激光二极管装置的制造方法
【专利说明】
[0001] 本发明申请是申请日为2013年3月19日、申请号为"201310088473. 7"、发明名称 为"激光二极管装置"的发明专利申请的分案申请。
技术领域
[0002] 提出了一种激光二极管装置。
[0003] 本专利申请要求德国专利申请10 2012 102 306. 9的优先权，其公开内容通过引 用结合于此。
【背景技术】
[0004] 具有高光学功率密度的光源是用于多种应用的关键器件。例如，由氮基化合物半 导体材料系制成的激光二极管对于尤其具有1000到10000流明之间的光通量的投影系统 而言具有高的市场潜力。 阳〇化]因此，对于运种应用需要具有高输出功率的器件W及紧凑的壳体。由于成本原因 和在标准化范围中来讲，TO金属壳体（"TO metal can (TO金属罐）"）形式的所谓TO构造 系列（TO: "transistor outline(晶体管构型）"）的，例如W已知的构造尺寸T038、T056 和T090的形式的壳体是常见的，其中TO金属壳体基本上由钢制成。然而，如今可用的运W 种标准TO构型的激光二极管（下面也简称为"TO壳体"）至今限定于低于3瓦的光学功率， 运对于多种应用而言并不足够。然而，至今尚未W运种构型实现高于3瓦的光学功率。
[0006] 例如由C.Vierheilig等所著并发表于Proc. SPIE，Bd.8277K，2012的出版物在 TO 壳体中发蓝光的氮基激光二极管化Iau emittierende Nit;rid-basie;rte Laserdioden in TO-Geh削ISen )中已知的是，在室溫下持续工作中可W在最大2. 5瓦输出功率下放 射具有在440nm到460nm范围中波长的光。
[0007] 光学输出功率的提高通常通过如下方式来尝试：增大光学谐振器的尺寸，即尤其 是忍片面积，因为在氮基激光二极管中显现出与电流密度相关的长时间老化特性，例如在 S. Lutgen等所著并发表于Proc. SPIE，Bd. 7953, S. 79530G，2011的出版物中所描述的那样。 此外，通过增大有源面也可W改进从产光层朝热沉方向的热传递。
[0008] 然而，本申请的发明人在自己的探索和研究中发现，忍片面积的增大并不引起功 率提高。为此，在针对基于氮化物化合物半导体材料的发蓝光的激光二极管忍片的图IA中 示出了根据工作电流I ( W安培为单位）进行的光学输出功率P( W瓦特为单位）的测量。 在此，用于测量的激光二极管忍片分别位于TO壳体中。对于分别具有200 y mX 1200 y m的 结构尺寸和15 ymX 1200 ym的有源面的两个单个忍片得出测量曲线1001和1002。为了实 现较高的功率，W将忍片面积加倍的方式探索上面描述的方法。从运种加倍方式中期待的 功率提高W虚线1003的形式来阐明。然而示出的是，如从对应于具有与前面描述的单个忍 片相比有源面积加倍的激光二极管忍片的曲线1004看出那样，在加倍的忍片面积下可实 现的最大功率与期望相反地甚至还比单个忍片的情况下更小。
[0009] 此外，为了例如通过降低在电流流动时电子和空穴到产光量子膜中的注入壁垒的 方式来提高激光二极管忍片中的产光效率，已知如下激光二极管忍片，其在非极性或者半 极性的衬底上生长，例如在U. StrauP等所著并发表在地ysica status solidi，Bd. 248.， 第652-657页，2010的出版物中描述那样。如在化Sizov等所著并发表在IE邸Journal of Li曲twave Technology，Bd. 30,第679-699页，2010的出版物中描述那样，用于运种非极性 或半极性生长的激光二极管忍片的可实现的电压却并不比相应的极性生长的激光二极管 忍片更好。
[0010] 除了不诱钢制成的标准TO壳体之外也已知如下TO壳体，该TO壳体为了更好的散 热而具有基座，该基座基于铜或者具有铜忍和钢表面，例如在文献DE1184870中描述那样， 并且该TO壳体由于良好导热的铜而应造成从激光二极管忍片的散热的改进。 W11] 在图IB中基于本发明人的探索示出了根据工作电流I ( W安培为单位）进行的对 不同TO壳体中的激光二极管忍片的工作电压U( W伏特为单位）W及光学输出功率P( W 瓦特为单位）的测量。曲线1005和1007示出了在具有钢基座（"base plate(基板）"） 和铜安装部件（"stem(晶体管管座）"）的常见T056标准壳体中的发蓝光的GaN激光二极 管忍片的电流相关的光学功率W及与此关联的工作电压，而曲线1006和1008示出了对于 在具有钢包封的铜基座和钢包封的铜安装部件的替选T056壳体中的激光二极管忍片的相 应测量。如容易识别出那样，该具有基于钢包封的铜的基座的替选壳体不易造成激光二极 管忍片的最大功率的改进。因此，并没有激光二极管制造商将运种替选TO壳体的方法继续 用于氮基激光二极管。
【发明内容】
[0012] 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。
