Инжекционный полупроводниковый лазер

 

Изобретение относится к области мощных (от 500 мВт до 5 Вт) инжекционных полупроводниковых лазеров, предназначенных для использования в различных областях науки и техники, например медицине, автоматике и робототехнике, связи, в том числе космической, спектрометрии, геологии и т.д. Сущность изобретения: в инжекционном полупроводниковом лазере, изготовленном на основе гетероструктуры, с эмиттерными слоями и помещенной между ними активной областью, содержащем набор параллельно расположенных мезаполосок с основаниями, находящимися в ближайшем к ним эмиттерном слое, изолирующий слой, нанесенный в межполосковых областях, и сплошной металлический слой , расположенный сверху гетероструктуры и предназначенный для подвода тока к лазеру, упомянутый выше изолирующий слой выполнен из поликристаллического кремния с удельным электрическим сопротивлением не менее ∫1234567667890- = 2 · 10^-3 Ом · см² и толщиной в диапазоне 0,1 - 0,5 мкм. 3 ил.

Изобретение касается мощных (от 500 мВт до 5 Вт) инжекционных полупроводниковых лазеров, предназначенных для использования в различных областях науки и техники, например медицине, автоматике и робототехнике, связи, в том числе космической, спектрометрии, геологии и т.д.

Известен маломощный одномодовый инжекционный лазер на основе гетероструктуры полупроводниковых соединений A^IIIB^V и их твердых растворов с эмиттерными слоями и помещенной между ними активной областью, мезаполоской шириной 1-3 мкм с основанием, расположенным в ближайшем к нему эмиттерном слое, и с изолирующим слоем из селенида цинка ZnSe [1].

Лазер работает при выходной оптической мощности менее 100 мВт. Кроме того, селенид цинка ZnSe обладает недостаточно высокой теплопроводностью, что снижает срок службы лазера из-за перегрева кристалла.

Известна конструкция маломощного полупроводникового инжекционного лазера на основе гетероструктуры GaAs/GaAlAs с эмиттерными слоями и помещенной между ними активной областью, представляющего собой набор параллельно расположенных контактных полосок, изоляция между которыми выполнена из оксида кремния SiO₂ [2].

Кроме того, конструкция лазера содержит общую сплошную контактную область, что позволило получить однородное распределение интенсивности лазерного излучения на выходном зеркале кристалла и, как следствие, достичь выходной оптической мощности 300 мВт.

Дальнейшее увеличение мощности при такой конструкции лазера возможно лишь при существенном уменьшении срока службы из-за перегрева кристалла вследствие недостаточно эффективного отвода тепла, связанного с недостаточной теплопроводностью изолирующего слоя из SiO₂.

Известен маломощный инжекционный полупроводниковый лазер на основе гетероструктуры Al_yGa_1-yAs-GaAs-In_xGa_1-xAs с эмиттерными слоями и помещенной между ними активной областью, представляющий собой набор параллельно расположенных мезаполосок шириной 3 мкм с основаниями, расположенными в ближайшем эмиттерном слое, и изолирующим слоем из естественного оксида алюминия Al₂O₃ [3].

Данная конструкция позволяет изготавливать лазеры с выходной оптической мощностью порядка 100 мВт, однако дальнейшее увеличение мощности при такой конструкции лазера возможно лишь при существенном уменьшении срока службы из-за перегрева кристалла вследствие недостаточно эффективного отвода тепла, связанного с недостаточной теплопроводностью изолирующего слоя из Al₂O₃ (коэффициент теплопроводности оксида алюминия составляет 0,04 Вт/см·град).

В последнее время возникла острая потребность в источниках мощного лазерного излучения (от 0, 5 до 5,0 Вт).

В настоящее время в качестве источников мощного излучения используются газовые и твердотельные лазеры. Однако область использования этих лазеров ограничена их большими габаритными размерами и высоким энергопотреблением.

Поэтому возникла проблема разработки высокомощных полупроводниковых инжекционных источников лазерного излучения, для которых характерны миниатюрные размеры (в 100 - 1000 раз меньшие, чем размеры газовых лазеров) и низкое энергопотребление (более чем в 10³ раз меньшее, чем у газовых лазеров).

Задача изобретения заключается в разработке конструкции высокомощного инжекционного полупроводникового лазера со сроком службы не менее 3 - 5 тысяч часов.

