ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ИНЖЕКЦИОННЫЙ ЛАЗЕР С Р-N ПЕРЕХОДОМ (ВАРИАНТЫ)

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ИНЖЕКЦИОННЫЙ ЛАЗЕР С Р-N ПЕРЕХОДОМ (ВАРИАНТЫ)


RU (11) 2197046 (13) C2

(51) 7 H01S5/00, H01S5/32 

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

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

(21) Заявка: 2001107079/28 
(22) Дата подачи заявки: 2001.03.19 
(24) Дата начала отсчета срока действия патента: 2001.03.19 
(45) Опубликовано: 2003.01.20 
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: АЛФЕРОВ Ж.И. Инжекционные гетеролазеры. Сборник Полупроводниковые приборы и их применение. - М., вып.25, 1971, с.204-205. US 4504950 A, 12.03.1985. RU 1345684 A1, 20.08.1996. US 4327492 A, 04.05.1982. SU 986268 A1, 20.10.1995. SU 1414238 A1, 10.06.1997. 
(71) Заявитель(и): Московский государственный институт стали и сплавов (технологический университет) 
(72) Автор(ы): Кожитов Л.В.; Вяткин А.Ф.; Кондратенко Т.Я.; Пархоменко Ю.Н. 
(73) Патентообладатель(и): Московский государственный институт стали и сплавов (технологический университет) 
Адрес для переписки: 117936, Москва, Ленинский пр-т, 4, МИСиС, отдел защиты интеллектуальной собственности 

(54) ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ИНЖЕКЦИОННЫЙ ЛАЗЕР С Р-N ПЕРЕХОДОМ (ВАРИАНТЫ) 

Изобретение относится к области электронной техники. Предложен полупроводниковый инжекционный лазер с р-n переходом, содержащий монокристаллический полупроводниковый вырожденный n+ типа слой, монокристаллический полупроводниковый n типа слой, монокристаллический полупроводниковый р типа слой, металлический контакт n типа слоя и металлический контакт р типа слоя. Согласно первому варианту металлический контакт n типа слоя выполнен в виде монокристаллического цилиндра из металла с объемноцентрированной или гранецентрированной решеткой с гранями (111) или (100), на внешней поверхности которого последовательно расположены цилиндрический монокристаллический полупроводниковый вырожденный n+ типa слой, цилиндрический монокристаллический полупроводниковый n типа слой, цилиндрический монокристаллический полупроводниковый р типа слой и цилиндрический металлический контакт р типа слоя, выполненный из двухкомпонентного сплава. Согласно второму варианту монокристаллический полупроводниковый вырожденный + типа слой выращен в виде полого цилиндра, на внутренней поверхности которого сформирован металлический контакт n типа слоя, выполненный в виде полого цилиндра, состоящего из сплава двух металлов, а на внешней поверхности которого последовательно расположены цилиндрический монокристаллический полупроводниковый n типа слой, цилиндрический монокристаллический полупроводниковый р типа слой и цилиндрический металлический контакт р типа слоя, выполненный из двухкомпонентного сплава. Согласно третьему варианту монокристаллический полупроводниковый вырожденный + типа слой выращен в виде сплошного цилиндра заданной длины, на внешней поверхности которого последовательно расположены имеющие цилиндрическую форму монокристаллический полупроводниковый n типа слой, монокристаллический полупроводниковый р типа слой и металлический контакт р типа слоя, выполненный из двухкомпонентного сплава, а металлический контакт n типа слоя сформирован на торцах монокристаллического полупроводникового вырожденного n+ типа слоя и выполнен из сплава двух металлов. В результате повышается мощность светового излучения и снижается уровень электротепловой деградации. 3 с. и 12 з.п. ф-лы, 3 ил. 


ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ



Изобретение относится к области электронной техники, в частности к конструированию и технологии изготовления полупроводниковых инжекционных лазеров с р-n гомо- и гетеропереходами, и может быть использовано в оптоэлектронике, системах записи, считывания, обработки информации, при производстве переносных переговорных устройств и других.

