(57)【要約】【課題】ピーク波長を簡単に安定させることができるビーム放射型の半導体素子を備えた装置を提供する。ビーム放射型の半導体素子を安定させる簡単な方法を提供する。【解決手段】半導体素子には半導体素子を加熱する少なくとも１つの電気的な加熱素子が配属されている。半導体素子には電気的な加熱素子が配属されており、半導体素子の動作温度が所定の目標値を下回る場合には、半導体素子を加熱素子を用いて加熱する。【選択図】図１Ａ
2005244242.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つのビーム放射型の半導体素子（１）を備えた装置において、
前記半導体素子（１）には該半導体素子（１）を加熱する少なくとも１つの電気的な加熱素子（２）が配属されていることを特徴とする、少なくとも１つのビーム放射型の半導体素子（１）を備えた装置。
【請求項２】
前記半導体素子（１）は、該半導体素子（１）が動作する周囲温度範囲を上回り、ゆらぎ範囲内で変化するピーク波長のビーム（１２）を形成するために構成されている、請求項１記載の装置。
【請求項３】
前記ピーク波長のゆらぎ範囲の幅は前記加熱素子（２）を用いる前記半導体素子（１）の加熱により、加熱されていない半導体素子（１）の第１の幅から加熱されている半導体素子（１）の第２の幅に低減され、ここで前記第２の幅は前記第１の幅より小さい、請求項２記載の装置。
【請求項４】
前記半導体素子（１）には該半導体素子（１）から放射されるビーム（１２）を検出する検出素子（１３）が配属されており、該検出素子（１３）は所定の検出範囲内の波長を有するビームを検出し、加熱されていない半導体素子（１）のピーク波長のゆらぎ範囲は前記検出範囲外の波長を有し、前記検出範囲は加熱されている半導体素子（１）のピーク波長のゆらぎ範囲をカバーする、請求項２または３記載の装置。
【請求項５】
前記半導体素子（１）には該半導体素子（１）の動作温度を監視する温度センサ（３）が配属されている、請求項１から４までのいずれか１項記載の装置。
【請求項６】
前記加熱素子（２）の動作は前記温度センサ（３）を用いて制御可能である、請求項５記載の装置。
【請求項７】
前記温度センサ（３）はＮＴＣ素子である、請求項５または６記載の装置。
【請求項８】
前記半導体素子（１）は半導体レーザ素子として実施されている、請求項１から７までのいずれか１項記載の装置。
【請求項９】
前記半導体素子（１）はパルジング動作する、請求項８記載の装置。
【請求項１０】
前記半導体素子（１）は担体（４）上に配置されている、請求項１から９までのいずれか１項記載の装置。
【請求項１１】
前記担体（４）は回路基板である、請求項１０記載の装置。
【請求項１２】
前記加熱素子（２）は前記担体（４）上に配置されている、請求項１０または１１記載の装置。
【請求項１３】
前記加熱素子（２）は表面実装可能である、請求項１から１２までのいずれか１項記載の装置。
【請求項１４】
前記加熱素子（２）は加熱抵抗として実施されている、請求項１から１３までのいずれか１項記載の装置。
【請求項１５】
前記加熱素子（２）は前記担体（４）内に集積されている、請求項１０から１４までのいずれか１項記載の装置。
【請求項１６】
前記担体（４）は多層構造（４１，４２，４３）を有し、前記加熱素子（２）は加熱抵抗層（４３）として該多層構造（４１，４２，４３）内に集積されている、請求項１５記載の装置。
【請求項１７】
前記加熱素子（２）は電気的に前記半導体素子（１）から絶縁されている、請求項１から１６までのいずれか１項記載の装置。
【請求項１８】
前記半導体素子（１）は前記加熱素子（２）上に配置されている、請求項１から１７までのいずれか１項記載の装置。
【請求項１９】
前記担体（４）と前記半導体素子（１）との間には中間担体（６）が配置されている、請求項１０から１８までのいずれか１項記載の装置。
【請求項２０】
前記中間担体（６）は加熱素子（２）として構成されているか、加熱素子（２）を包含する、請求項１９記載の装置。
【請求項２１】
前記加熱素子（２）は加熱抵抗領域（２０）である、請求項１９または２０記載の装置。
【請求項２２】
前記加熱抵抗領域（２０）は注入法を用いて前記中間担体（６）内に構成されている、請求項２１記載の装置。
【請求項２３】
前記中間担体（６）は半導体材料を包含する、請求項１９から２２までのいずれか１項記載の装置。
【請求項２４】
前記半導体素子（１）は、０℃より低い且つ高い温度を含む周囲温度範囲において動作する、請求項１から２３までのいずれか１項記載の装置。
【請求項２５】
前記半導体素子（１）の動作温度は０℃より高い範囲の温度である、請求項２４記載の装置。
【請求項２６】
ビーム放射型の半導体素子（１）の動作温度を安定させる方法において、
前記半導体素子（１）には電気的な加熱素子（２）が配属されており、前記半導体素子（１）の動作温度が所定の目標値を下回る場合には、該半導体素子（１）を前記加熱素子（２）を用いて加熱することを特徴とする、ビーム放射型の半導体素子（１）の動作温度を安定させる方法。
【請求項２７】
前記半導体素子の動作温度が所定の目標値を上回る場合には、前記加熱素子の加熱出力を低減する、または前記加熱素子を遮断する、請求項２６記載の方法。
【請求項２８】
前記半導体素子（１）は、該半導体素子（１）が動作する周囲温度範囲を上回り、ゆらぎ範囲内で変化するピーク波長のビーム（１２）を形成するために構成されている、請求項２６または２７記載の方法。
【請求項２９】
前記ピーク波長のゆらぎ範囲の幅を前記加熱素子（２）を用いる前記半導体素子（１）の加熱により、加熱されていない半導体素子（１）の第１の幅から加熱されている半導体素子（１）の第２の幅に低減する、ここで前記第２の幅は前記第１の幅より小さい、請求項２８記載の方法。
【請求項３０】
前記半導体素子（１）の動作温度を該半導体素子（１）に配属されている温度センサ（４）を用いて監視する、請求項２６から２９までのいずれか１項記載の方法。
【請求項３１】
前記加熱素子（２）の動作を温度センサ（４）を用いて制御する、請求項３０記載の方法。
