СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ИЗЛУЧАТЕЛЯ
METHOD OF MAKING SEMICONDUCTOR RADIATOR

Область техники
Изобретение относится к области полупроводниковой квантовой электроники, к технологии изготовления полупроводниковых излучателей, а именно суперлюминесцентных и лазерных источников излучения.
Предшествующий уровень техники
Актуальнейшей проблемой является стабилизация длины волны и ширины спектра выходного излучения полупроводниковых суперлюминесцентных и лазерных источников излучения с токовой инжекцией при выводе излучения через торцевую грань активного элемента (выводную) с осью выходного излучения в плоскости p-n-перехода.
Для осуществления способа изготовления полупроводникового излучателя традиционно создают полупроводниковый активный элемент и устанавливают брэгговскую решетку со стороны одной из торцевых граней активного элемента, имеющей просветляющее покрытие, вывод излучения осуществляют через световолокно (см., например [Н.Н. Гавриленко и др. Квантовая электроника, т.17, №40 (1990); V. Jayaraman, Z.M. Chuang, L.A. Coldrew IEEE J. Quntum Electron., v.QE-29, no.6 (1993), p.1824 - обзор; И.А. Авруцкий, В.П. Дураев и др., Письма в ЖТФ, т.13, вып.14, (1987), сс.849-854; Свидетельство на полезную модель 8175 RU от 11.12.1997, МПК 6: H01S 3/18, опубликовано 16.10.1998; О.В. Журавлева и др. Квантовая электроника, т.36, №8 (2006), с.743; заявка US 2010/0074282, опубликованная 25.03.2010]). Брэгговская решетка может быть нанесена либо на поверхность волноведущего слоя из не поглощающего лазерное излучение полупроводникового кристалла [Н.Н. Гавриленко и др. Квантовая электроника, т.17, №40 (1990)], либо на поверхность световолокна (см., например, [V. Jayaraman, Z.M. Chuang, L.A. Coldrew IEEE J. Quntum Electron., v.QE-29, no.6, 1993, p.1824 - обзор; И.А. Авруцкий, В.П. Дураев и др., Письма в ЖТФ, т.13, вып.14 (1987), сс.849-854; заявка US 2010/0074282, опубликованная 25.03.2010]).
Лучшие результаты по стабилизации длины волны и ширины спектра выходного излучения и его сужения были получены при использовании фотоиндуцированной решетки Брэгга, сформированной на сердцевине световолокна - волоконной брэгговской решеткой (далее ВБР). Известно, что такую решетку размещают как на пути выходного сигнала (см., например [Свидетельство на полезную модель 8175 RU от 11.12.1997, МПК 6 - H01S 3/18, опубликовано 16.10.1998; M.I. Belovolov, A.V. Gladyshev, V.P. Duraev et al., Proc.of SPIE, Vol.5381, pp.20-25, Fig.1]), так и со стороны, противоположной выводу излучения (см., например, [M.I. Belovolov, A.V. Gladyshev, V.P. Duraev et al., Proc.of SPIE, Vol.5381, pp.20-25, Fig.2; O.B. Журавлева и др. Квантовая электроника, т.36, №8 (2006), с.743, Рис.1]). В обоих случаях для повышения качества выходного излучения активный элемент полупроводникового излучателя и ВБР преимущественно устанавливают на двух индивидуальных микрохолодильниках.
Проблема стабилизации длины волны и ширины спектра выходного излучения очень важна для суперлюминесцентных двухпроходных источников излучения. Известен способ изготовления узкополосного двухпроходного суперлюминесцентного диода (в дальнейшем СЛД) с длиной волны излучения 1060 нм [А.А. Лобинцов. Квантовая электроника, 2009, т.39, №9, сс.793-796]. СЛД собирают с внешними спектрально-селективными отражателями на основе ВБР. При этом получено выходное излучение со значительным сужением ширины спектра до 0.1-1.0 нм, что на 1-2 порядка меньше, чем у традиционных СЛД, хотя значительно больше, чем у одночастотных полупроводниковых лазеров. Для рассматриваемых СЛД оптическая мощность на выходе одномодового волоконного световода достигала 5.0-8.0 мВт.
Во всех рассмотренных случаях наибольшие проблемы возникают при юстировании ВБР относительно излучающей области активного элемента полупроводникового излучателя во время его сборки и сохранении достигнутых параметров во время его эксплуатации.
