ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ИНЖЕКЦИОННЫЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ИНЖЕКЦИОННЫЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ.
Область техники
Полезная модель относится к квантовой электронной технике, а именно, к конструкции полупроводникового инжекционного излучателя с просветляющими, пассивирующими и блокирующими кислород покрытиями на излучающих оптических поверхностях его активного элемента с увеличенной лучевой прочностью излучающих поверхностей.
Предшествующий уровень техники
III
V
Для повышения выходной мощности излучения и надежности работы за счет увеличения лучевой прочности излучающих оптических граней активных элементов лазерных модулей, в том числе с составным резонатором, суперлюминесцентных диодов, светодиодов на упомянутые грани наносят различные покрытия. Известны многослойные пассивирующие покрытия оптических поверхностей на основе соединений AB и их твердых растворов, состоящие по крайней мере из слоя GaN, или InN, или SiN, или AlN, или InAsN, или диэлектрика (см., например, [Патент RU 2421856, H01S 5/028, H01L 21/02, опубл. 20.06.2011; патент RU 2303317, H01L 21/3065, H01S 5/028, опубл. 20.07.2007]. При этом получали уменьшение поверхностной рекомбинации и увеличение лучевой прочности оптических поверхностей (граней).
x
1-x
В ряде патентов (см. [Патент SU 1831211, H01S 3/18, опубл. 27.06.1996; патент RU 2308795, H01S 5/30, опубл. 20.10.2007]) предложена пленка ZnSe в качестве материала барьерного слоя, предохраняющего пассивированную в вакууме поверхность зеркального скола при выносе полосок на атмосферу для дальнейших операций. Известна конструкция диодного лазера с интерференционным покрытием оптической грани, состоящим из переходного слоя и эпитаксиальной пленки селенида цинка (см. [Патент 2308795, RU, кл. H01S 5/30, опубл. 20.10.2007]). Здесь переходной слой состоит из трех подслоев, средним из которых является монослой серы, со стороны оптической грани к нему примыкает подслой из полупроводникого материала оптической грани, легированного серой, а со стороны эпитаксиальной пленки селенида цинка примыкает подслой переменного состава из ZnSeS, где х изменяется в диапазоне от 0,9 до менее 1,0.
A
A
A
A
Ранее, в патенте [1831211, SU, кл. H01S 3/18, опубл.27.06.1996] заявлены эпитаксиальные пассивирующие пленки ZnSe не как вспомогательные слои, а как самостоятельное интерференционное покрытие с повышенной лазерной стойкостью, в том числе для просветления фронтального излучающего зеркала от величины коэффициента отражения R, равной 30% (λ/2) до R, равной 7% (λ/4), где А - рабочая длина волны излучения. В этом варианте пленка ZnSe не только выполняет свою основную функцию - повышение лучевой прочности фронтального зеркала, но и одновременно обеспечивает просветление в указанном диапазоне коэффициента отражения R. Практическое использование конструкции в соответствии с патентом 1831211 выявило его существенное ограничение - минимальная величина остаточного коэффициента отражения R составляет только 7%.
-1
A
2
3
3
4
За последнее десятилетие с помощью МОС - технологии освоен выпуск эпитаксиальных структур с коэффициентом оптических потерь до (0,8…1,0) см[Е.И. Давыдова, В.В. Дмитриев, Ю.Ю. Козлов, И.А. Кукушкин, М.Б. Успенский, В.А. Шишкин, Повышение порога оптического разрешения фронтального зеркала полупроводникового лазера при пассивации селенида цинка, «Квантовая электроника», 2011 г., т.41, №5, с. 423-426] (прототип), что сделало возможным дальнейшее увеличение длины резонатора до (3…4) мм. Получено более глубокое просветление - остаточный коэффициент отражения R (1…3)%. Такое просветление осуществляется за счет дополнительного напыления одно -двухслойного покрытия AlO или SiN на предварительно сформированное пассивирующее и частично просветляющее покрытие из ZnSe, толщиной λ/2. Требуемое многослойное покрытие, напыляемое в различных технологических камерах, существенно усложняет технологию изготовления прибора.
