Патент на изобретение №2351047

(54) ТОНКОПЛЕНОЧНЫЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ИНЖЕКЦИОННЫЙ ЛАЗЕР НА ОСНОВЕ МНОГОПРОХОДНОЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ ГЕТЕРОСТРУКТУРЫ (ВАРИАНТЫ)

(57) Реферат:

Изобретение относится к полупроводниковым приборам, а более конкретно к лазерам на основе многопроходных p-n гетероструктур. Лазер на основе p-n-многопроходной гетероструктуры состоит из легированной активной области в виде полупроводникового слоя толщиной не мене двух длин Дебая, расположенного между широкозонными слоями n- и p-типов проводимости. Толщина лазерной гетероструктуры не менее 8-10 длин Дебая и не превышает 20÷40 микрон, и она припаяна или приклеена одной из контактных поверхностей к проводящей пластине-носителю и электрически соединена с ней. Технический результат – уменьшение величин рабочих токов и пороговой плотности тока, а также увеличение внешнего квантового выхода и улучшение других характеристик лазера (динамический диапазон, дифференциальный квантовый выход, улучшение теплоотвода). 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

Тонкопленочный полупроводниковый инжекционный лазер на основе многопроходной p-n-гетероструктуры (варианты)

Изобретение относится к полупроводниковым приборам, а более конкретно к лазерам на основе многопроходных p-n-гетероструктур.

Наиболее эффективные излучающие светодиоды и лазеры изготавливаются на основе полупроводниковых многопроходных p-n-гетероструктур.

Излучение, которое накапливается в объеме кристалла многопроходной p-n-гетероструктуры, испытывает значительное поглощение на свободных носителях, снижая тем самым внешний квантовый выход излучателей. Для уменьшения такого явления фирмой Osram [1] были предложены и изготовлены очень эффективные светодиоды, имеющие малую (˜30 микрон и менее) толщину многопроходной излучающей p-n-гетероструктуры (тонкопленочные светодиоды). За счет меньшего расстояния между гранями кристалла p-n-гетероструктуры уменьшается поглощение излучения свободными носителями, больше излучения накапливается внутри кристалла излучателя, увеличивается внешний квантовый выход.

Накопленное спонтанное излучение при многократном прохождение внутри кристалла испытывает поглощение в активной области (в той области, где происходит излучательная рекомбинация носителей) с образованием в ней электронно-дырочных пар. Эти электронно-дырочные пары создают дополнительную концентрацию носителей по сравнению с той, которая обусловлена током инжекции через p-n-переход. Рожденные фотоносители заново участвуют в процессе излучательной рекомбинации. При толщине активной области более 0,1-0,2 микрона увеличение концентрации за счет переизлучения может происходить в 3-5 и более раз [2, 3]. В лазере на основе многопроходной p-n-гетероструктуры это приводит к понижению порогового тока лазера в такое же количество раз, а также к увеличению мощности лазера, увеличению внешнего и дифференциального квантовых выходов, увеличению теплоотвода за счет рассеивания подводимой электрической мощности в виде полезного излучения лазера, выводимого за пределы кристалла. Возрастает динамический диапазон рабочих токов. Следует заметить, что возможно возбуждение лазера не только засчет инжекции с помощью p-n перехода, но и за счет других способов накачки, например, фотовозбуждения.

Эти характеристики можно улучшить, если в расположенную между широкозонными слоями p-n-гетероструктуры активную область или рядом с ней поместить хотя бы один узкозонный слой полупроводникового материала с шириной запрещенной зоны, не менее чем на 0,1 кТ меньшей по сравнению с областью излучательной рекомбинации и толщиной 20-500 Ангстрем (квантовая яма). В этом слое концентрация носителей в яме за счет их стока из области излучательной рекомбинации станет больше, и лазерная генерация прежде всего начнется в нем. Сама квантовая яма почти не поглощает накопленное излучение. Чтобы не нарушить процесс накопления носителей в области излучательной рекомбинации, толщина ее должна быть больше ˜2 длин свободного пробега носителей (длин Дебая, эти величины одного порядка) и не превосходить нескольких диффузионных длин.

