(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザダイオードチップ（４）を有するレーザダイオード装置において、
前記レーザダイオードチップ（４）はマルチビームレーザダイオード（Ｌ１，Ｌ２）としての構造体を有し、
該構造体は、半導体基板（ｎ）上に上下に配置された少なくとも２つのレーザステープル（Ｌ１，Ｌ２）と、電気接続接点（２５，２６）とを有し、
前記レーザステープル（Ｌ１，Ｌ２）はそれぞれ少なくとも１つのアクティブ層（Ｊ１，Ｊ２）を有し、
当該アクティブ層（Ｊ１，Ｊ２）の間にはトンネル接合部（Ｔ）が配置されており、
前記レーザダイオードチップ（４）は導体バンドの接続部（２ａ、１０）上に実装されており、
前記電気的接続接点（２５，２６）は、導体バンドの接続部（２ａ，２ｂ，１０１１）と導電接続されており、
前記レーザダイオードチップ（４）と前記接続部（２ａ，２ｂ，１０，１１）の少なくとも一部はビーム透過性の反応性樹脂により注型されており、
該レーザダイオードチップ（４）は１ｎｓから２５ｎｓの間のパルス幅で駆動される
ことを特徴とするレーザダイオード装置。
【請求項２】
隣接する２つのビームエミッタ間の間隔は２μｍ（これも含む）から３μｍ（これも含む）である、請求項１記載のレーザダイオード装置。
【請求項３】
接続部（２ａ，２ｂ）には表面実装可能なケーシング体（１）が設けられており、
該ケーシング体（１）は収容部を有し、
該収容部には、前記接続部（２ａ，２ｂ）の少なくとも部分領域がそれぞれ露出されており、
該収容部ではレーザダイオードチップ（４）は前記接続部（２ａ）に実装されており、
かつ該収容部では、レーザダイオードチップ（４）はビーム透過性反応性樹脂により注型されている、請求項１または２記載のレーザダイオード装置。
【請求項４】
レーザダイオードチップ（４）の放射方向は収容部の底面に対して平行に延在し、
該底面にはレーザダイオードチップ（４）が実装されており、
前記収容部の側壁は前記底面と共に反射ウェル（３）を形成し、
側面は反射性である、請求項３記載のレーザダイオード装置。
【請求項５】
レーザダイオードチップ（４）はケーシングを基準にして、マルチビームレーザダイオード（４）の出力ビーム（Ｐ１，Ｐ２）が偏向なしでケーシングから放射されるように配置されている、請求項１または２記載のレーザダイオード装置。
【請求項６】
反応性注型樹脂の使用法であって、レーザダイオードチップを注型するのに使用し、
該レーザダイオードチップ（４）は、マルチビームレーザダイオード（Ｌ１，Ｌ２）の構造を有し、
該マルチビームレーザダイオードは、半導体基板（ｎ）上に上下に配置された少なくとも２つのレーザステープル（Ｌ１，Ｌ２）を有し、
該レーザステープル（Ｌ１，Ｌ２）はそれぞれ少なくとも１つのアクティブ層（Ｊ１，Ｊ２）を有し、
該アクティブ層（Ｊ１，Ｊ２）の間にはトンネル接合部（Ｔ）が配置されており、
該トンネル接合部（Ｔ）は導体バンドの接続部（２ａ，１０）上に実装されており、
該レーザダイオードチップ（４）は１ｎｓから２５ｎｓの間のパルス幅で駆動される、
ことを特徴とする使用法。
【請求項７】
請求項３から５までのいずれか１項記載のレーザダイオード装置の製造方法において、
導体バンドの接続部（２ａ，２ｂ）にケーシング体（１）を設け、
該ケーシング体（１）は収容部を有し、
該収容部内では、レーザダイオードチップ（４）が所属の接続部（２ａ）に実装されており、
続いてレーザダイオードチップ（４）を透明な反応性樹脂により注型する、
ことを特徴とする製造方法。
【請求項８】
請求項１または２記載のレーザダイオード装置の製造方法において、
レーザダイオードチップ（４）にラジアルケーシングを設け、
ここでエッジ放射型のレーザダイオードチップ（４）をまず接続部の側面に実装し、
続いてビーム透過性の反応性樹脂により注型する、ことを特徴とする製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、請求項１の上位概念によるレーザダイオード装置に関する。本発明はさらに、この種のレーザダイオード装置の製造方法に関する。
【０００２】
この種の装置は刊行物EG&G Optoelectronics : Pulsed Laserdiodes - PGEW Series, Internet刊行物から公知である。レーザダイオードチップは１５Ｗの発光出力に達し、プラスチックケーシングに組み込まれている。レーザダイオード素子のパルス持続時間は３０ｎｓである。レーザダイオードチップの構造は基本的にマルチ量子ウェル構造体に相当する。
