eng
Выпуск #5/2009
В.Никитин, Э.Семенов, А.Ломанов, А.Гусаров.
Внутриканальные лазерные матрицы и технология их производства
Внутриканальные лазерные матрицы и технология их производства
Просмотры: 2346
Вертикально-излучающие лазерные матрицы — основа смартлинков и активных оптических кабелей. Традиционно в матрицах используют VCSEL-лазеры, конструкция которых ограничивает величину излучаемой мощности. ООО «Интрофизика» запатентована конструкция вертикально-излучающей лазерной микроматрицы на основе внутриканальных наногетероструктур (патент РФ № 2359381), принципиально отличающихся от VCSEL-лазеров. В соответствии с изобретением, лазерные структуры формируются в подложке внутри матрицы вертикальных каналов. Мощные внутриканальные лазерные матрицы открывают новые возможности в создании оптических USB-интерфейсов и голографического видео.
Внутриканальные лазерные матрицы
Фундаментальные основы и принципы разработки инжекционных гетеролазеров заложены трудами нобелевских лауреатов Басова Н.Г. и Алферова Ж.И. [1, 2]. На основе их работ были созданы полупроводниковые инжекционные лазеры с плоским лучом. В качестве материалов при изготовлении полупроводниковых слоев используются, как правило, GaAs или GaP или GaAsP. Недостатками таких лазеров являются относительно малый уровень излучающей мощности и электротепловая деградация при эксплуатации.
Для повышения мощности излучения были разработаны инжекционные лазеры с кольцевым лучом [3], в которых на внешней поверхности металлического цилиндра последовательно расположены монокристаллические слои полупроводников. Недостатком подобных устройств является невозможность прямого массового изготовления матриц или массивов таких лазеров на подложках.
Для массового изготовления лазерных матриц перспективно применение вертикально-излучающих лазеров с вертикальным резонатором (VCSEL-лазеры), однако в силу небольшой длины резонаторов они имеют мощность, недостаточную для многих приложений.
Между тем, создание матриц лазеров – прямой путь к высокоэффективным оптоволоконным многоканальным интерфейсам, перспективным для использования в скоростных многопроцессорных вычислительных структурах. Это делает актуальным создание технологий, позволяющих формировать лазерные структуры, лучи которых сразу будут направлены перпендикулярно плоскости подложки.
Одним из способов повышения мощности микролазерных матриц является увеличение объема излучающей полупроводниковой структуры. Так как на выходное сечение матричных лазеров накладываются ограничения, диктуемые минимизацией размера, то единственным эффективным путем повышения мощности матричных лазеров остается увеличение длины их резонаторов. Одним из эффективных способов создания таких лазерных матриц может стать технология, разрабатываемая ООО “Интрофизика”.
В соответствии с патентом [4], внутриканальный инжекционный лазер (рис.1) выполнен в сквозном канале подложки и содержит соединенный со стенками канала внешний металлический контактный слой. Внутри канала коаксиально расположены слои полупроводниковых материалов, образующие активную излучающую структуру, а внутри них находится слой проводника (металла) – центральный контактный слой. Канал под лазер может быть выполнен кругового, n-угольного или иного фигурного сечения. Внешний контактный слой может быть соединен со стенками канала непосредственно или через буферные слои.
В другом варианте конструкции инжекционного лазера, показанной на рис.1, центральный контактный слой представляет собой сплошной металлический цилиндр, расположенный в центре лазера. Во всех вариантах на одну торцевую поверхность активной излучающей структуры нанесен непрозрачный, а на другую – полупрозрачный зеркальный слой. Центральный и внешний контактные слои соединены с расположенными на подложке токопроводящими дорожками.
Принцип действия лазера заключается в следующем. Между внешним и центральным контактными слоями прикладывается напряжение в прямом направлении в режиме инжекции. При протекании электрического тока в слоях полупроводниковых материалов, образующих активную излучающую структуру, в активной области лазера возбуждается оптическое излучение, распространяющееся в кольцевом пространстве структуры.
