半導體激光二極管的制作方法

半導體激光二極管的制作方法
【專利摘要】提出一種具有下述特征的半導體激光二極管：半導體層序列(2)，所述半導體層序列具有帶有有源層(23)的彼此豎直疊加施加的半導體層(21，22，23，25，26)，所述有源層具有寬度大于或等于30μm的有源區域(24)，所述有源區域在運行時經由輻射耦合輸出面(11)放射激光輻射，其中輻射耦合輸出面(11)通過半導體層序列(2)的側面形成并且與相對置的后側面(12)一起在縱向方向上形成具有側向的增益導引的共振器，并且其中半導體層序列(2)通過在熱影響區域(29)中工作而變熱；金屬化層(3)，所述金屬化層與半導體層序列(2)的上側(20)直接接觸，其中上側(20)通過半導體覆蓋層(25)形成；和導出熱量的結構化的層(4)；所述導出熱量的結構化的層位于半導體層序列(2)的上側(20)上，其中導出熱量的結構化的層(4)至少具有金屬化層(3)，其中金屬化層(3)具有累加寬度(B1)并且累加寬度(B1)與熱影響區域(29)的寬度(B2)的比值與距輻射耦合輸出面(11)的間距相關地變化，其中導出熱量的結構化的層(4)能夠實現從有源區域(24)中的熱量導出，所述熱量導出沿著縱向方向和/或側向方向變化。
【專利說明】半導體激光二極管
【技術領域】
[0001]提出一種半導體激光二極管。
[0002]相關申請
[0003]本申請要求德國專利申請10 2011 055 891.8的優先權，其公開內容通過參考并入本文。
【背景技術】
[0004]由外延地沉積在襯底上的半導體材料制造的大功率激光二極管芯片為了確保充分的散熱而安裝在熱沉或載體上，所述熱沉或載體具有高的熱導率并且部分地也具有主動式冷卻，即冷卻劑的穿流。安裝通常借助于焊接進行。為此，激光二極管芯片在安裝面上具有大面積的金屬化部，所述金屬化部用作為焊接面。
[0005]在常見構造方式的具有不對稱的鏡反射性和一個或多個發射條帶的大功率激光二極管芯片中的損耗熱源不均勻地分布。更確切地說，損耗熱源在共振器方向上在耦合輸出小平面附近是最強的以及在橫向于共振器方向的側向方向上在半導體材料中集中到電接觸的發射條帶上。損耗熱量通過熱傳導從芯片經由形成焊接面的金屬化部并且經由焊料導出至熱沉或載體。在此，電流的和熱流的路徑典型地是幾乎相同的。
[0006]在溫度管理方面，常見的大功率激光二極管芯片為了盡可能大地導出熱量而在半導體芯片和熱沉或載體之間設有盡可能大的熱接合面，即設有盡可能大面積的、形成焊接面的金屬化部。由此，應當將激光二極管芯片的熱阻保持得盡可能小，因為其重要的激光參數能夠在運行中獲益，例如高的效率、小的射束發散、較高的負載能力和較高的可靠性。在這個背景下，熱接合面的合理地選擇的最小尺寸大致相應于產生損耗熱量的區域的延展區域或者由于半導體材料中的熱量擴散效應而略大。
[0007]當然，焊接邊界面與熱沉材料或載體材料相比通常具有大的過渡熱阻
(thermischen (jbergangswiderstand ),由此在常見的激光二極管中能夠構成下述
溫度曲線，所述溫度曲線由于損耗熱量的上述不均勻的分布通過折射率的和光學增益的溫度相關性而形成熱透鏡。這導致:在工作電流或輸出功率較大的情況下，放大已知的激光二極管芯片的射束發散。
[0008]然而，借助將半導體材料盡可能大面積地熱接合到熱沉或載體上的已知的方法，在優化一些激光參數時觸及極限，因為盡管能夠降低半導體材料中的溫度的絕對大小，但是溫度分布的基本的不均勻性保持不變。用于抑制通過不均勻性引起的熱透鏡的方法除了總歸通常進行的優化激光器的效率之外是未知的。

【發明內容】

[0009]特定的實施形式的至少一個目的是提出一種半導體激光二極管，其中與已知的激光二極管相比減小溫度分布的不均勻性。
[0010]所述目的通過根據獨立權利要求所述的主題來實現。該主題的有利的實施形式和改進形式的特征在于從屬權利要求并且還從下面的描述和附圖中得出。
[0011]根據至少一個實施形式，半導體激光二極管具有帶有彼此豎直疊加施加的半導體層的半導體層序列。各個半導體層具有垂直于豎直的生長方向定向的側向方向或橫向方向以及垂直于豎直方向和側向方向的縱向方向。特別地，半導體層序列具有有源層，所述有源層在有源區域中在運行時產生激光輻射。激光輻射在運行時經由輻射耦合輸出面放射，其中輻射耦合輸出面通過半導體層序列的側面形成并且以半導體層序列的相對置的后側面沿縱向方向形成共振器。在此描述的半導體激光二極管因此優選地是所謂的邊緣發射的半導體激光二極管。
[0012]以與半導體層序列的上側直接接觸的方式施加金屬化層，其中半導體層序列的上側通過半導體覆蓋層形成。換言之，半導體覆蓋層是半導體層序列的在豎直方向上最上方的半導體層。
[0013]在半導體層序列的上側上還施加導出熱量的結構化的層。導出熱量的結構化的層至少具有金屬化層。
[0014]此外，半導體激光二極管的有源區域具有大于或等于30 μ m的寬度。這種半導體激光二極管也能夠稱作為所謂的條形激光器、尤其優選稱作為所謂的寬條激光器。此外，有源區域的寬度能夠小于或等于200 μ m并且尤其優選大于或等于50 μ m并且小于或等于150 μ m。在一個優選的實施形式中，有源區域能夠具有大約IOOym的寬度。有源區域的寬度在考慮到半導體層中的電流擴展效應的情況下基本上通過限定側向的電流擴展的半導體層的寬度來確定。優選條帶狀構成的所述層在此也稱作輸送電流的半導體層并且能夠通過半導體覆蓋層和/或一個或多個位于其下的層形成。
[0015]半導體層序列的共振器是具有至少主要側向的增益導引的共振器。換言之，在此處描述的半導體激光二極管中，在共振器中，側向的增益導引相對于側向的折射率導引占優，所述側向的折射率導引例如能夠通過有源層附近的連接片結構達到設置在有源層之上的半導體層中。側向的增益導引和側向的折射率導引的原理對于本領域技術人員是已知的進而不進一步詳述。與在此描述的半導體激光二極管相反具有主要側向的折射率導引的半導體激光器的示例能夠是對于本領域技術人員已知的梯形的脊形波導激光器(Stegwellenleiterlaser)。下面,具有主要側向的增益導引的共振器簡稱為具有側向的增益導引的共振器。
[0016]通過半導體激光二極管的運行，半導體層序列在產生激光輻射時在下述區域中變熱，所述區域在此并且在下文中稱作熱影響區域。在此，此處描述的半導體激光二極管的熱影響區域在縱向方向上分別至50 μ m到達到輻射耦合輸出面和后側面。在側向方向上，熱影響區域從有源區域的中央看去通過距有源區域的中央的間距來限定，其中溫度下降到數值Tmin+ (Tmax-Tmin)/10,其中Tmax和Tmin表示半導體層序列的側向邊緣和有源區域的側向中央之間的區域中的溫度的全局最大值和全局最小值。在具有多個在側向方向上并排設置的有源區域的半導體激光二極管的情況下，Tmin表示兩個相鄰的有源區域之間的溫度的全局最小值。
[0017]在下面，不考慮半導體層序列在預先限定的熱影響區域之外、例如直接在輻射耦合輸出面和后側面上的變熱。
[0018]熱影響區域的寬度取決于有源區域的寬度進而取決于有源層中的注入電流的區域的寬度。由于半導體層序列中的熱量擴散效應，熱影響區域的寬度始終大于有源區域。典型地，熱影響區域的寬度小于有源區域的寬度加上大約50 μ m的兩倍。換言之，熱影響區域在側向方向上在兩側分別超出有源區域小于50 μ m。
