ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ЛАЗЕР Российский патент 2000 года по МПК H01S5/24 H01S5/32 

Изобретение относится к квантовой электронике, в частности к конструкции полупроводниковых лазеров, возбуждаемых током, светом и электронным пучком, и может быть использовано в качестве источника излучения высокой мощности в технологии, медицине, системах накачки твердотельных лазеров, системах связи, навигации, датчиках.

Известны диодные лазеры с двусторонним отводом тепла, предложенные в работе S. Murata, H.Nakada, T.Abe, Jpn. J.Appl.Phys. Vol.32, 1993, p. 1112-1119. В этой работе лазерная линейка была снабжена дополнительным теплоотводом со стороны подложки гетероструктуры. Экспериментально получено уменьшение теплового сопротивления лазера на 20%, одновременно отмечено уменьшение отличий теплового сопротивления отдельных элементов линейки. Недостатком конструкции явилось то, что в этой работе были использованы стандартные геометрические параметры гетероструктуры с толщиной подложки 90 мкм, вследствие чего подложка в силу своей большой толщины и низкой теплопроводности являлась "тепловой пробкой" для теплового потока в направлении дополнительного теплоотвода. Поэтому преимущества двустороннего теплоотвода не были реализованы в этой работе в полной мере. Проведенные нами расчеты показывают, что полученные авторами статьи результаты по снижению теплового сопротивления являются предельными, поскольку дальнейшее снижение теплового сопротивления при двустороннем отводе тепла от гетероструктуры ограничено толщиной подложки (суммарная толщина всех эпитаксиальных слоев составляет около 5 мкм, а толщина подложки стандартного лазера 90 мкм).

Прототипом данного изобретения является российский патент N 2119704, МКИ H 01 S 3/043, 1994 г. В этом патенте предложено использовать двусторонний отвод тепла от активной области гетероструктур в матрице диодных лазеров. Техническим результатом явилось повышение плотности мощности излучения матрицы в импульсном режиме (повышение мощности импульса с единицы площади поверхности) при низкой частоте следования импульсов (не более 10-20 Гц) и повышение срока службы матрицы.

Указанная конструкция разработана для импульсного режима работы и при параметрах существующих лазеров не может быть использована для получения высокой средней мощности и получения непрерывного режима генерации. Одна из основных причин этого - большая толщина и низкая теплопроводность полупроводникового материала подложек гетероструктур.

Задачей данного изобретения является повышение мощности излучения лазера в непрерывном режиме или средней мощности в импульсном режиме генерации, а также увеличение срока его службы за счет повышения эффективности отвода тепла от активной области лазера и выходного зеркала лазерного резонатора.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что подложка гетероструктуры частично (локально в областях активных полосковых контактов) или полностью удаляется с помощью травления либо другими методами, со стороны подложки гетероструктуры помещается второй теплоотвод, материал которого имеет более высокую теплопроводность и температуропроводность, чем полупроводниковый материал подложки. За счет приближения второго теплоотвода к активному слою со стороны подложки эффективный отвод тепла от активной области лазера в плоскости, перпендикулярной p-n переходу, осуществляется в двух направлениях.

Для этого предложена конструкция, в которой теплоотвод со стороны подложки полностью либо локально примыкает непосредственно к эпитаксиальным слоям гетероструктуры, обеспечивая минимальное тепловое сопротивление лазера за счет сокращения расстояния от источника тепла (активной области лазера) до теплоотводящего материала, а также за счет уменьшения последовательного электрического сопротивления лазера.

Кроме того, предложены конструкции, обеспечивающие дополнительное снижение температуры выходного зеркала лазера и формирование параметров лазерного пучка, что дает возможность повысить мощность излучения лазера и срок его службы. Это дополнительное снижение температуры выходного зеркала получено за счет того, что теплоотводы выступают относительно выходного зеркала лазерного резонатора вдоль оси резонатора по направлению выхода излучения. Благодаря этому в области выходного зеркала достигается лучшее растекание теплового потока по сравнению с традиционным случаем крепления лазера на краю теплоотвода.

Для того чтобы избежать искажений диаграммы направленности лазерного излучения вследствие отражения, интерференции и дифракции излучения на выступающих краях теплоотводов, грани теплоотводов между выступающими краями теплоотводов и выходным зеркалом лазера могут быть наклонены в направлениях от оси резонатора. В одном из вариантов конструкции грани теплоотводов между выступающими краями теплоотводов и выходным зеркалом лазера выполнены в виде плоских, сферических или асферических зеркал и могут быть использованы для формирования диаграммы направленности лазера, например фокусировки излучения.

Согласно нашим расчетам тепловое сопротивление лазера может быть снижено в 1,7-1,8 раза при утоньшении подложки до 20 мкм и уменьшено в 2 раза при полном удалении подложки, т. е. примыкании теплоотвода непосредственно к эпитаксиальным слоям гетероструктуры. Температура выходного зеркала может быть снижена по сравнению со средней температурой лазера вдоль оси резонатора более чем на 50%, что позволяет повысить порог катастрофического разрушения зеркал резонаторов, увеличить выходную мощность и повысить срок службы зеркал. Последовательное сопротивление лазера может быть снижено на 20%. Вследствие того что в предлагаемой конструкции лазера остается только эпитаксиальный материал, качество которого превосходит качество объемного материала подложки, предлагаемая конструкция лазера обладает более высокими приборными характеристиками и повышенной долговечностью.

Суммарным техническим результатом лучшего объемного и локального в области зеркал охлаждения лазера является повышение предельной выходной мощности лазера, повышение внешней дифференциальной эффективности и полного КПД, снижение температурной зависимости выходных параметров, увеличение срока службы.