【請求項３２】
請求項１から２５までのいずれか１項記載の装置が前記半導体素子を包含する、請求項２６から３１までのいずれか１項記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも１つのビーム放射型の半導体素子を備えた装置およびビーム放射型の半導体素子の動作温度を安定させる方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の装置のレーザダイオードから放射されるビームのピーク波長は公知のように、半導体素子の周囲温度に依存する半導体素子の動作温度の影響を受ける。したがって周囲温度の変化は半導体素子のピーク波長を変動させる可能性がある。しかしながらこのようなピーク波長の変動は頻繁に不所望なものである。したがってレーザダイオード素子のピーク波長はときおり付加的な措置によって安定化される。例えばエッジ放射型のレーザダイオードでは、スペクトルフィルタ、例えばＤＦＢ（Distributed Feedback）レーザまたはＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）レーザのようなブラッグ格子を波長の安定化のために素子内に集積することができる。しかしながらこの種のレーザの大部分は光学的な出力が比較的弱いものにしか適していない。例えば放射方向が垂直である外部共振器（例えばＶＥＣＳＥＬ：Vertical External Cavity Surface Emitting Laser、垂直外部キャビティ面発光型レーザ）を備えた半導体レーザ素子では、波長を安定させるためにフィルタ素子としての回折格子またはブラッグファイバを共振器内に配置することができる。これによって共振器内部の損失を所期のように素子のピーク波長が比較的安定するように高めることができる。さらには、波長を安定させるためにレーザダイオードを相応にペルチエ素子または冷却水によって冷却することができる。
【０００３】
しかしながら波長を安定させるための前述の措置は比較的煩雑であるおよび／またはコストがかかる。スペクトルフィルタなどは製造時にレーザダイオード構造体に集積しなければならず、回折格子またはブラッグファイバは共振器内に配置して調整しなければならない。さらには、ペルチエ素子は比較的高価であり、また通常の場合比較的多くのスペースを必要とする冷却水循環系はコストがかかる上に、実現するには比較的煩雑なものである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の課題は、ピーク波長を簡単に安定させることができるビーム放射型の半導体素子を備えた装置を提供することである。さらにはこの装置は廉価に実現でき、広範な周囲温度範囲にわたって確実に安定化されたピーク波長でもって使用できるべきである。さらに本発明の課題は、ビーム放射型の半導体素子を安定させる簡単な方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この課題は、方法に関しては、半導体素子には半導体素子を加熱する少なくとも１つの電気的な加熱素子が配属されていることによって解決される。装置に関しては、半導体素子には電気的な加熱素子が配属されており、半導体素子の動作温度が所定の目標値を下回る場合には、半導体素子を加熱素子を用いて加熱することによって解決される。
【０００６】
有利な実施形態は従属請求項の対象である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明による装置は少なくとも１つのビーム放射型の半導体素子を包含し、半導体素子にはこの半導体素子を加熱する少なくとも１つの電気的な加熱素子が配属されている。
【０００８】
加熱素子を用いて半導体素子を加熱することによって、半導体素子が動作する所定の周囲温度範囲を超えたこの周囲温度範囲の変化に対する半導体素子の動作温度の変化を低減させることができる。半導体素子の動作温度を、温度が安定している半導体素子の動作温度範囲外にある温度を周囲温度範囲が有するように、所定の周囲温度範囲によって完全にカバーされる動作温度範囲に安定させることができる。つまり半導体素子の動作温度におけるゆらぎを低減することができ、これによって半導体素子によって生成されるビームのピーク波長の温度依存性に基づき、所定の周囲温度範囲を超える半導体素子の動作時のピーク波長のゆらぎが低減される。
【０００９】
半導体素子に集積されている製造に手間がかかるおよび／またはコストがかかるスペクトルフィルタまたは調整が煩雑な外部フィルタ素子も、コストのかかる冷却と同様に省略することができる。殊に、電気的な加熱素子を半導体素子の外部に配置されている外部加熱素子として実施することができる。さらに有利には電気的な加熱素子は、例えばこの加熱素子の装置への簡単な取り付けに基づき加熱制御を容易にする。
【００１０】
したがってこの種の装置のための半導体素子は有利には、廉価で標準的なプロセスで製造することができ、ピーク波長を同様に製造された半導体素子に対してそれぞれに配属されている加熱素子を介して別個に安定させることができる。
【００１１】
本明細書の範囲では周囲温度ないし周囲温度範囲の概念は部分的に、温度が安定していない、殊に加熱されていない半導体素子の動作温度ないし動作温度範囲の概念に代わって使用されることを言及しておく。温度が安定していない半導体素子の動作温度は動作時に発生する熱に基づき確かに通常は周囲温度とは異なるが、しかしながら決定的にこの周囲温度によって影響が及ぼされる可能性がある。いずれにせよ周囲温度は、例えば僅かな出力での動作に基づき半導体素子の動作時における熱放散を無視でき、且つ付加的な冷却措置が省略される場合には、温度が安定していない半導体素子の動作温度の下限を表す。これに対して本発明では、半導体素子の動作温度を周囲温度を上回って、すなわち動作温度の下限より高く、素子の電気的な加熱によって保持することができるので、周囲温度は動作温度の下限を表さない。
【００１２】
