittelbar auf beziehungsweise über der anderen Schicht oder dem anderen Element angeordnet ist. Dabei können dann weitere Schichten und/oder Elemente zwischen der einen und der anderen Schicht beziehungsweise zwischen dem einen und dem anderen Element angeordnet sein.
Dass eine Schicht oder ein Element „zwischen" zwei anderen Schichten oder Elementen angeordnet ist, kann hier und im Folgenden bedeuten, dass die eine Schicht oder das eine Element unmittelbar in direktem mechanischem und/oder elektrischem Kontakt oder in mittelbarem Kontakt zur einen der zwei anderen Schichten oder Elemente und in direktem mechanischen und/oder elektrischen Kontakt oder in
mittelbarem Kontakt zur anderen der zwei anderen Schichten oder Elemente angeordnet ist. Dabei können bei einem
mittelbaren Kontakt dann weitere Schichten und/oder Elemente zwischen der einen und zumindest einer der zwei anderen Schichten beziehungsweise zwischen dem einen und zumindest einem der zwei anderen Elementen angeordnet sein.
Die Halbleiterschichtenfolge weist entsprechend der obigen Ausführungen Halbleiterschichten auf, die sich jeweils entlang einer Hauptebene erstrecken, wobei die Hauptebene durch die longitudinale und die laterale beziehungsweise transversale Richtung aufgespannt werden, während die
Anordnungsrichtung beziehungsweise die Aufwachsrichtung der Halbleiterschichtenfolge die vertikale Richtung der
Halbleiterlaserdiode definiert. Ist im Folgenden von einer Breite, beispielsweise einer Halbleiterschichtenfolge, einer anderen Schicht oder eines Bereichs, die Rede, so ist damit die Ausdehnung des betreffenden Elements in lateraler
beziehungsweise transversaler Richtung gemeint. Mit Länge ist eine Ausdehnung in longitudinaler Richtung bezeichnet, während mit Dicke oder Höhe eine Ausdehnung in vertikaler Richtung bezeichnet ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die
Halbleiterschichtenfolge zusätzlich zur aktiven Schicht weitere funktionelle Halbleiterschichten, beispielsweise Wellenleiterschichten, Mantelschichten, Pufferschichten und/oder Halbleiterkontaktschichten auf. Als aktiven Bereich kann die Halbleiterschichtenfolge beispielsweise einen herkömmlichen pn-Übergang, eine Doppelheterostruktur oder eine Einfach- oder Mehrfach-Quantentopfstruktur aufweisen. Die Quantentopfstruktur kann beispielsweise Quantentröge, Quantendrähte oder Quantenpunkte oder Kombinationen dieser Strukturen aufweisen.
Die Halbleiterschichtenfolge kann beispielsweise eine oder mehrere Halbleiterschichten aus einem arsenidischen, einem phosphidischen oder einem nitridischen Halbleitermaterial aufweisen. Für eine langwellige, infrarote bis rote Strahlung ist beispielsweise eine Halbleiterschichtenfolge auf Basis von InxGayAli-x-yAs , für rote Strahlung beispielsweise eine Halbleiterschichtenfolge auf Basis von InxGayAli-x-yP und für kurzwellige sichtbare, also insbesondere im Bereich von grünem bis blauem Licht, und/oder für UV-Strahlung
beispielsweise eine Halbleiterschichtenfolge auf Basis von
InxGayAli_x_yN geeignet, wobei jeweils 0 -S x -S 1 und 0 -S y -S 1 gilt . Die Halbleiterschichten der Halbleiterschichtenfolge sind bevorzugt auf einem Substrat aufgewachsen, sodass die
Halbleiterschichtenfolge auf der dem Substrat abgewandten Seite mit der Halbleiterdeckschicht abschließt. Das Substrat kann nach dem Aufwachsen ganz oder teilweise entfernt sein. Weiterhin sind auf der Halbleiterschichtenfolge zur
Kontaktierung der Halbleiterschichten Elektrodenschichten vorhanden. Bevorzugt bildet die Metallisierungsschicht, die in direktem Kontakt mit der Halbleiterdeckschicht steht, eine solche Elektrodenschicht. Die Halbleiterdeckschicht bildet somit bevorzugt eine Halbleiterkontaktschicht, die besonders bevorzugt hoch dotiert sein kann, insbesondere mit einer Dotierstoffkonzentration von mehr als lxlO18 cm-3.
Üblicherweise kann die Halbleiterdeckschicht dazu eine Dicke im Bereich von etwa 200 nm aufweisen. Je nach
Querleitfähigkeit der Halbleiterdeckschicht kann diese auch eine größere oder kleinere Dicke aufweisen. Die der
Metallisierungsschicht abgewandte Seite der
Halbleiterschichtenfolge kann durch eine weitere
Elektrodenschicht kontaktiert sein.
Weiterhin kann beispielsweise eine Passivierungsschicht zumindest in Teilbereichen auf der Oberseite der
Halbleiterschichtenfolge angeordnet sein, die derart
strukturiert ist, dass die Metallisierungsschicht die
Oberseite der Halbleiterschichtenfolge nur in einem
Teilbereich, insbesondere im Bereich der
Halbleiterdeckschicht, direkt kontaktieren kann. Die
Halbleiterdeckschicht kann beispielsweise strukturiert und in Teilbereichen entfernt sein. In diesem Fall wird die
Oberseite der Halbleiterschichtenfolge in den Bereichen, in denen die Halbleiterdeckschicht entfernt ist, durch die darunter liegenden freigelegte Halbleiterschicht gebildet. Weiterhin kann die Halbleiterschichtenfolge zwischen der strukturierten Wärme ableitenden Schicht und dem aktiven Bereich eine dem aktiven Bereich Strom zuführende
Halbleiterschicht aufweisen. Die Strom zuführende
Halbleiterschicht kann strukturiert sein und eine in
longitudinaler Richtung variierende laterale Breite
aufweisen. Beispielsweise kann die Breite der Strom
zuführenden Schicht mit steigendem Abstand zur
Strahlungsauskoppelfläche kleiner werden, so dass die Strom zuführende Schicht eine trapezartige Struktur aufweist.
Alternativ dazu kann die Strom zuführende Schicht eine Breite aufweisen, die mit größer werdendem Abstand zur
Strahlungsauskoppelfläche zumindest in einem Teilbereich größer wird. Durch die Variation der Breite der Strom
zuführenden Schicht wird auch die Breite des thermischen Einflussbereichs variiert.
Beispielsweise kann die Strom zuführende Schicht wie vorab beschrieben strukturiert sein und die Halbleiterdeckschicht aufweisen oder durch diese gebildet sein. Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, dass die strukturierte Strom zuführende Halbleiterschicht eine zwischen der aktiven
Schicht und der Halbleiterdeckschicht angeordnete
Halbleiterschicht aufweist oder durch diese gebildet wird. Die strukturierte Strom zuführende Halbleiterschicht kann somit bevorzugt einen Streifen in longitudinaler Richtung bilden, der sich von der Strahlungsauskoppelfläche bis zur der Strahlungsauskoppelfläche gegenüberliegenden
Rückseitenfläche erstreckt. Im Fall, dass die Strom
zuführende Halbleiterschicht eine Breite aufweist, die mit größer werdendem Abstand zur Strahlungsauskoppelfläche zumindest in einem Teilbereich kleiner oder größer wird, kann die Breite der Strominjektion und damit die Breite des
Bereichs, in dem eine lokale Verlustleistungsdichte erzeugt wird, in Abhängigkeit vom Abstand zur
Strahlungsauskoppelfläche variiert werden. Insbesondere kann im Falle einer zur Strahlungsauskoppelfläche hin schmäler werdenden Strom zuführenden Schicht die Stromdichte und damit auch die lokale Verlustleistungsdichte in der aktiven Schicht nahe der Strahlungsauskoppelfläche kleiner als in einem größeren Abstand zur Strahlungsauskoppelfläche sein. In diesem Fall kann es mit Vorteil möglich sein, die
Temperaturverteilung insbesondere im aktiven Bereich sowie in den umliegenden Halbleiterschichten zu beeinflussen. Durch die Verringerung der Stromdichte nahe der
Strahlungsauskoppelfläche kann es möglich sein, die bei üblichen Laserdioden auftretende erhöhte Temperatur an der Strahlungsauskoppelfläche abzusenken .
Weiterhin kann beispielsweise die Kontaktfläche zwischen der Metallisierung und der Oberseite der
Halbleiterschichtenfolge, die durch eine in longitudinaler
Richtung verlaufende Öffnung in einer oberseitig angeordneten Passivierungsschicht gebildet wird, schmäler und in ihrer Form unabhängig von der Breite und/oder der Strukturierung der Strom zuführenden Schicht sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist zumindest eine Halbleiterschicht zwischen der Halbleiterdeckschicht und der aktiven Schicht in lateraler Richtung einen Rand auf, der strukturiert ist. Der Rand in lateraler Richtung ist somit der die Breite der Halbleiterschicht begrenzende
beziehungsweise definierende Rand, der entlang der
longitudinalen Richtung verläuft. Insbesondere kann die
Halbleiterschicht mit dem strukturierten Rand zwischen der strukturierten Strom zuführenden Halbleiterschicht und der aktiven Schicht angeordnet sein. Der Rand kann beispielsweise zackenförmig strukturiert sein. Durch eine derartige
Strukturierung kann die Stromaufweitung und damit die
Ausdehnung des aktiven Bereichs in der aktiven Schicht auf vorteilhafte Weise beeinflusst werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die
Metallisierungsschicht eine oder besonders bevorzugt eine Mehrzahl von Schichten jeweils aus einem Metall oder einer Legierung auf. Somit kann die Metallisierungsschicht eine vertikale Struktur in Form der Mehrzahl von Schichten
aufweisen. Die gesamte Dicke der Metallisierungsschicht kann bis zu einigen Mikrometern betragen. Beispielsweise kann die Metallisierungsschicht eine Schichtenfolge mit den
Materialien Ti/Pt/Au oder AuGe/Ni/Au aufweisen. Die Schichten der Metallisierungsschicht können insbesondere aus Gründen der Fertigbarkeit , der mechanischen Haftkraft zwischen dem Metall und der Oberseite der Halbleiterschichtenfolge sowie des elektrischen Kontaktwiderstands des Metall-Halbleiter- Übergangs gewählt sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die strukturierte Wärme ableitende Schicht durch die Metallisierungsschicht gebildet. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass die
Metallisierungsschicht durch eine Strukturierung in lateraler und/oder longitudinaler Richtung im thermischen
Einflussbereich einen lokalen thermischen Widerstand entlang einer longitudinalen und/oder lateralen Richtung bewirkt, der variiert.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform verringert sich das Verhältnis der kumulierten Breite der Metallisierungsschicht zur Breite des thermischen Einflussbereichs mit steigendem Abstand zur Strahlungsauskoppelfläche. Dadurch kann erreicht werden, dass mit steigendem Abstand zur
Strahlungsauskoppelfläche die durch die
Metallisierungsschicht gebildete Anbindungsfläche der
Halbleiterschichtenfolge im Verhältnis zum thermischen
Einflussbereich geringer wird, so dass im steigendem Abstand zur Strahlungsauskoppelfläche eine geringere Wärmeableitung stattfindet. Im Vergleich zur bekannt großflächigen und unstrukturierten Anbindung durch eine großflächige und unstrukturierte Metallisierung wird dadurch die Temperatur mit geringer werdendem Abstand zur Rückseitenfläche in
Teilbereichen der Halbleiterschichtenfolge erhöht, so dass Temperaturunterschiede entlang der Resonatorrichtung
verringert werden können.