[0019]此外，金屬化層在熱影響區域之上的區域中具有累加寬度。在此，累加寬度在其寬度局部地連續且未結構化的金屬化層的情況下相應于金屬化層的寬度。如果金屬化層在側向方向上在一定區域中如在更下文中描述的那樣具有結構化部，例如開口、半色調狀(halbtonartig)的結構化的邊緣或楔形的留空部，那么累加寬度表示所述區域中的全部子段的寬度的總和。
[0020]在此處描述的半導體激光二極管中，金屬化層的累加寬度與熱影響區域的寬度的比值與距輻射耦合輸出面的間距相關地變化，其中在距輻射耦合輸出面的間距相同的情況下，對比值采用熱影響區域的寬度和累加寬度。因此，導出熱量的結構化的層能夠實現從有源區域中的熱量導出，所述熱量導出沿著縱向方向和/或側向方向變化。
[0021]因此，通過改變在縱向方向上金屬化層的累加寬度和熱影響區域的寬度的比值，能夠改變局部的熱阻，以從半導體層序列的熱影響區域中導出熱量。局部的熱阻在此并且在下文中表示下述變量，所述變量與半導體激光二極管的有源區域的局部的溫度升高和在半導體激光二極管運行時產生的局部的損耗功率密度的商成比例。因此，局部的熱阻表示有源區域的子區域通過半導體激光二極管的運行由于將電流饋入到有源區和由此引起的局部的損耗功率密度而如何強地變熱的程度。局部的熱阻越高，在特定的局部的損耗功率密度的情況下，局部的溫度升高就顯得越高并且反之亦然。局部的熱阻越低，通過傳導熱量的結構化的層的熱量導出就越大進而也尤其表示所述傳導熱量的結構化的層的熱量導出的程度，因為在一定的局部的損耗功率密度的情況下，局部的熱阻進而局部的溫度升高越小，通過導出熱量的結構化的層的相應的局部的熱量導出就越大。
[0022]在通過導出熱量的未結構化的層的大面積的熱接合的情況下，如這在已知的激光二極管芯片中是這種情況，用于熱量導出的局部的熱阻在各處至少基本上是均勻的，使得在具有較高的局部的損耗功率密度的部位處與在具有較低的損耗功率密度的部位處相比弓I起更高的溫度升高，這尤其在熱影響區域中弓I起上述不均勻的溫度分布。在此處描述的半導體激光二極管中，導出熱量的結構化的層的和尤其金屬化層的結構化部能夠有利地選擇成，使得在熱影響區域中局部的熱阻匹配于局部的損耗功率密度并且在下述子區域中更高，在所述子區域中，局部的損耗功率密度與在其他子區域中相比更低。
[0023]將一個層或一個元件設置在或施加在另一個層或另一個元件“上”或“上方”在此并且在下文中表示:一個層或一個元件以直接機械和/或電接觸的方式直接設置在另一個層或另一個元件上。此外，也能夠表示:一個層或一個元件間接地設置在另一個層或另一個元件上或上方。在此，因此能夠在一個層和另一個層之間或在一個元件和另一個元件之間設置有另外的層和/或元件。
[0024]一個層或一個元件設置在兩個另外的層或元件“之間”在此并且在下文中表示:一個層或一個元件直接以與兩個另外的層或元件中的一個直接機械和/或電接觸或間接接觸并且與兩個另外的層或元件中的另一個直接機械和/或電接觸或間接接觸的方式設置。那么在此，在間接接觸的情況下，能夠在一個層和兩個另外的層中的至少一個之間或在一個元件和兩個另外的元件中的至少一個之間設置另外的層和/或元件。[0025]半導體層序列根據上述實施方案具有半導體層，所述半導體層分別沿著主平面延伸，其中主平面通過縱向方向和側向方向或橫向方向展開，而半導體層序列的設置方向或生長方向限定半導體激光二極管的豎直方向。如果在下面提及例如半導體層序列的、另一個層的或另一個區域的寬度，那么借此表示所涉及的元件在側向方向或橫向方向上的延展。借助長度表示在縱向方向上的延展，而借助厚度或高度表示在豎直方向上的延展。
[0026]根據另一個實施形式，半導體層序列除了有源層之外還具有另外的功能性的半導體層，例如波導層、包覆層、緩沖層和/或半導體接觸層。半導體層序列例如能夠具有常規的Pn結、雙異質結構或單量子阱結構或多量子阱結構作為有源區域。量子阱結構例如能夠具有量子槽、量子線或量子點或這些結構的組合。
[0027]半導體層序列例如能夠具有由砷化的、磷化的或氮化的半導體材料構成的一個或多個半導體層。對于長波的、紅外的至紅色的輻射而言，例如適合的是基于InxGayAl^yAs的半導體層序列，對于紅色的輻射而言，例如適合的是基于InxGayAl1^P的半導體層序列，并且對于短波的可見的、即尤其在綠光至藍光的范圍中、和/或對于UV輻射而言，例如適合的是基于InxGayAlnyN的半導體層序列，其中相應地O < x < I并且O≤y≤I。
[0028]半導體層序列的半導體層優選在襯底上生長，使得在背離襯底的一側上用半導體覆蓋層封閉半導體層序列。襯底能夠在生長之后被完全地或部分地移除。此外，在半導體層序列上能夠存在電極層以用于接觸半導體層。優選地，與半導體覆蓋層直接接觸的金屬化層形成這種電極層。因此，半導體覆蓋層優選形成半導體接觸層，所述半導體接觸層能夠尤其優選是高摻雜的，尤其具有大于I X IO18CnT3的摻雜濃度。通常，半導體覆蓋層為此能夠具有在大約200nm的范圍中的厚度。根據半導體覆蓋層的橫向電導率，所述半導體覆蓋層也能夠具有更大的或更小的厚度。半導體層序列的背離金屬化層的一側能夠通過另一個電極層接觸。
[0029]此外，例如能夠將鈍化層至少設置在半導體層序列的上側上的子區域中，將所述鈍化層結構化，使得金屬化層僅能夠在子區域中、尤其在半導體覆蓋層的區域中直接接觸半導體層序列的上側。半導體覆蓋層例如能夠結構化并且在子區域中移除。在該情況下，半導體層序列的上側在已經移除半導體覆蓋層的區域中通過位于其下的露出的半導體層形成。
[0030]此外，半導體層序列能夠在導出熱量的結構化的層和有源區域之間具有將電流輸送給有源區域的半導體層。輸送電流的半導體層能夠是結構化的并且具有在縱向方向變化的側向寬度。例如，輸送電流的層的寬度能夠隨著距輻射耦合輸出面的間距增大而變小，使得輸送電流的層具有梯形的結構。替選于此，輸送電流的層能夠具有下述寬度，所述寬度隨著距輻射耦合輸出面的間距變大而至少在子區域中變大。通過改變輸送電流的層的寬度也改變熱影響區域的寬度。
[0031]例如，輸送電流的層能夠如在上文中描述的那樣結構化并且具有半導體覆蓋層或通過其形成。替選地或附加地也可行的是，輸送電流的結構化的半導體層具有設置在有源層和半導體覆蓋層之間的半導體層或者通過其形成。因此，輸送電流的結構化的半導體層能夠在縱向方向上優選形成條帶，所述條帶從輻射耦合輸出面延伸至與輻射耦合輸出面相對置的后側面。在輸送電流的半導體層具有隨著距輻射耦合輸出面的間距變大而至少在子區域中變小或變大的寬度的情況下，電流注入部的寬度進而在其中產生局部的損耗功率密度的區域的寬度與距輻射耦合輸出面的間距相關地變化。特別地，在輸送電流的層朝向輻射耦合輸出面變窄的情況下，在輻射耦合輸出面附近的有源層中的電流密度進而還有局部的損耗功率密度與距輻射耦合輸出面較大的間距相比更小。在該情況下能夠有利可行的是，尤其在有源區域中以及在周圍的半導體層中影響溫度分布。通過減小輻射耦合輸出面附近的電流密度，能夠可行的是，在輻射耦合輸出面上降低在通常的激光二極管中出現的升高的溫度。