【０００３】
マルチアクティブゾーン、多くは量子ウェル構造体を有するこの種の通常のレーザチップは、ＬＯＣ（Large optical cavity）技術でも１から１５Ｗのレーザ出力領域と５から１００ｎｓのパルス持続時間、または低出力での数ｍｓまでのパルス持続時間に対して使用される。コストの理由からレーザチップは発光ダイオード用の通常のＬＥＤケーシングに組み込まれる。続いてチップは例えば樹脂により充填される。
【０００４】
１５Ｗ以上約５０Ｗまでの出力が必要な場合、前記の刊行物では複数のレーザダイオードチップが同じケーシングに並置される。このような光学的に高い発光出力をレーザダイオードから短いパルス領域で得ることは多数の適用領域に対して必要である。典型的な適用は、侵入警報システムまたは衝突回避システム、ＬＩＤＡＲ、光学的距離測定、自由空間伝送等である。
【０００５】
前記のマルチチップ・レーザダイオード装置は多数の適用に対して不適であり、さらに面倒で従ってコストが掛かる。１つには、複数のチップを１つのＬＥＤケーシングにこのように取り付けることは、ＬＥＤの大量生産のために設けられたＬＥＤ製造ラインでは通常のことではなく、このラインで実現することは困難である。もう１つにはこの解決手段は必要なチップ面積が大きいためコストが掛かることである。発光出力を３倍にするには例えば３つのレーザダイオード素子が必要である。さらにケーシングにチップが並置される場合には、外に向かって作用するビーム源が比較的相互に離れて配置された複数のエミッタに分散され、このことは結像特性を悪化させる。
【０００６】
高いレーザ発光出力を得るために、ダイオードレーザバーからなるステープルを使用することが公知である。このことにより、ダイオードレーザの出力がまとめられる。光学的出力が大きい場合に、これと結び付いた熱出力をコントロールできるようにするため、レーザダイオードバーはしばしば冷却器に取り付けられ、構成素子は組み合わせて使用される。このことは技術的に非常に面倒であり、個々のビームエミッタの間隔が大きくなり、また同様にエミッタ面積も比較的に大きくなることによって、レーザ光の焦点特性が悪化する。取り付けられたバーのサイズが大きいため、複数のビームエミッタを上下に組み合わせることは困難であり、さらにビーム品質が低下する。レーザダイオードバーの構成は刊行物ＤＩＬＡＳ社、Diodenlaser GmbH,Mainz-Hechtsheimから公知である。
【０００７】
本発明の課題は、大量生産に適した高出力のレーザダイオード装置およびその製造方法を提供することである。
【０００８】
この課題は、独立請求項記載の特徴部分の構成を有するレーザダイオード装置、および請求項記載の使用法、および請求項記載の特徴部分の構成を有する方法によって解決される。有利な改善形態は従属請求項の対象である。
【０００９】
本発明のレーザダイオード装置では、ＬＥＤケーシングにレーザダイオードチップが組み込まれ、このレーザダイオードチップはマルチビーム半導体レーザダイオードとして構成されており、このマルチビーム半導体レーザダイオードは半導体サブスレートの上に重ねて複数配置され、それぞれ少なくとも１つのアクティブ層を備えるレーザステープルを有し、当該レーザダイオード装置では隣接する少なくとも１ペアのレーザステープルがその間の配置されたトンネル接合部を有し、半導体サブストレートと最上部レーザステープルの外側表面はそれぞれ接続接点を有し、この接続接点はＬＥＤケーシングの端子と接続されている。
【００１０】
モノリシックレーザダイオードステープルを使用することにより、一方では２００Ｗまで、またはそれ以上の非常に高い光学的出力が単パルス領域で可能となり、他方では使用されるチップ面積が個々のレーザダイオードの面積に相応する。従ってただ１つのチップだけがケーシングに取り付けられる。この種の構造体のチップコストは、全体で同じ発光出力の場合、複数のチップに対するコストよりもかなり低い。１つのチップだけを取り付けることにより、レーザダイオード装置を非常に安価に、ＬＥＤ構成素子に対する標準製造ラインで製造することができる。さらにこの種のマルチビームレーザダイオードの発光エミッタは相互に密に並置され、従ってレーザ光のフォーカシングが容易にである。さらにビーム品質がフォーカスされない場合に有利である。
【００１１】
マルチビームレーザダイオードはエッジエミッタ型または表面エミッタ型である。この種のマルチビームレーザダイオードの構造はシングルまたはマルチ量子ウェル構造またはＤＦＢ構造を有している。
