JP2012527754A - パルス制御される高出力レーザダイオード用のヒートシンク - Google Patents

Abstract

本願発明は、基板（１１０）と、該基板（１１０）上に配置されている少なくとも一つの半導体レーザ（１２０）とを備えている半導体レーザモジュール（１００）に関する。基板（１１０）は層構造を有しており、該層構造は、半導体レーザ（１２０）との熱的な接触を実現する少なくとも一つの第１の一次層（１１１）から形成されている。半導体レーザ（１２０）が、約３ｍＪ／ｍｍ²の最小比熱量、有利には約５ｍＪ／ｍｍ²の最小比熱量を有し、且つ、約１００μｓから約２０００μｓまでのパルス持続時間を有する熱パルスを放出するよう構成されている。一次層（１１１）が約２００μｍから約２０００μｍの間、有利には約４００μｍから約２０００μｍの間の層厚（ｄ１）を有している。

Description

本願発明は、基板と、この基板上に配置されている少なくとも一つの半導体レーザとを備えている半導体レーザモジュールに関する。基板は層構造を有しており、この層構造は、半導体レーザとの熱的な接触を実現する少なくとも一つの第１の一次層から形成されている。

本願発明は、さらにこの種の半導体レーザモジュールの製造方法に関する。

発明の概要
本願発明の課題は、廉価な構造であってもパルス動作時の半導体レーザの効率的な冷却が実現されるように、冒頭で述べたような半導体レーザ及び半導体レーザの製造方法を改善することである。

本願発明によればこの課題は、冒頭で述べたような半導体レーザモジュールにおいて、以下のようにして解決される。即ち、半導体レーザが、１平方ミリメートル（ｍｍ²）当り約３ミリジュール（ｍＪ）の最小比熱量、有利には約５ｍＪ／ｍｍ²の最小比熱量を有し、且つ、約１００マイクロ秒（μｓ）から約２０００μｓまでのパルス持続時間を有する熱パルスを放出するよう構成されており、且つ、一次層が約２００マイクロメートル（μｍ）から約２０００μｍの間の層厚、有利には約４００μｍから約２０００μｍの間の層厚を有していることによって解決される。

本出願人による研究の結果、半導体レーザと、半導体レーザの冷却のために設けられている一次層とを上記のように調整した場合、半導体レーザをパルス動作させている間に自由になる熱エネルギを最適に排出できることが分かった。特に、本願発明に従い選択された一次層の層厚に基づき、半導体レーザから放出される熱パルスの少なくとも大部分を一次層によって収容することができるので、パルス動作時の半導体レーザの効率的で、それと同時に廉価な冷却を実現できることが保証されている。特に、本願発明による原理は従来のシステムとは異なり、一次層に対して実質的に２ｍｍを上回る層厚は必要とされないので、本願発明に係る半導体レーザを廉価に製造することができる。

本願発明に係る半導体レーザモジュールの有利な実施の形態においては、熱パルスのパルス周波数が約４００ヘルツ（Ｈｚ）、有利には約１００Ｈｚよりも低いので、パルス休止期間中に、一次層内に「一時的に蓄積された」熱を冷却体に排出することができる。従って一次層が有利に冷却されるので、その後一次層は、半導体レーザによって形成された熱パルスを迅速に蓄積する準備ができている。

前述の大きさのパルス持続時間及びパルス休止期間は、特に、別のレーザシステム、例えばレーザ点火パルスを形成するために内燃機関のレーザ点火プラグにおいて使用される受動Ｑスイッチ型のレーザシステムを光学的にポンピングするための半導体レーザを使用する場合に生じる。従って本願発明に係る半導体レーザモジュールは、特に有利には、内燃機関のレーザベースの点火システム用のポンプ光源、とりわけ自動車、さらには据置き型の大型ガスエンジンのレーザベースの点火システム用のポンプ光源として適している。

本願発明に係る有利な実施の形態によれば、半導体レーザと熱的に接触している、特に、半導体レーザの第１の一次層側とは反対側にある表面と接触している第２の一次層が設けられている場合、半導体レーザによって形成される熱パルスの排出がさらに改善されている。