[0032]此外，例如在金屬化部和半導體層序列的上側之間的接觸面能夠是更窄的并且其形狀與輸送電流的層的結構化部和/或寬度無關，其中所述接觸面通過設置在上側的鈍化層中的在縱向方向上伸展的開口形成。
[0033]根據另一個實施形式，在半導體覆蓋層和有源層之間的至少一個半導體層在側向方向上具有結構化的邊緣。因此，側向方向上的邊緣是對半導體層的寬度限界或限定的邊緣，所述邊緣沿著縱向方向伸展。特別地，具有結構化的邊緣的半導體層能夠設置在輸送電流的結構化的半導體層和有源層之間。邊緣例如能夠鋸齒狀地結構化。通過這種結構化能夠以有利的方式影響有源層中的電流擴展進而有源區域的延展。
[0034]根據另一個實施形式，金屬化層具有分別由金屬或合金構成的一個或尤其優選多個層。因此，金屬化層能夠具有呈多個層的形式的豎直的結構。金屬化層的總厚度能夠為至幾微米。例如，金屬化層能夠具有帶有材料Ti/Pt/Au或AuGe/Ni/Au的層序列。金屬化層的層尤其能夠基于可生產性、在金屬和半導體層序列的上側之間的機械附著力以及金屬半導體過渡部的接觸電阻來選擇。
[0035]根據另一個實施形式，通過金屬化層形成導出熱量的結構化的層。換言之這表示:金屬化層通過在側向方向和/或縱向方向上結構化而在熱影響區域中引起沿著縱向方向和/或側向方向的變化的局部的熱阻。
[0036]根據另一個實施形式，金屬化層的累加寬度與熱影響區域的寬度的比值隨著距輻射耦合輸出面的間距增大而減小。由此，能夠實現，隨著距輻射耦合輸出面的間距增大，半導體層序列的通過金屬化層形成的接合面與熱影響區域相比減小，使得在距輻射耦合輸出面的間距增大時，發生更小的熱量導出。與通過大面積的且未結構化的金屬化部的已知的大面積的且未結構化的接合相比，由此，溫度隨著距后側面的間距變小在半導體層序列的子區域中升高，使得能夠沿著共振器方向降低溫度差。
[0037]特別地，金屬化層能夠與距輻射耦合輸出面的間距相關地具有變化的結構化部和/或變化的寬度。變化的結構化部和/或變化的寬度優選能夠至少在子區域中與半導體層序列的設置在金屬化層和有源層之間的半導體層的結構化部和/或寬度不同。特別地，這能夠表示:金屬化層和設置在有源層上方的半導體層、即尤其例如半導體覆蓋層在側向方向和縱向方向上不形成具有相同的層橫截面的脊形波導結構，如這在已知的脊形波導激光器中是這種情況。
[0038]根據另一個實施形式，金屬化層具有下述寬度，所述寬度隨著距輻射耦合輸出面的間距增大而減小。換言之，金屬化層隨著距輻射耦合輸出層的間距變大而變窄。由此，能夠如上面已經闡明的那樣，下述面能夠隨著距輻射耦合輸出面的間距增大而減小，借助于所述面例如能夠通過焊接將半導體激光二極管設置在外部的載體或外部的熱沉上。因此，通過金屬化層的熱量導出隨著距輻射耦合輸出面的間距增大而變小，由此局部的熱阻相應地提高。例如，金屬化層在輻射耦合輸出面附近能夠比輸送電流的半導體層更寬并且尤其比熱影響區域更寬。在此，在輻射耦合輸出面附近表示:尤其指的是金屬化層在縱向方向上朝向輻射耦合輸出面的端部。在后側面附近，金屬化層能夠比熱影響區域更窄并且此外也比輸送電流的半導體層更窄。
[0039]根據另一個實施形式，金屬化層具有開口，尤其例如是在豎直方向上設置在輸送電流的層上方的開口，其中開口能夠隨著距輻射耦合輸出面的間距的增大而占據更大的面積份額。這能夠表示:隨著距輻射耦合輸出面的間距增大，大小、數量、密度或它們的組合變大。由此,金屬化層的累加寬度隨著距輻射耦合輸出面的間距增大而變小。
[0040]根據另一個實施形式，在開口中設置有熱導率比金屬化層更小的材料。此外，也能夠可行的是，在開口中設置有可焊接性比金屬化層更小的材料。在此，更小的可焊接性尤其能夠表示:在焊料邊界面上實現更高的熱阻。由此能夠實現:在開口的區域中能夠實現更小的熱導率進而在有源區域中產生的熱量到設置在金屬化部上的熱沉上的更小的熱量導出。材料例如能夠通過塑料、例如苯并環丁烯(BCB)通過空氣或通過真空形成。此外也可行的是，開口中的材料通過不可焊接的或可較差焊接的材料、例如可較差焊接的金屬、例如氧化的金屬形成。在此，也能夠可行的是，制造沒有開口的金屬化部并且金屬化部此后在彼此分離的子區域中被氧化，其中被氧化的子區域的表面密度隨著距輻射耦合輸出面的間距增大而增加。
[0041]根據另一個實施形式，金屬化層在側向方向上具有島狀地結構化的邊緣。在此，側向方向上的邊緣表示金屬化層的通過金屬化層的寬度確定的并且沿著縱向方向伸展的邊緣。具有島狀的結構化部的邊緣尤其能夠表示:將中央條帶沿著縱向方向設置在有源區域之上并且金屬化層在側向方向上在中央條帶旁邊具有島。隨著距中央條帶的側向間距增大，島優選能夠具有更小的表面密度，即具有選自隨著距中央條帶的側向間距增大而變小的大小、數量和密度的一種或多種特性。金屬化層的側向方向上的結構化的邊緣尤其優選地能夠半色調狀地結構化。此外也能夠可行的是，側向方向上的邊緣具有開口，從金屬化層的中央起觀察，所述開口隨著側向間距增大而變大和/或其數量和/或密度增加。
[0042]根據另一個實施形式，以直接接觸的方式將內部的熱沉施加在金屬化層上。在此并且在下文中，將下述區域或下述層稱作為內部的熱沉或集成的熱沉，所述區域或所述層直接地并且優選地在無需焊接連接的情況下直接施加在金屬化層上并且至少在子區域中具有優選高的熱導率。因此，與將半導體激光二極管焊接到其上的外部的熱沉或載體相反地，內部的熱沉屬于半導體激光二極管并且優選在呈晶片復合物的形式的多個半導體激光二極管上而施加到其上，必要時被結構化并且與晶片復合物一起被分割。通過內部的熱沉能夠實現:在半導體層序列和外部的熱沉之間的熱阻變小。因為關于熱量導出關鍵的、通過在半導體激光二極管和外部的熱沉或外部的載體之間的通常具有極其高的接觸熱阻的焊料面形成的邊界面能夠進一步遠離半導體層序列進而進一步遠離有源區域設置。通過高的橫向熱導率，熱學路徑在內部的熱沉之內在通過內部的熱沉附加獲得的層厚度中在焊接邊界面之前有效地展開進而降低熱阻。特別地，內部的熱沉能夠具有背離半導體層序列的焊接側，經由所述焊接側，能夠借助于焊料層將半導體激光二極管安裝在外部的載體上。
[0043]根據另一個實施形式，內部的熱沉在側向方向和縱向方向上沒有結構化進而在側向方向和縱向方向上具有均勻的熱導率。因此，在側向方向和/或縱向方向上的變化的局部的熱阻能夠通過根據上述實施例的結構化的金屬層來預設，而集成的熱沉僅降低半導體激光二極管的總熱阻。
[0044]根據另一個實施形式，導出熱量的結構化的層附加地具有內部的熱沉，其中內部的熱沉至少在側向方向和/或縱向方向上具有結構化部。換言之，內部的熱沉能夠是導出熱量的結構化的層的一部分。
[0045]內部的熱沉的結構化部例如能夠通過具有不同熱導率的材料形成，所述材料沿著側向方向和/或縱向方向結構化地設置。附加地，內部的熱沉也能夠在豎直方向上具有結構化部。例如，集成的熱沉能夠具有一種或多種金屬，例如選自Au、Ag、Cu和Ni ;合金，例如CuW ;電介質，例如氧化物或氮化物，如氧化硅或氮化硅；聚合物，例如BCB ;晶體半導體，例如AlN ;無定形的半導體，例如Si或Ge ;鉆石；陶瓷；空氣或真空。內部的熱沉的一種或多種材料例如能夠通過蒸鍍、濺射、電鍍沉積、等離子沉積、旋涂或壓焊(Boden)施加在金屬化層上。