Insbesondere kann die Metallisierungsschicht in Abhängigkeit von einem Abstand zur Strahlungsauskoppelfläche eine
variierende Strukturierung und/oder eine variierende Breite aufweisen. Die variierende Strukturierung und/oder die variierende Breite kann bevorzugt zumindest in einem
Teilbereich unterschiedlich zu einer Strukturierung und/oder Breite der zwischen der Metallisierungsschicht und der aktiven Schicht angeordneten Halbleiterschichten der
Halbleiterschichtenfolge sein. Insbesondere kann dies bedeuten, dass die Metallisierungsschicht und die über der aktiven Schicht angeordneten Halbleiterschichten, also insbesondere beispielsweise die Halbleiterdeckschicht, keine Stegwellenleiterstruktur mit gleichen Schichtquerschnitten in lateraler und longitudinaler Richtung bilden, wie dies bei bekannten Stegwellenleiterlasern der Fall ist. Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die
Metallisierungsschicht eine Breite auf, die sich mit
steigendem Abstand zur Strahlungsauskoppelfläche verringert. Mit anderen Worten wird die Metallisierungsschicht mit größerem Abstand zur Strahlungsauskoppelfläche schmäler.
Dadurch kann wie bereits vorab erläutert die Fläche, mittels derer die Halbleiterlaserdiode auf einem externen Träger oder einer externen Wärmesenke, beispielsweise durch Löten, angeordnet werden kann, mit steigendem Abstand zur
Strahlungsauskoppelfläche verringert werden. Die
Wärmeableitung durch die Metallisierungsschicht wird somit mit steigendem Abstand zur Strahlungsauskoppelfläche
geringer, wodurch der lokale thermische Widerstand
entsprechend steigt. Beispielsweise kann die
Metallisierungsschicht nahe der Strahlungsauskoppelfläche breiter als die Strom zuführende Halbleiterschicht und insbesondere breiter als der thermische Einflussbereich sein. Nahe der Strahlungsauskoppelfläche bedeutet dabei, dass insbesondere das der Strahlungsauskoppelfläche zugewandte Ende der Metallisierungsschicht in longitudinaler Richtung gemeint ist. Nahe der Rückseitenfläche kann die
Metallisierungsschicht schmäler als der thermische
Einflussbereich und weiterhin auch schmäler als die Strom zuführende Halbleiterschicht sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die
Metallisierungsschicht Öffnungen auf, insbesondere
beispielsweise Öffnungen, die über der Strom zuführenden Schicht in vertikaler Richtung angeordnet sind, wobei die Öffnungen mit steigendem Abstand zur
Strahlungsauskoppelfläche einen größeren Flächenanteil einnehmen können. Das kann bedeuten, dass mit steigendem Abstand zur Strahlungsauskoppelfläche die Größe, die Anzahl, die Dichte oder eine Kombination dieser größer wird. Dadurch wird die kumulierte Breite der Metallisierungsschicht mit steigendem Abstand zur Strahlungsauskoppelfläche geringer. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist in den Öffnungen ein Material angeordnet, das eine geringere Wärmeleitfähigkeit als die Metallisierungsschicht aufweist. Weiterhin kann es auch möglich sein, dass in den Öffnungen ein Material angeordnet ist, das eine geringere Lötbarkeit als die
Metallisierungsschicht aufweist. Eine geringere Lötbarkeit kann dabei insbesondere bedeuten, dass ein höherer
thermischer Widerstand an der Lötgrenzfläche erzielt wird. Dadurch kann erreicht werden, dass im Bereich der Öffnungen eine geringere Wärmeleitfähigkeit und damit eine geringere Wärmeableitung der im aktiven Bereich erzeugten Wärme an eine auf der Metallisierung angeordnete Wärmesenke ermöglicht wird. Das Material kann beispielsweise durch einen
Kunststoff, beispielsweise Benzocyclobuten (BCB) , durch Luft oder auch durch Vakuum gebildet werden. Weiterhin ist es auch möglich, dass das Material in den Öffnungen durch ein nicht lötbares oder schlecht lötbares Material, beispielsweise ein schlecht lötbares Metall, etwa ein oxidiertes Metall, gebildet wird. Dabei kann es auch möglich sein, dass die Metallisierung ohne Öffnungen hergestellt wird und die
Metallisierung danach in voneinander getrennten Teilbereichen oxidiert wird, wobei die Flächendichte der oxidierten
Teilbereiche mit steigendem Abstand zur
Strahlungsauskoppelfläche zunimmt . Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die
Metallisierungsschicht in lateraler Richtung einen Rand auf, der inselartig strukturiert ist. Dabei bezeichnet der Rand in lateraler Richtung den Rand der Metallisierungsschicht, durch den die Breite der Metallisierungsschicht bestimmt ist und der entlang der longitudinalen Richtung verläuft. Ein Rand mit inselartiger Strukturierung kann insbesondere bedeuten, dass über dem aktiven Bereich ein zentraler Streifen entlang der longitudinalen Richtung angeordnet ist und die
Metallisierungsschicht in lateraler Richtung neben dem zentralen Streifen Inseln aufweist. Mit steigendem lateralen Abstand zum zentralen Streifen können die Inseln bevorzugt eine geringere Flächendichte aufweisen, also eine oder mehrere Eigenschaften aufweisen, ausgewählt aus der Größe, der Anzahl und der Dichte, die mit steigendem lateralen
Abstand zum zentralen Streifen kleiner werden. Der
strukturierte Rand in laterale Richtung der
Metallisierungsschicht kann besonders bevorzugt halbtonartig strukturiert sein. Weiterhin kann es auch möglich sein, dass der Rand in lateraler Richtung Öffnungen aufweist, die mit steigendem lateralem Abstand von der Mitte der
Metallisierungsschicht aus gesehen größer werden und/oder an Anzahl und/oder Dichte zunehmen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist auf der
Metallisierungsschicht in direktem Kontakt eine interne
Wärmesenke aufgebracht. Als interne Wärmesenke oder
integrierte Wärmesenke wird hier und im Folgenden ein Bereich oder eine Schicht bezeichnet, der beziehungsweise die direkt und bevorzugt ohne Lotverbindung unmittelbar auf der
Metallisierungsschicht aufgebracht ist und zumindest in einem Teilbereich eine bevorzugt hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist. Die interne Wärmesenke gehört damit im Gegensatz zu einer externen Wärmesenke oder einem Träger, auf die
beziehungsweise den die Halbleiterlaserdiode aufgelötet wird, zur Halbleiterlaserdiode und wird bevorzugt auf eine Vielzahl von Halbleiterlaserdioden in Form eines Waferverbunds auf diese aufgebracht, gegebenenfalls strukturiert und mit dem Waferverbund vereinzelt. Durch die interne Wärmesenke kann erreicht werden, dass der thermische Widerstand zwischen der Halbleiterschichtenfolge und einer externen Wärmesenke geringer wird. Denn die hinsichtlich der Wärmeableitung kritische Grenzfläche, die durch die Lötfläche zwischen der Halbleiterlaserdiode und einer externen Wärmesenke oder einem externen Träger mit üblicherweise sehr hohen thermischen Kontaktwiderständen gebildet wird, kann weiter von der
Halbleiterschichtenfolge und damit weiter vom aktiven Bereich entfernt angeordnet werden. Durch die hohe thermische
Querleitfähigkeit wird der Wärmepfad in der durch die interne Wärmesenke zusätzlich gewonnenen Schichtdicke innerhalb der internen Wärmesenke vor der Lotgrenzfläche effektiv
aufgespreizt und so der thermische Widerstand verringert. Insbesondere kann die interne Wärmesenke eine der
Halbleiterschichtenfolge abgewandte Lötseite aufweisen, über die die Halbleiterlaserdiode mittels einer Lotschicht auf einem externen Träger montierbar ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die interne
Wärmesenke in lateraler und longitudinaler Richtung nicht strukturiert und weist somit eine homogene Wärmeleitfähigkeit in lateraler und longitudinaler Richtung auf. Der variierende lokale thermische Widerstand in longitudinaler und/oder lateraler Richtung kann somit durch die strukturierte
Metallisierungsschicht gemäß den vorherigen
Ausführungsbeispielen vorgegeben sein, während die
integrierte Wärmesenke lediglich den Gesamtwärmewiderstand der Halbleiterlaserdiode senkt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die strukturierte Wärme ableitende Schicht zusätzlich die interne Wärmesenke auf, wobei die interne Wärmesenke zumindest in lateraler und/oder longitudinaler Richtung eine Strukturierung
aufweist. Mit anderen Worten kann die interne Wärmesenke Teil der strukturierten Wärme ableitenden Schicht sein.
Die Strukturierung der internen Wärmesenke kann
beispielsweise durch Materialien mit unterschiedlicher
Wärmeleitfähigkeit gebildet werden, die in lateraler und/oder longitudinaler Richtung strukturiert angeordnet sind.
Zusätzlich kann die interne Wärmesenke auch eine
Strukturierung in vertikaler Richtung aufweisen.
