ИНЖЕКЦИОННЫЙ ЛАЗЕР Российский патент 1999 года по МПК H01S3/19 

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

Известна конструкция инжекционного лазера 1 [1], (см. фиг.1) с узким гребневидным волноводом (до 5 мкм), образованным полосковой мезаструктурой 2, окруженным с обеих сторон узкими канавками 3 (2...5 мкм) в слоях эпитаксиальной гетероструктуры 4 (частично в p-эмиттере 5 и контактном слое 6). Гетероструктура 4 состоит также из активного слоя 7, п-эмиттера 8 и помещена на подложке 9. Канавки 3 заполнены изолирующим материалом 10 (чаще всего SiO₂, Si₃N₄) с показателем преломления меньшим, чем показатель преломления волноводной области мезаструктуры 2. Омический контакт 11 к р-эмиттеру расположен на мезаполоске 2. Вся поверхность изолирующего слоя 10 и мезаполоска 2 покрыты металлизацией 12. На подложке 9 выполнен омический контакт 13. Лазеры такой конструкции при соответствующем выборе толщины р-эмиттера 5 в канавках 3 (0,05. . .0,30 мкм), ширины мезаполоски 2 менее 4...5 мкм и при установке мезаполоской 2 на теплоотвод (на фиг.1 не показан) обеспечивают стабильную генерацию излучения в нулевой моде в диапазоне до 200 мВт [1].

К недостатку конструкции относится большая сложность и низкая воспроизводимость изготовления таких лазеров. Во-первых, площадь узких канавок (на уровне поверхности гетероструктуры не более 5...10 мкм) практически в 20 раз меньше широких областей поверхности гетероструктуры, защищенных фоторезистивной маской (далее ФРМ), что делает проблематичным использование интерферометрического контроля скорости ионно-химического травления во время процесса в виде слабого сигнала от стравливаемой поверхности на фоне значительно более сильного "паразитного" сигнала от ФРМ. Во-вторых, технологический маршрут сложен, содержит более пяти операций только по формированию двух масок из различных материалов. В-третьих, верхний край p⁺⁺-контактного слоя 6 трудно изолировать от омического контакта 11, поскольку осаждение изолирующего покрытия 10 в канавках 3 неоднородно по толщине d, мкм, а в случае SiO₂, Si₃N₄ (где d_max порядка 0,2 мкм) вероятность образования оголенных участков на вертикальных стенках p⁺⁺-контактного слоя 6 весьма велика, что приводит к утечке тока. В-четвертых, при заращивании изолирующими покрытиями (SiO₂, Si₃N₄) наблюдается образование неравномерно выступающих "усов" на вершине мезаполоски, которые практически невозможно ликвидировать при формировании омического контакта 11. Все указанное приводит к низкой токоизоляции, недостаточной степени квази-планарности, что значительно снижает надежность сборки, воспроизводимость технологии изготовления.

Таких технологических проблем не существует, в том числе снимаются затруднения при проведении интерференционного контроля, в известной конструкции, наиболее близкой к настоящему изобретению, а именно, инжекционном лазере, включающем лазерную гетероструктуру с мезаполоской на глубину не менее толщины контактного слоя и сформированное на них изолирующее покрытие в виде эпитаксиальной пленки ZnSe, толщиной не более 0,6 мкм, а также омический контакт [2].

Одиночная узкая мезаполоска 2 (до 5 мкм) инжекционного лазера 1 (см. фиг.2) выполнена в гетероструктуре 4 путем удаления p⁺⁺-контактного слоя 6 и части прилегающего в нему р-эмиттера 5 так, чтобы осталась толщина р-эмиттера 5 вне мезаполоски 0,1...0,3 мкм. На вершине мезаполоски 2 p⁺⁺-контактный слой 6 находится под тонким омическим контактом 11. Боковые поверхности мезаполоски 2 и поверхность гетероструктуры 4 вне мезаполоски 2 покрыты первым изолирующим покрытием 14, а именно, эпитаксиальной пленкой ZnSe, толщиной не более 0,6 мкм. Вся поверхность мезаполоски 2 и первого изолирующего слоя 14 металлизирована 12 и не планарна. В технологическом маршруте исполнения известной конструкции [2] по сравнению с [1] исключено порядка пяти операций по формированию масок из различных материалов, что значительно увеличивает воспроизводимость и удешевляет процесс.

