WO2015106972A1 - Halbleiterlaser mit anisotroper wärmeableitung - Google Patents

Halbleiterlaser mit anisotroper wärmeableitung Download PDF

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WO2015106972A1
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heat spreader
spreader
thermal conductivity
laser element
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Jürgen Wolf
Matthias Schröder
Petra Hennig
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Jenoptik Optical Systems GmbH
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Jenoptik Laser GmbH
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    • H01S5/40—Arrangement of two or more semiconductor lasers, not provided for in groups H01S5/02 - H01S5/30
    • H01S5/4025—Array arrangements, e.g. constituted by discrete laser diodes or laser bar
    • H01S5/4031—Edge-emitting structures

Definitions

  • the invention relates to a semiconductor laser, which can be preferably designed as a diode laser bar with one or more emitters and is equipped with measures that allow efficient dissipation of the waste heat and also an improved electrical contact
  • the isotropic heat spreading with metal bodies is known, for example, from DE 10 2008 026 229 A1 and from US Pat. No. 8,486,766 B1.
  • the heat spreader serve simultaneously as electrical
  • Heat spreader made of metal or ceramic have a low elasticity, so that mechanical stresses can occur in the laser element.
  • the thermal conductivity is limited.
  • copper has a thermal conductivity of less than 400W / (m * K).
  • a ductile indium layer must be provided. An indium coating is complicated and expensive.
  • Graphite components is highly oriented in the direction of the surface normal of the carbon film, the carbon film is in the direction of the surface normal, ie by the thickness d of the film, poor thermal conductivity. This direction of least thermal conductivity is referred to below as the z ' direction. For the sake of completeness, it should be noted that this means that it is
  • CONFIRMATION COPY the preferred direction of the graphite components is.
  • the electrical conductivity of the carbon film in the c direction is also poor. Since the flow of current to the laser element is via the carbon foil, a voltage drop occurs across the thickness of the carbon foil, which leads to an increased electrical power loss. Therefore, unnecessary waste heat is generated.
  • the carbon film is selected as thin as possible, for example 25 ⁇ . But also the desired effect of heat spreading is suboptimal low pronounced. It is also intended, the graphite foil during assembly of the laser
  • a light-emitting component which contains a layer of anisotropic graphite.
  • This graphite layer is oriented so that the c direction, i. H. the direction of least thermal conductivity is oriented in the direction of the surface normal.
  • a disadvantage of this mounting technology is that a heat spread occurs mainly in the layer plane and the heat transfer through the graphite layer is poor, since this direction of the c
  • From DE 10 201 1055 891 A1 is a semiconductor laser diode with a structured
  • Metallization layer known. By structuring the metallization layer, heat dissipation is allowed to vary along a longitudinal or lateral direction.
  • the metal as a layer material has a material-related isotropic thermal conductivity. Due to the structuring, the thermal conductivity can be reduced in certain areas or directions. This has the disadvantage that the heat dissipation is deteriorated overall.
  • the thermal bonding surface of the diode laser bar can be reduced, which is the
  • Objects of the invention are the disclosure of a method for the efficient removal of the waste heat of a semiconductor laser and the specification of a semiconductor laser with efficient removal of the waste heat. Another equally important task is to ensure an efficient power supply to the semiconductor laser.
  • the laser element should be as small as possible
  • the object of the invention can additionally
  • a semiconductor laser comprising a laser element, a first heat spreader having anisotropic thermal conductivity, which has a lowest thermal conductivity in a direction z ' , and a first heat sink, wherein the laser element is a first
  • Heat spreader a first angle a of more than 5 ° to the surface normal n of
  • the solution of the problem further comprises a method for heat dissipation of a
  • Laser element by means of a heat spreader with anisotropic thermal conductivity, which has a heat input surface with a surface normal n.
  • the direction of least thermal conductivity of the heat spreader at an angle of more than 5 ° to
  • the invention enables the efficient removal of the waste heat of a semiconductor laser.
  • an electrically pumped semiconductor laser diode laser
  • the laser element may comprise one or more gain regions, in which an optical amplification takes place, which leads to the formation of laser radiation, which profit regions may be electrically pumped
  • the laser element may be designed in such a way that in the gain ranges only for photons in a specific direction a reinforcement takes place, which is referred to as the longitudinal direction In the laser element, therefore, there is a longitudinal direction y, which is defined by the fact that only for photons that move in this direction or in the
  • the laser element may be a gain guided laser element.
  • the profit areas can be laterally, d. H. transversal, bounded by unpumped areas.
  • the profit areas can be pumped electrically. They can be located in an epitaxially produced on a substrate layer sequence, wherein the layer sequence an active layer (quantum trench), the between two light-guiding layers
  • the substrate may have a thickness of between 50 ⁇ m and 200 ⁇ m, while the layer sequence may be, for example, between 3 ⁇ m and 20 ⁇ m thick.
  • the layer sequence can be designed as a pn junction.
  • the profit ranges can be defined by a structured isolation layer. Only in the recesses in which the
  • the Laser element may be in the longitudinal direction, for example, 0.5 mm to 6 mm long. However, the laser element can also be embodied as a ridge waveguide or as an index-guided laser.
  • the laser element may, for example, be a diode laser bar with one or more emitters. The individual emitters are then the profit areas of the laser element, with the possible exception of any unpumped areas. Profit areas are thus the areas in which an optical amplification takes place so that laser radiation is generated.
  • a diode laser bar with only one emitter is also referred to as a single emitter.
  • the term diode laser bar in the following expressly includes single emitter.
  • the emitters may preferably be designed as broad-band emitters.
  • the laser element for example a diode laser bar, can have a plurality of profit regions which are parallel to one another, wherein the individual profit regions can be offset in an offset direction perpendicular to the longitudinal direction x and in each case one and the same
  • the width of the profit regions may be, for example, between 5 pm and 200 pm in the transverse direction x, while the distance p may be, for example, 20 pm to 500 pm.
  • the width of the laser element results from the number and width of the profit regions, as well as their distance from one another.
  • the width of the laser element in the transverse direction may be, for example, 0.5 mm to 10 mm.
  • the laser element may preferably be formed as edge emitter.
  • the emission direction of the radiation emitted by the laser element can correspond to the longitudinal direction y of the laser radiation in the laser element.
  • a beam deflection can also be provided in the laser element, so that the direction of the laser radiation outside the laser element can deviate from the longitudinal direction of the laser radiation in the gain range of the laser element.
  • the laser element may additionally contain lattice structures, for example known DBR or DFB gratings.
  • the laser element can be electrically pumped and can be operated with a high current.
  • the operating current can be, for example, 1 A to 1000 A.
  • the individual emitter regions can be preferred as wide-band emitter or as
  • the laser element can also be designed as a vertical resonator structure (VCSEL).
  • VCSEL vertical resonator structure
  • In addition to or between the gain ranges of a laser element can be unpumped areas that are not flowed through by the operating current. These can be covered, for example, with an insulating masking layer.
  • the laser element may be terminated with mirrors, for example a high-reflectance mirror layer may be attached to the back facet of the laser element and a low one on the opposite exit-side facet containing the exit aperture reflective mirror layer with a Refelxionsgrad of, for example, 0, 1% to 10%.
  • the mirrors can define a laser resonator that enables laser operation.
  • the laser element can also be designed as a profit element, which is provided only in cooperation with an external resonator for laser operation. In this case, for example, a
  • Such an electro-optical gain element is also to be understood as a laser element in the sense of the invention.
  • the laser element has a first contact surface, which is used for thermal contacting of the
  • the first contact surface can also be used for electrical contacting of the
  • the laser element may have a second contact surface, which serves for making electrical contact with the other electrode of the laser element.
  • This can, but does not have to, also be used for thermal contacting.
  • the first contact surface may be the epitaxial-side electrode of the laser chip, the second contact surface, the opposite substrate-side electrode of the laser chip.
  • the first contact surface may therefore be the anode of a laser diode.
  • Contact surface can be the cathode.
  • the first contact surface of the laser element may comprise a metal layer in a preferred embodiment of the invention.
  • the metal layer may, for example, preferably be applied flat on the p-side contact surface of the laser element. It may be, for example, a metallic layer whose chip-remote side consists for example of gold. Preference may be given to a galvanically reinforced gold layer having a thickness preferably greater than 0.5 pm, more preferably between 1 ⁇ and 10 ⁇ , are used.
  • a metal can be selected whose electrical conductivity, which may be isotropic, is higher than the highest electrical conductivity of the heat spreader. It should be noted that the thermal conductivity of this metal, which may also be isotropic, may well be less than the highest thermal conductivity of the heat spreader.
  • This metallic layer can be an advantageous
  • a metallic layer can also be on the n-side contact surface or on both
  • a metal layer preferably of gold, can also the
  • a gold layer can also be soft, so that only low mechanical stresses in the
  • the laser element can also be an optically pumped laser element. In this case, no power supply to the laser element is required.
  • the semiconductor laser comprises a first heat spreader, which may preferably be embodied as a solid (that is, as a compact or homogeneous) body.
  • the first heat spreader is disposed between the laser element and the first heat sink.
  • a solid body is understood to mean that it is not composed of individual layers or of particles that must be held together by forces, but rather that an intrinsic cohesion of the material
  • the first heat spreader and also, if present, the further heat spreader may thus preferably consist of a homogeneous material which is anisotropic according to the invention.
  • the first heat spreader has a heat entrance surface in thermal contact with the first contact surface of the laser element.
  • Heat spreader can rest directly on the first contact surface.
  • the support surface is considered below as a heat input surface. It can also have the function of an electrical contact surface at the same time.
  • the heat spreader can be larger than that
  • the embodiment is preferred in which the contact surface of the laser element is connected to a single first heat spreader.
  • the surface normal n of the heat input surface is defined below in such a way that it points into the interior of the heat spreader.
  • the first heat spreader has a heat exit surface in thermal contact with the heat sink.
  • the heat input surface can be the same size as the heat exit surface. It can also be the largest of the surfaces that limit the heat spreader.
  • Heat exit surface may preferably be parallel to the heat input surface.
  • Heat spreader may be cuboid.
  • ⁇ is the thermal conductivity tensor of the material making up the heat spreader
  • q is the heat flow density vector
  • gradT is the temperature gradient, which is also a vector.
  • a Cartesian coordinate system is chosen as the reference system, in which the z direction of the normal n corresponds to the heat input surface of the heat spreader.
  • the y-direction can be used in the case of a
  • edge emitting laser bars are chosen so that they the longitudinal direction of the Laser radiation in the resonator corresponds, that is in the direction of or the profit ranges.
  • the direction y may be opposite to the direction of the exiting laser beam.
  • the x-direction then results as normal to the yz-plane. You can, for example, the laser bar
  • Light exit surface correspond.
  • the heat input surface of the considered heat spreader is then in the xy plane.
  • a graphite layer is arranged as slaughterhouse in such a way that the direction Z 'of the lowest thermal conductivity ⁇ m in the z-direction, and the largest thermal conductivity ⁇ M in the xz plane is present, wherein the thermal conductivity in be equal to x and y direction and may have a value ⁇ ⁇ .
  • the thermal conductivity tensor may have the following shape:
  • This representation may be a symmetric tensor in diagonal form.
  • two may have the same amount ⁇ ⁇ , so that the
  • Thermal conductivity tensor has two different eigenvalues ⁇ ⁇ and ⁇ m .
  • Coordinate stem x ' y ' z 'can take the following form:
  • the sense of direction of z ' can be chosen without restriction of generality such that z ' at the heat entrance surface points into the interior of the heat spreader. Therefore, the angle ⁇ defined below can be restricted to a value range of 0 ° to 90 °.
  • the coordinate system x ' y ' z ' should be linked via the transformation matrix M to the coordinate system xyz defined above, so that each vector r' in the coordinate system x ' y ' z 'has the coordinates r in the coordinate system xyz
  • the coordinate system x ' y ' z ' may be related to the coordinate system xyz, for example by a rotation about the x axis.
  • the angle of rotation is the angle between n and z ' , which comprises a value range of 0 ° to 90 °.
  • the angle can be
  • the matrix M has the following form:
  • the thermal conductivity tensor in the reference frame xyz then has the following shape
  • the z-direction is essentially the direction of the intended heat flux from the laser element to the heat sink, i. h, the direction from the heat entrance surface to the heat exit surface of the heat spreader. It should be noted that this consideration is only for the understanding of the invention. In practice, temperature gradients also occur in the xy plane.
  • Equation 2 Equation 2
  • Heat flux density q T z A m .
  • the angle a should be chosen from this observation so that A M -sin (ar) is greater than A m .
  • a M - sin (ör) is nine times higher than A m .
  • the angle of rotation a is not limited to small angles, it may also preferably be a right angle or be selected close to 90 °.
  • the direction z 'of the lowest thermal conductivity may, for example, lie in the direction y (longitudinal direction of the laser radiation in the laser element). Then the heat transfer through the heat spreader in the z-direction by utilizing the maximum thermal conductivity t M of the material is possible. However, then the heat spreading in the heat spreader is mainly possible only in the x-direction, while in the y-direction, the low thermal conductivity A m acts, causing the heat spreading in y-direction can occur only to a very small extent.
  • Such an effect can be used to design the temperature profile of the laser element.
  • This may be advantageous, for example, to minimize the known phenomenon that the middle emitters are more heated in the operation of the laser bar relative to the edge emitters.
  • Another advantageous effect of this measure can be that the temperature distribution in the x-direction over the width of an emitter is more homogeneous than with existing heat spread.
  • An emitter of a laser bar is known as a result of
  • Heat spreader be provided, or the angle a is less than 90 °, preferably less than 85 ° selected.
  • a rotation angle a deviating from the right angle may be provided, for example an angle of 45 ° about the x-axis.
  • more than 70% of the maximum thermal conductivity ⁇ ⁇ of the material can be used both for the passage of heat from the heat inlet surface to the heat outlet surface of the heat spreader, while also more than 70% of ⁇ ⁇ are available for heat spreading in the heat spreader in the y direction. In the x-direction would then even the maximum thermal conductivity for
  • the rotation can also take place about another axis, for example the y-axis.
  • a different axis of rotation in the xy plane can be selected, which may for example have an angle of 45 ° to the x-axis.
  • the basic idea of the invention is thus the use of a first anisotropic heat spreader having a heat entrance surface whose normal n points in a direction z, wherein the minimum of the directional thermal conductivity of the heat spreader lies in a direction z ' .
  • the direction z according to the invention has an angle a of 5 ° to 90 ° to the direction z ' .
  • the electrical conductivity of the first heat spreader may also be anisotropic.
  • the electrical conductivity of the heat spreader can also be represented as a tensor second stage.
  • ⁇ is the electrical conductivity tensor of the material making up the heat spreader
  • j is the vector of current density
  • E is the electric field strength, which is also a vector.
  • the electrical conductivity tensor can have the following shape analogous to the thermal conductivity tensor:
  • the direction of minimum electrical conductivity may coincide with the direction z ' of minimum thermal conductivity.