1
2
Наиболее близким является способ изготовления полупроводникового излучателя на основе многослойной гетероструктуры с p-n-переходом [M.I. Belovolov, A.V. Gladyshev, V.P. Duraev et al., Proc.of SPIE, Vol.5381, pp.20-25, Fig.2]. Способ содержит выполнение активного элемента. На поверхностях, параллельных плоскости p-n перехода, нанесены металлические токовые контакты для инжекции тока накачки в активную область при работе прибора. На параллельные торцевые грани, перпендикулярные продольной оси активной области выходного излучения, нанесены покрытия с коэффициентом отражения R, равным 0,36, на выводную торцевую грань вывода излучения и с коэффициентом отражения R, равным 0,005, на торцевую грань, противоположную выводной. Элементом с брэгговской решеткой выбрана ВБР, являющаяся фотоиндуцированной решеткой Брэгга на сердцевине световолокна. ВБР помещена со стороны торцевой грани активного элемента, противоположной выводной, так, что образованные чередующиеся параллельные плоские области с различным коэффициентом преломления параллельны упомянутой торцевой грани активного элемента.
Для реализации способа также необходимо осуществление процесса прецизионной юстировки ВБР относительно активного элемента, для чего используют механическую систему для перемещения решетки. Надежность такой системы обычно не высока. Процесс длителен и трудоемок. Необходимо также использование фотодиода для регистрации излучения в процессе юстирования ВБР. Используемое дополнительное оборудование дорогостояще. Для улучшения стабилизации длины волны и ширины спектра выходного излучения используют два микроохладителя, индивидуально для активного элемента и ВБР. Наблюдаются трудности в сохранении достигнутых параметров во время эксплуатации прибора, сохранения стабильного температурного режима СЛД.
Кроме того, необходимо отметить, что при использовании ВБР для активного элемента двухпроходного СЛД получают узкополосный источник с выходным излучением с шириной спектра в диапазоне 0.1-1.0 нм, что не приемлемо для большого числа применений СЛД.
Раскрытие изобретения
Техническим результатом предложенного способа изготовления полупроводникового излучателя является упрощение технологии изготовления за счет упрощения и ускорения сборки элементов излучателя, увеличение мощности излучения при сохранении стабилизации длины волны и ширины спектра выходного излучения в процессе работы при изменении температуры окружающей среды и тока накачки через активный элемент, увеличение долговечности и надежности, уменьшение габаритов излучателя, снижение его себестоимости.
В соответствии с изобретением технический результат достигается тем, что предложен способ изготовления полупроводникового излучателя, содержащий выбор активного элемента на основе многослойной гетероструктуры с p-n-переходом с нанесенными металлическими токовыми контактами на поверхности, параллельные плоскости p-n-перехода, для инжекции тока накачки и получения активных областей излучения при работе полупроводникового излучателя и с нанесенными оптическими покрытиями на параллельные торцевые грани, перпендикулярные продольной оси выходного излучения из активной области активного элемента при работе полупроводникового излучателя, одна из торцевых граней выводная, предназначенная для вывода излучения при работе полупроводникового излучателя, причем на торцевую грань, противоположную выводной, нанесено просветляющее покрытие. Способ содержит также выбор элемента с брэгговской решеткой в виде чередования параллельных плоских областей с различным коэффициентом преломления. При этом его размещают со стороны торцевой грани активного элемента, противоположной выводной, так, что плоские области параллельны упомянутой торцевой грани. Дополнительно в предложенном способе выбрают активный элемент, в котором имеется по крайней мере одна активная область при инжекции тока при работе полупроводникового излучателя, и, кроме того, имеется по крайней мере один активный элемент, элементом с брэгговской решеткой выбирают кристаллическую брэгговскую решетку, в которой чередующимися плоскими областями являются чередующиеся параллельные слои двух видов полупроводниковых материалов, причем число пар слоев, их толщины и различие коэффициентов преломления полупроводниковых материалов определяются условием Брэгга. При этом активный элемент закрепляют на контактной пластине, закрепляемой в корпусе, устанавливают кристаллическую брэгговскую решетку на оптическом контакте на торцевой грани активного элемента, противоположной выводной, закрепляя кристаллическую брэгговскую решетку на контактной пластине.