Эта конструкция обеспечивает работу инжекционного лазера 1 в одномодовом режиме при сборке мезаполоской 2 "вверх" (т.е. подложка 9 с омическим контактом 13 установлена на теплоотводе с помощью припоя) до значений выходной мощности P_вых порядка 50 мВт. Проблемы начинаются при получении одномодовой генерации 100 мВт и выше. В этом случае необходимо повысить эффективность теплоотвода, т. е. нужна сборка мезаполоской 2 к теплоотводу. Однако одиночная мезаполоска 2 "утопает" в расплаве индиевого припоя (или другого припоя) в отличие от квази-планарного аналога. Кроме того, хотя известно, что использование эпитаксиальной пленки ZnSe 14 позволяет значительно повысить качество токоизоляции, особенно боковых стенок мезаполоска 2 [2], вероятность образования каналов утечки в изолирующем слой 14, покрывающем поверхность гетероструктуры 4 вне мезаполоски 2, весьма велика, что снижает надежность прибора.

Технической задачей настоящего изобретения является улучшение токоизоляции, планарности, уменьшение механических напряжений структуры, улучшение защиты от механических повреждений, повышение воспроизводимости технологии изготовления, увеличение мощности и долговечности лазера при сохранении одномодового режима работы.

Предложен инжекционный лазер, в котором на поверхности изолирующего покрытия сформирован, по крайней мере, один слой дополнительного изолирующего покрытия в виде протяженных областей, параллельных мезаполоске, отстоящих от последней на расстояние не более двух ширин мезаполоски, имеющего теплофизические характеристики, близкие к материалу эпитаксиальной структуры и к имеющемуся изолирующему покрытию, при выборе суммарной толщины имеющегося и дополнительного изолирующих покрытий не менее высоты мезаполоски.

Для уменьшения механических напряжений и улучшения воспроизводимости для возможности установки мезаполоски 2 на теплоотвод при сборке суммарная толщина изолирующих покрытий 14 и 15 выбрана превышающей высоту мезаполоски 2 не более чем на 0,2 мкм.

Для уменьшения механических напряжений, улучшения токоизоляции и технологичности изготовления в качестве дополнительного изолирующего покрытия выбрана эпитаксиальная пленка ZnSe_xS_l-x, где x = 0,8...0,9;
Для улучшения токоизоляции и технологичности изготовления в качестве дополнительных изолирующих покрытий могут быть выбраны:
- эпитаксиальная пленка ZnSe;
- эпитаксиальная пленка i - GaAs.

Существом изобретения является создание конструкции инжекционного лазера с квази-планарной поверхностью со стороны гетероструктуры, в которой выполнена узкая мезаполоска и на которой вне мезаполоски нанесена последовательность изолирующих покрытий, для возможности установки инжекционного лазера данной поверхностью на теплоотвод, как это сделано в устройстве аналога [1], но при этом значительно улучшена токоизоляция гетероструктуры и упрощена технология изготовления высоко воспроизводимых квазипланарных конструкций, что привело к значительно большей долговечности предложенных инжекционных лазеров при сохранении одномодового режима работы до значительных выходных мощностей (более 200 мВт).

На фиг. 3 приведено схематическое изображение предложенного инжекционного лазера.

Гетероструктура 4 инжекционного лазера 1 размещена на п-подложке 9. В контактном слое 6 и частично в p-эмиттере 5 со стороны поверхности гетероструктуры 4 выполнена мезаполоска 2 высотой H_Мезы, мкм. При изготовлении устройства, также как и в прототипе, реализуется прецизионное ионно-химическое травление с интерференционным контролем в ходе процесса, что воспроизводимо обеспечивает получение необходимой толщины эмиттера 0,1...0,3 мкм. На боковых сторонах мезаполоски 2 и вне мезаполоски 2 на поверхности гетероструктуры 4 размещено первое изолирующее покрытие 14 толщиной d_ZnSel не более 0,6 мкм, на нем сформированы протяженные области, параллельные мезаполоске 2, из дополнительного изолирующего покрытия 15 (например, эпитаксиальные пленки ZnSe) толщиной
H_ДопИз = H_мезы - d_ZnSel + k,
где k - не более 0,2 мкм и не менее точности измерений, а именно - 0,05 мкм.

