WO2023151848A1 - Laserbauelement - Google Patents

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WO2023151848A1
WO2023151848A1 PCT/EP2022/084830 EP2022084830W WO2023151848A1 WO 2023151848 A1 WO2023151848 A1 WO 2023151848A1 EP 2022084830 W EP2022084830 W EP 2022084830W WO 2023151848 A1 WO2023151848 A1 WO 2023151848A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
optical element
laser
semiconductor laser
laser chip
chip
Prior art date
Application number
PCT/EP2022/084830
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Elmar Baur
Jan Seidenfaden
Thomas Kippes
Original Assignee
Ams-Osram International Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ams-Osram International Gmbh filed Critical Ams-Osram International Gmbh
Publication of WO2023151848A1 publication Critical patent/WO2023151848A1/de

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action

Definitions

  • a laser component is specified.
  • a method for producing a laser component is specified.
  • a problem to be solved is, among other things, to specify a laser component that is particularly inexpensive.
  • a further problem to be solved can consist, inter alia, of specifying a laser component which is particularly stable to aging.
  • a further problem to be solved consists, inter alia, of specifying a method for producing such a laser component.
  • a laser component is specified.
  • the laser component generates electromagnetic radiation, in particular laser radiation.
  • the laser component is set up to generate electromagnetic radiation with a wavelength that is in the wavelength range between infrared radiation and UV radiation.
  • the laser component comprises a semiconductor laser chip.
  • the semiconductor laser chip can be, for example, an edge-emitting semiconductor laser chip or a surface-emitting semiconductor laser chip.
  • the semiconductor laser chip includes, for example, a semiconductor body, reflective outer surfaces that form a resonator and electrical connection points for contacting the semiconductor laser chip.
  • the semiconductor laser chip includes a laser facet. During operation, the laser radiation generated by the semiconductor laser chip emerges from the laser facet of the semiconductor laser chip.
  • the laser facet is formed, for example, by an outer surface of the semiconductor laser chip, for example by a side surface or a top surface.
  • the laser facet includes an active zone, which includes the area of the laser facet at which the electromagnetic radiation generated during operation leaves the semiconductor laser.
  • an active layer of the semiconductor laser chip borders on a reflective layer of the semiconductor laser chip, which is part of the resonator of the semiconductor laser chip.
  • the laser component comprises an optical element which is arranged downstream of the semiconductor laser chip on the laser facet.
  • the optical element follows the laser facet of the semiconductor laser chip, in particular in an emission direction of the semiconductor laser chip.
  • the optical element is, for example, an optical element for beam shaping by means of optical refraction.
  • the optical element is then a lens for focusing the laser radiation.
  • the optical element it is possible for the optical element to be a diffractive one optical element (also DOE) in which beam shaping is based on the principle of optical diffraction.
  • the optical element is formed from a material that is transparent to the laser radiation, such as glass, a semiconductor material and/or a plastic material.
  • No further component of the laser component is arranged between the optical element and the laser facet.
  • the semiconductor laser chip and the optical element are connected to one another by means of a welded connection.
  • a welded connection is understood here and in the following to mean a non-destructively releasable mechanical connection that is produced under the action of heat and/or pressure between two joining partners of the laser component.
  • the welded connection is in particular free of a welding additive. This means that the welded connection is formed only by the material of the joining partners, which are connected to one another by the welded connection. The joining partners are therefore directly connected to one another without any additional connecting material such as a welding additive or an adhesive.
  • the laser component comprises a semiconductor laser chip with a laser facet, which comprises an active zone, and a optical component which is arranged downstream of the semiconductor laser chip on the laser facet.
  • the semiconductor laser chip and the optical component are connected to one another by means of a welded connection that is free of welding additives.
  • the laser component is based, inter alia, on the following considerations.
  • deposits of foreign matter are observed on the laser facet, which leads to degradation of the laser component, for example as a result of a reduction in the light output.
  • the deposit can be due to dust or suspended matter in the surrounding air.
  • the laser component described here is based on the idea that arranging the optical element particularly close to the laser facet reduces, inhibits and/or prevents a deposit of foreign substances from the surrounding atmosphere.
  • the use of a welded connection makes it possible to dispense with connecting materials, which enables the laser component to be manufactured particularly cost-effectively.
  • no other materials, for example connecting materials need to be optimized with regard to their optical and/or thermal properties, which in turn allows particularly simple and cost-effective production.
  • the distance between the optical element and the laser facet is at most 10 pm, in particular at most 7 pm or at most 1 pm. Distances of 500 nm and less are also possible. In particular, there is the smallest distance between the optical element and the laser facet in the area of the active zone. It has been shown that such small distances ensure that the deposition of foreign substances from the atmosphere on the laser facet is greatly reduced or prevented.
  • the optical element and the semiconductor laser chip are in direct contact with one another at the laser facet.
  • the direct contact between the two elements can be mediated by the welded connection, for example.
  • the welded connection can be located between the optical element and the semiconductor laser chip, so that direct physical contact between these two components of the laser component is mediated by the welded connection.
  • the laser component comprises a carrier.
  • the remaining components of the laser component, in particular the semiconductor laser chip and the optical element, are attached to the carrier.
  • the carrier then represents the mechanically supporting component of the laser component.
  • the optical element is connected to the semiconductor laser chip by means of the carrier and the welded connection is arranged between the optical element and the carrier.
  • a welded connection can then likewise be arranged between the optical element and the semiconductor laser chip, or these two components are not connected to one another by a direct welded connection. That is, it is also possible in particular that the optical element and the semiconductor laser chip via the carrier as an intermediary are connected to each other and the welded connection is arranged only between the optical element and the carrier.
  • the carrier On its outer surface facing the optical element, the carrier can have, for example, a material which is suitable for the welded connection.
  • the carrier can comprise a layer on its outer surface facing the optical element, which is formed with a metal oxide and/or a semiconductor oxide, such as silicon dioxide, a glass and/or a glass ceramic.
  • the welded connection comprises a welded seam which runs in a connection area between the optical element and the carrier and which comprises the material of the optical element and the carrier.