ビーム放射型の半導体素子、殊に装置の素子の動作温度を安定させるための本発明による方法においては、半導体素子に電気的な加熱素子が配属されており、この電気的な加熱素子を用いることにより、半導体素子の動作温度が所定の目標値を下回った際に半導体素子は加熱される。これによって半導体素子の動作温度は上述したように、動作温度範囲としての所定の周囲温度範囲に比べ狭められている動作温度範囲内に保持される。
【００１３】
有利な実施形態においては、半導体素子の動作温度が所定の目標値を上回った場合には、加熱素子の加熱出力が低減されるか、加熱素子が遮断される。つまり半導体素子の過剰な加熱および過熱された半導体素子の損傷の危険が低減される。
【００１４】
別の有利な実施形態においては、半導体素子はこの半導体素子が動作する所定の周囲温度範囲を上回り、ゆらぎ範囲内で変化するピーク波長のビームを生成するために構成されている。ゆらぎ範囲は必ずしも関連性がある必要は無く、むしろピーク波長の突然の変化も発生する可能性がある。
【００１５】
周囲温度によって決定的に影響が及ぼされる加熱されていない半導体素子のゆらぎ範囲に比べ、加熱された半導体素子のピーク波長のゆらぎ範囲を狭めることができる。
【００１６】
殊に、ピーク波長のゆらぎ範囲の幅が、加熱素子による半導体素子の加熱を介して、加熱されていない半導体素子の第１の幅から加熱された半導体素子の第２の幅に低減される。この場合第２の幅は第１の幅よりも小さい。第１の幅のゆらぎ範囲は第２の幅のゆらぎ範囲を完全にカバーする。第２の幅が第１の幅の６０％、有利には５５％またはそれ以下であるようにゆらぎ範囲を狭めることができる。
【００１７】
ここでは、半導体素子の動作温度範囲を超える最小ピーク波長と最大ピーク波長の差の絶対値を幅とみなす。加熱されていない半導体素子のゆらぎ区間の幅は少なくともおよそ最大ピーク波長と最小ピーク波長の差によって決定され、このピーク波長は全体の周囲温度範囲を超えた半導体素子の動作温度に関して半導体素子から放射されたビームを想定する。相応のことは温度が安定している加熱された半導体素子のゆらぎ区間の幅にも該当する。
【００１８】
したがって半導体素子のピーク波長のゆらぎを、総じて電気的な加熱素子による所期の温度安定化でもって有利には低減することができる。その結果半導体素子のピーク波長は安定化される。
【００１９】
有利には、半導体素子が０℃よりも低く且つ高い、殊に−４０℃〜８５℃の温度を含む周囲温度範囲において動作する。電気的な加熱により、半導体素子の動作温度は、殊に例外なく０℃よりも高い、殊に２０℃〜８５℃の範囲の温度にあることを達成できる。半導体素子の動作温度窓を加熱されていない半導体素子の例えば１２５Ｋの幅である第１の窓から、加熱された半導体素子の例えば６５ｋの幅である第２の窓に狭めることができる。このような温度は半導体素子を例えば車両分野の装置内のような屋外において適用する際に生じる可能性がある。
【００２０】
別の有利な実施形態においては、半導体素子にこの半導体素子の動作温度を監視するための有利には電気的な温度センサが配属されている。有利には、温度センサを用いることにより、例えば温度センサ内で形成された信号または温度センサにおいて求められた信号を使用して、電気的な加熱素子の動作を制御することができる。
【００２１】
負の温度係数を有するＮＴＣ（Negative Temperature Coefficient）素子、例えばＮＴＣサーミスタ（サーミスタ：温度に依存する抵抗）が温度センサとして殊に適している。
【００２２】
温度センサを介して有利には半導体素子の動作温度が求められる。動作温度が所定の目標値を下回る場合には、加熱素子を用いて半導体素子を加熱することができる。動作温度が目標値を上回ると、好適には加熱出力が低減されるか、加熱素子が遮断される。動作温度が既に目標値を上回っている場合には、加熱素子は有利には動作しない。この加熱制御は必要に応じて外部の評価素子を介して行うことができ、この評価素子は温度センサを用いて検出された半導体素子の動作温度を監視し、目標値と比較する。
【００２３】
別の有利な実施形態においては、半導体素子にこの半導体素子から放射されたビームを検出する検出素子が配属されており、この検出素子は所定の、有利には関連性のある検出範囲にある波長を有するビームを検出するために構成されている。このような検出素子は頻繁に送信器としての半導体素子および受信器としての検出器を備えたセンサ装置内に設けられている。この際、しばしば検出信号のノイズを惹起する不所望な周辺光の影響を回避するために検出範囲は有利には可能な限り狭いものである。
【００２４】
従来のこのような装置における検出範囲はしばしば、実質的に全体の周囲温度範囲を超える動作温度範囲を有する加熱されていない半導体素子のビームの検出を保証するために、検出範囲が周囲温度範囲を上回るピーク波長のゆらぎ範囲を包含するよう選択されている。これに対して本発明では、加熱されていない半導体素子のゆらぎ範囲が検出範囲外の波長を有し、且つ検出範囲は温度が安定している半導体素子のピーク波長のゆらぎ範囲を有利には完全にカバーするよう構成されている。したがって検出素子は温度が安定している半導体素子を備えた装置においては、温度が安定していない半導体素子を備えた装置に比べ狭帯域の検出範囲を有するよう実施することができ、検出信号への周辺光の影響を有利には低減することができる。ビーム検出器として殊にフォトダイオード、例えば有利にはＳｉベースのＰＩＮフォトダイオードまたはアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ：Avalanche Photodiode）が適しており、このフォトダイオードの検出範囲は相応のフィルタによって半導体素子ないし加熱された半導体素子のピーク波長のゆらぎ範囲に適合されている。
【００２５】