  • the coordinate system of the principal axes of this tensor can therefore be oriented in the same way as in the tensor of the thermal conductivity. Since the electrical and thermal conductivity of solids are often directly related, the electrical conductivity can also have a similar ratio between the minimum value and the maximum value.
  • the minimum electrical conductivity may be in the same direction z ' as the minimum of the thermal conductivity. Therefore, the above-mentioned inventive introduction of a rotation angle a equally leads to a significant improvement of the power supply to the laser bar. If, as in the above example calculations, the heat connection by factors 9 or Can be improved, the resulting in the interior of the heat spreader electrical power loss can be reduced by such a factor.
  • the heat spreader according to the invention can be embodied as a homogeneous anisotropic body. This means that it does not consist of individual slats, for example, but consists of a solid piece of material. As a material for heat spreader is oriented or highly oriented TPG (thermal pyrolytic graphite) into consideration. With known
  • Manufacturing processes can be produced plane-parallel flat blanks, which are expanded in a plane xy and in the z-direction has a thickness d.
  • the ab-levels are the
  • TPG material of greater thickness is required.
  • special manufacturing processes that produce small angle errors are suitable.
  • WO 2005/029931 for example, a method for the production of TPG with low
  • This TPG can be made in large thickness, from which the
  • the material TPG is a three-dimensionally ordered graphite structure with a high thermal conductivity in the xy plane, which corresponds to the preferred orientation of the ab plane of the graphite.
  • the thermal conductivity may be greater than 1000W / (m * K) or preferably greater than 1500 W / (m * K).
  • the thermal conductivity in the z ' direction, which corresponds to the preferred orientation of the graphite in the c direction, may be less than 20 W / (m * K).
  • Heat spreader may, but need not, be provided with a metal layer.
  • a metal layer may, for example, on the heat input surface and / or the heat exit surface of the
  • the metal layer may for example consist of copper.
  • it may additionally have a gold surface and a diffusion barrier, for example of nickel, so that the layer sequence may have the following structure: Cu-Ni-Au.
  • Base material and the Cu layer may be an adhesion-promoting layer, so that delamination is prevented.
  • the gold surface can be soldered and used to attach the
  • Laser element may be provided on the heat input surface by soldering.
  • the heat exit surface may, for example, have said metallization in order to connect the heat exit surface of the heat spreader to the heat sink by soldering.
  • Metallization of the surface can also improve the stability and mechanical workability of the surface
  • the semiconductor laser may further comprise a lid.
  • the lid can have the function of a heat sink (second heat sink) or without thermal function.
  • the cover can be connected in a planar manner to the first heat sink via a joining surface by means of a heat-conducting joining agent layer, for example an electrically insulating heat-conducting adhesive, so that the heat can be dissipated from the cover to the first heat sink.
  • the cover can serve for power supply, for example as n-side contact terminal. With the help of the lid, a clamping force can be exerted on the laser element. This can be used for the frictional connection between the first contact surface and the heat input surface of the first heat spreader and / or for non-positive connection of the heat exit surface of the first heat spreader and the heat receiving surface of the heat sink or the
  • the clamping force can effect a frictional connection of the second contact surface to the heat input surface of the second heat spreader.
  • the laser element can frictionally with the first
  • Heat spreader and / or be connected to the second heat spreader Such a frictional connection can be advantageous for various reasons. Then namely can be dispensed with an example solderable coating of the heat spreader. In addition, the semiconductor laser can be disposed of more easily because the components are easier to separate than a solder joint.
  • the clamping force can be applied for example by a spring element, which may be formed for example as a spring washer or as a compression spring.
  • the use of a spring element is advantageous if the first heat spreader is plastically deformable or rigid. If the first heat spreader, however, is elastic, the clamping force can also be applied by itself. Then, the lid can be mechanically rigidly connected to the first heat sink, for example, without spring element. This connection can be made electrically insulating, so that the cover and the first heat sink to electrical
  • an insulating element for example an insulating disk or an insulating bush can be used.
  • the first angle a may preferably be between 10 ° and 90 °. Also preferably, it may be a right angle.
  • the thermal conductivity of the first heat spreader can have in each direction, which lies in a plane xy ' perpendicular to the direction z ' of the lowest thermal conductivity of the heat spreader, an approximately equal value, which is the maximum value of the direction-dependent
  • the semiconductor laser may additionally comprise at least one second laser element designed as a laser bar, which is arranged offset to the first laser element.
  • the second laser element can be electrically connected in parallel to the first laser element.
  • a common first heat spreader can be provided for both laser elements.
  • the second laser element may be connected in series with the first laser element.
  • a separate associated first heat spreader may be present for each laser element.
  • the laser element has a second contact surface which is in thermal contact with a heat input surface of the second heat spreader and the second heat spreader further comprises a heat exit surface, which is in thermal contact with a heat receiving surface of the second heat sink. Also in the second heat spreader, the heat exit surface parallel to
  • the maximum electrical conductivity of the heat spreader may be smaller than the electrical conductivity of a metal, which may be applied, for example, as a layer on the first contact surface of the laser element.
  • the maximum electrical conductivity of a TPG body can be 10 5 to 10 7 (ohm * m) -1
  • a gold layer can be an (isotropic) electrical
  • the maximum electrical conductivity of the cherriessp Schwarz stressess can thus for example 5 to 20 may be times lower than that of the metal layer, while a maximum thermal conductivity from 3 to 6 may be times higher than that of the metal layer.
  • Thermal conductivity of a gold layer may be, for example, 300 W (m * K), while the maximum thermal conductivity of a TPG body may be 1000 to 2000 W / (m * K). Therefore, the metal layer may be mainly provided for current spreading, while the
  • Heat spreader can be mainly provided for heat spreading.
  • a metal layer which may be applied to the first contact surface of the laser element, therefore, a particularly advantageous embodiment of the invention can be produced.
  • the lowest electrical conductivity cr m of the TPG heat spreader can even be smaller by a few orders of magnitude than its maximum electrical conductivity ⁇ ⁇ .
  • a m may have an amount of only 10 3 to 10 5 (ohm * m) -1 .
  • the thermal contact between the heat exit surface of the first heat spreader and the first heat sink can by means of a third heat spreader with anisotropic
  • Heat spreader is and a heat exit surface of the third heat spreader is in thermal contact with the heat receiving surface of the first heat sink. In this case, the direction of the lowest thermal conductivity of the third heat spreader perpendicular to
  • the direction of least heat conductivity of the third heat spreader may be different from the direction of least heat conductivity of the first heat spreader.
  • the thermal contact between the heat outlet surface of the second heat spreader and the second heat sink can be effected by means of a fourth heat spreader having anisotropic thermal conductivity in that the heat exit surface of the second heat spreader in thermal contact with a heat input surface of the fourth
  • Heat spreader is and a heat exit surface of the fourth heat spreader is in thermal contact with the heat receiving surface of the second heat sink. In this case, the direction of the lowest thermal conductivity of the fourth heat spreader perpendicular to
  • the fourth heat spreader may be oriented.
  • the direction of least heat conductivity of the fourth heat spreader may be different from the direction of least heat conductivity of the second heat spreader.
  • the first heat spreader may comprise or consist of graphite, for example pyrolytic graphite.
  • the heat spreader comprises or consists of highly oriented pyrolytic graphite.
  • the first heat spreader may have a thickness of 0, 1 mm to 10 mm, preferably 0.2 mm to 5 mm.
  • the laser element may be non-positively connected to the first heat spreader and / or the second heat spreader.
  • the first heat spreader may be subjected to pressure treatment prior to assembling the semiconductor laser of the present invention.
  • a later, for example, deformation of the heat spreader during assembly of the semiconductor laser can be prevented or greatly reduced.
  • settlement phenomena of the heat spreader in the finished assembled semiconductor laser can be avoided or limited.
  • the semiconductor laser will have good long-term stability, in particular with regard to the position of the emitter.
  • Another advantage of the pressure treatment is that the flatness of the surfaces, i. h the heat input surface and the heat outlet surface can be improved. This means that the roughness of said surfaces can be reduced.
  • the pressure treatment can be carried out by subjecting the heat spreader to a uniaxial pressure perpendicular to the heat input surface.
  • the pressure can be effected for example by a press with, for example, two flat surfaces, wherein a force in the normal direction is applied to the heat input surface.
  • the pressure can be maintained for a few seconds to several days.
  • the pressure can be either constant or pulsating.
  • the thickness of the heat spreader can decrease.
  • the pressure may preferably be higher than that occurring later in use in the semiconductor laser according to the invention, preferably at least three times as high.
  • the pressure treatment can lead to a compression of the material. By the pressure treatment, the deformability (compressibility) of the heat spreader can decrease or increase its hardness.
  • the pressure treatment can lead to an increase in electrical conductivity.
  • the pressure treatment can be combined with a heat treatment.
  • the second, third and / or fourth heat spreader can also be treated. Said pressure treatment is not only suitable for the heat spreader.
  • Heat spreader can be achieved.
  • the pressure treatment can also be done before the preparation of the geometric shape of the
  • the pressure treatment can also be done by rolling the material between two rolls.
  • the rolling technology may be particularly suitable for thin materials, for example, preferably thinner than 1 mm thickness, for example, carbon film with a thickness of 25 pm to 500 ⁇ .
  • an arrangement can be set up in which at least two of the laser elements are electrically connected in series.
  • Fig. 2 shows a first embodiment with existing heat spreading in the x direction in
  • Fig. 3 shows the first embodiment in front view
  • Fig. 4 shows the effect of the metal layer on the electric current density at the first
  • Fig. 5 shows a detail A in a detailed representation
  • Fig. 6 shows a second embodiment with suppressed heat spreading in the x direction in front view
  • Fig. 7 shows a third embodiment with a third heat spreader
  • Fig. 8 shows a fifth embodiment with a second heat spreader
  • Fig. 9 shows the fifth embodiment in exploded view
  • FIG. 10 shows a sixth exemplary embodiment in which a plurality of laser bars, each having an emitter, are electrically connected in parallel
  • FIGS. 2, 3 and 4 A first exemplary embodiment of a semiconductor laser according to the invention is shown in FIGS. 2, 3 and 4. To illustrate the essential features, the figures are not drawn to scale.
  • the semiconductor laser comprises a laser element 1, which, as shown in FIG. 2, emits laser radiation 1 2 in a direction defined as -y.
  • the laser element is a diode laser bar with multiple emitters, for example with 19 emitters.
  • FIG. 3 for the sake of clarity, only three emitters are shown, which each have a gain region 13, which corresponds in the illustrated view to the exit aperture.
  • the exit aperture is at the bottom of the chip
  • the first contact surface is thus the p-contact (anode) of the diode laser bar.
  • the laser element has on the first contact surface on a gold layer 9 with a thickness greater than 0.5 ⁇ for spreading or distribution of the electrical operating current.
  • the thickness of the gold layer can be for example 4 ⁇ and be prepared by electroplating.
  • the surface normal n of the first contact surface is oriented in the z-direction.
  • the semiconductor laser of the first embodiment further includes a first heat sink 17 and a second heat sink 22.
  • the semiconductor laser of the first embodiment further includes a first one
  • the thickness of the first heat spreader is 0.5 mm.
  • Thermal conductivity of the first heat spreader is at a first angle of 90 ° to
  • Heat spreader is thus in the longitudinal direction of the laser radiation in the laser bar (y direction). This y-direction is also the main propagation direction of the emergent laser beams 12.
  • the first contact surface 2 is in thermal contact with a heat input surface 1 of the first heat spreader 14.
  • the thermal contact is effected by the gold-plated first contact surface rests on the heat input surface and by a clamping force 26 surface
  • the heat input surface of the first heat spreader has a first
  • the laser element is thus non-positively connected to the first heat spreader.
  • the first heat spreader also has a
  • Heat exit surface 16 which is in thermal contact with a heat receiving surface 18 of the first heat sink 17. This thermal contact is effected in the same way by the clamping force 26.
  • the clamping force 26 is effected by a cover 22 which is fastened with screws 27.
  • the screws are equipped with spring elements 28 and mounted electrically insulated from the cover by means of insulating washers 29.
  • the lid is provided here without thermal function. But it could also be used as a second heat sink, if you installed a heat dissipation from the lid, for example, by water cooling, or if the lid thermally with the first Heat sink is connected.
  • the cover is made of copper and serves to supply power, so as n-side (substrate side) contact terminal for the laser bar, while the p-side electrical connection is made via the first heat sink.
  • the operating voltage is thus applied between the first heat sink 17 and the cover 22.
  • the operating current must therefore flow with a z-component over the first heat spreader 14.
  • a method for heat dissipation from the laser element is practiced, in which a heat spreading takes place in the x direction, as shown in Fig. 3.
  • a heat spreading takes place in the x direction, as shown in Fig. 3.
  • three vectors of the heat flux q are shown for an emitter 13, which represent the direction of the heat flow by way of example. Because of the orientation 25 of the anisotropic material of the heat spreader 14, the heat spread in the y direction is negligibly small.
  • the heat transfer through the heat spreader 14 takes place in the z-direction, i. the vectors q have a z-component, while the y-component is vanishingly small, as can be seen in FIG.
  • the heat spreading takes place mainly in the heat spreader 14 and only a small part in the metal layer 9, since the maximum value of the thermal conductivity of the
  • Heat spreader i. in y 'direction, is higher than the thermal conductivity of the metal layer.
  • Heat spreader i. in y 'direction.
  • the current path differs from the heat path described above according to FIG. 3.
  • the spreading or distribution of the operating current in the metal layer 9 thus causes the current flow in the z direction to be determined by the first
  • Heat spreader 14 has a higher cross-sectional area is available. As a result, the ohmic resistance and thus the power loss of the semiconductor laser can be reduced. From this consideration, the advantage of combining the heat spreader 14 according to the invention with a thick metallization layer 9 on the laser element becomes clear.
  • the laser bar 1 comprises a substrate 3, a light guiding layer 4, an active one Layer 5, a further light guide layer 4, a cover layer 6, a structured insulation layer 7, an electrode 8 (anode, p-side) and a gold layer 9.
  • the structured insulating layer 7 is applied, which is interrupted in the central region of the illustration is.
  • the region in which the insulation layer is interrupted has a constant width (extension in the x-direction) (which is independent of the y-coordinate), thereby defining a corresponding emitter strip of the laser bar.
  • the emitter width is ⁇ ⁇ on this structured
  • Insulation layer is the electrode 8, which was prepared by sputtering and has a thickness of less than 0.5 ⁇ . This electrode was galvanically strengthened, so that a
  • Gold layer 9 of 4 pm thickness has emerged.
  • the operating current is supplied from below via the first heat spreader 14.
  • the current flow is shown schematically by the arrows 10.
  • the insulating layer Due to the insulating layer, only certain regions of the active layer are electrically pumped so that the formation of the laser radiation is limited locally to fixed gain regions 13. Since the current is spread laterally (x-direction) in the metal layer 9, it can be cut in the shortest path, i. H. in the z-direction over the entire surface are passed through the heat spreader 14.
  • FIG. 1 A second embodiment of a semiconductor laser according to the invention is shown in FIG.