  • the welded connection is arranged between the optical element and the semiconductor laser chip.
  • a welded connection it is also possible for a welded connection to be arranged between the optical element and a carrier of the laser component.
  • the welded connection between the optical element and the semiconductor laser chip it is also possible for the welded connection between the optical element and the semiconductor laser chip to represent the only connection between these two components of the laser component.
  • the welded connection mediates a direct physical contact between the optical element and the semiconductor laser chip.
  • the semiconductor laser chip can, for example, comprise a reflective layer on the laser facet Metal oxides and / or semiconductor oxides includes.
  • the reflective layer then forms part of the resonator of the semiconductor laser chip.
  • the welded connection can be formed in particular with material of the optical element and the reflective layer.
  • the reflective layer may comprise silicon dioxide, for example, and the optical element may be formed with or consist of glass, such that the welded joint comprises or consists of silicon dioxide, for example.
  • the welded connection comprises a welded seam.
  • a weld seam connects components materially at a weld joint.
  • the weld joint is understood to mean the area in which the components are joined together.
  • a weld is a weld along a bond line or bond curve.
  • the components are only materially connected along the connecting line or connecting curve.
  • a weld seam is spatially limited to an area of the components in which the components are connected to one another.
  • the weld seam does not connect the components over their entire surface facing one another, in particular not over an area.
  • the welded connection comprises a welded seam between the optical element and the semiconductor laser chip.
  • the weld seam between the optical element and the semiconductor laser chip is the only connection between these two components of the laser device.
  • the Connection between the optical element and the semiconductor chip free of further connection material. The weld provides direct physical contact between the optical element and the semiconductor laser chip.
  • the weld seam does not connect the optical element and the semiconductor laser chip over an area.
  • the weld seam is arranged in a spatially limited area between the optical element and the semiconductor laser chip, for example along a line or curve.
  • the welded connection comprises a welded seam which runs in a connection area between the optical element and the semiconductor laser chip and which comprises the material of the optical element and the semiconductor laser chip.
  • the weld seam runs along a curve, for example, so that a planar connection between the optical element and the semiconductor laser chip is produced by the weld connection.
  • the weld seam can, for example, comprise a plurality of concentric curves and/or meandering curves which are arranged, for example, in a zigzag pattern between the optical element and the semiconductor laser chip. In this way it is possible to create a connection that is as flat as possible between these two components.
  • the welded connection it is possible for the welded connection to be arranged at a distance from the active zone and, for example, to only run on one side of the active zone.
  • the weld seam encloses the active zone laterally. In this case, the weld seam is guided around the active zone laterally in the plane of the connection region between the optical element and the semiconductor laser chip.
  • the laser component does not have a hermetically sealed housing.
  • the laser component can, for example, comprise a housing that is not hermetically sealed, or the laser component is free of any housing and the components of the laser component are arranged together, for example, on a carrier of the laser component.
  • the omission of a hermetically sealed housing is possible in particular due to the arrangement of the optical element at a small distance from the laser facet and allows the production of particularly compact and cost-effective laser components.
  • a method for producing a laser component is also specified.
  • a laser component described here can be produced by means of the method. That is, all for that Features disclosed for the laser component are also disclosed for the method and vice versa.
  • a semiconductor laser chip having a laser facet that includes an active zone is first provided.
  • an optical element is provided.
  • the optical element is placed on the laser facet.
  • the semiconductor laser chip and the optical element are connected in a connection region by means of a welding process, with the welding process taking place without additives.
  • the method comprises the following steps:
  • the semiconductor laser chip and the optical element can be connected to one another directly at an interface between the semiconductor laser chip and the optical element by means of the welding process.
  • the optical element can be connected by means of a welding process in a connection region between the optical element and a carrier, and for the semiconductor laser chip and optical element to be connected to one another indirectly via the carrier after being connected to the carrier.
  • the connection of the semiconductor laser chip and the optical element in a connection area by means of a welding process includes the production of a weld seam.
  • the weld seam between the optical element and the semiconductor laser chip is the only connection between these two components of the laser device.
  • the connection between the optical element and the semiconductor chip is free of further connection material.
  • the weld seam is not produced over an area between the optical element and the semiconductor laser chip.
  • the weld seam is produced in a spatially limited area between the optical element and the semiconductor laser chip, for example along a line or curve.
  • the welding process takes place by means of a laser beam that is focused in the connection area.
  • a laser beam is guided through the optical element, for example, and focused on the interface between the components to be connected. This creates an area of high power density at the interface, in which the joining partners melt locally.
  • the laser beam is then along moved along a curve, for example, so that a weld seam is created that is formed with materials from the joining partners.
  • a welding process such as that offered by the Primoceler company for connecting glasses can be used for this purpose.
  • the use of alternative laser welding methods is also possible.
  • the laser When attaching the optical element to a carrier by means of the welded connection, it is also possible, with a suitable carrier material, for the laser to be focused through the carrier onto the interface between the laser and the optical element.
  • FIGS. 1A and 1B A first exemplary embodiment of a method described here and a first exemplary embodiment of a laser component described here are explained in more detail on the basis of the schematic illustrations in FIGS. 1A and 1B.
  • FIGS. 2A and 2B A second exemplary embodiment of a method described here and a second exemplary embodiment of a laser component described here are explained in more detail on the basis of the schematic illustrations in FIGS. 2A and 2B.
  • a third exemplary embodiment of a method described here and a third exemplary embodiment of a laser component described here are explained in more detail on the basis of the schematic illustration in FIG. Elements that are the same, of the same type or have the same effect are provided with the same reference symbols in the figures.
  • the figures and the relative sizes of the elements shown in the figures are not to be regarded as being to scale. Rather, individual elements can be shown in an exaggerated size for better representation and/or for better comprehensibility.
  • a semiconductor laser chip 1 is first provided.
  • the semiconductor laser chip 1 is, for example, an edge-emitting or a surface-emitting semiconductor laser chip.
  • the semiconductor laser chip includes a laser facet 1a, through which the laser radiation generated in the semiconductor laser chip 1 leaves the semiconductor laser chip during operation.
