ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ЛАЗЕР

Изобретение относится к квантовой электронной технике, а точнее - к конструкции полупроводниковых лазеров. Мощные полупроводниковые лазеры находят широкое применение во многих отраслях науки и техники, например, используются в качестве источника оптического излучения для накачки волоконных усилителей, волоконных и твердотельных лазеров. Это требует, чтобы полупроводниковый лазер сочетал в себе вместе с максимальной мощностью излучения также высокую надежность и узкую спектральную линию излучения.
Конструкция полупроводникового лазера представляет лазерный кристалл, состоящий из подложки, на которой сформирована гетероструктура, граней, ограничивающих лазерный кристалл и образующих зеркала Фабри-Перо резонатора и двух омических контактов. Один омический контакт расположен на поверхности подложки, другой на поверхности гетероструктуры. Омический контакт, расположенный на поверхности гетероструктуры имеет прямоугольную форму. Длина прямоугольника соответствует длине Фабри-Перо резонатора полупроводникового лазера, а ширина контакта соответствует размеру области лазерного излучения вдоль зеркала резонатора в направлении, параллельном слоям гетероструктуры.
Общепринятым способом повышения мощности излучения полупроводниковых лазеров является увеличение ширины излучающей области, за счет увеличения ширины омического контакта, расположенного на поверхности гетероструктуры. Однако с увеличением ширины излучающей области возрастает вероятность проявления таких эффектов как пространственное выжигание дыр и продольная модовая нестабильность. Это ведет к тому, что в распределении плотности мощности вдоль полоска (направление параллельное слоям гетероструктуры и выходному зеркалу резонатора) появляется неоднородность. Т.е. возникают области, в которых значение плотности мощности лазерного излучения гораздо выше среднего значения излучаемой плотности мощности. Появление таких областей вызывает быстрое ухудшение излучательных характеристик лазерных диодов (снижение мощности, увеличение порогового тока) обусловленное образованием дефектов (безызлучательных центров рекомбинации) под воздействием интенсивного лазерного излучения. Величина 300 мкм является критической шириной,
выше которой теряется однородность распределения плотности мощности вдоль полоска. Ширина в 200 мкм и меньше является оптимальной для устойчивого однородного распределения плотности мощности вдоль полоска и достижения максимальной мощности излучения [1].
Для ряда практических применений мощности одиночного полупроводникового лазера недостаточно. Для дальнейшего повышения выходной мощности используется конструкция полупроводникового лазера, в которой омический контакт, расположенный на поверхности гетероструктуры прерывается непроводящими областями, таким образом, формируется последовательность одиночный излучателей, при этом ширина каждого излучателя не превышает указанную выше критическую величину. Каждый из одиночных излучателей изолирован оптически и электрически от ближайших излучателей. Такая разновидность конструкции называется линейкой полупроводниковых лазеров [2, 3, 4, 5, 6]. Таким образом, линейка полупроводниковых лазеров состоит из лазерного кристалла, включающего подложку, на которой сформирована гетероструктура, граней, ограничивающих лазерный кристалл и образующих зеркала Фабри-Перо резонатора и двух омических контактов. Один омический контакт расположен на поверхности подложки, другой на поверхности гетероструктуры. Омический контакт, расположенный на поверхности гетероструктуры включает в себя набор прямоугольных электрически изолированных друг от друга контактов. Длина прямоугольников соответствует длине Фабри-Перо резонатора линейки полупроводниковых лазеров, а ширины соответствуют размеру областей лазерного излучения одиночных излучателей вдоль зеркала резонатора в направлении, параллельном слоям гетероструктуры.
Создание линейки полупроводниковых лазеров, сочетающей в себе высокие значения мощности непрерывного излучения и одновременно высокой надежности и узкого спектра излучения является актуальной задачей.
Основным достоинством линеек полупроводниковых лазеров, как источников когерентного излучения является высокая эффективность преобразования электрической энергии в оптическую и мощности излучения, что было продемонстрировано в [2, 3, 4, 5, 6].
Конструкция линейки лазерных диодов представленная в [2], включает два слоя широкозонных сильнолегированных эмиттера Р и N-типа электропроводности. Между ними помещен волноводный слой толщиной 1.3 мкм. В центре волноводного слоя расположена квантовая яма, выполняющая роль активной области. Со стороны эмиттера Р-типа электропроводности, на поверхности лазерной гетероструктуры сформировано 19 омических контактов шириной 100 мкм расположенные параллельно друг другу с
периодом 500 мкм в плоскости, параллельной слоям гетероструктуры. Отношение ширины одного контакта к периоду повторения называется фактором заполнения и для структуры приведенной в [2] равно 0.2 или в процентном выражении 20%. Общая ширина линейки полупроводниковых лазеров 10 мм. Для демонстрации излучательных характеристик образцы были напаяны на медный теплоотвод. Авторы работы [2] достигли мощности излучения б5Вт.
