DE1514055A1

DE1514055A1 - Kuehlvorrichtung mit mindestens zwei zueinander parallel verlaufenden Kuehlblechen,insbesondere fuer Injektionslaser

Info

Publication number: DE1514055A1
Application number: DE19651514055
Authority: DE
Inventors: Marinace John Carter
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1964-11-13
Filing date: 1965-11-10
Publication date: 1969-08-21
Also published as: USB411062I5; NL150621B; FR1453192A; DE1514055C2; GB1052856A; CH476395A; US3351698A; NL6513945A

Description

IBM Deutschland internationale Büra-Maadiinen Ge$ell$diajl mbH

Böblingen, den 11. September 1968 si-ha

Anmelderin :

Amtliches Aktenzeichen :

Aktenzeichen der Anmelderin :·

International Business Machines Corporation, Armonk, N. Y. 10 504

P 15 14 055.3
Docket 10 824

Kühlvorrichtung mit mindestens zwei zueinander parallel verlaufenden Xühlbleoheni insbesondere für Injektionslaser.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung mit mindestens zwei zueinander parallel verlaufenden Kühlblechen, insbesondere für Injektionslaser, d.h. Systeme zur Ableitung von in den zu kühlenden Halbleiterkörpern erzeugten Wärmemengen sum Zwecke der Stabilisierung der Arbeitsbedingungen dee Halbleiterbauelementes*

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Im allgemeinen sind Halbleiterbauelemente temperaturempfindlich und bedürfen meist einer geeigneten Kühlvorrichtung zur Stabilisierung ihrer Arbeitsbedingungen. Es wurden allegemein Wärmeableitvorrichtungen in Form von Kühlblechen für Halbleiterbauelemente, bekannt, we-1 ehe durch Wärmestrahlung, durch Wärmeleitung usw. die im inneren der Halbleiterkörper erzeugte Wärme an die Umgebung abführen, z.B. an die Atmosphäre* &n flüssige Kühlbäder und dergleichen. Derartige Vorrichtungen vex-grÖHtrn die wirksame UbergangsfläOhe derHnlbleitervorrichtung für die ftbsuführendenWKrm*intrisj»n und erhöhen daher die,

die Rate der an die Umgebung abgeleiteten Wärmemengen. Die bisher bekannt gewordenen Kühlvorrichtungen sind im allgemeinen nicht geeignet, große Wärmemengen genügend schnell an die Umgebung abzuleiten. Infolgedessen ergibt sich durch Wärmestauung eine Erhöhung der Temperatur des Halbleiterkörpers und eine Veränderung der Arbeitspunkte bzw. der Arbeitsbedingungen des H-lbleiterbauelementes.

Darüber hinaus werdendie Kühlprobleme durch die von Mlkrominiaturisierung geforderten kleinen Abmessungen moderner Halbleiterbauelemente noch weiter erschwert. Ein modernes Halbleiterbauelement, dessen Arbeitsweise besonders kritisch von der Temperatur abhängt, ist z.B. die als Injektionslaser wirkende Halbleiterdiode aus Galliumarsenid. Ein für die Arbeitsweise eines solchen Lasers besonders kritischer Parameter ist der Schwellenwertstrom I_t für die Erzeugung kohärentes Lichtes, dessen Wert außerordentlich empfindlich gegenüber Temperaturänderungen AT^ des Überganges bzw. der Sperrschicht ist; auch die Frequenz des ausgestrahlten kohärenten Lichtes ist temperaturabhängig, vornehmlich infolge der Änderung des Brechungsindex des Halbleitermaterial. Einzelheiten über die genannten Temperaturabhängigkelten für Laser kann folgenden Aufsätzen entnommen werden;

W.E. Howard et al., IBM Journal of Research and Development,·

Bd. 7, S. 7* - 75, Januar 1963

"CW - Arbeitsweise eines GaAs-Injektionslasers"

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H.F. La Morte et al.. Proceedings of the IEEE, Bd. 52, Nr. IC,. ι