[0046]尤其優選地，內部的熱沉具有帶有極其不同的熱導率的至少兩種材料，由此能夠實現差異明顯的熱學曲線。用于構造內部的熱沉的通過結構幾何形狀和材料選擇形成的自由度能夠實現對熱導率曲線的大范圍的設定，由此能夠實現半導體激光二極管的激光參數的優化。內部的熱沉能夠具有幾百納米的厚度并且優選具有Iym或更大的厚度。尤其優選地，內部的熱沉在應用金屬材料并且厚度大于2 μ m的情況下借助于電鍍沉積來施加。內部的熱沉在導電材料的情況下能夠用作為用于金屬化層的電輸送裝置。如果對內部的熱沉應用不能導電的材料，那么設有饋電元件，例如呈電引線的形式的饋電元件，借助于所述饋電元件除熱學路徑之外實現并聯電學路徑。優選地，并聯電學路徑相對于半導體層序列具有小的饋電電阻。
[0047]集成的熱沉的厚度應當與所應用的材料的熱導率相關地不低于最小厚度。在金的情況下，例如最小厚度應當為Iym,優選至少2 μ m并且尤其優選至少5 μ m。
[0048]此外也能夠可行的是，將半導體激光二極管施加到結構化的外部的熱沉上。然而，應用內部的熱沉具有下述優點:熱學上較差的焊料邊界面進一步遠離半導體層序列，由此實現更小的總熱阻。此外，在內部的熱沉的情況下，也不必在安裝在預結構化的外部的熱沉上時準確地校準半導體激光二極管。
[0049]根據另一個實施形式，為了避免在生產時和/或在半導體激光二極管運行期間的缺點能夠需要:必須將一種或多種材料相對于環境封裝。這種缺點例如能夠通過例如在銅的情況下在空氣中氧化，通過例如在銅、銀或金的情況下材料擴散到半導體中進而改變半導體層序列的特性，或者通過不同金屬之間的金屬冶金反應來形成。例如能夠將由封閉的層構成的阻擋件用作為封裝件。例如，為了封裝金能夠應用鉬或鉻，在銅的情況下例如應用鎳作為封裝件。
[0050]此外，為了封裝要封裝的材料能夠應用薄層封裝件。在薄層封裝件的情況下，阻擋效果基本上通過構成為薄層的阻擋層和/或鈍化層來產生。薄層封裝件的層通常具有小于或等于幾百納米的厚度。薄層例如能夠借助于原子層沉積方法(“atomic layerexposition”，ALD)來施加。對于封裝裝置的層的適當的材料例如是氧化鋁、氧化鋅、氧化鋯、氧化鈦、氧化鉿、氧化鑭。優選地，封裝裝置具有帶有多個薄層的層序列，所述薄層分別具有在原子層和IOnm之間的厚度，其中包括邊界值。[0051]優選地，借助于電鍍沉積施加內部的熱沉。由此能夠可行的是，在室溫下或在半導體激光二極管的稍后的工作溫度下施加金屬層和/或金屬區域。因此能夠實現:制成的構件僅具有極其小的應力，這例如剛好在如對于內部的熱沉優選的厚的金屬層的情況下能夠是極其有利的。如果金屬如在現有技術中常見的那樣、即在升高的溫度下通過蒸鍍或濺射來沉積，那么在冷卻到室溫之后，由于所應用的材料、即半導體材料、電介質、金屬和/或塑料之間的不同的熱膨脹系數能夠在制成的構件中得到大的應力。膨脹系數的示例對于砷化鎵而言為6X10_6/K、對于銅而言為1.6Χ10_5/Κ并且對于銀而言為1.9Χ10_5/Κ。大的應力能夠導致性能受損，尤其關于偏振純度(Polarisationsreinheit)、效率和發散度受損，并且導致半導體激光二極管的可靠性受損。
[0052]根據另一個實施形式，內部的熱沉具有帶有第一材料的區域，所述區域在側向方向上設置在分別具有第二材料的兩個另外的區域之間。在此，第二材料與第一材料相比能夠具有不同的并且優選更小的熱導率。附加地，也能夠可行的是，第一和第二材料在豎直方向上交替，例如第二材料在豎直方向上設置在第一材料的區域之間。第二材料和/或第一材料也能夠具有楔形形狀，其中例如從內部的熱沉的中央看去，第二材料的厚度隨著側向間距增大而增加。此外，也能夠可行的是，例如第一材料具有隨著距輻射耦合輸出面的間距增大而變小的寬度。此外，也能夠可行的是，第二材料例如以多個彼此分離的子區域的形式嵌入第一材料。此外，例如也能夠存在第三材料，所述第三材料具有與第一和第二材料不同的熱導率并且所述第三材料至少部分地如在上文中對于第一或第二材料所描述的那樣設置。
[0053]根據另一個實施形式，內部的熱沉在縱向方向上能夠具有比半導體層序列更小的長度，使得半導體層序列在輻射耦合輸出面的區域中和/或在與輻射耦合輸出面相對置的后側面的區域中能夠具有突出于熱沉的第一材料的突出部。在突出部的區域中能夠設置有例如具有比第一材料更高的熱導率的第二材料。第二材料還能夠由具有高熱導率的在低溫下、尤其在比第一材料更低的溫度下熔化的材料形成。例如，第二材料能夠通過金屬，例如具有大約157°C熔點的銦或具有大約230°C熔點的錫形成。第二材料能夠以堆積物(Depots)的形式施加在突出部的區域中。由此，能夠進行:制造呈晶片復合物的形式的、具有內部的熱沉的多個半導體激光二極管，所述內部的熱沉具有第一材料和作為堆積物形成的第二材料，并且接下來分割各個半導體激光二極管。分割例如能夠通過折斷晶片復合物以產生激光器小平面來進行。在分割之后，能夠通過加熱到第二材料的熔點之上從堆積物中構成第二材料的自校準的凹口，使得通過第二材料和沿縱向方向到第一材料的過渡部產生輻射耦合輸出面附近的局部的熱阻的降低。凹口能夠根據材料、現有量和尺寸以及工藝參數而構成為是凸形的或凹形的。
[0054]與提供盡可能大的接合面以便整體使熱阻最小化的已知的激光二極管芯片相反，在此處描述的半導體激光二極管中尤其能夠可行的是，通過導出熱量的層的在上文中描述的結構化，改變半導體層序列和外部的熱沉之間的局部的熱阻，由此能夠降低在熱影響區域中在半導體層之內的溫度分布的不均勻性。由此能夠可行的是，盡管與已知的激光二極管芯片相比也可能提高半導體激光二極管的總熱阻并且還有半導體層序列的絕對溫度水平，然而通過溫度不均勻性引起的熱透鏡的強度整體上減小。
[0055]根據在上文中描述的實施形式，所描述的有利的效果尤其能夠通過半導體激光二極管中的電學路徑和熱學路徑的部分的脫耦和/或分離來實現，所述半導體激光二極管尤其優選地構成為寬條激光器。這能夠通過應用二維或三維地結構化的金屬化部、即金屬化層或附加地還有在焊料邊界面上的內部的熱沉、并且此外例如附加地也通過高傳導性的、側向和縱向結構化的半導體層、例如半導體覆蓋層是可行的。由此，能夠在熱影響區域中在一定范圍中彼此無關地影響電流和熱流的分布，使得半導體激光二極管中的溫度分布能夠與電學參數無關地改變并且優選地均勻化。如更上面描述的那樣，半導體層序列上側上或附近的二維或三維結構化的金屬化部能夠具有一種或多種不同的金屬和/或附加的材料、例如具有不同的熱導率的電介質、空氣或真空，使得能夠提高在結構化的和未結構化的區域之間的熱導率差異。通過結構化，熱學地接合在外部的熱沉或外部的載體上的面能夠減小，由此盡管半導體激光二極管的總熱阻與沒有結構化的情況相比可能增大，但是然而由此能夠降低熱透鏡的強度。
[0056]內部的熱沉的在上文描述的整體集成也能夠是有利的，例如以具有高的熱導率的厚的金屬化部的形式，以便外部的熱沉或外部的載體和半導體層序列之間的導熱差的焊料邊界面進一步遠離主損耗功率源，即有緣區域，并且通過借此可能更好的熱量擴散而降低半導體激光二極管的總熱阻。由此，也能夠至少部分地補償之前描述的、通過金屬化部的結構化而引起的熱阻增大。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0057]從在下文中結合附圖描述的實施例中得出其他的優點、有利的實施方式和改進方案。
