DE2542174B2 - Halbleiterlaservorrichtung - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Halbleiterlaservorrichtung gemäß dem Oberbegriff d >
Anspruches I.
Eine Halbleiterlaservorrichtung der vorstehenden Art ist durch die DE-AS 12 81 605 bekannt geworden.
Hiernach ist ein Halbleiterlaser zwischen zwei wärmeableitenden Siliziumscheiben angeordnet Da die Siliziumscheiben elektrische Isolatoren sind, müssen sie in
aufwendiger Weise mit Metallschichten überzogen werden, die elektrische Verbindungen zwischen dem
Halbleiterlaser und den elektrischen Anschlüssen sicherstellen. Zum Anschluß des Halbleiterlasers an die
Metallschichten muß die Anordnung stärker erhitzt werden. Hierdurch und durch den anschließenden
Abkühlungsvorgang wirken auf den Halbleiterlaser Spannungen ein, die seine Lebensdauer ungünstig
beeinflussen. Eine der beiden Siliziumscheiben ist außerdem an eine Kühlfalle angeschlossen, die bei einer
Temperatur von 30 bis 200 K liegt. Reines Silizium besitzt dabei gute Wärmeleiteigenschaften vergleichbar
mit Diamant.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Halbleiterlaservorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, bei der
die Verwendung einer Wärmesenke aus Silizium sich nicht nachteilig auf die Lebensdauer des Halbleiterlasers auswirkt und ihre Herstellung gegenüber dem
Stand der Technik vereinfacht ist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungen nach der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Unteransprüche.
Dadurch, daß die Siliziumwärmesenkc durch Fremdkörperdotierungen eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit erhält, ist ihre aufwendige Beschichtung mit
einer Metallschicht nicht länger erforderlich. Die
Siliziumwärmesenke kann damit unmittelbar als eine
Elektrode verwendet werden, ohne daß eine Leitung notwendig ist Auch kann zusätzlich ein elektrischer
Kreis in der Wärmesenke gebildet werden.
Der Halbleiterlaser kann außerdem unmittelbar auf einer durch Fremdkörperdotierungen leitfähigen Siliziumwärmesenke angeordnet werden. Da der Wärmeausdehnungskoeffizient von Silizium näher an dem
Wärmeausdehnungskoeffizient des Halbleiterlasers
ίο liegt als der Wärmeausdehnungskoeffizient der Metallschicht, mit dem die Wärmesenken beim Stand der
Technik beschichtet werden mußten, bleiben die Spannungen, die beim Befestigen des Halbleiterlasers
auf einer Siliziumwärmesenke gegenüber dem HaIb-
is leiterlaser ausgeübt werden, relativ klein, so daß
dadurch die Lebensdauer des Halbleiterlasers gegenüber dem Stand der Technik entsprechend verbessert
werden konnten.
erhält man exakte Bruchkanten, entlang denen der Halbleiterlaser befestigt werden kann, so daß der von
dem Halbleiterlaser abgestrahlte divergierende Laserstrahl nicht von vorspringenden Kanten oder Flächen
an der Wärmesenke beeinträchtigt wird und daher im
wesentlichen ohne Verluste in ein optisches System, wie
z. B. eine optische Faser, eingekuppelt werden kann, was bei einer Wärmesenke z. B. aus Kupfer vergleichsweise
• nicht möglich ist, dr. sich mit Kristailbruchkanten
vergleichbare Metallkanten ohne erheblichen Aufwand
M nicht herstellen lassen und der abgestrahlte Laserstrahl
daher von vorspringenden Kanten und Flächen nicht unbeeinträchtigt bleibt.
Da sich ein Siliziumkristall außerdem leicht ätzen läßt können Teile der Siliziumwärmesenke ohne größeren
J5 Aufwand auch weggeätzt werden, die sonst den
abgestrahlten Laserstrahl beeinträchtigen würden.