  • a reflective layer 12 is formed on the laser facet la.
  • the reflective layer 12 forms part of the resonator of the semiconductor laser chip 1 .
  • the reflective layer 12 comprises, for example, metal oxides and/or semiconductor oxides, in particular alternately arranged layers with different refractive indices.
  • the outermost layer of the reflective layer can be formed with a material such as silicon dioxide.
  • An optical element 2 is also provided.
  • the optical element 2 can be provided for shaping the beam of the laser radiation, for example by refraction and/or diffraction can take place.
  • the optical element 2 is formed, for example, with a glass.
  • the optical element 2 is arranged as close as possible to the laser facet la, so that a distance d between the laser facet and the optical element 2 is at most 10 pm, in particular at most 7 pm.
  • a laser 5 is also provided which generates laser radiation 7 .
  • the laser radiation 7 is focused, for example, via an optical system 6 onto the interface between the optical element 2 and the semiconductor laser chip 1 , so that a welded connection 3 is created in the first connection area 41 after the solidification of the melted material.
  • FIG. 1B shows a plan view through the optical element onto the first connecting region 41 between the optical element 2 and the semiconductor laser chip 1.
  • FIG. 1B the welded connection 3 is formed along a welded seam 31 which runs as a meandering curve in order to create a connection region 41 which is particularly large in terms of surface area.
  • the weld seam 31 runs above the active zone 11, which is arranged at the lower end of the laser facet 1a.
  • the result is a laser component with the semiconductor laser chip 1 with a laser facet la, which includes the active zone 11 .
  • the optical element 2 is arranged downstream on the laser facet 1a in the semiconductor laser chip 1 and the semiconductor laser chip and the optical element 2 are connected to one another by means of the welded connection 3, which is free of welding additives. Through the weld 3 is a direct physical
  • the welded connection 3 comprises a welded seam 31 which runs in the first connection region 41 between the optical element 2 and the semiconductor laser chip 1 and comprises material from both components.
  • the semiconductor laser chip 1 comprises the reflective layer 12 on the laser facet 1a, the material of which forms the welded connection 3 with the material of the optical element.
  • the laser component remains free of a hermetically sealed housing and comprises at most one housing 9 that is not hermetically sealed.
  • the active zone 11 is enclosed laterally by at least one weld seam 31 .
  • the active zone 11 is surrounded by two weld seams 31, which together form the welded joint 3.
  • the weld seams 31 run concentrically to each other. This way can a mechanically particularly stable connection can be made between the optical element 2 and the semiconductor laser chip 1 .
  • the laser facet is particularly well protected from contamination in the area of the active zone 11 .
  • the welded connection includes a welded seam 31 that runs in a second connection area 42 between the optical element 2 and the carrier 8 and the material of the optical element
  • the carrier 8 can, for example, comprise a layer on its top side facing the optical element 2, which layer is formed with a glass or a glass ceramic.
  • a further welded connection 3 to be formed between the optical element 2 and the semiconductor laser chip 1, as is described in connection with the exemplary embodiments in FIGS. 1A, 1B, 2A and 2B. It is also possible in this exemplary embodiment that the distance d between the optical element 2 and the semiconductor laser 12 is selected to be somewhat greater than is the case for an exemplary embodiment in which the optical element and the semiconductor laser chip
  • the optical element 2 can be connected directly to each other by a weld joint arranged between them. This allows higher tolerances when the optical element 2 is subsequently arranged on the semiconductor laser chip 1 . Overall, the close or direct arrangement of the optical element 2 on the laser facet 1a, the laser facet of the ambient air, which may contain harmful molecules isolated. This prevents foreign matter from being deposited on the laser facet and hermetically encapsulating the laser component is no longer necessary. This allows a particularly cost-effective production of a laser component that can be characterized by high aging stability.
  • the invention is not limited to the description based on the exemplary embodiments. Rather, the invention encompasses every new feature and every combination of features, which in particular includes every combination of features in the patent claims, even if this feature or this combination itself is not explicitly specified in the patent claims or exemplary embodiments.

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Abstract

Es wird ein Laserbauelement angegeben umfassend - einen Halbleiterlaserchip (1) mit einer Laserfacette (1a), die eine aktive Zone (11) umfasst, und - einem optischen Element (2), das dem Halbleiterlaserchip (1) an der Laserfacette (1a) nachgeordnet ist, wobei - der Halbleiterlaserchip (1) und das optische Element (2) mittels einer Schweißverbindung (3), die frei von Schweißzusatzstoffen ist, miteinander verbunden sind.

Description

LASERBAUELEMENT
Es wird ein Laserbauelement angegeben . Darüber hinaus wird ein Verfahren zur Herstellung eines Laserbauelements angegeben .
Eine zu lösende Aufgabe besteht unter anderem darin, ein Laserbauelement anzugeben, das besonders kostengünstig ist . Eine weitere zu lösende Aufgabe kann unter anderem darin bestehen, ein Laserbauelement anzugeben, das besonders alterungsstabil ist . Eine weitere zu lösende Aufgabe besteht unter anderem unter anderem darin, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Laserbauelements anzugeben .
Es wird ein Laserbauelement angegeben . Das Laserbauelement erzeugt im Betrieb elektromagnetische Strahlung, insbesondere Laserstrahlung . Das Laserbauelement ist dazu eingerichtet , elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge zu erzeugen, die im Wellenlängenbereich zwischen Infrarotstrahlung und UV-Strahlung liegt .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form des Laserbauelements umfasst das Laserbauelement einen Halbleiterlaserchip . Bei dem Halbleiterlaserchip kann es sich beispielsweise um einen kantenemittierenden Halbleiterlaserchip oder einen oberflächenemittierenden Halbleiterlaserchip handeln .