. S. 1357-1256, Oktober I9o4,

9.09834/05 13 "cw - Arbeltawalsa eines GaAs-Injektionslaser»"

Neue Anmeldungsunterlß

Es wurde beobachtet,daß, sofern ein Laser bei erhüchten Temperaturen,

d.'h. bei Tempera türen oberhalb von 20⁰K betrieben wird, die Abhängig-IceIt des Schwellenwertstromes !^proportional zu T, ^ verläuft. Zur Herabsetzung des Schwellenwertstromes I_fc und zur Sicherstellung einer brauchbaren Lichtintensität werden Diodenlaser bei sehr tiefen Temperaturen, d.h, im Bereich der Temperatur von flüssigem Hellium (4,2⁰K) betrieben. Bei diesen niedrigen Betriebstemperaturen wird der Schwellenwerts trom 1₁ der Diodenlaser auf hinreichend kleine Werte beschränkt, so daß sich auch bei kontinuierlichem Betrieb hohe Ausgangsenergien ergeben» Bei etwas höheren Temperaturen, d.h. bei Temperaturen im Bereich des flüssigen Stickstoffes (77 K) werden Laser gewöhnlich intermittierend betrieben, um die im inneren des Halbleiterkürpers erzeugte Wärmemengen klein zu halten, womit auch die Änderung des Schwellenwerts tr omes Δ1₁, sowie gleichfalls'die Frequenz des erzeugten kohärenten Lichtes herabgesetzt wird. Bei diesen etwas höheren Temperaturen sind die zur Zeit bekannten Kühlvorrichtungen wenig wirksam zur Stabilisierung der Sperrschicht-Temperaturen T., so daß ein kontinuierlicher Betrieb mit hoher Energie unter den genannten Bedingungen nicht zu erreichen ist. Angaben über kontinuierlichen Betrieb von Diodenlasern bei 77'K bei sehr geringer Ausgangsenergie können zum Beispiel aus dem oben bereits erwähnten Artikel von M.F. La Worte et al entnommen werden. Bei den genannten Temperaturen werden die Laser im aSgemelnen intermittierend unmittelbar oberhalb des Schwellenwertstromes I_fc betrieben, wobei die Ausgangsenergie sehr niedrig ist. Die erzielte Ausgangsenergie kann bei den genannten etwas höher liegenden Temperaturen wesentlich erhöht werden, wenn der Wirkungsgrad der Kühlvorriohtungen so weit verbessert wird, daß die innerhalb des Halbleiterkörpers erzeugte Wärme nur geringfügigen Temperaturanstieg des Halbleiters nach sich zieht.

909834/0513 _OTIGINaunsp_Ect_E0

- * - Neue Anmeldungsunterlag

;, über wirksa

Es ist somit entsprechend dem vorhergesagten wünschenswert, Über wirksame Kühlvorrichtungen für Halbleiterbauelemente zu verfügen. Obwohl, wie schon erwähnt, die Temperaturabhängigkeit bei Diodenlasern besonders kritisch ist, sind auch für Halbleiterbauelemente, bei denen dies weniger der Fall ist, wirksame Kühlvorrichtungen wünschenswert, unabhängig davon, wie groß die Temperaturempfindlichkeit der zu kühlenden Bauelemente ist, Kühlvorrichtungen sind somit anwendbar ebenfalls für Varaktordioden, Transistoren, usw.