  • the direction z 'of the lowest thermal conductivity of the first heat spreader 14 is oriented perpendicular to the direction y profit areas.
  • the heat transfer through the heat spreader takes place in the z-direction. This is one of the two directions with maximum thermal conductivity.
  • Heat spreader is oriented in the direction of y. Therefore, a heat spreading in the y-direction can take place.
  • This embodiment is to be preferred if a homogeneous temperature distribution over the profit ranges is desired. Since the heat flow in the x-direction is minimal, it is avoided that the profit regions (emitters) are better cooled at the edges, respectively, than in the middle of the respective profit region. Thereby, the formation of thermal lenses in the resonators can be avoided.
  • a current spread in the metal layer 9 provided for this takes place in the same way as in the first embodiment.
  • FIG. 1 A third embodiment of a semiconductor laser according to the invention is shown in FIG. In contrast to the first embodiment, the thermal contact between the
  • the heat outlet surface of the first heat spreader is lying flat on a heat input surface of the third heat spreader. This is the heat output surface of the first
  • a heat exit surface of the third heat spreader is flat on a heat receiving surface of the first heat sink. Thereby, this heat exit surface of the third heat spreader is in thermal contact with the heat receiving surface of the first heat sink.
  • the direction z 'of the lowest heat conductivity of the third heat spreader is oriented perpendicular to the surface normal of the heat entrance surface of the third heat spreader, and the direction z' of the lowest heat conductivity of the third heat spreader 24 is different from the direction of least heat conductivity z 'of the first heat spreader 14.
  • the direction z 'of the first heat spreader is oriented in the direction -y, while the direction z' of the third heat spreader is oriented in the direction x.
  • the thermal contact between the heat outlet surface of the second heat spreader and the second heat sink can be effected by means of a fourth heat spreader with anisotropic thermal conductivity, characterized in that the heat exit surface of the second heat spreader in thermal contact with a heat input surface of the fourth heat spreader stands.
  • a heat exit surface of the fourth heat spreader is in thermal contact with the
  • Heat receiving surface of the second heat sink and the direction of least heat conductivity of the fourth heat spreader is oriented perpendicular to the surface normal of the heat input surface of the fourth heat spreader.
  • the direction of least heat conductivity of the fourth heat spreader is different from the direction of least heat conductivity of the second heat spreader.
  • Heat spreader is oriented in the direction x.
  • Direction z 'of the lowest thermal conductivity of the first heat spreader 14 thus includes a first angle «on 45 ° to the surface normal n of the heat input surface 1 5 of the first
  • Coordinate system xyz rotated about the x-axis.
  • the electric field -E is oriented in the z direction
  • the electric current density j in the heat spreader is adjacent to the z component also a y component.
  • the current flow j is therefore not parallel to the field strength vector E.
  • the plotted vector - j (opposite current direction) is as shown
  • Fig. 1 directed to the bottom right.
  • the heat flow q also has a z next to the component
  • FIG. 1 A fifth embodiment is shown in FIG.
  • the lid 22 is designed as a second heat sink. The heat dissipation from the laser bar occurs on the epitaxial side with a first
  • Heat spreader 19 and a second heat sink 22 are provided. Both heat spreader 14, 19 are designed in the manner according to the invention so that in each case a direction Z 'of the lowest thermal conductivity of the first and the second heat spreader each an angle «of more than 45 ° to the surface normal n of the heat input surface of the first heat spreader or to the surface normal n 2 of the second heat spreader includes. In an analogous manner, a heat flow q 2 then flows from the laser element 1 through the second heat spreader to the second heat sink (cover) 22.
  • Both heat sinks 17, 22 are made of copper.
  • the second heat sink 22 is connected by means of an electrically insulating istleitklebers 30 as a joining means with the first heat sink 17 surface. Therefore, the heat can be transferred from the second heat sink to the first heat sink.
  • the clamping force 26 between both heat sinks is maintained by the joining means 30 without requiring any external force for the operation of the semiconductor laser.
  • Fig. 9 shows an exploded view of the fifth embodiment. Here are the first
  • the surface 15 is the heat input surface, the surface 9 the
  • the surface 18 is the
  • the surface 20 is the heat input surface, the surface 21, the heat exit surface of the second heat spreader 19.
  • the surface 23 is the Heat receiving surface of the second heat sink 22.
  • the area designations apply equally to all embodiments.
  • FIG. 10 shows a sixth exemplary embodiment in which a plurality of laser bars 1, each having an emitter 13, are electrically connected in parallel.
  • the first heat spreader 14 is correspondingly wide (expanded in the x direction), so that a plurality of laser elements 1 can each be arranged offset in the direction x relative to one another.
  • Each laser bar 1 has only one emitting area (wide-band emitter) 13.
  • Such laser bars are also referred to as a single emitter. They are electrically contacted together via the first heat sink 17 and the cover 22.
  • first contact surface for example p contact
  • ab planes for example, a hexagonal graphite structure

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Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein Halbleiterlaser, umfassend ein Laserelement (1), einen ersten Wärmespreizkörper (14) mit anisotroper Wärmeleitfähigkeit, die eine Richtung z' die geringsten Wärmeleitfähigkeit aufweist, und eine erste Wärmesenke (17), wobei das Laserelement eine erste Kontaktfläche (2) aufweist, die im thermischen Kontakt mit einer Wärmeeintrittsfläche des ersten Wärmespreizkörpers steht und die Wärmeeintrittsfläche (15) des ersten Wärmespreizkörpers eine erste Flächennormale n hat und der erste Wärmespreizkörper weiterhin eine Wärmeaustrittsfläche (16) aufweist, die im thermischen Kontakt mit einer Wärmeaufnahmefläche (18) der ersten Wärmesenke steht. Erfindungsgemäß schließt eine Richtung z' der geringsten Wärmeleitfähigkeit des ersten Wärmespreizkörpers einen ersten Winkel α von mehr als 5° zur Flächennormalen n der Wärmeeintrittsfläche des ersten Wärmespreizkörpers ein.

Description

Halbleiterlaser mit anisotroper Wärmeableitung
Die Erfindung betrifft einen Halbleiterlaser, der bevorzugt als Diodenlaserbarren mit einem oder mehreren Emittern ausgeführt sein kann und mit Maßnahmen ausgestattet ist, die eine effiziente Ableitung der Abwärme gestatten und zudem eine verbesserte elektrische Kontaktierung
gewährleisten.
Stand der Technik
In der Literatur sind zahlreiche Maßnahmen zur Kühlung von Diodenlaserbarren beschrieben, bei denen Elemente vorhanden sind, die gleichzeitig zur Stromzuführung und zur Wärmeableitung dienen.
Bekannt ist die isotrope Wärmespreizung mit Metallkörpern zum Beispiel aus DE 10 2008 026 229 A1 und aus US 8,486,766 B1 . Die Wärmespreizkörper dienen dabei gleichzeitig als elektrische
Kontaktelemente. Dazu werden Wärmespreizkörper aus Metallen wie beispielsweise Kupfer oder Wolframkupfer verwendet. Ebenso sind metallbeschichtete Keramikkörper bekannt. Solche
Wärmespreizkörper aus Metall oder Keramik weisen eine geringe Elastizität auf, so dass mechanische Spannungen im Laserelement auftreten können. Außerdem ist die Wärmeleitfähigkeit begrenzt. Kupfer hat beispielsweise eine Wärmeleitfähigkeit von weniger als 400W/(m*K). Zur Verminderung mechanischer Verspannungen muss zudem oftmals eine duktile Indiumschicht vorgesehen werden. Eine Indiumbeschichtung ist aufwendig und teuer.
Weiterhin ist aus US 8,340, 144B1 die Montage von Diodenlaserelementen mit pyrolytischer
Karbonfolie bekannt. Pyrolytische Karbonfolie enthält hochgradig orientiertes Grafit, welches so orientiert ist, dass die c-Richtung der Grafitstruktur in Richtung der Oberflächennormale zeigt. Unter der c- Richtung wird im Folgenden die Richtung verstanden, in der das Grafit die geringste
Wärmeleitfähigkeit aufweist. Zur c-Richtung senkrecht kann man eine a-Richtung definieren, und zu a und c senkrecht eine b-Richtung. Es ist bekannt, dass Grafit eine hexagonale Kristallstruktur aufweist, die in der ab-Ebene, welche auch als Basalebene bezeichnet wird, eine gleichmäßig sehr hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist. Als ab-Ebene wird die Ebene bezeichnet, in der die hexagonalen Ringe aus Kohlenstoffatomen liegen, also die Lage, der Graphenschichten. Da die c-Richtung der
Grafitbestandteile hochgradig in Richtung der Oberflächennormalen der Karbonfolie orientiert ist, ist die Karbonfolie in der Richtung der Oberflächennormalen, d.h. durch die Dicke d der Folie, schlecht wärmeleitfähig. Diese Richtung der geringsten Wärmeleitfähigkeit wird im Folgenden als z'-Richtung bezeichnet. Der Vollständigkeit halber sei angemerkt, dass darunter zu verstehen ist, dass es sich um
BESTÄTIGUNGSKOPIE die Vorzugsrichtung der Grafitbestandteile handelt. Bei der genannten Montagetechnologie nach US 8,340, 144 B1 ist nachteilig, dass eine Wärmespreizung hauptsächlich in der Folienebene erfolgt und der Wärmedurchgang durch die Folie schlecht ist, da diese Richtung der c-Richtung des Grafits entspricht. Außerdem ist die elektrische Leitfähigkeit der Karbonfolie in der c-Richtung ebenfalls schlecht. Da der Stromfluss zum Laserelement über die Karbonfolie erfolgt, tritt ein Spannungsabfall über der Dicke der Karbonfolie auf, der zu einer erhöhten elektrischen Verlustleistung führt. Daher entsteht unnötig viel Abwärme. Als Gegenmaßnahme wird die Karbonfolie möglichst dünn gewählt, beispielsweise 25 μιη. Dabei ist aber auch der gewünschte Effekt der Wärmespreizung suboptimal gering ausgeprägt. Außerdem ist vorgesehen, die Grafitfolie bei der Montage des Lasers
zusammenzudrücken. Die Kompressibilität der Karbonfolie ist aber eine schlecht reproduzierbare
Eigenschaft. Es kann zu einer Verbiegung des Laserbarrens kommen, ein Effekt der in der Literatur als „smile" bezeichnet wird. Außerdem kann die Langzeitstabilität der Lage der Emitter mangelhaft sein, wenn die Folie über einen längeren Zeitraum Setzungserscheinungen zeigt. Wegen dieser
Unbestimmtheiten ist es schwierig, die Laserstrahlung einem optischen System zuzuführen.
Aus US 201 1/0133236A1 ist ein lichtemittierendes Bauteil bekannt, das eine Schicht aus anisotropem Grafit enthält. Diese Grafitschicht ist so orientiert, dass die c-Richtung, d. h. die Richtung der geringsten Wärmeleitfähigkeit in Richtung der Oberflächennormalen ausgerichtet ist. Bei dieser Montagetechnologie ist nachteilig, dass eine Wärmespreizung hauptsächlich in der Schichtebene erfolgt und der Wärmedurchgang durch die Grafitschicht schlecht ist, da diese Richtung der c-
Richtung des Grafits entspricht. Außerdem ist die elektrische Leitfähigkeit der Grafitschicht in der c- Richtung ebenfalls schlecht. Da der Stromfluss zum Laserelement über die Grafitschicht erfolgt, tritt ein Spannungsabfall über der Dicke der Grafitschicht auf, der zu einer erhöhten elektrischen
Verlustleistung führt. Daher entsteht unnötig viel Abwärme.
Aus DE 10 201 1 055 891 A1 ist eine Halbleiterlaserdiode mit einer strukturierten
Metallisierungsschicht bekannt. Durch die Strukturierung der Metallisierungsschicht wird eine Wärmeableitung ermöglicht, die entlang einer longitudinalen oder lateralen Richtung variiert. Das Metall als Schichtmaterial hat dabei eine materialbedingt isotrope Wärmeleitfähigkeit. Durch die Strukturierung lässt sich in bestimmten Bereichen bzw. Richtungen die Wärmeleitfähigkeit herabsetzen. Das hat den Nachteil, dass die Wärmeableitung insgesamt verschlechtert wird. Die thermische Anbindungsfläche des Diodenlaserbarrens kann verkleinert sein, was die
Leistungsfähigkeit des Bauteils einschränkt. Außerdem ist die Strukturierung aufwendig und erfordert zusätzliche Prozessschritte in der Halbleiterfertigung. Aufgaben der Erfindung sind die Angabe eines Verfahrens zur effizienten Abführung der Abwärme eines Halbleiterlasers sowie die Angabe eines Halbleiterlasers mit effizienter Abführung der Abwärme. Eine weitere, gleichermaßen wichtige Aufgabe besteht darin, eine effiziente Stromzuführung zum Halbleiterlaser zu gewährleisten. Darüber hinaus soll das Laserelement möglichst geringe
mechanische Spannungen aufweisen. Außerdem kann die Aufgabe der Erfindung zusätzlich die
Gestaltung der Temperaturverteilung im Halbleiterchip umfassen, so dass die Ausbildung thermischer Linsen im Halbleiterlaser minimiert ist. Außerdem soll der Halbleiterlaser langzeitstabil sein. Ein Verfahren zur Herstellung des Wärmespreizkörpers ist anzugeben, welches eine hohe
Langzeitstabilität beim Einsatz im Halbleiterlaser ermöglicht.
Die Aufgabe wird gelöst durch einen Halbleiterlaser, umfassend ein Laserelement, einen ersten Wärmespreizkörper mit anisotroper Wärmeleitfähigkeit, die in einer Richtung z' eine geringste Wärmeleitfähigkeit aufweist, und eine erste Wärmesenke, wobei das Laserelement eine erste
Kontaktfläche aufweist, die im thermischen Kontakt mit einer Wärmeeintrittsfläche des ersten Wärmespreizkörpers steht und die Wärmeeintrittsfläche des ersten Wärmespreizkörpers eine erste Flächennormale n hat und der erste Wärmespreizkörper weiterhin eine Wärmeaustrittsfläche aufweist, die im thermischen Kontakt mit einer Wärmeaufnahmefläche der ersten Wärmesenke steht. Erfindungsgemäß schließt eine Richtung z' der geringsten Wärmeleitfähigkeit des ersten
Wärmespreizkörpers einen ersten Winkel a von mehr als 5° zur Flächennormalen n der
Wärmeeintrittsfläche des ersten Wärmespreizkörpers ein.
Die Lösung der Aufgabe umfasst weiterhin ein Verfahren zur Wärmeableitung von einem
Laserelement mittels eines Wärmespreizkörpers mit anisotroper Wärmeleitfähigkeit, welcher eine Wärmeeintrittsfläche mit einer Flächennormale n aufweist. Bei diesem Verfahren ist die Richtung der geringsten Wärmeleitfähigkeit des Wärmespreizkörpers in einem Winkel von mehr als 5° zur
Flächennormale n angeordnet.