Взаимодействуя с оптическим резонатором (непрозрачное и полупрозрачное зеркала на поверхности подложки), излучение усиливается и приобретает когерентность. Луч лазера выходит со стороны полупрозрачного зеркала в направлении, перпендикулярном поверхности подложки, в виде кольцевого луча, повторяющего форму канала. Цилиндрическая форма слоев полупроводниковых материалов, образующих активную излучающую структуру, позволяет пропускать через них электрические рабочие токи значительной величины при заданной плотности электрического рабочего тока и наоборот – получать необходимую мощность излучения при минимальных поперечных размерах лазеров.
Предполагается, что новый тип вертикально-излучающих лазеров обеспечит повышение мощности излучения единичного элемента в сотни раз. Это весьма важно, так как позволяет увеличивать длину линии связи с учетом потерь на отражение и затухание. Следует отметить, что при большой плотности упаковки возникает проблема отвода выделяемой теплоты. Для внутриканальных инжекционных лазеров благодаря большим размерам сквозного канала эта проблема решается значительно легче, чем для VCSEL-лазеров (лазеров с вертикальным объемным резонатором).
Реактор для газофазной эпитаксии в массивах каналов
Для производства массивов внутриканальных лазеров используется новый тип реактора (рис.2), позволяющий осуществлять газофазную эпитаксию наногететероструктур в массивах вертикальных каналов, выполненных в под-
ложках [4].
Устройство для газофазной эпитаксии содержит реактор, держатель подложек, входной и выходной патрубки, нагреватели, загрузочные и смотровые люки. Держателем подложек реактор разделен на зоны высокого и низкого давления.
Держатель подложек представляет собой пластину с гнездами под подложки и со сквозными отверстиями в тех местах, где у подложек имеются сквозные каналы. Размер отверстий в держателе больше размера каналов или области с каналами в подложке, что необходимо для снятия действия разности давления на поверхность пластины. (Нагрузка на пластины может быть настолько велика, что может привести к их деформации или даже разрушению.)
Устройство для газофазной эпитаксии имеет систему управления реактором, обеспечивающую поддержание заданных величин давления в зонах высокого и низкого давления, а также заданной разности давлений газа в них. Система управления соединена с датчиками давления, расположенными в каждой зоне реактора, и с редукционными узлами, с помощью которых осуществляется регулирование давления в этих зонах.
В целом, конструкции внутриканальных лазерных микроматриц и реактора для их изготовления дают возможность массового изготовления достаточно мощных и дешевых линеек и матриц лазеров. Лучи таких лазеров направлены перпендикулярно поверхности подложки, что открывает широкие возможности в области создания высокоэффективных оптоволоконных многоканальных интерфейсов для скоростных многопроцессорных вычислительных структур, позволяет упростить технологию производства лазерных матриц, снизить цены на них. Лазерные лучи могут иметь различную форму – от кольцевой и многоугольной до фигурной. Это свойство канальных лазеров может привести к созданию микрооптических устройств с новыми свойствами.
Устройство для газофазной эпитаксии позволяет изготавливать основную часть структуры лазера в массивах, сделанных в подложках каналов различной формы. Проточный реактор является новым инструментом эпитаксиальных технологий и открывает широкие возможности в создании сложных канальных структур различного назначения, в том числе фотооптических, излучающих и обрабатывающих оптические сигналы, что может быть перспективно при создании элементной базы оптических компьютеров.
Мощные внутриканальные лазерные матрицы открывают новые возможности по созданию оптических USB-интерфейсов и голографического видео, необходимого для современных IT-приложений высокого уровня.
Литература
1. Басов Н.Г. Полупроводниковые квантовые генераторы. УФН, Сов. энциклопедия, 1965, т. 85, вып. 4, с. 585–595.
2. Алферов Ж.И. Инжекционные гетеролазеры. Сборник “Полупроводниковые приборы и их применение”. / Под ред. А. Я. Федотова. – М., 1971, вып. 25, с. 204–205.