別の有利な実施形態においては、半導体素子が半導体レーザ素子、殊に高出力レーザ素子として実施されている。半導体レーザ素子の放射スペクトルが比較的狭帯域であることに基づき、半導体レーザ素子におけるピーク波長の温度依存性を殊に顕著に認識することができる。半導体レーザ素子を例えばエッジ放射型半導体素子としてまたはレーザダイオードビレット（barren）として構成することができる。レーザダイオードビレットは複数のレーザダイオード構造（レーザダイオードチャネル）を包含し、このレーザダイオード構造はモノリシックに集積されており、且つ共通の基板上に配置されている。さらには半導体素子は表面発光型半導体素子、殊に表面発光型半導体レーザ素子として実施することができる。例えば表面発光型半導体素子を内部共振器を備えた垂直放射型半導体レーザ素子（ＶＣＳＥＬ：Vertical Surface Emitting Laser）として、または外部共振器を備えた垂直放射型半導体レーザ素子（ＶＥＣＳＥＬ）として構成することができる。有利には半導体レーザ素子は、素子に配属されている検出素子を備えたセンサ装置においてパルジング動作する。
【００２６】
別の有利な実施形態においては、半導体素子は担体、例えば回路基板上に配置されている。有利には加熱素子も同様に担体上に配置されている。これによって、殊に加熱素子と半導体素子の比較的近接した配置を介して半導体素子の効果的な加熱が容易になる。さらには加熱素子および／または必要に応じて温度センサが有利には表面実装可能（ＳＭＤ：Surface Mountable Device）に構成されており、これによって加熱素子の担体上への取り付けおよび装置のコンパクトな構成が容易になる。
【００２７】
別の有利な実施形態においては、加熱素子が加熱抵抗として実施されている。加熱抵抗に電圧を印加することによって、加熱素子を流れる電流を介して相応の熱が発生し、半導体素子が加熱される。
【００２８】
別の有利な実施形態においては、加熱素子が半導体素子の担体内に集積されている。したがって担体を加熱素子が集積された状態で供給することができ、これによって担体上への別個の加熱素子の付加的な配置を省略することができる。このために有利には担体は多層構造を有し、且つ加熱素子が加熱抵抗層として多層構造内に集積されている。このために多層構造回路基板が殊に適しており、この多層構造回路基板は有利には１つまたは複数の、例えばメアンダ状に延在する加熱抵抗路において構造化されているおよび／またはＣｕを包含する加熱抵抗層を有する。
【００２９】
別の有利な実施形態においては、加熱素子が担体と半導体素子との間に配置されているか、半導体素子は加熱素子上に配置されている。加熱素子をこのように半導体素子に近接して配置することにより、半導体素子の効果的且つ平坦的な加熱が容易になる。
【００３０】
本発明の別の有利な実施形態においては、担体と半導体素子との間に中間担体（サブマウント）が配置されている。このような中間担体を用いることにより、担体のエッジによって半導体素子から放射されるビームに影が生じる（Abschattung）危険は低減される。
【００３１】
有利な実施形態においては、中間担体が加熱素子として構成されているか、中間担体は加熱素子を包含する。この場合有利には加熱素子は中間担体内に構成することができる加熱抵抗領域である。このような加熱抵抗領域は例えば陽子注入法（Protonen-Implantation）のような注入法を用いて中間担体の領域内に実現することができる。有利には、中間担体はこのために半導体材料、例えばＳｉを包含する。さらに有利には加熱抵抗領域は中間担体における半導体素子と対向する側の表面において中間担体内の表面近傍に実施されている、および／または、この表面と電気的に接続されている。
【００３２】
別の有利な実施形態においては、加熱素子が電気的に半導体素子から絶縁されている。したがって加熱素子と半導体素子を別個に電気的に制御することが可能である。殊に、加熱素子と半導体素子を有利には相互に依存せずに動作させることができる。
【００３３】
別の有利な実施形態においては、加熱素子が別個に半導体素子と導熱的に接続されている。つまり加熱の効果を高めることができる。このために例えばＣｕを包含する導熱性の接続導体部を設けることができ、この接続導体部が半導体素子と加熱素子とを導熱的に接続する。
【００３４】
本発明の有利な実施形態においては、温度センサが殊に導熱的に半導体素子と接続されている。導熱性の接続に基づき、温度をより効果的に監視することができる。何故ならば、温度センサを用いて検出される動作温度が半導体素子の実際の動作温度から偏差する危険は低減されるからである。導熱性の接続を改善するために、半導体素子と温度センサと導熱性に接続する例えばＣｕを包含する別の導熱性の接続導体部を設けることができる。
【００３５】
本発明の別の有利な実施形態においては、半導体素子の加熱が担体の材料を介して行われる。殊に、電気的に絶縁されている担体の基本材料を通過する熱供給を行うことができる。つまり別個の熱伝性の接続導体部の構成を省略することができる。
【００３６】
本発明のさらなる特徴、利点および有効性は図面を用いる以下の実施例の説明から生じる。
【実施例】
【００３７】
図１は図１Ａにおいて本発明による装置の第１の実施例の概略的な俯瞰図を示し、図１Ｂにおいて図１Ａの線Ａ−Ａに沿った相応の概略的な断面図を示す。
【００３８】
この装置のビーム放射型の半導体素子１には、この半導体素子１を加熱する加熱素子２が配属されている。加熱素子２および半導体素子１は殊に電気的な温度センサ３と共に殊に共通の担体４上に配置されている。半導体素子１と担体４との間には中間担体６が配置されており、この中間担体６はこの中間担体６でもって担体４に対して半導体素子１が高く配置されていることに基づき、担体４によって半導体素子から放射されるビーム１２に影が生じる危険は低減される。
【００３９】
半導体素子１にはさらに、この半導体素子１によって生成されるビーム１２を検出する検出素子１３、例えばＰＩＮダイオードまたはアバランシェフォトダイオードが配属されている。検出素子１３を図示とは異なり同様に担体４上に配置することができる。つまりこのようなセンサ装置のコンパクトな構成が容易にされる。
【００４０】
