DE2312018A1 - Einrichtung zur umwandlung von elektrischem strom in strahlungsenergie, insbesondere halbleiterlaser - Google Patents

Description

• "Einrichtung zur Umwandlung von elektrischem Strom in Strahlungsenergie, insbesondere Ralbleiterlaser Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Umwandlung von elektrischem Strom in Strahlungsenergie, insbesondere einen Halbleiterlaser, der aus einem Halbleiterkörper und einer Wärmesenke besteht.
• Einrichtungen zur Umwandlung von elektrischem Strom in Strahlungsenergie, insbesondere als Halbleiterlaser bezeichnete Sinrichtungen, erlangen als Lichtsender in optischen Nachrichtenübertragungssystemen zunehmende Bedeutung.
• Unter einem Halbleiterlaser versteht man eine Einrichtung, in der elektromagnetische, vorzugsweise optische Strahlung nach dem Prinzip der stimulierten Emission in einem durch Stromdurchgang gepumpten Halbleiterkörper verstärkt und in Falle der Selbsterregung durch Ausbildung des Halbleiterkörpers als Resonator auch erzeugt werden kann.
• Halbleiterlaser können bekanntlich in Form einer einfachen Diode aufgebaut sein, die aus je einem n-dotierten und pdotierten Bereich eines Halbleiterkristalls besteht. Zwischen diesen stark dotierten n- bzw. p-Bereichen befindet sich ein tbergangsbereich, der das optisch aktive Gebiet des Halbleiterlasers darstellt.
• Es sind weiterhin Halbleiterlaser in Form sogenannter Reterostrukturdioden bekannt, die aus einer größeren Anzahl unterschiedlich dotierter Bereiche aufgebaut sind.
• Bei Anlegen einer Spannung in Durchlaßrichtung der Dioden werden in das optisch aktive Gebiet des Halbleiterlasers Ladungsträger injeziert, die dort unter Aussendung von Lichtquanten rekombinieren.
• Hohe optische Verluste verbunden mit einer begrenzten Verstärkung erfordern für eine stimulierte Emission sehr hohe Stromdichtenschwellwerte, die mit der Temperaturerhöhung sehr stark ansteigen und bei einfachen Diodenlasern bei Zimmertemperatur in einer Größenordnung von etwa 40 000 A/cm2 liegen.
• Durch Betrieb eines derartigen Halbleiterlasers bei sehr tiefen Tenperat'ren konnen diese Schwellwerte bis auf etwa 1 000 A/cm 2 herabgesetzt werden.
• Bei Ralbleiterlasern in Form der vorgenannten Heterostrukturdioden läßt sich diese relativ geringe Schwellstromdichte auch bei Zimmertemperatur erreichen.
• Selbst bei diesen relativ geringen Stromdichten wird nur ein sehr geringer Anteil der den Halbleiterlaser zugeführten elektrischen Energie in die gewunschte Strahlungsenergie umgewandelt.
• Der größte Anteil der zugeführten elektrischen Energie wird im Halbleiterkörper in Wärmeenergie umgesetzt, die abgeführt werden muß, um eine zu starke Erwärmung und die damit zusammenhängende Erhöhung der Schwellstromdichte zu verhindern.
• Zur Ableitung dieser Verlustwärme ist es bekannt, den Halbleiterkörper mit einer geeigneten Wärmesenke zu verbinden.
• Aus der holländischen Patentschrift 6 414 568 ist es bekannt, den Halbleiterkörper zwischen zwei Eühlkövper aus Kupfer zu montieren, die gleichzeitig noch zur Zuführung des elektrischen Stroms zum Halbleiterkörper dienen.
• Auch aus der französischen Patentschrift 1 397 027 ist es bekannt, eine Haibleiterlaserdiode zur Wärmeleitung zwischen zwei aus Molybdan bestehende Metallblöcke anzuordnen.
• Auch hIerbei dienen diese Metallblöcke gleichzeitig als Elektroden zur Stromzufuhr.
• Auch aus der französischen Patentschrift 1 398 379 ist es bekannt, den Halbleiterkörper eines Halbleiterlasers zwischen kühlende Metallscheiben einzuspannen.
• Aus der deutschen Offenlegungsschrift 2 160 005 ist weiterhin ein Halbleiter-Injektionslaser bekannt, der zur Wärmeableitung zunächst auf einen verzinnten Diamanten hoher thermischer Leitfähigkeit aufgelötet ist, der seinerseits wiederum auf einer verzinnten Kupfer-Wärmesenke angebracht ist.
• Halbleiterlaser, insbesondere im Dauerstrichbetrieb bei Zimmertemperatur arbeitende Halbleiterlaser' erreichen heute eine Lebensdauer, die häufig wenige Minuten nicht übersteigt und die bestensfalls etwa einhundert Stunden beträgt. Diese Lebensdauer eines Halbleiterlasers ist für seine Verwendung als Sender in einem optischen Nachrichtensystem vollig unzureichend.
• Es wird vermutet, daß bei Halbleiterlasern, bei denen ein Halbleiterkörper auf eine Wärmesenke gelötet ist oder bei denen der Ealbleiterkorper gegebenenfalls unter Druck zwischen zwei als Wärmesenke vorgesehene Metallblöcke eingeklemmt ist, mechanische Spannungen zu einer Zerstörung des Halbleiterkörpers führen. Derartige Spannungen können durch Temperaturdifferenzen infolge ungleichmäßiger Warmeableitung hervorgerufen werden.