3. Кожитов Л.В., Вяткин А.Ф. и др. Патент РФ № 2197046. Полупроводниковый лазер с инжекционным
p-n-переходом. Опубликован в БД ФИПС 20.01.2003, http://www1.fips.ru/.
4. Никитин В.С. Патент РФ№2359381. Инжекционный лазер, способ его изготовления и устройство для газофазной эпитаксии. Опубликован в БД ФИПС. 20.06.2009, http://www1.fips.ru/.
Фундаментальные основы и принципы разработки инжекционных гетеролазеров заложены трудами нобелевских лауреатов Басова Н.Г. и Алферова Ж.И. [1, 2]. На основе их работ были созданы полупроводниковые инжекционные лазеры с плоским лучом. В качестве материалов при изготовлении полупроводниковых слоев используются, как правило, GaAs или GaP или GaAsP. Недостатками таких лазеров являются относительно малый уровень излучающей мощности и электротепловая деградация при эксплуатации.
Для повышения мощности излучения были разработаны инжекционные лазеры с кольцевым лучом [3], в которых на внешней поверхности металлического цилиндра последовательно расположены монокристаллические слои полупроводников. Недостатком подобных устройств является невозможность прямого массового изготовления матриц или массивов таких лазеров на подложках.
Для массового изготовления лазерных матриц перспективно применение вертикально-излучающих лазеров с вертикальным резонатором (VCSEL-лазеры), однако в силу небольшой длины резонаторов они имеют мощность, недостаточную для многих приложений.
Между тем, создание матриц лазеров – прямой путь к высокоэффективным оптоволоконным многоканальным интерфейсам, перспективным для использования в скоростных многопроцессорных вычислительных структурах. Это делает актуальным создание технологий, позволяющих формировать лазерные структуры, лучи которых сразу будут направлены перпендикулярно плоскости подложки.
Одним из способов повышения мощности микролазерных матриц является увеличение объема излучающей полупроводниковой структуры. Так как на выходное сечение матричных лазеров накладываются ограничения, диктуемые минимизацией размера, то единственным эффективным путем повышения мощности матричных лазеров остается увеличение длины их резонаторов. Одним из эффективных способов создания таких лазерных матриц может стать технология, разрабатываемая ООО “Интрофизика”.
В соответствии с патентом [4], внутриканальный инжекционный лазер (рис.1) выполнен в сквозном канале подложки и содержит соединенный со стенками канала внешний металлический контактный слой. Внутри канала коаксиально расположены слои полупроводниковых материалов, образующие активную излучающую структуру, а внутри них находится слой проводника (металла) – центральный контактный слой. Канал под лазер может быть выполнен кругового, n-угольного или иного фигурного сечения. Внешний контактный слой может быть соединен со стенками канала непосредственно или через буферные слои.
В другом варианте конструкции инжекционного лазера, показанной на рис.1, центральный контактный слой представляет собой сплошной металлический цилиндр, расположенный в центре лазера. Во всех вариантах на одну торцевую поверхность активной излучающей структуры нанесен непрозрачный, а на другую – полупрозрачный зеркальный слой. Центральный и внешний контактные слои соединены с расположенными на подложке токопроводящими дорожками.
Принцип действия лазера заключается в следующем. Между внешним и центральным контактными слоями прикладывается напряжение в прямом направлении в режиме инжекции. При протекании электрического тока в слоях полупроводниковых материалов, образующих активную излучающую структуру, в активной области лазера возбуждается оптическое излучение, распространяющееся в кольцевом пространстве структуры.
Взаимодействуя с оптическим резонатором (непрозрачное и полупрозрачное зеркала на поверхности подложки), излучение усиливается и приобретает когерентность. Луч лазера выходит со стороны полупрозрачного зеркала в направлении, перпендикулярном поверхности подложки, в виде кольцевого луча, повторяющего форму канала. Цилиндрическая форма слоев полупроводниковых материалов, образующих активную излучающую структуру, позволяет пропускать через них электрические рабочие токи значительной величины при заданной плотности электрического рабочего тока и наоборот – получать необходимую мощность излучения при минимальных поперечных размерах лазеров.