Die Lösung der Aufgabe umfasst weiterhin ein Verfahren zur Verminderung oder Beseitigung der Kompressibilität von pyrolytischem Grafit mit anisotroper Wärmeleitfähigkeit zur Verwendung als Wärmespreizkörper mit folgenden Schritten:
Herstellung des pyrolytischen Grafit mit zwei parallelen Oberflächen,
Aufbringen eines uniaxialen statischen oder dynamischen Drucks von einer zur anderen Oberfläche des pyrolytischen Grafits,
Wegnahme des uniaxialen Drucks
Herstellung des Wärmespreizkörpers mit einer Wärmeeintragsfläche aus dem pyrolytischen Grafit wobei das Maximum des uniaxialen statischen oder dynamischen Drucks die durch einen Kraftschluss auf die Wärmeeintragsfläche eingetragene Druckkraft um wenigstens das Dreifache übersteigt.
Die Erfindung ermöglicht die effiziente Abführung der Abwärme eines Halbleiterlasers. Im Falle eines elektrisch gepumpten Halbleiterlasers (Diodenlaser) ist dabei gleichzeitig eine effiziente
Stromzuführung zum Halbleiterlaser gewährleistet. Die elektrische Verlustleistung des Diodenlasers ist gegenüber bekannten Verfahren zur Montage mit grafithaltigen Wärmeleitfolien vermindert. Das Laserelement weist nur geringe mechanische Spannungen auf. Außerdem kann die
Temperaturverteilung im Halbleiterchip optimiert werden. Dadurch kann auch die Divergenz der Laserstrahlung in der Wellenleiterebene, die auch als„slow axis" Divergenz bezeichnet wird, verringert werden. Gegenüber bekannten Verfahren, die eine strukturierte Schicht aus isotropem Material zur Wärmeableitung verwenden, wird durch die erfindungsgemäße Verwendung des anisotropen Materials eine Verschlechterung der Wärmeableitung vermieden. Das Laserelement kann in bekannter Weise als Kantenemitter ausgeführt sein. Das Laserelement kann einen oder mehrere Gewinnbereiche (gain region) umfassen, in denen eine optische Verstärkung stattfindet, die zur Entstehung von Laserstrahlung führt. Diese Gewinnbereiche können elektrisch gepumpt sein. Wenn mehrere Gewinnbereiche vorhanden sind, können diese parallel zueinander angeordnet sein. Das Laserelement kann so ausgebildet sein, dass in den Gewinnbereichen nur für Photonen in einer bestimmten Richtung eine Verstärkung stattfindet, die als longitudinale Richtung bezeichnet wird. Die Laserstrahlung im Laserelement weist also eine longitudinale Richtung y auf, die dadurch festgelegt ist, dass nur für Photonen, die sich in dieser Richtung oder in der
entgegengesetzten Richtung -y ausbreiten, eine Verstärkung stattfindet, die zur Entstehung von Laserstrahlung führt. In anderer Richtung laufende Strahlung wird in geringerem Maße oder gar nicht verstärkt und/oder aus dem Resonator ausgekoppelt. Das Laserelement kann ein gewinngeführtes (gain guided) Laserelement sein. Die Gewinnbereiche können seitlich, d. h. transversal, durch ungepumpte Bereiche begrenzt sind. Die Gewinnbereiche können elektrisch gepumpt sein. Sie können sich in einer epitaktisch auf einem Substrat hergestellten Schichtfolge befinden, wobei die Schichtfolge eine aktive Schicht (Quantengraben), die zwischen zwei Lichtführungsschichten
(cladding) angeordnet ist, umfasst. Das Substrat kann beispielsweise eine Dicke zwischen 50 pm und 200 pm aufweisen, während die Schichtfolge beispielsweise zwischen 3 pm und 20 pm dick sein kann. Die Schichtfolge kann als pn-Übergang ausgeführt sein. Die Gewinnbereiche können durch eine strukturierte Isolationsschicht festgelegt sein. Nur in den Ausnehmungen, in denen die
Isolationsschicht durchbrochen ist, kann ein Stromfluss durch die Schichtfolge auftreten. Dadurch werden nur diese Bereiche gepumpt und können als Gewinnbereiche wirken. Die Gewinnbereiche sind also durch örtliche Verteilung des Betriebsstromes bestimmt (current confinement). Das Laserelement kann in longitudinaler Richtung beispielsweise 0,5 mm bis 6 mm lang sein. Das Laserelement kann aber auch als Stegwellenleiter (ridge waveguide) oder als indexgeführter Laser ausgebildet sein. Das Laserelement kann beispielsweise ein Diodenlaserbarren mit einem oder mehreren Emittern sein. Die einzelnen Emitter sind dann mit Ausnahme eventuell vorhandener ungepumpter Bereiche die Gewinnbereiche des Laserelements. Gewinnbereiche sind also die Bereiche, in denen eine optische Verstärkung stattfindet, so dass Laserstrahlung entsteht. Ein Diodenlaserbarren mit nur einem Emitter wird auch als Einzelemitter bezeichnet. Der Begriff Diodenlaserbarren schließt im Folgenden ausdrücklich auch Einzelemitter mit ein. Die Emitter können bevorzugt als Breitstreifenemitter ausgebildet sein. Das Laserelement, beispielsweise ein Diodenlaserbarren, kann mehrere zueinander parallele Gewinnbereiche aufweisen, wobei die einzelnen Gewinnbereiche in einer zur longitudinalen Richtung senkrechten Versatzrichtung x versetzt sein können und jeweils einen gleichen
Mittenabstand p haben können. Die Breite der Gewinnbereiche kann in transversaler Richtung x beispielsweise zwischen 5 pm und 200 pm betragen, während der Abstand p beispielsweise 20 pm bis 500 pm betragen kann. Die Breite des Laserelements ergibt sich aus der Anzahl und Breite der Gewinnbereiche, sowie deren Abstand zueinander. Die Breite des Laserelements in transversaler Richtung kann beispielsweise 0,5 mm bis 10 mm betragen. Das Laserelement kann bevorzugt als Kantenemitter ausgebildet sein. Die Emissionsrichtung der vom Laserelement emittierten Strahlung kann der longitudinalen Richtung y der Laserstrahlung im Laserelement entsprechen. Es kann aber auch im Laserelement eine Strahlumlenkung vorgesehen sein, so dass die Richtung der Laserstrahlung außerhalb des Laserelements von der longitudinalen Richtung der Laserstrahlung im Gewinnbereich des Laserelements abweichen kann. Das Laserelement kann zusätzlich Gitterstrukturen enthalten, beispielsweise bekannte DBR- oder DFB- Gitter. Das Laserelement kann elektrisch gepumpt sein und kann mit einem hohen Strom betrieben werden. Der Betriebsstrom kann beispielsweise 1 A bis 1000 A betragen. Die einzelnen Emitterbereiche können bevorzugt als Breitstreifenemitter oder als
Stegwellenleiter oder als Trapezlaser ausgebildet sein. Das Laserelement kann aber auch als vertikale Resonatorstruktur (VCSEL) ausgebildet sein. Neben bzw. zwischen den Gewinnbereichen eines Laserelements können sich ungepumpte Bereiche befinden, die nicht vom Betriebsstrom durchflössen werden. Diese können beispielsweise mit einer isolierenden Maskierungsschicht abgedeckt sein.
Das Laserelement kann mit Spiegeln abgeschlossen sein, beispielweise kann sich an der rückwärtigen Facette des Laserelements eine hochreflektierende Spiegelschicht angebracht sein und an der gegenüberliegenden austrittsseitigen Facette, welche die Austrittsapertur enthält, eine niedrig reflektierende Spiegelschicht mit einem Refelxionsgrad von beispielsweise 0, 1 % bis 10 %. Die Spiegel können einen Laserresonator definieren, der einen Laserbetrieb ermöglicht. Das Laserelement kann aber auch als Gewinnelement ausgebildet sein, welches erst im Zusammenwirken mit einem externen Resonator zum Laserbetrieb vorgesehen ist. Dabei kann beispielsweise eine
wellenlängenabhängige Rückkopplung durch den externen Resonator vorgesehen sein, die zur
Festlegung der Wellenlänge des Lasers dient. Auch ein solches elektrooptisches Gewinnelement ist als Laserelement im Sinne der Erfindung zu verstehen.
Das Laserelement weist eine erste Kontaktfläche auf, die zur thermischen Kontaktierung des
Laserelements dient. Die erste Kontaktfläche kann auch zur elektrischen Kontaktierung des
Laserelements dienen. In diesem Fall kann das Laserelement eine zweite Kontaktfläche aufweisen, die zur elektrischen Kontaktierung der anderen Elektrode des Laserelements dient. Diese kann, muss aber nicht, ebenfalls zur thermischen Kontaktierung benutzt werden. Bei einem Laserbarren mit bekannter p-seitiger Wärmeableitung (p-side-down) kann die erste Kontaktfläche die epitaxieseitige Elektrode des Laserchips sein, die zweite Kontaktfläche die gegenüberliegende substratseitige Elektrode des Laserchips. Die erste Kontaktfläche kann also die Anode einer Laserdiode sein. Die zweite
Kontaktfläche kann die Kathode sein.
Die erste Kontaktfläche des Laserelements kann in einer bevorzugten Ausführung der Erfindung eine Metallschicht aufweisen. Die Metallschicht kann beispielsweise vorzugsweise flächig auf der p- seitigen Kontaktfläche des Laserelements aufgebracht sein. Es kann sich dabei beispielsweise um eine metallische Schicht handeln, deren chipabgewandte Seite beispielsweise aus Gold besteht. Bevorzugt kann dabei eine galvanisch verstärkte Goldschicht mit einer Dicke bevorzugt größer als 0,5 pm, besonders bevorzugt zwischen 1 μιτι und 10 μητι, verwendet werden. Bevorzugt kann ein Metall gewählt werden, dessen elektrische Leitfähigkeit, welche isotrop sein kann, höher ist, als die höchste elektrische Leitfähigkeit des Wärmespreizkörpers. Es sei angemerkt, dass die Wärmeleitfähigkeit dieses Metalls, welche ebenfalls isotrop sein kann, durchaus geringer sein kann, als die höchste Wärmeleitfähigkeit des Wärmespreizkörpers. Diese metallische Schicht kann eine vorteilhafte
Absenkung des elektrischen Übergangswiderstands zwischen der Wärmesenke und dem Laserbarren bewirken. Die Kombination des erfindungsgemäßen Wärmespreizkörpers mit einer Metallschicht auf der Kontaktfläche des Laserbarrens kann also eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung darstellen.
Wenn nämlich nur die Gewinnbereiche des Laserbarrens, d. h. die Resonatorstrukturen bzw. die Breitstreifenbereiche stromführend sind, während in den Zwischenräumen zwischen einzelnen
Emittern bzw. den Randbereichen des Diodenlaserchips kein Strom durch das Laserelement fließt, würde sich ohne die o.g. dicke Metallisierung der Kontaktfläche des Laserbarrens ein
ungleichmäßiger Stromeintrag in den Wärmespreizkörper einstellen. Ohne bzw. mit nur einer dünnen Metallschicht würde also die erste Kontaktfläche eine ungleichmäßige Verteilung des Betriebsstromes aufweisen. Wird nun der Stromfluss in der Metallschicht in Schichtebene aufgespreizt, kann die Stromzuführung an der Wärmeaufnahmefläche des Wärmespreizkörpers großflächiger erfolgen. Die physikalische Wirkung lässt sich folgendermaßen erklären. Da die elektrische Leitfähigkeit des Wärmespreizkörpers in x-Richtung, selbst dann, wenn in dieser Richtung die maximale elektrische Leitfähigkeit vorhanden sein kann, kleiner sein kann, als die des Metalls der Metallschicht, kann eine dicke Metallschicht mit der o. g. bevorzugten Dicke als Äquipotentialfläche des elektrischen Feldes betrachtet werden. Eine solche Metallschicht, welche die bevorzugte Dicke aufweist, kann somit eine Spreizung des Betriebsstromes, d. h. eine gleichmäßigere Verteilung des Betriebsstromes über die Kontaktfläche, bewirken.
Eine metallische Schicht kann aber auch auf der n seitigen Kontaktfläche oder auf beiden
Kontaktflächen vorgesehen sein. Das kann dazu führen, dass beispielsweise in x-Richtung die
Stromspreizung vorwiegend in der Metallschicht erfolgt, während die Wärmespreizung in x-Richtung hauptsächlich im Wärmespreizkörper erfolgt. Dadurch können Strompfad und Wärmepfad einen verschiedenen Verlauf haben. Eine Metallschicht, vorzugsweise aus Gold, kann zudem die
Oxidbildung verhindern und den elektrischen Übergangswiderstand über die Grenzfläche verringern. Eine Goldschicht kann zudem weich sein, so dass nur geringe mechanische Spannungen im
Laserelement auftreten.
Das Laserelement kann aber auch ein optisch gepumptes Laserelement sein. In diesem Falle ist keine Stromzuführung zum Laserelement erforderlich.
Der Halbleiterlaser umfasst einen ersten Wärmespreizkörper, der bevorzugt als massiver (d. h. als kompakter bzw. homogener) Körper ausgebildet sein kann. Der erste Wärmespreizkörper ist zwischen dem Laserelement und der ersten Wärmesenke angeordnet. Unter einem massiven Körper wird verstanden, dass er nicht aus einzelnen Schichten oder aus Partikeln aufgebaut ist, die durch Kräfte zusammengehalten werden müssen, sondern dass ein intrinsischer Zusammenhalt des
Materials besteht. Dadurch kann eine mechanische Bearbeitung, wie z. B. Sägen oder Fräsen des Wärmespreizkörpers möglich sein. Man kann einen massiven Wärmespreizkörper in exakter Weise dadurch definieren, dass er keine inneren Grenzflächen aufweist, die zwischen Volumina gleichen Materials liegen. Derartige innere Grenzflächen würden beispielsweise bei einem laminierten Körper bzw. bei einem Schichtstapel oder bei einem solchen Körper, der durch Zusammenpressen von Partikeln entstanden ist, vorhanden sein und könnten beispielsweise die Festigkeit oder die thermische bzw. elektrische Leitfähigkeit beeinträchtigen. Der erste Wärmespreizkörper und ebenso, falls vorhanden, die weiteren Wärmespreizkörper können also bevorzugt aus einem homogenen Material bestehen, das erfindungsgemäß anisotrop ist.
Der erste Wärmespreizkörper hat eine Wärmeeintrittsfläche, die im thermischen Kontakt mit der ersten Kontaktfläche des Laserelements steht. Die Wärmeeintrittsfläche des ersten
Wärmespreizkörpers kann dabei auf der ersten Kontaktfläche direkt aufliegen. Die Auflagefläche wird dabei im Folgenden als Wärmeeintrittsfläche betrachtet. Sie kann gleichzeitig auch die Funktion einer elektrischen Kontaktfläche haben. Der Wärmespreizkörper kann natürlich auch größer als die
Kontaktfläche des Laserelements ausgebildet sein, so dass nur ein Teil der Fläche, die den Körper auf einer Seite begrenzt, als Wärmeeintrittsfläche wirkt. Obwohl es möglich wäre, mehrere erste
Wärmespreizkörper einzusetzen, die jeweils mit ihrer Wärmeeintrittsfläche mit einer Teilfläche der ersten Kontaktfläche thermisch verbunden sind, ist die Ausführung zu bevorzugen, bei der die Kontaktfläche des Laserelements mit einem einzigen ersten Wärmespreizkörper verbunden ist. Die Flächennormale n der Wärmeeintrittsfläche wird dabei im Folgenden so definiert, dass sie in das Innere des Wärmespreizkörpers zeigt.