Задача решается тем, что в инжекционном полупроводниковом лазере, изготовленном на основе гетероструктуры, с эмиттерными слоями и помещенной между ними активной областью, содержащем набор параллельно расположенных мезаполосок с основаниями, находящимися в ближайшем к ним эмиттерном слое, изолирующий слой, нанесенный в межполосковых областях, и сплошной металлический слой, расположенный сверху гетероструктуры и предназначенный для подвода тока к лазеру, упомянутый выше изолирующий слой выполнен из поликристаллического кремния с удельным электрическим сопротивлением не менее ρ = 2·10^-3 Ом·см² и толщиной в диапазоне 0,1 - 0,5 мкм.

Выполнение изолирующего слоя из поликристаллического кремния с удельным электрическим сопротивлением ρ = 2·10^-3 Ом·см² и толщиной 0,1 - 0,5 мкм позволяет осуществить устойчивую межполосковую электроизоляцию с одновременным высокоэффективным отводом тепла от активной области полупроводникового лазера.

Для доказательства этого утверждения приведем ватт-амперные характеристики инжекционных полупроводниковых лазеров с изолирующими слоями из оксида алюминия Al₂O₃ и поликристаллического кремния Si (фиг.1).

Как видно из характеристик на фиг.1, при увеличении мощности излучения лазера (W) более 300 мВт при одинаковых рабочих токах (I) мощность оптического излучения лазера в случае изготовления изолирующего слоя из Al₂O₃ (кривая 2) становится меньше по сравнению с лазером, изолирующий слой которого изготовлен из поликристаллического кремния (кривая 1). При увеличении рабочего тока лазера с изолирующим слоем из Al₂O₃ более 0, 9 А происходит деструкция гетероструктуры, приводящая к полной необратимой деградации лазера.

Такие явления связаны с тем, что изоляционные слои из Al₂O₃ и Si значительно отличаются теплопроводностью при близких электроизоляционных свойствах. Так, теплопроводность Al₂O₃ составляет 27 - 29 Вт/м·град, а теплопроводность Si 167 - 169 Вт/м·град.

Это же свойство поликристаллического Si приводит к увеличению срока службы полупроводникового лазера до 3 - 5 тысяч часов без заметного увеличения рабочего тока и при отсутствии заметной постоянной деградации лазера.

Для доказательства этого утверждения на фиг.2 приведены зависимости мощности излучения от времени наработки при постоянном токе накачки для лазера с изолирующим слоем из поликристаллического кремния (кривая 1) и лазера с изолирующим слоем из оксида алюминия (кривая 2).

Как видно из фиг.2, мощность излучения лазера, изготовленного с изолирующим слоем из поликристаллического кремния, практически не меняется (наблюдается уменьшение мощности излучения не более 3%) в течение всего срока наработки 5000 ч (кривая 1), в то время как для лазера с изолирующим слоем из оксида алюминия начинает заметно падать уже после 100 ч наработки, а при 200 ч наработки происходит полная деградация лазера (кривая 2).

Толщина изолирующего слоя из поликристаллического кремния должна быть выбрана в диапазоне от 0,1 до 0,5 мкм. При толщине менее 0,1 мкм нарушается сплошность слоя и слой не работает как изолирующий. При толщине более 0,5 мкм ухудшается отвод тепла от кристалла лазера.

На фиг.1 приведены ватт-амперные характеристики полупроводниковых лазеров: предлагаемого (кривая 1) и прототипа (кривая 2); на фиг. 2 приведены зависимости мощности излучения от времени наработки при постоянном токе накачки для лазера с изолирующим слоем из поликристаллического кремния (кривая 1) и лазера с изолирующим слоем из оксида алюминия (кривая 2); на фиг. 3 приведена конструкция предлагаемого инжекционного полупроводникового лазера.

Приведем пример конкретного осуществления изобретения.

Инжекционный полупроводниковый лазер изготовлен на основе подложки 1 с нижним эмиттерным слоем 2 и верхним эмиттерным слоем 3 с расположенной между ними активной областью 4. Полупроводниковый лазер содержит набор параллельно расположенных мезаполосок 5 с основаниями, находящимися в ближайшем к ним эмиттерном слое 3. В межполосковых областях нанесен изолирующий слой 6 из поликристаллического кремния Si с удельным электрическим сопротивлением ρ = 2·10^-3 Ом·см² и толщиной 0,1 - 0,5 мкм. Сверху гетероструктуры для подвода тока к лазеру нанесен сплошной металлический слой 7.