Теплофизические характеристики материала дополнительного изолирующего покрытия 15 должны быть близки к материалу эпитаксиальной гетероструктуры 4 и к материалу первого изолирующего слоя 14. Протяженные области дополнительного изолирующего покрытия 15 отстоят от мезаполоски 2, образуя канавки 3 в изолирующих покрытиях 14 и 15. На вершине мезаполоски 2 размещен омический контакт 11, на поверхностях мезаполоски 2 и изолирующих покрытий 14 и 15 нанесена металлизация 12. Предложенный инжекционный лазер 1, в отличие от устройства прототипа [2], установлен стороной с мезаполоской 2 на теплоотвод с помощью припоя (на фиг.3 не показаны).

Устройство работает следующим образом.

При подключении к источнику питания, т.е. после приложения смещения к гетероструктуре, осуществляется инжекция неравновесных носителей в активный слой и в нем возникает генерация излучения заданной длины волны и модового состава.

В предложенном лазере 1 ток протекает через мезаполоску 2, а не через каналы утечки и поверхность гетероструктуры 4, как это может наблюдаться в устройствах аналога [1] и прототипа [2]. В предложенной нами конструкции инжекционного лазера 1 суммарная толщина многослойных изолирующих покрытий ZnSe 14 и, например, ZnSe-ZnS 15 в области опорных площадок, на которые приходится 95% площади расширенного контакта, обеспечивает лучшее залечивание дефектов при заращивании, что сводит к минимуму ток утечки. Ранее для установки устройства прототипа мезаполоской на контактную пластину на первый изолирующий слой ZnSe 14 наносили подставки из гальванического золота. При замене его на дополнительный изолирующий материал 15 - ZnSe-ZnS, получена экономия драгоценных металлов, улучшены характеристики прибора. Кроме того, в данной конструкции опорные площадки из дополнительного изолирующего материала 15 могут быть выше мезаполоски 2 на 0,1...0,2 мкм для дополнительной защиты мезаполоски 2 от механических повреждений при монтаже и других ручных операциях, а также при вибронагрузках. Достигаемая степень квази-планарности поверхности со стороны мезаполоски 2 в предложенном нами инжекционном лазере 1 достаточна для значительного снижения механических напряжений, возникающих при установке инжекционного лазера 1 на теплоотвод стороной формирования мезаполоски 2. Планарная поверхность также обеспечивает более надежную пайку при монтаже мезаполоской 2 на контактную пластину и так как мезаполоска 2 "не тонет" в расплаве, то последний не закорачивает р-п переход прибора. При заращивании эпитаксиальной пленкой ZnSe 14, также как в устройстве прототипа, не наблюдается образования "усов" над мезаполоской 2 и поэтому достигается большая степень квази-планарности по сравнению с квазипланарной поверхностью со стороны мезаполоски 2 устройства аналога [1]. Толщина р-эмиттера 5 под получаемыми канавками 3 легко и большой точностью контролируема, так как производится равномерное удаление контактного слоя 6 и части р-эмиттера 5 на всей области вне мезаполоски 2. При этом отметим, что свойства изолирующей пленки 15 из ZnSe_xS_1-x при x = 8...12 более близки к GaAs, чем изолирующая пленка из ZnSe, что обеспечивает малые механические напряжения.

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 предложенного инжекционного лазера 1 позволило нам решить поставленную нами техническую задачу: улучшение токоизоляции, планарности, уменьшение механических напряжений структуры, улучшение защиты от механических повреждений, повышение воспроизводимости технологии изготовления, увеличение мощности и долговечности лазера при сохранении одномодового режима работы.

Пример конкретного исполнения.

Серия инжекционных лазеров 1 была выполнена из пластины с пятислойной эпитаксиальной лазерной гетероструктурой 4 (выращена на подложке 9) на длину волны излучения λ, равной 0,83 мкм, с волноводными слоями и одноквантовой ямой (на фигурах не показано). С одной стороны активного слоя 7 сформирована мезаполоска 2 шириной 3 мкм с удалением части р-эмиттерного слоя 5 при оставшейся его толщине 0,15 мкм до границы волноводного слоя. Мезаструктура 2 была вначале заращена слоем ZnSe 14 толщиной d_ZnSel, равной 0,5 мкм, а затем методом "fift-off" были сформированы две симметричные площадки из пленки ZnSe-ZnS 15 толщиной d_ZnSe-ZnS2, равной 1,0...1,1 мкм. При такой толщине d_ZnSe-ZnS2 верхняя граница площадок 15 была сформирована на одном уровне с вершиной мезаполоски 2. Затем на рельефную структуру был нанесен расширенный контакт 12 (металлизация всей поверхности), а после утоньшения пластины до 100 мкм с обратной стороны напылен омический контакт Ni-GeAu-Au 13. Затем пластина была разделена на элементы длиной 600 мкм, которые напаивали в корпуса (на фиг.3 не показан) для испытаний. Измерения изготовленных предложенных инжекционных лазеров 1 дали результаты, превосходящие по совокупности параметры лазеров, описанных в прототипе, а именно: I_пор = 20...22 мА, η_эфф = 0,8 Вт/А, получены линейность ватт-амперных характеристик до 100 мВт и типичная угловая расходимость 10^o•27^o.