Durch die Erfindung wird auch das Vorurteil des eingangs benannten Standes der Technik überwunden,
daß Silizium bei Zimmertemperatur als Material für eine
Wärmesenke ungeeignet ist, wenn nicht eine Kühlfalle
von 30 bis 200 K angeschlossen ist
Versuche zeigten dagegen, daß eine kontinuierliche
Laseroszillation mit einem Halbleiterlaser auch bei Zimmertemperatur erreichbar ist, der auf einer
Wärmesenke aus Silizium ohne Anschluß an eine Kühlfalle befestigt ist. Der Lichtausgang beträgt dabei
70 bis 80% von dem bei Verwendung einer diamantenen Wärmesenke. Eine solche Leistungsfähigkeit ist aber für
viele Anwendungszwecke einer Halbleiterlaservorrich
tung ausreichend. Dabei wirken sich die Fremdkörper
dotierungen des Siliziums nicht nachteilig auf die Wärmeableitung aus.
Im folgenden werden anhand der Zeichnungen Ausiührungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hier
bei zeigt
Fig. I einen Schnitt durch eine Halbleiterlaservorrichtung gemäß einer ersten Ausführung nach der
Erfindung,
scher Darstellung gemäß einer zweiten Ausführung nach der Erfindung,
Fig.3 eine perspektivische Darstellung einer dritten
Ausführung nach der Erfindung,
ebenfalls in perspektivischer Darstellung.
Fig. I zeigt einen Querschnitt durch ein erstes Ausführungsbeicpiel der Erfindung. Auf einer Metallplatte I ruht ein Siliziumkristallkörper 3, auf dessen
Oberseite eine Kupferschicht 4 durch Plattierung oder andere geeignete Techniken aufgebracht ist Der
Siliziumkristallkörper 3 ist von einer Silizium-Einkristallplatte abgespalten. Auf der Kupferschicht 4 ist ein
Halbleiterlaserkristall 5 als Pellet befestigt s
Der Siliziumkristallkörper 3 kann von einer Silizium-Einkristallplatte
außer durch Abspalten durch Sägen, chemisches Ätzen, Ionenätzen, Sandblasen oder durch
andere bekannte Techniken sowie durch Kombination solcher Techniken hergestellt werden. ι ο
Bei der Anordnung nach F i g. 1 hängt die Wärmeausdehnung nahezu allein vom Silizium und der Wärmewiderstand
im wesentlichen allein vom Kupfer ab, wobei die Wärme im ausreichenden Maße abgeführt
wird. Die Halbleiterlaserviirrichtung nach F i g. 1 hat im
wesentlichen den gleichen Lichtausgang bei kontinuierlicher Oszillation wie er mit herkömmlichen Wärmesenken
aus Kupfer erzielt wird, besitzt aber eine wesentlich
längere Lebensdauer als die bekannten Halbleiterlaservorrichtungen, die auf einer Wärmesenke aus Kupfer
angebracht sind.
F i g. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung. Bei dieser Ausführung befinden sich mehrere
in Reihe angeordnete Halbleiterlaserpellets S auf einem einzelnen Siliziumkristallblock 3.
Diese Halbleiterlaservorrichtung kann als eine Reihenanordnung von mehreren Halbleiterlasern oder
auch als eine Anordnung mehrerer einzelner Halbleiterlaser verwendet werden, die entlang den gestrichelten
Linien unterteil sind. Eine ..olche Reihenanordnung der μ
Laser läßt sich bei Verwendung des Siliziumkristallkörpers 3 besonders leicht herstellen.
Fig.3 zeigt in perspektivischer Darstellung eine
weitere erfindungsg« ~ laße Ausbildung in schematischer
Darstellung, wobei ein Halbleiterlaserkristall 5 am Rande einer Ausnehmung im Siliziumkristallkörper 3
angebracht i.it Eine solche Ausnehmung läßt sich in Siliziumkristallen relativ einfach herstellen. Derartige
Ausnehmungen sind vor allem dann von Vorteil, wenn ein Linsensystem benutzt wird, um einen sich verbreiternden
\usgangslaserstrahl in einen parallelen Strahl zu überführen, oder wenn ein stab- oder
faserförmiger optischer Lichtleiter zur Lichtübertragung verwendet wird.
Fig.4 zeigt eine perspektivische Darstellung einer
weiteren Ausführung nach der Erfindung, wobei mehrere Halbleiterlaser in Reihe auf Hner Wärmesenke
aus Silizium angebracht sind. Hierzu wird Bor in den η-leitenden Siliziumkristallkörper 3 durch selektive
Diffusionstechniken eingebracht, wobei mehrere voneinander getrennte sireifenförmige p-leitendc Regionen
12 in der gleichen Ebene gebildet werden und dadurch in der Siliziumwärmesenke p-n-Übiergänge entstehen.