Такая многопроходная p-n-гетероструктура (в дальнейшем в тексте для удобства чтения просто «p-n-гетероструктура»), заявленная на патентование [4], является наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению.

В [4] предлагается полупроводниковый инжекционный лазер, состоящий из легированной активной области в виде полупроводникового слоя толщиной не мене двух длин Дебая (или свободного пробега носителей), расположенного между широкозонными слоями n- и p-типов проводимости, между которыми расположен также, по крайней мере, один слой полупроводникового материала толщиной 20-500 Ангстрем (квантовая яма) с шириной запрещенной зоны, на 0,1 кТ÷300 meV меньшей, чем в активной области, с полосковыми омическими контактами к n- и p-слоям и рабочей областью лазера между ними.

В нем удалось экспериментально получить большие внешние квантовые выходы и меньшие пороговые плотности тока, чем в таком же лазере, но без квантовой ямы. Данное техническое решение [4] по технической сущности является наиболее близким к заявляемому и выбирается в качестве прототипа.

Существенным недостатком прототипа являются все еще высокие рабочие токи, поскольку относительно большой остается площадь p-n-перехода. Для обеспечения механической прочности лазерная p-n-гетероструктура имела толщину не менее 100 микрон, что и определяло значительные размеры кристалла лазера и площадь его p-n-перехода.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является достижение технического результата, заключающегося в уменьшении величин рабочих токов и пороговой плотности тока, а также в еще большем увеличении внешнего квантового выхода и в улучшении других характеристик лазера (динамический диапазон, дифференциальный квантовый выход, улучшение теплоотвода).

Эти технические результаты достигаются в полупроводниковом инжекционном лазере [4], состоящем из легированной активной области в виде полупроводникового слоя толщиной не мене двух длин Дебая (или свободного пробега носителей), расположенного между широкозонными слоями n- и р-типов проводимости, между которыми расположен также, по крайней мере, один слой полупроводникового материала толщиной 20-500 Ангстрем (квантовая яма) с шириной запрещенной зоны, на 0,1 кТ÷300 meV меньшей, чем в активной области, с полосковыми омическими контактами к n- и p-слоям и рабочей областью лазера между ними, с добавлением признаков, являющихся отличительными существенными признаками предлагаемого инжекционного лазера: толщина всей p-n-гетероструктуры не менее 8-10 длин Дебая (свободного пробега) и не более – 20-40 микрон и p-n-гетероструктура, по крайней мере, одной из контактных сторон (поверхностей) механически закреплена на проводящей пластине-носителе и электрически соединена с ней.

Отличие полупроводникового инжекционного лазера согласно настоящему изобретению заключается в том, что толщина лазерной p-n-гетероструктуры не превышает 20-40 микрон и она припаяна или приклеена одной из контактных поверхностей к проводящей пластине-носителю и электрически соединена с ней. Минимальная толщина всей p-n-гетероструктуры определяется из условия, что в активной области и в широкозонных n- и p-эмиттерах неосновные носители должны двигаться с диффузионной скоростью, что возможно, если толщина каждого слоя более двух длин Дебая.

В качестве пластины-носителя могут использоваться, например, пластина арсенида галлия или кремния с металлизированными омическими контактами к ним с обеих сторон.

На фиг.1 приведен фрагмент конструкции лазера, предлагаемой в настоящем изобретении.