"Oie Struktur derartiger Kühlvorrichtungen sollte so beschaffen sein, daß auch Halbleiterbauelemente, die mikrominiaturisiert sind, leicht in diese Kühlvorrichtung eingefügt werden können. Eine Erhitzung der verschiedenen Halbleiterbauelemente bei oder nach der Einfügung in die Kühlvorrichtung kann besonders dann, wenn diese nicht als Verfahrensschritt in das Herstellungsverfahren des Halbleiterbauelements selbst eingefügt werden kann, von Schaden sein. So kann insbesondere im Falle des Einbaus von Diodenlasern in Kühlvorrichtungen mittels konventioneller Lotprozesse die Laser eigenschaften des Halbleiterbauelementes verloren gehen.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kühlvorrichtung hohen Wirkungsgrades zu schaffen, die zur Kühlung von Halbleiterbauelernenter geeignet sind, insbesondere für Halbleiterbauelemente, die in der Mikrominiaturisierung übliche Abmessungen aufweisen. Bei dem Zusammenbau der Kühleinrichtung und dem zu kühlenden Halbleiterbauelement soll keine Erwärmung des Halbleiters für Lötzwecke und dergleichen erforderlich sein und der erzielte Wirkungsgrad der Kühlung soll genügend hoch sein, um z.B. den Dauerbetrieb eines Diodenlasers bei der Temperatur flüssigen Stickstoffes zu ermöglichen.

909 83 4/0513 original inspected

copy

Neue knmeluui

neue;Änm-e»gsi ...

Die genannte Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die -thermisch, gul leitenden, elastisch federnden Xüiilbleche an ihren einem Ende durch ein elektrisch isolierendes Abstandstück in einem definierten Abstand gehaltert sind, daß die freien Enden der Kühlbleche sowie die mit diesen in Berührung stehenden Flächen des zu kühlenden planarcn Halblcitorbauelementes mit einer dünnen thermisch und elektrisch leitenden Schicht versehen sind und daß die Abmessungen des^Abstandstückes, die Dicke und die elastischen Eigenschaften der Kühlbleche sowie die plastischen Eigenschaften der genannten dünnen Schichten so gewählt „sind, daß die nach Einfügen des Halbleiterbauelementes in den Baum- zwischen den freien Enden der Kühlbleche sich einstellenden Druckkräfte eine kaltschweißsteilenartige Verbindung der einander berührenden Oberflächen des zu kühlenden Halbleiterbauelementes und der Kühlbleche bewirken.

Sineziheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung, den Unteransprüohen, sowie aus den Zeichnungen. In den 2>eiciu':angen bedeuten: -

Fig. 1 eine perspektivische Ansiaht einer Kühlvorrichtung für zweipolige Halbleiterbauelemente entsprechend den Lehren der vorliegenden Erfindung, insbesondere für einen Diodenlaser;

Fig. 2 perspektivische Ansichten einer Kühlvorrichtung zur Ein- und 3 ■

fügung von dreipoligen Halbleiterbauelementen nach den Lehren

. der vorliegenden Erfindung;

Fig. 4 Diagramme zur Darstellung des Wirkungsgrades der Kühlvor- und 5 · ' .
·%„..""■ richtungen naoh den Lehren der vorliegenden Erfindung.

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COPY BAD ORIGINAL

Neue- Anmelcfungsunterfa

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Die in Fig. 1 gezeigte Kühlvorrichtung nach den Lehren dor vorlTog'dfitten

Erfindung weist die beiden Kühlbloche 1 und j> auf, die an einem Ende starr an dem isolierenden Zwischenstück 3 befestigt sind, worduroh die freie Enden parallel zueinander in einem definierten Abstand gehalten v/erden. Die Bleche 1 und j> bestehen aus federndem, leitendem Material, das auch thermisch gut leitet sowie einen mit dem Material der Halbleitervorrichtung 7* Vielehe in dem speziellen Fall der Fig. 1 ein Diodenlaser aus GaAs 1st, verträglichen Ausdehnungskoeffizienten aufweist. Zur Herstellung der Bleche 1 und J> sind Molybdän (Mo), Kupfer (Cu), Silber (Ag) und Wolfran (W) geeignete Materialien. Wird z.B. Molybdän benutzt, so braucht dieses Metall nicht eine besonders hohe Hoinheis zu besitzen. Die BIeohe 1 und J5 weisen einen kritischen Abstand auf, um die Einfügung des Diodenlasers 7 zu gestatten und um definierte Druokkräfte auf diesen sicherzustellen.