Существенным отличием предложенного нового способа изготовления полупроводникового излучателя является неочевидное и оригинальное использование кристаллической брэгговской решетки (далее КБР) и ее размещение, непосредственно на торцевой грани активного элемента, не требующие юстирования. Наличие оптического контакта с зеркальной торцевой гранью активного элемента и соизмеримость размеров площадей КБР и торцевой грани исключают необходимость процесса юстирования. Кроме того, исключаются фотодиод, используемый в процессе юстирования элемента с брэгговской решеткой относительно активной области активного элемента и дополнительный микроохладитель для элемента с брэгговской решеткой. В то же время КБР находится на микроохладителе совместно с активным элементом, в процессе накачки полупроводникового излучателя через КБР ток не проходит, вследствие чего температура КБР остается неизменной при работе полупроводникового излучателя.
Кристаллическая брэгговская решетка может быть выращена либо методом молекулярно-лучевой эпитаксии, либо методом МОС-гидридной эпитаксии, например, на подложке GaAs, образованием чередующихся параллельных слоев твердого раствора GaAIAs и GaAs. Ее подбирают в соответствии с длиной волны излучения полупроводникового излучателя, например, суперлюминесцентного диода (далее СЛД) или лазерного диода (далее ЛД).
Отсутствие необходимости использования дорогостоящего оборудования и длительного трудоемкого процесса прецизионного юстирования привело к удешевлению и ускорению процесса сборки прибора.
Вероятность разъюстировки вследствие сдвигов КБР по отношению к плоскости торцевой грани активного элемента исключена, так как активный элемент и КБР дополнительно закреплены относительно друг друга на контактной пластине.
Технический результат достигается также тем, что крепят активный элемент и КБР при помощи либо стеклянной пасты, либо оптического клея.
Проведенные испытания при различных климатических воздействиях среды подтвердили предполагаемую надежность предложенного устройства при высокой выходной мощности излучения со стабильной длиной волны в процессе работы и сохранении ширины спектра выходного излучения при изменении температуры окружающей среды и тока накачки через активный кристалл.
Технический результат достигается также тем, что выбирают активный элемент, на одной из поверхностей которого нанесен полосковый металлический токовый контакт.
Для изготовления суперлюминесцентного источника излучения технический результат достигается тем, что ось полоскового контакта составляет с выводной торцевой гранью угол 7°-10°.
В другом случае для изготовления суперлюминесцентного полупроводникового излучателя технический результат достигается тем, что не менее половины полоскового контакта со стороны выводной торцевой грани нанесена под углом 7°-10° к плоскости выводной торцевой грани, а противоположный конец полоскового контакта перпендикулярен торцевой грани, противоположной выводной.
Для изготовления лазерного полупроводникового излучателя технический результат достигается также тем, что, ось полоскового контакта перпендикулярна торцевым граням.
Технический результат достигается тем, что выбирают активный элемент, на одной из поверхностей которого нанесено по крайней мере два полосковых металлических токовых контакта, что является непременным условием для получения также по крайней мере двух активных областей. Такой активный элемент является монолитной излучающей линейкой и имеет две параллельные торцевые грани, выводную и противоположную ей. Кристаллическую брэгговскую решетку также устанавливают на оптическом контакте на торцевую грань активного кристалла, противоположную выводной, т.е. одну ко всем имеющимся активным областям. Получают выходное излучение повышенной мощности со стабильной длиной волны и шириной спектра.
При изготовлении многоэлементных полупроводниковых излучателей технический результат достигается тем, что при выборе по крайней мере двух активных элементов единую кристаллическую брэгговскую решетку устанавливают на оптическом контакте на обе торцевые грани, противоположные выводным, обоих активных элементов. Это условие относится ко всем возможным различным сборкам активных элементов как собирая излучающие линейки, так собирая в излучающие решетки.
Таким образом, проще и быстрее изготавливают высокомощные полупроводниковые излучатели, суперлюминесцентные либо лазерные, со стабильной длиной волны и шириной спектра выходного излучения при изменении температуры окружающей среды и тока накачки через активный(е) кристалл(ы), надежные и долговечные, со сниженной себестоимостью и значительно меньшими габаритами.
Анализ патентных материалов и технической литературы показал, что совокупность представленных существенных отличительных признаков изобретения нова, обладает изобретательским уровнем.
Технологическая реализация предложенного в настоящем изобретении полупроводникового излучателя основана на известных базовых технологических процессах, которые к настоящему времени хорошо разработаны и широко применяются. Предложение удовлетворяет критерию «промышленная применимость».