Beispielsweise kann die integrierte Wärmesenke ein oder mehrere Metalle, beispielsweise ausgewählt aus Au, Ag, Cu und Ni, Legierungen, beispielsweise CuW, Dielektrika,
beispielsweise ein Oxid oder ein Nitrid wie etwa Siliziumoxid oder Siliziumnitrid, ein Polymer, beispielsweise BCB, einen kristallinen Halbleiter wie etwa A1N, einen amorphen
Halbleiter wie etwa Si oder Ge, Diamant, Keramik, Luft oder Vakuum aufweisen. Das oder die Materialien der internen
Wärmesenke können beispielsweise durch Aufdampfen,
Zerstäuben, galvanisches Abscheiden, Abscheiden aus einem Plasma, Aufschleudern oder Bonden auf der
Metallisierungsschicht aufgebracht sein. Besonders bevorzugt weist die interne Wärmesenke zumindest zwei Materialien mit stark unterschiedlichen
Wärmeleitfähigkeiten auf, wodurch ein kontrastreiches
Wärmeprofil erreichbar ist. Die durch die Strukturgeometrie und die Materialwahl gebildeten Freiheitsgrade für den Aufbau der internen Wärmesenke ermöglichen eine weitreichende
Einstellung des Wärmeleitfähigkeitsprofils, wodurch eine Optimierung der Laserparameter der Halbleiterlaserdiode erreicht werden kann. Die interne Wärmesenke kann eine Dicke von einigen hundert Nanometern und bevorzugt von 1 μιη oder mehr aufweisen. Besonders bevorzugt wird die interne
Wärmesenke bei Verwendung metallischer Materialien und einer Dicke von mehr als 2 μιη mittels galvanischer Abscheidung aufgebracht. Die interne Wärmesenke kann im Fall von
elektrisch leitenden Materialien als elektrische Zuführung für die Metallisierungsschicht dienen. Falls elektrisch nicht leitfähige Materialien für die interne Wärmesenke verwendet werden, ist ein elektrisches Zuleitungselement,
beispielsweise in Form von elektrischen Durchführungen, vorgesehen, mittels dem ein elektrischer Parallelpfad
zusätzlich zum thermischen Pfad erreicht wird. Bevorzugt weist der elektrische Parallelpfad einen geringen
Zuleitungswiderstand zur Halbleiterschichtenfolge auf.
Die Dicke der integrierten Wärmesenke sollte abhängig von der Wärmeleitfähigkeit der verwendeten Materialien eine
Mindestdicke nicht unterschreiten. Im Falle von Gold
beispielsweise sollte die Mindestdicke 1 μιη betragen, bevorzugt mindestens 2 μιη und besonders bevorzugt mindestens 5 μιη.
Weiterhin kann es auch möglich sein, dass die
Halbleiterlaserdiode auf eine strukturierte externe
Wärmesenke aufgebracht wird. Die Verwendung einer internen Wärmesenke weist jedoch den Vorteil auf, dass die thermisch schlechte Lotgrenzfläche weiter von der
Halbleiterschichtenfolge entfernt ist, wodurch ein geringerer thermischer Gesamtwiderstand erreicht wird. Weiterhin ergibt sich bei einer internen Wärmesenke auch keine Notwendigkeit einer genauen Justage der Halbleiterlaserdiode bei der
Montage auf einer vorstrukturierten externen Wärmesenke. Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann es zur Vermeidung von Nachteilen in der Fertigung und/oder während des Betriebs der Halbleiterlaserdiode erforderlich sein, dass eines oder mehrere Materialien gegen die Umgebung gekapselt werden müssen. Derartige Nachteile können beispielsweise gebildet werden durch die Oxidation an Luft, beispielsweise im Falle von Kupfer, durch die Diffusion von Materialien in den
Halbleiter und damit eine Veränderung der Eigenschaften der Halbleiterschichtenfolge, beispielsweise im Falle von Kupfer, Silber oder Gold, oder durch metallurgische Reaktionen zwischen unterschiedlichen Metallen. Als Verkapselung können beispielsweise Barrieren aus geschlossenen Schichten
verwendet werden. Beispielsweise kann zur Kapselung von Gold Platin oder Chrom verwendet werden, im Falle von Kupfer beispielsweise Nickel als Kapselung.
Weiterhin kann zur Verkapselung eines zu kapselnden Materials eine Dünnschichtverkapselung verwendet werden. Eine
Barrierewirkung wird bei der Dünnschichtverkapselung im
Wesentlichen durch als dünne Schichten ausgeführte
Barrierenschichten und/oder Passivierungsschichten erzeugt. Die Schichten der Dünnschichtverkapselung weisen in der Regel eine Dicke von kleiner oder gleich einigen 100 nm auf. Die dünnen Schichten können beispielsweise mittels eines
Atomlagenabscheideverfahrens („atomic layer deposition", ALD) aufgebracht werden. Geeignete Materialien für die Schichten der Verkapselungsanordnung sind beispielsweise Aluminiumoxid, Zinkoxid, Zirkoniumoxid, Titanoxid, Hafniumoxid, Lanthanoxid. Bevorzugt weist die Verkapselungsanordnung eine
Schichtenfolge mit einer Mehrzahl der dünnen Schichten auf, die jeweils eine Dicke zwischen einer Atomlage und 10 nm aufweisen, wobei die Grenzen eingeschlossen sind. Bevorzugt wird die interne Wärmesenke mittels galvanischen Abscheidens aufgebracht. Dadurch kann es möglich sein, metallische Schichten und/oder Bereiche bei Raumtemperatur oder bei der späteren Betriebstemperatur der
Halbleiterlaserdiode aufzubringen. Damit kann erreicht werden, dass das fertige Bauteil nur sehr geringe
Verspannungen aufweist, was beispielsweise gerade bei dicken metallischen Schichten, wie sie für die interne Wärmesenke bevorzugt sind, von großem Vorteil sein kann. Werden Metalle wie im Stand der Technik üblich nämlich bei erhöhten
Temperaturen durch Aufdampfen oder Zerstäuben abgeschieden, können sich nach dem Abkühlen auf Raumtemperatur wegen der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen den verwendeten Materialien, also
Halbleitermaterialien, Dielektrika, Metalle und/oder
Kunststoffe, große Verspannungen im fertigen Bauteil ergeben. Beispiele für Ausdehnungskoeffizienten sind für
Galliumarsenid 6xlO~6/K, für Kupfer I,6xl0~5/K und für Silber I,9xl0~5/K. Eine große Verspannung kann zu Beeinträchtigungen der Leistungsfähigkeit, insbesondere im Hinblick auf die
Polarisationsreinheit, die Effizienz und die Divergenz, und der Zuverlässigkeit der Halbleiterlaserdiode führen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die interne
Wärmesenke einen Bereich mit einem ersten Material auf, der in lateraler Richtung zwischen zwei weiteren Bereichen mit jeweils einem zweiten Material angeordnet ist. Das zweite Material kann dabei eine unterschiedliche und bevorzugt eine geringere Wärmeleitfähigkeit als das erste Material
aufweisen. Zusätzlich kann es auch möglich sein, dass sich das erste und das zweite Material in vertikaler Richtung abwechseln, beispielsweise dass das zweite Material in vertikaler Richtung zwischen Bereichen des ersten Materials angeordnet ist. Das zweite Material und/oder das erste
Material kann auch eine Keilform aufweisen, wobei
beispielsweise die Dicke des zweiten Materials mit steigendem lateralen Abstand von einer Mitte der internen Wärmesenke aus gesehen ansteigt. Weiterhin kann es auch möglich sein, dass beispielsweise das erste Material eine Breite aufweist, die mit steigendem Abstand zur Strahlungsauskoppelfläche geringer wird. Weiterhin kann es auch möglich sein, dass das zweite Material beispielsweise in Form einer Vielzahl von
voneinander getrennten Teilbereichen im ersten Material eingebettet ist. Darüber hinaus kann beispielsweise auch ein drittes Material vorhanden sein, das eine vom ersten und vom zweiten Material verschiedene Wärmeleitfähigkeit aufweist und das zumindest teilweise wie vorab für das erste oder das zweite Material beschrieben angeordnet ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die interne
Wärmesenke in longitudinaler Richtung eine geringere Länge als die Halbleiterschichtenfolge aufweisen, sodass im Bereich der Strahlungsauskoppelfläche und/oder im Bereich der der
Strahlungsauskoppelfläche gegenüberliegenden Rückseitenfläche die Halbleiterschichtenfolge einen Überstand über das erste Material der Wärmesenke aufweisen kann. Im Bereich des
Überstands kann ein zweites Material, beispielsweise mit einer höheren Wärmeleitfähigkeit als das erste Material, angeordnet werden. Das zweite Material kann weiterhin aus einem bei niedriger Temperatur, insbesondere bei einer niedrigeren Temperatur als das erste Material, schmelzenden Material mit einer hohen thermischen Leitfähigkeit gebildet sein. Beispielsweise kann das zweite Material durch ein
Metall wie beispielsweise Indium mit einem Schmelzpunkt von etwa 157°C oder Zinn mit einem Schmelzpunkt von etwa 230°C gebildet sein. Das zweite Material kann in Form eines Depots im Bereich des Überstands aufgebracht werden. Dadurch kann es möglich sein, eine Vielzahl von Halbleiterlaserdioden in einem Waferverbund mit internen Wärmesenken mit dem ersten und dem zweiten als Depot geformten Material herzustellen und die einzelnen Halbleiterlaserdioden anschließend zu
vereinzeln. Das Vereinzeln kann beispielsweise durch Brechen des Waferverbunds zur Erzeugung von Laserfacetten erfolgen. Nach dem Vereinzeln kann durch Erhitzen über den Schmelzpunkt des zweiten Materials eine selbst justierte Kehle des zweiten Materials aus dem Depot ausgebildet werden, sodass durch das zweite Material und den Übergang zum ersten Material in longitudinaler Richtung ein Verringerung des lokalen
thermischen Widerstands nahe der Strahlungsauskoppelfläche erzeugt wird. Die Kehle kann je nach Material, vorhandener Menge und Abmessung sowie Prozessparametern konkav oder konvex ausgebildet sein.