Der Halbleiterlaserchip umfasst beispielsweise einen Halbleiterkörper, reflektierende Außenflächen, die einen Resonator bilden und elektrische Anschlussstellen zur Kontaktierung des Halbleiterlaserchips . Der Halbleiterlaserchip umfasst eine Laserf acette . An der Laserfacette des Halbleiterlaserchips tritt im Betrieb die vom Halbleiterlaserchip erzeugte Laserstrahlung aus . Die Laserfacette ist beispielsweise durch eine Außenfläche des Halbleiterlaserchips gebildet , beispielsweise durch eine Seitenfläche oder eine Deckfläche .
Die Laserfacette umfasst eine aktive Zone , welche den Bereich der Laserfacette umfasst , an der die im Betrieb erzeugte elektromagnetische Strahlung den Halbleiterlaser verlässt . Beispielsweise grenzt im Bereich der aktiven Zone eine aktive Schicht des Halbleiterlaserchips an eine reflektierende Schicht des Halbleiterlaserchips , die Teil des Resonators des Halbleiterlaserchips ist .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form des Laserbauelements umfasst das Laserbauelement ein optisches Element , das dem Halbleiterlaserchip an der Laserfacette nachgeordnet ist . Das optische Element folgt der Laserfacette des Halbleiterlaserchips , insbesondere in einer Abstrahlrichtung des Halbleiterlaserchips , nach .
Damit ist es möglich, dass sämtliche oder zumindest ein Großteil der Laserstrahlung, die den Halbleiterlaserchip verlässt , durch das optische Element tritt und von diesem optisch beeinflusst wird .
Bei dem optischen Element handelt es sich beispielsweise um optisches Element zur Strahl formung mittels optischer Brechung . Beispielsweise handelt es sich bei dem optischen Element dann um eine Linse zur Fokussierung der Laserstrahlung . Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass es sich bei dem optischen Element um ein di f fraktives optisches Element ( auch DOE ) handelt , bei dem die Strahl formung auf dem Prinzip der optischen Beugung basiert .
Das optische Element ist mit einem für die Laserstrahlung durchlässigen Material wie beispielsweise einem Glas , einem Halbleitermaterial und/oder einem Kunststof fmaterial gebildet .
Zwischen dem optischen Element und der Laserfacette ist keine weitere Komponente des Laserbauelements angeordnet . Es kann sich j edoch zumindest bereichsweise ein Spalt , der zum Beispiel mit Luft gefüllt ist , zwischen der Laserfacette und dem optischen Element befinden .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form des Laserbauelements sind der Halbleiterlaserchip und das optische Element mittels einer Schweißverbindung miteinander verbunden . Unter einer Schweißverbindung wird hier und im Folgenden eine nicht zerstörungs frei lösbare mechanische Verbindung verstanden, die unter der Einwirkung von Wärme und/oder Druck zwischen zwei Fügepartnern des Laserbauelements erzeugt ist .
Die Schweißverbindung ist dabei insbesondere frei von einem Schweiß zusatzstof f . Das heißt , die Schweißverbindung ist nur durch Material der Fügepartner, welche durch die Schweißverbindung miteinander verbunden sind, gebildet . Die Fügepartner sind daher ohne ein weiteres Verbindungsmaterial wie beispielsweise einem Schweiß zusatzstof f oder einem Klebstof f direkt miteinander verbunden .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form des Laserbauelements umfasst das Laserbauelement einen Halbleiterlaserchip mit einer Laserfacette , die eine aktive Zone umfasst , und ein optisches Bauelement , das dem Halbleiterlaserchip an der Laserfacette nachgeordnet ist . Dabei sind der Halbleiterlaserchip und das optische Bauelement mittels einer Schweißverbindung, die frei von Schweiß zusatzstof fen ist , miteinander verbunden .
Dem Laserbauelement liegen dabei unter anderem die folgenden Überlegungen zugrunde . Bei Halbleiterlaserbauelementen, die beispielsweise an of fener Atmosphäre betrieben werden, wird eine Ablagerung von Fremdstof fen an der Laserfacette beobachtet , die zu einer Degradation des Laserbauelements , beispielsweise durch Abnahme der Lichtleistung, führt . Die Ablagerung kann dabei aufgrund von Staub oder Schwebstof fen in der umgebenden Luft erfolgen .
Dem hier beschriebenen Laserbauelement liegt nun die Idee zugrunde , dass ein Anordnen des optischen Elements besonders nahe an der Laserfacette eine Ablagerung von Fremdstof fen aus der umgebenden Atmosphäre reduziert , hemmt und/oder verhindert . Die Verwendung einer Schweißverbindung erlaubt es dabei , auf Verbindungsmaterialien zu verzichten, was eine besonders kostengünstige Herstellung des Laserbauelements ermöglicht . Darüber hinaus müssen keine weiteren Materialien, zum Beispiel Verbindungsmaterialien, hinsichtlich ihrer optischen und/oder thermischen Eigenschaften optimiert werden, was wiederum eine besonders einfache und kostengünstige Herstellung erlaubt .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form des Laserbauelements beträgt der Abstand zwischen dem optischen Element und der Laserfacette höchstens 10 pm, insbesondere höchstens 7 pm oder höchstens 1 pm . Auch Abstände von 500 nm und weniger sind möglich . Insbesondere besteht der kleinste Abstand zwischen dem optischen Element und der Laserfacette im Bereich der aktiven Zone . Es hat sich dabei gezeigt , dass derart geringe Abstände dafür sorgen, dass die Ablagerung von Fremdstof fen aus der Atmosphäre an der Laserfacette stark reduziert oder verhindert ist .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form des Laserbauelements stehen das optische Element und der Halbleiterlaserchip an der Laserfacette in direktem Kontakt miteinander . Der direkte Kontakt zwischen den beiden Elementen kann beispielsweise durch die Schweißverbindung vermittelt sein . Das heißt , in diesem Fall kann sich die Schweißverbindung zwischen dem optischen Element und dem Halbleiterlaserchip befinden, sodass durch die Schweißverbindung ein direkter physischer Kontakt zwischen diesen beiden Komponenten des Laserbauelements vermittelt ist .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form des Laserbauelements umfasst das Laserbauelement einen Träger . Auf dem Träger sind die übrigen Komponenten des Laserbauelements , insbesondere der Halbleiterlaserchip und das optische Element , befestigt . Der Träger stellt dann die mechanisch tragende Komponente des Laserbauelements dar . Das optische Element ist mittels dem Träger mit dem Halbleiterlaserchip verbunden und die Schweißverbindung ist zwischen dem optischen Element und dem Träger angeordnet .
