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1. (WO2019063411) SEMICONDUCTOR LASER DIODE AND SEMICONDUCTOR COMPONENT
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Beschreibung

HALBLEITERLASERDIODE UND HALBLEITERBAUELEMENT

Die vorliegende Anmeldung betrifft eine Halbleiterlaserdiode, insbesondere eine Hochleistungs-Halbleiterlaserdiode und ein Halbleiterbauelement .

Hochleistungsdiodenlaser insbesondere für

Faserkoppelanwendungen sind oftmals nicht mehr durch die erreichbare optische Ausgangsleistung oder Zuverlässigkeit limitiert, sondern vor allem durch ihre Strahlqualität beziehungsweise die Brillanz. Insbesondere muss die optische Ausgangsleistung für die Ankopplung in eine optische Faser innerhalb eines gewissen Raumwinkels abgestrahlt werden.

Hierfür ist das sogenannte Strahlparameterprodukt SPP

maßgeblich, das definiert ist als das Produkt aus dem

Abstrahlwinkel und der Fläche der Lichtemission. Bei üblichen Kantenemittern, insbesondere bei Breitstreifenlasern ist vor allem die Strahlqualität parallel zur Schichtebene (auch als "slow axis" bezeichnet) begrenzt. Verschiedene Ansätze werden verfolgt, um den Divergenzwinkel entlang der slow-axis-Richtung zu reduzieren und damit das Strahlparameterprodukt zu verringern. Hierfür werden beispielsweise Wärmesenken mit Wasserkühlung verwendet, um so die Betriebstemperatur des Lasers zu senken. Auch Ansätze zur Verbesserung der

verwendeten Epitaxiestrukturen oder des strukturellen Aufbaus des Resonators, beispielsweise eine Verlängerung des

Resonators werden verfolgt.

Eine Aufgabe ist es, eine Halbleiterlaserdiode anzugeben, die sich auch bei hoher optischer Ausgangsleistung durch ein geringes Strahlparameterprodukt auszeichnet. Diese Aufgabe wird unter anderem durch eine Halbleiterlaserdiode gemäß Patentanspruch 1 und ein Halbleiterbauelement mit einer solchen Halbleiterlaserdiode gelöst. Weitere Ausgestaltungen und Zweckmäßigkeiten sind Gegenstand der abhängigen

Patentansprüche.

Es wird eine Halbleiterlaserdiode angegeben. Die

Halbleiterlaserdiode ist insbesondere eine

Hochleistungshalbleiterlaserdiode . Das bedeutet, die optische Ausgangsleistung beträgt mindestens 10 W, beispielsweise mindestens 30 W, etwa 50 W.

Die Halbleiterlaserdiode ist beispielsweise ein

Kantenemitter, bei dem ein Resonator für die zu erzeugende Strahlung senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene eines zur Erzeugung von Strahlung vorgesehenen aktiven Bereichs verläuft. Beispielsweise ist die Halbleiterlaserdiode ein Halbleiterlaser mit zumindest überwiegend lateraler

Gewinnführung. Mit anderen Worten überwiegt bei der hier beschriebenen Halbleiterlaserdiode die laterale Gewinnführung gegenüber einer lateralen Indexführung im Resonator. Das Prinzip der lateralen Gewinnführung ist dem Fachmann bekannt und wird daher nicht weiter ausgeführt.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der

Halbleiterlaserdiode weist die Halbleiterlaserdiode eine Halbleiterschichtenfolge mit einem zur Erzeugung von

Strahlung vorgesehenen aktiven Bereich auf. Der aktive

Bereich ist beispielsweise zur Erzeugung von Strahlung im ultravioletten, sichtbaren oder infraroten Spektralbereich vorgesehen. Der aktive Bereich ist zum Beispiel zwischen einer ersten Halbleiterschicht und einer zweiten

Halbleiterschicht angeordnet, wobei sich die erste

Halbleiterschicht und die zweite Halbleiterschicht zumindest stellenweise bezüglich ihres Leitungstyps voneinander unterscheiden, sodass sich der aktive Bereich in einem pn-Übergang befindet.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der

Halbleiterlaserdiode verläuft eine Strahlungsauskoppelfläche der Halbleiterlaserdiode senkrecht zu einer

Haupterstreckungsebene des aktiven Bereichs. Die

Strahlungsauskoppelfläche bildet insbesondere eine

Grenzfläche des Resonators für die im aktiven Bereich zu erzeugende Strahlung. Eine Hauptabstrahlungsachse der

Halbleiterlaserdiode verläuft senkrecht zur

Strahlungsauskoppelfläche und parallel zur

Haupterstreckungsebene des aktiven Bereichs.

