ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ЛАЗЕР

Полезная модель относится к квантовой электронике и может быть использована в изготовлении полупроводниковых приборов.
2
2
3
3
4
Известен полупроводниковый лазер, описанный в статье «Facet Degradation of AlGaInP Visible Semiconductor Lasers with Facet Passivation», фирмы «Takushima Fukushima» авторов Akira Furuya, Yasuhiro Kito, Mami Sugano, Hisao Sudo and Toshiyuki Tanaasi, 1994. Данный полупроводниковый лазер содержит неорганическое покрытие на выходной грани резонатора из SiO, АlO или SiN.
4
Недостатком данной конструкции является высокая стоимость установки для осаждения защитного покрытия, длительность процесса получения защитного покрытия (5-6 часов, а также использование высокотоксичных газов (SiH) для получения пленки нитрида кремния.
Наиболее близким аналогом по технической сущности к предлагаемому решению - прототипом является конструкция полупроводникового лазера, описанная в статье «Znse by electron-beam evaporation used for facet passivation of high power laser diodes» авторов Xiongwen Shu, Chen Xu, Zengxia Tian, Guangdi Shen. Solid-State Electronics, 49, 2005. Данный полупроводниковый лазер состоит из AlInGaAs/AlGaAs/GaAs - гетероструктуры с защитным покрытием из селенида цинка.
Недостатком данной конструкции является высокая стоимость установки для осаждения защитного покрытия и длительность процесса получения защитного покрытия (5-6 часов).
Сущность полезной модели заключается в следующем. Задача, на решение которой направлена полезная модель, заключается в повышении мощности лазерного излучения, увеличении срока службы.
Указанный технический результат достигается тем, что в полупроводниковом лазере, содержащем слой полупроводника р-типа, активный слой, слой полупроводника n-типа, сколотый торец с интерференционным зеркалом, выходную грань с защитным покрытием, защитное покрытие выполнено из полимерного материала.
Сущность полезной модели поясняется графическими материалами, описанием и примером конкретного исполнения.
На фиг.1 схематично дан общий вид полупроводникового лазера.
На фиг.2 показан полупроводниковый лазер, вид с боку.
На чертежах приняты следующие обозначения:
1 - металлический контакт, например, Ti/Au;
2 - металлический контакт, например, Au, Ge/Ni/Au;
3 - интерференционное зеркало на сколотом торце;
4 - выходная грань - выходное зеркало полупроводникового лазера;
5 - защитное покрытие;
6 - направление лазерного луча из выходной грани 4 полупроводникового лазера;
7 - активный слой;
8 - слой полупроводника GaAs - р - типа;
9 - слой полупроводника GaAs - n - типа.
Полупроводниковый лазер содержит металлический контакт 1, например Ti/Au; металлический контакт 2, например Au, Ge/Ni/Au. Между металлическими контактами 1 и 2 расположен слой полупроводника 8 GaAs-р-типа, активный слой 7, слой полупроводника 9 GaAs-n-типа. Поверх металлического контакта 1 расположен сколотый торец с интерференционным зеркалом 3. Выходная грань 4 расположена на торце полупроводникового лазера является выходом лазерного луча 6.
Полупроводниковый лазер работает следующим образом.
Через металлические контакты 1 и 2 пропускают электрический ток, режим работы лазера соответствует прямому смещению p-n перехода. При повышении тока, пропускаемого через лазер, порогового значения, через защитное покрытие 5 нанесенное на выходную грань 4, выходит лазерное излучение. Мощность выходящего излучения, помимо параметров структуры, зависит от величины пропускаемого тока, его частоты и длительности импульса.
