ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ

Область техники
Полезная модель относится к области полупроводниковой квантовой электроники, к когерентным и некогерентным полупроводниковым источникам излучения, в том числе мощным, в частности, к конструкции двумерных решеток полупроводниковых лазерных или суперлюминесцентных излучающих линеек излучателей.
Предшествующий уровень техники
Известны различные конструкции многоэлементных излучателей в виде наборных решеток, состоящих из линеек диодных (инжекционных) лазеров (см., например, [Свидетельство RU 8174, кл. H01S 3/18, опубл. 16.10.1998, ГП НИИ «Полюс», RU; Патент ЕР 1887666, опубл. 13.02.2008, THIAGARAJAN PRABHU и др., US]. Общим для всех рассмотренных конструкций является наличие не менее двух линеек диодных лазеров, с индивидуальными теплоотводящими и контактными прокладками между линейками, с единым теплоотводом со стороны зеркал, противоположных излучающим. Также имеются основание, токоподводящие контактные площадки, теплоотводы, корпус. Имеющиеся дополнительные теплоотводы, микрохолодильники позволяют эффективно снизить перегрев при работе известных решеток.
Решетка лазерных линеек в соответствии с [Патентом RU 2396654, H01S 5/32, опубл. 10.08.2010, ОАО «НПП «ИНЖЕКТ», RU] содержит полупроводниковые лазерные линейки, каждую из которых помещают между индивидуальными теплоотводами. Каждая линейка содержит отрицательный и положительный выводы. Выводы крайних лазерных линеек соединены с токоподводящими контактными площадками.
Известная решетка лазерных линеек имеет высокую надежность работы, но с довольно большим телом свечения и низкой плотностью мощности. Теплопроводящее основание, диэлектрик, индивидуальные теплоотводы должны иметь коэффициенты термического расширения (KTP) близкие к KTP лазерных линеек, что весьма трудно подобрать. Имеющиеся дополнительные теплоотводы, микрохолодильники позволяют эффективно снизить перегрев при работе известных решеток, но весьма увеличивают габариты и вес изделия.
Предложен полупроводниковый излучатель, (см. Фиг. 1 [Патент RU 113426, H01S 3/00, опубл. 10.02.2012, ФГУП «НИИ «Полюс» им. М.Ф. Стельмаха», RU],) с решеткой лазерных диодных линеек с внешними металлизированными поверхностями контакта n-типа и р-типа. Решетка лазерных диодных линеек установлена стороной контакта р-типа на токопроводящую контактную пластину, одновременно являющуюся теплоотводом. Базовым элементом решетки лазерных диодных линеек является монолитная лазерная диодная линейка в соответствии с Фиг. 2 патента RU 113426.
Конфигурация и расположение активных (излучающих, накачиваемых при работе излучателя) и пассивных (неизлучающих, ненакачиваемых при работе излучателя) областей в известных лазерных диодных линейках решетки приводит к перегреву и, как следствие, снижению выходных мощностных характеристик, ресурса работы, электростабильности и надежности работы, ухудшению воспроизводимости параметров излучателя. При увеличении ширины пассивных областей для снижения перегрева решетки с данной лазерной диодной линейкой снижается механическая прочность всей конструкции. Для стабилизации температурного режима требуются внешние охлаждающие устройства, например, микрохолодильник, что увеличивает общие габариты и вес изделия с известной решеткой лазерных диодных линеек.
Раскрытие полезной модели
Техническим результатом предложенного полупроводникового излучателя является повышение выходных мощностных характеристик, электростабильности и надежности работы, увеличение ресурса работы, воспроизводимости параметров излучателя с улучшенной возможностью подавления кольцевых мод и при неизменности пространственных (распределение интенсивности в дальнем поле) характеристик излучения, вследствие улучшения теплоотвода от линейки и увеличения ее механической прочности, а также повышение качества и упрощение технологии сборки, снижение габаритов и веса излучателя для ряда применений.