Im Gegensatz zu bekannten Laserdiodenchips, bei denen eine möglichst große Anschlussfläche bereitgestellt wird, um den thermischen Widerstand insgesamt zu minimieren, kann es bei der hier beschriebenen Halbleiterlaserdiode insbesondere möglich sein, durch die oben beschriebene Strukturierung der Wärme ableitenden Schicht den lokalen thermischen Widerstand zwischen der Halbleiterschichtenfolge und einer externen Wärmesenke zu variieren, wodurch eine Inhomogenität der
Temperaturverteilung innerhalb der Halbleiterschicht im thermischen Einflussbereich vermindert werden kann. Dadurch kann es möglich sein, die Stärke einer durch
Temperaturinhomogenitäten hervorgerufen thermischen Linse insgesamt zu verringern, obwohl der gesamte thermische
Widerstand der Halbleiterlaserdiode und auch das absolute Temperaturniveau der Halbleiterschichtenfolge im Vergleich zu bekannten Laserdiodenchips auch erhöht sein kann. Gemäß den oben genannten Ausführungsformen können die
beschriebenen vorteilhaften Effekte insbesondere durch ein teilweises Entkoppeln und/oder Trennen des elektrischen und thermischen Pfades in der Halbleiterlaserdiode erreicht werden, die besonders bevorzugt als Breitstreifenlaser ausgeführt ist. Dies kann möglich sein durch die Verwendung von zwei- oder dreidimensional strukturierten
Metallisierungen, also der Metallisierungsschicht oder zusätzlich auch der internen Wärmesenke, an der
Lotgrenzflächen und weiterhin beispielsweise zusätzlich auch durch eine hochleitfähige, lateral und longitudinal
strukturierte Halbleiterschicht, beispielsweise der
Halbleiterdeckschicht. Dadurch können im thermischen
Einflussbereich die Verteilungen von elektrischem Strom und Wärmestrom in gewissen Grenzen unabhängig voneinander beeinflusst werden, sodass die Temperaturverteilung in der Halbleiterlaserdiode unabhängig von elektrischen Parametern verändert werden und bevorzugt homogenisiert werden kann. Wie weiter oben beschrieben ist, kann die zwei- oder
dreidimensional strukturierte Metallisierung auf oder nahe der Halbleiterschichtenfolgenoberseite ein oder mehrere unterschiedliche Metalle und/oder zusätzliche Materialien wie etwa Luft, Vakuum oder Dielektrika mit unterschiedlichen Wärmeleitfähigkeiten aufweisen, sodass der
Wärmeleitfähigkeitskontrast zwischen strukturierten und unstrukturierten Bereichen erhöht werden kann. Durch die Strukturierung kann die an einer externen Wärmesenke oder einem externen Träger thermisch angeschlossene Fläche
geringer werden, wodurch zwar der thermische Gesamtwiderstand der Halbleiterlaserdiode im Vergleich zu einem Fall ohne Strukturierung ansteigen kann, wodurch jedoch aber auch die Stärke der thermischen Linse reduziert werden kann. Besonders vorteilhaft kann auch die oben beschriebene monolithische Integration einer internen Wärmesenke sein, beispielsweise in Form einer dicken Metallisierung mit hoher Wärmeleitfähigkeit, um die thermisch schlecht leitfähige
Lotgrenzfläche zwischen einer externen Wärmesenke oder einem externen Träger und der Halbleiterschichtenfolge weiter von der Hauptverlustleistungsquelle, also dem aktiven Bereich, zu entfernen und durch die damit besser mögliche
Wärmeaufspreizung den thermischen Gesamtwiderstand der
Halbleiterlaserdiode zu senken. Dadurch kann auch die vorab beschriebene, durch die Strukturierung der Metallisierung verursachte Erhöhung des thermischen Widerstands zumindest teilweise kompensiert werden.
Weitere Vorteile, vorteilhafte Ausführungsformen und
Weiterbildungen ergeben sich aus den im Folgenden in
Verbindung mit den Figuren beschriebenen
Ausführungsbeispielen .
Es zeigen:
Figuren 1A und 1B eine schematische Schnittdarstellung und eine schematische Aufsicht einer Laserdiode,
Figur IC die Abhängigkeit des lateralen Fernfeldwinkels von der ausgekoppelten optischen Leistung bei einer Laserdiode gemäß den Figuren 1A und 1B,
Figuren 2A und 2B schematische Schnittdarstellungen von
Halbleiterlaserdioden gemäß einigen
Ausführungsbeispielen,
Figuren 3A bis 3D schematische Darstellungen von Aufsichten von Halbleiterlaserdioden gemäß weiteren Ausführungsbeispielen, Figuren 4A und 4B schematische Darstellungen von Aufsichten von Halbleiterlaserdioden gemäß weiteren
Ausführungsbeispielen,
Figuren 5 bis 7 schematische Darstellungen von Aufsichten von
Halbleiterlaserdioden gemäß weiteren
Ausführungsbeispielen,
Figuren 8 bis 9C schematische Darstellungen von Aufsichten und Schnittdarstellungen von Halbleiterlaserdioden gemäß weiteren Ausführungsbeispielen und Figuren 10A bis 11 schematische Darstellungen von
Halbleiterlaserdioden gemäß weiteren
Ausführungsbeispielen .
In den Ausführungsbeispielen und Figuren können gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen sein. Die dargestellten Elemente und deren Größenverhältnisse untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen, vielmehr können einzelne Elemente, wie zum Beispiel Schichten, Bauteile, Bauelemente und Bereiche, zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
In den Figuren 1A und 1B ist ein üblicher
Hochleistungslaserdiodenchip gezeigt, der eine
Halbleiterschichtenfolge 2 aufweist, die auf einem Substrat 1 epitaktisch aufgewachsen ist. Figur 1A stellt dabei eine Schnittdarstellung dar, während Figur 1B eine Aufsicht darstellt . Die Halbleiterschichtenfolge 2 weist eine aktive Schicht 23 mit einem aktiven Bereich 24 auf, der im Betrieb
Laserstrahlung über eine Strahlungsauskoppelfläche 11
abstrahlt. Die Strahlungsauskoppelfläche 11 sowie die der Strahlungsauskoppelfläche 11 gegenüberliegende
Rückseitenfläche 12 der Halbleiterschichtenfolge 2 bilden einen Resonator und sind zumindest teilweise mit einer
Verspiegelungs- bzw. einer Entspiegelungsschicht versehen. Die Halbleiterschichten 21, 22, zwischen denen die aktive Schicht 23 angeordnet ist, können beispielsweise
Wellenleiter- und/oder Mantelschichten sowie weitere
Halbleiterschichten aufweisen. Insbesondere kann es sich bei dem in den Figuren 1A und 1B gezeigten
Hochleistungslaserdiodenchip um einen üblichen Breitstreifen- Laserdiodenchip mit lateraler Gewinnführung handeln.
Die Anordnungsrichtung der Halbleiterschichten 21, 22, 23, 25 der Halbleiterschichtenfolge 2 kennzeichnet hier und in den folgenden Figuren eine vertikale Richtung, während sich der Laserresonator zwischen der Strahlungsauskoppelfläche 11 und der der Strahlungsauskoppelfläche 11 gegenüberliegenden
Rückseitenfläche 12 in longitudinaler Richtung erstreckt. Senkrecht zur longitudinalen Resonatorrichtung in der
Haupterstreckungsebene der Halbleiterschichten 21, 22, 23, 25 ist eine laterale beziehungsweise transversale Richtung definiert .
Über dem aktiven Bereich 24 ist eine Halbleiterdeckschicht 25 angeordnet, die die Oberseite 20 der Halbleiterschichtenfolge 2 bildet. Die Halbleiterdeckschicht 25 wird elektrisch durch eine Metallisierungsschicht 3 kontaktiert, die großflächig auf der Oberseite der Halbleiterschichtenfolge 2 aufgebracht ist. Zwischen den Bereichen der Halbleiterschichtenfolge 2 und der Metallisierungsschicht 3, die nicht in elektrischem Kontakt miteinander stehen sollen, ist eine
Passivierungsschicht 10, beispielsweise aus einem
Dielektrikum, etwa einem Oxid oder einem Nitrid, angeordnet. Über die Metallisierungsschicht 3 sowie eine weitere
Elektrodenschicht zur Kontaktierung der der
Metallisierungsschicht 3 abgewandten Seite der
Halbleiterschichtenfolge 2 (nicht gezeigt) , kann der gezeigte Laserdiodenchip elektrisch angeschlossen und betrieben werden. Die Breite der Halbleiterdeckschicht 25, die im Falle von Breitstreifenlasern üblicherweise größer oder gleich 30 μιη und kleiner oder gleich 200 μιη ist, definiert unter
Berücksichtigung von StromaufWeitungseffekten in den darunter liegenden Halbleiterschichten 22 die Breite des aktiven
Bereichs 24, der somit ebenfalls eine Breite von größer oder gleich 30 ym aufweist.
Der in den Figuren 1A und 1B gezeigte Laserdiodenchip ist als so genannter Einzel-Emitter mit einem einzigen aktiven
Bereich 24 ausgebildet. Durch eine entsprechende laterale Anordnung mehrerer durch die Metallisierungsschicht 3
kontaktierter Bereiche der Halbleiterdeckschicht 25 kann auch ein so genannter Laserbarren ausgebildet werden, wobei die Metallisierungsschicht 3 üblicherweise zwischen den einzelnen aktiven Bereichen durchtrennt ist, sodass die einzelnen aktiven Bereiche des Laserbarrens unabhängig voneinander elektrisch betrieben werden können. Der Verlauf der Halbleiterdeckschicht 25 ist in Figur 1B durch die gepunktete Linie angedeutet. Abgesehen von
StromaufWeitungseffekten entspricht der Verlauf der
Halbleiterdeckschicht 25 auch dem Verlauf des aktiven
Bereichs 24. Durch die Stromeinprägung in die aktive Schicht 23 und damit die Ausbildung des aktiven Bereichs 24 bildet sich auch ein thermischer Einflussbereich 29 in der
Halbleiterschichtenfolge 2 aus, der in Figur 1A in der aktiven Schicht 23 und in Figur 1B durch den gestrichelten Bereich angedeutet ist.