Предполагается, что новый тип вертикально-излучающих лазеров обеспечит повышение мощности излучения единичного элемента в сотни раз. Это весьма важно, так как позволяет увеличивать длину линии связи с учетом потерь на отражение и затухание. Следует отметить, что при большой плотности упаковки возникает проблема отвода выделяемой теплоты. Для внутриканальных инжекционных лазеров благодаря большим размерам сквозного канала эта проблема решается значительно легче, чем для VCSEL-лазеров (лазеров с вертикальным объемным резонатором).
Реактор для газофазной эпитаксии в массивах каналов
Для производства массивов внутриканальных лазеров используется новый тип реактора (рис.2), позволяющий осуществлять газофазную эпитаксию наногететероструктур в массивах вертикальных каналов, выполненных в под-
ложках [4].
Устройство для газофазной эпитаксии содержит реактор, держатель подложек, входной и выходной патрубки, нагреватели, загрузочные и смотровые люки. Держателем подложек реактор разделен на зоны высокого и низкого давления.
Держатель подложек представляет собой пластину с гнездами под подложки и со сквозными отверстиями в тех местах, где у подложек имеются сквозные каналы. Размер отверстий в держателе больше размера каналов или области с каналами в подложке, что необходимо для снятия действия разности давления на поверхность пластины. (Нагрузка на пластины может быть настолько велика, что может привести к их деформации или даже разрушению.)
Устройство для газофазной эпитаксии имеет систему управления реактором, обеспечивающую поддержание заданных величин давления в зонах высокого и низкого давления, а также заданной разности давлений газа в них. Система управления соединена с датчиками давления, расположенными в каждой зоне реактора, и с редукционными узлами, с помощью которых осуществляется регулирование давления в этих зонах.
В целом, конструкции внутриканальных лазерных микроматриц и реактора для их изготовления дают возможность массового изготовления достаточно мощных и дешевых линеек и матриц лазеров. Лучи таких лазеров направлены перпендикулярно поверхности подложки, что открывает широкие возможности в области создания высокоэффективных оптоволоконных многоканальных интерфейсов для скоростных многопроцессорных вычислительных структур, позволяет упростить технологию производства лазерных матриц, снизить цены на них. Лазерные лучи могут иметь различную форму – от кольцевой и многоугольной до фигурной. Это свойство канальных лазеров может привести к созданию микрооптических устройств с новыми свойствами.
Устройство для газофазной эпитаксии позволяет изготавливать основную часть структуры лазера в массивах, сделанных в подложках каналов различной формы. Проточный реактор является новым инструментом эпитаксиальных технологий и открывает широкие возможности в создании сложных канальных структур различного назначения, в том числе фотооптических, излучающих и обрабатывающих оптические сигналы, что может быть перспективно при создании элементной базы оптических компьютеров.
Мощные внутриканальные лазерные матрицы открывают новые возможности по созданию оптических USB-интерфейсов и голографического видео, необходимого для современных IT-приложений высокого уровня.
Литература
1. Басов Н.Г. Полупроводниковые квантовые генераторы. УФН, Сов. энциклопедия, 1965, т. 85, вып. 4, с. 585–595.
2. Алферов Ж.И. Инжекционные гетеролазеры. Сборник “Полупроводниковые приборы и их применение”. / Под ред. А. Я. Федотова. – М., 1971, вып. 25, с. 204–205.
3. Кожитов Л.В., Вяткин А.Ф. и др. Патент РФ № 2197046. Полупроводниковый лазер с инжекционным
p-n-переходом. Опубликован в БД ФИПС 20.01.2003, http://www1.fips.ru/.
4. Никитин В.С. Патент РФ№2359381. Инжекционный лазер, способ его изготовления и устройство для газофазной эпитаксии. Опубликован в БД ФИПС. 20.06.2009, http://www1.fips.ru/.
Отзывы читателей