Der erste Wärmespreizkörper weist eine Wärmeaustrittsfläche auf, die im thermischen Kontakt mit der Wärmesenke steht. Die Wärmeeintrittsfläche kann gleich groß sein wie die Wärmeaustrittsfläche. Sie kann außerdem die größte der Flächen sein, die den Wärmespreizkörper begrenzen. Die
Wärmeaustrittsfläche kann bevorzugt parallel zur Wärmeeintrittsfläche sein. Der erste
Wärmespreizkörper kann quaderförmig ausgebildet sein.
Im Folgenden ist nun die Funktionsweise des Wärmespreizkörpers im Rahmen der
erfindungsgemäßen Ausbildung des Halbleiterlasers beschrieben. Die anisotrope Wärmeleitfähigkeit des Materials eines Wärmespreizkörpers kann durch einen Tensor zweiter Stufe beschrieben werden q - = - 7λ■— grad A ^ TT Gleichung a 1
Dabei ist λ der Wärmeleitfähigkeitstensor des Materials, aus dem der Wärmespreizkörper besteht, q ist der Vektor der Wärmestromdichte und gradT ist der Temperaturgradient, der ebenfalls ein Vektor ist.
Im Folgenden wird ohne Beschränkung der Allgemeinheit ein kartesisches Koordinatensystem als Bezugssystem gewählt, bei welchem die z Richtung der Normalen n der Wärmeeintrittsfläche des Wärmespreizkörpers entspricht. Die y-Richtung kann beispielsweise im Falle eines
kantenemittierenden Laserbarrens so gewählt werden, dass sie der longitudinalen Richtung der Laserstrahlung im Resonator entspricht, also in Richtung des bzw. der Gewinnbereiche liegt. Die Richtung y kann entgegengesetzt zur Richtung des austretenden Laserstrahls zeigen. Die x-Richtung ergibt sich dann als Normale zur yz-Ebene. Sie kann bei einem Laserbarren beispielsweise die
Richtung des Versatzes der Emitter zueinander angeben und der Richtung einer Kante der
Lichtaustrittsfläche entsprechen. Die Wärmeeintrittsfläche des betrachteten Wärmespreizkörpers liegt dann in der xy-Ebene.
Nach dem Stand der Technik wird beispielsweise eine Grafitschicht als Wärmeleitschicht in der Weise angeordnet, dass die Richtung z' der geringsten Wärmeleitfähigkeit Äm in z-Richtung liegt, und die größte Wärmeleitfähigkeit ÄM in der xz-Ebene vorhanden ist, wobei die Wärmeleitfähigkeit in x und y-Richtung gleich sein und einen Wert λΜ aufweisen kann. Dann kann der Wärmeleitfähigkeitstensor fol ende Form haben:
Figure imgf000011_0001
In dieser Darstellung kann es sich um einen symmetrischen Tensor in Diagonalform handeln. Von den drei Hauptdiagonalwerten λΜ , λΜ , λη können zwei den gleichen Betrag λΜ aufweisen, so dass der
Wärmeleitfähigkeitstensor zwei verschiedene Eigenwerte λΜ und Äm hat.
Erfindungsgemäß hingegen kann unter Zugrundelegung des Bezugskoordinatensystems xyz eine Transformation des Wärmeleitfähigkeitstensors vorliegen. Zur Veranschaulichung wird ein
Wärmeleitfähigkeitstensor X betrachtet, der in einem rechtwinkligen kartesischen
Koordinatens stem x'y'z' folgende Form haben kann:
Figure imgf000011_0002
Da die zueinander entgegensetzten Richtungen z' und -z' hinsichtlich der Wärmeleitfähigkeit äquivalent sind, kann der Richtungssinn von z' ohne Beschränkung der Allgemeinheit so gewählt werden, dass z' an der Wärmeeintrittsfläche in das Innere des Wärmespreizkörpers zeigt. Daher kan der unten definierte Winkel a auf einen Wertebereich von 0° bis 90° eingeschränkt werden. Das Koordinatensystem x'y'z' soll über die Transformationsmatrix M mit dem oben definierten Koordinatensystem xyz verknüpft sein, so dass jeder Vektor r' im Koordinatensystem x'y'z' die Koordinaten r im Koordinatensystem xyz hat mit
r = M - r'
Dann hat der Wärmeleitfähigkeitstensor im Bezugssystem xyz gemäß der bekannten
Transformationsvorschrift für einen Tensor zweiter Stufe folgende Form: λ = Μ · Χ · Μ'χ
Erfindungsgemäß kann das Koordinatensystem x'y'z' mit dem Koordinatensystem xyz beispielsweise durch eine Drehung um die x Achse zusammenhängen. Der Drehwinkel ist dabei der Winkel zwischen n und z', der einen Wertebereich von 0° bis 90° umfasst. Der Winkel kann
erfindungsgemäß einen Betrag zwischen 5° und 90° oder einen Betrag von genau 90° aufweisen. Dann hat die Matrix M fol ende Form:
Figure imgf000012_0001
In diesem Fall hat der Wärmeleitfähigkeitstensor im Bezugssystem xyz dann folgende Form
Figure imgf000012_0002
λ = 0 λΜ cos2(or) + Am sin2 •sin
0 A/ ~ A. sin(2or) Äm cos2 ( ) + AM sin2
Um dieses Ergebnis zu veranschaulichen, kann man zunächst einen Temperaturgradienten grad betrachten, der in z Richtung orientiert ist und nur eine von 0 verschiedene z-Komponente 71 hat:
Figure imgf000012_0003
Die z-Richtung ist im Wesentlichen die Richtung des beabsichtigten Wärmeflusses vom Laserelement zur Wärmesenke, d. h, die Richtung von der Wärmeeintrittsfläche zur Wärmeaustrittsfläche des Wärmespreizkörpers. Es sei angemerkt, dass diese Betrachtung nur zum Verständnis der Erfindung erfolgt. In der Praxis treten außerdem Temperaturgradienten in der xy-Ebene auf.
In dieser stark vereinfachten Betrachtung hat nun der Wärmestrom q gemäß Gleichung 1 folgende Form: Gleichung 2
Figure imgf000013_0001
Das zeigt, dass die Richtung des Wärmestromes von der Richtung des Temperaturgradienten abweichen kann, falls der Winkel a weder 0° noch 90° beträgt. Bei Verwendung von Grafitfolien nach dem Stand der Technik beträgt der Drehwinkel a = 0 . Daher ist der Betrag der
Wärmestromdichte q = TzAm . Hier steht also bekanntermaßen für die Durchleitung der Wärme von der Wärmeeintrittsfläche zur Wärmeaustrittsfläche nur die minimale Wärmeleitfähigkeit Am zur Verfügung. Erfindungsgemäß kann ein Winkel a bevorzugt zwischen 5° und 90° gewählt werden. Wenn das Material des Wärmespreizkörpers ein stark anisotropes Material mit AM » Am ist, ergibt sich unter dieser Näherung aus Gleichung 2 ein Betrag der Wärmestromdichte q = T.AM - sin(ar) .
Das bedeutet, dass mit der erfindungsgemäßen Lösung im Vergleich zum Stand der Technik eine größere Wärmemenge vom Laserelement abgeführt werden kann. Vorteilhaft sollte aus dieser Betrachtung heraus der Winkel a so gewählt werden, dass AM -sin(ar) größer ist als Am . Wenn beispielsweise AM : Am e'm Verhältnis 100: 1 hat, und a einen Betrag von nur 5° hat, ist AM - sin(ör) neun mal höher als Am . Das zeigt, dass die erfindungsgemäße Maßnahme selbst bei kleinen Winkeln a einen großen positiven Effekt auf die Wärmedurchleitung durch den Wärmespreizkörper hat. Gleichermaßen kann auch die elektrische Stromzuführung verbessert sein, wie unten beschrieben.
Der Drehwinkel a ist jedoch nicht auf kleine Winkel beschränkt, er kann auch bevorzugt ein rechter Winkel sein oder nahe bei 90° gewählt werden. Die Richtung z' der geringsten Wärmeleitfähigkeit kann beispielsweise in Richtung y (longitudinale Richtung der Laserstrahlung im Laserelement) liegen. Dann ist der Wärmedurchgang durch den Wärmespreizkörper in z-Richtung unter Ausnutzung der maximalen Wärmeleitfähigkeit tM des Materials möglich. Allerdings ist dann die Wärmespreizung im Wärmespreizkörper vorwiegend nur in x-Richtung möglich, während in y-Richtung die geringe Wärmeleitfähigkeit Am wirkt, wodurch die Wärmespreizung in y-Richtung nur in sehr geringem Maße auftreten kann.
Ein solcher Effekt kann zur Gestaltung des Temperaturprofils des Laserelements benutzt werden. So kann es beispielsweise vorteilhaft sein, den Winkel a als rechten Winkel zu wählen und die Richtung z' der geringsten Wärmeleitfähigkeit in x-Richtung, also senkrecht zur longitudinalen Richtung der Laserstrahlung zu legen. Dadurch kann man eine Wärmespreizung in x-Richtung weitestgehend unterdrücken, um beispielsweise eine Wärmeableitung zu erreichen, die für jeden Emitter eines Laserbarrens gleich ist. Das kann vorteilhaft sein, um beispielsweise das bekannte Phänomen zu minimieren, dass die mittleren Emitter beim Betrieb des Laserbarrens gegenüber den Randemittern stärker erwärmt sind. Ein anderer vorteilhafter Effekt dieser Maßnahme kann darin bestehen, dass die Temperaturverteilung in x-Richtung über die Breite eines Emitters homogener ist, als mit vorhandener Wärmespreizung. Ein Emitter eines Laserbarrens wird nämlich bekanntermaßen infolge der
Wärmespreizung in der Mitte wärmer als an den Rändern des Emitters. Erfindungsgemäß kann man nun in der oben beschriebenen Weise die Wärmespreizung in x-Richtung minimieren. Dadurch kann es gelingen, das Temperaturprofil im Emitter zu homogenisieren und dadurch die negativen
Auswirkungen der Ausbildung einer thermischen Linse im Resonator zu vermindern.
Wenn die geringe Wärmespreizung in einer Richtung aber unerwünscht ist, kann als
Gegenmaßnahme die weiter unten beschriebene Einführung eines dritten bzw. vierten
Wärmespreizkörpers vorgesehen werden, oder der Winkel a wird kleiner als 90°, bevorzugt kleiner als 85° gewählt.
Es kann aber auch sein, dass eine Wärmespreizung in einer Richtung, beispielsweise x, erwünscht ist, in einer anderen Richtung, beispielsweise in y-Richtung, gar nicht erforderlich ist, weil beispielsweise der Wärmeeintrag auf der Wärmeeintrittsfläche in y-Richtung homogen ist. Dann kann es vorteilhaft sein, den Winkel a als rechten Winkel zu wählen und die Richtung z' der geringsten
Wärmeleitfähigkeit in y-Richtung zu legen. Dann kann man die bestmögliche Wärmedurchleitung in z-Richtung und die bestmögliche Wärmespreizung in x-Richtung kombiniert benutzen. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann ein Drehwinkel a abweichend vom rechten Winkel vorgesehen sein, beispielsweise ein Winkel von 45° um die x-Achse. Dabei kann man mehr als 70% der maximalen Wärmeleitfähigkeit λΜ des Materials sowohl für die Durchleitung der Wärme von der Wärmeeintrittsfläche zur Wärmeaustragsfläche des Wärmespreizkörpers nutzen, während ebenfalls mehr als 70% von λΜ zur Wärmespreizung im Wärmespreizkörper in y-Richtung zur Verfügung stehen. In x-Richtung würde dann sogar die maximale Wärmeleitfähigkeit zur
Wärmespreizung zur Verfügung stehen.
Selbstverständlich kann die Drehung auch um eine andere Achse, beispielsweise die y-Achse erfolgen. Des Weiteren kann auch eine andere Drehachse in der xy Ebene gewählt werden, die beispielsweise einen Winkel von 45° zur x-Achse haben kann. Grundgedanke der Erfindung ist also die Verwendung eines ersten anisotropen Wärmespreizkörpers mit einer Wärmeeintrittsfläche, deren Normale n in eine Richtung z zeigt, wobei das Minimum der richtungsabhängigen Wärmeleitfähigkeit des Wärmespreizkörpers in einer Richtung z' liegt. Die Richtung z hat erfindungsgemäß einen Winkel a von 5° bis 90° zur Richtung z'.
Auch die elektrische Leitfähigkeit des ersten Wärmespreizkörpers kann anisotrop sein. Die elektrische Leitfähigkeit des Wärmespreizkörpers kann ebenfalls als Tensor zweiter Stufe dargestellt werden.
-: = ~ Gleichung 3
] = σ · Ε a
Dabei ist σ der elektrische Leitfähigkeitstensor des Materials, aus dem der Wärmespreizkörper besteht, j ist der Vektor der Stromdichte und E ist das elektrische Feldstärke, die ebenfalls ein Vektor ist.
Der elektrische Leitfähigkeitstensor kann analog zum Wärmeleitfähigkeitstensor folgende Form haben:
0 0
σ = 0 0
0
Von den drei Hauptdiagonalwerten (Eigenwerten) σΜ , σΜ , σηι , können zwei den gleichen maximalen Betrag σΜ aufweisen, so dass der elektrische Leitfähigkeitstensor zwei verschiedene Eigenwerte, nämlich die maximale Wärmeleitfähigkeit σΜ und die minimale (geringste)
Wärmeleitfähigkeiten hat.
Die Richtung der minimalen elektrischen Leitfähigkeit kann mit der Richtung z' der minimalen Wärmeleitfähigkeit zusammenfallen. Das Koordinatensystem der Hauptachsen dieses Tensors kann daher in gleicher Weise orientiert sein wie beim Tensor der Wärmeleitfähigkeit. Da die elektrische und thermische Leitfähigkeit von Festkörpern oftmals in direktem Zusammenhang stehen, kann auch die elektrische Leitfähigkeit ein ähnlich großes Verhältnis zwischen Minimalwert und Maximalwert aufweisen. Die minimale elektrische Leitfähigkeit kann in der gleichen Richtung z' vorliegen wie das Minimum der Wärmeleitfähigkeit. Daher führt die oben betrachtete erfindungsgemäße Einführung eines Drehwinkels a gleichermaßen zu einer erheblichen Verbesserung der Stromzuführung zum Laserbarren. Wenn wie in den obigen Beispielrechnungen die Wärmeanbindung um Faktoren 9 bzw. 70 verbessert werden kann, kann auch die im Inneren des Wärmespreizkörpers anfallende elektrische Verlustleistung um einen solchen Faktor verringert werden.