[0058]附圖示出:
[0059]圖1A和IB示出激光二極管的示意剖面圖和示意俯視圖；
[0060]圖1C示出在根據圖1A和IB的激光二極管中側向的遠場角與耦合輸出的光學功率的相關性；
[0061]圖2A和2B不出根據一些實施例的半導體激光二極管的不意剖面圖；
[0062]圖3A至3D示出根據另外的實施例的半導體激光二極管的示意俯視圖；
[0063]圖4A和4B示出根據另外的實施例的半導體激光二極管的示意俯視圖；
[0064]圖5至7示出根據另外的實施例的半導體激光二極管的示意俯視圖；
[0065]圖8至9C示出根據另外的實施例的半導體激光二極管的示意俯視圖和剖面圖；以及
[0066]圖1OA至11示出根據另外的實施例的半導體激光二極管的示意圖。
【具體實施方式】
[0067]在實施例和附圖中，相同的、相同類型的或起相同作用的元件能夠分別設有相同的附圖標記。示出的元件和其相互間的大小關系不能夠視為是按照比例的，更確切地說，為了更好的可視性和/或為了更好的理解能夠夸張大地示出個別元件，例如層、構件、器件和區域。
[0068]在圖1A和IB中示出常見的大功率激光二極管芯片，其具有半導體層序列2，所述半導體層序列在襯底I上外延生長。在此，圖1A示出剖面圖，而圖1B示出俯視圖。[0069]半導體層序列2具有帶有有源區域24的有源層23，所述有源區域在運行時經由輻射耦合輸出面11放射激光輻射。半導體層序列2的輻射耦合輸出面11以及與輻射耦合輸出面11相對置的后側面12形成共振器并且至少部分地設有反射層或抗反射層。在其間設置有有源層23的半導體層21、22例如能夠具有波導層和/或包覆層以及另外的半導體層。特別地，在圖1A和IB中示出的大功率激光二極管芯片能夠為具有側向的增益導引的常見的寬條激光二極管芯片。
[0070]半導體層序列2的半導體層21、22、23、25的設置方向在此并且在下面的附圖中表示豎直方向，而在輻射耦合輸出面11和與輻射耦合輸出面11相對置的后側面12之間的激光共振器在縱向方向上延伸。垂直于縱向的共振方向在半導體層21、22、23、25的主延伸平面中限定側向方向或橫向方向。
[0071]在有源區域24之上設置有半導體覆蓋層25，所述半導體覆蓋層形成半導體層序列2的上側20。半導體覆蓋層25通過金屬化層3電接觸，所述金屬化層大面積地施加在半導體層序列2的上側上。在金屬化層3和半導體層序列2的不應彼此電接觸的區域之間設置有鈍化層10，例如由電介質，例如氧化物或氮化物制成的鈍化層。
[0072]經由金屬化層3以及用于接觸半導體層序列2的背離金屬化層3的一側的另一個電極層(沒有示出)，能夠電連接并且運行所示出的激光二極管芯片。半導體覆蓋層25的在寬條激光器的情況下通常大于或等于30 μ m并且小于或等于200 μ m的寬度在考慮位于其下的半導體層22中的電流擴展效應的情況下限定有源區域24的寬度，所述有源區域因此同樣具有大于或等于30 μ m的寬度。
[0073]在圖1A和IB中示出的激光二極管芯片構成為具有唯一的有源區域24的所謂的單發射器。通過半導體覆蓋層25的多個通過金屬化層3接觸的區域的相應的側向的設置，也能夠構成所謂的激光條，其中金屬化層3通常在各個有源區域之間被分開，使得激光條的各個有源區域能夠彼此獨立地電運行。
[0074]半導體覆蓋層25的伸展在圖1B中通過點線示出。除了電流擴展效應之外，半導體覆蓋層25的伸展也相應于有源區域24的伸展。通過將電流饋入到有源層23中進而通過構成有源區域24，也在半導體層序列2中構成熱影響區域29，所述熱影響區域在圖1A中在有源層23中標明并且在圖1B中通過虛線的區域標明。
[0075]根據圖1A和IB的示例的激光二極管芯片通常借助金屬化層3焊接到具有高的熱導率和/或主動式冷卻裝置的外部的熱沉或載體上。金屬化層3在此用作為激光二極管芯片的焊接面并且能夠實現將半導體層序列2大面積地熱連接到外部的熱沉或載體上。金屬化層3例如出于可生產性、例如關于金屬和半導體之間的機械附著力以及金屬半導體過渡部的接觸電阻而尤其通常具有多個金屬層或具有合金的層，例如Ti/Pt/Au或AuGe/Ni/Au，其中總的層厚度直至幾微米。因此，當金屬化層3在豎直方向上以一定方式結構化時，在激光條的情況下，所述金屬化層在圖1A和IB中示出的激光二極管芯片中最多在側向和縱向方向上被劃分以分離各個有源區域，如果需要，激光條的各個有源區域彼此電分離地運行。此外，也可行的是，金屬化層在輻射耦合輸出面11或后側面12的附近從輻射耦合輸出面11或后側面12凹進，即與其余區域相比更薄或完全地移除。除了這種技術相關的結構化之夕卜，已知的激光二極管芯片的金屬化層3均勻地遮蓋總的熱影響區域29。
[0076]因此，當在常見的激光二極管芯片中的金屬化層3如在圖1A和IB中示出的那樣允許尤其是熱影響區域29的大面積的熱連接時，半導體層序列2中的損耗熱源例如由于輻射耦合輸出面11的和后側面12的反射裝置或抗反射裝置的不對稱的反射性而不均勻地分布。特別地，已知的激光二極管芯片通常在有源區域24中在輻射耦合輸出面11上具有最大的溫度，所述溫度在縱向方向、豎直方向和側向方向上隨著距發射區域的間距增大而下降。這也適用于具有多個有源區域的激光條。
[0077]當通常所使用的外部的熱沉或載體與半導體材料本身相比具有高的熱導率時，在安裝時形成的焊料邊界面例如在用AuSn進行焊接時通常具有大的過渡熱阻。此外，出現焊料材料的與外部的熱沉或載體本身的材料相比明顯更差的熱導率。由此，盡管外部的熱沉或載體的熱導率高，還是得到大的熱阻。在已知的激光二極管芯片中構成的溫度曲線和折射率的以及光學增益的溫度相關性形成熱透鏡，由此放大所放射的激光輻射的發散。這表示:隨著激光二極管芯片的工作電流或輸出功率變大，激光的射束發散變大，如在圖1C中示出。在圖1C中能夠看出側向的遠場角α與耦合輸出的光學功率相關地增大，所述增大在形成所謂的熱透鏡的情況下由于在激光二極管芯片中的溫度分布的不均勻性增大和熱負荷增加而出現。
[0078]下面的附圖的實施例的半導體激光二極管基于圖1A和IB的已知的激光二極管芯片與其相比具有適當的結構化部，以便適當地抵抗這種熱透鏡的形成。在此，適當地影響局部的熱阻，即基本上半導體激光二極管的有源區域的溫度升高和局部的損耗功率密度的商，以便在半導體層序列2中在側向方向和縱向方向上實現盡可能均勻的溫度曲線。
[0079]在圖2Α和2Β中為此示出半導體激光二極管的兩個實施例的剖面圖。因為在考慮引起形成在上文中在概述部分中限定的熱影響區域的擴展效應的條件下，半導體層序列2中的損耗熱源側向地限制于有源區域24，所以根據下面的實施例的半導體激光二極管與根據圖1A和IB的已知的激光二極管芯片相比具有金屬化層3，所述金屬化層的寬度明顯更小得選擇，使得金屬化層3不再在半導體層序列2的總寬度上進而不再在半導體層序列2的整個上側20之上延伸。