有利には加熱素子２と半導体素子１の間および／または半導体素子１と温度センサ３との間には、別個の導熱性の接続部が構成されている。例えばこのために、導熱性の第１の接続導体部５ａが加熱素子２および半導体素子１と接続されており、また導熱性の第２の接続導体部５ｂが半導体素子１および温度センサ３と接続されている。これらの接続導体部は有利には、直接的に導熱性に接続されていない。例えば接続導体部５ａおよび５ｂは金属、例えばＣｕを包含する。
【００４１】
さらに担体は有利には回路基板、例えばＰＣＢ（Printed Cirucuit Board；プリント回路基板）として実施されている。回路基板の導体路ならびに加熱素子２、半導体素子１および温度センサ３の電気端子は明瞭にするため図示していない。殊に有利には、半導体素子１、加熱素子２および温度センサ３は回路基板の導体路を介して、殊に電気的に相互に別個に接続および／または制御することができる。有利には担体内に熱的な接続導体部が集積されている。
【００４２】
しかしながら、択一的に熱的な接続導体部を省略することもできる。この場合半導体素子の加熱は有利には担体の材料を介して行われる。殊にこの場合には半導体素子への熱供給を電気的に絶縁されている担体の基礎材料、例えば合成物質材料によって行うことができる。
【００４３】
電気的な加熱素子、半導体素子および／または温度センサは有利には表面実装可能に実施されており、例えば担体上にはんだ付けすることができる。例えば温度センサは表面実装可能なＮＴＣサーミスタとして実施されているおよび／または電気的な加熱素子は表面実装可能な加熱抵抗として実施されている。半導体素子は有利には付加的なケーシングを要することなく担体上に実装されている（チップ・オン・ボード）。
【００４４】
電気的な加熱素子２および／または温度センサ３と半導体素子１との間の導熱性の接続を、有利には中間担体６を用いて達成することができる。このために中間担体は好適には相応に高い導熱性を有するよう構成されている。例えば、中間担体はＳｉのような半導体材料、またはＣｕのような金属、またはＣｕＷｏのような合金を包含する。このような材料は導熱性が比較的高いということ以外に、半導体素子の熱膨張係数に良好に適合されていることによっても傑出しており、これによって半導体素子において熱的に誘導される歪みの危険は低減される。
【００４５】
接続導体部５ａまたは５ｂは図示したように、支持台において半導体素子と対向する側に必ずしも設ける必要はない。接続導体部を半導体素子が配置されている側から、この担体において半導体素子側とは反対側へと伸ばすことができる。加熱素子および／または温度センサを、担体において半導体素子側とは反対側に簡単に配置することができ、また１つまたは複数の熱的な接続導体部を介して熱伝的に半導体素子と接続することができる。この際装置の動作効率はこのような配置にもかかわらず有利には決定的には低減されない。
【００４６】
必要に応じて、導熱性の接続を担体、有利には担体の電気的に絶縁されている合成物質のような基礎材料によっても行うことができる。
【００４７】
半導体素子１は有利にはビームを生成するために設けられているアクティブ領域９を有し、このアクティブ領域９は例えば基板１０上に配置されている半導体ボディ１１内に構成されている。好適には基板１０は半導体ボディ１１のエピタキシャル基板から製造されている。
【００４８】
半導体素子は例えば半導体レーザ素子として、殊にパルジング動作することができる。有利には半導体レーザ素子をエッジ放射型のレーザダイオードとして実施することができる。この際有利には、半導体レーザ素子の対向する側面７と８（反射面）は素子の光学的な共振器（例えばファブリ・ペロ共振器）を規定する。
【００４９】
赤外線スペクトル領域のビームを生成するために、殊にＧａＡｓエピタキシャル基板上に成長されているＧａＡｓベースの半導体ボディが殊に適している。
【００５０】
半導体素子がレーザダイオードビレットとして実施されている場合には、有利には複数の半導体ボディ１１が隣接して共通の基板１０上に配置されている。
【００５１】
温度センサ３を用いることにより半導体素子の動作温度は、この半導体素子の動作温度が所定の目標値を下回った際に半導体素子は電気的な加熱素子３を用いて加熱されるように監視される。動作温度が所定の目標値を上回る場合には、加熱素子の加熱出力が低減される、もしくは加熱素子が遮断される。有利には半導体素子および温度センサが相互に近接して配置されており、これによって動作温度の監視が容易になる。
【００５２】
動作温度を監視するために、動作温度を例えばＮＴＣサーミスタの抵抗の既知の温度依存性、温度センサを介して求めることができ、また必要に応じて担体上に配置されている調整回路、例えば有利には求めた動作温度を目標値と比較するトランジスタ回路を用いて調整することができる。
【００５３】
所定の周囲温度範囲を超えて変化する半導体素子の動作温度に対しては、半導体素子が電気的な加熱素子を介して所期のように加熱されて温度が安定化されることにより、この半導体素子の動作温度に依存するピーク波長のゆらぎ範囲を低減することができる。
【００５４】
したがって検出素子の検出範囲は有利には、周囲温度範囲を超えるビーム１２のピーク波長のゆらぎ区間よりも狭帯域に実施することができる。温度が安定している半導体素子のピーク波長のゆらぎ範囲が有利には検出素子の検出範囲によって完全にカバーされる。この結果ビーム１２によって形成される検出信号と、例えば周辺光の影響によって惹起されるバックグラウンドノイズとの最適な比は最適になる。
【００５５】
半導体素子の動作温度範囲を例えば、−４０℃〜８５℃の温度である所定の周囲温度範囲から、２０℃〜８５℃の動作温度範囲に安定させることができる。その結果ピーク波長の温度の温度依存性に基づき半導体素子のピーク波長は安定化される。
【００５６】