Laserdiodenchips gemäß dem Beispiel der Figuren 1A und 1B werden üblicherweise mit der Metallisierungsschicht 3 auf eine externe Wärmesenke oder einen Träger mit hoher
thermischer Leitfähigkeit und/oder aktiver Kühlung
aufgelötet. Die Metallisierungsschicht 3 dient dabei als Lötfläche des Laserdiodenchips und ermöglicht einen
großflächigen thermischen Anschluss der
Halbleiterschichtenfolge 2 an die externe Wärmesenke oder den Träger. Die Metallisierungsschicht 3 weist insbesondere beispielsweise aus Gründen der Fertigbarkeit , etwa in Bezug auf die mechanische Haftkraft zwischen Metall und Halbleiter und den elektrischen Kontaktwiderstand des Metall-Halbleiter- Übergangs üblicherweise eine Mehrzahl metallischer Schichten oder Schichten mit Legierungen auf, beispielsweise Ti/Pt/Au oder AuGe/Ni/Au, mit Gesamtschichtdicken bis zu einigen wenigen Mikrometern. Während die Metallisierungsschicht 3 somit in vertikaler Richtung in gewisser Weise strukturiert ist, ist sie bei dem in den Figuren 1A und 1B gezeigten
Laserdiodenchip in lateraler und longitudinaler Richtung höchstens zur Trennung einzelner aktiver Bereiche im Falle eines Laserbarrens unterteilt, wenn es erforderlich ist, einzelne aktive Bereiche des Laserbarrens elektrisch getrennt voneinander zu betreiben. Weiterhin kann es auch möglich sein, dass die Metallisierungsschicht in der Nähe der
Strahlungsauskoppelfläche 11 oder der Rückseitenfläche 12 von diesen zurückgezogen ist, also dünner als im restlichen
Bereich oder ganz entfernt ist. Abgesehen von solchen
technisch bedingten Strukturierungen überdeckt die
Metallisierungsschicht 3 des bekannten Laserdiodenchips den gesamten thermischen Einflussbereich 29 gleichförmig. Während somit die Metallisierungsschicht 3 in einem üblichen Laserdiodenchip, wie in den Figuren 1A und 1B gezeigt, eine großflächige thermische Anbindung insbesondere des
thermischen Einflussbereichs 29 erlaubt, sind die
Verlustwärmequellen in der Halbleiterschichtenfolge 2 beispielsweise aufgrund asymmetrischer Spiegelreflektivitäten der Verspiegelungen bzw. Entspiegelungen der
Strahlungsauskoppelfläche 11 und der Rückseitenfläche 12 nicht gleichmäßig verteilt. Insbesondere weisen bekannte Laserdiodenchips üblicherweise an der
Strahlungsauskoppelfläche 11 beim aktiven Bereich 24 eine maximale Temperatur auf, die in longitudinaler, vertikaler und lateraler Richtung mit steigendem Abstand zum
Emissionsbereich abfällt. Dies gilt auch für einen
Laserbarren mit mehreren aktiven Bereichen.
Während üblicherweise verwendete externe Wärmesenken oder Träger verglichen mit dem Halbleitermaterial selbst eine hohe thermische Leitfähigkeit aufweisen, weist die bei der Montage entstehende Lotgrenzfläche beispielsweise bei der Lötung mit AuSn üblicherweise einen großen thermischen
Übergangswiderstand auf. Hinzu kommt eine verglichen mit dem Material der externen Wärmesenke oder des Trägers selbst deutlich schlechtere thermische Leitfähigkeit des
Lotmaterials. Dadurch ergibt sich trotz der hohen
Wärmeleitfähigkeit der externen Wärmesenke oder des Trägers ein großer thermischer Widerstand. Das sich im bekannten Laserdiodenchip ausbildende Temperaturprofil und die
Temperaturabhängigkeit von Brechzahl und optischem Gewinn erzeugen eine thermische Linse, wodurch sich die Divergenz der abgestrahlten Laserstrahlung vergrößert. Dies bedeutet, dass sich mit größeren Betriebsströmen beziehungsweise größeren Ausgangsleistungen des Laserdiodenchips die
Strahldivergenz des Lasers vergrößert, wie in Figur IC gezeigt ist. In Figur IC ist der Anstieg des lateralen
Fernfeldwinkels in Abhängigkeit der ausgekoppelten
optischen Leistung zu erkennen, der an der zunehmenden thermischen Belastung und der zunehmenden Inhomogenität der Temperaturverteilung im Laserdiodenchip unter Bildung der so genannten thermischen Linse liegt.
Die Halbleiterlaserdioden der Ausführungsbeispiele der folgenden Figuren weisen ausgehend vom bekannten
Laserdiodenchip der Figuren 1A und 1B im Gegensatz zu diesem eine geeignete Strukturierung auf, um der Ausprägung einer solchen thermischen Linse geeignet entgegenzuwirken. Hierbei wird der lokale thermische Widerstand, also im Wesentlichen der Quotient aus der Temperaturerhöhung des aktiven Bereichs der Halbleiterlaserdiode und der lokalen
Verlustleistungsdichte geeignet beeinflusst, um ein möglichst homogenes Temperaturprofil in lateraler und longitudinaler Richtung in der Halbleiterschichtenfolge 2 zu erreichen.
In den Figuren 2A und 2B sind dazu Schnittdarstellungen von zwei Ausführungsbeispielen von Halbleiterlaserdioden gezeigt. Da die Verlustwärmequellen in der Halbleiterschichtenfolge 2 lateral auf den aktiven Bereich 24 unter Berücksichtigung von AufWeitungseffekten, die zur Bildung des oben im allgemeinen Teil definierten thermischen Einflussbereichs führen,
begrenzt sind, weisen die Halbleiterlaserdioden gemäß den folgenden Ausführungsbeispielen im Vergleich zum bekannten Laserdiodenchip gemäß der Figuren 1A und 1B eine
Metallisierungsschicht 3 auf, deren Breite deutlich geringer gewählt ist, sodass sich die Metallisierungsschicht 3 nicht mehr über die gesamte Breite der Halbleiterschichtenfolge 2 und damit über die gesamte Oberseite 20 der
Halbleiterschichtenfolge 2 erstreckt.
Weiterhin ist die Halbleiterdeckschicht 25 in den im
Folgenden gezeigten Ausführungsbeispielen als strukturierte, Strom zuführende Halbleiterschicht ausgebildet, die eine hohe Dotierstoffkonzentration von mehr als lxlO18 cm'3 und damit eine hohe Querleitfähigkeit aufweist. Die
Halbleiterdeckschicht 25 kann dabei, wie in Figur 2A gezeigt ist, in Form eines einzelnen Streifens ausgebildet sein, der durch die Metallisierungsschicht 3 kontaktiert wird.
Weiterhin ist es auch möglich, wie in Figur 2B gezeigt ist, die Halbleiterdeckschicht 25 großflächig auszubilden und durch Ausbildung von Gräben zu strukturieren, sodass neben dem zur Kontaktierung vorgesehenen zentralen Streifen, der durch die Metallisierungsschicht 3 kontaktiert wird, nicht kontaktierte Bereiche der Halbleiterdeckschicht 25 unter der Passivierungsschicht 10 verbleiben. Die Strukturierung der Halbleiterdeckschicht 25 kann beispielsweise über einen
Ätzvorgang erfolgen, wobei mindestens etwa 10 μιη breite
Gräben neben dem zentralen Streifen erzeugt werden, um den zu kontaktierenden Bereich der Halbleiterdeckschicht 25 zu definieren . Neben den hier gezeigten Elementen und Schichten der
Halbleiterlaserdiode kann diese auch weitere Merkmale
aufweisen, beispielsweise Gräben zwischen einzelnen Emittern beziehungsweise aktiven Bereichen einer als Laserbarren ausgeführten Halbleiterlaserdiode zur optischen und
elektrischen Trennung der einzelnen Emitter oder auch
beliebige Strukturierungen der Metallisierungsschicht oder der Passivierungsschicht 10 abseits des aktiven Bereichs 24. Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele von
Halbleiterlaserdioden gezeigt, die einen Aufbau gemäß der Ausführungsbeispiele der Figuren 2A und 2B aufweisen können. Insbesondere weisen die Halbleiterlaserdioden gemäß den folgenden Ausführungsbeispielen eine strukturierte Wärme ableitende Schicht 4 auf der Oberseite der
Halbleiterschichtenfolge auf, die eine strukturierte
Metallisierungsschicht 3 aufweist. Die strukturierte Wärme ableitende Schicht 4 ermöglicht eine Wärmeableitung aus dem aktiven Bereich 24 mit einem lokalen thermischen Widerstand, der entlang einer longitudinalen und/oder lateralen Richtung variiert .
Durch die im Folgenden gezeigten Ausgestaltungen der Wärme ableitenden Schicht 4 kann es möglich sein, den elektrischen und thermischen Pfad bei den gezeigten Halbleiterlaserdioden zumindest teilweise zu entkoppeln beziehungsweise zu trennen, wodurch die Verteilungen von elektrischem Strom und
Wärmestrom in gewissen Grenzen unabhängig voneinander
beeinflusst werden können, sodass die jeweilige
Temperaturverteilung in der Halbleiterschichtenfolge 2 unabhängig von den elektrischen Parametern verändert,
innerhalb und in der Umgebung des Strominjektionsbereichs bevorzugt homogenisiert, wird.
Die Halbleiterschichtenfolge 2 weist in den im Folgenden gezeigten Ausführungsbeispielen eine strukturierte Strom zuführende Halbleiterschicht 26 auf, die beispielhaft anhand einer strukturierten Halbleiterdeckschicht 25 erläutert wird. Alternativ oder zusätzlich dazu können auch
Halbleiterschichten unterhalb der Halbleiterdeckschicht 25 und oberhalb des aktiven Bereichs 24 in gleicher oder
abweichender Weise strukturiert sein. Weiterhin dient die Metallisierungsschicht 3 auf der
Oberseite 20 der Halbleiterschichtenfolge 2 einerseits zur Herstellung eines Metall-Halbleiter-Kontakts zur
Halbleiterdeckschicht 25, andererseits aber auch zur
Bereitstellung einer lötbaren Fläche, mittels derer die gezeigten Halbleiterlaserdioden auf eine externe Wärmesenke oder einen externen Träger montiert werden können. Durch die im Folgenden gezeigten Strukturierungen der Wärme ableitenden Schicht 4 und gegebenenfalls auch der Strom zuführenden Halbleiterschicht 26 weisen diese zumindest in einigen oder allen drei Dimensionen lateral, longitudinal und vertikal unterschiedliche Formen auf, also unterschiedliche Geometrien und/oder Schichtdicken, die zusätzlich zu den gezeigten Ausführungsbeispielen auch in mehreren Stufen oder aus mehreren unterschiedlichen Materialien aufgebaut sein können . Die im Folgenden gezeigten Ausführungsbeispiele weisen jeweils eine Metallisierungsschicht 3 mit einer kumulierten Breite Bl auf, deren Verhältnis zur Breite B2 des thermischen Einflussbereichs 29 in Abhängigkeit vom Abstand zur
Strahlungsauskoppelfläche 11 variiert.