В соответствии с полезной моделью технический результат достигается тем, что предложен полупроводниковый излучатель, содержащий по крайней мере две диодные линейки на основе лазерной гетероструктуры с р-n переходом, совмещенные поверхностями р- и n-типа проводимости, имеющие каждая чередующуюся последовательность из активной и пассивной секций, причем каждая пассивная секция находится между активными секциями, также имеющую изолирующие покрытия и контактные слои. Сторона р-типа проводимости одной из крайних диодных линеек обращена к контактной пластине, являющейся теплоотводом. Излучатель содержит электрические контактные выводы. В предложенном полупроводниковом излучателе каждая пассивная секция последовательности имеет среднюю часть из той же лазерной гетероструктуры, две области, продолжающие соседние активные секции вдоль р-n перехода, каждая длиной не менее 2-3 диффузионных длин электронов, инжектированных в р-n переход током накачки при работе излучателя, а также два углубления между каждой боковой стороной средней части и соседней с ней упомянутой областью, причем толщины средней части и упомянутых областей пассивной секции одинаковы, а контактный слой находится на всей поверхности чередующейся последовательности активных и пассивных секций. При этом по поверхности р-типа каждой линейки для всех линеек длины областей, на которых имеется контактный слой - активных секций, одинаковы между собой, длины областей, на которых имеется изоляционный слой - пассивных секций, одинаковы между собой, а также одинаковы между собой длины по поверхности р-типа имеющихся углублений.
Технический результат достигается также тем, что все части пассивной секции имеют изолирующее покрытие.
Технический результат достигается также тем, что диодная линейка может быть как лазерной, так и суперлюминесцентной.
Предложенная совокупность признаков полупроводникового излучателя позволила обеспечить равные величины коэффициента термического расширения (КТР) каждой активной (накачиваемой и излучающей при работе излучателя) секции и средней части каждой пассивной (ненакачиваемой и излучающей при работе излучателя) секции и соразмерность по толщине, причем средняя часть пассивной секции электрически изолирована от активной секции. Отмеченное привело к беспрепятственному и эффективному отводу тепла, возникающего в активных секциях при работе излучателя, через среднюю часть пассивной секции к теплоотводу. В упомянутых областях, длиной не менее 2-3 диффузионных длин электронов, инжектированных в р-n переход, уменьшена скорость поверхностной рекомбинации носителей на границе «р-n переход в ненакачиваемой области, продолжающей активную секцию - углубление» (а, следовательно, уменьшены и токи утечки) за счет уменьшения плотности носителей по сравнению с плотностью носителей в центре квантовой ямы при инжекции тока накачки в активную секцию.
Верхний предел длины упомянутых областей определяется технологической и конструктивной целесообразностью. Нами получено повышение мощностных характеристик, улучшение электростабильности и надежности работы, увеличение ресурса работы и воспроизводимости параметров излучателя с улучшенной возможностью подавления кольцевых мод. Пространственные характеристики излучения, а именно, распределение интенсивности в дальнем поле, остались неизменными. Наличие равноуровневых средней части и упомянутых областей на краях соседних активных секций позволило увеличить механическую прочность излучателя. Как следствие, снижены напряжения, возникающие при совмещении р-стороны диодной линейки с плоской поверхностью контактной пластины. Упрощена технология и улучшено качество сборки излучателя. Предложение позволило исключить необходимость использования внешних охлаждающих устройств, т.е. снижены габарит и вес излучателя для ряда применений, например, для медицинских целей, систем открытой связи, лазерной дальнометрии, комплексов геофизических исследований и т.д.
Обращаем внимание, что технический результат достигается также тем, что
- для каждой пассивной секции проецируемые на р-типа поверхность размеры углублений и ее средней части соразмерны друг другу;
- размер каждой пассивной секции не более размеров каждой активной секции диодной линейки;
- размер углублений от поверхности р-типа превышает размер расположения n-типа слоя;
- размер углублений от поверхности р-типа не превышает размера слоев р-типа проводимости.
Нами не найден полупроводниковый излучатель с предложенной совокупностью признаков, что подтверждает наличие его новизны.
Технологическая реализация предложенного полупроводникового излучателя основана на известных базовых методах изготовления полупроводникового излучателя, которые к настоящему времени хорошо разработаны и широко применяются. Предложение удовлетворяет критерию «промышленная применимость».
Краткое описание чертежей
Настоящее изобретение поясняется фигурами 1-5.
На Фиг. 1 схематически изображен вид со стороны выхода излучения предложенного полупроводникового излучателя с двумя излучающими диодными линейками.
На Фиг. 2 схематически изображен вид со стороны выхода излучения традиционного полупроводникового излучателя с двумя излучающими диодными линейками.
На Фиг. 3 изображена типичная ватт-амперная характеристика предложенного полупроводникового излучателя с двумя излучающими диодными линейками.