ピーク波長の温度依存性は、殊に約８００ｎｍ〜１０００ｎｍのスペクトル領域にある赤外線ビームを生成するエッジ放射型のレーザダイオードでは０．３ｎｍ／Ｋとなる可能性がある。このことは、加熱されていない半導体素子の動作温度範囲として１２５Ｋの幅を有する周囲温度窓、例えば約−４０℃〜８５℃においては、およそ３８ｎｍの幅の間隔をおいたピーク波長の著しいゆらぎを意味し、この場合動作温度が高くなるにつれピーク波長は大きくなる。動作温度が電気的な加熱により、上記の幅よりも狭い温度窓の６５Ｋの幅の温度窓、例えば約２０℃〜８５℃に安定させられている場合には、ピーク波長のゆらぎ範囲の幅を、６５Ｋの幅の動作温度窓についておよそ２０ｎｍの幅に安定させることができる。したがって相応のフィルタによって狭められた約２０ｎｍの幅の検出範囲でもっても、半導体素子によって生成されたビームを検出素子を介して、周囲温度範囲を超える半導体素子の動作時に確実に検出することができる。検出信号への周辺光の影響は検出領域が狭いことによって有利には低減される。
【００５７】
図２には、図２Ａおよび２Ｂにおける２つの概略的な俯瞰図に基づいた本発明による第２の実施例が示されている。この実施例は実質的に図１に示した実施例に相応する。図１の実施例との相違は、例えば１２０６タイプの５６Ωの抵抗をそれぞれが有する表面実装可能な２つの電気的な加熱抵抗が設けられている点であり、これらの加熱抵抗は温度センサ３としてのＮＴＣサーミスタ、例えば空間温度（２９８Ｋ）において１ｋΩの抵抗を有する表面実装可能な１ｋΩＮＴＣ抵抗と同様に、担体４における半導体素子１側とは反対側に配置されている。半導体素子はこの際レーザダイオードアレイ（レーザダイオードビレット）として、殊にパルスレーザダイオードアレイとして実施されている。レーザダイオードビレットのさらなる詳細は例えば教本「Roland Diehl, High Power Diode Lasers, Springer (2000)」に詳細に記載されており、そこにおける開示内容は明示的に参照によって本明細書に引用される（殊に際１７３〜２１８頁を参照されたい）。
【００５８】
アレイの個々のレーザダイオードチャネルが相互に別個に制御可能であるか、個々のチャネルが単純に共通して動作できるようにこのアレイを構成することができる。後者の場合には複数のチャネルが並行して切り替えられ、このために全てのチャネルに共通した１つのコンタクトおよびすべてのチャネルに共通の１つの対コンタクトを有する。個々のチャネルを別個に制御するために、例えば全てのチャネルと導電的に接続されている１つの対コンタクトを設けることができ、この際個々のチャネルはそれぞれ別個に固有のコンタクトを有し、このコンタクトを介してそれぞれのチャネルを流れる電流を調整することができる。この場合個々のチャネルはそれぞれの別個のコンタクトを介して相互に独立して動作可能である。
【００５９】
アレイの例えば１６のレーザダイオードチャネルの各チャネルには、電気的なコンタクトのための２つのボンディングワイヤが配属されている。ダイオードコンタクトの逆極は複数のボンディングワイヤ、例えば４つのボンディングワイヤを用いて製造され、これらのボンディングワイヤは例えば中間担体６上、有利には半導体素子と中間担体との間に配置されている、例えば金属を含有する端子層を介して、半導体素子および電気的なコンタクトと担体４、例えばＰＣＢ担体の導体路において導電的に接続されている。図２Ａおよび２Ｂは、図２Ａにおいて半導体素子１側からの担体４の俯瞰図を示し、図２Ｂにおいて担体４のこれとは反対の側の俯瞰図を示す。
【００６０】
図３は、図３Ａにおいて本発明による装置の第３の実施例の概略的な俯瞰図を示し、図３Ｂにおいて相応の概略的な断面図を示す。図３による実施例は実質的に図１に示した実施例に相応する。図１の実施例との相違は、離散的な電気的な加熱素子が省略された点にある。さらにここでは明瞭にするために検出素子および熱的な接続導体部の図示を省略しているが、これらは勿論この第３の実施例にも設けることができる。
【００６１】
図１による実施例との相違は図３における半導体素子１は加熱素子２上に配置されている点にある。殊に加熱素子２を担体４と半導体素子１との間に配置することができる。加熱素子２は有利には加熱抵抗領域２０として中間担体６内に集積されている。例えば加熱抵抗領域２０は陽子注入法を用いてＳｉ中間担体の領域内に製造されている。図３Ｂに示されているように、表面近傍に加熱抵抗領域２０を配置することは必ずしも必要ではない。加熱抵抗領域はむしろ中間担体内に埋もれた領域として、中間担体において半導体素子１と対向する表面の下方に構成することができる。相応にして加熱抵抗領域２０は半導体素子１および／または基板１０から距離をおいてもよい。
【００６２】
有利には加熱抵抗領域は、半導体素子の横方向の広がりよりも大きい横方向の拡張部を有し、これによって半導体素子の直ぐ近くに設けられている離散的な加熱素子に比べて、半導体素子の平坦的且つ効果的な電気的な加熱が達成される。
【００６３】
図４は本発明による装置の第４の実施例の俯瞰図を示す。半導体素子１は図２の実施例に応じてパルスレーザダイオードアレイとして実施されている。担体４と半導体素子１との間には２つの電気的な加熱素子２、例えば電気的に半導体素子から絶縁されている表面実装可能な２つの加熱抵抗が配置されている。温度センサは図２と同様に、担体における半導体素子側とは反対側に配置されている。電気的な加熱素子２のこのような配置は、例えば図３のような中間担体内に集積されている加熱素子のシミュレーションおよび効率検査のために使用することができる。
【００６４】
図５は、図５Ａにおいて本発明による装置の第５の実施例の概略的な断面図を示し、図５Ｂにおいて図５Ａの線Ａ−Ａに沿った相応の概略的な横断面を示す。
【００６５】
第５の実施例は実質的に図３の第３の実施例に相応する。第３の実施例との相違は、電気的な加熱素子が担体４内に集積されている点にある。担体４はここでは多層構造を有し、この多層構造は半導体素子１側に第１の層４１を有し、この半導体素子１側とは反対側に第２の層４２を有する。これらの層４１，４２の間には加熱抵抗層４３が配置されている。
【００６６】