In den Figuren 3A bis 3D sind Ausführungsbeispiele von
Halbleiterlaserdioden gezeigt, bei denen die strukturierte Wärme ableitende Schicht 4 durch die Metallisierungsschicht 3 gebildet ist. In den gezeigten Ausführungsbeispielen weist die Metallisierungsschicht 3 dabei eine kumulierte Breite Bl auf, die der lateralen Breite entspricht, die mit steigendem Abstand zur Strahlungsauskoppelfläche 3 geringer wird. Die Strom zuführende Halbleiterschicht 26 weist hingegen eine gleichbleibende Breite auf, wodurch auch die Breite des aktiven Bereichs 24 und damit auch die Breite B2 des
thermischen Einflussbereichs 29 in longitudinaler Richtung im Wesentlichen gleich bleibt. Dadurch verringert sich das
Verhältnis der kumulierten Breite Bl der
Metallisierungsschicht 3 zur Breite B2 des thermischen
Einflussbereichs 29 mit steigendem Abstand zur
Strahlungsauskoppelfläche 11.
Wie in Figur 3A gezeigt ist, kann die Metallisierungsschicht 3 nahe der Strahlungsauskoppelfläche 11 eine Breite Bl aufweisen, die größer oder gleich der Breite B2 des
thermischen Einflussbereichs 29 und somit auch größer als die Breite der Strom zuführenden Halbleiterschicht 26 ist. Mit steigendem Abstand zur Strahlungsauskoppelfläche 11
verringert sich die Breite Bl der Metallisierungsschicht 3, sodass die Metallisierungsschicht 3 im Bereich der
Rückseitenfläche 12 nur noch so breit wie die Strom
zuführende Halbleiterschicht 26 und damit schmäler als der thermische Einflussbereich 29 ist.
Wie in Figur 3B gezeigt ist, kann die Breite Bl der
Metallisierungsschicht 3 auch so weit verringert werden, dass sie im Bereich der Rückseitenfläche 12 sogar schmäler als der thermische Einflussbereich 29 ist. Aufgrund der hohen
Querleitfähigkeit der hoch dotierten Strom zuführenden
Halbleiterschicht 26 erfolgt die Stromeinprägung in die aktive Schicht 23 trotz der schmäleren Metallisierungsschicht 3 und damit des schmäleren Kontaktbereichs im Bereich der Rückseitenfläche 12 mit einer gleichmäßigen Breite über die gesamte Resonatorlänge. In Figur 3C ist ein weiteres Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem die Metallisierungsschicht 3 eine Breite aufweist, die im Bereich der Strahlungsauskoppelfläche 11 der Breite der Strom zuführenden Halbleiterschicht 26 entspricht und die zur
Rückseitenfläche 12 hin reduziert wird.
In Figur 3D ist ein weiteres Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem die Metallisierungsschicht 3 von der Rückseitenfläche 12 her keilförmige Aussparungen aufweist, wodurch die kumulierte Breite Bl der Metallisierungsschicht 3 mit steigendem Abstand zur Strahlungsauskoppelfläche 11 im Verhältnis zur Breite B2 des thermischen Einflussbereichs 29 ebenfalls verringert wird . Durch die Reduzierung der kumulierten Breite Bl der als strukturierte Wärme ableitenden Schicht 4 ausgebildeten
Metallisierungsschicht 3 mit steigendem Abstand zur
Strahlungsauskoppelfläche 11 im Verhältnis zur Breite B2 des thermischen Einflussbereichs 29 wird die lötbare Fläche und damit auch die thermische Anschlussfläche der gezeigten
Halbleiterlaserdioden mit steigendem Abstand zur
Strahlungsauskoppelschicht 11 verringert. Dadurch erfolgt im Bereich der Strahlungsauskoppelfläche 11 eine größere
Wärmeableitung als im Bereich der Rückseitenfläche 12, wodurch dem bei bekannten Laserdiodenchips inhomogenen
Temperaturverteilungsprofil in longitudinaler Richtung durch einen strukturierten lokalen thermischen Widerstand
entgegengewirkt werden kann. Bei den hier gezeigten
Halbleiterlaserdioden wird somit im thermischen
Einflussbereich 29 der lokale thermische Widerstand in
Bereichen, die eine geringere Temperaturerhöhung aufweisen, im Vergleich zu bekannten Laserdiodenchips verschlechtert beziehungsweise verringert, wodurch zwar die Gesamttemperatur des aktiven Bereichs 24 möglicherweise steigt, jedoch der Effekt der thermischen Linse durch Verringerung der
inhomogenen Temperaturverteilung verkleinert werden kann. In den Figuren 4A und 4B sind weitere Ausführungsbeispiele von Halbleiterlaserdioden gezeigt, bei denen die
Stromzuführende Halbleiterschicht 26, also rein beispielhaft in den gezeigten Ausführungsbeispielen die
Halbleiterdeckschicht 25, hinsichtlich ihrer Breite
strukturiert ist.
Im Ausführungsbeispiel der Figur 4A weist die Strom
zuführende Halbleiterschicht 26, also im gezeigten
Ausführungsbeispiel die Halbleiterdeckschicht 25, eine zur Strahlungsauskoppelfläche 11 hin größer werdende Breite auf. Der daraus resultierende aktive Bereich 24 weist dadurch eine trapezartige Form auf. Dementsprechend bildet sich auch ein thermischer Einflussbereich 29 aus, dessen Breite B2 mit steigendem Abstand zur Strahlungsauskoppelfläche 11 abnimmt. Die Metallisierungsschicht 3 weist ein Breite Bl auf, die ebenfalls mit steigendem Abstand zur
Strahlungsauskoppelfläche 11 geringer wird, wobei die
Änderung der Breite Bl größer als die Änderung der Breite B2 ist, so dass das Verhältnis der Breite Bl zur Breite B2 ebenfalls mit steigendem Abstand zur
Strahlungsauskoppelfläche 11 abnimmt. Durch die beschriebene Ausbildung der Strom zuführenden Halbleiterschicht 26 und der Metallisierungsschicht 3 kann eine Anpassung der
Strominjektion an die Modenausbreitung und -aufweitung und eine Optimierung des Strominjektionsprofils mit der hier beschriebenen angepassten Wärmeableitung aus dem thermischen Einflussbereich 29 kombiniert werden. Im Ausführungsbeispiel der Figur 4B weist die
Metallisierungsschicht 3 eine konstante kumulierte Breite Bl zwischen der Strahlungsauskoppelfläche 11 und der
Rückseitenfläche 12 auf, wohingegen die Strom zuführende Halbleiterschicht 26, also im gezeigten Ausführungsbeispiel die Halbleiterdeckschicht 25, mit größer werdendem Abstand zur Strahlungsauskoppelfläche 11 breiter wird, wodurch auch die Breite B2 des thermischen Einflussbereichs 29 mit größer werdendem Abstand zur Strahlungsauskoppelfläche 11 größer wird. Durch die inhomogene elektrische Anbindung der aktiven Schicht 23 beziehungsweise des aktiven Bereichs 24 an die konstant breite Metallisierungsschicht 3 und die daraus folgende Verringerung des Verhältnisses der Breiten Bl und B2 kann der Ausbildung einer inhomogenen Temperaturverteilung mit einer erhöhten Temperatur im Bereich der
Strahlungsauskoppelfläche 11 entgegengewirkt werden.
Die vorherigen Ausführungen zum Verhältnis der Breiten Bl und B2 gelten auch für die Ausführungsbeispiele der folgenden Figuren, in denen die Breiten Bl und B2 der Übersichtlichkeit halber nicht mehr gezeigt sind.
In Figur 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer
Halbleiterlaserdiode gezeigt, bei der die Eigenschaften der Metallisierungsschicht 3 gemäß dem Ausführungsbeispiel der Figur 3A und die Eigenschaften der strukturierten Strom zuführenden Halbleiterschicht 26 gemäß dem
Ausführungsbeispiel der Figur 4B kombiniert sind, um eine Verbesserung der Homogenisierung des Temperaturprofils durch eine Kombination der beschriebenen Effekte zu erreichen.
In Figur 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer
Halbleiterlaserdiode gezeigt, bei der die Metallisierungsschicht 3 im Vergleich zum Ausführungsbeispiel der Figur 5 neben einem zentralen Streifen, der zur
elektrischen Kontaktierung der Halbleiterschichtenfolge 2 aufgebracht ist, weitere Streifen mit dem
Metallisierungsschichtmaterial 3 aufweist. Dadurch kann abseits des thermischen Einflussbereichs 29 eine zusätzliche Lötkontaktfläche ermöglicht werden.
In Figur 7 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer
Halbleiterlaserdiode gezeigt, bei dem im Vergleich zum
Ausführungsbeispiel der Figur 5 eine weitere
Halbleiterschicht 27 unterhalb der strukturierten Strom zuführenden Halbleiterschicht 26, also im gezeigten
Ausführungsbeispiel der Halbleiterdeckschicht 25, in
lateraler Richtung einen Rand aufweist, der strukturiert ist. Rein beispielhaft ist in Figur 7 eine zackenförmige
Strukturierung gezeigt. Durch eine derartige Strukturierung des lateralen Randes einer oder mehrerer Halbleiterschichten 27 unterhalb der Strom zuführenden Halbleiterschicht 26 kann das Stromdichteprofil in der aktiven Schicht 23 zusätzlich geformt werden.
In den folgenden Figuren ist der thermische Einflussbereich 29 der Übersichtlichkeit halber nicht gezeigt.
In Figur 8 ist eine Halbleiterlaserdiode gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel gezeigt, das eine Weiterentwicklung des in Figur 3B gezeigten Ausführungsbeispiels darstellt. Die Strom zuführende Schicht 26 ist dabei rein beispielhaft mit einer gleich bleibenden Breite in longitudinaler Richtung von der Strahlungsauskoppelfläche 11 bis zur Rückseitenfläche 12 ausgeführt, während die Metallisierungsschicht 3 als
strukturierte Wärme ableitende Schicht 4 einen zentralen Streifen aufweist, dessen Breite mit steigendem Abstand zur Strahlungsauskoppelfläche 11 abnimmt.
Weiterhin weist die Metallisierungsschicht 3 in lateraler Richtung neben dem zentralen Streifen inselartige Bereiche 30 mit dem Material der Metallisierungsschicht 3 auf, sodass die Metallisierungsschicht 3 in lateraler Richtung einen Rand aufweist, der inselartig strukturiert ist. Insbesondere kann es sich dabei um eine halbtonmäßige Mikrostrukturierung der Metallisierungsschicht 3 zur gezielten Erzeugung von
Hohlräumen beziehungsweise Lunkern in einer darauf
aufgebrachten Lotschicht oder der Verhinderung einer
Lötverbindung zwischen einem Lot und der
Metallisierungsschicht 3 handeln, wodurch der lokale
thermische Widerstand zusätzlich strukturiert werden kann.
