激光二极管装置的制造方法
【专利说明】
[0001] 本发明是申请日为2013年3月19日、申请号为201310088321. 7、发明名称为"激 光二极管装置"的发明申请的分案申请。
技术领域
[0002] 本发明提出一种激光二极管装置。
[0003] 所述专利申请要求德国专利申请102012102305. 0的优先权，其公开内容通过参 引的方式并入本文。
【背景技术】
[0004] 具有较高的光学功率密度的光源是对于多个应用的关键组件。例如，由氮基化合 物半导体材料系统制成的激光二极管具有用于投影系统的高的市场潜力，尤其是这样的具 有位于1000流明至10000流明之间的光通量。
[0005] 因此，对于这类应用而言，具有高的输出功率以及紧凑的壳体的组件是必要的。出 于成本原因并且在标准化的范围中，所谓的TO结构系列（T0:"晶体管外形"）的壳体通常 呈TO金属壳体（"T0金属罐封装"）的形式，例如呈已知的结构尺寸T038、T056和T090的 形式，其中，TO金属壳体基本上由钢制成。然而至今为止，呈这样的标准TO构型、下面也简 称为"Τ0壳体"的目前可用的激光二极管局限于低于3瓦的光学功率，这对于许多应用来说 是不够的。然而直至今日还没实现具有这样的构型的高于3瓦的光学功率。
[0006] 例如从文献C. Vierheilig等，Proc. SPIE(国际光学工程学会的会议记录），卷 8277,82770K，2012中已知在TO壳体中的发射蓝光的氮基激光二极管，所述氮基激光二极 管在室温下连续工作时能够在最高2. 5瓦的输出功率下发射出具有在440nm至460nm的范 围内的波长的光。
[0007] 光学输出功率的提高通常情况下通过扩大光学谐振器的尺寸，即尤其是扩大芯片 面积而引起，因为在氮基激光二极管中显示出与电流密度相关的长期老化特性，如例如在 文献S. Lutgen等，Proc. SPIE，卷7953, S. 79530G1-12, 2011中所说明的一样。此外也能够 通过扩大有源面积而改善从产生光的层朝向热沉方向的热传输。
[0008] 然而，本申请的发明者在自己的试验和研究中发现，芯片面积的扩大不导致功率 提高。为此，在图IA中为基于氮化物化合物半导体材料的发射蓝光的激光二极管芯片示出 取决于工作电流I (单位：安培）的光学输出功率（单位：瓦）的测量。在此，用于测量的激 光二极管芯片分别位于TO壳体中。为分别具有200 μπι X 1200 μπι的结构尺寸和15 μπι X 1200 μm的有源面积的两个单芯片确定测量曲线1001和1002。为了达到较高的功率，研究 上述的将芯片面积加倍的方式。由这样的加倍所期待的功率提高以虚线1003的形式表明。 然而已证实的是，相对期望在双倍的芯片面积的情况下可实现的最大功率甚至比在单芯片 的情况下还小，如从用于具有相比于之前所说明的单芯片加倍的有源面积的激光二极管芯 片的曲线1004可见的。
[0009] 除了由不锈钢制成的标准TO壳体以外，还已知的是下述TO壳体，所述TO壳体 为了更好的散热而具有基于铜的或带有铜芯以及钢制表面的壳体部件，如例如在文献DE 1184870中所说明的，并且所述TO壳体由于良好导热的铜而应导致从激光二极管芯片的散 热的改善。
[0010] 在图IB中基于发明者的试验示出激光二极管芯片在不同的TO壳体中取决于工作 电流I (单位：安培）的光学输出功率P(单位：瓦）以及工作电压（单位：伏特）的测量。 曲线1005和1007示出在具有钢制底座（"基板（base plate) "）和铜制装配件（"晶体管 管座（stem)"）的常见的T056标准壳体中的发射蓝光的GaN激光二极管芯片的取决于电流 的光学功率以及与此相关联的工作电压，而曲线1006和1008示出对在具有用钢包封的铜 制底座和用钢包封的铜制装配件的替选T056壳体中的激光二极管芯片的相应测量。显而 易见，具有基于用钢包封的铜的底座的替选的壳体没有毫无问题地导致激光二极管芯片的 最大功率的改善。因此，并没有激光二极管制造商将这种替选TO壳体的方法继续用于氮基 激光二极管。
【发明内容】
[0011] 特定的实施形式的至少一个目的是，提出一种激光二极管装置。
[0012] 所述目的通过一种激光二极管装置来实现，其具有：壳体，所述壳体具有壳体部件 和与所述壳体部连接的装配件，所述装配件沿着延伸方向远离所述壳体部件地延伸；以及 在所述装配件上的激光二极管芯片，所述激光二极管芯片在衬底上具有半导体层，所述半 导体层带有用于射出光的有源层，其中，所述壳体部件和所述装配件具有铜制基体，并且至 少所述壳体部件被钢包封，在所述激光二极管芯片和所述装配件之间设置有第一焊料层， 所述第一焊料层具有大于或等于2 μ m的厚度，并且所述激光二极管芯片具有辐射耦合输 出面，在所述辐射耦合输出面上施加有结晶保护层。在下文中示出并且此外从下面的说明 书和附图中得出对象的有利的实施形式和改进方式。