• Der vorliegenden Erfinduniegt die Aufgabe zugruade, bei einer Einrichtung zur Umwandlung von elektrischem Strom in Strahlungsenergie der eingangs genannten Art eine Befestigungsmöglichkeit des Halbleiterkörpers auf einer tjarmesenke anzugeben, durch die eine Zerstörung des Halbleiterkörpers infolge durch Temperaturdifferenzen erzeugte mecha-aische Spannungen zwischen Laserkristall und Wärmesenke verhindert wird.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Halbleiterkörper mittels einer Klebstoffschicht auf einer Wärmesenke befestigt ist.
• Klebeverfahren sind an sich auch im Zusammenhang mit der Halbleiterfertigung nicht neu.
• Beispielsweise ist es aus der amerikanischen Patentschrift 2 131 391 bekannt, aus einem Halbleitermaterial bestehende Lumineszenzdioden mit einer Xunstharzschicht auf eine Glasbasis zu kitten.
• Im Zusammenhang mit Halbleiterlasern, insbesondere für die Befestigung des Halbleiterkörpers auf einer Wärmesenke, wurdejedoch bisher aufgrund bestehender Vorurteile die Verwendung eines klebstoffs nie in Betracht gezogen.
• Da die meisten Klebstoffe eine um einen Faktor von 15 bis mehr als 300.schlechtere Wärmeleitfähigkeit haben als Metalle, hielt man diese Wstoffe für den genannten Zweck für völlig ungeeignet. Man befürchtete darüber hinaus, daß neben der um Größenordnung schlechteren Wärmeleitfähigkeit auch eine chemische Zersetzung des Klebstoffs infolge der hohen Stromdichten die Eignung dieses Werkstoffes in Frage stellen könnte.
• Entgegen bestehender Vorurteile zeigt die erfindungsgemäße Befestigung eines Halbleiterkörpers auf einer Wärmesenke mittels eines$lebstoffs überraschende Vorteile.
• Die Klebstoffschicht zwischen Halbleiterkörper und Wärmesenke hat nicht nur eine ausreichend große Wärmeleitfähigkeit, um den Betrieb des Lasers überhaupt zu ermöglichen.
• Es stellte sich vielmehr heraus, daß die Lebensdauer eines Halbleiterlasers, bei dem der Halbleiterkörper erfindungsgemäß mittels einer Klebstoffschicht auf einer Wärmesenke befestigt war, wesentlich größer war als bei jenen Halbleiterlasern, bei denen bekannte Befestigungsarten zur Anwendung kamen.
• Dieses Ergebnis läßt sich folgendermaßen deuten, Neben einer für die genannte Anwendung durchaus hinreichenden Wärmeleitfähigkeit weist die Klebstoffschicht zwischen Ralbleiterkörper und Wärmesenke noch eine gewisse Elastizität auf.
• Mechanische Spannungen, zwischen Laserkristall und Wärmesenke die infolge wohl niemals ganz zu vermeidender Temperaturdifferenzen auftreten, werden durch die Elastizität der Elebstoffschicht s;usgeglichen und führen nicht zur Zerstörung des Halbleiterkörpers.
• Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird zusätzlich durch die Zeichnung erläutert.
• In der Figur ist schematisch ein Halbleiterlaser dargestellt, der aus einem Halbleiterkörper 1 und einer Wärme senke 3 besteht.
• Der Halbleiterkörper 1 kann dabei eine einfache Diode oder eine komplizierter aufgebaute Heterosturkturdiode sein. Als Wärme senke 3 eignet sich ein Kupferblock. Der Halbleiterkörper 1, der nur wenige Mikrometer über der Wärme senke 3 das optisch aktive Gebiet 8 enthält, ist mittels einer Elebstoffschicht 2 auf der Wärmesenke 3 befestigt. Die Dicke dieser Xlebstoffschicht 2 ist der Deutlichkeit halber in der Figur übertrieben dargestellt. Sie sollte so dünn wie möglich sein. In der Praxis erreicht man Werte unter etwa 0,5 Mikrometer.
• Als besonders geeignet für den genannten Zweck hat sich der Einkomponentenkleber H 31 der Firma Epo-tek erwiesen. Es ist damit nicht ausgeschlossen, daß nicht auch andere Elebstoffarten geeignet sind. Mit dem genannten Klebstoff wurde bei einem Ausführungsbeispiel eines Halbleiterlasers bei einer Wärmedurchgangsfläche von 5 x 10~5com2 zwischen optisch aktivem Gebiet 8 und dem Innern der Wärme senke 3 ein Wärmewiderstand von etwa 350 O/W erreicht.
• In der Figur sind weiterhin Elektroden 4,5 und Zuleitungen 6,7, zur- Stromzufuhr- abgebildet.

Claims (1)

1. Patentansprüche

   Einrichtung zur Umwandlung von elektrischem Strom in Strahlungsenergie, insbesondere Halbleiterlaser, der aus einem halbleiterkörper und einer Wärmesenke besteht, dadurch gekennzeichnet, daß der Ralbleiterkörper (1) mittels einer Xlebstoffschicht (2) auf einer Wärmesenke (3) befestigt ist 2. Einrichtung nach Anspruch 1; dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Klebstoffschicht (2) kleiner als 2/um ist.