Полупроводниковый лазер на основе эпитаксиальной гетероструктуры



Полупроводниковый лазер на основе эпитаксиальной гетероструктуры
Полупроводниковый лазер на основе эпитаксиальной гетероструктуры
Полупроводниковый лазер на основе эпитаксиальной гетероструктуры
Полупроводниковый лазер на основе эпитаксиальной гетероструктуры
Полупроводниковый лазер на основе эпитаксиальной гетероструктуры

 


Владельцы патента RU 2582302:

федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский ядерный университет МИФИ" (НИЯУ МИФИ) (RU)

Использование: для полупроводниковых лазеров, возбуждаемых током, светом, электронным пучком. Сущность изобретения заключается в том, что конструкция полупроводникового лазера на основе гетероструктуры, содержащая лазерный кристалл, теплоотвод со стороны эпитаксиальных слоев гетероструктуры, подводящие ток электроды и гибкие электрические проводники, при этом подводящие ток электроды расположены параллельно оси резонатора лазерного кристалла, а гибкие электрические проводники соединяют подложку гетероструктуры непосредственно с электродами одной полярности. Технический результат: обеспечение возможности повышения мощности излучения лазера в непрерывном режиме генерации или максимальной и средней мощности в импульсном режиме генерации, снижения последовательного сопротивления, повышения кпд, а также повышения надежности, уменьшения габаритов, повышения выхода годных изделий. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к квантовой электронике, в частности к конструкциям полупроводниковых лазеров, возбуждаемых током, светом, электронным пучком.

Известен патент RU 2153745, в котором предложена конструкция, позволяющая реализовать эффективный отвод тепла от активной области полупроводниковой лазерной гетероструктуры при расположении теплоотводов как со стороны эпитаксиальных слоев, так и со стороны подложки гетероструктуры. Недостатком такой конструкции является сложность ее изготовления, поскольку для существенного повышения эффективности отвода тепла от активной области при использовании дополнительного теплоотвода со стороны подложки требуется локальное или полное удаление подложки, а утонение гетероструктруры до требуемых толщин менее 20 микрон снижает прочность лазерного кристалла, приводит к его значительной деформации вследствие термоупругих напряжений, что снижает ресурсные параметры таких лазеров.

Известен патент US 6310900 В1. В нем предложено использовать двусторонний отвод тепла от активной области лазерного кристалла. Теплоотводы в такой конструкции расположены со стороны эпитаксиальных слоев, так и со стороны подложки гетероструктуры. Недостатком данной конструкции является невысокая суммарная эффективность отвода тепла от обеих сторон лазерного кристалла вследствие невысокой теплопроводности припоев при достаточно большой необходимой их толщине. Кроме того, конструкция не обеспечивает планарности и однородности тепловых потоков. От активной области, являющейся источником тепла, тепловые потоки первоначально распространяются в двух противоположных направлениям по теплоотводящим элементам, причем плотность потока тепла со стороны эпитаксиальных слоев существенно выше, чем со стороны подложки, имеющей высокое тепловое сопротивление, затем потоки тепла разворачиваются на 90 градусов по направлению к базовому теплоотводящему элементу. В отличие от патента RU 2153745 конструкция не предусматривает утонение подложки до малых толщин, что существенно снижает эффективность отвода тепла со стороны подложки при ее типичной толщине 100-120 микрон, обеспечивающей необходимую прочность и отсутствие деформации лазерного кристалла.

Указанное в патенте US 6310900 В1 техническое решение не позволяет существенно повысить эффективность отвода тепловых потоков высокой плотности от активной области лазерного кристалла, а техническое решение в патенте RU 2153745 является сложным в изготовлении и не позволяет обеспечить необходимую прочность и долговечность лазерного кристалла при существующем уровне технологии.

Прототипом предлагаемого технического решения является патент US 8638827 В2. В данной конструкции между лазерным кристаллом и теплоотводящим элементом находится промежуточный теплоотвод (сабмаунт) из керамического диэлектрического материала. Сабмаунт одной из сторон монтируется на теплоотводящий элемент из меди, а на противоположной стороне имеет сформированную методами фотолитографии топологию в виде электрически изолированных контактных площадок для монтажа кристалла лазерного диода и присоединения гибких электрических проводников к электродам обеих полярностей и к подложке гетероструктуры. В данной конструкции подводящие ток электроды расположены перпендикулярно оси резонатора лазерного кристалла. Принципиальным недостатком этой конструкции является невысокая теплопроводность керамического сабмаунта, составляющая около 50% от теплопроводности меди, равной 380 Вт/(м·К). Применяемые диэлектрические сабмаунты из AlN и ВеО имеют теплопроводность около 200 Вт/(м·К), что снижает эффективность отвода тепла. Кроме того, вследствие применения керамического сабмаунта с контактными площадками, а также перпендикулярного расположения электродов относительно оси резонатора лазерного кристалла, подвод тока от подводящих электродов конструктивно осуществляется в три ступени через две контактные площадки, что усложняет конструкцию, повышает ее последовательное сопротивление, снижает полный кпд лазера, повышает стоимость.