Zwischen dem optischen Element und dem Halbleiterlaserchip kann dann ebenfalls eine Schweißverbindung angeordnet sein, oder diese beiden Komponenten sind nicht durch eine direkte Schweißverbindung miteinander verbunden . Das heißt , es ist insbesondere auch möglich, dass das optische Element und der Halbleiterlaserchip über den Träger als Vermittler miteinander verbunden sind und die Schweißverbindung nur zwischen optischem Element und Träger angeordnet ist .
Der Träger kann an seiner dem optischen Element zugewandten Außenfläche beispielsweise ein Material aufweisen, welches sich für die Schweißverbindung eignet . Beispielsweise kann der Träger an seiner dem optischen Element zugewandten Außenfläche eine Schicht umfassen, die mit einem Metalloxid und/oder einem Halbleiteroxid, wie beispielsweise Sili ziumdioxid, einem Glas und/oder einer Glaskeramik gebildet ist .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form des Laserbauelements umfasst die Schweißverbindung eine Schweißnaht , die in einem Verbindungsbereich zwischen optischem Element und dem Träger verläuft und die Material des optischen Elements und des Trägers umfasst .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form des Laserbauelements ist die Schweißverbindung zwischen dem optischen Element und dem Halbleiterlaserchip angeordnet . Dabei ist es zusätzlich möglich, dass auch eine Schweißverbindung zwischen dem optischen Element und einem Träger des Laserbauelements angeordnet ist . Es ist j edoch auch möglich, dass die Schweißverbindung zwischen dem optischen Element und dem Halbleiterlaserchip die einzige Verbindung zwischen diesen beiden Komponenten des Laserbauelements darstellt . Die Schweißverbindung vermittelt einen direkten physischen Kontakt zwischen dem optischen Element und dem Halbleiterlaserchip .
Der Halbleiterlaserchip kann an der Laserfacette beispielsweise eine reflektierende Schicht umfassen, die Metalloxide und/oder Halbleiteroxide umfasst . Die reflektierende Schicht bildet dann einen Teil des Resonators des Halbleiterlaserchips . Die Schweißverbindung kann insbesondere mit Material des optischen Elements und der reflektierenden Schicht gebildet sein .
Die reflektierende Schicht kann beispielsweise Sili ziumdioxid umfassen und das optische Element kann mit Glas gebildet sein oder aus Glas bestehen, sodass die Schweißverbindung beispielsweise Sili ziumdioxid umfasst oder aus Sili ziumdioxid besteht .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form des Laserbauelements umfasst die Schweißverbindung eine Schweißnaht . Eine Schweißnaht verbindet Bauteile stof f schlüssig an einem Schweißstoß . Unter Schweißstoß wird der Bereich verstanden, in dem die Bauteile miteinander vereinigt werden . Insbesondere ist eine Schweißnaht eine Schweißverbindung entlang einer Verbindungslinie oder Verbindungskurve . Dabei sind die Bauteile lediglich entlang der Verbindungslinie oder Verbindungskurve stof f schlüssig verbunden . Mit anderen Worten ist eine Schweißnaht räumlich auf einen Bereich der Bauteile beschränkt , in dem die Bauteile miteinander verbunden sind . Die Schweißnaht verbindet die Bauteile nicht über ihre gesamte einander zugewandte Fläche , insbesondere nicht flächig .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form des Laserbauelements umfasst die Schweißverbindung eine Schweißnaht zwischen dem optischen Element und dem Halbleiterlaserchip . Insbesondere ist die Schweißnaht zwischen dem optischen Element und dem Halbleiterlaserchip die einzige Verbindung zwischen diesen beiden Komponenten des Laserbauelements . Insbesondere ist die Verbindung zwischen dem optischen Element und dem Halbleiterchip frei von weiterem Verbindungsmaterial . Die Schweißnaht vermittelt einen direkten physischen Kontakt zwischen dem optischen Element und dem Halbleiterlaserchip .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form verbindet die Schweißnaht das optische Element und den Halbleiterlaserchip nicht flächig . Mit anderen Worten ist die Schweißnaht in einen räumlich begrenzten Bereich zwischen dem optischen Element und dem Halbleiterlaserchip angeordnet , beispielsweise entlang einer Linie oder Kurve .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form des Laserbauelements umfasst die Schweißverbindung eine Schweißnaht , die in einem Verbindungsbereich zwischen optischem Element und Halbleiterlaserchip verläuft und die Material des optischen Elements und des Halbleiterlaserchips umfasst . Die Schweißnaht verläuft beispielsweise entlang einer Kurve , sodass eine flächige Verbindung zwischen dem optischen Element und dem Halbleiterlaserchip durch die Schweißverbindung erzeugt ist . Die Schweißnaht kann beispielsweise mehrere konzentrisch verlaufende Kurven umfassen und/oder mäandernde Kurven, die zum Beispiel in einem Zick-Zack-Muster zwischen optischem Element und Halbleiterlaserchip angeordnet sind . Auf diese Weise ist es möglich, eine möglichst flächige Verbindung zwischen diesen beiden Komponenten zu erzeugen .
Dabei ist es möglich, dass die Schweißverbindung beabstandet zur aktiven Zone angeordnet ist und beispielsweise nur an einer Seite der aktiven Zone verläuft . Gemäß zumindest einer Aus führungs form des Laserbauelements umschließt die Schweißnaht die aktive Zone seitlich . In diesem Fall ist die Schweißnaht seitlich in der Ebene des Verbindungsbereichs zwischen dem optischen Element und dem Halbleiterlaserchip um die aktive Zone herumgeführt .