На Фиг. 4 изображены типичные пространственные характеристики предложенного полупроводникового излучателя с двумя излучающими диодными линейками, где кривая 1 - диаграмма угловой расходимости излучения в горизонтальной плоскости и кривая 2 - диаграмма угловой расходимости излучения в вертикальной плоскости.
На Фиг. 5 изображены типичные пространственные характеристики традиционного полупроводникового излучателя с двумя излучающими диодными линейками, где кривая 1 - диаграмма угловой расходимости излучения в горизонтальной плоскости и кривая 2 - диаграмма угловой расходимости излучения в вертикальной плоскости.
Варианты осуществления изобретения
В дальнейшем изобретение поясняется конкретными вариантами осуществления предложенного полупроводникового излучателя. Приведенные примеры модификаций не являются единственными и предполагают наличие других реализаций, в том числе в известных диапазонах длин волн.
2
Предложенный полупроводниковый излучатель (см. Фиг. 1) содержит лазерную диодную решетку 1, состоящую из двух лазерных диодных линеек 2 и 3 (далее Линейка). Линейка 2 и Линейка 3 выполнены на основе одной и той же лазерной гетероструктуры 4 с р-n переходом 5 и совокупностью слоев n-типа 6 и р-типа 7 проводимости. Со стороны р-типа 7 лазерной гетероструктуры 4 каждой Линейки 2 и 3 выполнены углубления 8 и 9, разделяющие лазерную гетероструктуру по длине на области 10, 11 и 12, имеющих равные толщины. Глубина углублений 8 и 9 превышает расположение границы слоя n-типа 6 проводимости, ближайшей к поверхности р-типа 7 проводимости, на 0,3±0,05 мкм. На стороне р-типа 7 гетероструктуры 4 каждой Линейки 2 и 3 области 10 и 12 на поверхности гетероструктуры 4 имеют длину 200 мкм, каждая, а область 11 на поверхности гетероструктуры 4-70 мкм. Области 10 и 11 и области 11 и 12 отделены друг от друга (на продолжении той же поверхности гетероструктуры 4) на расстояния, равные 50 мкм для каждого углубления 8 и 9, соответственно. На поверхности углублений 8 и 9 и на поверхности области 11 нанесен изолирующий слой 13 из SiO. Кроме того, имеются изолирующие слои 13 рассчитанной длины на поверхностях областей 10 и 12 от каждого их края - см. позиции 14, 15, 16 и 17 на Фиг. 1. Толщина изолирующего слоя 13 везде одинаковая. Часть области 10, свободная от изолирующего слоя 13 на ее поверхности, обозначена позицией 18 на Фиг. 1 и ее длина выбрана равной 170 мкм. Аналогичная часть области 12 обозначена позицией 19 на Фиг. 1 и ее длина выбрана также равной 170 мкм.
На поверхности р-типа 7 Линеек 2 и 3 нанесены металлические слои 20 омического контакта. На поверхности n-типа 6 Линеек 2 и 3 нанесены металлические слои 21 омического контакта. Поверхности р-типа 7 Линейки 2 и n-типа 6 Линейки 3 соединены между собой с помощью контактного соединения 22 AgSn. Поверхность металлического слоя 20 Линейки 3 помещена на контактную пластину - теплоотвод 23 и соединена с ним с помощью контактного соединения 22 AgSn. Контактная пластина - теплоотвод 23 и поверхность металлического слоя 21 Линейки 2 соединены с электрическими контактами 24 и 25, соответственно.
При работе рассматриваемого полупроводникового излучателя подают ток накачки в области 18 и 19 Линеек 2 и 3, являющиеся излучающими областями, названы активными секциями. Части 15, 8, 11, 9 и 16, находящиеся под изолирующим слоем 13, ненакачиваемые, составляют пассивную секцию 26. Часть 11 названа средней частью 11 пассивной секции 26. Части 15 и 16 продолжают соседние соответствующие активные секции 18 и 19, соответственно. Каждая часть 15 и 16 выбрана длиной, равной трем диффузионных длин электронов, инжектированных в р-n переход током накачки при работе излучателя, что составило 15 мкм для рассматриваемого случая (для гетероструктуры 4 на основе материалов InP-AlGaInAs). Вся пассивная секция 26 получена равной 200 мкм. Части 14 и 17 могут превышать величину длины 3-х диффузионных длин электронов и могут составить, например, 17 мкм.