Технический результат предлагаемого решения направлен на повышение эффективности отвода тепла от активной области лазерного кристалла, снижение последовательного сопротивления лазера, повышение выходной мощности и полного кпд, повышение надежности.

Технический результат достигается тем, что в полупроводниковом лазере на основе эпитаксиальной гетероструктуры, включающий лазерный кристалл, теплоотвод со стороны эпитаксиальных слоев гетероструктуры, подводящие ток электроды и гибкие электрические проводники, подводящие ток электроды расположены параллельно оси резонатора лазерного кристалла, а гибкие электрические проводники соединяют подложку гетероструктуры непосредственно с электродами одной полярности.

Кроме того, в частном случае между лазерным кристаллом и теплоотводом, выполненным из меди, расположен сабмаунт, изготовленный из материала с теплопроводностью более высокой, чем у меди, например из алмаза или композита на основе алмаза.

В другом частном случае подводящие ток электроды выступают над поверхностью лазерного кристалла.

В отличие от технического решения, описанного в патенте US 8,638,827 В2, в предлагаемом техническом решении используется минимальное количество компонентов. За счет расположения подводящих электродов параллельно оси лазерного резонатора и присоединения гибких электрических контактов от подложки гетероструктуры непосредственно к электродам, вместо 3-х контактных групп гибких проводников испольуется одна, причем в ней реализуется минимальная длина подводящих ток гибких проводников, исключается протекание тока по металлизации контактных площадок на изолирующем сабмаунте, что снижает последовательное сопротивление и делает конструкцию существенно проще, дешевле и надежней.

В то же время по сравнению с прототипом она обеспечивает более высокую излучаемую мощность при более высоком полном кпд, в частности, за счет применения сабмаунта с более высокой, чем в прототипе, теплопроводностью. Дополнительное увеличение излучаемой выходной мощности и полного кпд реализуется за счет снижения последовательного сопротивления.

Поскольку лазерный кристалл и подводящие ток электроды расположены параллельно, с минимальным технологическим зазором, то это технологически позволяет распределить их с высокой однородностью по площади подложки гетероструктуры для равномерной накачки активного слоя, а также равномерно распределить их по площади электродов и подвести ток непосредственно от электродов к лазерному кристаллу большим количеством гибких проводников, имеющих минимальную длину и соответственно минимальное электрическое сопротивление, что весьма актуально для непрерывных мощных лазерных диодов, требующих рабочих токов накачки 20-30 А и более.

На Фиг. 1 представлен пример выполнения предложенного устройства. Оно представляет собой теплоотвод 1, лазерный кристалл 2, изолятор 3, подводящие ток электроды 4, гибкие электрические проводники 5, оптическую ось резонатора лазерного кристалла 6, отверстия для крепления 7.

На Фиг. 2 показан вариант конструкции, предложенный в п. 2 формулы изобретения. Она представляет собой теплоотвод 1, лазерный кристалл 2, изолятор 3, электроды 4, гибкие электродов 5, оптическую ось резонатора лазерного кристалла 6, отверстия для крепления 7, сабмаунт с высокой теплопроводностью 8.

Введение сабмаунта между теплоотводом и лазерным кристаллом позволяет дополнительно повысить эффективность отвода тепла за счет выбора материала из которого изготавливается сабмаунт.

На Фиг. 3 показан вид предлагаемого устройства со стороны торца теплоотвода, когда подводящие ток электроды выступают над поверхностью лазерного кристалла.

В данном случае лазерный кристалл имеет механическую защиту от повреждений за счет выступающих над ним по вертикали подводящих ток электродов. По этому параметру предлагаемое решение в отличие от прототипа, где защита лазерного кристалла обеспечивается выступами на базовом теплоотводящем элементе, достигается более простым и технологичным способом, при этом не требуется дорогостоящее изготовление и сложная обработка непланарных теплоотводов.