[0013] 根据至少一个实施形式，激光二极管装置具有内部设置有激光二极管芯片的壳 体。所述壳体尤其具有壳体部件和与壳体部件连接的装配件，所述装配件沿着延伸方向远 离壳体部件地延伸。换言之，装配件从壳体部件伸出并且例如能够构成为栓形。装配件具 有装配面，所述装配面沿着壳体部件的延伸方向远离壳体部件地延伸，并且在所述装配面 上设置有激光二极管芯片。壳体部件尤其能够设置和构造为，使得壳体盖能够设置在壳体 部件上，以封闭所述壳体。
[0014] 尤其是也能够彼此一件式构造的壳体部件和装配件分别具有铜制基体或也在一 件式构造的情况下具有一个共同的铜制基体。此外，至少所述壳体部件被钢包封。这意味 着，壳体部件基本上由基体的铜构成并且覆盖有钢层。钢层例如能够通过由不锈钢制成的 层构成。此外，壳体部件例如能够具有孔或开口，例如具有接触腿的形式的馈电线能够穿过 所述孔或开口从壳体部件的背离装配件的侧朝向设置有装配件的侧伸出。馈电线能够设置 用于例如经由在馈电线和激光二极管芯片之间的导线连接来电接触激光二极管芯片。
[0015] 根据另一实施形式，除了壳体部件以外，装配件也被钢包封。在这个实施形式中， 壳体部件和装配件尤其能够具有一个共同的铜制基体，所述共同的铜制基体被钢层覆盖。
[0016] 壳体尤其能够构造为例如具有结构尺寸T038、T056或T090的所谓的TO壳体。 壳体部件也能够称为"基板（base plate)"，并且所述装配件也能够称为"晶体管管座 (stem) "。相比于通常情况下所使用的、具有至少一个壳体部件或者具有壳体部件和装配件 的标准TO壳体，在此说明的壳体由于被钢包封的壳体部件的铜而具有较高的导热性，其中 所述标准TO壳体具有基本上由钢制成的且不基于铜的基体。
[0017] 根据另一实施形式，壳体具有壳体盖，所述壳体盖安装在壳体部件上并且与壳体 部件焊接。为此，特别有利的是，所述壳体部件被钢包封，因为由此如在具有钢底座的标准 TO壳体的情况下一样，壳体盖能够与壳体部件焊接。装配件能够沿着其延伸方向从壳体部 件伸入壳体盖中，以至于激光二极管芯片在安装壳体盖的情况下在装配件上位于由壳体盖 和壳体部件构成的空腔中。此外，壳体盖在背离壳体部件的侧上具有窗口，由激光二极管芯 片在工作时所发射的光能够从激光二极管装置穿过所述窗口射出。壳体盖例如能够具有 钢、尤其是不锈钢，或者直到窗口由钢、尤其是不锈钢制成。通过将壳体部件与壳体盖焊接， 所述壳体能够气密地或至少非常密封地封闭，其中所述壳体盖以罩盖的形式构造在装配件 之上，并且从而也构造在装配件上的激光二极管芯片之上。
[0018] 根据另一实施形式，激光二极管芯片借助于第一焊料层设置在装配件上。这尤其 意味着，在激光二极管芯片和装配件之间设置有第一焊料层。第一焊料层具有大于或等于 2 μ m的厚度。特别优选的是，焊料层的厚度也能够是大于或等于3 μ m，并且此外还能够是 大于或等于5 μπι的。
[0019] 激光二极管芯片能够借助于第一焊料层直接安装在装配件上。替选于此还可能的 是，在激光二极管芯片和装配件之间设置有导热元件，所述导热元件构造为所谓的散热件。 导热元件尤其能够用于将在激光二极管芯片和装配件之间的热流扩散或分散，以便在热传 输到壳体中，即尤其到装配件中时实现大的过渡面。此外，还能够可行的是，所述导热元件 例如能够补偿在激光二极管芯片和壳体之间的应力，所述应力例如通过所述激光二极管芯 片和壳体的不同的热膨胀系数而引起。
[0020] 根据另一实施形式，导热元件借助第一焊料层固定在装配件上。激光二极管芯片 借助第二焊料层固定在导热元件上。第二焊料层例如还能够具有大于或等于2 μ m的厚度， 优选为大于或等于3 μπι的厚度，并且特别优选为大于或等于5 μπι的厚度。结合第一焊料 层所说明的特征和优点也能够适用于第二焊料层，并且反之亦然。
[0021] 根据另一实施形式，导热元件具有碳化硅（SiC)、氮化硼（BN)、钨铜（CuW)或金刚 石，或者由上述材料制成。碳化硅、氮化硼、钨铜和金刚石的特征能够在于特别高的导热性。 替选于此，导热元件也能够具有氮化铝。
[0022] 因此，在这里所说明的激光二极管装置中，在铜基装配件的基体和激光二极管芯 片之间存在同样具有不同的热膨胀系数的一种或多种材料，尤其第一焊料层和此外例如装 配件的钢外罩和/或一个或多个其它焊料层和/或导热元件，其中所述铜基装配件的基体 和激光二极管芯片通常具有不同的热膨胀系数。由此能够在激光二极管芯片和壳体之间， 或者在激光二极管芯片和导热元件之间以及在导热元件和壳体之间在工作时形成温度应 力，所述应力能够对激光二极管装置的工作产生负面的影响。而在现有技术中常见的是，焊 料层的厚度尽可能薄，尤其保持为低于2 μm，以便实现尽可能好的散热，其中借助所述焊料 层安装激光半导体芯片，在这里所说明的激光二极管装置中使用第一焊料层，并且必要时 也使用具有优选明显较大的厚度的第二焊料层。在此，接受这样的焊料层的较高的热阻， 因为这样厚的焊料层被证实为是有利的，以便补偿在壳体和激光二极管芯片之间的温度应 力。在这里所说明的焊料层例如能够具有基于铟的软焊料，以便能够特别良好地补偿不同 的热膨胀。因此，在这里所说明的激光二极管芯片可作为导热元件应用如碳化硅、氮化硼、 钨铜或金刚石的材