Die Halbleiterlaserdiode umfasst weiterhin eine Hauptfläche, die die Halbleiterschichtenfolge in vertikaler Richtung begrenzt. Als vertikale Richtung wird eine Richtung

bezeichnet, die senkrecht zur Haupterstreckungsebene des aktiven Bereichs verläuft.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der

Halbleiterlaserdiode weist die Halbleiterlaserdiode eine Kontaktschicht auf, die an die Hauptfläche angrenzt. Die

Kontaktschicht ist im Betrieb der Halbleiterlaserdiode dafür vorgesehen, Ladungsträger in das angrenzende

Halbleitermaterial der Halbleiterschichtenfolge einzuprägen. Die Kontaktschicht ist insbesondere für die externe

elektrische Kontaktierung der Halbleiterlaserdiode,

insbesondere seitens der Hauptfläche, vorgesehen.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der

Halbleiterlaserdiode weist die Halbleiterlaserdiode eine wärmeableitende Schicht auf, die bereichsweise auf einer dem aktiven Bereich abgewandten Seite der Kontaktschicht

angeordnet ist. Die wärmeableitende Schicht bedeckt die

Kontaktschicht insbesondere nicht vollständig, sodass die Kontaktschicht stellenweise für die externe elektrische

Kontaktierung der Halbleiterlaserdiode freiliegt. Die

wärmeableitende Schicht ist Teil der Halbleiterlaserdiode und beispielsweise durch eine Abscheidung auf der Kontaktschicht ausgebildet.

Als eine wärmeableitende Schicht wird eine Schicht angesehen, die eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist, insbesondere von mindestens 100 W/ (K*m) .

In mindestens einer Ausführungsform umfasst die

Halbleiterlaserdiode eine Halbleiterschichtenfolge mit einem zur Erzeugung von Strahlung vorgesehenen aktiven Bereich, eine Strahlungsauskoppelfläche, die senkrecht zu einer

Haupterstreckungsebene des aktiven Bereichs verläuft, eine Hauptfläche, die die Halbleiterschichtenfolge in vertikaler Richtung begrenzt, eine Kontaktschicht, die an die

Hauptfläche angrenzt und eine wärmeableitende Schicht, die bereichsweise auf einer dem aktiven Bereich abgewandten Seite der Kontaktschicht angeordnet ist, wobei die Kontaktschicht stellenweise für eine externe elektrische Kontaktierung der Halbleiterlaserdiode freiliegt.

Die Kontaktschicht bildet eine Montagefläche 15 der

Halbleiterlaserdiode 1. An dieser Montagefläche kann die Halbleiterlaserdiode zur Herstellung eines

Halbleiterbauelements mit einem Verbindungsmittel, etwa einem Lot, an einer Wärmesenke befestigt werden. Die

Wärmeleitfähigkeit von typischerweise verwendeten Loten wie beispielsweise AuSn enthaltenden Loten liegt im Bereich von 50 W/ (K*m) oder darunter, sodass diese Schicht oftmals diejenige Schicht ist, die den größten Wärmewiderstand im Wärmepfad zur Wärmesenke aufweist. Das Verbindungsmittel wird stellenweise durch die wärmeableitende Schicht ersetzt. Diese wärmeableitende Schicht weist verglichen zum

Verbindungsmittel eine höhere, beispielsweise mindestens doppelt so hohe, mindestens viermal so hohe oder auch

mindestens zehnmal so hohe Wärmeleitfähigkeit auf. Die wärmeableitende Schicht erhöht also lokal die Wärmeableitung aus der Halbleiterlaserdiode in vertikaler Richtung.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die

wärmeableitende Schicht eine Wärmeleitfähigkeit von

mindestens 100 W/ (K*m) auf. Beispielsweise enthält die wärmeableitende Schicht diamantähnlichen Kohlenstoff

(diamond-like carbon, DLC) , ein Carbid, etwa Siliciumcarbid oder Borcarbid, ein Nitrid, etwa Aluminiumnitrid oder

Bornitrid oder Berylliumnitrid oder ein Oxid, etwa

Berylliumoxid. Diamantähnlicher Kohlenstoff kann

beispielsweise so abgeschieden werden, dass er eine

Wärmeleitfähigkeit von 500 W/ (K*m) oder mehr aufweist, etwa mittels einer Plasmaabscheidung .

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der

Halbleiterlaserdiode ist die wärmeableitende Schicht

elektrisch isolierend. Die wärmeableitende Schicht dient also ausschließlich der thermischen Kontaktierung, nicht jedoch der elektrischen Kontaktierung der Halbleiterlaserdiode. Mit anderen Worten findet eine räumliche Trennung zwischen den Bereichen, in denen die elektrische Kontaktierung erfolgt, und den Bereichen, über die überwiegend die Wärmeableitung erfolgt, statt.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der

Halbleiterlaserdiode ist die wärmeableitende Schicht in

Draufsicht auf die Halbleiterlaserdiode zu mindestens 70 % ihrer gesamten Fläche innerhalb eines Bestromungsbereichs angeordnet. Der Bestromungsbereich ist derjenige Bereich, in dem die Kontaktschicht Ladungsträger über die Hauptfläche in die Halbleiterschichtenfolge einprägt. Die wärmeableitende Schicht ist also überwiegend, beispielsweise auch zu

mindestens 90 % oder vollständig innerhalb des

Bestromungsbereichs angeordnet. Mit anderen Worten wird die Wärmeableitung gezielt in dem Bereich der

Halbleiterlaserdiode erhöht, in dem auch die größten

Verlustwärmedichten auftreten.