Устройство работает следующим образом. Ток накачки протекает последовательно через подводящие ток электроды, гибкие электрические проводники, лазерный кристалл, сабмаунт (при использовании сабмаунта) и теплоотводящий элемент, вызывая в активной области лазерного кристалла рекомбинацию инжектированных носителей и генерацию лазерного излучения.

Были изготовлены полупроводниковые лазеры на основе эпитаксиальной гетероструктуры в количестве 11 образцов. Параметры лазерных кристаллов были следующие: длина резонатора 3.6 мм, ширина полоскового контакта 100 микрон, длина волны излучения 1060 нм. Теплоотводы были изготовлены из меди. Измеренные ватт - амперные характеристики изготовленных лазеров показаны на Фиг. 4. Как видно из ватт-амперных характеристик (зависимости выходной мощности излучения лазера Power, W от тока накачки Current, А), наблюдалась высокая однородность параметров по выходной мощности, при токе накачки 8А мощность излучения для партии из 11 образцов имела разброс 0.25 Вт, от 8 Вт до 8.25 Вт. Максимальный кпд для изготовленных образцов составил около 60%. Высокая однородность наблюдалась также по значениям рабочего напряжения и длине волны излучения. Все 11 исследованных образцов полупроводниковых лазеров имели стабильность перечисленных исходных параметров в пределах 1% после 150 часов испытаний в непрерывном режиме работы при температуре 20 градусов Цельсия.

Таким образом, предлагаемое техническое решение обеспечивает повышение мощности излучения полупроводникового лазера в непрерывном режиме генерации, максимальной и средней мощности в импульсном режиме генерации и полного кпд за счет повышения теплопроводности теплоотвода и снижения последовательного сопротивления. Кроме того, предлагаемая конструкция проста в изготовлении, имеет повышенную надежность по сравнению с аналогами и прототипом, обеспечивает снижение габаритов и обладает потенциалом для получения высокого выхода годных изделий при производстве.

1. Полупроводниковый лазер на основе эпитаксиальной гетероструктуры, включающий лазерный кристалл, теплоотвод со стороны эпитаксиальных слоев гетероструктуры, подводящие ток электроды и гибкие электрические проводники, отличающийся тем, что подводящие ток электроды расположены параллельно оси резонатора лазерного кристалла, а гибкие электрические проводники соединяют подложку гетероструктуры непосредственно с электродами одной полярности.

2. Полупроводниковый лазер по п. 1, отличающийся тем, что между лазерным кристаллом и теплоотводом, выполненным из меди, находится сабмаунт, изготовленный из материала с теплопроводностью более высокой, чем у меди, например из алмаза или композита на основе алмаза.

3. Полупроводниковый лазер по пп. 1, 2, отличающийся тем, что подводящие ток электроды выступают над поверхностью лазерного кристалла.



 

Похожие патенты:

Данный нитридный полупроводниковый ультрафиолетовый светоизлучающий элемент обеспечивается: базовой секцией структуры, которая включает в себя сапфировую подложку (0001) и слой AlN, сформированный на подложке; и секцией структуры светоизлучающего элемента, которая включает в себя слой покрытия n-типа полупроводникового слоя AlGaN n-типа, активный слой, имеющий полупроводниковый слой AlGaN, и слой покрытия p-типа полупроводникового слоя AlGaN p-типа, при этом упомянутый слой покрытия n-типа, активный слой и слой покрытия p-типа сформированы на базовой секции структуры.

Изобретение относится к квантовой электронике. Инжекционный лазер с модулированным излучением на основе гетероструктуры содержит секцию (1), секцию (2) управления, элемент (3), обеспечивающий электрическую изоляцию первого омического контакта (4) секции (1) усиления от второго омического контакта (5) секции 2 управления, элемент (6), обеспечивающий оптическую связь секции (1) усиления и секции (2) управления, оптический резонатор для ФПМ и оптический резонатор для ЗМ.

Изобретение относится к квантовой электронике. Полупроводниковый лазер содержит гетероструктуру, выращенную на подложке GaAs, ограниченную перпендикулярными оси роста торцовыми поверхностями, с нанесенными на них покрытиями, с одной стороны - отражающим, а на другой - антиотражающим, и включающую волноводный слой с активной областью, сформированный p-i-n-переход, контактный слой и ограничительные слои, показатели преломления последних меньше показателей преломления подложки и других слоев, контактный слой и смежный с ним ограничительный слой легированы акцепторами, а подложка и другой ограничительный слой легированы донорами.