Раскрытие полезной модели
A
Техническим результатом предложенного полупроводникового инжекционного излучателя является упрощение конструкции и технологии изготовления пассивирующего, просветляющего и блокирующего кислород интерференционного покрытия излучающих оптических поверхностей его активного элемента с границей величины остаточного коэффициента отражения R, равной 2% и менее, при сохранении лучевой прочности оптических поверхностей, мощности выходного излучения, стабильности и надежности работы, ресурса работы, пространственных характеристик излучения, воспроизводимости параметров излучателя.
III
V
x
1-x
x
1-x
В соответствии с полезной моделью технический результат достигается тем, что предложен полупроводниковый инжекционный излучатель на основе полупроводникового материала AB и его твердых растворов с пассивирующим и просветляющим интерференционным покрытием по крайней мере на одной излучающей оптической поверхности его активного элемента, причем упомянутым покрытием является слой ZnSeS, где величина «х» определена из диапазона от 0,5 до 0,6, а толщина слоя ZnSeS равна трем четвертям рабочей длины волны излучения.
x
1-x
x
1-x
Существенное отличие предложенного полупроводникового инжекционного излучателя состоит в выращивании единственного эпитаксиального слоя ZnSeSна оптической поверхности, далее излучающей, для достижения увеличения степени просветления 1,5%-2%, вплоть до 1%. Единственный эпитаксиальный слой ZnSeS является одновременно пассивирующим, просветляющим и блокирующим кислород интерференционным покрытием. Поэтому данное предложение позволило значительно упростить технологию формирования просветляющего покрытия по сравнению с прототипом, имеющим по крайней мере трех-пятислойное покрытие. При этом также отмечено сохранение лучевой прочности зеркал, мощности выходного излучения, стабильности и надежности работы, ресурса работы, пространственных характеристик излучения, воспроизводимости параметров излучателя.
Отметим, что предложение применимо к различным видам полупроводникового инжекционного излучателя, имеющим излучающую оптическую поверхность, а именно, к лазерному диоду, к суперлюминесцентному диоду, к светодиоду, а также к излучателям с различным расположением излучающей оптической поверхности по отношению к плоскости активной области (в том числе к излучателю с вертикальным выводом излучения). Кроме того, предложение применимо как к излучателю, имеющему одну излучающую оптическую поверхность, так и с множеством излучающих оптических поверхностей (излучатель в виде линейки или решетки).
Технический результат достигается тем, что имеется активный элемент на основе арсенида галлия и твердых растворов, изопериодичных к арсениду галлия.
Анализ патентных материалов и технической литературы показал, что совокупность представленных существенных отличительных признаков полезной модели нова.
Технологическая реализация предложенного в настоящей полезной модели полупроводникового инжекционного излучателя основана на известных базовых технологических процессах, которые к настоящему времени хорошо разработаны и широко применяются. Предложение удовлетворяет критерию «промышленная применимость».
Краткое описание чертежей
Предложение поясняется фигурами 1-12.
x
1-x
На Фиг. 1 схематически изображена аксонометрия предложенного активного элемента с лазерной гетероструктурой торцевого полупроводникового лазера с интерференционным покрытием пленки ZnSeS излучающей оптической грани.
На Фиг. 2 схематически изображено сечение А-А, выполненное вдоль резонатора предложенного активного элемента, изображенного на Фиг. 1.
На Фиг. 3 схематически изображено сечение Б-Б, выполненное поперек резонатора предложенного активного элемента, изображенного на Фиг. 1.
A
0,5
0,5
На Фиг. 4 изображен результат сравнительных исследований зависимости коэффициентов отражения R (%) от длины волны А для интерференционных покрытий из одного слоя ZnSeS (см. график 1) и из одного слоя ZnSe (см. график 2).
0,5
0,5
На Фиг. 5 изображены ватт-амперные характеристики лазерных диодов (ЛД) с интерференционным покрытием из одного слоя ZnSeS (график 1) и с пятислойным интерференционным покрытием, включающим слой ZnSe (график 2).
0,5
0,5
На Фиг. 6 изображен график ресурсных испытаний заявляемых лазерных диодов с интерференционным покрытием из одного слоя ZnSeS.
