МОНТАЖНАЯ ПЛАСТИНА ЛАЗЕРНОГО ДИОДА Российский патент 1999 года по МПК H01S3/25 

Изобретение относится к полупроводниковой квантовой электронике, а именно, к конструкциям маломощных лазерных диодов, которые могут быть использованы в волоконно-оптических системах связи, для накачки твердотельных и волоконных лазеров, при создании медицинской аппаратуры, лазерного технологического оборудования.

Для успешного использования лазерных диодов они должны быть надежны, их характеристики (длина волны излучения, выходная мощность) стабильны. Последние во многом зависят от степени перегрева инжекционного лазера во время работы. Известны конструкции лазерных диодов [1], в которых на теплоотводе установлена термокомпенсирующая монтажная пластина из алмаза или нитрида бора, которые имеют высокие теплопроводности (например, для алмаза теплопроводность порядка 900 W/mK). Инжекционный лазер (далее "активный элемент") крепится на установочную (монтажную) поверхность монтажной пластины, которая противоположна монтажной поверхности, закрепленной на теплоотводе. Такие монтажные пластины дороги, трудны в обработке, так как для разделения на отдельные монтажные пластины требуется их распиловка. Последнее приводит к недостаточно ровному краю монтажной пластины и обуславливает трудности при установке и юстировке активного элемента, к низкой воспроизводимости сборки. Кроме того, их термомеханические характеристики плохо согласуются с полупроводниковым элементом, что отрицательно влияет на механическую целостность активного элемента при термических и вибрационных нагрузках.

Известны монтажные пластины из легированного [2] либо нелегированного [3] кремния с нанесенными последовательностями слоев на монтажные поверхности пластины. Такие конструкции имеют улучшенные термокомпенсационные свойства, по сравнению с монтажными пластинами из алмаза или нитрида бора [1]. В патенте [2] монтажная пластина выполнена из кремния, легированного сурьмой, на монтажные поверхности нанесена последовательность слоев из золота, AuSb и золота. Такая пластина дополнительно выполняет роль проводника тока накачки, т.е. является дополнительным источником выделяющегося тепла. Кроме того, данная известная конструкция [2] является дорогостоящей.

Наиболее близкой по технической сущности к настоящему изобретению является монтажная пластина лазерного диода, выполненная из полупроводника со сформированной на ее монтажных поверхностях зеркально расположенными последовательностями слоев, включающих слои титана, ближайший к каждой из монтажных поверхностей, золота и припоя [3].

На Фиг. 1 изображен поперечный разрез монтажной пластины 1, выполненной из нелегированного кремния, на ее монтажных поверхностях 2 и 3 последовательно нанесены слои титана 4, никеля 5, серебра либо золота 6. На каждой стороне на указанной последовательности слоев размещены слои припоя 7 из PbSn.

Использование слоя титана 4, нанесенного непосредственно на поверхности 2 и 3 пластины 1, обеспечивает высокую адгезию металлических слоев к поверхности кремния, а слои серебра либо золота предотвращают образование окисной пленки. Термическое расширение активных элементов на основе GaAs либо InP и монтажной пластины из кремния различно и возможно нарушение механической целостности активного элемента при термических и механических нагрузках.

Технической задачей настоящего изобретения является улучшение термокомпенсирующих характеристик монтажной пластины лазерного диода, упрощение его сборки, повышение воспроизводимости сборки и улучшение ряда его параметров, а именно, повышение надежности, стабилизация длины волны и выходной мощности, улучшение диаграммы дальнего поля и снижение пороговых токов.

Предложена монтажная пластина, выполненная из высокоомного арсенида галлия, а в качестве припоя выбран индий толщиной от 3 мкм до 6 мкм, причем толщина слоя титана выбрана в диапазоне 0,025...0,1 мкм, а толщина слоя золота выбрана в диапазоне 0,3. ..0,5 мкм.

Сущностью настоящего изобретения является выбор материалов монтажной пластины, последовательности слоев и припоя, а также их толщин, что позволило изготовлять преимущественно на основе арсенида галлия, фосфида индия и их твердых растворов лазерные диоды высокой надежности при эксплуатации с улучшенными выходными параметрами, имеющими необходимую стабильность.

В дальнейшем изобретение поясняется конкретным вариантом его выполнения и прилагаемыми чертежами на следующих фигурах.

На фиг.2 изображен поперечный разрез монтажной пластины.

На фиг.3 изображен поперечный разрез лазерного диода.

На монтажной пластине 1 (см. фиг.2) на ее монтажных поверхностях 2 и 3 последовательно, начиная от поверхностей 2 и 3, помещены слой титана 4, слой золота 6 и слой припоя 7. Активный элемент 8 (см. фиг. 3) на основе лазерной гетероструктуры 9, выполненной на подложке 10, установлен на установочную монтажную поверхность 2 стороной с узким гребневидным волноводом (до 5 мкм), образованным мезаполоской 11, окруженной с обеих сторон узкими канавками 12 (2...5 мкм) и с нанесенным омическим контактом 13 и металлизацией 14. Монтажная пластина 1 монтажной поверхностью 3 размещена на корпусе 15.