Das Zwischenstück 5 ist aus einem geeigneten Isoliermaterial, z.B. halbisolierendem Galliumarsenid, aus ⁿPyrex-"Olas, keramischem Derilliumoxyd (BeO), keramischem Aluminiumoxyd (Al₂O-,) oder anderem alrjketrischen Isoliermaterial mit guter thermischer Leitfähigkeit gefertigt. Die Stärke des Zwischenstückes 5 ist grosser als der Abstand zwischen den freien ψ Enden der Glieder 1 und ;), um die Bindung zu erleichtern und um ausserdem die Möglichkeit von Kurzschlüssen zwischen den Kühlblechen weitgehend auszuschließen; das Isoliermaterial sollte ausserdem eine niedrige Dielek trizitätskonstante zeigen, damit die ßlgenkapazität der Kühlvorrichtung möglichst niedrig wird. Es ist darauf zu achten, daß die freien Enden der Kühlblöche 1 und 2 parallel au den Kontaktflächen des Diodenlasers 7 verlaufen. Ausserdem sollte die thermische Zusammenziehung des Zwischen·» Stückes 5 grosser sein als die des Diodenlasers 7, so daß dieser in Kühlbad, z.B. in flüssigem Stickstoff (77⁰K) einem erhöhten Druck ausge setzt ist.
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BAD ORfGiNAL . .

-■'-' Neue AnmeSdongsunierlage

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Zu diesem Zwokce wird die Ebene dos Kühlbleches 1 in Porin der Biegung 9 abgekrüpft. Die Biegung 9 in Blech 1 bestimmt den Abstand zwischen, den freien Enden der Bleche JL und 3 und erhöht auscerdem die'Elastizität des freien Endes des KUhlbloches 1, Soll der Druck auf eine Halbleitervorrichtung in wesentlichen konstant gehalten wordon, künnon Zwischenstücke aus Isoliermaterial mit sehr niedrigem linearen Ausdohnunsc-

koeffizienten benutzt worden.

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Nach Einfügung des Zwischenstückes 5 wird die Struktur der Fig. 1 einem GaIvanisicrungsprozess unterworfen, wobei die freien Enden der Glieder 1 und 3 mit dünnen Filmen 11 aus weichem Material überzogen worden. Die Stärker dieser Deckschicht kann etwa zwischen 10 und 20 liegen. Hierzu brauchbare weiche leitende Materialien sind z.B. Indium (In), Zinn (Sn) sowie weiche Legierungen aus diesen Konstituenden. Es können z.3. die freien Enden der Kühlbleche 1 und 5 in eine Indium-Fluoroborat-Lüsunß )_?) eingebracht und für etwa 15 Minuten mit einer Stromdichte von

2 mA/cm beaufschlagt werden. Bekannte Maskiorunssverfehrep- können angewandt werden den Galvanisierungsprozess nur auf sich gegenüberliesende Oberflächen der Kühlbloche 1 und 5 zu begrenzen, die den Diodenlaser 7 berühren. Die Kühlvorrichtung für Zweipol©'1st nun fertiggestellt und der Dlodenlaaer 7 kann eingefügt werden.

Entsprechend der Lehre der vorliegenden Erfindung werden die Hauptflächen des Lasers 7 mit einer dünnen Schicht 13 überzogen, die aus demselben oder einem ähnlüien Material wie die die freien Enden der KUhlbleche 1 und 3 bedeckende dünne Schicht 11 besteht. Die dünnen Schichten IjJ des weichen leitenden Materials können in einem zusätzlichen Verfahrensechrltt bei der Herstellung dos Dlodenlasera 7 erstellt worden. Die