Полупроводниковый инжекционный лазер согласно настоящему изобретению включает широкозонный эмиттер 1 р-типа проводимости, выполненный, например, из легированного p-GaAlAs, AlAs-30%; активную область 2, выполненную, например, из n-GaAlAs, N˜2·10¹⁷см^-3, AlAs – 8%, внутри которой расположена квантовая яма 3, выполненная в виде дополнительного слоя полупроводникового материала толщиной 20-500 Ангстрем с шириной запрещенной зоны, на 0,1 кТ÷300 meV меньшей, чем в активной области 2; широкозонный эмиттер 4, выполненный, например, из n-GaAlAs, N˜5·10¹⁷ см^-3, AlAs – 30%; слой SiO₂ – 5, металлическое покрытие 6, образующее омические контакты 7 к слоям 1 и 4, 8 – припой, 9 – омические металлизированные контакты к пластине-носителю 10.

Р-n-гетероструктура для инжекционного лазера согласно настоящему изобретению, может быть изготовлена, например, по технологии молекулярно-лучевой эпитаксии – МЛЭ (molecular-beam epitaxy, MBE) либо способом, известным как МОС-гидридная технология (metalorganic vapor phase epitaxy, MOVPE, или MOCVD – metalorganic chemical vapor deposition) в системе тройных и четверных соединений материалов А₃В₅. Изготовление p-n-гетероструктуры описано в [4, 5]. Лазерная GaAlAs – p-n-гетероструктура выращивалась на ростовой подложке из арсенида галлия. Рост p-n-гетероструктуры начинался с выращивания широкозонного эмиттера р-типа 1 (фиг.1). Последним выращивался широкозонный эмиттер n-типа – 4. Внешняя поверхность эмиттера n-типа была свободна, и на ней осуществлялось изготовление полосковых омических контактов к широкозонному GaAlAs-слою n-типа 4. Для этого на поверхность n-типа наносился слой диэлектрика в виде окисла SiO₂ (или Si₃N₄ или др.) толщиной 0,1-1 микрон. Методами фотолитографии в слое окисла формировались канавки на всю глубину окисла до поверхности полупроводникового материала, параллельные одному из боковых срезов (например, срезу <011>) шириной 2-5 микрон с шагом 5-15 микрон. На образовавшуюся после этой операции поверхность напылялись слои контактных металлов для n-грани. Эти металлы вжигались в полупроводниковый материал, а граница металл-окисел образовывала хорошее зеркало.

На сформированные таким образом омические контакты к n-поверхности наносился слой припоя толщиной от 0,1 до нескольких десятков микрон. Такой же слой припоя наносился на одну из поверхностей пластины-носителя из арсенида галлия (или кремния), выбранную в качестве новой подложки к лазерной p-n-гетероструктуе, у которой обе поверхности имели металлизированные омические контакты. Далее эта пластина-носитель с нанесенным припоем напаивалась под давлением при повышенной температуре на n-сторону лазерной p-n-гетероструктуры, на омические контакты которой уже был нанесен припой. Излишки расплавленного припоя давлением вытеснялись из места спайки.

После спайки лазерной p-n-гетероструктуры с пластиной-носителем производилось оттравливание подложки арсенида галлия, на которой выращивалась лазерная p-n-гетероструктура. В результате этой операции освобождалась поверхность широкозонного GaAlAs-эмиттера р-типа. На этой поверхности, так же как и на поверхности широкозонного GaAlAs-эмиттера n-типа, изготавливались омические контакты р-типа. Полосковые контакты n- и р-типов должны быть параллельными друг другу. В результате описанных операций на пластине-носителе оказалась тонкая лазерная многопроходная p-n-гетероструктура, механическую прочность которой придает припаянная пластина-носитель. Она же обеспечивает электрический контакт ко всем полосковым контактам на всей поверхности n-типа p-n-гетероструктуры.

