ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ЛАЗЕР

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ЛАЗЕР


RU (11) 2147152 (13) C1

(51) 7 H01S5/024 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 25.10.2007 - прекратил действие 

--------------------------------------------------------------------------------

(21) Заявка: 99105464/28 
(22) Дата подачи заявки: 1999.03.19 
(24) Дата начала отсчета срока действия патента: 1999.03.19 
(45) Опубликовано: 2000.03.27 
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: Appl. Phys. Lett., 31.08.98, vol.3, no. 9, US, A.Al-Muhanna, D.Z. Garbuzov et.al. "High-power (>10W) continuous-wave operation from 100-mkm-aperture 0,97-mkm-emitting Al-free diode lasers.", p. 1182 - 1184. US 3691476 A, 12.09.1972. FR 2702602, 12.03.1993. RU 94028629, 29.07.1994. RU 2119704, 29.07.1994. GB 2198582, 15.06.1988. 
(71) Заявитель(и): Безотосный Виктор Владимирович; Залевский Игорь Дмитриевич 
(72) Автор(ы): Безотосный В.В.; Залевский И.Д. 
(73) Патентообладатель(и): Безотосный Виктор Владимирович; Залевский Игорь Дмитриевич 
Адрес для переписки: 109280, Москва, ул.Автозаводская, д.5, кв.132, Безотосному Виктору Владимировичу 

(54) ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ЛАЗЕР 

Изобретение относится к квантовой электронике, в частности к конструкции полупроводниковых лазеров, возбуждаемых током, светом и электронным пучком. Для расширения спектральных диапазонов излучения мощных лазеров, изготовленных на основе напряженных гетероструктур, снижения поперечной расходимости их излучения и увеличения ресурса их работы предложена конструкция лазера на основе РО-ДГС с широким волноводом, в которой эмиттерные слои имеют переменный состав по толщине, причем ширина запрещенной зоны эмиттерных слоев плавно или ступенчато убывает по направлению к периферии слоев. Полупроводниковый лазер может найти применение в качестве источника излучения высокой мощности в технологии, медицине, системах накачки твердотельных лазеров, системах связи, навигации, датчиках. 2 ил. 


ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ



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 на основе двусторонних гетероструктур с раздельным ограничением (РО-ДГС), впервые предложенные в работах: Hayashi I. U.S. Patent N 3, 691,476 (1972) и Thompson G.H.B., Kirkby P.A., IEEE J.Quantum Electron. QE-9,311,1973.

В отличие от обычных ДГС-лазеров, в РО-ДГС-лазерах между активной областью и эмиттерными слоями содержатся дополнительно волноводные слои. Таким образом, ограничение инжектированных в активную область носителей происходит за счет гетеробарьеров на границах активная область-волноводный слой, а ограничение оптического поля - внутри волновода, сердцевиной которого являются волноводные слои и активная область, а оболочкой служат эмиттерные слои.

Основное преимущество РО-ДГС-лазеров по сравнению с обычными ДГС - это снижение плотности порогового тока при комнатной температуре. Основная масса выпускаемых в настоящее время диодных лазеров имеют принципиальную конструкцию на основе РО-ДГС. Плотность порогового тока в лучших РО-ДГС лазерах составляет 100-300 А/см2 в зависимости от конструктивных параметров резонатора.

Недостатком существующих конструкций РО-ДГС лазеров является достаточно большая расходимость излучения в плоскости, перпендикулярной p-n переходу. Дело в том, что минимальная плотность порогового тока РО-ДГС лазеров может быть получена при толщине оптического волновода 0,2-0,3 микрона, при этом расходимость излучения по уровню 0,5 в поперечной плоскости составляет около 40 градусов. Снизить расходимость менее 30 градусов без существенного роста порогового тока и усиления температурной зависимости порогового тока до сих пор не удавалось.