[0013] 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 和与所述壳体部件连接的安装部件，所述安装部件沿着延伸方向背罔所述壳体部件地延 伸；和在所述安装部件上的激光二极管忍片，所述激光二极管忍片在衬底上具有半导体层， 所述半导体层具有用于放射光的有源层，其中所述壳体部件和所述安装部件具有由铜制成 的基体，并且至少所述壳体部件是钢包封的，并且在所述激光二极管忍片与所述安装部件 之间设置有厚度大于或等于3 ym的第一焊料层。该激光二极管装置的有利的实施形式和 改进方案在下文中表征并且此外从下面的描述和附图中得出。
[0014] 根据至少一个实施形式，激光二极管装置具有其中设置有激光二极管忍片的壳 体。壳体尤其具有壳体部件和与壳体部件连接的安装部件，该安装部件沿着延伸方向背离 壳体部件地延伸。换言之，安装部件从壳体部件伸出并且例如能够构成为栓状。安装部件 具有沿着安装部件的延伸方向背离壳体部件延伸并且其上设置有激光二极管忍片上的安 装面。壳体部件尤其能够设置和构成为，使得壳体盖能够设置在壳体部件上W用于封闭壳 体。
[0015] 尤其能够相互一件式构成的壳体部件和安装部件分别具有由铜制成的基体或者 在一件式设计方案中还具有由铜制成的共同基体。至少壳体部件此外为钢包封的。运说 明，壳体部件基本上由基体的铜制成并且用钢层覆盖。钢层例如能够通过不诱钢制成的层 构成。
[0016] 此外，壳体部件例如能够具有孔或开口，通过运些孔或开口，馈电线例如能够W接 触腿的形式从壳体部件的背离安装部件的侧伸至设置有安装部件的侧。馈电线可W设置为 用于电接触激光二极管忍片，例如通过馈电线与激光二极管忍片之间的线连接来接触。
[0017] 根据另一实施形式，除了壳体部件外，安装部件也由钢包封。
[0018] 在该实施形式中，壳体部件和安装部件尤其能够具有W钢层覆盖的共同的铜基 体。
[0019] 尤其，壳体可W构成为例如具有结构尺寸T038、T056或T090的所谓的TO壳体。 壳体部件也可W称作"base plate",并且安装部件称作"stem"。与通常使用的具有基本上 由钢制成并且不具有铜基基体的至少一个壳体部件或者壳体部件和安装部件的标准TO壳 体相比，在此描述的壳体由于钢包封的壳体部件具有铜而具有更高导热能力。
[0020] 根据另一实施形式，壳体具有施加在壳体部件上并且与壳体部件焊接的壳体盖。 为此尤其有利的是，壳体部件是钢包封的，因为由此如在具有钢基座的标准TO壳体中那 样，壳体盖能够与壳体部件焊接。安装部件沿着其延伸方向从壳体部件伸到壳体盖中，使得 激光二极管忍片在已安装壳体盖的情况下在通过壳体盖和壳体部件构成的空腔中位于安 装部件上。壳体盖此外在背离壳体部件的侧上具有窗，由激光二极管忍片在工作中发射的 光能够通过该窗从激光二极管装置放射。壳体盖例如能够具有钢，尤其不诱钢，或者除了窗 之外由其制成。
[0021] 通过将壳体部件与W罩形式在安装部件之上进而也在安装部件上的激光二极管 忍片之上构成的壳体盖焊接，壳体能够气密地或者至少非常密封地封闭。
[0022] 根据另一实施形式，激光二极管忍片借助第一焊料层设置在安装部件上。运尤其 表示，在激光二极管忍片和安装部件之间设置有第一焊料层。第一焊料层具有大于或等于 3 y m的厚度。特别优选地，焊料层的厚度也能够大于或等于5 y m。
[0023] 激光二极管忍片可W借助第一焊料层直接安装在安装部件上。对此替选地，在激 光二极管忍片与安装部件之间也能够设置有构成为所谓的热扩散器的导热元件。导热元件 尤其能够用于将激光二极管忍片与安装部件之间的热流扩开或扩散，W便在到壳体中、即 尤其到安装部件中的热传递中实现大的过渡面。此外，导热元件例如也能够补偿激光二极 管忍片与壳体之间的应力，该应力例如可W通过壳体和激光二极管忍片不同的热膨胀系数 造成。
[0024] 根据另一实施形式，导热元件借助于第一焊料层固定在安装部件上。激光二极管 忍片借助于第二焊料层固定在导热元件上。例如第二焊料层也可W具有大于或等于3 ym 并且优选大于或等于5 ym的厚度。结合第一焊料层描述的特征和优点也可W适用于第二 焊料层并且反之亦然。
[00巧]根据另一实施形式，导热元件具有碳化娃（SiC)、氮化棚度脚、铜鹤（CuW)或者金 刚石，或者由其制成。碳化娃、氮化棚、铜鹤和金刚石的特征能够在于特别高的导热能力。对 此替选地，导热元件也能够具有氮化侣。
[00%] 由此，在此描述的激光二极管装置中，在通常具有不同热膨胀系数的激光二极管 忍片与铜基安装部件的基体之间能够存在同样具有不同的热膨胀系数的一种或多种材料， 尤其是第一焊料层和此外例如安装部件的钢包封部和/或一种或多种其他焊料层和/或导 热元件。由此，能够在工作中在激光二极管忍片与壳体之间或者在激光二极管忍片与导热 元件之间W及在导热元件与壳体之间形成溫度应力，该溫度应力会对激光二极管装置的工 作造成不利影响。如在现有技术中常见地，激光二极管忍片借助于焊料层安装，该焊料层的 厚度保持为尽可能薄，尤其小于2 y m，W便实现尽可能良好的导热，而在运里描述的激光二 极管装置中，使用具有