Технология изготовления инжекционного полупроводникового лазера состоит из следующих основных этапов.

На подложке 1 эпитаксиально последовательно выращиваются эмиттерные слои 2 и 3 с промежуточной активной областью 4, например, методом молекулярно-лучевой эпитаксии. Далее изготавливается набор параллельно расположенных мезаполосок с основаниями, находящимися в ближайшем к ним эмиттерном слое 3, например, с использованием литографического процесса и ионного травления.

После этого производят нанесение поликристаллического кремния в межполосковые области, например, методом магнетронного распыления на постоянном токе. После изготовления изоляционного слоя 6 на поверхность гетероструктуры наносят сплошной металлический слой 7, например, методом вакуумно-термического испарения.

Пример 1. Изготовлен инжекционный квантово-размерный с раздельным ограничением на основе двойной гетероструктуры AlGaAs/GaAs полупроводниковый лазер.

Технология изготовления состоит из следующих основных этапов. На подложке из арсенида галлия GaAs n-типа проводимости последовательно выращиваются эмиттерные слои AlGaAs с промежуточной активной областью методом молекулярной лучевой эпитаксии. Используя метод фотолитографии и сухого ионного травления, формируется в p-типе эмиттерном слое мезаполосковый рисунок с шириной полоска 4/4 мкм и общей длиной 100 мкм. В межполосковые ямки травления методом магнетронного распыления на постоянном токе наносится слой поликристаллического кремния толщиной 0,3 мкм. После удаления фоторезистивной маски на поверхность гетероструктуры методом вакуумного термического испарения наносится слой золота.

Изготовленный лазер имеет следующие основные характеристики: Длина волны излучения, мкм - 0,82 Спектральная ширина линии, нм - 3 Выходная мощность излучения на постоянном токе, Вт - 0,5 Максимальная выходная мощность излучения на постоянном токе, Вт - 0,6 Пороговый ток, mА - 200 Рабочий ток, А - 1,1 Рабочее напряжение, В - 2,0
Срок службы, ч - 5000
Пример 2. Изготовлен инжекционный квантово-размерный с раздельным ограничением на основе двойной гетероструктуры AlGaInAs/GaAs полупроводниковый лазер.

Технология изготовления состоит из следующих основных этапов. На подложке из арсенида галлия GaAs n-типа проводимости методом металлоорганической газофазной эпитаксии последовательно выращиваются эмиттерные слои AlGaAs с промежуточной активной областью GaAs/InGaAs/GaAs. Используя метод фотолитографии и сухого ионного травления, формируется в p-типе эмиттерном слое мезаполосковая структура с шириной полоска 4/4 мкм и общей длиной рисунка 150 мкм. В межполосковые ямки травления методом газофазного осаждения наносится слой поликристаллического кремния толщиной 0,2 мкм. После снятия фоторезистивной маски на поверхность гетероструктуры методом магнетронного распыления наносится металлический слой из золота.

Изготовленный лазер имеет следующие основные характеристики:
Длина волны излучения, мкм - 0,96
Спектральная ширина линии, нм - 3
Выходная мощность излучения на постоянном токе, Вт - 1,2
Максимальная выходная мощность излучения на постоянном токе, Вт - 1,5
Пороговый ток, А - 0,5
Рабочий ток, А - 2,2
Рабочее напряжение, В - 2,2
Срок службы, ч - 4000
Лазеры предлагаемой конструкции с большой мощностью излучения и сроком службы найдут широкое применение в различных областях науки и техники.

Формула изобретения

Инжекционный полупроводниковый лазер, изготовленный на основе гетероструктуры с эмиттерными слоями и помещенной между ними активной областью, содержащий набор параллельно расположенных мезаполосок с основаниями, находящимися в ближайшем к ним эмиттерном слое, изолирующий слой, нанесенный в межполосковых областях, и сплошной металлический слой, расположенный сверху гетероструктуры и предназначенный для подвода тока к лазеру, отличающийся тем, что изолирующий слой выполнен из поликристаллического кремния с удельным электрическим сопротивлением не менее ρ = 2·10^-3Oм·см² и толщиной 0,1 - 0,5 мкм.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3