ЛИНЕЙКА ЛАЗЕРНЫХ ДИОДОВ Российский патент 2012 года по МПК H01S5/40 H01S5/323 H01S5/22 

Изобретение относится к полупроводниковой электронике, в частности к производству СВЧ мощных арсенид-галлиевых дискретных приборов и интегральных микросхем, силовых гибридных модулей, компьютерных микросхем и плат, а также может быть использовано в оптоэлектронике для исследования, разработки и производства мощных полупроводниковых лазеров, лазерных полупроводниковых матриц и лазерных систем на их основе.

Мощные полупроводниковые лазеры на гетероструктурах А₃В₅ и твердых растворах на их основе являются наиболее эффективными для работы в диапазоне длин волн 0,5-1,8 мкм; коэффициент преобразования электрической энергии в направленную световую волну достигает 75% (1-3). Такие лазеры используются для накачки волоконных усилителей и твердотельных лазеров, для записи информации, в производстве принтеров, систем навигации, медицинской аппаратуры и мощных технологических обрабатывающих устройств. Особенно перспективным может быть применение лазерных матриц для создания сверхмощных космических излучателей, использующих энергию солнца, поскольку для работы полупроводниковых лазеров требуется низковольтный постоянный ток, вырабатываемый солнечными батареями.

Экспериментальный сравнительный анализ полупроводниковых лазеров ряда ведущих фирм и анализ патентной литературы показал, что все фирмы используют классический вариант жесткого сочетания материалов для производства лазеров; вариант назван классическим, поскольку использована самая распространенная в полупроводниковой электронике система МОП (М - металл, О - окисел, П - полупроводник).

Представление лазерной структуры в виде МОП системы дает возможность использования методов химической термодинамики для оценки структурной и фазовой нестабильности граничных состояний в линейке лазерных диодов, что исключительно важно при проектировании и в производстве надежных и долговечных полупроводниковых лазеров и сложных лазерных матриц (4).

Основой лазерной МОП системы является двойная полупроводниковая гетероструктура А₃В₅. Среди большого количества соединений А₃В₅ и твердых растворов на их основе, образованных элементами 3-й группы (Al, Ga, In) и элементами 5-й группы (N, P, As, Sb, Bi), наиболее распространенным в производстве полупроводниковых лазеров различного назначения является арсенид галлия. Арсенид галлия имеет структуру кристалла сфалерита. Структуру сфалерита легко представить как комбинацию двух вставленных одна в другую кубических гранецентрированных решеток, смещенных относительно друг друга на четверть диагонали и состоящих из одного вида атомов каждая. Такую комбинацию решеток, но образованных атомами одного вида (решетку алмаза), имеют элементы 4-й группы (Si, Ge, С).

Основные физические свойства соединений А₃В₅ (арсенида галлия, фосфида индия) и некоторых элементов 4-й группы представлены в таблице.

Физические свойства арсенида галлия, фосфида индия и германия   GaAs Ge InP Au 1 2 3 4 5 Постоянная решетки, А° 5,65 5.65     Расстояние между двумя ближайшими атомами, А° 2,45 2,45     Коэффициент теплового расширения, 1/град 5,39×10⁶ 6,1×10⁶ 5,39×10⁶ 14,2×10⁶ Плотность в твердом состоянии, г см³ 5,316 5,328   19,3 Удельное сопротивление, Ом см 3,7×10⁸ 47     Теплопроводность при 300°К, кал см с град 0,11 0,14 0,16 0,7

Видно, что постоянная решетки и коэффициент теплового расширения арсенида галлия и германия сходны при значительном различии их физико-технологических характеристик.

Идея изобретения состоит в том, чтобы создать стабильную систему «полупроводник - полупроводник», (1) используя одинаковость свойств элементов в линейке, и улучшить при этом технологические характеристики линейки, (2) используя различия в свойствах сочетающихся элементов МОП системы.

На фиг.1 показана линейка лазерных диодов - LDB (5). Габариты LDB: длина - 10 мм, толщина - от 50 до 150 мкм, ширина - 0,8-3,0 мм. LDB может содержать 19, 25, 50, 75 и более лазерных диодов (single laser diode emitter - SLDE).

Структура SLDE изображена на фиг.2. Основа структуры - слои разбавленных твердых растворов на основе арсенида галлия. После создания полупроводниковой гетероструктуры начинается сложный процесс образования многослойной металлизации.

На верхней и нижней плоскостях полупроводниковой (П) основы параллельно гетероструктурным слоям создается многослойная контактная металлизация (М): вначале напыляются тонкие слои металлов для получения омических (невыпрямляющих) контактов. Затем создается трехслойный металлический барьер, например (Ti-Mo-Ni), между омическими контактами и внешними проводящими слоями золота. Внешние слои металлизации, как показал анализ LDB и SLDE всех фирм, производящих линейки лазерных диодов, состоят из (Au) золота толщиной более 350 nm, фиг.3.

На две параллельные торцевые грани кристалла перпендикулярно полупроводниковым слоям и направлению световой волны наносятся слои окислов (О) - переднее и заднее зеркала. Так производится лазерная полупроводниковая МОП структура.