На Фиг. 7 изображен график ресурсных испытаний известных лазерных диодов с пятислойным интерференционным покрытием, включающим слой ZnSe.
0,5
0,5
На Фиг. 8 изображены пороги КОД (катастрофической оптической деградации) на ватт-амперных характеристиках лазерных диодов с однослойным интерференционным покрытием ZnSeS.
На Фиг. 9 изображены пороги КОД на ватт-амперных характеристиках лазерных диодов с пятислойным интерференционным покрытием, включающим слой ZnSe.
0,6
0,4.
На Фиг. 10 изображен график ресурсных испытаний заявляемых лазерных диодов с однослойным интерференционным покрытием ZnSeS
0,5
0,5
На Фиг. 11 изображен график ресурсных испытаний известных лазерных диодов с пятислойным интерференционным покрытием, включающим слой ZnSe. На Фиг. 12 изображены диаграммы угловой расходимости излучения в горизонтальной (пунктирные линии) и вертикальной (сплошные линии) плоскостях, для лазерных диодов: 1 - с однослойным интерференционным покрытием ZnSeS и 2-е пятислойным интерференционным покрытием, включающим слой ZnSe.
Приводим перечисление позиций на Фиг. 1 - Фиг. 3:
1 - активный элемент
2 - подложка
3 - гетероэпитаксиальная лазерная структура
4 - n-эмиттер
5 - первый волноводный слой
6 - активная область
7 - второй волноводный слой
8 - р-эмиттер
9 - мезаполоска
10 - омический контакт к р-типу проводимости
11 - омический контакт к n-типу проводимости
12 - слой высокоомного ZnSe
13 - металлический контакт к р-типу проводимости
14 - металлический контакт к n-типу проводимости
15 - оптические поверхности - грани резонатора
16 - пассивирующее и просветляющее интерференционное покрытие
17 - отражающее покрытие.
Варианты осуществления полезной модели
В дальнейшем полезная модель поясняется конкретными вариантами выполнения с ссылками на прилагаемые чертежи на фигурах 1-3.
Приведенные примеры модификаций не являются единственными и предполагают наличие других реализаций (в том числе в известных диапазонах длин волн, т.е. для различных материалов), особенности которых отражены в совокупности признаков формулы полезной модели.
Для экспериментальной проверки предложенной полезной модели нами был выбран полупроводниковый лазер с поперечно-одномодовым резонатором гребневидного типа. Аксонометрия его активного элемента 1, продольное (А-А) и поперечное (Б-Б) сечения изображены на Фиг. 1 - Фиг. 3, соответственно.
x
1-x
Активный элемент 1 выполнен на основе гетероэпитаксиальной лазерной структуры 3 симметричной РО ДГС SQW из GaAs - AlGaAs с длиной волны А излучения, равной 0,85 мкм. На подложке 2 находятся последовательно п-эмиттер 4, первый волноводный слой 5, активная область 6, второй волноводный слой 7, р-эмиттер 8 и слой омического контакта 10 к р-типу проводимости. Активные элементы 1 имели узкую мезаполоску 9, выполненную в р-эмиттере с его остаточной толщиной 0,3±0,05 мкм, заращенную с неизлучающих боков мезаполоски слоями высокоомного ZnSe 12, и с омическим контактом 10 к поверхности мезаполоски 9. Его ширина равна 4±0,5 мкм. Кроме того, по бокам мезаполоски 9 выполнены слои высокоомного ZnSe 12 и металлический контакт 13. Со стороны подложки 2 n-типа проводимости имеется омический контакт 11 и металлический контакт 14. В процессе изготовления после металлизации полученную пластину делили на две части. От каждой части пластины (первой и второй) скалывали по полоске с длиной резонатора L, равной 1000±0,5 мкм. Каждую кассету с соответствующей полоской поочередно загружали в технологическую камеру для эпитаксиального заращивания соответствующей оптической грани.
0,5
0,5
A
На одной зеркальной (далее выходной либо фронтальной) грани полоски из первой части пластины выращивали слой ZnSeS с оптической толщиной ¾λ (с минимумом при длине волны А излучения, равной 0,85 мкм), что обеспечило коэффициент отражения R на передней оптической грани, равным 2,0% (см. на Фиг. 4 график 1).