Конструкция линейки полупроводниковых лазеров, взятая за прототип и представленная в работе [3], позволяет достичь высоких значений КПД и мощности излучения. Используемая конструкция линейки лазерных диодов, представленная в [3], включает два слоя широкозонных сильнолегированных эмиттера Р и N-типа электропроводности. Между ними помещен волноводный слой. В центре волноводного слоя расположена квантовая яма, выполняющая роль активной области. Со стороны эмиттера Р-типа электропроводности, на поверхности лазерной гетероструктуры сформировано 19 омических контактов расположенных параллельно друг другу с периодом 500 мкм в плоскости, параллельной слоям гетероструктуры. Как было показано выше для подавления оптической неоднородности ширина омического контакта одиночного излучателя в линейке полупроводниковых лазеров должна быть менее 200 мкм, поэтому в прототипе ширина одиночного излучателя равна 150 мкм для каждого, что соответствует фактору заполнения 30%. Общая ширина линейки полупроводниковых лазеров 10 мм. Таким образом, в качестве базовой конструкции прототипа взята линейка полупроводниковых лазеров с постоянным фактором заполнения [3].
Используя параметры прототипа авторами работы [3] были изготовлены экспериментальные образцы линеек полупроводниковых лазеров в которых были достигнуты мощности излучения 105 Вт. Результаты испытаний на надежность, представленные для прототипа, показывают надежную работу в течении 4400 часов при 70 Вт излучаемой непрерывной мощности.
Несмотря на преимущества линеек лазерных диодов по сравнению с одиночными полупроводниковыми лазерами конструкции прототипа и аналогов обладают и недостатками.
Достигнутые выходные мощности излучения для конструкций линеек полупроводниковых лазеров прототипа и аналогов далеки от потенциальных возможностей. Принимая во внимание возможность генерации мощности излучения одиночного полупроводникового лазера более 10 Вт [1], линейка полупроводниковых лазеров, состоящая из 19 таких излучателей должна демонстрировать выходную мощность более 190 Вт.
Ускоренная деградация излучающих областей линейки полупроводниковых лазеров, расположенных в центральной части, вызванная работой при повышенной температуре. Вместе с этим возникновение упругих напряжений, обусловленных разницей коэффициентов термического расширения материала теплоотвода и гетероструктуры, также снижают надежность линейки полупроводниковых лазеров [7]. Этот недостаток общепринятой конструкции линеек полупроводниковых лазеров прототипа и аналогов [2, 3, 5, 6] вызван тем, что имеет место неоднородное распределение температуры в гетероструктуре в направлении, перпендикулярном оптической оси резонатора [4]. Распределение имеет куполообразную форму с пиком в центре линейки полупроводниковых лазеров [5]. Такой характер поведения температурной зависимости связан с влиянием друг на друга ближайший полосковых излучателей.
Также недостатком конструкции линеек полупроводниковых лазеров аналогов и прототипа является широкий спектр излучения. Это вызвано тем, что спектр излучения линейки полупроводниковых лазеров является суммой спектров излучения всех одиночных излучателей. При условии, что каждый излучатель будет работать в одинаковых условиях, то спектр генерации будет определятся спектром одиночного излучателя. Разогрев активной области ведет к смещению спектра генерации в длинноволновую область. Это связано с уменьшением ширины запрещенной зоны материала активной области. Значит, если одиночные излучатели линейки полупроводниковых лазеров будут работать при разных температурах, то за счет температурного смещения суммарный спектр линейки полупроводниковых лазеров будет шире спектра одиночного излучателя этой линейки. Таким образом, разная температура одиночных излучателей линейки полупроводниковых лазеров ведет к уширению спектра генерации лазерного излучения до 2-5 нм [4, 6]. Это снижает эффективность накачки твердотельных и волоконных лазеров.
Поэтому на настоящий момент остается актуальной проблема создания линеек полупроводниковых лазеров, обладающих высокой выходной оптической мощностью при одновременно высокой надежности и узости спектра излучения. Кроме того, необходимость эффективного отвода тепла требует применения сложных технических решений [8], что приводит к усложнению технологии изготовления линеек полупроводниковых лазеров.