Известен аналог всех вариантов изобретения полупроводниковый инжекционный лазер с р-n переходом плоской структуры (Н.Г. Басов "Полупроводниковые квантовые генераторы", УФН, Сов. Энциклопедия, 1965, т. 85, вып.4, с. 585-595).

Недостатками указанных лазеров плоской структуры являются ограничение уровня выходной мощности лазера величиной 1 Вт и ограниченный ресурс работы.

Наиболее близким аналогом (прототипом) всех вариантов изобретения является полупроводниковый инжекционный лазер с р-n переходом, содержащий монокристаллический полупроводниковый вырожденный n+типa слой (подложку), монокристаллический полупроводниковый n типа слой, монокристаллический полупроводниковый р типа слой, металлический контакт n типа слоя и металлический контакт р типа слоя. В качестве материалов при изготовлении полупроводниковых слоев используются, как правило, GaAs, или GaP, или GaAsP (Ж.И. Алферов "Инжекционные гетеролазеры", сборник "Полупроводниковые приборы и их применение" под ред. А.Я. Федотова, М., вып.25, 1971, с.204-205).

Недостатками указанных лазеров плоской структуры являются малый уровень излучающей мощности, малый уровень КПД, электротепловая деградация при эксплуатации и недостаточный уровень надежности.

Задачей, на решение которой направлено изобретение по первому варианту, является производство полупроводниковых инжекционных лазеров с р-n переходом, обладающих более высоким значением выходной мощности светового излучения как в импульсном, так и в непрерывном режимах при заданных показателях надежности.

Техническими результатами, которые могут быть получены при осуществлении первого варианта изобретения, являются повышение мощности светового излучения и снижение уровня электротепловой деградации.

Указанные технические результаты по первому варианту изобретения достигаются следующим.

Полупроводниковый инжекционный лазер с р-n переходом содержит монокристаллический полупроводниковый вырожденный + типа слой, монокристаллический полупроводниковый n типа слой, монокристаллический полупроводниковый р типа слой, металлический контакт n типа слоя и металлический контакт р типа слоя.

Отличие лазера состоит в том, что металлический контакт n типа слоя выполнен в виде монокристаллического цилиндра из металла с объемноцентрированной или гранецентрированной решеткой с гранями (111) или (100), на внешней поверхности которого последовательно расположены цилиндрический монокристаллический полупроводниковый вырожденный n+типа слой, цилиндрический монокристаллический полупроводниковый n типа слой, цилиндрический монокристаллический полупроводниковый р типа слой и цилиндрический металлический контакт р типа слоя, выполненный из двухкомпонентного сплава.

В конкретных формах выполнения лазера металлический контакт n типа слоя выполнен из металлов: молибдена, или вольфрама, или ниобия и других металлов, а металлический контакт р типа слоя выполнен из двухкомпонентного сплава следующих элементов: золота, никеля, германия и других.

Также в конкретных формах выполнения лазера цилиндрический монокристаллический полупроводниковый вырожденный n+типa слой выполнен из GaAs.

В частных случаях выполнения лазера цилиндрические монокристаллические полупроводниковые слои р и n типа могут быть выполнены из одного и того же полупроводникового материала: GaAs, или AlGaAs, или GaN, или InGaN, или AlGaN и других.

Также в частных случаях выполнения лазера цилиндрические монокристаллические полупроводниковые слои р и n типа могут быть выполнены из разных полупроводниковых материалов: GaAs, или AlGaAs, или GaN, или InGaN, или AlGaN и других.

Задачей, на решение которой направлено изобретение по второму варианту, является производство полупроводниковых инжекционных лазеров с р-n переходом, обладающих более высоким значением выходной мощности светового излучения как в импульсном, так и в непрерывном режимах при заданных показателях надежности.

Техническими результатами, которые могут быть получены при осуществлении второго варианта изобретения, являются повышение мощности светового излучения и снижение уровня электротепловой деградации.

Указанные технические результаты по второму варианту изобретения достигаются следующим.