Примеры вариантов выполнения предложенного устройства показаны на фиг. 1 а, б для направления, перпендикулярного p-n переходу, и на фиг. 2-4 для направления вдоль оси резонатора лазера. На фиг.1 а представлена схема лазера с двумя полосковыми контактами 3, в котором со стороны подложки гетероструктуры 5 вытравлены окна, в этих областях находятся выступающие части верхнего теплоотвода 1, примыкающего непосредственно к эпитаксиальным слоям 4 гетеросруктуры со стороны подложки. Полосковых контактов может быть сколько угодно, они могут иметь однополосковую либо многополосковую структуру.

На фиг. 1 б показан вариант с полным примыканием теплоотвода к эпитаксиальным слоям со стороны подложки гетероструктуры. На фиг.2 а, б, в показаны схемы вариантов конструкции в направлении вдоль оси резонатора с расположением выходного зеркала лазера 7 на краю теплоотводов 1 (фиг. 2 а) и с выступанием теплоотводов 1 относительно выходного зеркала лазера (фиг.2 б, в), причем в варианте (в) на выступающие грани между краями теплоотводов и выходным зеркалом лазера 7 нанесены плоские зеркала 6. В вариантах, показанных на фиг. 3 а, б и фиг. 4 а, выступающие части теплоотводов наклонены относительно оси резонатора и либо не содержат зеркал (фиг. 3 а) для получения неискаженной диаграммы направленности, либо содержат дополнительно зеркала 6 на прямых или наклонных частях выступающих граней между краями теплоотводов и выходным зеркалом лазера (фиг. 3 б) и (фиг. 4 а, б) для формирования диаграммы направленности лазера.

Согласно предлагаемому изобретению был создан и опробован лазер на основе AlGaAs/InGaAs/GaAs на длину волны 1,06 мкм с шириной полоскового контакта 100 мкм, длиной резонатора 1000 мкм. В одном процессе методом МОС-гидридной эпитаксии были выращены две гетероструктуры. Одна из них была выращена на стандартной подложке GaAs. Из этой структуры были изготовлены стандартные лазеры с толщиной подложки 90 мкм, имевшие при одностороннем Cu теплоотводе максимальную выходную мощность 4,2 Вт. Вторая структура была изготовлена следующим образом: на подложке GaAs перед выращиванием стандартных слоев гетероструктуры методом МОС-гидридной эпитаксии дополнительно методом газофазной эпитаксии был выращен стоп-слой из AlGaAs и эпитаксиальный слой GaAs толщиной 20 мкм, затем подложка и стоп-слой были последовательно удалены методом селективного травления, так что готовая, полностью эпитаксиальная гетероструктура имела толщину 25 мкм. Лазер, изготовленный из второй структуры также имел ширину полоскового контакта 100 мкм и длину резонатора 1000 мкм, но был смонтирован с двух сторон на теплоотводах из Cu. Была получена предельная выходная мощность 7 Вт без разрушения зеркал, что в 1,7 раза больше, чем мощность при одностороннем теплоотводе при толщине подложки 90 мкм. Описанная технология позволяет в принципе многократно использовать одни и те же дорогостоящие подложки GaAs с низкой плотностью дислокаций и точечных дефектов, если применить метод "Lift-Off ", т.е. "всплывания" эпитаксиальных слоев структуры при селективном травлении по стоп-слою AlGaAs.

В обоих случаях выходные зеркала лазеров были расположены на краю теплоотводов, что соответствует фиг. 2 а, т.е. реализован базовый вариант конструкции (п. 1 формулы изобретения).

Изобретение относится к квантовой электронике, в частности к конструкции полупроводниковых лазеров, возбуждаемых током, светом, электронным пучком. Предложена конструкция лазера, в которой теплоотводы присоединены к кристаллу с двух сторон, причем теплоотвод со стороны подложки локально либо полностью примыкает непосредственно к эпитаксиальным слоям гетероструктуры, кроме того, теплоотводы могут выступать относительно выходного зеркала лазерного резонатора вдоль оси резонатора по направлению выхода излучения, грани теплоотводов между выступающими краями теплоотводов и выходным зеркалом лазера могут быть выполнены наклонными относительно оси резонатора, они могут быть выполнены в виде плоских, сферических или асферических зеркал. Технический результат: повышение мощности излучения лазера в непрерывном режиме или средней мощности в импульсном режиме генерации, а также повышение срока службы за счет повышения эффективности отвода тепла от активной области лазера и выходного зеркала лазерного резонатора. Предложенный полупроводниковый лазер может найти применение в качестве источника излучения высокой мощности в технологии, медицине, системах накачки твердотельных лазеров, системах связи, навигации, датчиках. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Полупроводниковый лазер на основе эпитаксиальной гетероструктуры, содержащий теплоотводы со стороны эпитаксиальных слоев и подложки, отличающийся тем, что теплоотвод со стороны подложки локально либо полностью примыкает непосредственно к эпитаксиальным слоям гетероструктуры. 2. Полупроводниковый лазер по п.1, отличающийся тем, что теплоотводы выступают относительно выходного зеркала лазерного резонатора вдоль оси резонатора по направлению выхода излучения. 3. Полупроводниковый лазер по пп.1 и 2, отличающийся тем, что грани теплоотводов между выступающими краями теплоотводов и выходным зеркалом лазера выполнены наклонными относительно оси резонатора. 4. Полупроводниковый лазер по пп.1 и 2, отличающийся тем, что грани теплоотводов между выступающими краями теплоотводов и выходным зеркалом лазера выполнены в виде плоских, сферических или асферических зеркал.