[0080]此外，半導體覆蓋層25在下文中示出的實施例中構成為結構化的、輸送電流的半導體層，所述半導體層具有高于IXlO18cnT3的高的摻雜濃度進而高的橫向電導率。在此，半導體覆蓋層25能夠如在圖2Α中示出的那樣以單個條帶的形式構成，所述條帶通過金屬化層3接觸。此外，也可行的是，如在圖2Β中示出的那樣，半導體覆蓋層25大面積地構成并且通過構成溝槽來結構化，使得在設為用于接觸的通過金屬化層3接觸的中央的條帶附近，在鈍化層10之下保留半導體覆蓋層25的沒有接觸的區域。半導體覆蓋層25的結構化例如能夠經由刻蝕過程而進行,其中在中央的條帶附近形成至少大致10 μ m寬的溝槽，以便限定半導體覆蓋層25的要接觸的區域。
[0081]除了半導體激光二極管的在此示出的元件和層之外，所述半導體激光二極管也能夠具有其他的特征，例如用于光學和電學分離各個發射器的、構成為激光條的半導體激光二極管的各個發射器或有源區域之間的溝槽，或者還有鈍化層10的或金屬化層的在有源區域24旁邊的任意的結構化部。
[0082]下面，示出半導體激光二極管的實施例，所述半導體激光二極管能夠具有根據圖2A和2B的實施例的結構。特別地，根據下述實施例的半導體激光二極管在半導體層序列的上側上具有導出熱量的結構化的層4，所述導出熱量的結構化的層具有結構化的金屬化層3。導出熱量的結構化的層4能夠實現從具有局部的熱阻的有源區域24中的熱量導出，所述熱阻沿著縱向方向和/或側向方向變化。
[0083]通過導出熱量的層4的在下文中示出的設計方案，能夠可行的是，在所示出的半導體激光二極管中的電學路徑和熱學路徑至少部分地脫耦或分離，由此能夠在一定范圍中彼此無關地影響電流和熱流的分布，使得半導體層序列2中的相應的溫度分布與電學參數無關地變化，在電流注入區域之內和周圍優選均勻化。
[0084]半導體層序列2在下文中示出的實施例中具有輸送電流的結構化的半導體層26，所述輸送電流的結構化的半導體層示例性地借助結構化的半導體覆蓋層25闡明。替選于此或除此之外，也能夠以相同的或不同的方式將在半導體覆蓋層25之下和有源區域24之上的半導體層結構化。
[0085]此外，在半導體層序列2的上側20上的金屬化層3 —方面用于建立與半導體覆蓋層25的金屬-半導體接觸，但是另一方面也用于提供可焊接的面，借助于所述可焊接的面能夠將所示出的半導體激光二極管安裝到外部的熱沉或外部的載體上。
[0086]通過導出熱量的層4和必要時還有輸送電流的半導體層26的在下文中示出的結構化部，所述導出熱量的層和輸送電流的半導體層至少在一些或全部三個維度中，即在側向、縱向和豎直具有不同的形狀，即不同的幾何形狀和/或層厚度，所述幾何形狀和/或層厚度除了所示出的實施例之外也能夠在多個步驟中或由多種不同的材料構成。
[0087]在下文中示出的實施例中分別具有帶有累加寬度BI的金屬化層3，所述累加寬度與熱影響區域29的寬度B2的比值與距輻射耦合輸出面11的間距相關地變化。
[0088]在圖3A至3D中示出半導體激光二極管的實施例，其中導出熱量的結構化的層4通過金屬化層3形成。在此，在所示出的實施例中，金屬化層3具有累加寬度BI，所述累加寬度相應于側向寬度，所述側向寬度隨著距輻射耦合輸出面3的間距增大而減小。而輸送電流的半導體層26具有保持不變的寬度，由此有源區域24的寬度進而還有熱影響區域29的寬度B2在縱向方向上基本上保持不變。由此，隨著距輻射耦合輸出面11的間距增大，金屬化層3的累加寬度BI與熱影響區域29的寬度B2的比值減小。
[0089]如在圖3A中示出的那樣，金屬化層3在輻射耦合輸出面11附近具有寬度BI，所述寬度BI大于或等于熱影響區域29的寬度B2進而也大于輸送電流的半導體層26的寬度。隨著距輻射耦合輸出面11的間距增大，金屬化層3的寬度BI減小,使得金屬化層3在后側面12的區域中僅還與輸送電流的半導體層26 —樣寬從而比熱影響區域29窄。
[0090]如在圖3B中示出，也能夠將金屬化層3的寬度BI在一定范圍中減小，使得所述金屬化層在后側面12的區域中甚至比熱影響區域29更窄。由于高摻雜的輸送電流的半導體層26的高的橫向電導率，盡管在具有均勻的寬度的后側面12的區域中金屬化層3更窄進而接觸區域更窄，仍在整個共振器長度之上將電流饋入到有源層23中。
[0091]在圖3C中示出另一個實施例，其中金屬化層3具有下述寬度，所述寬度在輻射耦合輸出面11的區域中相應于輸送電流的半導體層26的寬度的并且朝向后側面12減小。
[0092]在圖3D中示出另一個實施例，其中金屬化層3從后側面12起具有楔形的凹陷部，由此隨著距輻射耦合輸出面11的間距增大，金屬化層3的累加寬度BI與熱影響區域29的寬度B2相比同樣減小。
[0093]由于構成為導出熱量的結構化的層4的金屬化層3的累加寬度BI隨著距輻射耦合輸出面11的間距增大與熱影響區域29的寬度B2相比減小，所示出的半導體激光二極管的可焊接的面積進而還有熱接合面積隨著距輻射耦合輸出面11的間距增大而減小。由此，在輻射耦合輸出面11的區域中與在后側面12的區域中相比進行更大的熱量導出，由此通過結構化的局部的熱阻能夠抵抗在已知的激光二極管芯片中在縱向方向上的不均勻的溫度分布曲線。因此，在此處示出的半導體激光二極管中，在熱影響區域29中，在具有較低的溫度升高的區域中的局部的熱阻與已知的激光二極管芯片相比變差或減小，由此雖然有源區域24的總溫度可能升高，但是熱透鏡的效應能夠通過不均勻的溫度分布的減小而變小。
[0094]在圖4A和4B中示出半導體激光二極管的另外的實施例，其中將輸送電流的半導體層26、即純示例地在所示出的實施例中為半導體覆蓋層25關于其寬度結構化。
[0095]在圖4A的實施例中，輸送電流的半導體層26、即在所示出的實施例中為半導體覆蓋層25具有朝輻射耦合輸出面11變大的寬度。由此，從中得出的有源區域24具有梯形的形狀。相應于此，也構成熱影響區域29，其寬度B2隨著距輻射耦合輸出面11的間距增大而減小。金屬化層3具有寬度BI，所述寬度BI同樣隨著距輻射耦合輸出面11的間距增大而減小，其中寬度BI的變化大于寬度B2的變化，使得寬度BI與B2的比值同樣隨著距輻射耦合輸出面11的間距增大而減小。通過輸送電流的半導體層26和金屬化層3的所描述的構成，將電流注入與模式傳播和模式擴展的匹配和電流注入曲線的優化與在此描述的從熱影響區域29中的匹配的熱量導出進行組合。
[0096]在圖4B的實施例中，金屬化層3在輻射耦合輸出面11和后側面12之間具有恒定的累加寬度BI，而輸送電流的半導體層26、即在所示出的實施例中為半導體覆蓋層25隨著距輻射耦合輸出面11的間距變大而變寬，由此，熱影響區域20的寬度B2也隨著距輻射耦合輸出面11的間距增大而變大。通過有源層23或有源區域24不均勻地電接合到恒定寬的金屬化層3和由此得出寬度BI和B2的比值減小，能夠抵抗在輻射耦合輸出面11的區域中的溫度升高的情況下構成不均勻的溫度分布。
[0097]寬度BI和B2的比值的上述實施方案也適用于下面附圖的實施例，其中寬度BI和B2為了概覽性而不再示出。
[0098]在圖5中示出半導體激光二極管的另一個實施例，將其中根據圖3A的實施例的金屬化層3的特性和根據圖4B的實施例的輸送電流的結構化的半導體層26的特性組合，以便通過將所描述的效果組合來實現溫度曲線的均勻化的改進。