Der erfindungsgemäße Wärmespreizkörper kann als homogener anisotroper Körper ausgeführt sein. Das bedeutet, dass er nicht beispielsweise aus einzelnen Lamellen besteht, sondern dass er aus einem massiven Stück des Materials besteht. Als Material für Wärmespreizkörper kommt orientiertes bzw. hochgradig orientiertes TPG (thermal pyrolytic graphite) in Betracht. Mit bekannten
Herstellungsverfahren können planparallele flache Rohlinge hergestellt werden, die in einer Ebene xy ausgedehnt sind und in z-Richtung eine Dicke d aufweisen. Dabei sind die ab-Ebenen der
Grafitbestandteile des TPG im Wesentlichen senkrecht zu z ausgerichtet. Je größer die Dicke d ist, umso höher können die zufälligen Winkelfehler dieser Ausrichtung im Material sein. Zufällige Winkelfehler können die Wärmeleitfähigkeit des Materials erheblich herabsetzen. Um
erfindungsgemäße Wärmespreizkörper herstellen zu können, ist TPG Material größerer Dicke erforderlich. Dazu sind spezielle Herstellungsverfahren, die geringe Winkelfehler erzeugen, geeignet. Aus WO 2005/029931 ist beispielsweise ein Verfahren zur Herstellung von TPG mit geringem
Winkelfehler bekannt. Damit kann TPG in großer Dicke hergestellt werden, aus dem die
erfindungsgemäßen Wärmespreizkörper gefertigt werden können. Bei dem Material TPG handelt sich um eine dreidimensional geordnete Grafitstruktur mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit in der x y Ebene, die der Vorzugsorientierung der ab-Ebene des Grafit entspricht. Die Wärmeleitfähigkeit kann größer als 1000W/(m*K) sein oder bevorzugt größer als 1 500 W/(m*K). Die Wärmeleitfähigkeit in z'Richtung, die der Vorzugsorientierung des Grafit in c Richtung entspricht, kann kleiner als 20 W/(m*K) sein. Die Oberfläche des ersten Wärmespreizkörpers oder auch der anderen
Wärmespreizkörper kann, muss aber nicht, mit einer Metallschicht versehen sein. Eine Metallschicht kann beispielsweise auf der Wärmeeintragsfläche und /oder der Wärmeaustrittsfläche des
Wärmespreizkörpers angebracht sein. Die Metallschicht kann beispielsweise aus Kupfer bestehen. Sie kann außerdem zusätzlich eine Goldoberfläche aufweisen und eine Diffusionsbarriere beispielsweise aus Nickel, so dass die Schichtfolge folgende Struktur haben kann Cu-Ni-Au. Zwischen dem
Grundmaterial und der Cu-Schicht kann sich eine haftvermittelnde Schicht befinden, damit ein Delaminieren verhindert wird. Die Goldoberfläche kann lötbar sein und zur Befestigung des
Laserelements auf der Wärmeeintragsfläche durch Löten vorgesehen sein. Die Wärmeaustrittsfläche kann beispielsweise die genannte Metallisierung aufweisen, um die Wärmeaustrittsfläche des Wärmespreizkörpers durch Löten mit der Wärmesenke zu verbinden. Eine Metallisierung der Oberfläche kann aber auch die Stabilität und die mechanische Bearbeitbarkeit des
Wärmespreizkörpers verbessern. Der Halbleiterlaser kann außerdem einen Deckel umfassen. Der Deckel kann die Funktion einer Wärmesenke haben (zweite Wärmesenke) oder aber ohne thermische Funktion sein . Der Deckel kann beispielsweise mittels einer wärmeleitenden Fügemittelschicht, beispielsweise einem elektrisch isolierenden Wärmeleitkleber, mit der ersten Wärmesenke über eine Fügefläche flächig verbunden sein, so dass die Wärme vom Deckel auf die erste Wärmesenke abgeleitet werden kann.
Der Deckel kann zur Stromzuführung dienen, beispielsweise als n-seitiges Kontaktterminal. Mit Hilfe des Deckels kann eine Klemmkraft auf das Laserelement ausgeübt werden. Diese kann zur kraftschlüssigen Verbindung zwischen der ersten Kontaktfläche und der Wärmeeintragsfläche des ersten Wärmespreizkörpers und/oder zur kraftschlüssigen Verbindung der Wärmeaustrittsfläche des ersten Wärmespreizkörpers und der Wärmeaufnahmefläche der Wärmesenke bzw. der
Wärmeeintragsfläche des dritten Wärmespreizkörpers führen. In gleicher weise kann die Klemmkraft eine kraftschlüssige Verbindung der zweiten Kontaktfläche zur Wärmeeintragsfläche des zweiten Wärmespreizkörpers bewirken. Somit kann das Laserelement kraftschlüssig mit dem ersten
Wärmespreizkörper und/oder dem zweiten Wärmespreizkörper verbunden sein. Eine solche kraftschlüssige Verbindung kann aus verschiedenen Gründen vorteilhaft sein. Dann kann nämlich auf eine beispielsweise lötbare Beschichtung des Wärmespreizkörpers verzichtet werden. Außerdem kann der Halbleiterlaser einfacher entsorgt werden, da die Komponenten einfacher zu trennen sind als bei einer Lötverbindung. Die Klemmkraft kann beispielsweise von einem Federelement aufgebracht werden, welches beispielsweise als Federscheibe oder als Druckfeder ausgebildet sein kann. Die Verwendung eines Federelements ist vorteilhaft, wenn der erste Wärmespreizkörper plastisch verformbar oder starr ist. Wenn der erste Wärmespreizkörper hingegen elastisch ist, kann die Klemmkraft auch von diesem selbst aufgebracht werden. Dann kann der Deckel beispielsweise ohne Federelement mechanisch starr mit der ersten Wärmesenke verbunden sein. Diese Verbindung kann elektrisch isolierend ausgeführt sein, damit Deckel und erste Wärmesenke zu elektrischen
Kontaktierung des Laserelements verwendet werden können. Dazu kann ein Isolationselement, beispielsweise eine Isolierscheibe oder eine Isolierbuchse verwendet werden.
Der erste Winkel a kann bevorzugt zwischen 10° und 90° betragen. Ebenfalls bevorzugt kann er ein rechter Winkel sein.
Die Wärmeleitfähigkeit des ersten Wärmespreizkörpers kann in jeder Richtung, die in einer Ebene xy' senkrecht zur Richtung z' der geringsten Wärmeleitfähigkeit des Wärmespreizkörpers liegt, einen annähernd gleich großen Wert /^ aufweisen, der der Maximalwert der richtungsabhängigen
Wärmeleitfähigkeit ist. Der Halbleiterlaser kann außerdem noch wenigstens ein zweites als Laserbarren ausgeführtes Laserelement umfassen, welches zu dem ersten Laserelement versetzt angeordnet ist. Das zweite Laserelement kann dabei zum ersten Laserelement elektrisch parallel geschaltet sein. Dabei kann für beide Laserelemente ein gemeinsamer erster Wärmespreizkörper vorgesehen sein. Alternativ kann das zweite Laserelement zum ersten Laserelement in Reihe geschaltet sein. Dazu kann zu jedem Laserelement ein separater zugeordneter erster Wärmespreizkörper vorhanden sein.
Weiterhin kann der Halbleiterlaser einen zweiten Wärmespreizkörper mit anisotroper
Wärmeleitfähigkeit und eine zweite Wärmesenke umfassen, wobei das Laserelement eine zweite Kontaktfläche aufweist, die im thermischen Kontakt mit einer Wärmeeintrittsfläche des zweiten Wärmespreizkörpers steht und der zweite Wärmespreizkörper weiterhin eine Wärmeaustrittsfläche aufweist, die im thermischen Kontakt mit einer Wärmeaufnahmefläche des zweiten Wärmesenke steht. Auch beim zweiten Wärmespreizkörper kann die Wärmeaustrittsfläche parallel zur
Wärmeeintrittsfläche sein.
Die maximale elektrische Leitfähigkeit des Wärmespreizkörpers kann kleiner sein als die elektrische Leitfähigkeit eines Metalls, welches beispielsweise als Schicht auf der ersten Kontaktfläche des Laserelements aufgebracht sein kann. Beispielsweise kann die maximale elektrische Leitfähigkeit eines TPG-Körpers 105 bis 107 (Ohm*m)_1 betragen, während eine Goldschicht eine (isotrope) elektrische
Leitfähigkeit von 4.5*10"7 haben kann. Die maximale elektrische Leitfähigkeit des Wärmespreizkörpers kann also beispielsweise 5 bis 20 mal geringer sein, als die der Metallschicht, während dessen maximale Wärmeleitfähigkeit 3 bis 6 mal höher sein kann als die der Metallschicht. Die
Wärmeleitfähigkeit einer Goldschicht kann beispielsweise 300 W(m*K) betragen, während die maximale Wärmeleitfähigkeit eines TPG Körpers 1000 bis 2000 W/(m*K) betragen kann. Daher kann die Metallschicht hauptsächlich zur Stromspreizung vorgesehen sein, während der
Wärmespreizkörper hingegen hauptsächlich zur Wärmespreizung vorgesehen sein kann. Durch die Kombination des Wärmespreizkörpers mit einer Metallschicht, die auf der ersten Kontaktfläche des Laserelements aufgebracht sein kann, kann daher eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung hergestellt werden. Der Vollständigkeit halber sei noch angemerkt, dass die geringste elektrische Leitfähigkeit crm des Wärmespreizkörpers aus TPG sogar um einige Größenordnungen geringer sein kann als dessen maximale elektrische Leitfähigkeit σΜ . Beispielsweise kann am einen Betrag von nur 103 bis 105 (Ohm*m)"1 aufweisen. Der thermische Kontakt zwischen der Wärmeaustrittsfläche des ersten Wärmespreizkörpers und der ersten Wärmesenke kann mittels eines dritten Wärmespreizkörpers mit anisotroper
Wärmeleitfähigkeit dadurch bewirkt werden, dass die Wärmeaustrittsfläche des ersten
Wärmespreizkörpers in thermischem Kontakt mit einer Wärmeeintrittsfläche des dritten
Wärmespreizkörpers steht und eine Wärmeaustrittsfläche des dritten Wärmespreizkörpers in thermischem Kontakt mit der Wärmeaufnahmefläche der ersten Wärmesenke steht. Dabei kann die Richtung der geringsten Wärmeleitfähigkeit des dritten Wärmespreizkörpers senkrecht zur
Flächennormale der Wärmeeintrittsfläche des dritten Wärmespreizkörpers orientiert sein. Die
Richtung der geringsten Wärmeleitfähigkeit des dritten Wärmespreizkörpers kann außerdem verschieden von der Richtung der geringsten Wärmeleitfähigkeit des ersten Wärmespreizkörpers sein. In gleicher Weise kann der thermische Kontakt zwischen der Wärmeaustrittsfläche des zweiten Wärmespreizkörpers und der zweiten Wärmesenke mittels eines vierten Wärmespreizkörpers mit anisotroper Wärmeleitfähigkeit dadurch bewirkt werden, dass die Wärmeaustrittsfläche des zweiten Wärmespreizkörpers in thermischem Kontakt mit einer Wärmeeintrittsfläche des vierten
Wärmespreizkörpers steht und eine Wärmeaustrittsfläche des vierten Wärmespreizkörpers in thermischem Kontakt mit der Wärmeaufnahmefläche der zweiten Wärmesenke steht. Dabei kann die Richtung der geringsten Wärmeleitfähigkeit des vierten Wärmespreizkörpers senkrecht zur
Flächennormale der Wärmeeintrittsfläche des vierten Wärmespreizkörpers orientiert sein. Außerdem kann die Richtung der geringsten Wärmeleitfähigkeit des vierten Wärmespreizkörpers verschieden von der Richtung der geringsten Wärmeleitfähigkeit des zweiten Wärmespreizkörpers sein.
Der erste Wärmespreizkörper kann Grafit, beispielsweise pyrolytischem Grafit, umfassen bzw. aus diesem bestehen. Besonders bevorzugt umfasst bzw. besteht der Wärmespreizkörper aus hochgradig orientiertem pyrolytischen Grafit.
Der erste Wärmespreizkörper kann eine Dicke von 0, 1 mm bis 10 mm, bevorzugt 0,2 mm bis 5 mm haben.
Das Laserelement kann kraftschlüssig mit dem ersten Wärmespreizkörper und/oder dem zweiten Wärmespreizkörper verbunden sein.
Der erste Wärmespreizkörper kann vor dem Zusammenbau des erfindungsgemäßen Halbleiterlasers einer Druckbehandlung unterzogen werden. Dadurch kann eine spätere beispielsweise Deformation des Wärmespreizkörpers bei der Montage des Halbleiterlasers unterbunden bzw. stark vermindert werden. Außerdem können Setzungserscheinungen des Wärmespreizkörpers im fertig zusammengebauten Halbleiterlaser vermieden oder eingeschränkt werden. Dadurch wird der Halbleiterlaser eine gute Langzeitstabilität, insbesondere hinsichtlich der Lage der Emitter, aufweisen. Ein weiterer Vorteil der Druckbehandlung besteht darin, dass die Ebenheit der Oberflächen, d. h die Wärmeeintrittsfläche und die Wärmeaustrittsfläche verbessert werden kann. Das bedeutet, dass die Rauhigkeit der genannten Flächen verringert werden kann.
Die Druckbehandlung kann dadurch erfolgen, dass der Wärmespreizkörper einem uniaxialen Druck senkrecht zur Wärmeeintragsfläche ausgesetzt wird. Der Druck kann beispielsweise durch eine Presse mit beispielsweise zwei ebenen Flächen bewirkt werden, wobei eine Kraft in Normalenrichtung zur Wärmeeintragsfläche aufgebracht wird. Der Druck kann beispielsweise für einige Sekunden bis zu mehreren Tagen aufrechterhalten werden. Der Druck kann entweder konstant oder pulsierend sein. Unter dieser Druckbehandlung kann sich die Dicke des Wärmespreizkörpers verringern. Der Druck kann bevorzugt höher sein, als der später im Einsatz im erfindungsgemäßen Halbleiterlaser auftretende Druck, bevorzugt wenigstens dreimal so hoch. Durch die Druckbehandlung kann es zu einer Verdichtung des Materials kommen. Durch die Druckbehandlung kann sich die Verformbarkeit (Kompressibilität) des Wärmespreizkörpers verringern bzw. dessen Härte zunehmen. Außerdem kann die Druckbehandlung zu einer Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit führen. Die Druckbehandlung kann mit einer Wärmebehandlung kombiniert werden. Ebenso können auch der zweite, dritte und/oder vierte Wärmespreizkörper behandelt sein. Die genannte Druckbehandlung ist nicht nur für die Wärmespreizkörper geeignet. Auch eine herkömmliche Karbonfolie mit einem Winkel a = 0° kann einer solchen Druckbehandlung unterzogen werden. Bei der Druckbehandlung kann neben der oben beschriebenen Kraft in Normalenrichtung gleichzeitig eine Schubkraftkomponente in
Tangentialrichtung zur Wärmeeintragsfläche angewendet werden. Dadurch können die ab-Ebenen des Grafit beeinflusst werden, so dass eine zusätzlich zu den vorgenannten positiven Effekten eine bessere elektrische Leitfähigkeit zur Durchleitung des elektrischen Stroms durch den
Wärmespreizkörper erreicht werden kann.