Краткое описание чертежей
Настоящее изобретение поясняется фиг.1, на которой схематически изображено продольное сечение предложенного торцевого полупроводникового излучателя, где 1 - металлокерамический корпус, 2 - активный элемент полупроводникового излучателя, 3 - микроохладитель, 4 - терморезистор, 5 - одномодовое световолокно, 6 - микролинза, 7 - кристаллическая брэгговская решетка, 8 - оптический коннектор, 9 - контактная пластина, 10 - слой связующего средства.
Осуществление изобретения
В дальнейшем изобретение поясняется конкретными вариантами его выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи. Приведенные примеры модификаций полупроводникового излучателя не являются единственными и предполагают наличие других реализации (в том числе в известных диапазонах длин волн), особенности которых отражены в совокупности признаков формулы изобретения.
1-излуч
2-крист
Пример 1. Для реализации предложенного способа изготовления полупроводникового излучателя на подложке из GaAs была выращена многослойная гетероструктура РО ДГС из полупровониковых соединений InAIAs-InGaAs-InGaAsP (с p-n-переходом). Из выращенной пластины изготовляли активные элементы 2 полупроводникового излучателя. Для создания зеркальных торцевых граней, параллельных друг другу, скалывают пластину по кристаллической плоскости. На одну из торцевых граней наносят просветляющее покрытие с коэффициентом отражения R, равным 0,4%, она является выводной торцевой гранью, а на противоположную ей торцевую грань наносят просветляющее покрытие с коэффициентом отражения R, равным 0,05%.
На поверхности активного кристалла, параллельные плоскости p-n-перехода, наносят металлические токовые контакты. На поверхность подложки наносят сплошной металлический токовый контакт из Sn-Au. Для создания активного элемента 2 двухпроходного суперлюминесцентного полупроводникового излучателя, в частности, двухпроходного суперлюминесцентного диода (далее СЛД) со стороны гетероструктуры наносят полосковый контакт из Au-Zn, ось которого составляет с выводной торцевой гранью угол 7°±0,5°.
Готовый активный элемент 2 припаивают на первую часть контактной пластины 9, производят монтаж проволочных выводов, электротренировку и измерение параметров активного элемента.
Контактную пластину 9 соединяют из двух контактных пластин лазерной сваркой (на фиг.1 не указано на первую часть контактной пластины 9 для активного элемента 2 и на вторую часть - для микропечи (на фигуре не показана) с одномодовым световолокном 5).
Сборку СЛД производят в корпусе 1 типа 14 pin DIL. В данном случае предусмотрен вывод излучения через одномодовое световолокно 5, которое должно быть закреплено на микропечи. Контактные пластины активного элемента 2 и микропечи соединяют лазерной сваркой в контактную пластину 9. На основании корпуса 1 закреплена холодная поверхность микроохладителя 3, на его противоположной поверхности припаяны контактная пластина 9 и терморезистор 4.
2-КБР
В качестве элемента с брэгговской решеткой выбирают кристаллическую брэгговскую решетку 7 (далее КБР), изготовленную методом МОС-гидридной эпитаксии на подложке GaAs. В ней образовано 18 пар чередующихся параллельных слоев твердого раствора GaAIAs и GaAs. Закрепляют КБР 7 на торцевой грани, противоположной выводной, при помощи оптического контакта, а на контактной пластине при помощи слоя стеклянной пасты 10 (слой связующего средства 10), нанесенного на контактную пластину. После этого коэффициент отражения R со стороны, противоположной выводу излучения, становится равным 97%±1%.
Для подготовки одномодового световолокна 5 на его конце, обращенного к активному элементу 2, сформирована микролинза 6. На противоположном конце световолокна 5 смонтирован оптический коннектор 8 типа FC/APC. Световолокно 5 защищено полимерным кембриком. Световолокно 5 устанавливают на микропечь, юстируют световолокно 5 относительно активного элемента 2 СЛД, закрепляют его на микропечи и в корпусе 1.
Далее проводят измерения параметров СЛД, измерение длины волны и ширины спектра выходного излучения СЛД на выходе одномодового световода. После получения удовлетворительных измерений мощностных, спектральных характеристик корпус закрывают крышкой и герметизируют.