In diesem Fall ist es möglich, die aktive Zone über die Schweißnaht , die die aktive Zone seitlich umschließt , hermetisch abzudichten, sodass die aktive Zone von der Schweißnaht , dem optischen Element und dem Halbleiterlaserchip seitlich umschlossen ist . Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass sich keine Fremdstof fe im Bereich der aktiven Zone anlagern können .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form des Laserbauelements ist das Laserbauelement frei von einem hermetisch dichten Gehäuse . Das heißt , das Laserbauelement kann beispielsweise ein Gehäuse umfassen, das nicht hermetisch abgedichtet ist oder das Laserbauelement ist frei von j eglichen Gehäusen und die Komponenten des Laserbauelements sind gemeinsam zum Beispiel auf einem Träger des Laserbauelements angeordnet .
Der Verzicht auf ein hermetisch dichtes Gehäuse ist insbesondere aufgrund der Anordnung des optischen Elements im geringen Abstand zur Laserfacette möglich und erlaubt die Herstellung besonders kompakter und kostengünstiger Laserbauelemente .
Es wird weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines Laserbauelements angegeben . Mittels dem Verfahren kann insbesondere ein hier beschriebenes Laserbauelement hergestellt werden . Das heißt , sämtliche für das Laserbauelement of fenbarten Merkmale sind auch für das Verfahren of fenbart und umgekehrt .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form des Verfahrens erfolgt zunächst ein Bereitstellen eines Halbleiterlaserchips mit einer Laserfacette , die eine aktive Zone umfasst .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form des Verfahrens erfolgt das Bereitstellen eines optischen Elements . Das optische Element wird an der Laserfacette angeordnet .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form des Verfahrens erfolgt in einem weiteren Verfahrensschritt ein Verbinden des Halbleiterlaserchips und des optischen Elements in einem Verbindungsbereich mittels eines Schweißvorgangs , wobei der Schweißvorgang ohne Zusatzstof fe erfolgt .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form des Verfahrens umfasst das Verfahren die folgenden Schritte :
- Bereitstellen eines Halbleiterlaserchips mit einer Laserfacette , die eine aktive Zone umfasst ,
- Bereitstellen eines optischen Elements ,
- Anordnen des optischen Elements an der Laserfacette ,
- Verbinden des Halbleiterlaserchips und des optischen Elements in einem Verbindungsbereich mittels eines Schweißvorgangs , wobei der Schweißvorgang ohne Schweiß zusatzstof fen erfolgt .
Der Halbleiterlaserchip und das optische Element können dabei direkt an einer Grenz fläche zwischen Halbleiterlaserchip und optischem Element mittels des Schweißvorgangs miteinander verbunden werden . Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass ein Verbinden des optischen Elements mittels eines Schweißvorgangs in einem Verbindungsbereich zwischen optischem Element und einem Träger erfolgt und Halbleiterlaserchip und optisches Element nach dem Verbinden mit dem Träger über den Träger mittelbar miteinander verbunden sind .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form des Verfahrens umfasst das Verbinden des Halbleiterlaserchips und des optischen Elements in einem Verbindungsbereich mittels eines Schweißvorgangs das Erzeugen einer Schweißnaht . Insbesondere ist die Schweißnaht zwischen dem optischen Element und dem Halbleiterlaserchip die einzige Verbindung zwischen diesen beiden Komponenten des Laserbauelements . Insbesondere ist die Verbindung zwischen dem optischen Element und dem Halbleiterchip frei von weiterem Verbindungsmaterial .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form des Verfahrens wird die Schweißnaht nicht flächig zwischen dem optischen Element und dem Halbleiterlaserchip erzeugt . Insbesondere wird die Schweißnaht in einem räumlich begrenzten Bereich zwischen dem optischen Element und dem Halbleiterlaserchip erzeugt , beispielsweise entlang einer Linie oder Kurve .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form des Verfahrens erfolgt der Schweißvorgang mittels eines Laserstrahls , der im Verbindungsbereich fokussiert ist . Dazu wird ein Laserstrahl beispielsweise durch das optische Element geführt und an der Grenz fläche zwischen den zu verbindenden Komponenten fokussiert . Damit entsteht an der Grenz fläche ein Bereich hoher Leistungsdichte , in dem die Fügepartner lokal auf schmel zen . Der Laserstrahl wird dann entlang beispielsweise einer Kurve bewegt , sodass eine Schweißnaht entsteht , die mit Materialien der Fügepartner gebildet ist .
Dazu kann beispielsweise ein Schweißverfahren Verwendung finden, wie es von der Firma Primoceler zum Verbinden von Gläsern angeboten wird . Allerdings ist auch die Verwendung alternativer Laserschweißverfahren möglich . Bei der Befestigung des optischen Elements mittels der Schweißverbindung an einem Träger ist es auch möglich, dass bei geeignetem Trägermaterial der Laser durch den Träger hindurch auf die Grenz fläche zwischen Laser und optischem Element fokussiert wird .
Im Folgenden werden das hier beschriebene Laserbauelement sowie das hier beschriebene Verfahren anhand von Aus führungsbeispielen und den dazugehörigen Figuren näher erläutert .
Anhand der schematischen Darstellungen der Figuren 1A und 1B sind ein erstes Aus führungsbeispiel eines hier beschriebenen Verfahrens sowie ein erstes Aus führungsbeispiel eines hier beschriebenen Laserbauelements näher erläutert .
Anhand der schematischen Darstellungen der Figuren 2A und 2B sind ein zweites Aus führungsbeispiel eines hier beschriebenen Verfahrens sowie ein zweites Aus führungsbeispiel eines hier beschriebenen Laserbauelements näher erläutert .
Anhand der schematischen Darstellung der Figur 3 sind ein drittes Aus führungsbeispiel eines hier beschriebenen Verfahrens sowie ein drittes Aus führungsbeispiel eines hier beschriebenen Laserbauelements näher erläutert . Gleiche , gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugs zeichen versehen . Die Figuren und die Größenverhältnisse der in den Figuren dargestellten Elemente untereinander sind nicht als maßstäblich zu betrachten . Vielmehr können einzelne Elemente zur besseren Darstellbarkeit und/oder für eine bessere Verständlichkeit übertrieben groß dargestellt sein .