In einem Bereich, der sich, in Querrichtung gesehen,

außerhalb des Bestromungsbereichs befindet, ist die

wärmeableitende Schicht dagegen nicht oder nur zu einem sehr geringen Anteil vorhanden. Die Querrichtung bezeichnet eine Richtung, die parallel zur Haupterstreckungsebene des aktiven Bereichs und parallel zur Strahlungsauskoppelfläche verläuft. Im Betrieb der Halbleiterlaserdiode stellt sich dadurch ein Temperaturprofil ein, das am Rand des Bestromungsbereichs einen geringeren Temperaturgradienten aufweist. Durch ein solches Temperaturprofil kann der Effekt der

Selbstfokussierung aufgrund einer thermischen Linsenwirkung im Material der Halbleiterlaserdiode verringert werden. Durch Vermeidung oder zumindest Verringerung des Effekts der

Selbstfokussierung kann der Abstrahlwinkel in Querrichtung und damit das Strahlparameterprodukt verringert werden.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der

Halbleiterlaserdiode weist die wärmeableitende Schicht zumindest eine Öffnung auf, in der die Kontaktschicht freiliegt, wobei die Öffnung der wärmeableitenden Schicht beispielsweise ein Aspektverhältnis von höchstens 1:1 aufweist. Das Aspektverhältnis bezeichnet hierbei das

Verhältnis zwischen der maximalen vertikalen Ausdehnung der Öffnung zur minimalen lateralen Ausdehnung. Die Öffnung ist also höchstens so tief wie breit. Vorzugsweise beträgt das Aspektverhältnis höchstens 1:1,5 oder höchstens 1:2.

Insbesondere weisen alle Öffnungen der wärmeableitenden

Schicht ein derartiges Aspektverhältnis auf. Es hat sich gezeigt, dass Öffnungen mit einem solchen Aspektverhältnis effizient mit einem Verbindungsmittel bei der Montage der Halbleiterlaserdiode befüllt werden können. Nicht verfüllte

Teilbereiche der Öffnungen würden dagegen zu einer deutlichen Erhöhung des Wärmewiderstands führen und könnten die Funktion der Halbleiterlaserdiode und/oder ihre Lebensdauer negativ beeinträchtigen .

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der

Halbleiterlaserdiode nimmt eine Materialbelegung der

Kontaktschicht mit der wärmeableitenden Schicht ausgehend von einer Hauptabstrahlungsachse mit zunehmendem Abstand von der Hauptabstrahlungsachse und/oder ausgehend von der

Strahlungsauskoppelfläche mit zunehmendem Abstand von der Strahlungsauskoppelfläche im Mittel ab.

Je höher die Materialbelegung der Kontaktschicht mit der wärmeableitenden Schicht lokal ist, desto effizienter ist die Wärmeableitung in dem entsprechenden Bereich. Im Betrieb der Halbleiterlaserdiode stellt sich in Querrichtung ein

Temperaturprofil ein, das an der Hauptabstrahlungsachse sein Temperaturmaximum aufweist. Entlang der

Hauptabstrahlungsachse ist die Temperatur typischerweise im Bereich der Strahlungsauskoppelfläche am höchsten.

Mit anderen Worten ist die Materialbelegung der

Kontaktschicht mit der wärmeableitenden Schicht so variiert, dass in den Bereichen, in denen lokal die größte

Verlustleistungsdichte entsteht, auch die effizienteste

Wärmeableitung erfolgt

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der

Halbleiterlaserdiode nimmt eine Flächenbelegung der

Kontaktschicht mit der wärmeableitenden Schicht ausgehend von der Hauptstrahlungsachse mit zunehmendem Abstand von der Hauptstrahlungsachse im Mittel ab. Beispielsweise weist die wärmeableitende Schicht zumindest stellenweise voneinander beabstandete Teilbereiche auf, wobei eine Querausdehnung der Teilbereiche mit zunehmendem Abstand von der

Hauptabstrahlungsachse abnimmt und/oder ein Abstand der

Teilbereiche mit zunehmendem Abstand von der

Hauptabstrahlungsachse zunimmt.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der

Halbleiterlaserdiode nimmt eine Flächenbelegung der

Kontaktschicht mit der wärmeableitenden Schicht ausgehend von der Strahlungsauskoppelfläche mit zunehmendem Abstand von der Strahlungsauskoppelfläche im Mittel ab. Beispielsweise weist die wärmeableitende Schicht zumindest stellenweise

voneinander beabstandete Teilbereiche auf, wobei ein Abstand der Teilbereiche mit zunehmendem Abstand von der

Strahlungsauskoppelfläche zunimmt und/oder eine Ausdehnung der Teilbereiche entlang der Hauptabstrahlungsachse abnimmt.

Die wärmeableitende Schicht ist also so strukturiert, dass die Wärmeableitung im Bereich der Strahlungsauskoppelfläche effizienter ist als in Bereichen, die weiter von der

Strahlungsauskoppelfläche entfernt sind.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der

Halbleiterlaserdiode ist jeder beliebige Punkt in der wärmeableitenden Schicht in Draufsicht auf die

Halbleiterlaserdiode höchstens 10 ym, insbesondere höchstens 5 ym von der Kontaktschicht entfernt. Auch bei einer

elektrisch isolierend ausgebildeten wärmeableitenden Schicht ist so gewährleistet, dass Ladungsträger mit einer

hinreichenden Homogenität über die Hauptfläche in die

Halbleiterschichtenfolge eingeprägt werden können.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der

Halbleiterlaserdiode variiert eine vertikale Ausdehnung der wärmeableitenden Schicht. Die Materialbelegung der

