ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ЛАЗЕР НА ОСНОВЕ ЭПИТАКСИАЛЬНОЙ ГЕТЕРОСТРУКТУРЫ

Изобретение относится к квантовой электронике, в частности, к конструкциям полупроводниковых лазеров, возбуждаемых током, светом, электронным пучком и может быть использовано в технологии обработки материалов, в системах связи, в навигации, в биологии, медицине и других областях науки и техники.
Известен патент US 8,638,827 В2. В данноой конструкции между лазерным кристаллом и теплоотводящим элементом находится промежуточный теплоотвод, т.н. «сабмаунт» из керамического диэлектрического материала. Сабмаунт одной из сторон монтируется на теплоотводящий элемент, выполненный 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, при этом 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 для монтажа лазерных диодов диэлектрические сабмаунты из AlN и ВеО обеспечивают уменьшение термоупругих напряжений в паяном соединении, т.к. имеют более близкий к полупроводниковому кристаллу к.т.р. (коэффициент теплового расширения), однако их теплопроводность не превышает 200 Вт/ м·К, что снижает эффективность отвода тепла по сравнению с теплоотводом, выполненным из меди. 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 к.п.д. лазера, повышает стоимость.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемой полезной модели является заявка на изобретение №2015110597 от 25.03.2015 (решение о выдаче патента на изобретение от 25.02.2016). В указанной заявке предложена конструкция полупроводникового лазера на основе эпитаксиальной гетероструктуры, включающая лазерный кристалл, теплоотвод со стороны эпитаксиальных слоев гетероструктуры, подводящие ток электроды и гибкие электрические проводники, причем подводящие ток электроды расположены параллельно оси резонатора лазерного кристалла, а гибкие электрические проводники соединяют подложку гетероструктуры непосредственно с электродами одной полярности.
Расположение подводящих ток электродов параллельно оси резонатора лазерного кристалла, а также соединение подложки гетероструктуры непосредственно с электродами позволяет максимально снизить последовательное сопротивление лазера, повысить к.п.д. и выходную мощность излучения, повысить надежность и выход годных изделий. Кроме того, в предложенной конструкции в частном случае между лазерным кристаллом и теплоотводом, выполненным из меди, может находиться сабмаунт, изготовленный из материала с теплопроводностью более высокой, чем у меди, например из алмаза или композита на основе алмаза, что повышает эксплуатационные характеристики. В другом частном случае подводящие ток электроды могут выступать над поверхностью лазерного кристалла, что способствует его защите от механических повреждений.
Тем не менее, конструкция имеет ряд недостатков. В частности, вследствие того, что подводящие ток электроды имеют одну полярность, конструктивно положительный электрический контакт находится на теплоотводящем элементе, выполненным из меди, т.е. на корпусе прибора. В ряде случаев при использовании упомянутой конструкции это нежелательно, поскольку теплоотводящий элемент с лазерным кристаллом устанавливается на заземленные элементы систем охлаждения. Кроме того, для подведения к корпусу лазера положительного полюса питания от драйвера питания требуется дополнительный электрод, что усложняет конструкцию, увеличивает ее габариты и стоимость. Как правило драйверы питания лазерных диодов имеют электрические выводы, изолированные от земли и заземленный корпус, соответственно корпус лазера также должен быть электрически изолирован от электрических выводов питания. Конструкция имеет также существенный недостаток при использовании наиболее эффективных для охлаждения лазерного кристалла алмазных сабмаунтов, поскольку при оптимальной по толщине металлизации алмаза в зоне монтажа лазерного кристалла, в силу технологических причин, толщина их металлизации вблизи ребер оказывается значительно меньшей, что не обеспечивает низкое последовательное сопротивление, требуемое при протекании значительных токов по ребрам и боковым граням алмазных сабмаунтов. В конечном счете это приводит к снижению эксплуатационных характеристик.
Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что предложен полупроводниковый лазер на основе эпитаксиальной гетероструктуры, включающий лазерный кристалл, теплоотвод со стороны эпитаксиальных слоев гетероструктуры, подводящие ток электроды, расположенные параллельно оси резонатора лазерного кристалла и гибкие электрические проводники, присоединенные к подложке гетероструктуры, при этом подводящие ток электроды имеют противоположную полярность, гибкие проводники соединяют подложку гетероструктуры с электродом отрицательной полярности, а электрод положительной полярности присоединен к теплоотводу.