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Neue Änmeldungsüfiterlage

Diodonlaoer werden dadurch hergestellt, daß ein iJ-leitendes GaIIl\imarscnidplättchen mit mindestens einer sorgfältig geläppten und gereinigten Krictallflache ctv;a 2 Stunden bei 85O⁰C einer Zirikarsenidr atmosphäre ausgesetzt wird und daß PN-Hbcrgänge parallel zu den gegen-/ _ überliegenden Krlctallf lachen eindiffundiorf werden. Nach üor Diffus ion wird die unpolierte Kristallfläche des Plättchens weggeläppt,· bis ein einziger PH-Übergang entsteht. Aufeinanderfolgende dünne Schichten, Jede weniger als ein Mikron, aus Gold (Au), und Zinn (Sn) v/erden auf dem Plättchen aufgebracht. Die Goldschicht kann z.B. galvanisch auf.das Plättchen aufgebracht werden durch Eintauchen in eine Lösung als 1 ζ HAuCl, 800 ml" Wasser sowie 200 ml HF über eine Zelt von 10 Sekunden. Auch kann die Zinnschicht auf die dünne Goldschicht aufgalvanisiert werden durch das Eintauchen über JO Sekunden in eine Lösung aus 19 g SnCl₂. HpO +2Og. NaOH + 190g. NaCN 4,5 1 Wasser. Das metallisierte Plättchen wird dann einige S£?kunden in einer indifferenten Atmosphäre auf Jl-OO⁰C erhitzt, wodurch die Gold« und Zinnschichten in das Plättchen eln-lcgiert s/erden. Das Plättchen wird dann "mit einer v/eiteren dünnen Schicht Ij, 2.. 13.- aus Indium mittels des oben beschriebenen galvanischen Veziahrsns versehen. Anschließend wird das Plättchen zusammen mit den dünnen Schichter. 13 in Stangen gespalten, -wobei die Spaltflächen parallel und optisch teilv;eise reflektierend sind. Da die dünnen Schichten 13 stark an der Plättchen-oberfläche anhaften, beschädigt der Spaltvorgang die Schicht nicht. Die so erzielten Stangen werden dann senkrecht zu den Spaltflächer; scsohnitten und sind dann nlchtreflektierend. Sie. steälen dann einzelne Diodenlaser in Fabry-Perot-Konflguration mit dünnen leitenden Schichten I3 auf den Oberflächen parallel zur Ebene des PM-Uberganges dar. Der Diodenlasor 7 wird leicht zwischen den freien Enden der Kühlvorrichtung eingefügt, indem diese mittels eines keilförmigen Werkzeuges 1 und 3 auseinandereedruokt.werden. _909834/0513

BAD ORIQINAl.

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Der Diodenlaser 7 mit den sich gegenüberliegenden Schichten Ii und Ij besitzt eine solche Stärke, daß beim Freigeben der Kühlbleehenden der sich einstellende Druck auf die Schichten 11 und Ij genügt, um eine einer Kaitschweißung ähnliche Verbindung herzustellen. Die Lage· aes Diodenlaeers 7 relativ zur Biegung y -des oberen Kühlblcohcs i bestimmt. in starkem Maße den auf den Diodenlaser ausgeübten Druck, wenn die Gesamtanordnung in ein Kühlbad eingebracht v£ird« In der Nahe eier Biegung wird ein starker Druck auf den Diodeniaser 7 ausgeübt; ist der Dioaenlaser 7 Jedoch von der Liegung y weiter entfernt angebracht, wird eier Druck auf den Laser eher konstant gehalten und verringert leicht alle Effekte thermischer Schrumpfung in der Umgebung aes Distanzstückes 5 auf ein Minimum. Zyklische Temperaturänderungen beispielsweise zwischen Zimmertemperatur und der Temperatur flüssigen Stickstoffes (YY⁰K) können durchlaufen werden, ohne daß die Gefahr besteht _s den Diodenlaser Y zu beschädigen/ da die Kühlbleche und die HalbfeiterVorrichtung Y bevorzugt ähnliche Ausdehnungskoeffizienten und die dünnen.deichten 11 und Yj genügende Plastizität aufweisen. Ss kann auch ge eigne ce 3 keramisches !!isoliermaterial zwisohen den Gliedern 1 und > eingefügt werden, um die Struktur der Wärmeabzugsvorrichtung noch zu verstärken. Solohes Material sollte einen sehr niedrigen Ausdehnungskoeffizienten sowie eine niedrige Dielektrizitätskonstante besitzen,' wenn optische Halbleitervorrichtungen montiert werden, sollte dieses Material im wesentlichen durchsichtig ssin/ .

