Способ изготовления полупроводникового лазера с накачкой электронным пучком

 

Использование: технология изготовления мощных полупроводниковых лазеров с накачкой электронным пучком. Сущность изобретения: при изготовлении полупроводникового лазера с накачкой электронным пучком используют пластину из селенида цинка, изготавливают оптический резонатор, состоящий из двух зеркал. Глухое зеркало изготавливают на поверхности пластины, перпендикулярной кристаллографическому направлению [III], путем травления этой поверхности в концентрированной соляной кислоте при температуре ее кипения в течение 3 - 5 мин. 1 табл.

Изобретение относится к лазерной технике, в частности к технологии изготовления лазеров, и может быть использовано при создании мощных полупроводниковых лазеров с накачкой электронным пучком большого сечения.

Известен способ изготовления полупроводникового лазера, включающий изготовление подложки, выходного зеркала, определение кристаллографической полярности поверхностей полупроводниковой пластины, механическую, химическую и химико-механическую (химико-динамическую) обработку поверхности A (0001), приклейку пластины к подложке стороной A, шлифовку пластины до получения необходимой толщины, резку пластины на элементы и травление поверхности B (000) пластины в концентрированной соляной кислоте в течение 30-60 с при комнатной температуре с последующей промывкой в дистиллированной воде [1].

Недостаток этого способа - его пригодность только для изготовления лазеров на основе кристаллов сульфида кадмия. В случае применения этого способа с указанными в нем режимами обработки к кристаллам селенида цинка цель не достигается, поскольку травление поверхности при указанных режимах не дает в этом случае ни быстрого снятия нарушенного слоя, ни образования микрорельефа с необходимыми характеристиками, выполняющего функцию глухого зеркала.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к заявляемому является способ изготовления лазера, пригодный для любых монокристаллов и включающий изготовление подложки, нанесение выходного зеркала, шлифовку, механическую и химико-динамическую либо химико-механическую полировку одной из сторон пластины, приклейку пластины полированной стороной к подложке, придание пластине заданной толщины посредством механической шлифовки, механической и химико-механической (химико-динамической) полировки, разрезание пластины на элементы и их оптическую изоляцию, нанесение заднего глухого зеркала методом вакуумного напыления [2].

Недостатком данного способа является сравнительно невысокая выходная мощность и лучевая прочность получаемых устройств, так как под воздействием электронов разрушаются области границ раздела зеркало-кристалл, а под воздействием света - зеркало-подложка. Другим недостатком является его сложность, необходимость нанесения вакуумных покрытий.

Целью изобретения является повышение выходной мощности и энергии излучения лазера при одновременном упрощении способа.

Цель достигается тем, что в способе, включающем изготовление полупроводниковой пластины из селенида цинка и оптического резонатора, состоящего из двух зеркал, одно из которых глухое, глухое зеркало изготовляют на поверхности, соответствующей кристаллографическому направлению [], путем травления этой поверхности в концентрированной соляной кислоте при температуре кипения в течение 3-5 мин.

Отличие заявляемого способа изготовления лазера от известных в литературе состоит в изготовлении глухого зеркала путем химического травления поверхности B () в кипящей соляной кислоте в течение 3-5 мин.

Необходимость введения операции определения кристаллографической полярности поверхностей вызвана тем, что микрорельеф поверхности, выполняющий функцию глухого зеркала, образуется при травлении только на поверхности B () пластин селенида цинка.

Режим операции травления подобран экспериментально. Установлено, что травление B-поверхности селенида цинка с образованием необходимого рельефа возможно только в кипящей соляной кислоте (t ≈ 60^oC). При понижении температуры меняется характер травления и резко снижается скорость травления, в силу чего снятие нарушенного слоя и образование рельефа с требуемыми характеристиками невозможно. Время травления t=3-5 мин обусловлено сравнительно невысокой скоростью травления поверхности () кристаллов селенида цинка (v_Se=1,7 мкм/мин). Указанное время необходимо для снятия нарушенного при шлифовке слоя и формирования микрорельефа в виде ограненных пирамид с характерными размерами 1-10 мкм. При t<3 мин не успевает возникнуть огранка пирамид и они имеют округлую форму, при t>5 мин размеры пирамид превышают оптимальные, рельеф становится сравнимым с толщиной активного слоя, нарушается плоскостность поверхности, что ухудшает свойства лазера.

