ЛАЗЕРНЫЙ ДИОД Российский патент 2023 года по МПК H01S5/42 

Изобретение относится к полупроводниковым лазерам, а именно к конструкции p-контакта чипа лазерного диода, предназначенного для многомодовых лазерных диодов с высокой выходной оптической мощностью.

Известно техническое решение, описанное в патенте на изобретение JP №4447728, МПК H01S 5/16, H01S 5/223, H01S 5/343, опубл. 07.04.2010, под названием «Мощный полупроводниковый лазер с удалением части краевой области активной среды». В полупроводниковом лазере активная область, включая слой с квантово-размерными структурами, располагается между верхним и нижним волноводами на общей подложке. Производится удаление краевого участка активной области посредством травления на глубину, соответствующую половине толщины нижнего оптического волновода. На поверхности активной области формируется непоглощающий слой полупроводникового материала, для которого ширина запрещенной зоны больше энергии излучения, генерируемого лазером.

К недостаткам технического решения следует отнести:

- необходимость выполнения дополнительных операций эпитаксии для создания непоглощающих областей вблизи торцов лазерных диодов, что, в свою очередь, увеличивает длительность и стоимость всего технологического процесса;

- необходимость обеспечения высокой прецизионности операции травления для удаления необходимого объема краевого участка активной области, что усложняет внедрение данного технического решения в серийное производство.

Также известно техническое решение, описанное в патенте на изобретение US №9564739, МПК H01S 5/00, H01S 5/343, опубл. 07.02.2017, под названием «Полупроводниковое лазерное устройство (Semiconductor laser device)». Устройство включает подложку, полупроводниковую многослойную гетероструктуру, которая формируется на подложке за счет роста кристаллов. Полупроводниковая многослойная гетероструктура включает эмиттерный слой n-типа Al_XlGa_(1-Xl)0,51In_0,49Р и эмиттерный слой p-типа Al_X1Ga_(1-X1)0,51In_0,51In_0,49P, волноводные слои со стороны n-типа и p-типа состава Al_X2Ga_(1-X2)As и активную область, расположенную между волноводными слоями. Активная область состоит из квантовой ямы состава Al_yGa_(1-X3)P_X3 и барьерных слоев состава Al_X4Ga_(1-X4)As. За счет диффундирующих примесей, таких как цинк на торцах резонаторов формируется область с шириной запрещенной зоны, превышающей ширину запрещенной зоны активной области.

К недостаткам этого технического решения следует отнести:

- необходимость выполнения дополнительной операции внедрения примесей в структуру полупроводника для создания непоглощающих областей вблизи торцов лазерных диодов, что, в свою очередь, увеличивает длительность и стоимость всего технологического процесса;

- необходимость обеспечения высокой прецизионности контроля диффузии примесей в структуру полупроводника, что усложняет внедрение данного технического решения в серийное производство.

Наиболее близким и выбранным в качестве прототипа является устройство, описанное в патенте на изобретение US №7715457, МПК H01S 5/00, опубл. 11.05.2010, под названием «Полупроводниковый лазерный диод высокой мощности (High power semiconductor laser diode)», включающий полупроводник, ограниченный с торцов зеркалами, p-контакт, выполненный на поверхности полупроводника, n-контакт, расположенный на противоположной поверхности полупроводника.

К недостаткам устройства следует отнести:

- наличие физического разделителя гребня уменьшает площадь контакта лазерного диода с теплоотводом, что приводит к дополнительному разогреву области вблизи зеркала;

- отсутствие металлического контакта в зоне отдельной секции гребня может приводить к неоднородности теплового поля, и, как следствие, возникновению нежелательных механических напряжений, уменьшающих ресурс работы лазерного диода;

- область разделителя, выполненная в виде канавки, требует нанесения дополнительного диэлектрического слоя с целью предотвращения шунтирования слоев гетероструктуры при монтировании p-контакта лазерного диода на теплоотвод с припоем.

Задачей изобретения является улучшение основных характеристик изготавливаемых лазерных диодов, а именно увеличение порога катастрофической оптической деградации зеркал (КОДЗ) ЛД, увеличение ресурса работы и мощности излучения ЛД, а также снижения себестоимости изготовления ЛД.

Технический результат, который позволяет решить поставленную задачу, заключается в снижении тепловой нагрузки на зеркала ЛД за счет смещения области протекания тока от зеркал ЛД, а также в исключении применения высокозатратных способов увеличения порога КОДЗ, таких как вытравливание и последующее заращивание квантовой ямы лазерного диода вблизи зеркал ЛД и сокращении количества операций планарного цикла по сравнению со способами изготовления, включающими нанесение дополнительных диэлектрических слоев и/или изготовление переходных и/или разделительных областей между участками p-контакта лазерного диода.