Kontaktschicht mit der wärmeableitenden Schicht kann also alternativ oder ergänzend zu einer lateralen Strukturierung auch über die lokal sich verändernde Dicke der

wärmeableitenden Schicht erzielt werden. An den Stellen, an denen die wärmeableitende Schicht am dicksten ist, ist die Wärmeableitung aus der Halbleiterlaserdiode im Betrieb am effizientesten.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der

Halbleiterlaserdiode nimmt die vertikale Ausdehnung der wärmeableitenden Schicht mit zunehmendem Abstand von der Strahlungsauskoppelfläche ab. Die Wärmeableitung aus der Halbleiterlaserdiode ist also im Bereich der

Strahlungsauskoppelfläche größer als in Bereichen, die entlang der Hauptabstrahlungsachse weiter von der Strahlungsauskoppelfläche entfernt sind.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der

Halbleiterlaserdiode nimmt die vertikale Ausdehnung der wärmeableitenden Schicht mit zunehmendem Abstand von der Hauptabstrahlungsachse ab. Die Dicke der wärmeableitenden Schicht wird also so variiert, dass die Wärmeableitung im Bereich der Hauptabstrahlungsachse höher ist als in

Bereichen, die in Querrichtung weiter von der

Hauptabstrahlungsachse entfernt sind.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der

Halbleiterlaserdiode ist auf der Halbleiterschichtenfolge außerhalb des Bestromungsbereichs eine Wärmeblockierschicht angeordnet. Als Wärmeblockierschicht wird insbesondere eine Schicht verstanden, die eine Wärmeleitfähigkeit von höchstens 30 W/ (K*m) , insbesondere von höchstens 10 W/ (K*m) aufweist. Mittels einer solchen Wärmeblockierschicht kann die vertikale Wärmeableitung aus der Halbleiterschichtenfolge außerhalb des Bestromungsbereichs gezielt verringert werden. Der Verlauf des sich einstellenden Temperaturprofils und des sich daraus ergebenden Brechungsindexverlaufs kann so in Querrichtung weitergehend abgeflacht werden. Beispielsweise ist die

Wärmeblockierschicht auch elektrisch isolierend ausgebildet.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der

Halbleiterlaserdiode ist die Wärmeblockierschicht in

vertikaler Richtung innerhalb der Kontaktschicht angeordnet. Das heißt, auf beiden Seiten der Wärmeblockierschicht, in vertikaler Richtung gesehen, befindet sich Material der

Kontaktschicht. Davon abweichend kann die

Wärmeblockierschicht jedoch auch an einer anderen Stelle im thermischen Pfad in Richtung der Wärmesenke angeordnet sein.

Ein Halbleiterbauelement weist zumindest gemäß einer

Ausführungsform eine Halbleiterlaserdiode mit zumindest einem der vorstehend beschriebenen Merkmale auf. Weiterhin umfasst das Halbleiterbauelement eine Wärmesenke, wobei die

Halbleiterlaserdiode mit einem Verbindungsmittel an der

Wärmesenke befestigt ist. Das Verbindungsmittel grenzt insbesondere unmittelbar an die wärmeableitende Schicht und an die Kontaktschicht an. Beispielsweise ist das

Verbindungsmittel ein Lot.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform des

Halbleiterbauelements weist die wärmeableitende Schicht eine mindestens doppelt so große, beispielsweise eine mindestens viermal so große, Wärmeleitfähigkeit auf wie das

Verbindungsmittel. Je größer der Unterschied zwischen der Wärmeleitfähigkeit des Verbindungsmittels und der

Wärmeleitfähigkeit der wärmeableitenden Schicht ist, desto effizienter kann lokal die Wärmeabfuhr aus der

Halbleiterlaserdiode über die wärmeableitende Schicht

gesteigert werden. Weitere Ausgestaltungen und

Zweckmäßigkeiten ergeben sich aus der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Figuren.

Gleich, gleichartige oder gleichwirkende Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Die Figuren sind jeweils schematische Darstellungen und daher nicht unbedingt maßstabsgetreu. Vielmehr können

vergleichsweise kleine Elemente und insbesondere

Schichtdicken zur Verdeutlichung übertrieben groß dargestellt sein .

Es zeigen:

Figur 1A ein Ausführungsbeispiel für eine

Halbleiterlaserdiode in schematischer Schnittansicht;

Figur 1B ein Ausführungsbeispiel für ein

Halbleiterbauelement mit einer solchen

Halbleiterlaserdiode ;

Figur IC einen schematischen Verlauf der Temperatur im Betrieb der Halbleiterlaserdiode entlang einer

Querrichtung x;

Figur 2A eine Darstellung einer Vergleichsprobe ohne eine wärmeableitende Schicht mit einem zugehörigen

Temperaturverlauf in Figur 2B, einem zugehörigen

Brechungsindexverlauf in Figur 2C und einer

schematischen Darstellung des Strahlverlaufs in

Draufsicht auf die Vergleichsprobe in Figur 2D;

die Figuren 3A und 3B jeweils ein Ausführungsbeispiel für eine Halbleiterlaserdiode in schematischer

Schnittansieht ;

Figur 4 ein Ausführungsbeispiel für eine

Halbleiterlaserdiode in schematischer Draufsicht;

Figur 5 ein Ausführungsbeispiel für eine

Halbleiterlaserdiode in schematischer Schnittansicht;

Die Figuren 6A, 6B, 6C und 6D jeweils ein

Ausführungsbeispiel für eine Halbleiterlaserdiode in schematischer Draufsicht; und

die Figuren 7A, 7B und 7C jeweils ein

Ausführungsbeispiel für eine Halbleiterlaserdiode in schematischer Schnittansicht entlang der

Hauptabstrahlungsachse (Figuren 7A und 7B) und senkrecht dazu (Figur 7C) .