別の有利な実施の形態によれば、半導体レーザの動作中の熱化学的な応力を低減するために、基板の一次層及びこの一次層と結合されている二次層は、半導体レーザと対向している表面の領域におけるそれら二つの層の合成熱膨張係数が、半導体レーザの熱膨張係数とほぼ一致するように構成されており、特に、相互に調整されている。特に有利には、該当する熱膨張係数の相互の偏差は最大で約２０パーセント、有利には約１０パーセントである。

特に有利には、一次層が銅及び／又は金及び／又は銀及び／又は同等の熱容量及び同等の熱伝率を有する別の材料を含有している。有利には、半導体レーザと対向している表面における効果的なマイクロ構造化を実現するために、一次層の形成には延性の材料が使用される。これは、複数の構成要素を接合する際に改善された形状結合部を実現し、従って僅かな熱抵抗も実現する可塑的に変形可能なマイクロ構造化部を表面上に形成することを目的としている。

本願発明の課題の別の解決手段として、特許請求の範囲における請求項７に係る方法が挙げられる。半導体レーザとの熱的な接触を実現する少なくとも一つの第１の一次層から形成されている層構造を有する基板と、この基板上に配置されている少なくとも一つの半導体レーザとを備えている半導体レーザモジュールの本願発明に係る製造方法は、以下のステップを有することを特徴としている。即ち、
約２００μｍから約２０００μｍ、有利には約４００μｍから約２０００μｍの層厚を有している一次層を製造するステップと、
半導体レーザを一次層に結合させるステップと、
を有することを特徴としている。

半導体レーザのエピタキシ側の一次層との可能な限り熱抵抗の少ない形状結合的な移行部を保証するために、本願発明に係る方法の別の変形の形態では、半導体レーザを一次層に結合させるステップを、
約４０μｍ、有利には約１０μｍよりも薄いはんだ層厚での硬質はんだ付け又は軟質はんだ付け、
液体金属層、特にガリウムインジウム錫の共融混合物を使用する構成要素１１１，１１１’，１２０の合金化、
摩擦圧接、
超音波を用いるボンディング、
熱ボンディング、
挟み付け、とりわけ、構成要素間への液体金属層、特にガリウムインジウム錫の共融混合物の挿入による挟み付け、
によって実施することが提案されている。

本願発明に係る方法の別の有利な実施の形態においては、結合のステップを実施する前に、結合すべき二つの構成要素の少なくとも一つの表面においてマイクロ構造化が実施され、これにより、規則的及び／又は統計的に分布している、有利には可塑的に変形可能なマイクロ構造化部が表面上に形成される。これによって有利には、半導体レーザを一次層に結合する際に、可塑的に変形可能なマイクロ構造化部が可塑的に変形され、それによって関連する表面の不均一性を補償できるので、接合すべき表面の形状結合に関する公差も補償することができる。したがって、半導体レーザと一次層との間の最適な形状結合部、したがって結合部のより低い熱抵抗が得られる。

半導体レーザと一次層との間のさらに改善された結合部は、本願発明によれば、相互に結合すべき表面が金層又は金ニッケル層によってコーティングされることによって得られる。一次層若しくは半導体レーザ自体のマイクロ構造化の代わりに、それらの表面をマイクロ構造化可能な適切な材料、例えば金層で覆うこともでき、また本願発明に係るマイクロ構造化部は、例えばパルス制御された電流を用いた電子的な除去によって、金層に形成される。

本願発明の更なる特徴、実施の形態及び利点は、図面に示されている、本願発明の実施例の以下の説明から明らかになる。ここで説明する全ての特徴は、それらが特許請求の範囲、実施例の説明及び図面のいずれに記載されているかに関わらず、単独でも又は任意に組み合わせても、本発明の対象となりうる。

半導体レーザのパルス動作のアクティブフェーズにおける、本願発明に係る半導体レーザモジュールの第１の実施の形態を示す。 半導体レーザが不活性である状態における、図１Ａによる半導体レーザモジュールを示す。 第１の動作状態における、本願発明に係る半導体レーザモジュールの別の実施の形態を示す。 第２の動作状態における、本願発明に係る半導体レーザモジュールの別の実施の形態を示す。 第１の動作状態における、本願発明に係る半導体レーザモジュールの別の実施の形態を示す。 第２の動作状態における、本願発明に係る半導体レーザモジュールの別の実施の形態を示す。 本願発明に係る半導体レーザモジュールの更に別の実施の形態を示す。 半導体レーザをこの半導体レーザを支持する一次層に結合する前の、本願発明に係る半導体レーザモジュールの実施の形態の概略的な側面図を示す。 本願発明に係る方法の実施の形態の簡略化されたフローチャートを示す。