Die Druckbehandlung kann auch bereits vor der Herstellung der geometrischen Form des
Wärmespreizkörpers erfolgen.
Die Druckbehandlung kann auch dadurch erfolgen, dass das Material zwischen zwei Walzen gewalzt wird. Die Walztechnologie kann insbesondere für dünne Materialien, beispielsweise bevorzugt dünner als 1 mm Dicke, geeignet sein, beispielsweise Karbonfolie mit einer Dicke von 25 pm bis 500 μιτι. Aus mehreren erfindungsgemäßen Halbleiterlasern kann eine Anordnung aufgebaut werden, bei der wenigstens zwei der Laserelemente elektrisch in Reihe geschaltet sind. Dazu sind die
Wärmespreizkörper der wenigstens zwei Halbleiterlaser gegeneinander elektrisch zu isolieren. Weitere wichtige Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den Ansprüchen und Figuren. Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben und mittels der Figuren näher erläutert.
Fig. 1 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel mit a = 45°
Fig. 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel mit vorhandener Wärmespreizung in x-Richtung in
Seitenansicht
Fig. 3 zeigt das erste Ausführungsbeispiel in Frontansicht
Fig. 4 zeigt die Wirkung der Metallschicht auf die elektrische Stromdichte beim ersten
Ausführungsbeispiel
Fig. 5 zeigt einen Ausschnitt A in detaillierter Darstellung
Fig. 6 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel mit unterdrückter Wärmespreizung in x-Richtung in Frontansicht
Fig. 7 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel mit einem dritten Wärmespreizkörper
Fig. 8 zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel mit einem zweiten Wärmespreizkörper
Fig. 9 zeigt das fünfte Ausführungsbeispiel in Explosionsdarstellung
Fig. 10 zeigt ein sechstes Ausführungsbeispiel, bei dem mehrere Laserbarren mit jeweils einem Emitter elektrisch parallel geschaltet sind
Ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Halbleiterlasers ist in Fig. 2, Fig. 3 und Fig. 4 dargestellt. Um die wesentlichen Merkmale darzustellen, sind die Figuren nicht maßstäblich gezeichnet.
Der Halbleiterlaser umfasst ein Laserelement 1 , welches wie in Fig. 2 dargestellt ist, Laserstrahlung 1 2 in eine als -y definierte Richtung emittiert. Das Laserelement ist ein Diodenlaserbarren mit mehreren Emittern, beispielsweise mit 19 Emittern. In Fig. 3 sind der Übersichtlichkeit halber nur drei Emitter dargestellt, die jeweils einen Gewinnbereich 13 aufweisen, der in der dargestellten Ansicht der Austrittsapertur entspricht. Die Austrittsapertur liegt dabei an der als Unterseite des Chips
dargestellten Seite, welche die Epitaxieseite des Laserbarrens ist. Die erste Kontaktfläche ist also der p-Kontakt (Anode) des Diodenlaserbarrens. Das Laserelement weist auf der ersten Kontaktfläche eine Goldschicht 9 mit einer Dicke größer 0,5 μιη zur Spreizung bzw. Verteilung des elektrischen Betriebsstromes auf. Die Dicke der Goldschicht kann beispielsweise 4μιη betragen und galvanisch hergestellt werden. Die Flächennormale n der ersten Kontaktfläche ist in z-Richtung orientiert.
Der Halbleiterlaser des ersten Ausführungsbeispiels umfasst außerdem eine erste Wärmesenke 17 und eine zweite Wärmesenke 22. Der Halbleiterlaser des ersten Ausführungsbeispiels umfasst außerdem einen ersten
Wärmespreizkörper 14 aus hochgradig orientiertem pyrolytischem Grafit auf. Dieses Material hat eine anisotrope Wärmeleitfähigkeit, die eine Richtung z' der geringsten Wärmeleitfähigkeit aufweist. Die Dicke des ersten Wärmespreizkörpers beträgt 0,5 mm. Die Richtung z' der geringsten
Wärmeleitfähigkeit des ersten Wärmespreizkörpers ist in einem ersten Winkel « von 90° zur
Flächennormale n der Wärmeeintrittsfläche des ersten Wärmespreizkörpers orientiert. Die Richtung z' zeigt in Richtung -y (siehe Fig. 2). Die Richtung der geringsten Wärmeleitfähigkeit des ersten
Wärmespreizkörpers liegt also in der longitudinalen Richtung der Laserstrahlung im Laserbarren (y- Richtung). Diese y-Richtung ist auch die Hauptausbreitungsrichtung der austretenden Laserstrahlen 12.
Die erste Kontaktfläche 2 steht im thermischen Kontakt mit einer Wärmeeintrittsfläche 1 des ersten Wärmespreizkörpers 14. Der thermische Kontakt wird dadurch bewirkt, dass die vergoldete erste Kontaktfläche auf der Wärmeeintrittsfläche aufliegt und durch eine Klemmkraft 26 flächig
angedrückt wird. Die Wärmeeintrittsfläche des ersten Wärmespreizkörpers hat eine erste
Flächennormale n, die in z-Richtung orientiert ist. Das Laserelement ist also kraftschlüssig mit dem ersten Wärmespreizkörper verbunden. Der erste Wärmespreizkörper weist außerdem eine
Wärmeaustrittsfläche 16 auf, die im thermischen Kontakt mit einer Wärmeaufnahmefläche 18 der ersten Wärmesenke 17 steht. Auch dieser thermische Kontakt wird in gleicher Weise durch die Klemmkraft 26 bewirkt.
Die Klemmkraft 26 wird durch einen Deckel 22 bewirkt, der mit Schrauben 27 befestigt ist. Die Schrauben sind mit Federelementen 28 ausgestattet und über Isolierscheiben 29 vom Deckel elektrisch isoliert montiert. Der Deckel ist hier ohne thermische Funktion vorgesehen. Er könnte aber auch als zweite Wärmesenke genutzt werden, wenn man eine Wärmeableitung vom Deckel installiert, beispielsweise durch Wasserkühlung, oder wenn der Deckel thermisch mit der ersten Wärmesenke verbunden wird. Der Deckel ist aus Kupfer gefertigt und dient zur Stromzuführung, also als n-seitiges (substratseitiges) Kontaktterminal für den Laserbarren, während der p-seitige elektrische Anschluss über die erste Wärmesenke hergestellt wird. Die Betriebsspannung wird also zwischen der ersten Wärmesenke 17 und dem Deckel 22 angelegt. Der Betriebsstrom muss daher mit einer z- Komponente über den ersten Wärmespreizkörper 14 fließen.
Mit dem ersten Ausführungsbeispiel wird ein Verfahren zur Wärmeableitung vom Laserelement praktiziert, bei dem eine Wärmespreizung in x Richtung erfolgt, wie in Fig. 3 dargestellt ist. Dort sind für einen Emitter 13 beispielhaft drei Vektoren der Wärmestromdichte q eingezeichnet, die die Richtung des Wärmestroms beispielhaft darstellen. Wegen der Orientierung 25 des anisotropen Materials des Wärmespreizkörpers 14 ist die Wärmespreizung in y-Richtung vernachlässigbar klein.
Der Wärmedurchgang durch den Wärmespreizkörper 14 erfolgt in z-Richtung, d.h. die Vektoren q haben eine z-Komponente, während die y-Komponente verschwindend klein ist, wie in Fig. 2 zu sehen ist. Die Wärmespreizung erfolgt hauptsächlich im Wärmespreizkörper 14 und nur zum geringen Teil in der Metallschicht 9, da der Maximalwert der Wärmeleitfähigkeit des
Wärmespreizkörpers, d.h. in y' Richtung, höher ist als die Wärmeleitfähigkeit der Metallschicht 9.
In Fig. 4 ist der Stromfluss j des ersten Ausführungsbeispiels schematisch dargestellt. Der
Übersichtlichkeit halber sind in der Figur nur das Laserelement 1 und der erste Wärmespreizkörper 14 dargestellt, während die Wärmesenke, der Deckel und die Schrauben nicht mit dargestellt sind. Um die Verteilung des Betriebsstromes anschaulich darzustellen, ist für den Stromfluss durch den ersten
Wärmeleitkörper die entgegengesetzte Stromrichtung—j eingezeichnet. Es erfolgt eine
Stromspreizung in der Metallschicht 9, die dadurch zustande kommt, dass die elektrische Leitfähigkeit der Metallschicht höher ist, als der Maximalwert der elektrischen Leitfähigkeit des
Wärmespreizkörpers, d.h. in y' Richtung. Dadurch unterscheidet sich der Strompfad vom oben beschriebenen Wärmepfad nach Fig. 3. Die Spreizung bzw. Verteilung des Betriebsstromes in der Metallschicht 9 bewirkt also, dass für den Stromfluss in z-Richtung durch den ersten
Wärmespreizkörper 14 eine höhere Querschnittsfläche zur Verfügung steht. Dadurch kann der ohmsche Widerstand und somit die Verlustleistung des Halbleiterlasers gesenkt werden. Aus dieser Betrachtung wird der Vorteil der Kombination des erfindungsgemäßen Wärmespreizkörpers 14 mit einer dicken Metallisierungsschicht 9 auf dem Laserelement deutlich.
Dieser Sachverhalt wird in Fig. 5, welche den Ausschnitt A aus Fig. 4 vergrößert darstellt, detaillierter verdeutlicht. Der Laserbarren 1 umfasst ein Substrat 3, eine Lichtführungsschicht 4, eine aktive Schicht 5, eine weitere Lichtführungsschicht 4, eine Deckschicht 6, eine strukturierte Isolationsschicht 7, eine Elektrode 8 (Anode, p-Seite) und eine Goldschicht 9. Auf der Deckschicht 6 ist die strukturierte Isolationsschicht 7 aufgetragen, die im mittleren Bereich der Darstellung unterbrochen ist. Der Bereich, in dem die Isolationsschicht unterbrochen ist, hat eine konstante (von der y-Koordinate unabhängige) Breite (Ausdehnung in x-Richtung), so dass dadurch ein entsprechender Emitterstreifen des Laserbarrens festgelegt ist. Die Emitterbreite beträgt Ι ΟΟμιτι Auf dieser strukturierten
Isolationsschicht befindet sich die Elektrode 8, die durch Sputtern hergestellt wurde und eine Dicke von weniger als 0,5 μπι aufweist. Diese Elektrode wurde galvanisch verstärkt, so dass eine
Goldschicht 9 von 4 pm Dicke entstanden ist. Der Betriebsstrom wird von unten über den ersten Wärmespreizkörper 14 zugeführt. Der Stromfluss ist schematisch durch die Pfeile 10 dargestellt.
Durch die Isolationsschicht werden nur bestimmte Bereiche der aktiven Schicht elektrisch gepumpt, so dass die Entstehung der Laserstrahlung lokal auf festgelegte Gewinnbereiche 13 begrenzt ist. Da der Strom lateral (x-Richtung) in der Metallschicht 9 gespreizt wird, kann er auf dem kürzesten Weg, d. h. in z-Richtung vollflächig durch den Wärmespreizkörper 14 geleitet werden.
Ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Halbleiterlasers ist in Fig. 6 dargestellt. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel ist die Richtung z' der geringsten Wärmeleitfähigkeit des ersten Wärmespreizkörpers 14 senkrecht zur Richtung y Gewinnbereiche orientiert. Die Richtung z' zeigt hier in Richtung x, die ab-Ebenen 25 des Grafitmaterials liegen parallel zu yz-Ebene. Daher tritt keine erhebliche Wärmespreizung im Wärmespreizkörper in x-Richtung auf. Der Wärmedurchgang durch den Wärmespreizkörper erfolgt in z-Richtung. Das ist eine der beiden Richtungen mit maximaler Wärmeleitfähigkeit. Die andere Richtung x' maximaler Wärmeleitfähigkeit des
Wärmespreizkörpers ist in Richtung y orientiert. Daher kann eine Wärmespreizung in y-Richtung stattfinden. Diese Ausführung ist dann zu bevorzugen, wenn eine homogene Temperaturverteilung über die Gewinnbereiche gewünscht ist. Da der Wärmestrom in x-Richtung minimal ist, wird vermieden, dass die Gewinnbereiche (Emitter) jeweils an den Rändern besser gekühlt werden, als in der Mitte des jeweiligen Gewinnbereiches. Dadurch kann die Ausbildung thermischer Linsen in den Resonatoren vermieden werden. Eine Stromspreizung in der dafür vorgesehenen Metallschicht 9 findet in der gleichen Weise statt, wie beim ersten Ausführungsbeispiel.
Ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Halbleiterlasers ist in Fig. 7 dargestellt. Im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel wird der thermische Kontakt zwischen der
Wärmeaustrittsfläche des ersten Wärmespreizkörpers und der ersten Wärmesenke nicht direkt, sondern mittels eines dritten Wärmespreizkörpers 24 mit anisotroper Wärmeleitfähigkeit bewirkt, der ebenfalls aus pyrolytischem Grafit besteht. Die Wärmeaustrittsfläche des ersten Wärmespreizkörpers liegt flächig auf einer Wärmeeintrittsfläche des dritten Wärmespreizkörpers auf. Dadurch steht die Wärmeaustrittsfläche des ersten
Wärmespreizkörpers in thermischem Kontakt mit dieser Wärmeeintrittsfläche des dritten
Wärmespreizkörpers. Eine Wärmeaustrittsfläche des dritten Wärmespreizkörpers liegt flächig auf einer Wärmeaufnahmefläche der ersten Wärmesenke auf. Dadurch steht diese Wärmeaustrittsfläche des dritten Wärmespreizkörpers in thermischem Kontakt mit der Wärmeaufnahmefläche der ersten Wärmesenke.
Die Richtung z' der geringsten Wärmeleitfähigkeit des dritten Wärmespreizkörpers ist senkrecht zur Flächennormale der Wärmeeintrittsfläche des dritten Wärmespreizkörpers orientiert und die Richtung z' der geringsten Wärmeleitfähigkeit des dritten Wärmespreizkörpers 24 ist verschieden von der Richtung der geringsten Wärmeleitfähigkeit z' des ersten Wärmespreizkörpers 14. In diesem
Ausführungsbeispiel ist die Richtung z' des ersten Wärmespreizkörpers in Richtung -y orientiert, während die Richtung z' des dritten Wärmespreizkörpers in Richtung x orientiert ist.