In Verbindung mit der schematischen Schnittdarstellung der Figur 1A ist ein erstes Aus führungsbeispiel eines hier beschriebenen Verfahrens näher erläutert .
Bei dem Verfahren wird zunächst ein Halbleiterlaserchip 1 bereitgestellt . Bei dem Halbleiterlaserchip 1 handelt es sich beispielsweise um einen kantenemittierenden oder um einen oberflächenemittierenden Halbleiterlaserchip . Der Halbleiterlaserchip umfasst eine Laserfacette la, durch die im Betrieb die im Halbleiterlaserchip 1 erzeugte Laserstrahlung den Halbleiterlaserchip verlässt .
An der Laserfacette la ist eine reflektierende Schicht 12 ausgebildet . Die reflektierende Schicht 12 bildet einen Teil des Resonators des Halbleiterlaserchips 1 . Die reflektierende Schicht 12 umfasst beispielsweise Metalloxide und/oder Halbleiteroxide , insbesondere alternierend angeordnete Schichten mit unterschiedlichem Brechungsindex .
Beispielsweise kann die äußerste Schicht der reflektierenden Schicht mit einem Material wie Sili ziumdioxid gebildet sein .
Es wird ferner ein optisches Element 2 bereitgestellt . Das optische Element 2 kann zur Strahl formung der Laserstrahlung vorgesehen sein, welche beispielsweise durch Brechung und/oder Beugung erfolgen kann . Das optische Element 2 ist im Aus führungsbeispiel der Figur 1A beispielsweise mit einem Glas gebildet .
Das optische Element 2 wird möglichst nahe an der Laserfacette la angeordnet , sodass ein Abstand d zwischen der Laserfacette und dem optischen Element 2 höchstens 10 pm, insbesondere höchstens 7 pm, beträgt .
Es wird ferner ein Laser 5 zur Verfügung gestellt , der Laserstrahlung 7 erzeugt . Die Laserstrahlung 7 wird beispielsweise über eine Optik 6 auf die Grenz fläche zwischen optischem Element 2 und Halbleiterlaserchip 1 fokussiert , sodass im ersten Verbindungsbereich 41 eine Schweißverbindung 3 nach dem Erstarren des auf geschmol zenen Materials entsteht .
Die schematische Ansicht der Figur 1B zeigt eine Aufsicht durch das optische Element hindurch auf den ersten Verbindungsbereich 41 zwischen dem optischen Element 2 und dem Halbleiterlaserchip 1 . Wie aus der Figur 1B ersichtlich ist , wird die Schweißverbindung 3 entlang einer Schweißnaht 31 ausgebildet , die als mäandernde Kurve verläuft , um einen flächenmäßig besonders großen Verbindungsbereich 41 zu schaf fen . Im Aus führungsbeispiel der Figuren 1A und 1B verläuft die Schweißnaht 31 oberhalb der aktiven Zone 11 , welche am unteren Ende der Laserfacette la angeordnet ist .
Es resultiert ein Laserbauelement mit dem Halbleiterlaserchip 1 mit einer Laserfacette la, die die aktive Zone 11 umfasst . Das optische Element 2 ist im Halbleiterlaserchip 1 an der Laserfacette la nachgeordnet und der Halbleiterlaserchip und das optische Element 2 sind mittels der Schweißverbindung 3 , die frei von Schweiß zusatzstof fen ist , miteinander verbunden . Durch die Schweißverbindung 3 ist ein direkter physischer
Kontakt zwischen dem Halbleiterlaserchip 1 und dem optischen Element vermittelt .
Die Schweißverbindung 3 umfasst eine Schweißnaht 31 , die im ersten Verbindungsbereich 41 zwischen dem optischen Element 2 und dem Halbleiterlaserchip 1 verläuft und Material beider Komponenten umfasst . Dabei umfasst der Halbleiterlaserchip 1 an der Laserfacette la die reflektierende Schicht 12 , deren Material mit dem Material des optischen Elements die Schweißverbindung 3 bildet .
Das Laserbauelement bleibt dabei frei von einem hermetisch dichten Gehäuse und umfasst höchstens ein Gehäuse 9 , das nicht hermetisch abgedichtet ist .
In Verbindung mit den schematischen Darstellungen der Figuren 2A und 2B sind weitere Aus führungsbeispiele eines hier beschriebenen Verfahrens sowie eines hier beschriebenen Laserbauelements beschrieben .
Im Unterschied zum Verfahren und Laserbauelement der Figuren 1A und 1B ist hier die aktive Zone 11 seitlich von zumindest einer Schweißnaht 31 umschlossen . Das heißt , seitlich beispielsweise in einer Ebene des ersten Verbindungsbereichs 41 ist die aktive Zone 11 von zumindest einer Schweißnaht 31 umrandet .
Im Aus führungsbeispiel der Figuren 2A und 2B ist die aktive Zone 11 von zwei Schweißnähten 31 , die zusammen die Schweißverbindung 3 bilden, umschlossen . Die Schweißnähte 31 verlaufen dabei konzentrisch zueinander . Auf diese Weise kann eine mechanisch besonders stabile Verbindung zwischen dem optischen Element 2 und dem Halbleiterlaserchip 1 erfolgen .
Durch das Umschließen der aktiven Zone 1 mit den Schweißnähten 31 ist die Laserfacette im Bereich der aktiven Zone 11 besonders gut vor Verschmutzung geschützt .
In Verbindung mit der schematischen Darstellung der Figur 3 ist ein drittes Aus führungsbeispiel eines hier beschriebenen Verfahrens sowie eines hier beschriebenen Laserbauelements beschrieben . In diesem Aus führungsbeispiel umfasst die Schweißverbindung eine Schweißnaht 31 , die in einem zweiten Verbindungsbereich 42 zwischen dem optischen Element 2 und dem Träger 8 verläuft und die Material des optischen Elements
2 und des Trägers 8 umfasst . Der Träger 8 kann dabei zum Beispiel an seiner dem optischen Element 2 zugewandten Oberseite eine Schicht umfassen, die mit einem Glas oder einer Glaskeramik gebildet ist .