図１Ａは、第１の動作状態における、本願発明に係る半導体レーザモジュール１００の第１の実施の形態の概略的な側面図を示す。半導体レーザモジュール１００は半導体レーザ１２０を有し、この半導体レーザ１２０は基板１１０と結合されている。半導体レーザ１２０は、第１の動作状態において、有利にはパルス動作モードにおいてレーザビーム２００を生成する。このレーザビーム２００を、特に別のレーザシステム（図示せず）を光学的にポンピングするために使用することができる。

基板１１０は、半導体レーザ１２０を機械的に保持する他にも、主として半導体レーザ１２０の温度調整、特に半導体レーザの冷却に使用される。

このために基板１１０は、半導体レーザ１２０を支持する一次層１１１を有しており、この一次層１１１は半導体レーザと良好に熱的に接触している。一次層１１１の半導体レーザ１２０側とは反対側の表面は二次層１２０と結合されている。二次層１１２自体はヒートシンク１１３の上に配置されている。ヒートシンク１１３は例えば冷却体及び／又はペルティエ素子及び／又は熱パイプとして構成されている。

一次層１１１は有利には銀及び／又は金及び／又は銅から形成されており、他方、二次層１１２は有利にはセラミック材料、例えば窒化アルミニウムＡｌＮから形成されているか、又は、銅とダイヤモンドから成る材料系も包含する。

半導体レーザ１２０はパルス動作における用途について最適化されており、特に、別のレーザ装置（図示せず）を光学的にポンピングするために必要とされるようなパルス動作について最適化されている。例えば、半導体レーザ１２０はポンピング光パルス２００を放出することができ、それらのポンピング光パルス２００によって、受動Ｑスイッチ型を備えたレーザ装置が光学的にポンピングされる。有利には、その種のシステムは、内燃機関、例えば自動車の内燃機関のレーザベースの点火システムにおける使用に適している。

本願発明によれば、半導体レーザ１２０が、約３ｍＪ／ｍｍ²、有利には約５ｍＪ／ｍｍ²の最小比熱量を有し、且つ、約１００μｓから約２０００μｓのパルス持続時間を有する熱パルスを放出するように半導体レーザ１２０は構成されている。

本願発明によれば、一次層１１１の厚さｄ１は約２００μｍから約２０００μｍまでの厚さ、有利には約４００μｍと約２０００μｍとの間の厚さに選定されている。

本出願人による研究の結果、上記の本願発明による構成においては、半導体レーザ１２０のパルス動作中にこの半導体レーザ１２０によって形成された熱パルスの熱エネルギが一次層１１１に最適に排出されることが分かった（図１ａにおいて詳細には示していない矢印を参照されたい）。特に、層厚ｄ１を本願発明に従い選定した場合には、有利には、一次層１１１が半導体レーザ１２０から放出された全ての熱パルスの熱エネルギを、この熱エネルギが図１ａにおいては下方に配置されている二次層１１２に到達する前に吸収できることが保証されている。即ち、本願発明による一次層１１１はいわば、半導体レーザ１２０から排出すべき熱パルスの熱エネルギのための局所的な一時蓄積部として機能する。

約４００Ｈｚ、有利には約１００Ｈｚよりも熱パルスの好適なパルス周波数から生じる比較的長いパルス休止期間では、熱を一次層１１１から二次層１１２を介してヒートシンク１１３に排出できることが保証されている。この動作状態は図１ｂに示されている（パルス休止期間中の一次層１１１から冷却体１１３への熱搬送を示唆している、詳細には示していない矢印を参照されたい）。

本願発明による原理は、半導体レーザ１２０によって形成された熱パルスを一次層１１１に一時的に蓄積し、それに伴い、パルス休止期間中には二次層１１２を介するヒートシンク１１３への熱排出１１１も続けて行なうものであるので、通常は連続波（ＣＷ）の用途のために設計されている従来の半導体レーザモジュールと比較すると、本願発明に係る半導体レーザモジュール１００は非常に廉価な構成を有するものである。