Die kumulierte Breite der Metallisierungsschicht 3 nimmt mit steigendem Abstand zur Strahlungsauskoppelfläche 11 ab.
Die inselartige Strukturierung 30 kann dabei in lateraler Richtung hinsichtlich der Größe, der Anzahl und/oder der Dichte der Inseln mit steigendem Abstand vom zentralen
Streifen kleiner werden. Insbesondere kann die laterale
Strukturierung Größen- und Abstandsbereiche in einem Bereich von kleiner oder gleich 1000 μιη bis hinunter zu wenigen
Mikrometern und besonders bevorzugt größer oder gleich 3 μιη aufweisen. Die Höhe der einzelnen inselartigen Bereich 30 kann in einem Größenbereich von größer oder gleich 1 nm bis kleiner oder gleich 100 μιη liegen. Im Bereich der
inselartigen Strukturierung 30 bedeutet insbesondere ein schwarzer Bereich eine Lotverbindung und damit eine hohe thermische Leitfähigkeit, während ein weißer Bereich eine nicht existierende Lotverbindung beziehungsweise einen Lunker und damit eine geringe thermische Leitfähigkeit kennzeichnet. In den Figuren 9A bis 9C sind weitere Ausführungsbeispiele von Halbleiterlaserdioden gezeigt, die im Vergleich zu den vorherigen Ausführungsbeispielen eine als strukturierte Wärme ableitende Schicht 4 ausgebildete Metallisierungsschicht 3 aufweisen, die Öffnungen 31 aufweist, die in ihrer Größe, Anzahl und/oder Dichte mit steigendem Abstand zur
Strahlungsauskoppelfläche 11 einen größeren Flächenbereich einnehmen, wodurch ebenfalls die kumulierte Breite der
Metallisierungsschicht 3 mit steigendem Abstand zur
Strahlungsauskoppelfläche 11 abnimmt. Wie in Figur 9A gezeigt ist, können die Öffnungen 31 beispielsweise hinsichtlich ihrer Größe mit steigendem Abstand zur
Strahlungsauskoppelfläche 11 zunehmen. Damit bietet die
Metallisierungsschicht 3 insgesamt eine flächige
Anschlussfläche für ein Lot, bei der jedoch im Bereich der Öffnungen 31 keine Lötverbindung beziehungsweise Lunker zustande kommen, was in diesen Bereichen eine geringe
thermische Leitfähigkeit zur Folge hat.
In Figur 9B ist ein Schnittbild gezeigt, bei dem gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel eine Halbleiterlaserdiode mit dem Substrat 1, der Halbleiterschichtenfolge 2 und einer gemäß dem vorherigen Ausführungsbeispiel mit Öffnungen 31 strukturierten Metallisierungsschicht 3 mittels einer
Lotschicht 5 auf einer externen Wärmesenke 6 angeordnet ist. Die longitudinale Resonatorrichtung steht dabei senkrecht zur Zeichenebene. Durch die als strukturierte Wärme ableitende Schicht ausgebildete Metallisierungsschicht 3 ergibt sich insbesondere durch die fehlende Metallisierung in den
Öffnungen 31 eine Strukturierung der Lotgrenzfläche, was, wie im gezeigten Ausführungsbeispiel gezeigt ist, durch ein
Einbringen eines nicht oder schlecht lötbaren oder schlecht Wärme leitenden Materials 32 in die Öffnungen 31 noch
verstärkt werden kann. Beispielsweise können innerhalb der Öffnungen 31 schlecht lötbare Metalle, beispielsweise
oxidierte Metalle, erzeugt oder eingebracht sein oder auch ein Material mit geringer thermischer Leitfähigkeit,
beispielsweise Luft, Vakuum oder ein Kunststoff wie etwa BCB . Hinsichtlich eines möglichst hohen Kontrasts der thermischen Leitfähigkeit ist insbesondere eine Metallisierungsschicht 3 mit Luft oder Vakuum gefüllten Öffnungen 31 vorteilhaft. Bei mechanisch kritischen Chipdesigns ist es im Hinblick auf eine größere mechanische Stabilität vorteilhaft, anstelle von mit Luft oder Vakuum gefüllten Öffnungen 31 ein Material 32 mit möglichst schlechter thermischer Leitfähigkeit zu verwenden, das eine mechanische Befestigung ermöglicht, also
beispielsweise ein Kunststoff oder ein thermisch schlecht leitendes Metalloxid.
Im Ausführungsbeispiel der Figur 9C weist die
Halbleiterlaserdiode auf der Metallisierungsschicht 3, die wie im vorherigen Ausführungsbeispiel der Figur 9B als strukturierte Wärme ableitende Schicht 4 ausgeführt ist, eine interne Wärmesenke 7 auf, die in direktem Kontakt unmittelbar auf die Metallisierungsschicht 3 aufgebracht ist. Durch eine derartige interne Wärmesenke 7 ist es möglich, den
thermischen Gesamtwiderstand der Halbleiterlaserdiode zu senken und dabei trotzdem eine kontrastreiche Strukturierung des lokalen thermischen Widerstands zu erreichen. Die der Halbleiterschichtenfolge 2 abgewandte Seite der internen Wärmesenke 7 ist als Lötfläche zur Montage der
Halbleiterlaserdiode auf der externen Wärmesenke 6 mittels der Lotschicht 5 ausgeführt. Die interne Wärmesenke 7 kann aus einer einzelnen Schicht eines Materials oder auch aus mehreren Schichten bestehen. Weiterhin ist es auch möglich, dass die interne Wärmesenke 7 eine laterale und/oder longitudinale Strukturierung wie in Verbindung mit den folgenden Ausführungsbeispielen gezeigt ist, aufweist.
Die interne Wärmesenke 7 kann beispielsweise eines oder mehrere Metalle, Legierungen, Dielektrika, Polymere,
kristalline Halbleiter, amorphe Halbleiter, Diamant, Keramik, Luft, Vakuum oder Kombinationen daraus aufweisen, wie im allgemeinen Teil beschrieben ist. Die interne Wärmesenke 7 kann insbesondere durch Aufdampfen, Zerstäuben, galvanisches Aufbringen, Abscheidung aus einem Plasma, Aufschleudern oder Bonden aufgebracht sein. Falls erforderlich, können eine oder mehrere Materialien oder Schichten der internen Wärmesenke, wie im allgemeinen Teil beschrieben, gegenüber der Umgebung verkapselt sein, beispielsweise durch ein reaktionsarmes Metall oder durch eine oben im allgemeinen Teil beschriebene Dünnschichtverkapseiung .
In den folgenden Ausführungsbeispielen sind
Halbleiterlaserdioden mit einer zusätzlichen strukturierten internen Wärmesenke 7 gezeigt, die als Teil der
strukturierten Wärme ableitenden Schicht 4 ausgebildet ist.
Die Halbleiterschichtenfolge 2 und die Metallisierungsschicht 3 kann wie in einem der vorherigen Ausführungsbeispiele ausgeführt sein. Die in den folgenden Ausführungsbeispielen gezeigten Strukturierungen der internen Wärmesenke 7 in zwei oder drei Dimensionen ermöglicht eine zusätzliche gezielte Beeinflussung der thermischen Leitfähigkeit in allen drei Dimensionen und damit eine Strukturierung des lokalen
thermischen Widerstands. Insbesondere weisen die im Folgenden gezeigten internen Wärmesenken 7 unterschiedliche Bereiche auf, die aus unterschiedlichen Materialien 71, 72, 73 mit unterschiedlichen Wärmeleitfähigkeiten bestehen. Im Vergleich zu konventionellen Wärmesenken, die
üblicherweise in vertikaler Richtung mehrere Metallschichten oder Kombinationen aus Metallen, Halbleitern und/oder
Keramikmaterialien, beispielsweise so genanntes DCB ("Direct Copper Bonded") aus Kupfer und Aluminiumnitrid, aufweisen und die also vertikal strukturiert sind, sind die hier gezeigten internen Wärmesenken 7 lateral und/oder longitudinal
strukturiert. Dabei sind die gewählten Materialien 71, 72, 73 nicht nur wie bei den bekannten vertikal strukturierten
Wärmesenken durch Fragen der Fertigbarkeit oder zur
Einstellung eines an die Halbleitermaterialien angepassten thermischen Ausdehnungskoeffizienten motiviert, sondern auch hinsichtlich der Homogenisierung der im Halbleitermaterial vorherrschenden Temperaturverteilung . Im Ausführungsbeispiel gemäß Figur 10A weist die interne
Wärmesenke 7 der Halbleiterlaserdiode ein erstes Material 71 auf, das lateral zwischen Bereichen mit einem zweiten
Material 72 angeordnet ist. Das erste Material 71 weist im Ausführungsbeispiel der Figur 10A, wie auch in den folgenden Ausführungsbeispielen der Figuren 10B bis 10H, eine höhere thermische Leitfähigkeit als das zweite Material 72 auf, sodass bevorzugt Wärme in der Nähe des aktiven Bereichs abgeleitet werden kann. Im Vergleich zum Ausführungsbeispiel der Figur 10A weist die Halbleiterlaserdiode gemäß dem Ausführungsbeispiel der Figur 10B eine interne Wärmesenke 7 auf, die auf ihrer der
Halbleiterschichtenfolge 2 zugewandten und abgewandten Seite über und unter dem zweiten Material 72 zusätzlich noch das erste Material 71 aufweist, wodurch eine im Vergleich zum Ausführungsbeispiel der Figur 10A höhere thermische
Leitfähigkeit erreicht werden kann.
Im Ausführungsbeispiel gemäß der Figur IOC weist das zweite Material 72 eine zusätzliche Strukturierung mit einer entlang der lateralen Richtung nach außen hin ansteigenden Dicke auf, wodurch die thermische Leitfähigkeit in lateraler Richtung nach außen hin kontinuierlich reduziert werden kann.
Im Ausführungsbeispiel gemäß der Figur 10D weist das erste Material 71 eine Breite auf, die mit steigendem Abstand zur Halbleiterschichtenfolge 2 hin ansteigt, wodurch eine
Aufweitung des Wärmestroms von der Metallisierungsschicht 3 hin zu einer externen Wärmesenke auf der der
Halbleiterschichtenfolge 2 abgewandten Seite der internen Wärmesenke erreicht werden kann. In Figur 10E ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Halbleiterlaserdiode gezeigt, bei dem das erste Material 71 mit steigendem Abstand zur Strahlungsauskoppelfläche 11 eine kleiner werdende Breite aufweist, sodass im Bereich der
Strahlungsauskoppelfläche 11 mehr Wärme abgeleitet werden kann als nahe der der Strahlungsauskoppelfläche 11
gegenüberliegenden Rückseitenfläche .