[0099]在圖6中示出半導體激光二極管的另一個實施例，其中金屬化層3與圖5的實施例相比除了施加用于電接觸半導體層序列2的中央條帶之外還具有帶有金屬化層材料3的其他的條帶。由此，能夠在熱影響區域29旁邊能夠實現附加的焊接接觸面。
[0100]在圖7中示出半導體激光二極管的另一個實施例，其中與圖5的實施例相比，在輸送電流的結構化的半導體層26之下，即在所示出的實施例中在半導體覆蓋層25之下的另一個半導體層27在側向方向上具有結構化的邊緣。在圖7中，純示例性地示出鋸齒狀的結構化部。通過在輸送電流的半導體層26之下的一個或多個半導體層27的側向邊緣的這種結構化部，能夠附加地在有源層23中成形電流密度曲線。
[0101]在下面的附圖中，為了概覽性沒有示出熱影響區域29。
[0102]在圖8中示出根據另一個實施例的半導體激光二極管，所述實施例示出在圖3示出的實施例的改進方案。在此，輸送電流的層26純示例性地構成為在縱向方向上從輻射耦合輸出面11至后側面12具有保持不變的寬度，而作為導出熱量的結構化的層4的金屬化層3具有中央條帶，所述中央條帶的寬度隨著距輻射耦合輸出面11的間距增大而減小。
[0103]此外，金屬化層3在側向方向上在中央條帶附近還具有帶有金屬化層3的材料的島狀的區域30，使得金屬化層3在側向方向上具有島狀結構化的邊緣。特別地，在此，為金屬化層3的半色調狀的微結構化部以用于有針對性地在施加在其上的焊料層中形成空腔或縮孔或者以用于防止焊料和金屬化層3之間的焊接連接，由此能夠附加地將局部的熱阻結構化。金屬化層3的累加寬度隨著距輻射耦合輸出面11的間距增大而減小。
[0104]在此，島狀的結構化部30能夠在側向方向上關于島的大小、數量和/或密度隨著與中央條帶的間距增大而變小。特別地，側向的結構化部能夠具有在小于或等于ΙΟΟΟμπκ小至幾微米并且尤其優選大于或等于3μπ?的范圍中的大小和間距范圍。各個島狀的區域30的高度能夠位于大于或等于Inm至小于或等于IOOym的大小范圍中。在島狀的結構化部30的區域中，黑色區域尤其表示焊接連接進而高的熱導率，而白色區域表示不存在焊接連接或表示縮孔進而小的熱導率。
[0105]在圖9Α至9C中示出半導體激光二極管的另外的實施例，所述實施例與上述實施例相比具有構成為導出熱量的結構化的層4的金屬化層3，所述金屬化層具有開口 31，所述開口在其大小、數量和/或密度方面隨著距輻射耦合輸出面11的間距增大而占據更大的面積區域，由此同樣地，金屬化層3的累加寬度隨著距輻射耦合輸出面11的間距增大而減小。如在圖9Α中示出的那樣，開口 31例如能夠在其大小方面隨著距輻射耦合輸出面11的間距增大而增大。因此，金屬化層3整體上提供用于焊料的面狀的接合面，然而其中在開口 31的區域中不存在焊接連接或縮孔，這在該區域中引起小的熱導率。
[0106]在圖9Β中示出剖面圖，其中根據另一個實施例，具有襯底1、半導體層序列2和根據上述實施例借助開口 31結構化的金屬化層3的半導體激光二極管借助于焊料層5設置在外部的熱沉6上。在此，縱向的共振器方向垂直于繪圖平面。通過構成為導出熱量的結構化的層的金屬化層3，尤其通過在開口 31中不具有金屬化部，得出焊料邊界面的結構化部，如在所示出的實施例中示出的那樣，這能夠通過將不可焊接的或可較差焊接的或較差導熱的材料32引入到開口 31中繼續加強。例如，在開口 31之內能夠形成或引入可較差焊接的金屬、例如氧化的金屬，或者也形成或引入熱導率低的材料、例如空氣、真空或如BCB的塑料。關于熱導率的盡可能高的反差，特別地，具有由空氣或真空填充的開口 31的金屬化層3是有利的。在機械關鍵的芯片設計中，關于更大的機械穩定性有利的是，代替用真空或空氣填充的孔31應用具有盡可能差的熱導率的材料32，所述材料能夠實現機械固定，因此例如為塑料或較差導熱的金屬氧化物。
[0107]在圖9C的實施例中，半導體激光二極管在如在圖9Β的上述實施例中那樣構成為導出熱量的結構化的層4的金屬化層3上具有內部的熱沉，所述內部的熱沉以直接接觸的方式施加到金屬化層3上。通過這種內部的熱沉7可行的是，減小半導體激光二極管的總熱阻并且在此盡管如此仍實現局部的熱阻的有反差的結構化。內部的熱沉7的背離半導體層序列2的一側構成為用于借助于焊料層5將半導體激光二極管安裝在外部的熱沉6上的焊接面。
[0108]內部的熱沉7能夠由一種材料的單層或也由多個層構成。此外，也可行的是，內部的熱沉7具有如結合下面的實施例示出的側向的和/或縱向的結構化部。[0109]內部的熱沉7例如能夠具有一種或多種金屬、合金、電介質、聚合物、晶體半導體、無定形半導體、金剛石、陶瓷、空氣或真空或其組合，如在概論部分中所描述的那樣。內部的熱沉7尤其能夠通過蒸鍍、濺射、電鍍施加、等離子沉積、旋涂或壓焊(Boden)施加。如果需要的話，將內部的熱沉的一種或多種材料或層如在概論部分中描述的那樣相對于環境進行封裝，例如通過低反應性的金屬或通過在概論部分中描述的薄層封裝件。
[0110]在下面的實施例中示出具有附加的結構化的內部的熱沉7的半導體激光二極管，所述內部的熱沉構成為導出熱量的結構化的層4的一部分。半導體層序列2和金屬化層3能夠如在上述實施例中的一個中那樣構成。內部的熱沉7的二維或三維的在下面的實施例中示出的結構化部能夠實現對熱導率在全部三個維度中的附加的有針對性的影響進而實現對局部的熱阻的結構化。特別地，在下文中示出的內部的熱沉7具有不同的區域，所述區域由熱導率不同的不同材料71、72、73構成。
[0111]與通常在豎直方向上具有多個金屬層或由金屬、半導體和/或陶瓷材料組成的組合、例如由銅和氮化招組成的所謂的DCB( “Direct Copper Bonded,直接銅接合”)進而豎直結構化的常規的熱沉相比，在此示出的內部的熱沉7側向地和/或縱向地結構化。在此，所選擇的材料71、72、73不僅如在已知的豎直結構化的熱沉中那樣通過考慮可生產性或為了設定匹配于半導體材料的熱膨脹系數，而且也考慮在半導體材料中主要的溫度分布的均勻性的方面。
[0112]在根據圖1OA的實施例中，半導體激光二極管的內部的熱沉7具有第一材料71，所述第一材料側向地設置在具有第二材料72的區域之間。第一材料71在圖1OA的實施例中如也在圖1OB至IOH的下面的實施例中那樣具有比第二材料72更高的熱導率，使得優選能夠導出在有源區域附近的熱量。
[0113]與圖1OA的實施例相比，根據圖1OB的實施例的半導體激光二極管具有內部的熱沉7，所述內部的熱沉在其朝向和背離半導體層序列2的側部上在第二材料之上和之下還附加地具有第一材料71，由此能夠實現與圖1OA的實施例相比更高的熱導率。
[0114]在根據圖1OC的實施例中，第二材料72具有厚度沿著側向方向向外增大的附加的結構化部，由此能夠沿側向方向向外連續地減小熱導率。
[0115]在根據圖1OD的實施例中，第一材料71具有隨著距半導體層序列2的間距增大而增加的寬度，由此，能夠在內部的熱沉的背離半導體層序列2的一側上實現從金屬化層3朝向外部的熱沉的熱流的擴展。
[0116]在圖1OE中示出半導體激光二極管的另一個實施例，其中第一材料71隨著距耦合輸出面11的間距增大而具有變小的寬度，使得在輻射耦合輸出面11的區域中與在與輻射耦合輸出面11相對置的后側面附近相比能夠導出更多的熱量。