Это достигается тем, что в лазерном диоде, включающем полупроводник, ограниченный с торцов зеркалами, p-контакт, выполненный на поверхности полупроводника, n-контакт, расположенный на противоположной поверхности полупроводника, согласно изобретению, p-контакт покрыт токопроводящим слоем и оснащен канавками, расположенными симметрично относительно оси, между которыми расположен полосок длиной L, оборудованный поверхностями, блокирующими прохождение тока, выполненными из диэлектрического материала, расположенного под токопроводящим слоем, длиной а и b по оси, между которыми расположена токопроводящая поверхность длиной с, с нанесенным на нее контактным токопроводящим слоем, при этом их значения выбирают из условия: 80≤a≤120 мкм и 20≤b≤40 мкм, а поверхность, блокирующая протекание тока длиной а расположена со стороны полупрозрачного зеркала.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения, а определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволил выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию «новизна» по действующему законодательству.

Для проверки соответствия заявленного изобретения условию изобретательского уровня заявитель провел дополнительный поиск известных решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного изобретения, результаты которого показывают, что заявленное изобретение не следует для специалиста явным образом из известного технического уровня техники.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию «изобретательский уровень».

Предложенное техническое решение проиллюстрировано на следующих чертежах:

на фиг. 1 представлен лазерный диод;

на фиг. 2 представлен вид А со стороны заднего зеркала лазерного диода;

на фиг. 3 представлено сечение лазерного диода Б-Б;

на фиг. 4 представлены ватт-амперные характеристики лазерных диодов без использования предлагаемого технического решения (1) и с использованием предлагаемого технического решения (2).

На чертежах введены следующие обозначения:

1 - полупроводник;

2 - полупрозрачное зеркало;

3 - зеркало;

4 - p-контакт лазерного диода;

5 - n-контакт лазерного диода;

6 - токопроводящий слой;

7 - канавки;

8 - полосок;

9 - поверхность длиной a, блокирующая прохождение тока вблизи торца с полупрозрачным зеркалом;

10 - поверхность длиной b, блокирующая прохождение тока вблизи торца с зеркалом;

11 - диэлектрический слой;

12 - поверхность прохождения тока.

Устройство (см. фиг. 1), содержит полупроводник 1, ограниченный с торцов полупрозрачным зеркалом 2 и зеркалом 3 (см. фиг. 2), p-контакт 4, выполненный на поверхности полупроводника 1 и n-контакт 5, выполненный на противоположной поверхности полупроводника 1. Р-контакт 4 покрыт токопроводящим слоем 6 (см. фиг. 2 и 3), например из золота, и оснащен канавками 7 (см. фиг. 1 и 2), выполненными симметрично относительно оси, между которыми расположен полосок 8 длиной L, оборудованный поверхностями 9 и 10, длиной а и b по оси, выполненными из диэлектрического материала 11 (см. фиг. 2 и 3), например из нитрида кремния, расположенного под токопроводящим слоем 6, и блокируют прохождение тока. Длины а и b выбирают из условия 80≤а≤120 мкм и 20≤b≤40 мкм, при этом поверхность, блокирующая прохождение тока длиной а расположена со стороны полупрозрачного зеркала 2. Полосок 8 оборудован токопроводящей поверхностью 12 длиной с, расположенной между поверхностями 9 и 10, блокирующими прохождение тока. Длину с токопроводящей поверхности 12 определяют по формуле c=L-(a+b).

При проведении экспериментов, в которых сравнивались электрооптические характеристики лазерных диодов с различными конструкциями p-контакта, было установлено, что значения длин поверхностей, блокирующих прохождение тока, выбранные в указанных диапазонах 80≤а≤120 мкм и 20≤b≤40 мкм являются оптимальными, поскольку позволяют достичь мощности свыше 10 Вт без возникновения КОДЗ. В то же время, лазерные диоды с конструкцией p-контакта, в которой значения длин а и b были ниже 80 мкм и 20 мкм соответственно, демонстрировали снижение порога КОДЗ вследствие увеличения тепловой нагрузки на зеркала лазерного диода. В свою очередь, лазерные диоды с конструкцией p-контакта, в которой значения длин а и b были выше 120 мкм и 40 мкм соответственно, демонстрировали сниженные значения дифференциальной эффективности и, как следствие, сниженные значения мощности излучения вследствие уменьшения длины поверхности протекания тока с при неизменной длине полоска L.

Работа устройства осуществляется следующим образом.

При подаче тока через p и n-контакты 4, 5 на полупроводник 1 лазерный диод генерирует излучение, часть которого выводится через полупрозрачное зеркало 2, выполненное на одном из торцов лазерного диода. При этом на другом торце лазерного диода размещено зеркало 3, практически полностью отражающее лазерное излучение. Область выхода лазерного излучения определяют шириной полоска 8 и длиной, ограниченной канавками 7, выполненными симметрично относительно оси лазерного диода. Ток накачки, подведенный к p-контакту лазерного диода 4, проходит через поверхность прохождения тока 12 и далее в полупроводник 1. Поверхности 9 и 10 блокируют прохождение тока вблизи зеркал лазерного диода 2 и 3 для того, чтобы снизить температуру нагрева полоска 8 в областях 9 и 10, прилегающих к торцам лазерного диода, тем самым уменьшив тепловую нагрузку на зеркала 2 и 3. Поскольку примерно 95% и 5% всей излучаемой мощности выходит через торцы с полупрозрачным зеркалом 2 и зеркалом 3 соответственно, тепловые нагрузки на зеркала 2 и 3 будут различны и пропорциональны значениям пропускаемой мощности. В связи с этим, для снижения тепловой нагрузки на соответствующие зеркала 2 и 3, значения длин поверхностей 9 и 10 вдоль оси выбраны различными, при этом длина поверхности а со стороны полупрозрачного зеркала 2 больше длины поверхности b со стороны зеркала 3.