Лазерные кристаллы можно получать скрайбированием, например, со стороны пластины-носителя вдоль контактных полосок и перпендикулярно им. Последующий разлом или скалывание по канавкам скрайбирования обеспечивает зеркальные торцевые грани лазерных кристаллов, так как скрайбирование должно осуществляться по кристаллографическим направлениям лазерной структуры. Для исследований изготавливались образцы кристаллов лазеров длиной 300-600 микрон и шириной 200-300 микрон. Если фотошаблоны для полосковых контактов с шириной полоска, например, 3-5 микрон покрывают всю поверхность p-n-гетероструктуры с шагом, например, 10-15 микрон, то лазеры являются многополосковыми с наибольшей выходной мощностью излучения. Такой случай показан на фиг.1. Если шаблон изготовлен так, что один или несколько полосковых контактов имеют шаг, например, 300 микрон, то лазер шириной 300 микрон будет иметь по одному или по несколько полосковых контактов к n- и р-сторонам p-n-гетеструктуры. Рабочий ток лазера, имеющего по одному контакту к n- и р-сторонам (однополосковый лазер), является наименьшим. Для уменьшения растекания тока в таком лазере эти контакты целесообразно располагать напротив друг друга (т.е. на одной вертикали к n- и р-сторонам лазера), а для уменьшения рабочей области целесообразно сбоку от каждой контактной полоски и параллельно ей по обе ее стороны с помощью фотолитографии и травления формировать канавки 11 на всю толщину лазерной структуры. После травления канавки в процессе изготовления лазеров запыляются окислом и металлом на нем (см. фиг.2). Граница полупроводник – окисел хорошо отражает спонтанное излучение и способствует удержанию его внутри рабочей области лазера, улучшая многопроходность.

На фиг.2 центральная область между канавки 11 и контактами 7 является рабочей областью лазера. Р-n переход расположен в рабочей области между слоями 2 и 4. Его площадь определяется длиной лазерного кристалла (расстоянием между противопожными зеркальными гранями) и шириной рабочей области, равной расстоянию между канавками 11 вдоль слоев 2 и 4.

Если лазерная p-n-гетероструктура имеет толщину не более 20 – 40 микрон, то указанным способом можно изготовить однополосковые лазеры с шириной p-n-перехода в несколько микрон. Такой многопроходный лазер может иметь очень малые рабочие токи.

Для изготовления лазера с большими рабочими токами, т.е. с большей мощностью излучения, расстояние между канавками 11, которые травятся на всю толщину структуры, делается больше. Тогда между этими канавками может располагаться по несколько полосковых контактов на n- и р-сторонах лазера. Такой лазер будет работать эффективнее, чем лазер без ограничивающих канавок 11.

В работах [6, 7], а также в расчетах, проведенных для многопроходных лазеров, показано, что если ширина площади p-n-перехода под полосковым контактом лежит в пределах 3-5 микрон или полосковые контакты идут с таким же шагом, то рабочая область лазера не расширяется при росте тока и остается под соответствующим полосковым контактом. Это способствует тому, что при токах, близких к пороговому, лазер выходит на оптимальный режим работы, показывая высокие параметры.

Работа полупроводникового инжекционного лазера описана в [4]. Отличие работы заявляемого лазера от лазера в [4] состоит в том, что благодаря тому что толщина заявляемого лазера в несколько раз меньше потери спонтанного излучения в нем также меньше, и процессы переизлучения и накопления носителей в активной области происходят интенсивнее. Малые объемы лазера и малые площади p-n-перехода позволяют значительно уменьшить рабочие токи лазера и улучшить другие его параметры.

ЛИТЕРАТУРА

1. Patent № US 6,929,966 B2, Aug. 16.2005. Inventors: Stefan Dleek, Andreas Ploessi Assignee: Osram Opto Semiconductors Gmbh.

2. У.А.Бекирев, С.А.Бондарь, Д.В.Галченков, Р.А.Сурис, М.А.Гранкин, Г.В.Ершова, В.Н.Инкин, М.А.Малышкин. Решетка лазеров на основе многопроходной p-n-гетероструктуры. Письма в ЖТФ, 1988 г.,том 14, вып.23, с.2140-2144.