A
2
A
Для получения сравнительного результата также на одной зеркальной грани полоски из второй части пластины выращивали пять слоев. Слой ZnSe с оптической толщиной λ/2 при длине волны λ излучения, равной 0,85 мкм, получая коэффициент отражения R на передней излучающей грани, равным 6,7% (см. на Фиг. 4 график 2). Затем в другой камере поверх слоя ZnSe формировали две пары чередующихся слоев ZrO и SiO2 каждый оптической толщины λ/4 при длине волны λ излучения, равной 0,85 мкм, и тогда получали коэффициент отражения R на передней оптической излучающей грани, равным 1,5%.
A
2
2
3
Далее в одном процессе на противоположные зеркальные грани обеих полосок наносили отражающее покрытие с коэффициентом отражения R, равном 95%, состава ZrO - A1O. Далее каждую полоску делили на активные элементы, которые припаивали с помощью ln-припоя к медным теплоотводам.
Для исследования влияния пассивации на характеристики лазерных диодов (далее ЛД) провели сравнительные испытания на двух группах приборов. Из ватт-амперных характеристик обеих типов приборов (см. на Фиг. 5 графики 1 и 2, соответственно) следует, что как начальные параметры, так и дальнейший вид ватт-амперных характеристик для рассматриваемых типов приборов примерно одинаковы. Ресурсные испытания проводили в непрерывном режиме (при постоянном токе накачки во все время испытания - в течение 350 часов) при начальном уровне мощности Р, мВт лазерного излучения, равной 105 мВт для ЛД заявляемой конструкции (см. Фиг. 6) и 108 мВт для ЛД известной конструкции (см. Фиг. 7), при температуре +60°С. Зависимость средних значений измеренных величин мощности излучения Р, мВт от времени накачки первой группы ЛД заявляемой конструкции изображена на Фиг. 6 (график ресурсных испытаний). Зависимость средних значений измеренных величин мощности излучения Р, мВт от времени накачки второй группы ЛД известной конструкции изображена на Фиг. 7 (график ресурсных испытаний). Анализ результатов ресурсных испытаний (см. графики на Фиг. 6 и Фиг. 7) показал, что характер изменения выходной мощности Р, мВт в течение 350 часов практически одинаков для рассматриваемых типов приборов. В заявленных ЛД предложенное покрытие не влияет на мощность выходного излучения, стабильность, надежность и ресурс работы.
0,5
0,5
Лучевую прочность заявляемых и известных покрытий фронтальных оптических зеркальных поверхностей исследовали по порогам КОД на ватт-амперных характеристиках третьей и четвертой групп ЛД. Из тех же подготовленных полосок было взято по девять активных элементов, которые припаивали с помощью ln-припоя к медным теплоотводам. Для заявленного (третья группа) ЛД с интерференционным покрытием из одного слоя ZnSeS (см. Фиг. 8) получена КОД по достижении мощности излучения Р, равной 290-340 мВт, при токах накачки I, равных 27-33 мА. Для известного (четвертая группа) ЛД (см. Фиг. 9) получена КОД по достижении мощности излучения Р, равной 250-370 мВт, при токах накачки I, равных 31 - 38 мА (для большей части - Р, равной 280 - 330 мВт при I, равных 31 - 38 мА). Полученные ватт-амперные характеристики, величины выходной мощности порогов КОД при величинах тока накачки для заявленного ЛД и известного весьма близки. Можно заключить, что лучевая прочность зеркал заявляемых ЛД и известных практически одинакова и наблюдается воспроизводимость выходной мощности излучения.
0,6
0,4
A
В другом примере исполнения отличие активного элемента состояло только в том, что на следующей полоске, взятой из первой части пластины, также на одной зеркальной грани этой полоски выращивали слой ZnSeS с оптической толщиной λ (с минимумом при длине волны А излучения, равной 0,85 мкм), что обеспечило коэффициент отражения R на передней оптической грани, равным 1,7% (на фигурах не приведено). Далее образцы ЛД из третьей полоски готовили также, как описано в предыдущем примере.