Прохождение электрического тока через поверхность 12 длиной с в полупроводник 1 осуществляется за счет того, что данная поверхность 12 выполнена из токопроводящего слоя 6, нанесенного непосредственно на поверхность полупроводника 1. Прохождение тока через поверхности 9 и 10 заблокировано за счет того, что данные поверхности выполнены из диэлектрического слоя 11, нанесенного непосредственно на поверхность полупроводника 1 и покрытого слоем контактной металлизации для осуществления дальнейшей пайки p-контакта 4 к теплоотводящему основанию.

Заявляемое устройство позволило на этапе разработки подтвердить работоспособность и параметры лазерного диода. Согласно проведенным исследованиям, лазерные диоды, выполненные согласно предложенному техническому решению, демонстрировали увеличение порога катастрофической оптической деградации, по сравнению с лазерными диодами, выполненными без поверхностей, блокирующих прохождения тока вблизи зеркал. На фиг. 4 представлены типичные графики ватт-амперных характеристик лазерных диодов, выполненных с применением указанного технического решения и без него. Лазерные диоды, выполненные согласно указанному техническому решению, демонстрировали достижение мощностей 10 Вт, тогда как порог деградации лазерных диодов без применения поверхностей, блокирующих прохождение тока вблизи зеркал, составил 8,3 Вт.

Примером конкретного выполнения является лазерный диод, включающий полупроводник 1 GaAs, ограниченный с торцов полупрозрачным зеркалом 2 и зеркалом 3, p-контакт 4, выполненный на поверхности полупроводника 1, n-контакт 5, расположенный на противоположной поверхности полупроводника 1. P-контакт 4 покрыт токопроводящим слоем 6 из золота и оснащен канавками 7, расположенными симметрично относительно оси, между которыми расположен полосок 8 длиной L, составляющей, 3500-4000 мкм. Полосок оборудован поверхностями 9 и 10, блокирующими прохождение тока, выполненными из нитрида кремния 11, расположенного под токопроводящим слоем 6. Длины поверхностей 9 и 10, блокирующих прохождение тока, равные а и b, составляют, 100 мкм и 30 мкм соответственно, при этом поверхность, блокирующая прохождения тока длиной а равна 100 мкм и расположена со стороны полупрозрачного зеркала 2. Между поверхностями 9 и 10, блокирующими прохождение тока, расположена токопроводящая поверхность 12 длиной с равной 3370-3870 мкм.

Для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных конструктивных решений, а именно получен лазерный диод с улучшенными характеристиками. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «промышленная применимость».

Изобретение относится к полупроводниковым лазерам, к конструкции р-контакта чипа лазерного диода. Лазерный диод, включающий полупроводник, ограниченный с торцов зеркалами, p-контакт, выполненный на поверхности полупроводника, n-контакт, расположенный на противоположной поверхности полупроводника, отличается тем, что р-контакт покрыт токопроводящим слоем и оснащен канавками, расположенными симметрично относительно оси, между которыми расположен полосок длиной L, оборудованный поверхностями, блокирующими прохождение тока, выполненными из диэлектрического материала, расположенного под токопроводящим слоем, длиной a и b по оси, между которыми расположена токопроводящая поверхность длиной с, при этом их значения выбирают из условия: 80≤a≤120 мкм и 20≤b≤40 мкм, а поверхность, блокирующая прохождение тока, длиной а расположена со стороны полупрозрачного зеркала. Технический результат - снижение тепловой нагрузки на зеркала, упрощение производства и сокращение количества операций планарного цикла. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Лазерный диод, включающий полупроводник, ограниченный с торцов зеркалами, p-контакт, выполненный на поверхности полупроводника, n-контакт, расположенный на противоположной поверхности полупроводника, отличающийся тем, что р-контакт покрыт токопроводящим слоем и оснащен канавками, расположенными симметрично относительно оси, между которыми расположен полосок длиной L, оборудованный поверхностями, блокирующими прохождение тока, выполненными из диэлектрического материала, расположенного под токопроводящим слоем, длиной a и b по оси, между которыми расположена токопроводящая поверхность длиной с, при этом их значения выбирают из условия: 80≤a≤120 мкм и 20≤b≤40 мкм, а поверхность, блокирующая прохождение тока, длиной а расположена со стороны полупрозрачного зеркала.

2. Лазерный диод по п.1, отличающийся тем, что длину с токопроводящей поверхности полоска р-контакта определяют по формуле c=L-(a+b).