Прототипом предлагаемого изобретения является линейка лазерных диодов, фиг.4. которая использована для разработки, изготовления и исследования мощных полупроводниковых лазеров с «X-Y-Z» микроканальной системой охлаждения (6). Мощность излучения лазера более 60 Вт в непрерывном режиме излучения при температуре 25 град. Длина волны l=808 нм; дифференциальный коэффициент полезного действия - 60%. Однако при хороших электрических характеристиках лазера - оптические свойства его неприемлемы: кривизна линейки до монтажа на теплообменник, а также кривизна линии излучения лазера превышает 1 мкм. Это результат создания напряженной и, следовательно, нестабильной МОП системы, из-за жесткого сочетания золота и других металлов толщиной более 800 (КТР золота - 14,2×10⁶ град^-1) с двойной полупроводниковой А₃В₅ гетероструктурой (КТР - 5,39×10⁶ град^-1, более чем в 2,5 раза) и торцевыми многослойными окислами (оксиды Al, Si, Zr).

Целью изобретения является создание стабильной термодинамической лазерной МОП системы для улучшения физико-технологических характеристик линейки лазерных диодов.

Поставленная цель достигается тем, что:

1. Линейка лазерных диодов, состоящая из параллельно включенных лазерных диодов на основе полупроводниковых А₃В₅ лазерных гетероструктур, имеющих на внешних торцах покрытия из многослойных окислов (заднее и передние зеркала), а также многослойную контактную металлизацию на верхней и нижней плоскостях линейки, отличающаяся тем, что проводящие слои контактной металлизации выполнены из полупроводниковых элементов, сходных по типу и параметрам кристаллической решетки и по коэффициенту термического расширения с полупроводниковой А₃В₅ лазерной гетероструктурой и твердыми растворами на основе А₃В₅, фиг.5.

2. Линейка лазерных диодов по п.1, отличающаяся тем, что внешние проводящие слои контактной металлизации выполнены из (промежуточного между (31) - Ga и (33) - As элементами системы Менделеева Д.И.) элемента (32) германия с добавлением элементов, образующих требуемые проводимость и омический контакт.

3. Линейка лазерных диодов по п.1, отличающаяся тем, что соотношение толщин между внешними проводящими слоями контактной металлизации на верхней и нижней плоскостях линейки соответствует нулевому искривлению линейки (Smile=0) и минимальному напряжению в полупроводниковых А₃В₅ лазерных гетероструктурах.

Изобретение применимо ко всем типам полупроводниковых лазеров и лазерных матриц. Таким образом могут быть изготовлены лазеры однокристальные, то есть лазеры, состоящие из одного лазерного диода, многокристальные лазеры - линейки лазерных диодов и лазерные матрицы, которые могут состоять из десятков линеек лазерных диодов. При этом проводящий полупроводниковый слой может выполняться, как с одной стороны (+), так и с двух сторон гетероструктуры А₃В₅ (+ и --).

Изобретение отличается простотой технической реализации. Изобретение способствует совершенствованию технологии производства полупроводниковых лазеров, поскольку получение малонапряженных лазерных линеек с нулевым смайлом в многослойных МОП системах (металл - окисел - полупроводник) представляет сложную технологическую задачу.

На приводимых в описании фигурах изображено следующее.

Фиг.1. Линейка лазерных диодов (LDB).

Фиг.2. Схема лазерной двойной гетероструктуры для одинарного диода (SLDE).

Фиг.3. Система металлизации лазерной А₃В₅ гетероструктуры в LDB.

Фиг.4. Лазерная МОП система (Металл - Окисел - Полупроводник) - прототип.

Фиг.5 Лазерная ПОП система (Полупроводник - Окисел - Полупроводник) - изобретение.

Литература

1. Zh.I.Alferov and others. High power CW operation of InGaAsN lasers at 1,3 µm. Electron. Lett., 1999, vol.35, No.19, pp.2-5.

2. Zh.I.Alferov and others. InAs/InGaAs/GaAs quantum dot lasers of 1,3 µm range with high (88%) differential efficiency. IEEE Journal of Quantum Electronics, 2002, Vol.38, No.19, 1104-1106.

3. A.B.Лютецкий и др. Мощные диодные лазеры (l=1,7-1,8 мкм) на основе асимметричных квантово-размерных InGaAsP/InP гетероструктур раздельного ограничения. ФТП, 2009, т.43, вып.12, с.1646-1649.

4. В.А.Филоненко. Механизм адгезии в системах металл - диэлектрик. Ж. Физ. Химии. 1976, 3, 726-729.

5. М.Jansen and others. High performance laser diode bars with aluminum-free active regions. Optics express, 1999, Vol.4, No.1.

6. V.Apollonov, S.Derzhavin, V.Filonenko and others. Higly efficient heat exchanges for laser diode arrays. Proceedings of SPIE, Vol.3889, 2000, 71-81.

Изобретение относится к полупроводниковой электронике. Линейка лазерных диодов состоит из параллельно включенных лазерных диодов на основе полупроводниковых А₃В₅ лазерных гетероструктур, многослойных окислов и многослойной контактной металлизации на верхней и нижней плоскостях линейки, при этом внешние проводящие слои металлизации выполнены из германия. Технический результат заключается в обеспечении снижения механических напряжений, возникающих в линейке лазерных диодов в процессе ее изготовления. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Линейка лазерных диодов, состоящая из параллельно включенных полупроводниковых лазерных диодов на основе полупроводниковых A3В5 лазерных гетероструктур, многослойных окислов - зеркал, а также многослойной контактной металлизации на верхней и нижней плоскостях линейки лазерных диодов, отличающаяся тем, что внешние проводящие слои металлизации на верхней и нижней плоскостях линейки лазерных диодов выполнены из германия.

2. Линейка лазерных диодов по п.1, отличающаяся тем, что соотношение толщин между внешними проводящими слоями металлизации на верхней и нижней плоскостях линейки соответствует нулевому искривлению линейки (Smile=0) и минимальному напряжению в линейках лазерных диодов.