Полупроводниковый инжекционный лазер с р-n переходом содержит монокристаллический полупроводниковый вырожденный +типа слой, монокристаллический полупроводниковый n типа слой, монокристаллический полупроводниковый р типа слой, металлический контакт n типа слоя и металлический контакт р типа слоя.

Отличие лазера состоит в том, что монокристаллический полупроводниковый вырожденный n+типа слой выращен в виде полого цилиндра, на внутренней поверхности которого сформирован металлический контакт n типа слоя, выполненный в виде полого цилиндра, состоящего из сплава двух металлов, а на внешней поверхности которого последовательно расположены цилиндрический монокристаллический полупроводниковый n типа слой, цилиндрический монокристаллический полупроводниковый р типа слой и цилиндрический металлический контакт р типа слоя, выполненный из двухкомпонентного сплава.

В конкретных формах выполнения лазера металлический контакт n типа слоя выполнен из сплава двух металлов: золота, или алюминия, или титана, или хрома и других металлов, а металлический контакт р типа слоя выполнен из двухкомпонентного сплава следующих элементов: золота, никеля, германия и других.

Также в конкретных формах выполнения лазера цилиндрический монокристаллический полупроводниковый вырожденный n+типa слой выполнен из GaAs.

В частных случаях выполнения лазера цилиндрические монокристаллические полупроводниковые слои р и n типа могут быть выполнены из одного и того же полупроводникового материала: GaAs, или AlGaAs, или GaN, или InGaN, или AlGaN и других.

Также в частных случаях выполнения лазера цилиндрические монокристаллические полупроводниковые слои р и n типа могут быть выполнены из разных полупроводниковых материалов: GaAs, или AlGaAs, или GaN, или InGaN, или AlGaN и других.

Задачей, на решение которой направлено изобретение по третьему варианту, является производство полупроводниковых инжекционных лазеров с р-n переходом, обладающих более высоким значением выходной мощности светового излучения как в импульсном, так и в непрерывном режимах при заданных показателях надежности.

Техническими результатами, которые могут быть получены при осуществлении третьего варианта изобретения, являются повышение мощности светового излучения и снижение уровня электротепловой деградации.

Указанные технические результаты по третьему варианту изобретения достигаются следующим.

Полупроводниковый инжекционный лазер с р-n переходом содержит монокристаллический полупроводниковый вырожденный +типа слой, монокристаллический полупроводниковый n типа слой, монокристаллический полупроводниковый р типа слой, металлический контакт n типа слоя и металлический контакт р типа слоя.

Отличие лазера состоит в том, что монокристаллический полупроводниковый вырожденный n+типа слой, выращен в виде сплошного цилиндра заданной длины, на внешней поверхности которого последовательно расположены имеющие цилиндрическую форму монокристаллический полупроводниковый n типа слой, монокристаллический полупроводниковый р типа слой и металлический контакт р типа слоя, выполненный из двухкомпонентного сплава, а металлический контакт n типа слоя сформирован на торцах монокристаллического полупроводникового вырожденного n+типа слоя и выполнен из сплава двух металлов.

В конкретных формах выполнения лазера металлический контакт n типа слоя выполнен из сплава двух металлов: золота, или алюминия, или титана, или хрома и других металлов, а металлический контакт р типа слоя выполнен из двухкомпонентного сплава следующих элементов: золота, никеля, германия и других.

Также в конкретных формах выполнения лазера цилиндрический монокристаллический полупроводниковый вырожденный n+типа слой выполнен из GaAs.

В частных случаях выполнения лазера цилиндрические монокристаллические полупроводниковые слои р и n типа могут быть выполнены из одного и того же полупроводникового материала: GaAs, или AlGaAs, или GaN, или InGaN, или AlGaN и других.

Также в частных случаях выполнения лазера цилиндрические монокристаллические полупроводниковые слои р и n типа могут быть выполнены из разных полупроводниковых материалов: GaAs, или AlGaAs, или GaN, или InGaN, или AlGaN и других.

