ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ (ВАРИАНТЫ)

Область техники
Полезная модель относится к области полупроводниковой квантовой электроники, к когерентным и некогерентным полупроводниковым источникам излучения, в том числе мощным, в частности, к конструкции полупроводниковых лазерных или суперлюминесцентных излучающих линеек излучателей.
Предшествующий уровень техники
Известны различные конструкции полупроводниковых излучателей в виде линеек диодных (инжекционных) лазеров, а также наборных решеток, состоящих из линеек диодных (инжекционных) лазеров (см., например, [Свидетельство RU 8174, кл. H01S 3/18, опубл. 16.10.1998, ГП НИИ «Полюс», RU; Патент ЕР 1887666, опубл. 13.02.2008, THIAGARAJAN PRABHU и др., US]. Общим для всех рассмотренных конструкций является наличие набора диодных лазеров в линейку и далее набора таких линеек в решетку, имеющими единый теплоотвод со стороны зеркал, противоположных излучающим, основание, токоподводящие контактные площадки, корпус, микрохолодильники, позволяющие эффективно снизить перегрев при работе известных излучателей
Известны лазерные диодные линейки (см., например, [Патент RU 2230410, H01S 5/042, опубл. 10.06.2004, ФГУП «НИИ «Полюс» им. М.Ф. Стельмаха, RU; Патент RU 113426, H01S 3/00, опубл. 10.02.2012, ФГУП «НИИ «Полюс» им. М.Ф. Стельмаха», RU]).
Известна лазерная диодная линейка, выполненная на основе лазерной гетероструктуры с волноводными слоями [Патент RU 2230410, H01S 5/042, опубл. 10.06.2004, ФГУП «НИИ «Полюс» им. М.Ф. Стельмаха, RU]. Она включает чередующуюся последовательность, состоящую из активной (излучающей, накачиваемой при работе) и пассивной (неизлучающей, ненакачиваемой при работе) секций, выполненную со стороны слоя p-типа проводимости. При этом основание каждой пассивной секции, находится в слое p-типа проводимости и отдалено от границы ограничительного слоя на расстояние, не превышающее 0,5 мкм. По крайней мере часть основания каждой пассивной секции является рельефной структурой, примыкающей к активной секции. Рельефная структура в направлении, перпендикулярном продольной оси резонатора, имеет протяженность, превышающую расстояние, обеспечивающее рассеяние излучения, распространяющегося в направлении, перпендикулярном продольной оси резонатора. Каждая рельефная структура имеет амплитуду не менее 0,1 мкм. В результате получено увеличение выходной мощности излучения, сужается и улучшается пространственная диаграмма выходного излучения в плоскости p-n-перехода до одномодовой, улучшается спектр излучения до одночастотного. Получено подавление кольцевых мод, фильтрация мод более высокого порядка по отношению к основной (нулевой) моде.
В то же время упомянутые пассивные секции, расположенные ниже верхней (монтажной) поверхности активных секций, при монтаже линейки на контактную пластину не могут служить для теплоотвода в процессе протекания рабочего тока.
Известен полупроводниковый излучатель, содержащий одну лазерную диодную линейку (см. Фиг. 2 [Патент RU 113426, H01S 3/00, опубл. 10.02.2012, ФГУП «НИИ «Полюс» им. М.Ф. Стельмаха», RU]). Монолитная интегральная лазерная диодная линейка на основе лазерной гетероструктуры разделена двумя пассивными секциями, шириной по тридцать микрон, на три излучающие активные секции, по сто микрон каждая. Пассивные секции выполнены со стороны p-типа гетероструктуры на глубину, превышающую на 1,8 мкм глубину расположения ближайшей границы n-типа ограничительного слоя. Аналогичными пассивными секциями лазерная диодная линейка ограничена с боковых сторон. Пассивные секции заращены изолирующим слоем ZnSe. На поверхностях n- и p-типа гетероструктуры нанесены соответствующие контактные слои. Сторона p-типа проводимости лазерной диодной линейки размещена на теплоотводе. Конфигурация пассивных секций, также как в предшествующем аналоге, не позволяет через них отводить тепло от поверхности активных секций при монтаже линейки на контактную пластину в процессе протекания рабочего тока. Возникающий перегрев приводит к снижению выходных мощностных характеристик, ресурса работы, электростабильности и надежности работы, ухудшению воспроизводимости параметров излучателя. При увеличении ширины пассивных областей для снижения перегрева лазерной диодной линейки еще значительнее снизится механическая прочность всей конструкции. Для стабилизации температурного режима требуются внешние охлаждающие устройства, например, микрохолодильник, что увеличивает общие габариты и вес изделия с известной лазерной диодной линейкой.