В частном случае между лазерным кристаллом и теплоотводом, изготовленным из меди находится сабмаунт, выполненный из материала с более высокой чем у меди теплопроводностью, например, из алмаза или композита на основе алмаза, при этом электрод положительной полярности присоединен к сабмаунту.
В предложенной конструкции положительный подводящий ток электрод присоединен непосредственно к теплоотводящему элементу как правило изготовленному из меди или в частном случае к сабмаунту из алмаза или композита на основе алмаза. Достоинство предложенной конструкции заключается в том, что не требуется дополнительный электрический вывод положительной полярности для подключения лазера к источнику питания. Это упрощает конструкцию и позволяет быстро и надежно подвести питание посредством расположенных параллельно друг другу подводящих ток электродов разной полярности. Такое подключение может быть выполнено как методом пайки, так и с помощью электрического разъема. В частном случае при использовании алмазного или композитного на основе алмаза сабмаунта конструкция содержит электрические выводы, изолированные от корпуса, что обеспечивает совместимость с драйверами питания лазерных диодов имеющими изолированные от земли электрические выводы. Кроме того, при использовании алмазного или композитного на основе алмаза сабмаунта, из электрической цепи исключается участок с наибольшим последовательным сопротивлением металлизации - ребра и боковые грани сабмаунта. Таким образом предложенная конструкция позволяет снизить последовательное сопротивление лазера, повысить эффективность отвода тепла при использовании сабмаунтов с высокой теплопроводностью, электрически изолировать медный теплоотводящий элемент (корпус прибора) от подводящих ток электродов питания, обеспечить совместимость с источниками питания лазерных диодов имеющими изолированные от земли электрические выводы, облегчить подсоединение и отсоединение питания с помощью электрического разъема. В целом перечисленные преимущества повышают эксплуатационные характеристики лазера, его надежность, долговечность, выход годных изделий при производстве, снижают риски электрического пробоя p-n перехода лазерной гетероструктуры при подсоединении и отсоединении выводов к/от источнику(а) питания.
На Фиг. 1 представлен пример выполнения предложенного устройства. Конструкция представляет собой теплоотвод 1, лазерный кристалл 2, изолятор 3, подводящий ток электрод отрицательной полярности 4, гибкие электрические проводники 5, крепежные отверстия в теплоотводе 6, подводящий ток электрод положительной полярности 8.
На Фиг. 2 показан частный случай конструкции согласно п. 2 формулы полезной модели. Конструкция содержит теплоотвод 1, лазерный кристалл 2, изолятор 3, подводящий ток электрод отрицательной полярности 4, гибкие проводники 5, крепежные отверстия 6, сабмаунт 7, подводящий ток электрод положительной полярности 8.
Принцип работы устройства. Ток протекает последовательно через отрицательный электрод 4, гибкие электрические проводники 5, лазерный кристалл 2, теплоотвод 1 и положительный электрод 8, в частном случае ток протекает через металлизацию алмазного или композитного на основе алмаза сабмаунта находящегося между лазерным кристаллом 2 и теплоотводом из меди 1. Ток, протекающий через лазерный кристалл, вызывает в активной области эпитаксиальной гетероструктуры излучательную рекомбинацию инжектированных носителей и генерацию лазерного излучения.
Пример реализации предлагаемого устройства. Были изготовлены полупроводниковые лазеры на основе эпитаксиальной гетероструктуры в количестве 2-х образцов. Параметры лазерных кристаллов следующие: длина резонатора 4 мм, ширина полоскового контакта 100 микрон, длина волны излучения 980 нм. Применение описанной конструкции позволило повысить непрерывную выходную мощность до 15 Вт. На одном из образцов проведены ресурсные испытания в течение 100 часов, уменьшения выходной мощности не зафиксировано.
Предлагаемое техническое решение обеспечивает повышение мощности излучения полупроводникового лазера в непрерывном режиме генерации, максимальной и средней мощности в импульсном режиме генерации и полного к.п.д. за счет повышения эффективности отвода тепла при использовании сабмаунтов из алмаза и композитов на основе алмаза, а также за счет снижения последовательного сопротивления.
Предлагаемая конструкция проста в изготовлении, имеет повышенную надежность, обеспечивает снижение габаритов и обладает потенциалом для получения высокого выхода годных изделий при производстве.