[0117]在圖1OF的實施例中，第二材料72條帶形地側向地在半導體層序列2的有源區域附近嵌入第一材料71中。在第二材料72之下的陰影區域僅為了用于更好地識別第二材料72在第一材料71之內的位置。
[0118]根據圖1OG的實施例的內部的熱沉7除了第二材料72之外還具有第三材料73，所述第三材料具有與第一和第二材料71、72不同的導熱系數，由此能夠進一步調節內部的熱沉7的局部的熱阻和熱量導出。
[0119]替選于或除了第二材料72沿縱向方向連續設置的實施例，如在圖1OH中示出的那樣，第二材料也能夠具有點狀的或區域狀的結構化部。例如，隨著距輻射耦合輸出面11的間距增大和/或距有源區域的側向間距增大，在第一材料71中具有第二材料72的區域的數量、大小和/或密度能夠變大。
[0120]在圖11中，示出具有構成為導出熱量的結構化的層4的內部的熱沉7的半導體激光二極管的另一個實施例，所述內部的熱沉具有結構化的第一材料71，所述第一材料距輻射耦合輸出面11并且距后側面12 —定間距，使得半導體層序列2和金屬化層3形成突出于第一材料71的突出部。突出部例如能夠通過光刻結構化以例如幾微米的數量級制造并且避免將半導體激光二極管精確地校準到外部的熱沉或內部的熱沉的棱邊上的必要性，這在現有技術中是必要的，以確保輻射耦合輸出面的充分冷卻和與其關聯的高的可靠性。因為在現有技術中通常也必要的是，與輻射耦合輸出面間隔地設置內部的熱沉，以便形成輻射耦合輸出面的小平面能夠以高質量折斷，所以在現有技術中，由此輻射耦合輸出面上的冷卻變差。
[0121]為了改進輻射耦合輸出面11和后側面12的熱接合，在此處示出的實施例中，分別在所述區域中構成具有能良好熱導率的第二材料72的凹口，使得能夠建立輻射耦合輸出面11和后側面12的自校準的熱接合。這種凹口例如能夠通過以鄰接于第一材料71的方式施加具有第二材料72的堆積物來進行，其中第二材料72具有帶有良好熱導率的在低溫下熔化的材料，例如如銦或錫的金屬或由其制成。這種堆積物優選在例如通過折斷產生輻射耦合輸出面11之前施加到由多個仍連接的半導體激光二極管組成的晶片組合物的相應的區域上，并且在分割半導體激光二極管之后才通過加熱到第二材料72的熔點之上在一定程度上熔化，使得構成自校準的凹口。凹口能夠根據材料、現有量、尺寸和工藝參數而構成為是凸形的或凹形的。
[0122]在實施例中示出和描述的、涉及輸送電流的結構化的層、金屬化層和內部的熱沉的特征也能夠根據另外的、沒有明確示出的實施例相互組合成相應的效果和優點的組合。
[0123]本發明不局限于根據實施例進行的描述。更確切地說，本發明包括每個新特征以及特征的任意的組合，這尤其是包含在權利要求中的特征的任意的組合，即使所述特征或所述組合自身沒有明確地在權利要求中或實施例中說明時也如此。
【權利要求】
1.一種半導體激光二極管，具有: 半導體層序列(2)，所述半導體層序列具有帶有有源層(23)的彼此豎直疊加施加的半導體層(21，22，23，25，26)，所述有源層具有寬度大于或等于30 μ m的有源區域(24)，所述有源區域在運行時經由輻射耦合輸出面(11)放射激光輻射，其中所述輻射耦合輸出面(11)通過所述半導體層序列(2)的側面形成并且與相對置的后側面(12) —起在縱向方向上形成具有側向的增益導引的共振器，并且其中所述半導體層序列(2)通過在熱影響區域(29)中工作而變熱， 金屬化層(3)，所述金屬化層至少以部分區域與所述半導體層序列(2)的上側(20)直接接觸，其中所述上側(20)通過半導體覆蓋層(25)形成，和 導出熱量的結構化的層(4)，所述導出熱量的結構化的層位于所述半導體層序列(2)的所述上側(20)上，其中所述導出熱量的結構化的層(4)至少具有所述金屬化層(3)， 其中所述金屬化層(3)具有累加寬度(BI)，并且所述累加寬度(BI)與所述熱影響區域(29)的寬度(B2)的比值與距所述輻射耦合輸出面(11)的間距相關地變化，其中所述導出熱量的結構化的層(4)能夠 實現從所述有源區域(24)中的熱量導出，所述熱量導出沿著縱向方向和/或側向方向變化。
2.根據權利要求1所述的半導體激光二極管，其中所述累加寬度(BI)與所述熱影響區域(29)的寬度(B2)的比值隨著距所述輻射耦合輸出面(11)的間距增大而減小。
3.根據權利要求1或2所述的半導體激光二極管，其中所述金屬化層(3)的所述累加寬度(BI)隨著距所述輻射耦合輸出面(11)的間距增大而減小。
4.根據權利要求1至3中的任一項所述的半導體激光二極管，其中所述金屬化層(3)在所述輻射耦合輸出面(11)附近比所述熱影響區域(29)更寬。
5.根據權利要求1至4中的任一項所述的半導體激光二極管，其中所述金屬化層(3)在所述后側面(12)附近比所述熱影響區域(29)更窄。
6.根據權利要求1至5中的任一項所述的半導體激光二極管，其中所述金屬化層(3)具有開口(31)，其中選自所述開口(31)的大小、數量和密度的至少一個或多個特性隨著距所述輻射耦合輸出面(11)的間距增大而變大。
7.根據權利要求6所述的半導體激光二極管，其中在所述開口(31)中設置有材料(32)，所述材料具有比所述金屬化層(3)更小的熱導率和/或更小的可焊接性。
8.根據權利要求2至7中的任一項所述的半導體激光二極管，其中所述金屬化層(3)在側向方向上具有島狀地(30)結構化的邊緣。
9.根據上述權利要求中的任一項所述的半導體激光二極管，其中所述半導體層序列(2)在所述導出熱量的結構化的層(4)和所述有源區域(24)之間具有將電流輸送給所述有源區域(24)的半導體層(26)，所述半導體層具有下述寬度:所述寬度隨著距所述輻射耦合輸出面(11)的間距變大而至少在子區域中變大。
10.根據上述權利要求中的任一項所述的半導體激光二極管，其中輸送電流的結構化的所述半導體層(26)是所述半導體覆蓋層(25)。
11.根據上述權利要求中的任一項所述的半導體激光二極管，其中在所述半導體覆蓋層(25)和所述有源層(23)之間的至少一個半導體層(27)在側向方向上具有結構化的邊緣。
12.根據上述權利要求中的任一項所述的半導體激光二極管，其中在所述金屬化層(3)上以直接接觸的方式施加有內部的熱沉(7)。
13.根據權利要求12所述的半導體激光二極管，其中所述內部的熱沉(7)具有背離所述半導體層序列(2)的焊接側，經由所述焊接側，能夠借助于焊料層(5)將所述半導體激光二極管安裝在外部的載體(6)上。
14.根據權利要求12或13所述的半導體激光二極管，其中所述導出熱量的結構化的層(4)具有所述內部的熱沉(7)并且所述內部的熱沉(7)至少在側向方向和/或縱向方向上具有結構化部。
15.根據權利要求14所述的半導體激光二極管，其中所述內部的熱沉(7)的所述結構化部通過具有不同熱導率的材料(71，72)形成。
【文檔編號】H01S5/10GK103975490SQ201280059153
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2012年11月19日 優先權日:2011年11月30日
【發明者】克里斯蒂安·勞爾, 哈拉爾德·柯尼希, 烏韋·施特勞斯, 亞歷山大·巴赫曼 申請人:歐司朗光電半導體有限公司