Изобретение поясняется чертежом, где изображено: на фиг.1 - пример конструкции лазера по первому варианту изобретения, на фиг.2 - пример конструкции лазера по второму варианту изобретения, на фиг.3 - пример конструкции лазера по третьему варианту изобретения.

Полупроводниковый инжекционный лазер с р-n переходом по первому варианту изобретения (фиг.1) содержит следующие конструктивные элементы.

Металлический контакт 1 n типа слоя выполнен в виде монокристаллического цилиндра из металла с объемноцентрированной или гранецентрированной решеткой с гранями (111) или (100). Контакт 1 может быть выполнен из металлов: молибдена, или вольфрама, или ниобия и других металлов. На внешней поверхности контакта 1 расположен цилиндрический монокристаллический полупроводниковый вырожденный n+типа слой 2. Слой 2 может быть выполнен из GaAs. Поверх слоя 2 расположены цилиндрический монокристаллический полупроводниковый n типа слой 3 и цилиндрический монокристаллический полупроводниковый р типа слой 4. Слои 3 и 4 могут быть выполнены из одного и того же полупроводникового материала или из разных полупроводниковых материалов. В качестве полупроводниковых материалов могут быть использованы: GaAs, или AlGaAs, или GaN, или InGaN, или AlGaN и другие. Между слоями 3 и 4 в области р-n перехода образуется активная излучающая область 5. На внешней поверхности слоя 4 расположен цилиндрический металлический контакт 6 р типа слоя, выполненный из двухкомпонентного сплава, например, следующих элементов: золота, никеля, германия и других.

Принцип действия лазера по первому варианту изобретения заключается в следующем. Между контактами 1 и 6 прикладывается напряжение в прямом направлении в режиме инжекции. При протекании электрического тока через р-n переход в его активной области 5 возбуждается и усиливается оптическое излучение, которое распространяется в пространстве. Мощность излучения в лазере достигает большого уровня за счет следующего. Цилиндрическая форма полупроводниковых слоев 3 и 4 позволяет пропускать через них электрические рабочие токи значительной величины при заданной плотности электрического рабочего тока. Равномерное распределение линий электрического рабочего тока по цилиндрической поверхности слоев 3 и 4 обуславливает уменьшение электротепловой деградации лазеров, что приводит к увеличению их долговечности.

При выполнении цилиндрических монокристаллических полупроводниковых слоев 3 и 4 n и р типа из одного и того же полупроводникового материала в структуре лазера формируется р-n гомопереход.

При выполнении цилиндрических монокристаллических полупроводниковых слоев 3 и 4 n и р типа из разных полупроводниковых материалов в структуре лазера формируется р-n гетеропереход, который по сравнению с р-n гомопереходом обладает более стабильными характеристиками оптического излучения.

Полупроводниковый инжекционный лазер с р-n переходом по второму варианту изобретения (фиг.2) содержит следующие конструктивные элементы.

Монокристаллический полупроводниковый вырожденный n+типа слой 7 выращен в виде полого цилиндра. Слой 7 может быть выполнен из GaAs. На внутренней поверхности слоя 7 сформирован металлический контакт 8 n типа слоя, выполненный в виде полого цилиндра. Контакт 8 состоит из сплава двух металлов, например: золота, или алюминия, или титана, или хрома и других металлов. На внешней поверхности слоя 7 последовательно расположены цилиндрический монокристаллический полупроводниковый n типа слой 9 и цилиндрический монокристаллический полупроводниковый р типа слой 10. Слои 9 и 10 могут быть выполнены из одного и того же полупроводникового материала или из разных полупроводниковых материалов. В качестве полупроводниковых материалов могут быть использованы: GaAs, или AlGaAs, или GaN, или InGaN, или AlGaN и другие. Между слоями 9 и 10 в области р-n перехода образуется активная излучающая область 11. На внешней поверхности слоя 10 расположен цилиндрический металлический контакт 12 р типа слоя. Контакт 12 может быть выполнен из двухкомпонентного сплава следующих элементов: золота, никеля, германия и других.