3. Laser a semiconducteur muni de moyens de reinjection de l’emission spontanee dans la couche active. Sermage Bernard, Brillouet Francois. Заявка 2575870, Франц. заявл. 10.01.85: № 8500307. Опубл. 11.07.86. MKM H.01 s3/18. Рж опт.эл. приб. № 7, 1987, реф. № 107. Заявка 0247267, ЕВП. Заявл. 26.05.86. № 86401106, 9, опубл. 02.12.87. MKM H01 s3/19.

4. Бекирев У.А. Полупроводниковый инжекционный лазер. Заявка на изобретение № 2004137016/28 с приоритетом от 17.12.2004.

5. М.Херман. Полупроводниковые сверхрешетки. – М.: Мир, 1990.

6. B.Garrett, R.W.Glew.. “Low-threshold, high-power zero-order lateral-mode dqw-sch metal-glad ridge waveguide (AlGa)As/GaAs laser”. Electronics Letters 9^tb April 1987 Vol.23, pp.371-373.

7. Peter S.Gross, Gary L.Hamagel, William Streifer, Donald R.Scifres, David F.Welch, “Ultrahigh-Power Semiconductor Diode Laser Arrays”. Science, Vol.237, 11 September, 1987, pp.1305-1309.

Формула изобретения

1. Тонкопленочный полупроводниковый инжекционный лазер на основе многопроходной p-n-гетероструктуры, состоящий из легированной активной области в виде полупроводникового слоя толщиной не мене двух длин Дебая (или свободного пробега носителей), расположенного между широкозонными слоями n- и p-типов проводимости, между которыми расположен также, по крайней мере, один слой полупроводникового материала толщиной 20÷500 Å (квантовая яма), с шириной запрещенной зоны на 0,1 кТ÷30 meV меньшей, чем в активной области, с полосковыми омическими контактами к n- и p-слоям и рабочей областью лазера между ними, отличающийся тем, что толщина всей p-n-гетероструктуры не менее 8-10 длин Дебая (свободного пробега) и не более ˜20÷40 мкм, и p-n-гетероструктура, по крайней мере, одной из контактных сторон (поверхностей) механически закреплена на проводящей пластине-носителе и электрически соединена с ней.

2. Тонкопленочный полупроводниковый инжекционный лазер на основе многопроходной p-n-гетероструктуры, состоящий из легированной активной области в виде полупроводникового слоя толщиной не мене двух длин Дебая (или свободного пробега носителей), расположенного между широкозонными слоями n- и p-типов проводимости, между которыми расположен также, по крайней мере, один слой полупроводникового материала толщиной 20-500 Å (квантовая яма), с шириной запрещенной зоны на 0,1 кТ÷300 meV меньшей, чем в активной области, с полосковыми омическими контактами к n- и p-слоям и рабочей областью лазера между ними, отличающийся тем, что толщина всей p-n-гетероструктуры не менее 8-10 длин Дебая (свободного пробега) и не более – 20-40 мкм, при этом p-n-гетероструктура, по крайней мере, одной из контактных сторон (поверхностей) механически закреплена на проводящей пластине-носителе (подложке) и электрически соединена с ней и рабочая область лазера ограничена с боковых сторон от полосковых омических контактов окислом на всю толщину p-n-гетероструктуры, образуя с омическими контактами замкнутый объем.

3. Тонкопленочный полупроводниковый инжекционный лазер по п.2, отличающийся тем, что рабочая область лазера имеет дополнительно по одному полосковому контакту к n- и p- слоям и находится между ними.

4. Тонкопленочный полупроводниковый инжекционный лазер по п.2 или 3, отличающийся тем, что шаг между полосковыми омическими контактами не превышает 3-5 мкм.

5. Тонкопленочный полупроводниковый инжекционный лазер по п.4, отличающийся тем, что рабочий объем лазера имеет ширину площади n-p перехода не более 3-5 мкм.

РИСУНКИ