Раскрытие полезной модели
Техническим результатом предложенного полупроводникового излучателя является повышение выходных мощностных характеристик, электростабильности и надежности работы, увеличение ресурса работы, воспроизводимости параметров излучателя с улучшенной возможностью подавления кольцевых мод и при неизменности пространственных (распределение интенсивности в дальнем поле) характеристик излучения, вследствие улучшения теплоотвода от линейки и увеличения ее механической прочности, а также повышение качества и упрощение технологии сборки, снижение габаритов и веса излучателя для ряда применений.
В соответствии с полезной моделью технический результат достигается тем, что предложен полупроводниковый излучатель, содержащий диодную линейку на основе лазерной гетероструктуры с p-n переходом, имеющую чередующуюся последовательность из активной и пассивной секций, причем каждая пассивная секция находится между активными секциями, а также имеющую изолирующие покрытия и контактные слои. Сторона p-типа проводимости диодной линейки обращена к контактной пластине, являющейся теплоотводом. Излучатель содержит электрические контактные выводы. В предложенном полупроводниковом излучателе каждая пассивная секция последовательности имеет среднюю часть из той же лазерной гетероструктуры, две области, продолжающие соседние активные секции вдоль p-n перехода, каждая длиной не менее 2-3 диффузионных длин электронов, инжектированных в p-n переход током накачки при работе излучателя, а также два углубления между каждой боковой стороной средней части и соседней с ней упомянутой областью, причем толщины средней части и упомянутых областей пассивной секции одинаковы, а контактный слой находится на всей поверхности чередующейся последовательности активных и пассивных секций.
Технический результат достигается также тем, что все части пассивной секции имеют изолирующее покрытие.
Технический результат достигается также тем, что диодная линейка может быть как лазерной, так и суперлюминесцентной.
Предложенная совокупность признаков предложенного полупроводникового излучателя позволила обеспечить равные величины коэффициента термического расширения (КТР) каждой активной (накачиваемой и излучающей при работе излучателя) секции и средней части каждой пассивной (ненакачиваемой и неизлучающей при работе излучателя) секции и соразмерность по толщине, причем средняя часть пассивной секции электрически изолирована от активной секции. Отмеченное привело к беспрепятственному и эффективному отводу тепла, возникающего в активных секциях при работе излучателя, через среднюю часть и упомянутых областей пассивной секции к теплоотводу. В упомянутых областях, длиной не менее 2-3 диффузионных длин электронов, инжектированных в p-n переход, уменьшена скорость поверхностной рекомбинации носителей на границе «активая секция - углубление» (а, следовательно, уменьшены и токи утечки) за счет уменьшения плотности носителей по сравнению с плотностью носителей в центре квантовой ямы при инжекции тока накачки в активную секцию. Верхний предел длины упомянутых областей определяется технологической и конструктивной целесообразностью. Нами получено повышение мощностных характеристик, улучшение электростабильности и надежности работы, увеличение ресурса работы и воспроизводимости параметров излучателя с улучшенной возможностью подавления кольцевых мод. Пространственные характеристики излучения, а именно, распределение интенсивности в дальнем поле, остались неизменными. Наличие разноуровневых средней части и упомянутых областей на краях соседних активных секций позволило увеличить механическую прочность излучателя. Как следствие, снижены напряжения, возникающие при совмещении p-стороны диодной линейки с плоской поверхностью контактной пластины. Упрощена технология и улучшено качество сборки излучателя. Предложение позволило исключить необходимость использования внешних охлаждающих устройств, т.е. снижены габарит и вес излучателя для ряда применений, например, для медицинских целей, систем открытой связи, лазерной дальнометрии, комплексов геофизических исследований и т.д.
Обращаем внимание, что технический результат достигается также тем, что
- для каждой пассивной секции проецируемые на p-типа поверхность размеры углублений и ее средней части соразмерны друг другу;
- размер каждой пассивной секции не более размеров каждой активной секции диодной линейки;
- размер углублений от поверхности p-типа превышает размер расположения n-типа слоя;
- размер углублений от поверхности p-типа не превышает размера слоев p-типа проводимости.
Нами не найден полупроводниковый излучатель с предложенной совокупностью признаков, что подтверждает наличие его новизны.
Технологическая реализация предложенного полупроводникового излучателя основана на известных базовых методах изготовления полупроводникового излучателя, которые к настоящему времени хорошо разработаны и широко применяются. Предложение удовлетворяет критерию «промышленная применимость».
Краткое описание чертежей
Настоящее изобретение поясняется фигурами 1-2.