In den Figuren ist zur Veranschaulichung der räumlichen

Richtungen teilweise für die Zeichenebene ein

Koordinatensystem angegeben, wobei sich die x-Richtung auf eine Querrichtung senkrecht zu einer Hauptabstrahlungsachse, die y-Richtung auf eine Richtung senkrecht zu einer

Haupterstreckungsebene des aktiven Bereichs und die z-Achse auf eine Richtung entlang der Hauptabstrahlungsachse

beziehen .

In Figur 1A ist ein Ausführungsbeispiel für eine

Halbleiterlaserdiode in schematischer Schnittansicht gezeigt, wobei der Schnitt parallel zu einer beispielsweise in Figur 4 gezeigten Strahlungsauskoppelfläche 10 verläuft.

Die Halbleiterlaserdiode 1 weist eine

Halbleiterschichtenfolge 2 mit einem zur Erzeugung von

Strahlung vorgesehenen aktiven Bereich 20 auf. In vertikaler Richtung erstreckt sich die Halbleiterschichtenfolge 2 zwischen einer Hauptfläche 11 und einem Träger 25, auf dem die Halbleiterschichtenfolge 2 angeordnet ist. An die

Hauptfläche 11 grenzt eine Kontaktschicht 3 an, die für die externe elektrische Kontaktierung der Halbleiterlaserdiode stellenweise freiliegt. Weiterhin ist auf der dem aktiven Bereich 20 abgewandten Seite der Kontaktschicht 3 eine wärmeableitende Schicht 4 angeordnet. Die wärmeableitende Schicht 4 ist exemplarisch in eine Mehrzahl von Teilbereichen 41 strukturiert. In Öffnungen 45 zwischen den Teilbereichen 41 liegt die Kontaktschicht frei, sodass an diesen Stellen eine Ladungsträgerinjektion über die Kontaktschicht in die Halbleiterschichtenfolge 2 erfolgen kann.

Die Ladungsträgerinjektion erfolgt über einen

Bestromungsbereich 19, in dem die Kontaktschicht 3 an die Halbleiterschichtenfolge 2 angrenzt. Seitlich des

Bestromungsbereichs 19 ist auf der Halbleiterschichtenfolge 2 eine Passivierungsschicht 5 angeordnet, sodass an den

Stellen, die von der Passivierungsschicht bedeckt sind, keine direkte Stromeinprägung in vertikaler Richtung erfolgt.

Der Bestromungsbereich 19 bewirkt einen Hauptemissionsbereich 16, in dem der Großteil der im aktiven Bereich zu erzeugenden und im Resonator zu verstärkenden Strahlung propagiert.

Beispielsweise definiert der Hauptemissionsbereich denjenigen Bereich, in dem die Strahlungsemission größer oder gleich dem 1/e-fachen der maximalen Strahlungsleistung ist.

Der aktive Bereich 20 ist zwischen einer ersten

Halbleiterschicht 21 und einer zweiten Halbleiterschicht 22 angeordnet. Beispielsweise ist die erste Halbleiterschicht p-leitend und die zweite Halbleiterschicht n-leitend oder umgekehrt. Die Halbleiterlaserdiode 1 ist über die

Kontaktschicht 3 und eine weitere Kontaktschicht 35 extern elektrisch kontaktierbar, sodass im Betrieb der

Halbleiterlaserdiode durch Anlegen einer externen

elektrischen Spannung zwischen der Kontaktschicht 3 und der weiteren Kontaktschicht 35 Ladungsträger aus

entgegengesetzten Richtungen in den aktiven Bereich injiziert werden und dort unter Emission von Strahlung rekombinieren können. Die Strahlungsauskoppelfläche 10 bildet gemeinsam mit einer gegenüberliegenden Seitenfläche der

Halbleiterlaserdiode einen Resonator für die im aktiven

Bereich im Betrieb erzeugte Strahlung. Die

Halbleiterlaserdiode ist insbesondere als eine Breitstreifen-Hochleistungshalbleiterlaserdiode mit einer Ausgangsleistung von mindestens 10 W, insbesondere mit mindestens 30 W, beispielsweise 50 W oder mehr ausgebildet.

In Figur 2A ist ein Vergleichsbeispiel 99 für eine

Halbleiterlaserdiode ohne eine wärmeableitende Schicht 4 gezeigt. Im Hauptemissionsbereich 16 entsteht auch die größte Verlustwärme, sodass sich, wie in Figur 2B dargestellt, ein Temperaturprofil in Querrichtung einstellt, das am Rand des Hauptemissionsbereichs 16 vergleichsweise stark abfällt. In Figur 2C ist ein zugehöriger Brechungsindexverlauf in der Halbleiterschichtenfolge 2 gezeigt, welcher mit der

Temperaturänderung korreliert. Dieser Brechungsindexverlauf führt, wie in Figur 2D in Draufsicht anhand von Pfeilen schematisch dargestellt, innerhalb der Halbleiterlaserdiode zu einer Selbstfokussierung, was nach dem Strahlungsaustritt aus der Strahlungsauskoppelfläche 10 zu einer vergrößerten Strahldivergenz in Querrichtung, also entlang der slow-axis führt .