2
Для сравнения нами были изготовлены и исследованы образцы полупроводникового излучателя (см. Фиг. 2), содержащего также лазерную диодную решетку 27, состоящую из двух лазерных диодных линеек 28 и 29 (далее Линейка-Тр), имеющего традиционную конструкцию (поэтому далее принято название традиционный полупроводниковый излучатель). Каждая Линейка-Тр 28 и 29 выполнена на основе той же самой лазерной гетероструктуры 4 с р-n переходом 5 и совокупностью слоев n-типа 6 и р-типа 7 проводимости. В ней также имеются две лазерные активные секции 30 и 31 шириной по 170 мкм и пассивная секция 32 шириной 50 мкм между ними. Она выполнена в виде одного углубления 33, основание которого расположено в слоях n-типа 6 проводимости на той же глубине, что и углубления 8 и 9 в предшествующем примере. Поверхность углубления 33 покрыта изолирующим слоем 13 из SiO. В остальном традиционный полупроводниковый излучатель не отличался от предложенного.
При сравнительных исследованиях предложенного полупроводникового излучателя и традиционного нами получено следующее. Производить сборку предложенного полупроводникового излучателя стало легче и она стала качественнее Для предложенного полупроводникового излучателя по сравнению с традиционным получено снижение брака на 10-25%. Такой результат является следствием того, что для точной ориентации Линеек 2 и 3 друг относительно друга служит ось средней части пассивной секции 11. Нами подтверждено упрощение технологии сборки и улучшение ее качества.
Наличие дополнительной опоры (средней части 11) с изолирующим слоем 13, областей 14, 15, 16 и 17 с изолирующими слоями 13, одной и той же толщины, и нанесение одних и тех же металлических слоев 20 на всю поверхность привело к созданию равноуровневой чередующейся последовательности, что позволило увеличить механическую прочность всей конструкции. После приложения механических нагрузок такой технический результат был подтвержден исследованиями однородности свечения активных секций с помощью ИК-видеокамеры с InGaAs фоточувствительной матрицей.
Нами были проведены измерения параметров рассматриваемого полупроводникового излучателя. Получена весьма высокая мощность излучения, что подтверждается приводимой на Фиг. 3 типичной ватт-амперной характеристикой. В тоже время получена практическая неизменность распределения интенсивности в дальнем поле для предложенного и традиционного полупроводниковых излучателей. По диаграммам угловой расходимости излучения определено, что расходимость  в горизонтальном направлении для предложенного полупроводникового излучателя - 39,6° (см. кривую «1» на Фиг. 4), равна (в пределах ошибки измерений) расходимости  для традиционного полупроводникового излучателя - 39,5° (см. кривую «1» на Фиг. 5). Расходимость  в вертикальном направлении для предложенного полупроводникового излучателя определена равной 8,3° (см. кривую «2» на Фиг. 4) незначительно отличается от расходимости  для традиционного полупроводникового излучателя - 10,2° (см. кривую «2» на Фиг. 5).
При измерениях наблюдали лучшую воспроизводимость параметров предложенного излучателя, отсутствие кольцевых мод. Кроме того, увеличен ресурс работы, улучшены электростабильность и надежность работы. Показана возможность исключения внешних охлаждающих устройств в предложенном излучателе для ряда применений, где требуется высокая выходная мощность и не критична плотность мощности в пучке излучения.
С точки зрения авторов и заявителя полученные результаты показали, что предложенные полупроводниковые излучатели оказались эффективными при получении высоких мощностных характеристик, улучшения ресурса работы, подавления кольцевых мод.
Приведенные конструктивные параметры предложенного полупроводникового излучателя не являются единственно возможными для достижения поставленного технического результата. Нами были проведены эксперименты с полупроводниковым излучателем с другими конструктивными параметрами, в том числе и на других гетероструктурах, также на других материалах гетероструктур. Получено подтверждение тенденции, иллюстрируемой приведенными примерами.
Промышленная применимость
Предложенный полупроводниковый излучатель может быть использован в качестве источника излучения высокой мощности в технологии обработки материалов, медицине, системах открытой связи, контрольно-измерительной аппаратуре, системах накачки твердотельных лазеров, инфракрасной подсветки целей, контроля и управления летательными аппаратами, лазерной дальнометрии, в комплексах для геофизических исследований и так далее.