На Фиг. 1 схематически изображен вид со стороны выхода излучения предложенного полупроводникового излучателя на основе диодной линейки.
На Фиг. 2 схематически изображен вид со стороны выхода излучения традиционного полупроводникового излучателя на основе диодной линейки.
Варианты осуществления изобретения
В дальнейшем изобретение поясняется конкретными вариантами осуществления предложенного полупроводникового излучателя. Приведенные примеры модификаций не являются единственными и предполагают наличие других реализаций, в том числе в известных диапазонах длин волн.
2
Предложенный полупроводниковый излучатель 1 (см. Фиг. 1), содержит структуру 2, состоящую из диодной линейки 3 (далее Линейка 3) на основе лазерной гетероструктуры 4 с p-п переходом 5 и с совокупностью слоев n-типа 6 и p-типа 7 проводимости. Со стороны слоев p-типа 7 гетероструктуры 4 Линейки 3 имеются углубления 8 и 9, разделяющие Линейку 3 по длине на области 10, 11 и 12, имеющих равные толщины структуры 2. Глубина углублений 8 и 9 превышает на 0,3±0,05 мкм расположение границы слоя 6 n-типа проводимости, ближайшей к поверхности p-типа 7 проводимости. На поверхности стороны p-типа 7 гетероструктуры 4 Линейки 3 области 10 и 12 имеют длину 200 мкм, каждая, а область 11 на той же поверхности стороны p-типа 7 имеет длину 70 мкм. Области 10 и 11 и области 11 и 12 отделены друг от друга (на продолжении той же поверхности стороны p-типа 7 гетероструктуры 4) на расстояния, равные 50 мкм для каждого углубления 8 и 9, соответственно. На поверхности углублений 8 и 9 и на поверхности стороны p-типа 7 области 11 нанесен изолирующий слой 13 из SiO. Кроме того, имеются изолирующие слои 13 рассчитанной длины на поверхностях стороны p-типа 7 областей 10 и 12 от каждого их края - см. части 14, 15, 16 и 17 на Фиг. 1. Толщина изолирующего слоя 13 на упомянутых поверхностях стороны p-типа 7 областей 10, 11 и 12 одинаковая. Часть области 10, свободная от изолирующего слоя 13 на поверхности стороны p-типа 7, обозначена позицией 18 на Фиг.1 и ее длина выбрана равной 170 мкм. Аналогичная часть области 12 обозначена позицией 19 на Фиг. 1 и ее длина выбрана также равной 170 мкм.
На поверхности p-стороны Линейки 3 нанесены металлические слои 20 омического контакта. На поверхности n-стороны Линейки 3 нанесены металлические слои 21 омического контакта. В структуру 2 входит контактное соединение 22 AgSn, служащее для соединения и закрепления поверхности стороны p-типа 7 Линейки 3 на контактной пластине - теплоотводе 23. На контактной пластине - теплоотводе 23 и на металлическом слое 21 омического контакта Линейки 3 имеются электрические контакты 24 и 25, соответственно.
При работе рассматриваемого полупроводникового излучателя 1 через электрические контакты 24 и 25 подают ток накачки в области 18 и 19 Линейки 3, являющиеся излучающими областями и названные активными секциями. Совокупность частей 15, 8, 11, 9 и 16 - ненакачиваемая, так как находится под изолирующим слоем 13 и названа пассивной секцией 26. Область 11 названа средней частью 11 пассивной секции 26. Части 15 и 16 продолжают соседние соответствующие активные секции 18 и 19, соответственно. Каждая часть 15 и 16 выбрана длиной, равной трем диффузионным длинам электронов, инжектированных в p-п переход током накачки при работе полупроводникового излучателя 1, что составило 15 мкм для рассматриваемого случая (для гетероструктуры 4 на основе материалов InP-AlGaInAs), а пассивная секция 26 получена равной 200 мкм. Части 14 и 17 могут превышать величину длины 3-х диффузионных длин электронов и могут составить, например, 17 мкм.
2
Для сравнения нами были изготовлены и исследованы образцы полупроводникового излучателя 27 (см. Фиг. 2), содержащего структуру 28 с лазерной диодной линейкой 29, (далее Линейка-Т 29), имеющей традиционную конструкцию. Линейка-Т 29 выполнена на основе той же самой лазерной гетероструктуры 4 с p-п переходом 5 и совокупностью слоев n-типа 6 и p-типа 7 проводимости. В ней также имеются две лазерные активные секции 30 и 31 (при подаче тока накачки через электрические контакты 24 и 25) шириной по 170 мкм и пассивная секция 32 шириной 50 мкм между ними. Она выполнена в виде одного углубления 33, основание которого расположено в слое n-типа 6 на той же глубине, что и углубления 8 и 9 в предшествующем примере. Вся поверхность углубления 33 покрыта изолирующим слоем 13 из SiO. В остальном традиционный полупроводниковый излучатель 27 не отличался от предложенного.