Ändere Ausführungsbeispieie der Kühlvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung sind In den Fig. 2 und 5 gezeigt. Diese sind geeignet zur

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Heye Afimeidungs.unterlpgc

Wärmeableitung für dreipolige Halbleiterbauelement^ z.B. für einen
bistabilen Diodenlaser 7a mit zwei von Masse verschiedenen S

Die Kühlvorrichtung der Fig. 2 mit drei Klemmen ähnelt "derjenigen
dor Pig. Ii es worden daher ühnlioh© Bezugszeiahen für einander entsprechende Elemente verwendet. In Fig. 2 sind zwei obere Kühlbleche la und Ib fest am Zwischenstück 5 in der -Weis^e angebracht, daß die freien Enden parallel zum Kühlblech 3 verlaufen und von diesem den gleichen
definierten Abstand aufweisen; ausserdem sind die Kühlbleche la und Ib ^ infolge des Luftspaltes 15 voneinander elektrisch isoliert, da sie an die Klemmen des Diodenlasers 7 a angeschlossen werden sollen. Ep kann auch eine dünne isolierende Schicht, z.B. aus Molybdänoxyd (MoO.,) durch bekannte Verfahren zwischen den beiden Seiten 17a und 17b der Kühlbleohe la bzw. Ib eingefügt werden, "·■--■

Das Herstellungsverfahren für die Kühlvorrichtung von Fig. 2 ist
praktisch identisch mit dem im Zusammenhang mit Fig. 1 beschriebenen
Verfahren. Bei der Herstellung des bistabilen, einen Dreipol verkörpernden Lasers 7a, bezeichnet die Kerbe 19 die Kontaktoberfläche, die je-" wells mit einer dünnen Schicht 13 aus weichem, leitenden Material bedeckt ist. Die seitlichen Abmessungen des Luftspaltes 15 und der Kerbe 19im Diodenlaser 7a sind im wesentlichen identisch. Der Diodenlaser 7a wird in der bereits oben beschriebenen VJeise dadurch in seine richtige Lage gebracht, daß die freien Enden der Kühlbleohe mittels eines ke.ilfürmigen Werkzeuges auseinander gedrückt werden. Nach dem Zurückfedern der KüoMeshendea wird der Diodenlaser in dieser Lage durch auf die
dünnen Schichten 11 und 13 wirkende Druckkräfte gehalten«

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INSPECTED

.-■ IX

Neue

In der Kühlvorrichtung von Pig. 3 werden die KUhlbleche la .undIb an den Zwischenstücken 5a und 5b befestigt, wobei die freie» Enöen parallel und in gleichem kritischen Abstand von Kühlblech j gehaltert werden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Luftspalt 15 definiert durch den Abstand zwischen den dünnen Schichten Ί1, die sieh auf den Seiten 21a und 21b der Kühlbleche la und Ib befinden· Die je weils benötigten Muster der dünnen Schichten 11 auf den Kühlblechen la> Ib und ■ j, können durch geeignete, bekannte Maskierungsvorfahren Hergestelltwerden.

Der -Wirkungsgrad der Kühlvorrichtung nach der Erfindung wird durch Fig. 4 verdeutlicht, in welcher die Abhängigkeit des Schwellenwertstromes I_fc von der Sperrschichttemperatur T, eines Diodenlasers gezeigt wird. Wobei z.B. der Laser in einer Kühlvorrichtung entsprechend Fig.'1 gehaltert ist.