Из вышеуказанного следует существенность отличий заявляемого способа от прототипа и известных аналогов.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом. Любым из известных способов определяют кристаллографическую полярность поверхностей пластины селенида цинка. После этого сторону, соответствующую плоскости (111) (поверхность A), шлифуют, полируют механически и химико-механически (химико-динамически). Затем пластину приклеивают к кварцевой или сапфировой подложке стороной A. Функцию выходного зеркала при этом выполняет многослойное диэлектрическое покрытие или естественная поверхность A полупроводниковой пластины. Далее пластину шлифуют до получения необходимой толщины. Оптимальная толщина определяется характеристиками электронного пучка и для энергии электронов 200 кэВ составляет около 200 мкм. После этого пластину разрезают на элементы любым известным способом, например с помощью скрайбера. Размер стороны элемента составляет около 1 мм. Глубина канавок больше глубины проникновения электронов (80-100 мкм), но меньше 2/3 толщины пластины. Затем поверхность () (поверхность B) пластины травят в концентрированной соляной кислоте при температуре кипения (t ≈ 60^оС) в течение 3-5 мин с последующей промывкой в дистиллированной воде. На этом изготовление лазера заканчивается.

В результате операции травления на стороне B пластины возникает микрорельеф в виде трехгранных пирамид с характерным размером 1-10 мкм, эффективно отражающий излучение, распространяющееся вдоль оси резонатора и под малыми углами к ней, и пропускающий излучение, направленное под большими углами к оси резонатора, чем достигается подавление усиления спонтанного шума и внеосевых мод. Это, в свою очередь, способствует увеличению КПД, мощности и энергии излучения лазера.

Для обоснования технико-экономической эффективности заявляемого способа по сравнению с прототипом были проведены испытания устройства, изготовленного на основе селенида цинка по способу-прототипу, и устройства, изготовленного предлагаемым способом.

В качестве исходного материала использовались монокристаллические пластины селенида цинка. Источником электронов служила электронная пушка с длительностью импульса τ =1,5 нс, энергией электронов 200 кэВ, плотностью тока пучка ≈ 1 кА/см². Полный выход излучения измерялся с помощью калиброванного оптико-акустического измерителя. Результаты испытаний приведены в таблице. Площадь облучаемой поверхности везде была 1 см².

Из сравнения результатов видно, что заявляемый способ позволяет при прочих равных условиях повысить выходную мощность и энергию излучения устройства в 2,5-10 и более раз в зависимости от энергии накачки.

Технико-экономическая эффективность заявляемого способа по сравнению с прототипом обусловлена также и снижением трудовых и материальных затрат на изготовление лазера, поскольку исключается трудоемкая процедура нанесения зеркал на входную поверхность излучателя, требующая дорогостоящего оборудования и больших затрат времени, а также трудоемкая операция механической и химико-динамической полировки этой же поверхности пластины. Дополнительная операция определения кристаллографической полярности поверхностей не приводит к существенному возрастанию трудозатрат, поскольку такое определение можно провести, например, визуально после травления пластины в течение 1-2 мин в кипящей соляной кислоте. Достоинством способа является также то, что он не требует применения драгоценного металла - серебра, а также то, что при отсутствии серебряного покрытия повышается радиационная стойкость излучателя, поскольку это покрытие имеет меньший порог разрушения, чем поверхность кристалла.

П р и м е р 1. Подложку изготавливают из пластины плавленого кварца диаметром 40 мм, толщиной 3 мм, посредством шлифовки и полировки по любой технологии. Пластину селенида цинка диаметром 35 мм, толщиной 1,5 мм травят в течение 2 мин в концентрированной соляной кислоте при температуре кипения с последующей промывкой в воде. По внешнему виду поверхностей после травления судят о кристаллографической полярности поверхностей. Затем поверхность A шлифуют, полируют механически и химико-механически в потоке соляной кислоты. После этого пластину наклеивают оптическим клеем ОК поверхностью A к подложке. Затем пластину со стороны B шлифуют до достижения толщины 200 мкм и разрезают на элементы размером 1х1 мм². Далее поверхность B пластины травят в концентрированной кипящей соляной кислоте в течение 3 мин, а затем промывают в дистиллированной воде. Параметры устройства соответствуют приведенным в таблице.

П р и м е р 2. Устройство изготавливают аналогично примеру 1, однако время травления поверхности B составляет 5 мин. Параметры полученного устройства такие же, как и у устройства, изготовленного в примере 1.

Формула изобретения

СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ЛАЗЕРА С НАКАЧКОЙ ЭЛЕКТРОННЫМ ПУЧКОМ, включающий изготовление полупроводниковой пластины из селенида цинка и оптического резонатора, состоящего из двух зеркал, одно из которых глухое, отличающийся тем, что глухое зеркало изготавливают на поверхности, перпендикулярной кристаллографическому направлению III, путем травления этой поверхности в концентрированной соляной кислоте при температуре ее кипения в течение 3 - 5 мин.

РИСУНКИ

Рисунок 1