Прототипом данного изобретения является лазер на основе РО-ДГС InGaAsP/InGaP/GaAs с активной областью из InGaAs в виде двух квантовых ям, описанный в работе: A. Al-Muhanna, L.J. Mawst, D.Botez, D.Z.Garbuzov, R.U.Martinelli, J. C. Connolly, Appl. Phys.Lett. V3, 9, 1182-1184, 31 Aug 1998. В отличие от традиционных конструкций РО-ДГС с суммарной толщиной волноводных слоев 0,2-0,3 мкм, в указанной публикации толщина волноводных слоев лазера на длине волны 0,97 мкм составляет 1,3 мкм, что позволило получить поперечную расходимость 36 градусов. Внешняя дифференциальная квантовая эффективность составила 85%. Вместе с тем, технология изготовления гетероструктур InGaAsP/InGaP/GaAs значительно сложнее и менее воспроизводима, чем технология гетероструктур AlGaAs/InGaAs/GaAs, она требует более дорогостоящего оборудования и расходных материалов. В отличие от четырехкомпонентных гетероструктур InGaAsP/InGaP/GaAs, в трехкомпонентных гетероструктурах AlGaAs/InGaAs/GaAs слои GaAs и AlGaAs являются "автоматически" согласованными по параметру решетки с подложкой из GaAs в силу совпадения ковалентных радиусов Ga и Al. Перечисленные факторы являются причиной более высокой расчетной стоимости готовых приборов на основе гетероструктур InGaAsP/InGaP/GaAs. Кроме того, в литературе отсутствуют сведения о ресурсных характеристиках таких лазеров, возможно поэтому в настоящий момент они не являются коммерческим продуктом. В отличие от этого лазеры на основе напряженных гетероструктур AlGaAs/InGaAs/GaAs на длине волны 0,94 - 0,98 мкм выпускаются многими компаниями и доступны по цене.

Излучательные характеристики лазеров на основе напряженных структур могут превосходить характеристики лазеров на основе ненапряженных структур. Однако для получения наряду с высокими излучательными характеристиками лазеров достаточно продолжительного срока их службы, необходимо контролировать величину упругих напряжений и качество напряженных слоев. Анализ публикаций и каталогов фирм показывает, что лазеры на основе AlGaAs/InGaAs/GaAs с длиной волны более 1 мкм не имеют столь широких масштабов выпуска по сравнению с более коротковолновыми (0,94-0,98 мкм), кроме того, мощность таких лазеров заметно уступает последним. По нашему мнению это обусловлено тем обстоятельством, что по мере увеличения длины волны, содержание In в активной области InGaAs возрастает и соответственно возрастают рассогласование периодов кристаллических решеток и величина упругих напряжений, что в свою очередь является причиной снижения кристаллографического совершенства слоев, приводящего к уменьшению внутреннего квантового выхода, излучательных и ресурсных характеристик. В силу этого длина волны 1,06 мкм в литературе указывается как крайняя точка для лазеров с активной областью InGaAs (см. прототип). Получить высокую мощность излучения и большой срок службы на длине волны более 1 мкм до сих пор не удавалось.

Задачей, решаемой данным изобретением, является расширение спектральных диапазонов излучения мощных лазеров, изготовленных на основе напряженных гетероструктур и снижение поперечной расходимости их излучения без ухудшения других излучательных параметров.

Указанная задача решается за счет того, что эмиттерные (широкозонные) слои РО-ДГС имеют переменный состав по толщине (см. схему на фиг. 1), причем ширина запрещенной зоны этих слоев ступенчато или плавно уменьшается по направлениям к периферии слоев. Уменьшение ширины запрещенной зоны каждого из эмиттерных слоев происходит в двух направлениях: ширина запрещенной зоны первого (от подложки) эмиттерного слоя уменьшается по направлению к подложке (или буферу) и по направлению к волноводному слою, а ширина запрещенной зоны второго эмиттерного слоя уменьшается по направлению к контактному слою и волноводному слою.

Сущность предлагаемой конструкции заключается в том, что за счет плавных или ступенчатых переходов между слоями напряженной гетероструктуры с большим отличием в материальном составе, повышается кристаллографическое совершенство структуры, включая границы раздела между слоями, снижаются градиенты механических напряжений на границах слоев, связанные с рассогласованием периодов кристаллических решеток различных слоев. В результате расширяются технологические возможности для выращивания сравнительно толстых бездефектных слоев в напряженных гетероструктурах. В свою очередь высококачественные бездефектные гетероструктуры с широким волноводом, имеющие высокий внутренний квантовый выход, позволяют разгрузить зеркала лазерного резонатора, снизить расходимость излучения в плоскости, перпендикулярной p-n переходу, повысить предельную мощность излучения и ресурс работы приборов.