このことは、本願発明に係る半導体レーザモジュール１００を比較的高いパルス出力でもって動作させることができ、それと同時に、従来のシステムから既知であるような基板１１０の相応の構成を用いた非常に繁雑な冷却を必要としないことを意味している。

これによって、本願発明に係る半導体レーザモジュール１００を経済的に製造することができる。特に、二次層１１２を介する熱伝導のために比較的長いパルス休止期間が使用されるので、二次層１１２の材料には一次層１１１の材料よりも低い熱伝導率を有するものを選択することができる。

図２Ａ及び図２Ｂには、本願発明に係る半導体レーザモジュールの別の実施の形態１００ａが示されている。半導体レーザモジュール１００ａは二つの一次層１１１，１１１’を有しており、これによって、図１Ａ及び図１Ｂに係る実施の形態に比べて高まった、一次層１１１，１１１’の蓄熱能力が実現されている。本願発明に係るこの実施の変形の形態は、より大きいパルス出力での半導体レーザ１２０の動作を実現する。

図２Ａは、レーザパルス２００を放射する活性半導体レーザ１２０を備えた半導体レーザモジュール１００ａの第１の動作状態を示している。この第１の動作状態において生じる熱パルスは、半導体レーザ１２０から一次層１１１，１１１’へと延びている矢印によって示唆されている。

図２Ｂは、パルス休止期間に相当する、本願発明に係る半導体レーザモジュール１００ａの別の動作状態を示しており、この別の動作状態では半導体レーザ１２０が不活性であり、事前に（図２Ａを参照されたい）一次層１１１，１１１’に蓄積された熱は半導体レーザ１２０、二次層１１２及びヒートシンク１１３を介して排出される。

図３Ａ及び図３Ｂは、本願発明に係る半導体レーザモジュールの別の実施の形態を示しており、この実施の形態においては、半導体レーザ１２０の両側に、一次層１１１，１１１’と、それに対応付けられた二次層１１２，１１２’とが組み合わされた基板層が設けられている。

この実施の形態では、ヒートシンク１１３が、図３Ａにおいては左側に位置する、基板層１１１，１１２，１１１’，１１２’の端面に配置されている。

ここでもまた図３Ａは、半導体レーザ１２０によって形成された熱パルスが一次層１１１，１１１’に蓄積される動作状態を示しており、他方、図３Ｂは、事前に蓄積された熱パルスが一次層１１１，１１１’から二次層１１２，１１２’を介してヒートシンク１１３へと排出される動作状態を示している。

図４は、本願発明に係る半導体レーザモジュール１００の特に有利な実施の形態を示しており、この実施の形態では、一次層１１１及び二次層１１２がＤＢＣ（ダイレクトボンディング銅：direct bonded copper）の構成要素であり、一次層１１１は銅から形成されており、且つ、約４００μｍの層厚を有しており、二次層１１２は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）から形成されており、且つ、約６３０μｍの層厚を有している。

半導体レーザ１２０を支持する基板の最適な適合を達成するために、層構造１１１，１１２には別の層１１４が対応付けられているので、二次層１１２について、層の材料の熱膨張係数に関して材料の対称的な構成１１１，１１２，１１４が生じている。半導体レーザ１２０との接触面の領域における、層構造１１１，１１２，１１４から生じる熱膨張係数は、有利には、半導体レーザ１２０の熱膨張係数に適合されており、加熱時に生じる熱化学的な応力に起因する半導体レーザ１２０の損傷が回避される。

図４に示されている、ＤＢＣ基板を備えた基板の変形の形態の代わりにＤＣ４０基板も使用することができる。このＤＣ４０基板は、銅層１１１とＤＣ４０（銅ダイヤモンド）層１１２と銅層１１４とから形成されている層構造１１１，１１２，１１４を有している。

ＤＣ４０基板は、ＤＢＣ基板の変形の形態とは異なり、ＤＣ４０材料を含有している二次層１１２がその比較的高い熱伝導率に基づき、窒化アルミニウムを含有している層よりも良好な熱拡散を実現するという利点を有している。銅層１１１，１１４を有利にはＤＣ４０材料１１２上に、例えば熱圧縮ボンディングによってボンディングすることができるか、銅層１１１，１１４をＤＣ４０材料１１２上にはんだ付けすることができる。ＤＣ４０層１１２は例えば約４００μｍの層厚を有することができる。