Принцип действия лазера по второму варианту изобретения заключается в следующем. Между контактами 8 и 12 прикладывается напряжение в прямом направлении в режиме инжекции. При протекании электрического тока через р-n переход в его активной области 11 возбуждается и усиливается оптическое излучение, которое распространяется в пространстве. Мощность излучения в лазере достигает большого уровня за счет следующего. Цилиндрическая форма полупроводниковых слоев 9 и 10 позволяет пропускать через них электрические рабочие токи значительной величины при заданной плотности электрического рабочего тока. Равномерное распределение линий электрического рабочего тока по цилиндрической поверхности слоев 9 и 10 обуславливает уменьшение электротепловой деградации лазеров, что приводит к увеличению их долговечности.

При выполнении цилиндрических монокристаллических полупроводниковых слоев 9 и 10 n и р типа из одного и того же полупроводникового материала в структуре лазера формируется р-n гомопереход.

При выполнении цилиндрических монокристаллических полупроводниковых слоев 9 и 10 n и р типа из разных полупроводниковых материалов в структуре лазера формируется р-n гетеропереход, который по сравнению с р-n гомопереходом обладает более стабильными характеристиками оптического излучения.

Полупроводниковый инжекционный лазер с р-n переходом по третьему варианту изобретения (фиг.3) содержит следующие конструктивные элементы.

Монокристаллический полупроводниковый вырожденный n+типa слой 13 выращен в виде сплошного цилиндра заданной длины. Слой 13 может быть выполнен из GaAs. На внешней поверхности слоя 13 последовательно расположены имеющие цилиндрическую форму монокристаллический полупроводниковый n типа слой 14 и монокристаллический полупроводниковый р типа слой 15. Слои 14 и 15 могут быть выполнены из одного и того же полупроводникового материала или из разных полупроводниковых материалов. В качестве полупроводниковых материалов могут быть использованы: GaAs, или AlGaAs, или GaN, или InGaN, или AlGaN и другие. Между слоями 14 и 15 в области р-n перехода образуется активная излучающая область 16. Поверх слоя 15 расположен цилиндрический металлический контакт 17 р типа слоя. Контакт 17 выполнен из двухкомпонентного сплава, например, следующих элементов: золота, никеля, германия и других. Металлический контакт 18 n типа слоя сформирован на торцах слоя 13. Контакт 18 выполнен из сплава двух металлов, например: золота, или алюминия, или титана, или хрома и других.

Принцип действия лазера по третьему варианту изобретения заключается в следующем. Между контактами 17 и 18 прикладывается напряжение в прямом направлении в режиме инжекции. При протекании электрического тока через р-n переход в его активной области 16 возбуждается и усиливается оптическое излучение, которое распространяется в пространстве. Мощность излучения в лазере достигает большого уровня за счет следующего. Цилиндрическая форма полупроводниковых слоев 14 и 15 n и р типа позволяет пропускать через них электрические рабочие токи значительной величины при заданной плотности электрического рабочего тока. Равномерное распределение линий электрического рабочего тока по цилиндрической поверхности слоев 14 и 15 обуславливает уменьшение электротепловой деградации лазеров, что приводит к увеличению их долговечности.

При выполнении цилиндрических монокристаллических полупроводниковых слоев 14 и 15 n и р типа из одного и того же полупроводникового материала в структуре лазера формируется р-n гомопереход.

При выполнении цилиндрических монокристаллических полупроводниковых слоев 14 и 15 n и р типа из разных полупроводниковых материалов в структуре лазера формируется р-n гетеропереход, который по сравнению с р-n гомопереходом обладает более стабильными характеристиками оптического излучения. 


ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ



1. Полупроводниковый инжекционный лазер с р-n переходом, содержащий монокристаллический полупроводниковый вырожденный n+ типа слой, монокристаллический полупроводниковый n типа слой, монокристаллический полупроводниковый р типа слой, металлический контакт n типа слоя и металлический контакт р типа слоя, отличающийся тем, что металлический контакт n типа слоя выполнен в виде монокристаллического цилиндра из металла с объемноцентрированной или гранецентрированной решеткой с гранями (111) или (100), на внешней поверхности которого последовательно расположены цилиндрический монокристаллический полупроводниковый вырожденный n+ типа слой, цилиндрический монокристаллический полупроводниковый n типа слой, цилиндрический монокристаллический полупроводниковый р типа слой и цилиндрический металлический контакт р типа слоя, выполненный из двухкомпонентного сплава.