На фиг. 1 схематически показана конструкция предлагаемой напряженной лазерной РО-ДГС гетероструктуры. Оба эмиттера имеют переменный состав по толщине со ступенчатым или плавным (показано пунктиром) уменьшением ширины запрещенной зоны по направлениям к периферии слоев.

Схематически пример конкретного выполнения показан на фиг.2. В напряженной гетероструктуре AlGaAs/InGaAs/GaAs активная область имеет вид двух квантовых ям InGaAs толщиной 5 нм, разделенных барьером GaAs толщиной 120 нм, между квантовыми ямами и волноводными слоями из Al0.23 Ga0.77 As толщиной по 1 мкм содержатся слои нелегированного GaAs толщиной 7 нм.

Состав эмиттерных слоев из Al0.28 Ga0.72 As изменяется по направлениям к волноводным слоям из AlGaAs и направлениям к контактному слою и буферному слою. Таким образом, эмиттерные слои имеют градиентный и ступенчато изменяющийся состав с уменьшением ширины запрещенной зоны по направлениям к периферии слоев. На основе таких гетероструктур изготовлены мощные лазеры с длиной волны излучения до 1,1 мкм. Наилучшие параметры лазеров получены на гетероструктурах, где содержание алюминия в эмиттерных слоях составляет 0,28, в волноводных слоях 0,23, а суммарная толщина оптического волновода составляет около 2 мкм, (т.е. содержание алюминия в эмиттерных и волноводных слоях отличается на 5%). При указанных параметрах лазер работает в режиме фундаментальной пространственной моды в плоскости, перпендикулярной p-n переходу с низкой расходимостью излучения. Из этих гетероструктур изготовлены лазеры со следующими параметрами: длина волны излучения 1,06 мкм, длина резонатора 1000 мкм, ширина полоскового контакта 100 мкм, пороговый ток - 180 мА, дифференциальная эффективность 85%, полный КПД - 50%, расходимость излучения в плоскости, перпендикулярной p-n переходу - 20-22 градуса. Константа экспоненциальной зависимости порогового тока T0 = 160 К. Все измерения выполнены в непрерывном режиме генерации при температуре 20oC. При токе накачки 2,2 А выходная мощность лазера составила 2 Вт. 


ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ



Полупроводниковый лазер на основе напряженных двухсторонних гетероструктур с раздельным ограничением и широким волноводом, отличающийся тем, что эмиттерные слои имеют переменный состав по толщине, причем толщина запрещенной зоны эмиттерных слоев плавно или ступенчато убывает по направлениям к периферии слоев.


ПРОЧИТАТЬ НУЖНО ВСЕМ !
Судьба пионерских изобретений и научных разработок, которым нет и не будет аналогов на планете еще лет сорок, разве что у инопланетян



Независимый научно технический портал

Подборка патентов изобретений и технологий относящихся к лазерным квантовым генераторам, а именно лазеры и лазерное оборудование:

- твердотельные полупроводниковые лазеры

- газовые лазеры

- химические лазеры

- практическое применение в промышленности, науке и в быту газовых, твердотельных и химических лазеров.


Лазеры. Лазерное оборудование






СОВЕРШЕННО БЕСПЛАТНО!
Вам нужна ПОЛНАЯ ВЕРСИЯ данного патента? Сообщите об этом администрации портала. В сообщении обязательно укажите ссылку на данную страницу.


ПОИСК ИНФОРМАЦИИ В БАЗЕ ДАННЫХ


Режим поиска:"и" "или"

Инструкция. Ключевые слова в поле ввода разделяются пробелом или запятой. Регистр не имеет значения.

Режим поиска "И" означает, что будут найдены только те страници, где встречается каждое из ключевых слов. При использовании режима "или" результатом поиска будут все страници, где встречается хотя бы одно ключевое слово.

В любом режиме знак "+" перед ключевым словом означает, что данное ключевое слово должно присутствовать в найденных файлах. Если вы хотите исключить какое-либо слово из поиска, поставьте перед ним знак "-". Например: "+газовый -лазер".

Поиск выдает все данные, где встречается введенное Вами слово. Например, при запросе "лазер" будут найдены слова "лазеры", "лазерный" и другие. Восклицательный знак после ключевого слова означает, что будут найдены только слова точно соответствующие запросу ("лазер!").



Рейтинг@Mail.ru