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Neue Anmeldungsunterlagr

Zum Vergleich sind die entsprechenden D.iten auch für bisher bekennte Kühlvorrichtungen dargestellt. Bekanntlich erzeugt der Sohwellenstrom I eines Qalliumarscnid-DiodcnlaDe'rs ein Lichtsignal in dem Spektralbereich um 8400 Se, wenn er bei der Tem-. peratur von flüssigem Stickstoff (77⁰Kl betrieben, wird. Die genannten Betriebsverhältnisse für eine Impulsdauer von C,l Mikrosekunden bei einer Impulsfoigefrequenz von 100 Hz wird von Kurve_a, gezeigt, worin der Schwellenstrom I«. ca.760 Ap/cm beträgt. Wie oben beschrieben, variiert der Schwellenstrom I_fc um einen Paktor von (T./77) , worin T, die erhöhte Sperrschichttemperatur und 77 diejenige Temperatur bedeutet, die sich bei Kühlung mit flüssigem Stickstoff einstellt. Wenn der in der Kühlvorrichtung montierte Diodenlaser kontinuierlich betrieben wird, erhöht sich die Energie* zufuhr um einen Paktor 10 , und die irr. Halbleiterkörper erzeugte Wärme wird nicht genügend schnell abgeführt, um einer ErhÖhunr der Sperrschichttemperatur T. entgegenzuwirken. Wie Kurve b__ zeigt, erhöht sich die Sperrschichttemperatur T_x der Laservorrichtung wesent-

lieh, und der damit auftretende Anstieg des Schwellenstromes I. schließt einen kontinuierlichen Betrieb mit starker Energie aus. Infolgedessen ist die von dem Laser erzeugte Lichtintensität gering, während die Betriebsenergie sehr hoch ist. Die Sperrschicht-Temperatur T, könnte sich'bei 50° K verändern, wie Kurve b^ zeigt. HierdUroh ergibt sich eine Erhöhung des Sohwellanwertstroms L· um einen Paktor

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.von 4,5 entsprechend einer Stromdichte von 3420 Ap/cm , was die Grenzen der gegenwärtig verwendeten Dlodenlaser weit überschreitet.

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Neue Anmeldunijsunterld

Der Wirkungsgrad der Kühlvorrichtung nach den Lehren üer vorliegenden Erfindung wird jedoch durch Kurve c__ unter gleichen Bedingungen "dargestellt,, wobei Kurve n_ als Bezugskurve dient. Wenn aar ordnungs-" ■geraä'S gekühlte Diodenlaser kontinuierlich betrieben wird, zeigt sich,

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. daß der-SchWellenstrom 1, sich nur auf ca. 810 Αρ/οιΓ erhöht, ob-. gleich die Eingangsenergie um den Faktor von ICK größer ist. Diese kleine Veränderung im· Schwellenstrorn I. beruht wahrscheinlich auf der Tatsache, da3im Wärmeableitweg 'der Kühlvorrichtung eine Mindestzahl von metallurgischen Phasengrenzen vorliegt, wodurch die im Inneren des Halbleiterkörpers erzeugte Wärme sehr rasch abgeführt wird.-Dadurch ist es möglich, Diodenlaser, auch bei den etwas höheren Temperaturen mit hoher Energie kontinuierlich zu betreiben, auf die man angewiesen 1st, wenn lediglich mit flüssigem Stickstoff gekühlt wird. Die Möglichkeit Ist graphisch dargestellt in den idealisierten Kurven der Pig· 5t in welchen die von einem Diodenlaser erzeugte Lichtintensität In Abhängigkeit von dem Strom I. durch die Sperrschicht dargestellt ist. Wird der Diodenlaser in Verbindung mit einer Kühlvorrichtung nach den Lehren der Erfindung entsprechend Kurve d^ betrieben, so erhält man eine mit wachsendem Strom I. durch die Sperrschicht zunehmende Lichtintensität j erst wenn der Strom L 5 A weit überschreitet fällt die Intensität des erzeugten Lichtes und zeigt damit an, daß die Sperrschichttemperatur Tj rascher ansteigt als die erzeugte Wärme dur.oh die Kühlvorrichtung abgeführt werden kann. Wird der Diodenlaser dagegen in bekannten Kühlvorrichtungen montiert, so erhält man entsprechend Kurve e__ keine nennenswerte Lichtintensität; selbst wenn