0,6
0,4.
Были проведены сравнительные ресурсные испытания также на двух (пятая и шестая) группах приборов, заявляемых (десять приборов выполнено из третьей полоски) и известных (выполнено еще десять приборов из второй части пластины). Их проводили также в непрерывном режиме (при постоянном токе накачки во все время испытания - в течение 350 часов) при температуре +60°С. Приводятся таблицы измерения мощности излучений от времени наработки и средние значения показаний (см. Таблица 1. «Ресурсные испытания мощности излучений для десяти заявляемых лазерных диодов с интерференционным покрытием из одного слоя ZnSeS» и Таблица 2. «Ресурсные испытания мощности излучений для десяти лазерных диодов прототипа - с пятислойным интерференционным покрытием, включающим слой ZnSe.» Зависимость средних значений измеренных величин мощности излучения Р, мВт от времени накачки пятой группы ЛД заявляемой конструкции, изображенная на Фиг. 10, очень близка аналогичной зависимости средних значений измеренных величин мощности излучения Р, мВт от времени накачки шестой группы ЛД известной конструкции, изображенной на Фиг. 11 (графики ресурсных испытаний). В заявленных ЛД предложенное покрытие не снижает мощность выходного излучения, стабильность, надежность и ресурс работы.
0,6
0,4
0,5
0,5
Ватт-амперные характеристики, лучевая прочность ЛД с покрытиями ZnSeS получены весьма близкими значениям для ЛД с покрытиями ZnSeS, поэтому здесь не приводятся.
0,5
0,5
II
┴
I
┴
x
1-x
Из всех трех полосок были выполнены дополнительно ЛД для проведения исследований распределения излучения в дальнем поле в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Типичные диаграммы угловой расходимости приведены на Фиг. 12 для заявленных ЛД с однослойным интерференционным покрытием ZnSeS выходной грани (графики 1) и для известного ЛД с пятислойным интерференционным покрытием, включающим слой ZnSe (графики 2). Для заявляемого ЛД получен угол расходимости θ, равным 8,7°, в горизонтальной плоскости и угол расходимости θ, равным 25,9°, в вертикальной плоскости. Для известного ЛД (график 2) получен угол расходимости θ, равным 8,9° и угол расходимости θ, равным 25,0°. Весьма близкие значения углов расходимости как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскостях позволяют сделать заключение о сохранении пространственных характеристик заявленного полупроводникового инжекционного излучателя, в частности ЛД, при упрощении конструкции и технологии изготовления пассивирующего, просветляющего и блокирующего кислород интерференционного покрытия излучающих оптических поверхностей, а именно, при создании однослойного покрытия ZnSeS, где величина «х» определена из диапазона от 0,5 до 0,6, при его толщине, равной трем четвертям рабочей длины волны излучения.
A
Приведенные результаты исследований заявленных ЛД и их сравнение с известными ЛД подтверждают достижение технического результата предложения - упрощение конструкции и технологии изготовления пассивирующего, просветляющего и блокирующего кислород интерференционного покрытия излучающих оптических поверхностей его активного элемента с границей величины остаточного коэффициента отражения R, равной 2% и менее, при сохранении лучевой прочности оптических поверхностей, мощности выходного излучения, стабильности и надежности работы, ресурса работы, пространственных характеристик излучения, воспроизводимости параметров излучателя.
x
1-x
Нами также выяснено, что предложенное покрытие из эпитаксиального слоя ZnSeS, при х=0,5…0,6 толщиной, равной трем четвертям рабочей длины волны излучения, применимо также к суперлюминесцентному диоду, к излучающей поверхности светодиода, к излучающей линейке либо решетке со множеством излучающих областей, к излучателю с вертикальным выводом излучения через излучающую зеркальную поверхность.
Промышленная применимость
Предложенный полупроводниковый инжекционный излучатель может быть использован в качестве источника излучения в технологических лазерных установках, медицине, системах накачки твердотельных лазеров, системах связи, контрольно-измерительной аппаратуре, для контроля и управления летательными аппаратами, а также в светильниках, рекламах и далее.