Мощностные и спектральные характеристики СЛД до установки КБР следующие: мощность излучения 3 мВт, ширина спектра выходного излучения - 32 нм при длине волны излучения - 1064 нм.
При измерении мощностных и спектральных характеристик СЛД на выходе одномодового световода получено: мощность излучения на выходе световода равна 5 мВт, ширина спектра выходного излучения - 32 нм, равная селективности КБР.
При электротермотренировке СЛД в течение 100 часов не наблюдалось изменения длины волны и ширины спектра выходного излучения СЛД. При нагреве до 50°C и при изменении тока накачки СЛД также не наблюдалось изменения длины волны и ширины спектра выходного излучения.
Пример 2. В другом варианте для реализации предложенного способа изготовления лазерного полупроводникового излучателя, а именно, лазерного диода (далее ЛД) отличие состояло только в конструкции активного элемента 2. Полосковый контакт изготовляли так, что его продольная ось была перпендикулярна торцевым граням активного элемента, параллельна оси оптического резонатора, т.е. параллельна оси вывода излучения. При этом получали активный элемент 2, являющийся многопроходным.
Были измерены мощностные и спектральные характеристики ЛД до установки КБР. Получено: мощность излучения равна 5 мВт, ширина спектра выходного излучения - 0,5 нм при длине волны излучения, равной 1064 нм.
При измерении мощностных и спектральных характеристик ЛД и на выходе одномодового световода получено: мощность излучения равна 10 мВт на выходе световода, ширина спектра выходного излучения - 0,5 нм, при длине волны излучения, равной 1064 нм.
При электротермотренировке ЛД в течение 100 часов не наблюдалось изменения длины волны и ширины спектра выходного излучения ЛД. При нагреве до 50°C и при изменении тока накачки ЛД не наблюдалось изменения длины волны и ширины спектра выходного излучения.
Пример 3. В следующем варианте способ отличался от первого примера тем, что на поверхности гетероструктуры активного кристалла был изготовлен полосковый контакт, причем он выполнен под углом 7°-10° к плоскости выводной торцевой грани, на 55%±0,5% его длины. Остальная часть полоскового контакта плавно переходит в полосковый контакт с осью, перпендикулярной торцевой грани, противоположной выводной.
Параметры СЛД не изменились.
Пример 4. В следующем варианте способ отличался от первого примера тем, что при закреплении активного элемента 2 и КБР 7 на контактной пластине 9 использовали оптический клей.
Параметры СЛД не изменились.
Пример 5. В следующем варианте способ отличался от второго примера тем, что собирают линейку (фигура отсутствует) из десяти активных элементов 2, припаивая их на контактную пластину 9, производят монтаж выводов, электротренировку и измерение параметров линейки. Единую КБР 7 устанавливают на оптическом контакте на все десять торцевых граней, противоположных выводным, десяти активных элементов 2 линейки и закрепляют ее при помощи стеклянной пасты 10 на контактной пластине 9. (В связи с отсутствием световолоконного вывода излучения исключены операции, касающиеся микропечи и установки световода.)
Определено, что при постановке КБР на линейку из 10 активных элементов ЛД мощность излучения лазерного полупроводникового излучателя возрастала в 1,5 раза (от 1 до 1,5 Вт). При изменении температуры от 25 до 50°C длина волны и ширина спектра выходного излучения оставались без изменений.
Именно использование только одной, единой кристаллической брэгговской решетки для всех активных элементов как излучающих линеек, так и излучающих решеток, причем при различном числе активных областей в каждом активном элементе позволило обеспечить стабилизацию длины волны и ширины спектра выходного излучения в процессе работы многоэлементного полупроводникового излучателя при изменении температуры окружающей среды и тока накачки при высокой мощности излучения. Технология изготовления значительно более простая - упрощена и значительно ускорена сборка элементов излучателя. Уменьшены габариты, снижена себестоимость. Предложенным способом получены полупроводниковые излучатели как суперлюминесцентные, так и лазерные увеличенной долговечности и надежности.
Промышленная применимость
Предложенный способ изготовления полупроводниковых излучателей применяется в технологии квантовой электроники. Получаемые полупроводниковые излучатели предназначены для использования в аппаратуре медицинской диагностики, экологической аппаратуре контроля газовых сред, волоконно-оптических датчиках давления, температуры, вибрации, химического анализа веществ, скорости потока жидкости и газов, в системах волоконно-оптической связи, контрольно-измерительной аппаратуре.