Предлагаемое изобретение решает задачи обеспечения возможности повышения мощности и надежности при сужении спектра излучения и упрощения технологии изготовления.
Задачи решаются тем, что в известной линейке полупроводниковых лазеров, содержащей подложку, гетероструктуру, включающую волновод, эмиттеры р- и n-типа проводимости, активную область, состоящую из, по меньшей мере, одного квантоворазмерного активного слоя, отражатели, оптические грани, оптический резонатор, один омический контакт расположенный на свободной поверхности подложки, один омический контакт расположенный на свободной поверхности гетероструктуры и состоящий из оптически и электрически несвязанных одиночных контактов прямоугольной формы с одинаковыми ширинами и расстояниями между всеми ближайшими одиночными контактами новым является то, что, расстояние между ближайшими одиночными контактами растет от края к центру линейки полупроводниковых лазеров.
В предложенном техническом решении обеспечение возможности увеличения мощности происходит за счет того, что при увеличении ширины каждой следующей пассивной области (т.е. разность расстояния между ближайшими одиночными излучателями и шириной одиночного излучателя) на величину А при движении от края к центру происходит снижение перегрева активной области одиночных излучателей, расположенных в центре. Снижение температуры связано с уменьшением эффекта взаимного разогрева соседних излучателей за счет увеличения расстояния между ними. Так как эффект взаимного разогрева сильнее для одиночных излучателей, расположенных в центре, то для его снижения в центральной части необходимо большее расстояние между одиночными излучателями, в отличие от излучателей расположенных ближе к краю. Снижение температуры ведет к тому, что снижаются пороговые концентрации и внутренние потери в одиночных излучателях, расположенных в центре, и, как следствие, мощность растет.
Предложенное техническое решение позволяет увеличить срок службы линейки полупроводниковых лазеров за счет понижения температуры активной области одиночных излучателей расположенных в центре линейки полупроводниковых лазеров. Повышение срока службы при использовании предложенного технического решения происходит также за счет выпрямления профиля распределения температуры поперек линейки лазерных диодов и соответственно снижения упругих напряжений, возникших из-за куполообразной формы зависимости распределения температуры вдоль линейки полупроводниковых лазеров.
В предложенном техническом решении конструкции линейки лазерных диодов осуществляется сужение спектра излучения. Это происходит за счет снижения разницы
между температурами активной области одиночных излучателей, расположенных с краю, и температуры одиночных излучателей, расположенных в центре.
Предложенное техническое решение позволяет упростить технологию изготовления линеек лазерных диодов за счет снижения требований к системе теплоотвода. Это обусловлено достигаемым в техническом решении снижением перегрева активной области одиночных излучателей.
Таким образом, в соответствии с предложенным техническим решением по сравнению с аналогами и прототипом, возможно добиться повышения мощности, увеличения надежности и сужение спектра генерации линеек полупроводниковых лазеров за счет увеличения ширины пассивной области между ближайшими одиночными контактами при движении от края к центру.
На Фиг.1 показано схематическое изображение конструкции предлагаемого технического решения линейки полупроводниковых лазеров: подложка 2 n-типа электропроводности, с одной стороны расположен омический контакт 1, с противоположной стороны располагается легированный примесью n-типа слой широкозонного эмиттера 3, далее расположены: первая часть волноводного слоя 4, активная область 5, вторая часть волноводного слоя 6, легированный примесью р - типа слой широкозонного эмиттера 7, контактный слой 8, легированный примесью р-типа. На свободной поверхности гетероструктуры расположены одиночные омические контакты 14 между которьми располагается пассивные области 13, разделяющие электрически и оптически одиночные излучатели, образованные соответствующими одиночными омическими контактами 14. На сколотую грань 9 нанесены просветляющие (R=5%) диэлектрические покрытия 10, на сколотую грань 11 нанесены отражающие (R=95%) диэлектрические покрытия 12. Грани 9 и 11 образуют резонатор Фабри-Перо.