При сравнительных исследованиях предложенного полупроводникового излучателя 1 и традиционного 27 нами получено следующее. Производить сборку предложенного полупроводникового излучателя 1 стало легче и она стала качественнее. Наличие дополнительной опоры (средней части 11) с изолирующим слоем 13 и областей 14, 15, 16 и 17 с изолирующими слоями 13, одной и той же толщины, и нанесение одних и тех же металлических слоев 20 на всю поверхность привело к созданию равноуровневой чередующейся последовательности, что позволило увеличить механическую прочность всей конструкции. После приложения механических нагрузок такой технический результат был подтвержден исследованиями однородности свечения активных секций с помощью ИК-видеокамеры с InGaAs фоточувствительной матрицей. Для предложенного полупроводникового излучателя 1 по сравнению с традиционным 27 получено снижение брака на 10-25%. Подтверждено упрощение технологии сборки и улучшение ее качества.
При работе предложенного полупроводникового излучателя 1 по сравнению с традиционным 27 наблюдали повышенную выходную мощность и отсутствие кольцевых мод, а также хорошую воспроизводимость параметров, увеличение ресурса работы, улучшение электростабильности и надежности работы, неизменность пространственных (распределение интенсивности в дальнем поле) характеристик излучения. Показана возможность исключения внешних охлаждающих устройств в предложенном излучателе для ряда применений, где требуется высокая выходная мощность и не критична плотность мощности в пучке излучения.
В следующем примере рассмотрен полупроводниковый излучатель (на фигурах не показан), содержащий диодную линейку, на основе аналогичной лазерной гетероструктуры из тех же полупроводниковых материалов с p-п переходом, выполненную с пятью лазерными активными секциями и четырьмя пассивными секциями. Между каждыми двумя соседними активными секциями со стороны поверхности p-типа проводимости имеются по одной пассивной секции. Конструкции активных и пассивных секций аналогичны их конструкциям первого примера. Изоляционный слой также нанесен на все части пассивных секций и на продолжающие две крайние активные секции поверхности частей, длиной, большей длины 3-х диффузионных длин электронов. Металлический слой омического контакта находится на всей поверхности стороны p-типа проводимости чередующейся последовательности активных и пассивных секций.
Поверхность стороны p-типа проводимости Линейки закреплена на контактной пластине - теплоотводе с помощью контактного соединения 22 AgSn. При работе предложенного полупроводникового излучателя наблюдали повышенную выходную мощность и отсутствие кольцевых мод. Качество сборки также улучшено. Наличием дополнительной опоры (средней части пассивной секции), изоляционного слоя одной и той же толщины на всех частях пассивных секций и на поверхности наружных частей, продолжающих крайние активные секции, и нанесением одних и тех же контактных (металлических) слоев на всю поверхность достигнута равноуровневая поверхность чередующейся последовательности. Увеличена механическая прочность всей конструкции, что после приложения механических нагрузок подтверждено исследованиями однородности свечения активных областей с помощью ИК-видеокамеры с InGaAs фоточувствительной матрицей. Получена высокая мощность излучения. Наблюдали отсутствие кольцевых мод, хорошую воспроизводимость параметров, увеличен ресурс работы, улучшены электростабильность и надежность работы.
С точки зрения авторов и заявителя полученные результаты показали, что предложенный полупроводниковый излучатель оказался эффективным при получении высоких мощностных характеристик, улучшения ресурса работы, подавления кольцевых мод.
Предложенный полупроводниковый излучатель имеет наибольшую эффективность для мощных излучателей с множеством активных и пассивных секций в диодной линейке и множеством таких полупроводниковых излучателей, составляющих матрицу.
Приведенные конструктивные параметры предложенного полупроводникового излучателя не являются единственно возможными для достижения поставленного технического результата. Нами были проведены эксперименты с полупроводниковым излучателем с другими конструктивными параметрами, в том числе и на других гетероструктурах, также на других материалах гетероструктур. Получено подтверждение тенденций, иллюстрируемых приведенными примерами.
Промышленная применимость
Предложенный полупроводниковый излучатель может быть использован в качестве источника излучения высокой мощности в технологии обработки материалов, медицине, системах открытой связи, контрольно-измерительной аппаратуре, системах накачки твердотельных лазеров, инфракрасной подсветки целей, контроля и управления летательными аппаратами, лазерной дальнометрии, в комплексах для геофизических исследований и так далее.