In Figur 1B ist ein Halbleiterbauelement 9 mit einer

Halbleiterlaserdiode 1 gemäß Figur 1A und einer Wärmesenke 6 gezeigt, wobei die Halbleiterlaserdiode 1 mit einem

Verbindungsmittel 65, etwa einem Lot an der Wärmesenke befestigt ist. Das Verbindungsmittel 65 grenzt an die

Kontaktschicht 3 und an die wärmeableitende Schicht 4

unmittelbar an. Insbesondere befüllt das Verbindungsmittel 65 die Öffnungen 45 innerhalb der wärmeableitenden Schicht vollständig oder zumindest im Wesentlich vollständig. Im Unterschied zu dem in Figur 2B dargestellten

Temperaturverlauf bewirkt die wärmeableitende Schicht 4 einen Temperaturverlauf, der am Rand des Hauptemissionsbereichs 16 flacher abfällt. Zudem wird die im Bereich des

Hauptemissionsbereichs 16 auftretende Maximaltemperatur mittels der wärmeableitenden Schicht deutlich abgesenkt.

In Querrichtung ist die wärmeableitende Schicht 4 so

strukturiert, dass eine Materialbelegung der Kontaktschicht 3 mit der wärmeableitenden Schicht 4 in den Bereichen am höchsten ist, in denen auch die Verlustleistungsdichte am höchsten ist. Insbesondere ist die wärmeableitende Schicht in Draufsicht auf die Halbleiterlaserdiode mindestens zu 70 % ihrer gesamten Fläche oder mindestens 90 %, oder wie in Figur 1B gezeigt, vollständig innerhalb des Bestromungsbereichs 19 angeordnet. Außerhalb des Bestromungsbereichs ist die

Wärmeableitung aus der Halbleiterlaserdiode 1 mittels der wärmeableitenden Schicht also nicht oder zumindest nicht wesentlich erhöht, sodass sich das in Figur IC dargestellte flache Profil des Temperaturverlaufs in Querrichtung

einstellt .

Mittels der wärmeableitenden Schicht 4 ist lokal die Strecke reduziert, in der die Wärme in vertikaler Richtung das

Verbindungsmittel 65 passieren muss. Da ein Verbindungsmittel wie beispielsweise ein üblicherweise verwendetes AuSn-Lot eine Wärmeleitfähigkeit von lediglich 50 W/ (K*m) oder

darunter aufweist, kann durch die Positionierung der

wärmeableitenden Schicht 4 innerhalb des Verbindungsmittels 65 eine besonders starke Verbesserung der

Wärmeableitungseigenschaften erzielt werden. Für die

wärmeableitende Schicht eignet sich beispielsweise

diamantähnlicher Kohlenstoff, welcher durch eine

Plasmaabscheidung mit einer Wärmeleitfähigkeit von

500 W/ (K*m) oder darüber hergestellt werden kann. Die

Wärmeleitfähigkeit der wärmeableitenden Schicht kann also bis zu zehnmal höher sein als die Wärmeleitfähigkeit des

Verbindungsmittels 65. Eine Verbesserung der

Temperatureigenschaften wird jedoch auch mit einem Material für die wärmeableitende Schicht erzielt, das eine geringere Wärmeleitfähigkeit, etwa eine Wärmeleitfähigkeit von

mindestens 100 W/ (K*m) aufweist. Insbesondere kann für die wärmeableitende Schicht auch ein anderes der im allgemeinen Teil im Zusammenhang mit der wärmeableitenden Schicht

genannten Materialien Anwendung finden.

Es hat sich gezeigt, dass auf diese Weise die Strahldivergenz in Querrichtung und damit das Strahlparameterprodukt

reduziert werden können. Der beschriebene Halbleiter-Leitlaser eignet sich daher insbesondere besonders für eine Fasereinkopplung, da bei gleicher optischer Ausgangsleistung mehr Lichtleistung in die Faser eingekoppelt werden kann. Dies führt zu einem Kostenvorteil im System.

Mit der beschriebenen Ausgestaltung der wärmeableitenden

Schicht wird der unerwünschte Effekt der thermischen Linse in der Halbleiterlaserdiode insbesondere nicht oder zumindest nicht nur über eine Verschlechterung der thermischen

Leitfähigkeit in Außenbereichen der Halbleiterlaserdiode, also in vergleichsweise großen Abständen zur

Hauptabstrahlungsachse 18 erzielt, was zwangsläufig zu einer Erhöhung der Temperatur innerhalb der Halbleiterlaserdiode insgesamt und damit zu einer reduzierten Effizienz der

Halbleiterlaserdiode führen würde. Vielmehr wird die

Temperatur in der Halbleiterlaserdiode im Betrieb durch die wärmeableitende Schicht reduziert, insbesondere lokal in den Bereichen, in denen die Verlustleistungsdichte besonders hoch ist. Damit erhöht sich die Effizienz der Halbleiterlaserdiode und gleichzeitig verbessert sich die Strahlqualität.