Рассмотрим оптимальный вариант конструкции линейки полупроводниковых лазеров. Для создания предлагаемой линейки полупроводниковых лазеров из лазерного кристалла с заданной шириной L и длиной Н выбирают ширину одиночного излучателя, характеризуемую шириной одиночного омического контакта со стороны гетероструктуры. Выбор основывается на принципах, изложенных для прототипа и аналогов. Экспериментально в работе [1] показано, что для достижения максимальной мощности излучения и устойчивого однородного распределения плотности мощности вдоль полоска ширина излучающей области одиночного излучателя в 100 мкм является оптимальной. Поэтому оптимальной в предлагаемом нами техническом решении конструкции линеек лазерных диодов выбирается ширина одиночного излучателя 100 мкм. Далее выбирают
1
2
N
N
1
N
1
1
1
2
расстояния между одиночными излучателями, определяемые расстояниями между одиночными омическими контактами, расположенными со стороны гетероструктуры. Пусть для простоты первым одиночным омическим контактом, расположенным на поверхности гетероструктуры, будет крайний правый контакт относительно зеркала резонатора с просветляющим покрытием (Фиг.1) с шириной W, вторым будет ближайший к нему одиночный омический контакт расположенный на поверхности гетероструктуры с шириной W и так далее (N - номер одиночного излучателя и соответствующего омического контакта, w - ширина омического контакта излучателя N). Тогда расстояние между центром первого омического контакта и центром второго омического контакта - d), определяют из условия минимального взаимного термического разогрева соответствующих этим контактам одиночных излучателей (D - расстояние между центром омического контакта N и центром омического контакта N+1). Решение уравнения теплопроводности и экспериментальные результаты для рассматриваемых одиночных излучателей показывают, что оптимальное расстояние D=300 мкм и при дальнейшем его увеличении взаимный разогрев одиночных излучателей несущественен. Разность между величиной рассмотренного расстояния и шириной одиночного излучателя характеризует ширину пассивной области, осуществляющей оптическое и электрическое разделение ближайших одиночных излучателей (P - ширина пассивной области, расположенной между омическим контактом N и N+1). При рассмотрении следующих омических контактов, располагающихся ближе к центральной части линейки полупроводниковых лазеров, а именно второго и третьего, это условие перестает выполняться. Экспериментально установлено, что для минимизации эффекта взаимного разогрева одиночных излучателей ширина каждой последующей пассивной области при движении от края к центру должна возрастать на Δ=100 мкм. Т.е., если расстояние между первым и вторым одиночными излучателями составляет D=300 мкм, что соответствует ширине пассивной области между ними P=200 мкм, то расстояние между вторым и третьим одиночными излучателями составляет D=400 мкм, что соответствует ширине пассивной области между ними Р=300 мкм. Такое увеличение ширины пассивной области продолжается до тех пор, пока не дойдут до центрального одиночного излучателя линейки полупроводниковых лазеров с порядковым номером i/2. Далее при продолжении движения в том же направлении, ширина пассивной области между одиночным излучателем номер N и излучателем N+1 должна быть меньше на 100 мкм. Т.е вышесказанное должно удовлетворять следующим условиям: если общее количество одиночных излучателей i, а часть от общего количества Q это
n
тогда величина D определяется из следующих соотношений:
D<sub>N</sub>=300+(N-1)·100
(1)
для случая, когда
N≤Q,
и
D<sub>N</sub>=300+(2·Q-1-N)·100,
(2)
для случая, когда
N>Q
n
Размерность величины D - микрометры. Далее определяют количество одиночных излучателей i, входящих в состав линейки полупроводниковых лазеров. Количество одиночных излучателей определяется из заданной ширины лазерного кристалла, при этом необходимо учитывать технологические отступы от граней, перпендикулярных зеркалам резонатора 9 и 11 (Фиг.1) и крайних одиночных излучателей. Необходимая величина технологических отступов для скрайбирования лазерных кристаллов должна быть 200 мкм и более. Тогда, используя соотношения (1) и (2) подбирается максимальное количество одиночных излучателей i, из следующего выражения:
1
N
где D - расстояние между первым и вторым одиночным излучателем, Δ - приращение ширины пассивной области при движении от края к центру, L - ширина лазерного кристалла. В рассчитанной i десятые не учитываются. Далее определяется величины технологических отступов для скрайбирования лазерных кристаллов. Для этого рассчитывается величина F - расстояние между крайним правым и крайним левым одиночными излучателями, суммируя величины D по всем одиночным излучателям определенные из соотношений (1) и (2). Тогда J величина технологического отступа для крайнего правого и крайнего левого одиночного излучателя будет
Работа линейки полупроводниковых лазеров.
Через омические контакты 1 и 14 пропускают электрический ток, режим работы линейки лазерных диодов соответствует прямому смещению р-n перехода. При превышении тока, пропускаемого через линейку лазерных диодов, порогового значения,
через просветляющее покрытие 10, нанесенное на грань 9, выходит лазерное излучение. Мощность выходящего излучения, помимо параметров структуры, зависит от величины пропускаемого тока.
