ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ЛАЗЕР НА ОСНОВЕ ЭПИТАКСИАЛЬНОЙ ГЕТЕРОСТРУКТУРЫ
SEMICONDUCTOR LASER BASED ON EPITAXIAL HETEROSTRUCTURE

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.