Несмотря на более низкую теплопроводность арсенида галлия (порядка 20 W/mK) по сравнению с кремнием (порядка 140 W/mK), алмазом (порядка 900 W/mK) [2] , использование монтажной пластины 1 из арсенида галлия для установки на нее активного элемента 8 на основе арсенида галлия компенсируется идентичностью их термомеханических характеристик, удобством использования, налаженностью производства, идентичного с подготовкой подложек из GaAs для активных элементов. Нами предложено выбирать толщину слоя титана из диапазона 0,025.. . 0,1 мкм для надежного крепления кристалла активного элемента. Нами предложено непосредственно на слой титана наносить более тонкий слой золота, толщина 0,2. . . 0,6 мкм которого, как и исключение слоя никеля, обусловлены использованием в качестве припоя слоя индия. Вся последовательность слоев и выбор их толщин позволили получить снижение теплового сопротивления по сравнению с [3] . Использование индиевого припоя позволило проводить одновременное припаивание монтажной пластины к корпусу и активного элемента к монтажной пластине. Кроме того, использование индиевого припоя имеет преимущества в лазерной полупроводниковой технике, так как его температура плавления (156^oC) ниже температур плавления Pb (327^oC), Sn (232^oC) либо их сплавов (180. ..250^oC), что позволяет значительно проще демонтировать монтажную пластину с активным элементом, оставляя невредимым корпус прибора.

Обращаем внимание, что техническая реализация предложенного лазера 1 основана на известных базовых технологических процессах, которые к настоящему времени хорошо разработаны и широко применяются. Поэтому считаем, что предлагаемое изобретение обладает промышленной применимостью.

Считаем, что признаки изобретения существенны, неочевидны и изобретение обладает изобретательским уровнем, новизной. Оригинальное и неочевидное решение конструкции предложенной монтажной пластины лазерного диода позволило решить поставленную нами техническую задачу: улучшение термокомпенсирующих характеристик монтажной пластины лазерного диода, упрощение его сборки и улучшение ряда его параметров, а именно, повышение надежности, стабилизация длины волны и выходной мощности, улучшение диаграммы дальнего поля и снижение пороговых токов.

Пример конкретного исполнения.

Монтажные пластины 1 изготовляли из пластины GaAs { 100} толщиной (200±10) мкм. На противоположные стороны напыляли слои титана 4 толщиной (250±50)A, золота 6 толщиной (0,4 ± 0,1) мкм и наносили слой индия 7 толщиной (3,5±0,5) мкм.

Активные элементы были выполнены из пластины с пятислойной эпитаксиальной лазерной гетероструктурой 9 (выращена на подложке 10) на длину волны излучения λ, равной 0,83 мкм, с волноводными слоями и одноквантовой ямой активного слоя (на фигурах не показано). С одной стороны активного слоя сформирована мезаполоска 11 шириной 5 мкм. Вся поверхность металлизирована 14. Активные элементы выполнены размером (100х600) мкм.

При сборке корпус из меди облуживали индием и устанавливали на его поверхность монтажную пластину 1. На установочную поверхность 2 монтажной пластины 1 помещали активный элемент 8 мезаполоской 11 к установочной поверхности 2. Припаивание монтажной пластины 1 к корпусу 15 прибора и активного элемента 8 к монтажной пластине 1 осуществляли одновременно.

В результате исследований готовых приборов были определены следующие параметры: пороговые токи - 15...18 мА, мощность излучения - 50 мВт, рабочие токи - 80. ..90 мА, длина волны излучения 830 мкм. При этом получена воспроизводимая от прибора к прибору диаграммы дальней зоны, отвечающая жестким требованиям, определяемым при вводе излучения в волокно при подсветке и т.д.

Нами были проведены сравнительные исследования с использованием кремниевой монтажной пластины, а также для активных элементов, работающих в диапазоне длин волн 640. . . 1500 мкм. При переходе от кремниевой монтажной пластины к монтажной пластине из арсенида галлия наблюдается существенное улучшение диаграммы дальнего поля, снижение пороговых токов, а также значительное повышение наработки из-за меньшего рассогласования решеток монтажной пластины и активного элемента. Для инжекционных лазеров с различной длиной волны выявлено сохранение тенденций, определенных для инжекционных лазеров с длиной волны 0,83 мкм согласно приведенному примеру конкретного применения.

Источники известности, использованные при написании заявки:
1. Реклама фирмы Sumitomo Electric Co.

2. US 005016083 A, H 01 L 23/48, 08.07.90.

3. US 004947238 A, H 01 L 23/48, 08.07.90.

Использование: полупроводниковая квантовая электроника, а именно конструкции маломодных лазерных диодов, которые могут быть использованы в волоконно-оптических системах связи для накачки твердотельных и волоконных лазеров при создании медицинской аппаратуры, лазерного технологического оборудования. Сущность изобретения: монтажная пластина лазерного диода выполнена из высокоомного арсенида галлия, на ее монтажных поверхностях зеркально расположены последовательности слоев, включающие слой титана, ближайший к каждой из монтажных поверхностей, слои золота и индия, последний в качестве припоя.

Технический результат изобретения - улучшение термокомпенсирующих характеристик монтажной пластины лазерного диода, упрощение его сборки, повышение воспроизводимости сборки и улучшение ряда его параметров, а именно повешение надежности, стабилизация длины волны и выходной мощности, улучшение диаграммы дальнего поля и снижение пороговых токов. 3 ил.

Монтажная пластина лазерного диода, выполненная из полупроводника со сформированными на ее монтажных поверхностях зеркально расположенными последовательностями слоев, включающими слой титана, ближайший к каждой из монтажных поверхностей, слои золота и припоя, отличающаяся тем, что монтажная пластина выполнена из высокоомного арсенида галлия, а в качестве припоя выбран индий толщиной 3 - 6 мкм, причем толщина слоя титана выбрана в диапазоне 0,025 - 0,1 мкм, а толщина слоя золота - в диапазоне 0,3 - 0,5 мкм.