Пример.
18
-3
18
-3
18
-3
0.3
0.7
0.3
0.7
2
2
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
На основании лазерного кристалла шириной 16 мм и длиной 2 мм включающего подложку 2 из GaAs легированного примесью n-типа, с одной стороны которой располагается легированный кремнием до степени N=10 см n-типа эмиттерный слой 3, выполненный из твердого раствора AlGaAs толщиной 2 мкм, далее располагается первая часть волноводного слоя 4, выполненная из GaAs толщиной 1.05 мкм, далее располагается квантовая яма 5, выполненная из твердого раствора InGaAs толщиной 90 , далее располагается вторая часть волноводного слоя 6, выполненная из GaAs толщиной 0.65 мкм, далее располагается легированный магнием до степени Р=10 см р-слой эмиттера 7, выполненный из твердого раствора AlGaAs толщиной 2 мкм, далее располагается контактный слой 8, выполненный из GaAs толщиной 0.2 мкм легированный магнием до степени Р=10 см далее располагается омический контакт 12. Оптический резонатор образуется сколотыми гранями 9 и 11 расстояние между которыми 2 мм. На одну из сколотых граней 9 нанесены просветляющие (слои SiO, R=5%) диэлектрические покрытия, на противоположную сколотую грань 11 нанесены отражающие (три пары слоев из SiO+Si, R=95%) диэлектрические покрытия. Длина резонатора Фабри-Перо (расстояние между гранями оптическими гранями) составляет 2 мм. На свободной поверхности гетероструктуры, а именно на контактном слое 8 сформированы одиночные омические контакты 14, 15, 16, 17 шириной 100 мкм каждый. Количество одиночных омических контактов, определенное из (3) и равно 20, а расстояние между ними определено из выражений (1), (2) и равно: D=300 мкм, D=400 мкм, D=500 мкм, D=600 мкм, D=700 мкм, D=800 мкм, D=900 мкм, D=1000 мкм, D=1100 мкм, D=1200 мкм, D=1100 мкм, D=1000 мкм, D=900 мкм, D=800 мкм, D=700 мкм, D=600 мкм, D=500 мкм, D=400 мкм, D=300 мкм. Величина технологического отступа, определенная из (4) составляет 1050 мкм.
Для такой линейки полупроводниковых лазеров мощность излучения в непрерывном режиме генерации достигает 160 Вт, ширина спектра генерации составляет 1.5нм время безотказной работы 6000 часов. При этом возможно использование в качестве теплоотвода медной пластины шириной 20 мм, длиной 4 мм, толщиной 5 мм, что позволяет отказаться от применения теплоотводов с микроканалами, что упрощает и удешевляет технологию изготовления линеек полупроводниковых лазеров.
Литература
[1] Н.А.Пихтин, С.О.Слипченко, З.Н.Соколова, И.С.Тарасов. ФТП, 38, 374 (2004)
[2] М.Kanskar, Т.Earles, T.J.Goodnough, E.Stiers, D.Botez, and L.J.Mawst, Electron. Lett., v.41, No.5 (2005), pp.245-247.
[3] A.Knigge, G.Erbert, J.Jonsson, W.Pittroff, R.Staske, B.Sumpf, M.Weyers, and G.Trankle, Electron. Lett., v.41, No.5 (2005), pp.250-251.
[4] H.G.Treusch, A.Ovtchinnikov, X.He, M.Kanskar, J.Mott, and S.Yang, IEEE J.Selected Topics in Quantum Electron (2000), v.6. No.4, pp.601-614.
[5] Ivan Charamisinau, Gemunu S.Happawana, Gary A.Evans, Jay B.Kirk, David P.Bour, Arye Rosen, and R.Alexander His, IEEE J. Selected Topics in Quantum Electron (2005), v.11, No.4, pp.811-891.
[6] Н.И.Кацавец, В.А.Бученков, Д.М.Демидов, Р.В.Леус, М.О.Искандаров, А.А.Никитичев, А.Л.Тер-Мартиросян, Письма в ЖТФ, т.30, вып.24, (2004) стр.43-48.
[7] M.Voss, С.Lier, U.Menzel, A.Ba.rwolif, and T.Elsaesser, Appl. Phys. Lett., v.79, No.2 (1996), pp.1170-1172.
[8] R.Diehl, Topics in Applied Physics, vol.78, Springer, (2000)