Eine p-Sohicht 15 ist auf einem n-GaAs-Kristall 14
durch epitaxiale Techniken in der Flüssigphase gebildet, wobei ein p-n-Obergang 16 entsteht Mehrere gegenseitig
unabhängige p-Elektroden 17 in Streifenform bestehen aus einzelnen Metallschichten, die auf der
p-Schicht 15 angebracht sind. Hierbei sind die Elektroden 17 durch die SiOrSchicht elektrisch
voneinander isoliert, so daß ein Halbleiterkristall mehrere Halbleiterlaser umfaßt (Verfahren zur Herstellung
der Schichten 14, 15, 16 und 17 der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in der US-PS
39 20 491 näher beschrieben.) Die p-EIektroden 17 sind in regelmäßigen Abständen gleich den Abständen der
p-n-Übergänge 13 auf dem n-Siliziumkristall angeordnet
Die Elektroden 17 müssen bezüglich ihrer Länge und Breite kleiner sein als die p-Regionen 12. Diese
Halbleiterlaserreihe ist auf dem Siliziumkristallkörper 3 derart befestigt daß die p-Elektroden 17 genau auf den
einzelnen streifenförmigen p-Regioiicn zu liegen kommen.
P-Leiter 18 sind an die einzelnen μ-Regionen 12 angeschlossen, und ein n-Leiter 19 ist in Kontakt mit
dem n-GaAs-Kristall 14. Bei dieser Ausführung kennen die η-leitenden Elemente p-leitend und umgekehrt sein.
Zur elektrischen Verbindung des Halbleiterlaserkristalls mit dem Siliziumkristallkörper (die Wärmesenke) wird
ein weiches Metall, wie z. B. Indium, verwendet das als
Material für die p-Regionen 12 des Siliziumkristallkörpers verschweißt sind, um einen ohmschen Kontakt zu
erhalten. Das ist möglich, weil die p-Regionen des Siliziumkristallkörpc-j eine große elektrische Leitfähigkeit
besitzen. Wie beschrieben, sind die p-Regionen 12 elektrisch durch die p-n-Übergänge 13 voneinander
isoliert, sind außerdem breiter als die p-Elektroden 17 angeordnet Das heißt daß eine p-Elektrodeneinheit, die
eine p-Elektrode 17, eine Region 12 und einen p-Leiter 18 umfaßt, für jeden der in Reihe angeordneten
Halbleiterlaser vorgesehen ist.
Eine derartige Anordnung von Halbleiterlasern in Reihe auf einer Wärmesenke aus Silizium läßt sich
mittels bekannter Halbleiterherstellungstechniken leicht verwirklichen. Dabei ist die Integrierbarkeit
besonders hoch. Da die elektrichen Lei; er nicht notwendigerweise direkt von dem Halbleiterlaser
ausgehen müssen, sondern an den Siliziumkristallkörper angeschlossen sein können, ist die Ausführung nach
F i g. 4 besonders einfach.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (5)
1. Halbleiterlaservorrichtung mit einer Wärmesenke aus einem Siliciumkristall im thermischen
Kontakt mit wenigstens einem Halbleiterlaser,, dessen eine Fläche über die Wärmesenke an einen
elektrischen Leiter angeschlossen ist, dadurch
gekennzeichnet, daß der elektrische Kontakt zwischen dem Halbleiterlaser (5) und dem elektrischen Leiter (1) durch den Siliciumkristall (3) erfolgt,
der hierzu wenigstens einen durch Fremdkörperdotierungen elektrisch leitenden Bereich aufweist
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Halbleiterlaser (5) und
dem Siliciumkristall (3) eine Kupferschicht (4) angeordnet ist
3. Vorrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß zur Reihenanordnung von mehreren
Halbleiterlasern auf einem Siliciumkristall (3) mehrere begrenzte voneinander getrennte Bereiche (J2)
des Siliziumlc-istalls in einer entsprechenden Reihenanordnung dotiert sind.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der/die Halbleiterlaser
(5) am Rande einer Kristallbruchkante des Siliciumkristalles (3) angeordnet ist/sind.
5. Vorrichtung nach einem der der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der/die Halbleiterlaser (5) am Rande einer Ausnehmung in der
Wärmesenke (3) angeordnet ist/sind.
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