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Neuei Anmeldimgsunterlagc

der Diodenlaser pulsierend mit hoher Inpulsfclgefroquenz betrlaben wird. Die Kurve e__ der-Fig. 5 zeigt daß bekannte Kühlvorrichtungen fast völlig außerstande sind, genügend im Innern des Halbleiterkörper» erzeugte Wärme abzuführen, um eine brauchbare Lichtintensität im Bereich der Temperatur dos flüssigen Stickstoffs zu erzielen. Wie ersichtlich, besitzt die Kurve d_ ihr Maximum bei ca. όΟΟ mW, während das Maximum der Kurve e__ gröaenordnungsmäSig bei einigen /tW zu auohen ist, woraus hervorgeht, daß eine Kühlvorrichtung nach den Lehren der vorliegenden Erfindung urn Größenordnungen wirksamer i3t ßls bisher bekannte Kühlvorrichtungen.

Obgleich lediglich ein bestimmtes Ausführungsbeispiel beschrieben wurde, ist klar, daß viele Variationen der beschriebenen Struktur ohne Abweichung vom'allgemeinen Srfindungsgedanken denkbar sind. Es kann z.B., wenn gewünscht, eine öffnung in einem der leitenden KUhIbIeche zum Durchlaß der Strahlung vorgesehen werden, wenn die Halbleitervorrichtung eine elektrolumineszlerende Diode ist.

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Claims

Neue Anmeldiingsunterlage

P a t e η t a η s ρ r ü c h e

1, Kühlvorrichtung mit mindestens zwei zueinander parallel verlaufenden Kühlblechen für Halbleiterbauelemente, insbesondere für Injektionslaser, dadurch gekennzeichnet, daß die thormisch gut leitenden, elastisch federnden Kühlbleche (l, 2) an ihren einem Ende durch ein elektrisch isolierendes Abstandstück O) in einem definierten Abstand gehaltert sind, daß die freien Enden der Kühlbleohe sowie die mit diesen in Berührung stehenden Flächen des zu kühlenden planaren H-ilbleiterbauelementes mit einer dünnen thermisch.und elektrisch leitenden Schicht versehen sind und daß die Abmessungen des Abstandstückes, die Dicke und die elastischen Eigenschaften der Kühlbleche sowie die plastischen Eigenschaften der genannten dünnen Schichten so gewählt sind, daß die nach Einfügen des iUlbleiterbaueletnentes in den Raum zwischen den freien Enden der Kühlbleche sich einstellenden Druckkräfte eine kaltschweiSstellenartige Verbindung der einander berührenden Oberflächen des zu kühlenden Halbleiterbauelementes und der Kühlbleche bewirken.

S. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der Kühlbleohe in der Weise abgeköpft ist, daß der Abstand der freien Ende dieser Bleche verringert ist«, '

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Neue Anmefdüogsöoieriagc

Kühlvorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch, gekennzeichnet, Q.a3 zum Zwecke des Einfügens eines dreipoligen Halbleiterbauelementes eines der beiden Kühlbleche entlang seiner Mittellinie einen isolierenden SpaJ.t (I9) aufweist.

4. Kühlvorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daS die dünnen Schichten eine Dicke von etwa 10 aufweisen.

5. Kühlvorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis Λ, dadurch gekennzeichnet, daß die dünnen Schichten und mindestens die in der Nahe des zu kühlenden Halbleiterbauelementes gelegenen Teile der Kühlbleche aus Indium oder aus Zinn bestehen.

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