Предложенная группа изобретений относится к полупроводниковым лазерам. Полупроводниковый лазер включает гетероструктуру, выращенную на подложке, содержащей буферный слой, покровный слой, контактный слой, активную область с активной квантовой ямой либо с активными квантовыми ямами, выполненную в p-n- и/или в p-i-n- переходе, сформированном в окружающих ее слоях полупроводника, с показателем преломления активной квантовой ямы либо с показателями преломления активных квантовых ям, превышающих показатели преломления окружающих слоев полупроводника.

Изобретение относится к полупроводниковой электронике. .

Изобретение относится к резонаторам полупроводниковых лазеров с лучеиспускающей поверхностью на основе гетероструктур. .

Изобретение относится к области квантовой электронной техники и интегральной оптоэлектроники, а более конкретно - к интегральным инжекционным лазерам. .

Изобретение относится к оптико-электронному приборостроению, в частности к лазерным источникам света, и может быть использовано в оптических системах, предназначенных, например, для указания направления или цели.

Изобретение относится к матрицам лазерных диодов, которые могут быть использованы как самостоятельные источники излучения, так и в качестве системы накачки твёрдотельных лазеров.

Изобретение относится к полупроводниковой электронике, в частности к производству СВЧ мощных арсенид-галлиевых дискретных приборов и интегральных микросхем, силовых гибридных модулей, компьютерных микросхем и плат, а также может быть использовано в оптоэлектронике для исследования, разработки и производства мощных полупроводниковых лазеров, лазерных полупроводниковых матриц и лазерных систем на их основе.

Изобретение относится к квантовой электронике, в частности к конструкции полупроводниковых лазеров, возбуждаемых током, светом, электронным пучком. .

Изобретение относится к области конструирования и применения полупроводниковых лазеров, в частности разработки излучателей на основе лазерных диодов, для сборки матриц лазерных диодов, используемых в качестве источника накачки мощных твердотельных лазеров.

Изобретение относится к квантовой электронике, в частности к конструкции полупроводниковых лазеров, возбуждаемых током, светом и электронным пучком. .

Изобретение относится к нанотехнологии и может быть использовано при изготовлении спазеров, плазмонных нанолазеров, при флуоресцентном анализе нуклеиновых кислот, высокочувствительном обнаружении ДНК, фотометрическом определении метиламина. Сначала приготавливают первый раствор, содержащий наночастицы золота с оболочкой из оксида кремния. Затем приготавливают второй раствор, включающий квантовые точки, покрытые лигандами, содержащими различные функциональные группы. Смешивают указанные растворы для получения результирующего раствора, содержащего наночастицы золота с оболочкой из оксида кремния, покрытой квантовыми точками. Количество квантовых точек определяют отношением диаметра оболочки к диаметру квантовой точки. Для получения требуемого количества квантовых точек на поверхности оболочки её толщину увеличивают после смешивания первого и второго растворов путём смешивания результирующего водного раствора с этанолом и добавления аммония и тетраэтоксисилана. Изобретение позволяет управлять количеством квантовых точек на поверхности оболочки. 11 з.п. ф-лы, 1 ил.

Использование: для полупроводниковых инжекционных лазеров. Сущность изобретения заключается в том, что инжекционный лазер на основе полупроводниковой гетероструктуры раздельного ограничения, включающей многомодовый волновод, первый и второй широкозонные ограничительные слои, являющиеся одновременно соответственно эмиттерами р- и n-типа проводимости и расположенные по разные стороны от многомодового волновода, активную область, расположенную в многомодовом волноводе и состоящую, по меньшей мере, из одного квантоворазмерного активного слоя, омические контакты и оптический резонатор, между многомодовым волноводом и одним из первого и второго широкозонных ограничительных слоев введены первый одномодовый волновод и первый дополнительный широкозонный ограничительный слой, при этом первый дополнительный широкозонный ограничительный слой расположен между многомодовым волноводом и первым одномодовым волноводом, фактор оптического ограничения для активной области одной собственной m-моды (m - целое положительное число) многомодового волновода удовлетворяет представленному соотношению, а толщина Р1, нм, первого дополнительного широкозонного ограничительного слоя, эффективный показатель преломления Nd собственной моды первого одномодового волновода и минимальное значение ns эффективного показателя преломления собственных мод многомодового волновода удовлетворяют также представленным соотношениям. Технический результат: обеспечение возможности изготовления инжекционного лазера с уменьшенной расходимостью лазерного пучка и увеличенной толщиной волновода при сохранении лазерной генерации на поперечной моде. 5 н.п. ф-лы, 14 ил.
Наверх