Mit anderen Worten wird der Negativeffekt der thermischen Linse insbesondere dadurch erreicht, dass in einem Wärmepfad zwischen dem aktiven Bereich 20 und der Wärmesenke 6 das vergleichsweise schlecht thermisch leitende Verbindungsmittel 65 stellenweise durch die wärmeableitende Schicht 4 ersetzt wird. Die elektrische Kontaktierung kann über die Bereiche der Kontaktschicht 3 erfolgen, die nicht von der

wärmeableitenden Schicht 4 bedeckt sind.

Beispielsweise ist die wärmeableitende Schicht in lateraler Richtung so ausgebildet, dass diese eine homogene laterale Stromeinprägung nicht oder zumindest nicht wesentlich

behindert. Beispielsweise ist jeder beliebige Punkt in der wärmeableitenden Schicht 4 in Draufsicht auf die

Halbleiterlaserdiode 1 höchstens 10 ym von der Kontaktschicht 3 entfernt.

Die Öffnungen 45 der wärmeableitenden Schicht 4, in der die Kontaktschicht freiliegt, weisen vorzugsweise ein

Aspektverhältnis von höchstens 1:1, insbesondere höchstens 1:1,5 oder 1:2 auf. Durch ein hinreichend niedriges

Aspektverhältnis kann ein vollständiges Befüllen der

Öffnungen 45 mit dem Verbindungsmittel 65 bei der Montage an der Wärmesenke vereinfacht erreicht werden.

Weitere Ausführungsbeispiele für eine Halbleiterlaserdiode sind in den Figuren 3A und 3B in Schnittansicht gezeigt.

Diese Ausführungsbeispiele entsprechen im Wesentlichen dem im Zusammenhang mit Figur 1A beschriebenen Ausführungsbeispiel.

Im Unterschied hierzu weist die Halbleiterlaserdiode 1 eine Wärmeblockierschicht 7 auf. Die Wärmeblockierschicht 7 ist insbesondere in einem Randbereich der Halbleiterlaserdiode angeordnet, etwa in einem größeren Abstand von der

Hauptabstrahlungsachse als ein äußerer Rand des

Bestromungsbereichs 19. Mittels der Wärmeblockierschicht 7 kann die Wärmeabfuhr im Randbereich der Halbleiterlaserdiode 1 gezielt verringert werden, sodass die Ausbildung eines vergleichsweise flach verlaufenden Temperaturprofils im

Betrieb der Halbleiterlaserdiode weiter gefördert wird. Die Wärmeblockierschicht 7 befindet sich in einem thermischen Pfad von dem aktiven Bereich 20 in Richtung der Wärmesenke. In Figur 3A ist die Wärmeblockierschicht 7 innerhalb der Kontaktschicht 3 angeordnet, in vertikaler Richtung gesehen befindet sich auf beiden Seiten der Wärmeblockierschicht 7 Material der Kontaktschicht 3.

Bei dem in Figur 3B dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Wärmeblockierschicht 7 auf der der Halbleiterschichtenfolge 2 zugewandten Seite der Kontaktschicht 3 angeordnet.

Beispielsweise eignet sich für die Wärmeblockierschicht 7 Siliciumoxid oder ein anderes Material mit einer

Wärmeleitfähigkeit von höchstens 30 W/ (K*m) , insbesondere von höchstens 10 W/ (K*m) .

Die Figuren 4 und 5 zeigen jeweils ein Ausführungsbeispiel für eine Halbleiterlaserdiode, wobei diese

Ausführungsbeispiele im Wesentlichen dem in Figuren 1A und 3A beschriebenen Ausführungsbeispielen entsprechen. Bei beiden Ausführungsbeispielen variiert die Materialbelegung der Kontaktschicht 3 mit der wärmeableitenden Schicht 4 ausgehend von der Hauptabstrahlungsachse 18 derart, dass die

Materialbelegung mit zunehmendem Abstand von der

Hauptabstrahlungsachse im Mittel abnimmt. Dies wird bei diesen Ausführungsbeispielen dadurch erreicht, dass die

Teilbereiche 41 der wärmeableitenden Schicht 4 mit

zunehmendem Abstand von der Hauptabstrahlungsachse 18 eine geringere Querausdehnung aufweisen. Alternativ oder

zusätzlich kann auch der Abstand zwischen benachbarten

Teilbereichen mit zunehmendem Abstand von der

Hauptabstrahlungsachse 18 zunehmen.

Die lokalen Wärmeableitungseigenschaften können so gezielt auf die jeweils lokal auftretende Verlustleistungsdichte, insbesondere im Bereich des Bestromungsbereichs 19 angepasst werden .

In den Figuren 6A, 6B, 6C und 6D sind jeweils

Ausführungsbeispiele für eine Halbleiterlaserdiode in

Draufsicht dargestellt, wobei sich diese Ausführungsbeispiele hinsichtlich der lokalen Flächenbelegungsdichte der

wärmeableitenden Schicht 4 unterscheiden.

Bei dem in Figur 6A dargestellten Ausführungsbeispiel weisen die Teilbereiche 41 der wärmeableitenden Schicht entlang der Hauptabstrahlungsachse eine konstante Breite auf. Die

Teilbereiche sind in Querrichtung lateral nebeneinander angeordnet .