2
3
2
3
4
В ходе работы полупроводникового лазера, его выходная грань 4 подвергается одновременному воздействию атмосферы и лазерного излучения, в результате чего на поверхности выходной грани происходят фотохимические процессы, приводящие к появлению оксидов галлия и мышьяка. Эти соединения являются безызлучательными центрами рекомбинации, в результате чего происходит их разогрев из-за поглощения лазерного излучения, что приводит к оптическому разрушению выходной грани - выходного зеркала полупроводникового лазера. Оптическое разрушение является фактором, ограничивающим предельную мощность лазеров. Для повышения предельной мощности, а также для увеличения срока службы, на выходную грань лазера наносят защитное покрытие. Традиционно выходная грань полупроводникового лазера защищается от воздействия окружающей среды диэлектрическими неорганическими пленками, полученными испарением в вакууме, такими как АlО (см. патент US №5851849, МПК: HO1S 5/00, опубл. 22.12.1998), SiO, SiN (Facet degradation of AlGaInP Visible Semiconductor Lasers with Facet Passivation, Jpn. J. Appl. Phys. Vol.33, 1994), ZnSe (ZnSe by electron-beam evaporation used for faset passivation of high power laser diodes, Solid-State Electronics, 49, 2005). Предельная мощность при этом возрастает не менее чем в 1,6. Основное отличие предложенного полупроводникового лазера заключается в том, что защитное покрытие является полимерным материалом, в частности это простейшая полиамидокислота (ПАК) с боковыми карбоксильными группами:
Полимер должен иметь высокую оптическую однородность, отсутствие поглощения на длине волны излучения лазера и низкий коэффициент сажеобразования. Полимер наносится методом адсорбции из раствора либо методом центрифугирования, что обеспечивает наноразмерное покрытие (толщина пленки не более 20 нм) с низкой шероховатостью (не более 4 нм). Низкий показатель преломления в совокупности с низкой толщиной защитного покрытия практически не изменяют значения отражения от грани арсенида галлия, что позволяет сохранить добротность резонатора.
Механизм защитного покрытия следующий. Пленка, сформированная на поверхности выходной грани полупроводникового лазера, препятствует контакту арсенида галлия с кислородом и влагой воздуха, в результате чего уменьшается вероятность образования центров безызлучательной рекомбинации.
Пример конкретного исполнения.
На базе проведенных ранее исследований защитных характеристик полимерных материалов на основе полиамидокислот и полиамидоимидов была выбрана полиамидокислота
2
2
Выбранный полимер обладает низким коэффициентом сажеобразования 0.3, показателем преломления 1.6 и отсутствием поглощения в инфракрасной (ИК) области спектра. Для получения пленок использовали раствор полиамидокислоты (ПАК) в N-метилпиролидоне с концентрацией 11%. В качестве полупроводниковых лазеров использовались полупроводниковые кристаллы на основе AlGaAs/GaAs-гетероструктур с шириной активной области 1 мкм и размером 350(д)×450(ш)×120(в) мкм. После скалывания пластины на линейки, состоящие из кристаллов полупроводниковых лазеров, на заднюю грань скола наносилось интерференционное зеркало методом электроннолучевого испарения в вакууме с ионным ассистированием, обеспечивающее 99% отражение света на длине волны излучения полупроводникового лазера (808 нм). Полученные линейки скалывались на одиночные кристаллы. Из полученных кристаллов на контактной пластине монтировались полупроводниковые лазеры. На переднюю грань - выходную грань 4 полупроводникового лазера наносилось защитное покрытие 5 из полимерного материала путем погружения полупроводникового лазера в раствор, содержащий ПАК, на 5 минут с последующим расположением на центрифуге и центрифугированием для равномерного распределения раствора по поверхности выходной грани 4. Вращение центрифуги осуществлялось со скоростью не менее 4000 об/мин в течение 40 с. Сушка проводилась с помощью инфракрасного осушителя при 95°С в течение 5 мин. Предельная мощность полупроводниковых лазеров, покрытых ПАК, работающих в импульсном режиме с частотой 1 кГц и длительностью импульса 0.21 мкс достигала 6,9 МВт/см, в то время как предельная мощность полупроводниковых лазеров без покрытия составляет 4,6 МВт/см.
Таким образом, осаждение пленки ПАК на выходную грань полупроводникового лазера увеличивает предельную мощность лазеров в 1,5 раза (это меньше, чем в случае неорганических пленок, но значительно дешевле, так как не требует вакуумной установки и процесс осаждения занимает не более 30 минут), что свидетельствует о защитной функции осажденной пленки. Пленки ПАК могут быть использованы в технологии создания элементов полимерной оптики для лазерных применений, таких как резонаторы и просветляющие покрытия.
Заявленная полезная модель позволяет:
- увеличить срок службы прибора;
- сократить технологический процесс изготовления;
- уменьшить себестоимость прибора.