図５は、半導体レーザ１２０をこの半導体レーザ１２０を支持する一次層１１１に結合する前の、本願発明に係る半導体レーザモジュールの概略的な側面を示している。

図５から見て取れるように、一次層１１１の半導体レーザ１２０に対向する表面１１１ａはマイクロ構造化部１１１ｂを有している。マイクロ構造化部１１１ｂは、溝及び／又は小突起部及び／又は海綿状構造の形態である、規則的又は統計的に分布しているマイクロ構造化部から形成されている。マイクロ構造化部１１１ｂは有利には可塑的に変形可能なマイクロ構造化部を含んでおり、そのような変形可能なマイクロ構造化部は半導体レーザ１２０を一次層１１１に結合する際に可塑的に変形され、またこの変形は一次層１１１の接触表面と半導体レーザ１２０の接触表面との間の最適化された形状結合部を保証するので、これによって有利には、その結合部の熱抵抗も低減されている。

本願発明に係る有利な変形の形態では、マイクロ構造化部１１１ｂが、表面１１１ａに垂直な方向において約５μｍから約１００μｍの範囲の最大寸法を有している小突起部のような構成要素を有している。小突起部の直径は有利には１０μｍよりも小さく、特に約２μｍよりも小さく、また、隣接する小突起部との平均距離ｄは約４μｍよりも小さく、有利には約０．５μｍよりも小さくあることが望ましい。

図６は、本願発明に係る方法の実施の形態の簡略化されたフローチャートを示している。第１のステップ３００においては、約２００μｍから約２０００μｍまでの層厚ｄ１、有利には約４００μｍから約２０００μｍまでの層厚ｄ１（図１Ａを参照されたい）を有している、本願発明に係る一次層１１１が製造される。

後続のステップ３０５においては、上記において図５を参照しながら既に説明したマイクロ構造化部１１１ｂが、結合対１１１，１２０の表面１１１ａの内の少なくとも一つの表面に形成される。

続いて、半導体レーザ１２０と一次層１１１とが相互に結合される。この結合はステップ３１０において行われ、例えば構成要素１１１，１２０のクランプによって実現することができる。この際に、可塑的に変形可能なマイクロ構造化部１１１ｂを変形させるために十分に高い圧力が加えられるので、結合対１１１，１２０の表面に場合によっては存在している欠陥が補償される。

殊に有利には、ステップ３１０における半導体レーザ１２０と一次層１１１，１１１’の結合を以下の方式によっても実施することもできる：
約４０μｍ、有利には約１０μｍよりも薄いはんだ層厚での硬質はんだ付け又は軟質はんだ付け、
液体金属層、特にガリウムインジウム錫の共融混合物を使用する構成要素１１１，１１１’，１２０の合金化、
摩擦圧接、
超音波を用いるボンディング、
熱ボンディング、
挟み付け、とりわけ、構成要素１１１，１１１’，１２０間への液体金属層、特にガリウムインジウム錫の共融混合物の挿入による挟み付け。

構成要素１１１，１１１’，１２０の合金化は、有利には約１５０℃以下の温度で行われる。

一次層１１１の表面１１１ａ（図５を参照されたい）が金層又は金ニッケル層などによってコーティングされる場合には、半導体レーザ１２０と一次層１１１との間の結合が更に改善される。

一次層１１１の表面１１１ａ（図５を参照されたい）の上述のマイクロ構造化部３０５の他に、可能な限り僅かな表面粗さを目的とした、例えばダイヤモンドフライス加工などによる従来の表面処理も行うことができる。表面を結合するため、また、それぞれの熱抵抗を低減するための上述の本願発明による措置は、相互に重なる層１１１，１１２，１１３にも適用することができ、また、相互に組み合わせることもできる。

Claims (12)