Bei dem in Figur 6B dargestellten Ausführungsbeispiel ist die wärmeableitende Schicht in Teilbereiche 41 unterteilt, die sowohl entlang der Hauptabstrahlungsachse 18 als auch

senkrecht dazu in Querrichtung nebeneinander angeordnet sind.

Im Unterschied zur Figur 6A nimmt die Breite der Teilbereiche 41 in dem in Figur 6C dargestellten Ausführungsbeispiel in Richtung der Strahlungsauskoppelfläche 10 stellenweise zu. Dadurch ist die Kontaktschicht im Bereich der

Strahlungsauskoppelfläche 10 im Mittel stärker mit Material der wärmeableitenden Schicht 4 belegt als in Bereichen, die weiter von der Strahlungsauskoppelfläche beabstandet sind. Entlang der Hauptabstrahlungsachse ist die Temperatur im Bereich der Strahlungsauskoppelfläche 10 typischerweise am höchsten. Durch die beschriebene stärkere Belegung mit der wärmeableitenden Schicht 4 in diesen Bereich kann ein dadurch entstehender Temperaturgradient vermindert werden.

Dieser Effekt kann auch bei der in Figur 6D dargestellten Ausgestaltung der wärmeableitenden Schicht 4 erzielt werden. Bei dieser Ausgestaltung variiert der Abstand benachbarter Teilbereiche 41 der wärmeableitenden Schicht derart, dass der mittlere Abstand zwischen benachbarten Teilbereichen entlang der Hauptabstrahlungsachse 18 mit zunehmendem Abstand von der Strahlungsauskoppelfläche 10 zunimmt. Alternativ oder

ergänzend kann die Ausdehnung der Teilbereiche 41 in

lateraler Richtung, also entlang der Hauptabstrahlungsache 18 oder senkrecht dazu, mit zunehmendem Abstand von der

Strahlungsauskoppelfläche 10 abnehmen.

Die Figuren 7A bis 7C zeigen Ausführungsbeispiele für die Ausgestaltung der wärmeableitenden Schicht in vertikaler Richtung, also entlang der Richtung y. Diese Ausgestaltungen sind für alle vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele geeignet. Details der Halbleiterlaserdiode 1 sind zur

vereinfachten Darstellung nicht explizit gezeigt und können wie vorstehend beschrieben ausgebildet sein. Bei dem in Figur 7A dargestellten Ausführungsbeispiel weist die

wärmeableitende Schicht 4 durchweg eine konstante Dicke, also eine konstante vertikale Ausdehnung, auf. Eine solche

wärmeableitende Schicht ist besonders einfach herstellbar.

Bei dem in Figur 7B dargestellten Ausführungsbeispiel variiert die Dicke der wärmeableitenden Schicht 4.

Insbesondere nimmt die Dicke mit zunehmendem Abstand von der Strahlungsauskoppelfläche 10 ab. Eine variierende

Materialbelegung der Kontaktschicht mit der wärmeableitenden Schicht 4 kann in diesem Fall also allein oder zusätzlich durch eine Variation der Schichtdicke der wärmeableitenden Schicht 4 erzielt werden. Der Temperaturverlauf entlang der Hauptabstrahlungsachse kann so, wie in Zusammenhang mit den Figuren 6c und 6d beschrieben, an die erhöhte Verlustleistung und somit die erhöhte Temperatur im Bereich der

Strahlungsauskoppelfläche 11 angepasst werden.

Bei dem in Figur 7C dargestellten Ausführungsbeispiel variiert die Dicke der wärmeableitenden Schicht 4 in

Querrichtung. Insbesondere nimmt die Dicke mit zunehmendem Abstand von der Hauptabstrahlungsachse 18 ab.

Selbstverständlich kann die wärmeableitende Schicht sowohl in Querrichtung als auch entlang der Haupterstreckungsachse bezüglich ihrer vertikalen Ausdehnung variieren.

Mittels einer Variation der vertikalen Ausdehnung der

wärmeableitenden Schicht 4 in Querrichtung kann, wie im

Zusammenhang mit den Figuren 1A, 4 und 5 beschrieben, der Temperaturgradient in Querrichtung im Betrieb der Halbleiterlaserdiode einen flacheren Verlauf annehmen.

Die in Zusammenhang mit den Figuren 7B und 7C beschriebene Variation der vertikalen Ausdehnung kann alternativ oder zusätzlich zu der lateralen Strukturierung der

wärmeableitenden Schicht in Teilbereiche 41 und dazwischen angeordnete Öffnungen 45 erfolgen.

Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die

Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von

Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den

Ansprüchen oder den Ausführungsbeispielen angegeben ist.

Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 102017122330.4, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.

Bezugs zeichenliste

1 Halbleiterlaserdiode

10 Strahlungsauskoppeltlache

11 Hauptfläche

15 Montagefläche

16 Hauptemissionsbereich

18 Hauptabstrahlungsachse

19 Bestromungsbereich

20 aktiver Bereich

21 erste Halbleiterschicht

22 zweite Halbleiterschicht

25 Träger

3 KontaktSchicht

35 weitere Kontaktschicht

4 wärmeableitende Schicht

41 Teilbereich der wärmeableitenden Schicht

45 Öffnung

5 PassivierungsSchicht

6 Wärmesenke

65 Verbindungsmittel

7 Wärmeblockierschicht

9 Halbleiterbauelement

99 Vergleichsbeispiel