【００１２】
マルチビームレーザダイオードを組み込んだ後、レーザダイオードを透明な材料、例えば樹脂またはシリコンにより注型することができる。
【００１３】
ＬＥＤケーシングの形式に応じて、マルチビームレーザダイオードは１つまたは２つの方向に放射する。マルチビームレーザダイオードの出力ビームは直接またはミラーを介してケーシングから出力結合することができる。これにより装置を基板に実装する際に上方または側方へ放射することのできるレーザダイオード装置が得られる。特に有利にはここでは表面実装に対して設けられたＬＥＤケーシングが適する。
【００１４】
本発明を以下、図面に基づき詳細に説明する。
【００１５】
図１は、表面実装用のＬＥＤケーシングに取り付けられたマルチビーム高出力レーザダイオードの概略的断面図である。
【００１６】
図２は、ラジアルＬＥＤケーシング用のマルチビーム高出力レーザダイオードの概略的斜視図である。
【００１７】
図３は、ラジアルケーシング内のマルチビーム高出力レーザダイオードの概略的斜視図である。
【００１８】
図４は、マルチビーム高出力レーザダイオードの概略的斜視図である。
【００１９】
図１は、表面実装用のＬＥＤケーシングの断面図である（ケーシングはIEC-Publ.２８６第３部による）。ケーシング体１は耐高熱性のサーモプラスタからなり、このサーモプラスタにより、継ぎ目なしにスタンパされた導体バンド２ａと２ｂが充填される。ケーシングは内部に開口部を有し、この開口部の側壁３は反射面として構成されている。半導体チップ４は実施例では２つのレーザステープルＬ１とＬ２を有するマルチビームレーザダイオードの構造を有する。２つのレーザステープルの間には詳細には図示しないトンネル接合部が配置されている。この半導体チップ４は第１のオーム接点５と共に、ケーシングの端子部２ａに導電性に取り付けられている。電気接点５は、マルチビームレーザダイオードの半導体基板の下側表面に取り付けられている。最上部レーザステープルＬ１に取り付けられた第２のオーム接点６は、接続導体バンド２ｂの他の部分と導電性に接続されている。
【００２０】
マルチビームレーザダイオードを含む半導体チップ４は、レーザステープルＬ１とＬ２の２つのレーザビームがアクティブ層のエッジまたは２つのエッジを介して出力結合されるように構成することができる。反射面３によって個別ビームは偏向され、上方へケーシングから出力結合される。光出力結合を改善し、実装されたレーザダイオードを環境の影響から保護するために、反射器開口部にはエポキシ樹脂７により注型されている。樹脂７およびケーシング材料は綿密に相互に調整されており、これにより熱的ピーク負荷の際にも機械的障害が発生しないようになっている。注型樹脂７の代わりに他の透明材料、例えばアクリル樹脂、シリコン等を使用することもできる。
【００２１】
図１の装置ではＬＥＤケーシングに実装されたマルチビームレーザダイオードが設けられている。この装置は単パルス領域で２００Ｗまで、およびそれ以上で駆動することができる。上下に積層されたレーザダイオードのチップ面積は個々の個別レーザダイオードのチップ面積に相応し、１つのチップ４だけを実装すればよいから、半導体チップをケーシングに実装することはＬＥＤ用の標準製造ライン上で非常に安価に行うことができる。
【００２２】
上下に重ねて配置されたレーザステープル、例えばステープルＬ１とＬ２を有するモノリシックマルチビームレーザダイオードはパルス動作に適しており、少なくとも２つのアクティブレーザゾーンを有する。これらアクティブレーザゾーンは接合部によって相互に接合されている。接合部は例えば半導体トンネル接合部である。レーザステープルはシングルまたはマルチ量子ウェル構造または他の構造を有することができる。層は典型的にはエピタクシャルに上下に析出される。２つの隣接する発光エミッタ間の通常の垂直方向間隔は２から３μｍである。ここで動作時には上下に配置された個々のレーザステープルは直列に接続される。異なる個別半導体チップにより実現される、同じ発光出力を有する個別レーザダイオードと比較して、マルチビームレーザダイオードはレーザビームの焦点性と、ビーム品質の点で有利である。
【００２３】
図２は、レーザステープルＬ１１ないしＬ２１を有する。これらのレーザステープルはラジアルＬＥＤに対する接続部１０に実装されている。接続はオーム性接続接点１５を介して基板の下で行われる。マルチビームレーザダイオードの他方の接続接点は最上部レーザステープルＬ１１の上方にあり、これは接続１６により装置の第２の外側端子１１と接続されている。概略的にレーザステープルＬ１１ないしＬ２１から送出されるレーザパルスＰ１とＰ２が示されている。図２の装置は続いて典型的には、透明材料により注型されている。