加熱抵抗層は例えばＣｕを包含するおよび／または図５Ｂに示されているようにメアンダ状の路として延在する。加熱抵抗層４３は第１の層および中間担体６を介して導熱的に半導体素子１と接続されている。有利には第１の層４１および／または第２の層４２は電気的に絶縁された状態で実施されている。殊に、中間担体または半導体素子との熱伝的な接続は殊に、第１の層４１の電気的に絶縁された材料を介して行うことができる。
【００６７】
さらには必要に応じて、付加的にまたは択一的に、導熱性の接続導体部を設けることができ、この接続導体部は第１の層４１を通過して延びており、例えば中間担体６を介して半導体素子１および加熱抵抗層と有利には直接的に導熱的に接続されている。
【００６８】
電気的な加熱素子はこの実施形態においては有利には既に担体４に集積させて実施することができる。したがって、離散的な加熱素子を付加的に配置することまたは中間担体を加熱素子として構成することを省略できる。
【００６９】
図６は本発明による装置の第６の実施例の概略的な俯瞰図を示す。この第６の実施例は実質的に図４に示した実施例に相応する。この第４の実施例との相違は、加熱抵抗層４３が図５の実施例に応じて担体４内に集積されており、温度センサ３および半導体素子１が担体において同じ側に配置されている点にある。
【００７０】
以下の図を用いて説明する関係は、例えば図２に示されている半導体レーザ素子において求められた。
【００７１】
図７には半導体レーザ素子の放射スペクトルの温度依存性が示されている。ここでは、半導体レーザ素子を電気的に加熱するために空間温度において６５Ωの抵抗を有する、例えばＣｕからなるメアンダ状の加熱抵抗路を備えた多層構造が使用された。
【００７２】
図７には半導体レーザ素子によって生成されるビームの光学的な強度が任意の単位で、半導体レーザ素子によって形成されるｎｍのビームの波長に依存してプロットされている。半導体レーザ素子は殊に、９００ｎｍ以上である波長の赤外線ビームを生成するために構成されている。加熱のために加熱抵抗路には種々の加熱電圧が印加された。ここでは以下の加熱電圧は素子の放射分布の以下の曲線に対応する。
【００７３】
【表１】
2005244242.tif 000003
【００７４】
ここではピーク波長（それぞれの分布において放射が最大となる波長）の温度依存性がはっきり見て取れ、通常の場合高い加熱電圧は高い温度に相応するので、ピーク波長は電圧が高められる間により高い波長にシフトする。電圧が高まるに連れ放射分布は平坦になる。
【００７５】
図８には、多層構造においてＣｕからなる加熱抵抗層の抵抗Ｒ（オーム）の温度依存性が加熱出力Ｐ＿ｈ（ワット）に依存して示されている。空間温度において抵抗は約６５Ωである。曲線１１１に関しては、抵抗Ｒの（空間温度に対する）温度変化ΔＴへの温度依存性が次の関係、すなわち
Ｒ（Ｔ）＝ＲＮ・（１＋α・ΔＴ）
ここでα＝０．００４  １／ＫおよびＲＮ＝６５Ω、によって検出された。曲線１１２に関しては抵抗Ｒが加熱電圧および測定された加熱電流から検出された。異なるやり方で得られた抵抗のこのような経過は非常に近似している。
【００７６】
α＝０．０００１  １／Ｋである、上述したような表面実装可能な加熱抵抗（図２を参照されたい）では、抵抗の温度依存性は通常の場合無視できるほどに僅かである。
【００７７】
図９は、ピーク波長の既知の温度依存性および温度センサとしての１ｋΩＮＴＣ抵抗を介する、加熱出力Ｐ＿ｈでもって担体内に集積されている加熱抵抗層を用いて加熱された半導体レーザ素子の動作温度の温度検出の比較を示す。加熱出力に依存する空間温度ＴＮに対する温度変化ΔＴがプロットされている。動作温度のデータ点１１３はピーク波長の温度依存性から決定されており、このピーク波長は赤外線を放射する半導体レーザ素子においてはＫ毎におよそ０．３０ｎｍ変化する。１ｋΩＮＴＣ抵抗では温度センサの温度Ｔが、以下の関係によりＴと結合されている測定された温度に依存する抵抗Ｒ（Ｔ）を介して求められる。
【００７８】
【数１】
2005244242.tif 000004
ここで、Ｂ＝３２６３  １／Ｋ、ＲＮ＝１ｋΩおよびＴＮ＝２９８Ｋである。これらの結果はデータ点１１４によって表されている。
【００７９】
図９からはピーク波長を介して求められた半導体レーザ素子の温度が温度センサを介して求められた温度と実質的に一致することが分かるので、半導体レーザ素子の動作温度は温度センサを介して確実に求めることができる。データ点１１３間の線形の関係に関するフィット直線については
ｙ＝６４．０８５・ｘ
であり、データ点１１４間の線形の関係に関するフィット直線については
ｙ＝６４．１１４・ｘ
である。
【００８０】
図１０には、半導体レーザ素子の光学的なピーク出力Ｐ＿ｏｐｔ（ワット）と空間温度に対する半導体レーザ素子の動作温度の変化ΔＴ（ケルビン）との関係が示されている。半導体レーザ素子の光学的なピーク出力は温度が高くなるにつれ実質的に線形に減少することが識別できる。測定されたピーク出力に応じるデータ点１１５に関するフィット直線については
ｙ＝−０．２４９３・ｘ＋７１．８３
である。
【００８１】
したがって、温度上昇に伴う光学的なピーク出力の減少はおよそ−０．２５Ｗ／Ｋである。
【００８２】
図１１には、種々のやり方で加熱された半導体レーザ素子についての、半導体レーザ素子の温度変化ΔＴ（ケルビン）と加熱出力Ｐ＿ｈ（ワット）との関係が示されている。曲線１１６に関しては半導体レーザ素子が２つの離散的な加熱抵抗（それぞれ５６Ω、図２を参照されたい）を用いて加熱され、曲線１１７に関しては担体内に集積されている加熱抵抗層（空間温度において６５Ωの抵抗、図６を参照されたい）を用いて加熱され、曲線１１８に関しては半導体レーザ素子と担体との間に配置されている２つの加熱抵抗（それぞれ５６Ω、図４を参照されたい）を用いて加熱された。最後の方式によって中間担体内に集積されている加熱抵抗領域がシミュレートされた。
【００８３】
図１１においては、曲線１１８では比較的小さい加熱出力、比較的大きい温度変化が生じていることが見て取れる（およそ：曲線１１７において１．２Ｗで７０Ｋまた曲線１１６において１．２Ｗで６０Ｋであるのに対し、０．５８Ｗで８５Ｋ）。部分フィット曲線は曲線１１６については
ｙ＝−１０．５３６・ｘ２＋６２．０３９・ｘ