2. Лазер по п. 1, отличающийся тем, что металлический контакт n типа слоя выполнен из одного металла, а металлический контакт р типа слоя выполнен из сплава двух металлов.

3. Лазер по п. 1, отличающийся тем, что цилиндрический монокристаллический полупроводниковый вырожденный n+ типа слой выполнен из GaAs.

4. Лазер по п. 1, отличающийся тем, что цилиндрические монокристаллические полупроводниковые слои р и n типа выполнены из одного и того же полупроводникового материала.

5. Лазер по п. 1, отличающийся тем, что цилиндрические монокристаллические полупроводниковые слои р и n типа выполнены из разных полупроводниковых материалов.

6. Полупроводниковый инжекционный лазер с р-n переходом, содержащий монокристаллический полупроводниковый вырожденный n+ типa слой, монокристаллический полупроводниковый n типа слой, монокристаллический полупроводниковый р типа слой, металлический контакт n типа слоя и металлический контакт р типа слоя, отличающийся тем, что монокристаллический полупроводниковый вырожденный n+ типа слой выращен в виде полого цилиндра, на внутренней поверхности которого сформирован металлический контакт n типа слоя, выполненный в виде полого цилиндра, состоящего из сплава двух металлов, а на внешней поверхности которого последовательно расположены цилиндрический монокристаллический полупроводниковый n типа слой, цилиндрический монокристаллический полупроводниковый р типа слой и цилиндрический металлический контакт р типа слоя, выполненный из двухкомпонентного сплава.

7. Лазер по п. 6, отличающийся тем, что металлические контакты n типа слоя р типа слоя выполнены из различных сплавов двух металлов.

8. Лазер по п. 6, отличающийся тем, что цилиндрический монокристаллический полупроводниковый вырожденный n+типa слой выполнен из GaAs.

9. Лазер по п. 6, отличающийся тем, что цилиндрические монокристаллические полупроводниковые слои р и n типа выполнены из одного и того же полупроводникового материала.

10. Лазер по п. 6, отличающийся тем, что цилиндрические монокристаллические полупроводниковые слои р и n типа выполнены из разных полупроводниковых материалов.

11. Полупроводниковый инжекционный лазер с р-n переходом, содержащий монокристаллический полупроводниковый вырожденный n+ типа слой, монокристаллический полупроводниковый n типа слой, монокристаллический полупроводниковый р типа слой, металлический контакт n типа слоя и металлический контакт р типа слоя, отличающийся тем, что монокристаллический полупроводниковый вырожденный n+ типа слой выращен в виде сплошного цилиндра заданной длины, на внешней поверхности которого последовательно расположены имеющие цилиндрическую форму монокристаллический полупроводниковый n типа слой, монокристаллический полупроводниковый р типа слой и металлический контакт р типа слоя, выполненный из двухкомпонентного сплава, а металлический контакт n типа слоя сформирован на торцах монокристаллического полупроводникового вырожденного n+ типa слоя и выполнен из сплава двух металлов.

12. Лазер по п. 11, отличающийся тем, что металлические контакты n типа слоя и р типа слоя выполнены из различных сплавов двух металлов.

13. Лазер по п. 11, отличающийся тем, что цилиндрический монокристаллический полупроводниковый вырожденный n+ типа слой выполнен из GaAs.

14. Лазер по п. 11, отличающийся тем, что цилиндрические монокристаллические полупроводниковые слои р и n типа выполнены из одного и того же полупроводникового материала.

15. Лазер по п. 11, отличающийся тем, что цилиндрические монокристаллические полупроводниковые слои р и n типа выполнены из разных полупроводниковых материалов.