Считаем необходимым обратить внимание на то, что подобные параметры нами зарегистрированы у 60-80% лазерных диодов, в то время как у лазера прототипа такие параметры имели менее 50% приборов. При одновременном контроле излучения в ближней зоне, вольт-амперных и ватт-амперных характеристик для забракованных лазеров всегда нами были зарегистрированы утечки тока вне мезаполосок, большие значения I_пор и снижение наклона ватт-амперных характеристик. Эти факты однозначно указывают на качество изоляции вне мезаполоски. В предлагаемых лазерах с описываемыми выше параметрами начало генерации точно соответствовало открыванию p-n перехода, а "паразитные" (вне мезаполоски) каналы генерации не наблюдались.

Источники информации
1. S. S. Ou, I.I.Yang et al., Electronics Letter (1992), Vol. 28, N 25, pp.2345-2346,
2. Патент РФ 2035103, 1993 г., H 01 S 3/19.

Использование: изобретение относится к полупроводниковой квантовой электронике, а именно к конструкциям инжекционных лазеров, которые могут быть использованы в современных волоконно-оптических системах связи, для накачки твердотельных и волоконных лазеров, при создании медицинской аппаратуры, лазерного технологического оборудования. Сущность изобретения: предложен мезаполосковый инжекционный лазер, в котором с боковых сторон мезаполоски и на свободной поверхности лазерной гетероструктуры сформировано изолирующее покрытие в виде эпитаксиальной пленки ZnSe толщиной до 0,6 мкм и по крайней мере один слой дополнительного изолирующего покрытия в виде протяженных областей параллельных мезаполоске, отстоящих от последней на расстояние не более двух ширин мезаполоски. Дополнительное изолирующее покрытие выбрано с теплофизическими характеристиками, близкими к материалу эпитаксиальной структуры и к имеющемуся на гетероструктуре изолирующему покрытию. Cуммарную толщину изолирующих покрытий выбирают не менее высоты мезаполоски, причем преимущественными материалами дополнительного изолирующего покрытия могут быть ZnSe, ZnSe-ZnS, i-GaAs. Технический результат изобретения - улучшение токоизоляции, планарности, уменьшение механических напряжений структуры, улучшение защиты от механических повреждений, увеличение мощности и долговечности при сохранении одномодового режима работы. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Инжекционный лазер, включающий эпитаксиальную лазерную гетероструктуру с мезаполоской на глубину не менее толщины контактного слоя и сформированное на них изолирующее покрытие в виде эпитаксиальной пленки ZnSe, а также омический контакт, отличающийся тем, что изолирующее покрытие в виде эпитаксиальной пленки ZnSe формируют толщиной не более 0,6 мкм, на поверхности изолирующего покрытия сформирован по крайней мере один слой дополнительного изолирующего покрытия в виде протяженных областей, параллельных мезаполоске, отстоящих от последней на расстояние не более двух ширин мезаполоски, имеющего теплофизические характеристики, близкие к материалу эпитаксиальной лазерной структуры и к имеющемуся изолирующему покрытию, при выборе суммарной толщины имеющегося и дополнительного изолирующих покрытий не менее высоты мезаполоски. 2. Инжекционный лазер по п.1, отличающийся тем, что суммарная толщина имеющегося и дополнительного изолирующих покрытий выбрана превышающей высоту мезаполоски не более чем на 0,2 мкм. 3. Инжекционный лазер по п.1, отличающийся тем, что в качестве дополнительного изолирующего покрытия выбрана эпитаксиальная пленка ZnSe_xS_1-x при x, выбранном в диапазоне 0,8 - 0,9. 4. Инжекционный лазер по п.1, отличающийся тем, что в качестве дополнительного изолирующего покрытия выбрана эпитаксиальная пленка ZnS. 5. Инжекционный лазер по п.1, отличающийся тем, что в качестве дополнительного изолирующего покрытия выбрана эпитаксиальная пленка i - GaAs.