In gleicher weise kann in einem weiteren nicht figürlich dargestellten Ausführungsbeispiel der thermische Kontakt zwischen der Wärmeaustrittsfläche des zweiten Wärmespreizkörpers und der zweiten Wärmesenke mittels eines vierten Wärmespreizkörpers mit anisotroper Wärmeleitfähigkeit dadurch bewirkt werden, dass die Wärmeaustrittsfläche des zweiten Wärmespreizkörpers in thermischem Kontakt mit einer Wärmeeintrittsfläche des vierten Wärmespreizkörpers steht. Eine Wärmeaustrittsfläche des vierten Wärmespreizkörpers steht in thermischem Kontakt mit der
Wärmeaufnahmefläche der zweiten Wärmesenke und die Richtung der geringsten Wärmeleitfähigkeit des vierten Wärmespreizkörpers ist senkrecht zur Flächennormale der Wärmeeintrittsfläche des vierten Wärmespreizkörpers orientiert. Die Richtung der geringsten Wärmeleitfähigkeit des vierten Wärmespreizkörpers ist verschieden von der Richtung der geringsten Wärmeleitfähigkeit des zweiten Wärmespreizkörpers. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Richtung z' des zweiten
Wärmespreizkörpers in Richtung -y orientiert, während die Richtung z' des vierten
Wärmespreizkörpers in Richtung x orientiert ist. Ein viertes Ausführungsbeispiel ist in Fig. 1 dargestellt. Hier ist der Winkel a = 45° gewählt. Die
Richtung z' der geringsten Wärmeleitfähigkeit des ersten Wärmespreizkörpers 14 schließt also einen ersten Winkel « on 45° zur Flächennormalen n der Wärmeeintrittsfläche 1 5 des ersten
Wärmespreizkörpers ein. Das Koordinatensystem x'y'z' ist um 45° gegenüber dem
Koordinatensystem xyz um die x-Achse verdreht. Obwohl das elektrische Feld -E in Richtung z orientiert ist, hat die elektrische Stromdichte j im Wärmespreizkörper neben der z-Komponente auch eine y-Komponente. Der Stromfluss j ist also nicht parallel zum Feldstärkevektor E . Der eingezeichnete Vektor - j (entgegengesetzte Stromrichtung) ist entsprechend der Darstellung nach
Fig. 1 nach rechts unten gerichtet. Der Wärmestrom q hat ebenfalls neben der z- Komponente eine
Komponente in Richtung y und fließt daher in der Darstellung ebenfalls nach rechts unten. Das ist vorteilhaft, da die Wärmesenke 1 7 sowie die Wärmespreizkörper 14 in Strahlrichtung 12 nicht über die Facette des Laserbarrens 1 überstehen sollen, in Richtung y aber nach hinten über die Länge des Laserbarrens hinaus überstehen dürfen. Dadurch kann die Wärme vom Laserbarren gleich bezüglich der Strahlrichtung 12 teilweise nach hinten abgeleitet werden. Ein fünftes Ausführungsbeispiel ist in Fig. 8 dargestellt. Hier ist der Deckel 22 als zweite Wärmesenke ausgeführt. Die Wärmeableitung vom Laserbarren erfolgt epitaxieseitig mit einem ersten
Wärmespreizkörper 14 und einer ersten Wärmesenke 17, während substratseitig ein zweiter
Wärmespreizkörper 19 und eine zweite Wärmesenke 22 vorgesehen sind. Beide Wärmespreizkörper 14, 19 sind in der erfindungsgemäßen Weise so ausgeführt, dass jeweils eine Richtung z' der geringsten Wärmeleitfähigkeit des ersten bzw. des zweiten Wärmespreizkörpers jeweils einen Winkel «von mehr 45° zur Flächennormalen n der Wärmeeintrittsfläche des ersten Wärmespreizkörpers bzw. zur Flächennormale n2 des zweiten Wärmespreizkörpers einschließt. In analoger Weise fließt dann ein Wärmestrom q2 vom Laserelement 1 durch den zweiten Wärmespreizkörper zur zweiten Wärmesenke (Deckel) 22 ab.
Beide Wärmesenken 17, 22 bestehen aus Kupfer. Die zweite Wärmesenke 22 ist mittels eines elektrisch isolierenden Wärmeleitklebers 30 als Fügemittel mit der ersten Wärmesenke 17 flächig verbunden. Daher kann die Wärme von der zweiten Wärmesenke auf die erste Wärmesenke übertragen werden. Außerdem wird die Klemmkraft 26 zwischen beiden Wärmesenken durch das Fügemittel 30 aufrechterhalten, ohne dass keine von außen wirkende Kraft für den Betrieb des Halbleiterlasers erforderlich ist.
Fig. 9 zeigt eine Explosionsdarstellung des fünften Ausführungsbeispiels Hier sind die erste
Kontaktfläche 2, die darauf befindliche Dickgoldschicht 9 und die zweite Kontaktfläche 1 1 des Laserelements 1 ersichtlich. Die Fläche 15 ist die Wärmeeintrittsfläche, die Fläche 9 die
Wärmeaustrittsfläche 16 des ersten Wärmespreizkörpers 14. Die Fläche 18 ist die
Wärmeaufnahmefläche der ersten Wärmesenke 17. Die Fläche 20 ist die Wärmeeintrittsfläche, die Fläche 21 die Wärmeaustrittsfläche des zweiten Wärmespreizkörpers 19. Die Fläche 23 ist die Wärmeaufnahmefläche der zweiten Wärmesenke 22. Die Flächenbezeichnungen gelten in gleicher Weise für alle Ausführungsbeispiele.
In einer nicht figürlich dargestellten Abwandlung des vierten Ausführungsbeispiels ist kein zweiter Wärmespreizkörper vorgesehen, sondern die zweite Kontaktfläche des Laserelements liegt direkt an der Wärmeaufnahmefläche der zweiten Wärmesenke an. Die Stufenhöhe der Wärmesenken ist dann natürlich entsprechend geringer auszuführen.
Fig. 10 zeigt ein sechstes Ausführungsbeispiel, bei dem mehrere Laserbarren 1 mit jeweils einem Emitter 13 elektrisch parallel geschaltet sind. Der erste Wärmespreizkörper 14 ist entsprechend breit (in x-Richtung ausgedehnt) ausgeführt, so dass mehrere Laserelemente 1 jeweils in Richtung x versetzt zueinander angeordnet werden können. Jeder Laserbarren 1 besitzt nur einen emittierenden Bereich (Breitstreifenemitter) 13.. Solche Laserbarren werden auch als Einzelemitter bezeichnet. Sie werden gemeinsam über die erste Wärmesenke 17 und den Deckel 22 elektrisch kontaktiert.
Bezugszeichen:
1 . Laserelement
2. erste Kontaktfläche, beispielsweise p Kontakt
3. Substrat
4. Lichtführungsschicht (cladding)
5. aktive Schicht (quantum well Struktur)
6. Deckschicht
7. Isolationsschicht
8. Elektrode (p-Kontakt)
9. Metallschicht
10. Betriebsstrom
1 1 . zweite Kontaktfläche, beispielsweise n Kontakt
12. Austrittsrichtung der Laserstrahlung
13. Gewinnbereich, Emitter
14. erster Wärmespreizkörper
1 5. Wärmeeintrittsfläche des ersten Wärmespreizkörpers
16. Wärmeaustrittsfläche des ersten Wärmespreizkörpers
17. erste Wärmesenke
18. Wärmeaufnahmefläche der ersten Wärmesenke
19. zweiter Wärmespreizkörper
20. Wärmeeintrittsfläche des zweiten Wärmespreizkörpers
21 . Wärmeaustrittsfläche des zweiten Wärmespreizkörpers
22. Deckel, zweite Wärmesenke
23. Wärmeaufnahmefläche der zweiten Wärmesenke
24. dritter Wärmespreizkörper
25. ab Ebenen beispielsweise einer hexagonalen Grafitstruktur
26. Klemmkraft
27. Befestigungsmittel, Schraube
28. Federelement
29. Isolationselement
30. Fügemittel

Claims

Patentansprüche:
1 . Halbleiterlaser, umfassend ein Laserelement (1 ), einen ersten Wärmespreizkörper (14) mit anisotroper Wärmeleitfähigkeit, die in einer Richtung z' eine geringste Wärmeleitfähigkeit aufweist, und eine erste Wärmesenke (17), wobei das Laserelement eine erste Kontaktfläche (2) aufweist, die im thermischen Kontakt mit einer Wärmeeintrittsfläche (1 5) des ersten Wärmespreizkörpers (14) steht und die Wärmeeintrittsfläche des ersten Wärmespreizkörpers eine erste Flächennormale n hat und der erste Wärmespreizkörper (14) weiterhin eine Wärmeaustrittsfläche (16) aufweist, die im thermischen Kontakt mit einer
Wärmeaufnahmefläche (18) der ersten Wärmesenke (17) steht,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Richtung z' der geringsten Wärmeleitfähigkeit des ersten Wärmespreizkörpers (14) einen ersten Winkel or von mehr als 5° zur Flächennormalen n der Wärmeeintrittsfläche (1 5) des ersten Wärmespreizkörpers (14) einschließt.
2. Halbleiterlaser nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der erste Winkel zwischen 10° und 90° beträgt oder der erste Winkel or ein rechter Winkel ist.
3. Halbleiterlaser nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Laserelement (1 ) ein Diodenlaserbarren mit einem oder mehreren Emittern ist.
4. Halbleiterlaser nach Anspruch 3 umfassend außerdem wenigstens ein zweites als Laserbarren ausgeführtes Laserelement, welches zu dem Laserelement versetzt angeordnet ist und elektrisch zum Laserelement parallel geschaltet ist.
5. Halbleiterlaser nach einem der vorgenannten Ansprüche, umfassend außerdem einen zweiten Wärmespreizkörper (19) mit anisotroper Wärmeleitfähigkeit und eine zweite Wärmesenke (22), wobei das Laserelement eine zweite Kontaktfläche (1 1 ) aufweist, die im thermischen Kontakt mit einer Wärmeeintrittsfläche (20) des zweiten Wärmespreizkörpers steht und der zweite Wärmespreizkörper weiterhin eine Wärmeaustrittsfläche (21 ) aufweist, die im thermischen Kontakt mit einer Wärmeaufnahmefläche (23) der zweiten Wärmesenke steht.
6. Halbleiterlaser nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Laserelement (1 ) einen oder mehrere elektrisch gepumpte Gewinnbereiche aufweist und dass das Laserelement auf der ersten Kontaktfläche (2) eine Metallschicht (9) mit einer Dicke größer 0,5 pm zur Spreizung des elektrischen Betriebsstromes aufweist.
7. Halbleiterlaser nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der thermische Kontakt zwischen der Wärmeaustrittsfläche (16) des ersten Wärmespreizkörpers (14) und der ersten Wärmesenke (17) mittels eines dritten Wärmespreizkörpers (24) mit anisotroper Wärmeleitfähigkeit dadurch bewirkt wird, dass die Wärmeaustrittsfläche (16) des ersten Wärmespreizkörpers in thermischem Kontakt mit einer Wärmeeintrittsfläche des dritten Wärmespreizkörpers steht und eine Wärmeaustrittsfläche des dritten
Wärmespreizkörpers in thermischem Kontakt mit der Wärmeaufnahmefläche (18) der ersten Wärmesenke steht und die Richtung der geringsten Wärmeleitfähigkeit des dritten
Wärmespreizkörpers senkrecht zur Flächennormale der Wärmeeintrittsfläche des dritten Wärmespreizkörpers orientiert ist und die Richtung der geringsten Wärmeleitfähigkeit des dritten Wärmespreizkörpers verschieden von der Richtung der geringsten Wärmeleitfähigkeit des ersten Wärmespreizkörpers ist
und/oder
dass der thermische Kontakt zwischen der Wärmeaustrittsfläche des zweiten
Wärmespreizkörpers (19) und der zweiten Wärmesenke (22) mittels eines vierten
Wärmespreizkörpers mit anisotroper Wärmeleitfähigkeit dadurch bewirkt wird, dass die Wärmeaustrittsfläche des zweiten Wärmespreizörpers in thermischem Kontakt mit einer Wärmeeintrittsfläche des vierten Wärmespreizkörpers steht und eine Wärmeaustrittsfläche des vierten Wärmespreizkörpers in thermischem Kontakt mit der Wärmeaufnahmefläche der zweiten Wärmesenke steht und die Richtung der geringsten Wärmeleitfähigkeit des vierten Wärmespreizkörpers senkrecht zur Flächennormale der Wärmeeintrittsfläche des vierten Wärmespreizkörpers orientiert ist und die Richtung der geringsten Wärmeleitfähigkeit des vierten Wärmespreizkörpers verschieden von der Richtung der geringsten Wärmeleitfähigkeit des zweiten Wärmespreizkörpers ist
8. Halbleiterlaser nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Wärmespreizkörper (14) Grafit, vorzugsweise orientiertes pyrolytisches Grafit umfasst oder aus diesem besteht.
9. Halbleiterlaser nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Wärmespreizkörper (14) eine Dicke von 0,2 mm bis 5 mm hat.
10. Halbleiterlaser nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Laserelement (1 ) kraftschlüssig mit dem ersten Wärmespreizkörper (14) und/oder dem zweiten Wärmespreizkörper (19) verbunden ist.
1 1 . Halbleiterlaser nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlung im Laserelement eine longitudinale Richtung y aufweist, die parallel zur ersten Kontaktfläche ist, und die Richtung z' der geringsten Wärmeleitfähigkeit des ersten
Wärmespreizkörpers (14) in Richtung der longitudinalen Richtung liegt.
12. Halbleiterlaser nach Anspruch 1 bis 10 , dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlung im Laserelement eine longitudinale Richtung y aufweist, die parallel zur ersten Kontaktfläche ist, und die Richtung z' der geringsten Wärmeleitfähigkeit des ersten Wärmespreizkörpers (14) senkrecht zur Richtung der longitudinalen Richtung liegt.
13. Verfahren zur Wärmeableitung von einem Laserelement mittels eines Wärmespreizkörpers (14) mit anisotroper Wärmeleitfähigkeit nach einem der vorgenannten Ansprüche, welcher eine Wärmeeintrittsfläche (15) mit einer Flächennormale n aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Richtung der geringsten Wärmeleitfähigkeit des Wärmespreizkörpers (14) in einem Winkel von mehr als 5° zur Flächennormale n angeordnet ist.
14. Verfahren zur Verminderung oder Beseitigung der Kompressibilität von pyrolytischem Grafit mit anisotroper Wärmeleitfähigkeit zur Verwendung als Wärmespreizkörper (14) nach einem der vorgenannten Ansprüche, umfassend folgende Schritte:
Herstellung des pyrolytischen Grafit mit zwei parallelen Oberflächen,
Aufbringen eines uniaxialen statischen oder dynamischen Drucks von einer zur anderen
Oberfläche des pyrolytischen Grafits,
Wegnahme des uniaxialen Drucks,
Herstellung des Wärmespreizkörpers mit einer Wärmeeintragsfläche aus dem pyrolytischen Grafit,
wobei das Maximum des uniaxialen statischen oder dynamischen Drucks die durch einen Kraftschluss auf die Wärmeeintragsfläche eingetragene Druckkraft in einem eingebauten Zustand des Wärmespreizkörpers in einen Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 12 um wenigstens das Dreifache übersteigt.
1 5. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass während des Schrittes des
Aufbringens eines Druckes eine Wärmebehandlung erfolgt.
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