Im Ausführungsbeispiel der Figur 10F ist das zweite Material 72 streifenförmig lateral neben dem aktiven Bereich der
Halbleiterschichtenfolge 2 im ersten Material 71 eingebettet. Die schraffierten Bereiche unterhalb des zweiten Materials 72 dienen lediglich der besseren Erkennbarkeit der Lage des zweiten Materials 72 innerhalb des ersten Materials 71. Die interne Wärmesenke 7 gemäß dem Ausführungsbeispiel der Figur 10G weist zusätzlich zum zweiten Material 72 ein drittes Material 73 auf, das einen zum ersten und zweiten Material 71, 72 unterschiedlichen Wärmeleitungs-Koeffizienten aufweist, wodurch die Wärmeableitung und der lokale
thermische Widerstand der internen Wärmesenke 7 weiter einstellbar ist. Alternativ oder zusätzlich zu den gezeigten
Ausführungsbeispielen, bei denen das zweite Material 72 in longitudinaler Richtung kontinuierlich angeordnet ist, kann das zweite Material, wie in Figur 10H gezeigt ist, auch eine punktweise beziehungsweise bereichsweise Strukturierung aufweisen. Beispielsweise kann die Anzahl, Größe und/oder Dichte der Bereiche mit dem zweiten Material 72 im ersten Material 71 mit steigendem Abstand zur
Strahlungsauskoppelfläche 11 und/oder mit steigendem
lateralen Abstand zum aktiven Bereich größer werden.
In Figur 11 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer
Halbleiterlaserdiode mit einer als strukturierte Wärme ableitende Schicht 4 ausgebildeten internen Wärmesenke 7 gezeigt, die ein strukturiertes erstes Material 71 aufweist, das einen Abstand zur Strahlungsauskoppelfläche 11 und zur Rückseitenfläche 12 aufweist, sodass die
Halbleiterschichtenfolge 2 und die Metallisierungsschicht 3 einen Überstand über das erste Material 71 bilden. Der
Überstand kann beispielsweise durch eine lithografische
Strukturierung in einer Größenordnung von beispielsweise einigen Mikrometern hergestellt werden und die Notwendigkeit vermeiden, die Halbleiterlaserdiode genau auf die Kante einer externen Wärmesenke oder eines externen Trägers zu justieren, was im Stand der Technik notwendig zur Sicherstellung einer ausreichenden Kühlung der Strahlungsauskoppelfläche und einer damit verbundenen hohen Zuverlässigkeit ist. Da es auch im Stand der Technik üblicherweise notwendig ist, eine interne Wärmesenke beabstandet zur Strahlungsauskoppelfläche
anzuordnen, um die die Strahlungsauskoppelfläche bildende Facette mit hoher Qualität brechen zu können, verschlechtert sich im Stand der Technik hierdurch die Kühlung an der
Strahlungsauskoppelfläche .
Zur Verbesserung der thermischen Anbindung der
Strahlungsauskoppelfläche 11 und der Rückseitenfläche 12 wird bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel eine Kehle mit einem gut wärmeleitfähigen zweiten Material 72 jeweils in diesen Bereichen ausgebildet, sodass eine selbst justierte thermische Anbindung der Strahlungsauskoppelfläche 11 und der Rückseitenfläche 12 hergestellt werden kann. Derartige Kehlen können beispielsweise durch Aufbringen eines Depots mit dem zweiten Material 72 angrenzend an das erste Material 71 erfolgen, wobei das zweite Material 72 ein bei niedriger Temperatur schmelzendes Material mit guter thermischer
Leitfähigkeit, beispielsweise ein Metall wie Indium oder Zinn, aufweist oder daraus ist. Ein derartiges Depot wird bevorzugt vor der Erzeugung der Strahlungsauskoppelfläche 11, beispielsweise durch Brechen, auf die entsprechenden Bereiche eines Waferverbunds aus einer Vielzahl noch verbundener
Halbleiterlaserdioden aufgebracht und erst nach dem
Vereinzeln der Halbleiterlaserdioden durch Erhitzen über den Schmelzpunkt des zweiten Materials 72 so weit geschmolzen, dass sich eine selbst justierende Kehle ausbildet. Die Kehle kann je nach Material, vorhandener Menge, Abmessungen und Prozessparametern konkav oder konvex ausgebildet sein. Die in den Ausführungsbeispielen gezeigten und beschriebenen Merkmale betreffend die strukturierte Strom zuführende
Schicht, die Metallisierungsschicht und die interne
Wärmesenke können gemäß weiteren, nicht explizit gezeigten Ausführungsbeispielen zur Kombination der jeweiligen Effekte und Vorteile auch miteinander kombiniert sein.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von
Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den
Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.

Claims

Patentansprüche
1. Halbleiterlaserdiode, aufweisend
eine Halbleiterschichtenfolge (2) mit vertikal übereinander aufgebrachten Halbleiterschichten (21, 22, 23, 25, 26) mit einer aktiven Schicht (23) , die einen aktiven
Bereich (24) mit einer Breite von größer oder gleich 30 ym aufweist, der im Betrieb Laserstrahlung über eine Strahlungsauskoppelfläche (11) abstrahlt, wobei die Strahlungsauskoppelfläche (11) durch eine Seitenfläche der Halbleiterschichtenfolge (2) gebildet wird und mit einer gegenüberliegenden Rückseitenfläche (12) einen Resonator mit lateraler Gewinnführung in einer
longitudinalen Richtung bildet und wobei die
Halbleiterschichtenfolge (2) durch den Betrieb in einem thermischen Einflussbereich (29) erwärmt wird,
eine Metallisierungsschicht (3) in direktem Kontakt zumindest mit einem Teilbereich mit einer Oberseite (20) der
Halbleiterschichtenfolge (2), wobei die Oberseite (20) durch eine Halbleiterdeckschicht (25) gebildet wird, und eine strukturierte Wärme ableitende Schicht (4) auf der
Oberseite (20) der Halbleiterschichtenfolge (2), wobei die strukturierte Wärme ableitende Schicht (4) zumindest die Metallisierungsschicht (3) aufweist,
wobei die Metallisierungsschicht (3) eine kumulierte Breite (Bl) aufweist und das Verhältnis der kumulierten Breite (Bl) zu einer Breite (B2) des thermischen
Einflussbereichs (29) in Abhängigkeit von einem Abstand zur Strahlungsauskoppelfläche (11) variiert, wobei die strukturierte Wärme ableitende Schicht (4) eine
Wärmeableitung aus dem aktiven Bereich (24) ermöglicht, die entlang einer longitudinalen und/oder lateralen Richtung variiert. Halbleiterlaserdiode nach Anspruch 1, wobei sich das Verhältnis der kumulierten Breite (Bl) zur Breite (B2) des thermischen Einflussbereichs (29) mit steigendem Abstand zur Strahlungsauskoppelfläche (11) verringert.
Halbleiterlaserdiode nach Anspruch 1 oder 2, wobei sich die kumulierte Breite (Bl) der Metallisierungsschicht
(3) mit steigendem Abstand zur Strahlungsauskoppelfläche
(11) verringert.
Halbleiterlaserdiode nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Metallisierungsschicht (3) nahe der
Strahlungsauskoppelfläche (11) breiter als der
thermische Einflussbereich (29) ist.
Halbleiterlaserdiode nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Metallisierungsschicht (3) nahe der
Rückseitenfläche (12) schmäler als der thermische
Einflussbereich (29) ist.
Halbleiterlaserdiode nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Metallisierungsschicht (3) Öffnungen (31) aufweist, wobei zumindest eine oder mehrere
Eigenschaften ausgewählt aus Größe, Anzahl und Dichte der Öffnungen (31) mit steigendem Abstand zur
Strahlungsauskoppelfläche (11) größer wird.
Halbleiterlaserdiode nach Anspruch 6, wobei in den
Öffnungen (31) ein Material (32) angeordnet ist, das eine geringere Wärmeleitfähigkeit und/oder eine
geringere Lötbarkeit als die Metallisierungsschicht (3) aufweist .
8. Halbleiterlaserdiode nach einem der Ansprüche 2 bis 7, wobei die Metallisierungsschicht (3) in lateraler
Richtung einen Rand aufweist, der inselartig (30) strukturiert ist.
9. Halbleiterlaserdiode nach einem der vorherigen
Ansprüche, wobei die Halbleiterschichtenfolge (2) eine dem aktiven Bereich (24) Strom zuführende
Halbleiterschicht (26) zwischen der strukturierten Wärme ableitenden Schicht (4) und dem aktiven Bereich (24) aufweist, die eine Breite aufweist, die mit größer werdendem Abstand zur Strahlungsauskoppelfläche (11) zumindest in einem Teilbereich größer wird.
10. Halbleiterlaserdiode nach einem der vorherigen
Ansprüche, wobei die strukturierte Strom zuführende Halbleiterschicht (26) die Halbleiterdeckschicht (25) ist .
11. Halbleiterlaserdiode nach einem der vorherigen
Ansprüche, wobei zumindest eine Halbleiterschicht (27) zwischen der Halbleiterdeckschicht (25) und der aktiven Schicht (23) in lateraler Richtung einen Rand aufweist, der strukturiert ist.
12. Halbleiterlaserdiode nach einem der vorherigen
Ansprüche, wobei auf der Metallisierungsschicht (3) in direktem Kontakt eine interne Wärmesenke (7) aufgebracht ist .
13. Halbleiterlaserdiode nach Anspruch 12, wobei die interne Wärmesenke (7) eine der Halbleiterschichtenfolge (2) abgewandte Lötseite aufweist, über die die
Halbleiterlaserdiode mittels einer Lotschicht (5) auf einem externen Träger (6) montierbar ist.
Halbleiterlaserdiode nach Anspruch 12 oder 13, wobei die strukturierte Wärme ableitende Schicht (4) die interne Wärmesenke (7) aufweist und die interne Wärmesenke (7) zumindest in lateraler und/oder longitudinaler Richtung eine Strukturierung aufweist.
Halbleiterlaserdiode nach Anspruch 14, wobei die
Strukturierung der internen Wärmesenke (7) durch
Materialien (71, 72) mit unterschiedlicher
Wärmeleitfähigkeit gebildet wird.
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