1. 基板（１１０）と、該基板（１１０）上に配置されている少なくとも一つの半導体レーザ（１２０）とを備えている半導体レーザモジュール（１００）であって、
   前記基板（１１０）は層構造を有しており、該層構造は、前記半導体レーザ（１２０）との熱的な接触を実現する少なくとも一つの第１の一次層（１１１）から形成されている、半導体レーザモジュール（１００）において、
   半導体レーザ（１２０）が、約３ｍＪ／ｍｍ²の最小比熱量、有利には約５ｍＪ／ｍｍ²の最小比熱量を有し、且つ、約１００μｓから約２０００μｓまでのパルス持続時間を有する熱パルスを放出するよう構成されており、
   前記一次層（１１１）が約２００μｍから約２０００μｍの間、有利には約４００μｍから約２０００μｍの間の層厚（ｄ１）を有していることを特徴とする、半導体レーザモジュール（１００）。
2. 前記熱パルスのパルス周波数は約４００Ｈｚ、有利には約１００Ｈｚよりも低い、請求項１に記載の半導体レーザモジュール。
3. 前記半導体レーザ（１２０）、特に、前記半導体レーザ（１２０）の第１の一次層（１１１）側とは反対側の表面と熱的に接触している第２の一次層（１１１’）が設けられている、請求項１又は２に記載の半導体レーザモジュール（１００）。
4. 二次層（１１２，１１２’）が、前記一次層（１１１，１１１’）の前記半導体レーザ（１２０）側とは反対側の表面上に配置されており、且つ、前記一次層（１１１，１１１’）と熱的に結合されている、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体レーザモジュール（１００）。
5. 前記一次層（１１１，１１１’）及び前記二次層（１１２，１１２’）は、前記半導体レーザ（１２０）と対向している表面の領域におけるそれら２つの層（１１１，１１１’；１１２，１１２’）の合成熱膨張係数が、前記半導体レーザ（１２０）の熱膨張係数とほぼ一致するように構成されている、請求項４に記載の半導体レーザモジュール（１００）
6. 前記一次層（１１１，１１１’）は銅及び／又は金及び／又は銀を含有している、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の半導体レーザモジュール（１００）。
7. 基板（１１０）と、該基板（１１０）上に配置されている少なくとも一つの半導体レーザ（１２０）とを備えており、且つ、前記基板（１１０）は前記半導体レーザ（１２０）との熱的な接触を実現する少なくとも一つの第１の一次層（１１１）から形成されている層構造を有している、半導体レーザモジュール（１００）の製造方法において、
   約２００μｍから約２０００μｍ、有利には約４００μｍから約２０００μｍの層厚（ｄ１）を有している一次層を製造するステップ（３００）と、
   前記半導体レーザ（１２０）を前記一次層（１００）に結合させるステップと、
   を有することを特徴とする、半導体レーザモジュール（１００）の製造方法。
8. 前記半導体レーザ（１２０）と前記一次層（１１１，１１１’）に結合させる前記ステップ（３１０）を、
   約４０μｍ、有利には約１０μｍよりも薄いはんだ層厚での硬質はんだ付け又は軟質はんだ付け、
   液体金属層、特にガリウムインジウム錫の共融混合物を使用する構成要素（１１１，１１１’，１２０）の合金化、
   摩擦圧接、
   超音波を用いるボンディング、
   熱ボンディング、
   挟み付け、とりわけ、構成要素（１１１，１１１’，１２０）の間への液体金属層、特にガリウムインジウム錫の共融混合物の挿入による挟み付け、
   によって実施する、請求項７に記載の方法。
9. 前記結合のステップ（３１０）を実施する前に、二つの構成要素（１１１，１１１’，１２０）の少なくとも一つの表面においてマイクロ構造化（３０５）を実施し、
   規則的及び／又は統計的に分布している、有利には可塑的に変形可能なマイクロ構造化部（１１１ｂ）を前記表面（１１１ａ）上に形成する、請求項７又は８に記載の方法。
10. 前記マイクロ構造化部（１１１ｂ）は、前記表面（１１１ａ）に垂直な方向において約５μｍから約１００μｍの範囲にある最大拡張部を有している、溝および／または小突起部および／または海綿状構造を有している、請求項９に記載の方法。
11. 前記結合のステップ（３１０）において、前記マイクロ構造化部（１１１ｂ）が可塑的に変形されるように、結合すべき前記構成要素（１１１，１１１’，１２０）を相互に押し付ける、請求項９又は１０に記載の方法。
12. 相互に結合すべき前記表面（１１１ａ）を金層又は金ニッケル層によってコーティングする、請求項９乃至１１のいずれか１項に記載の方法。

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