【００２４】
図３は特に有利な実施例を示し、この実施例ではエッジ放射型マルチビーム高出力レーザダイオードチップ４がラジアルケーシング９の接続部１０の側面に実装されており、ビーム方向８はラジアルケーシング９の接続脚部に対して平行に延在する。このラジアルケーシングは発光ダイオード構成素子技術から公知である。エッジ放射型高出力レーザダイオードチップ４はこの場合まず、接続部の側面に実装され、続いて透光性の反応性樹脂７により直接、注型される。
【００２５】
図４は例として、ＵＳ５２１２７０６に記載されたようなマルチビームレーザダイオードの構造を示す。このマルチビームレーザダイオードは上下に配置されたレーザステープルＬ１とＬ２を有し、それらの間には層ｎＴとｐＴから形成されたトンネル接合部Ｔがある。下側レーザステープルＬ２は層ｎ２とｐ２を有し、これらの層はアクティブ層Ｊ２により分離されている。層構造体は基板ｎの上方に位置し、基板はその下側にオーム性接続接点２５を有している。上側レーザステープルＬ１はダイオード層ｐ１とｎ１を有し、これらの層はアクティブ層Ｊ１により分離されている。典型的にはトンネル層ｎＴとｐＴは高濃度のドーピングされたｎ層ないしｐ層である。上側レーザステープルＬ１の上方には半導体層ｐが存在する。その表面には２つのオーム性接続接点２６が配置されている。
【００２６】
マルチビームレーザダイオードの構造の機能は前に引用したＵＳ特許明細書に詳細に記載されている。ここではＧａＡｓシステムが取り扱われる。マルチビームレーザダイオードは他の材料システム、例えばＩｎＧａＡｓシステムでも実現できることは理解されよう。この種の構造は例えば、２つの個別のダブル量子ウェル構造体（ＤＱＷ）により可能である。この構造体は、ＡｌＧａＡｓからなるＬＯＣウェル線路構造体に埋め込まれており、ガリウム砒素に配置されたトンネル接合にを介して相互に接合されている。この種の構成の中央エミッション波長はＤＱＷ構造体の構成に依存しており、例えば有利には９０５ｎｍである。
【００２７】
パルスレーザとしてのマルチビームレーザダイオードは、全体でIII/V化合物半導体によりカバーされる波長領域、すなわちＵＶから１．５μｍ以上までが可能である。とりわけ８５０ｎｍと９０５ｎｍの波長領域は技術的に大きな意味がある。これにはとりわけパルス駆動での直接使用も属する。発光出力が高い場合でも、パルス駆動のマルチビームレーザダイオードに対しての熱的負荷は小さく、従ってモノリシックステープル型レーザダイオードが急速に崩壊することはない。このことにより、高いレーザ発光出力を比較的良好なビーム品質に置いてシングルＬＥＤケーシングにおいても使用することができ、その際に公知のステープルバーの欠点が存在せず、または高い熱発生を甘受する必要もない。
【００２８】
マルチビームレーザダイオードの発光出力は上下に積層されるレーザステープルの数に応じて、２つのレーザステープルが積層される際には約７０Ｗ、３つのレーザステープルが積層される際には約１００Ｗである。前に説明した材料システムＩｎＧａＡｓにおいて波長領域９０５ｎｍに対して処理された２０テープ状アレイチップは６００×６００μｍ２の寸法を有し、通常のＬＥＤケーシングに反射器ウェルと共に実装され、注型される（図１参照）。発光出力は約７０Ｗであり、電流/ビーム特性曲線の微分勾配は２．０Ｗ/Ａ以上である。同じシステムで３つのダブル量子ウェルレーザ構造体が上下に成長される場合、約１００Ｗの発光出力と、３Ｗ／Ａ以上の特性曲線勾配を有するマルチビームレーザ構造体が得られる。１００Ｗを超えるさらに高い発光出力を有するマルチビームレーザダイオードを製造することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  図１は、表面実装用のＬＥＤケーシングに取り付けられたマルチビーム高出力レーザダイオードの概略的断面図である。
【図２】  図２は、ラジアルＬＥＤケーシング用のマルチビーム高出力レーザダイオードの概略的斜視図である。
【図３】  図３は、ラジアルケーシング内のマルチビーム高出力レーザダイオードの概略的斜視図である。
【図４】  図４は、マルチビーム高出力レーザダイオードの概略的斜視図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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