In diesem Aus führungsbeispiel ist es zusätzlich möglich, dass eine weitere Schweißverbindung 3 zwischen dem optischen Element 2 und dem Halbleiterlaserchip 1 ausgebildet ist , wie sie in Verbindung mit den Aus führungsbeispielen der Figuren 1A, IB, 2A und 2B beschrieben ist . Ferner ist es in diesem Aus führungsbeispiel möglich, dass der Abstand d zwischen dem optischen Element 2 und dem Halbleiterlaser 12 etwas größer gewählt ist , als dies für ein Aus führungsbeispiel der Fall ist , bei dem das optische Element und der Halbleiterlaserchip
3 direkt durch eine zwischen ihnen angeordnete Schweißverbindung miteinander verbunden werden . Dies erlaubt höhere Toleranzen beim Nachordnen des optischen Elements 2 am Halbleiterlaserchip 1 . Insgesamt ist durch die nahe oder direkte Anordnung des optischen Elements 2 an der Laserfacette la die Laserfacette von der Umgebungsluft , die schädliche Moleküle enthalten kann, isoliert . Dadurch wird eine Ablagerung von Fremdstof fen an der Laserfacette unterbunden und eine hermetische Kapselung des Laserbauelements ist nicht länger notwendig . Dies erlaubt eine besonders kostengünstige Herstellung eines Laserbauelements , das sich durch eine hohe Alterungsstabilität aus zeichnen kann .
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Aus führungsbeispiele auf diese beschränkt . Vielmehr umfasst die Erfindung j edes neue Merkmal sowie j ede Kombination von Merkmalen, was insbesondere j ede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet , auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht expli zit in den Patentansprüchen oder Aus führungsbeispielen angegeben ist .
Die vorliegende Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung DE 10 2022 103 260 . 4 , deren Of fenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird .
Bezugs zeichenliste
1 Halbleiterlaserchip la Laserfacette 11 aktive Zone
12 reflektierende Schicht
2 optisches Element
3 Schweißverbindung
31 Schweißnaht 41 erster Verbindungsbereich
42 zweiter Verbindungsbereich
5 Laser
6 Optik
7 Laserstrahl 8 Träger
9 Gehäuse d Abstand

Claims

Patentansprüche
1. Laserbauelement umfassend
- einen Halbleiterlaserchip (1) mit einer Laserfacette (la) , die eine aktive Zone (11) umfasst, und
- einem optischen Element (2) , das dem Halbleiterlaserchip (1) an der Laserfacette (la) nachgeordnet ist, wobei
- der Halbleiterlaserchip (1) und das optische Element (2) mittels einer Schweißverbindung (3) , die frei von Schweißzusatzstoffen ist, miteinander verbunden sind, wobei die Schweißverbindung (3) eine Schweißnaht (31) umfasst .
2. Laserbauelement nach dem vorherigen Anspruch, bei dem ein Abstand zwischen dem optischen Element (2) und der Laserfacette (la) höchstens 10 pm beträgt.
3. Laserbauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem das optische Element (2) und der Halbleiterlaserchip
(1) an der Laserfacette (la) in direktem Kontakt miteinander stehen .
4. Laserbauelement nach einem der vorherigen Ansprüche mit einem Träger (8) , wobei der Halbleiterlaserchip (1) und das optische Element (2) mittels dem Träger (8) miteinander verbunden sind und die Schweißverbindung (3) zwischen dem optischen Element (2) und dem Träger (8) angeordnet ist.
5. Laserbauelement nach dem vorherigen Anspruch, bei dem die Schweißverbindung (3) eine Schweißnaht (31) umfasst, die in einem zweiten Verbindungsbereich (42) zwischen optischem Element (2) und dem Träger (8) verläuft und die Material des optischen Elements (2) und des Trägers
(8) umfasst.
6. Laserbauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Schweißverbindung (3) zwischen dem optischen Element (2) und dem Halbleiterlaserchip (1) angeordnet ist.
7. Laserbauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die Schweißnaht (31) in einem ersten Verbindungsbereich (41) zwischen optischem Element (2) und Halbleiterlaserchip (1) verläuft und die Material des optischen Elements (2) und des Halbleiterlaserchips (1) umfasst .
8. Laserbauelement nach dem vorherigen Anspruch, bei dem die Schweißnaht (31) die aktive Zone (11) seitlich umschließt .
9. Laserbauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, das frei von einem hermetisch dichten Gehäuse ist.
10. Laserbauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem der Halbleiterlaserchip (1) an der Laserfacette (la) eine reflektierende Schicht (12) umfasst, die Metalloxide und/oder Halbleiteroxide umfasst.
11. Verfahren zur Herstellung eines Laserbauelements mit den Schritten :
- Bereitstellen eines Halbleiterlaserchips (1) mit einer Laserfacette (la) , die eine aktive Zone (11) umfasst,
- Bereitstellen eines optischen Elements (2) ,
- Anordnen des optischen Elements (2) an der Laserfacette da) , - Verbinden des Halbleiterlaserchips (1) und des optischen Elements (2) in einem Verbindungsbereich (41, 42) mittels eines Schweißvorgangs, wobei der Schweißvorgang ohne Schweißzusatzstoffen erfolgt, wobei das Verbinden des Halbleiterlaserchips (1) und des optischen Elements (2) in einem Verbindungsbereich (41, 42) mittels eines Schweißvorgangs das Erzeugen einer Schweißnaht (31) umfasst.
12. Verfahren nach dem vorherigen Anspruch, wobei der Schweißvorgang mittels eines Laserstrahls (7) erfolgt, der im Verbindungsbereich (41, 42) fokussiert ist.
13. Verfahren nach dem vorherigen Anspruch, wobei Material im Verbindungsbereich (41, 42) auf geschmolzen wird, welches nach dem Erstarren eine Schweißverbindung (3) bildet .
14. Verfahren nach einem der drei vorherigen Ansprüche, wobei ein Laserbauelement gemäß zumindest einem der Ansprüche 1 bis 10 erzeugt wird.
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