であり、曲線１１７については
ｙ＝−１２．７６１・ｘ２＋７５．７４・ｘ
であり、曲線１１８については
ｙ＝−３９．４８・ｘ２＋１６９．６４・ｘ
である。
【００８４】
したがって中間担体内に集積されている加熱抵抗領域は半導体素子の加熱に殊に適しているが、比較的多くの手間および比較的高い費用とも結びつく。
【００８５】
これに対して加熱抵抗層を介する加熱は比較的廉価であり、離散的な加熱抵抗は殊に簡単に処理することができまた廉価である。殊に表面実装を用いてＳＭＤ加熱抵抗を殊に簡単に装置に集積することができる。
【００８６】
図１２は、一方ではピーク波長の既知の温度依存性を介し、他方では半導体素子と距離を置いて配置されている温度センサとしての１ｋΩＮＴＣ抵抗（図９の実施例を参照されたい）を介する、担体と半導体レーザ素子との間に配置されている加熱出力Ｐ＿ｈの加熱抵抗でもって加熱された半導体レーザ素子の動作温度の温度検出の比較を示す。空間温度に対する温度変化ΔＴが加熱出力に依存してそれぞれプロットされている。ＮＴＣ抵抗を介して検出される温度変化の曲線１１９は、ピーク波長を介して求められた曲線１２０から大きく偏差する。ピーク波長を介して求められた温度変化は、ＮＴＣ抵抗を介して求められた温度変化よりも大きい。ピーク波長を用いて求められた温度は例えば動作温度に対応し、またＮＴＣ抵抗を用いて求められた温度は周囲温度に対応する。したがって加熱抵抗を半導体レーザ素子に近接させて配置することにより非常に効果的な加熱が得られる。曲線１１９に関するフィット直線については
ｙ＝８０．５４６・ｘ
であり、曲線１２０に関するフィット直線については
ｙ＝１４９．９５・ｘ
である。
【００８７】
図１３は、１で正規化された任意の単位の半導体レーザ素子の動作温度Ｔ＿ｂと半導体レーザ素子の加熱時間Ｔ＿ｈ（秒）との関係に基づいた、上記の３つの加熱方式についての半導体レーザ素子の熱的な過渡特性を示す。曲線１２１は半導体レーザ素子と担体の間に配置されている２つの加熱抵抗を用いる図４の変形に対応し、曲線１２２は担体内に集積されている加熱抵抗層を用いる図６の変形に対応し、曲線１２３は２つの離散的な加熱抵抗を用いる図２の変形に対応する。動作温度は３つの全ての方式に関しておよそ１００ｓ後に最大値に到達し、このことは加熱素子、周囲環境および半導体レーザ素子との間の熱的な均衡の達成に相応する。
【００８８】
半導体レーザ素子の動作温度がこの半導体レーザ素子の最大温度の半分となるような熱的な時定数τは３つの方式に関しておよそ２０ｓ〜２５ｓ（２０ｓおよび２５ｓを含む）にある。
【００８９】
本明細書は２００４年２月２５日のドイツ連邦共和国特許出願ＤＥ１０  ２００４  ００９  ５８８．４の優先権を主張する。これに伴いこの特許出願の全ての開示内容は明示的に再度関連づけることにより本明細書に採用される。
【００９０】
本発明は実施例に基づく説明によって制限されるものではない。むしろ本発明は各新たな特徴ならびにこれらの特徴の各組み合わせを包含し、このことはこれらの特徴およびこれらの組み合わせ自体は明示的に請求項または実施例に記載されていなくとも、殊に請求項における特徴の各組み合わせも包含する。
【図面の簡単な説明】
【００９１】
【図１Ａ】本発明による装置の第１の実施例の概略的な俯瞰図。
【図１Ｂ】図１Ａの線Ａ−Ａに沿った相応の断面図。
【図２Ａ】本発明による装置の第２の実施例の上からの概略的な俯瞰図。
【図２Ｂ】本発明による装置の第２の実施例の下からの概略的な俯瞰図。
【図３Ａ】本発明による装置の第３の実施例の概略的な俯瞰図。
【図３Ｂ】図３Ａの実施例の相応の断面図。
【図４】本発明による装置の第４の実施例の概略的な俯瞰図。
【図５Ａ】本発明による装置の第５の実施例の概略的な俯瞰図。
【図５Ｂ】図５Ａの線Ａ−Ａに沿った相応の断面図。
【図６】本発明による装置の第６の実施例の概略的な俯瞰図。
【図７】電気的な加熱出力に依存する、図６の実施例による半導体レーザ素子の放射スペクトルの温度依存性。
【図８】加熱抵抗層の抵抗の温度依存性。
【図９】種々の方法を用いて加熱される半導体レーザ素子に関する、加熱出力に依存する半導体レーザ素子の動作温度における温度変化の比較。
【図１０】半導体レーザ素子の光学的なピーク出力と半導体レーザ素子の動作温度の変化との関係。
【図１１】種々の方法を用いて加熱される半導体レーザ素子に関する、加熱出力に依存する半導体レーザ素子の動作温度における温度変化ΔＴの比較。
【図１２】２つの異なる方式による半導体レーザ素子の動作温度の温度検出の比較。
【図１３】３つの加熱方式についての半導体レーザ素子の熱的な過渡特性。
【符号の説明】
【００９２】
１  半導体素子、  ２  加熱素子、  ３  温度センサ、  ４  担体、  ５ａ，５ｂ  接続導体部、  ６  中間担体、  ７，８  側面、  ９  アクティブ領域、  １０  基板、  １１  半導体ボディ、  １２  ビーム、  １３  検出素子、  ２０  加熱抵抗領域、  ４１，４２  層、  ４３  加熱抵抗層
【図１Ａ】
2005244242.tif 000005
【図１Ｂ】
2005244242.tif 000006
【図２Ａ】
2005244242.tif 000007
【図２Ｂ】
2005244242.tif 000008
【図３Ａ】
2005244242.tif 000009
【図３Ｂ】
2005244242.tif 000010
【図４】
2005244242.tif 000011
【図５Ａ】
2005244242.tif 000012
【図５Ｂ】
2005244242.tif 000013
【図６】
2005244242.tif 000014
【図７】
2005244242.tif 000015
【図８】
2005244242.tif 000016
【図９】
2005244242.tif 000017
【図１０】
2005244242.tif 000018
【図１１】
2005244242.tif 000019
【図１２】
2005244242.tif 000020
【図１３】
2005244242.tif 000021