Improved performance of quantum cascade lasers through a scalable, manufacturable epitaxial-side-down mounting process

Abstract

We report substantially improved performance of high-power quantum cascade lasers (QCLs) by using epitaxial-side-down mounting that provides superior heat dissipation properties. We used aluminum nitride as the heatsink material and gold-tin eutectic solder. We have obtained continuous wave power output of 450 mW at 20°C from mid-IR QCLs. The improved thermal management achieved with epitaxial-side-down mounting combined with a highly manufacturable and scalable assembly process should permit incorporation of mid-IR QCLs in reliable instrumentation.continuous wave operation ͉ room temperature operation ͉ high-power lasers ͉ mid-IR semiconductor lasers

Исследование Модифицированной Структуры Квантового Каскадного Лазера

“…Длина вол-ны может выбираться в широких пределах в зависимости от применения, одно из которых -использование ат-мосферных окон прозрачности среднего инфракрасного (ИК) диапазона: 3−5 и 8−13 мкм для высокоскоростных систем связи, в том числе со спутниками, когда влияние поглощения и турбулентности атмосферы существенно уменьшено по сравнению с видимым и ближним ИК диа-пазонами. В лазерах для диапазона длин волн 5 мкм со слоями InGaAs/AlInAs в основном из-за коэффи-циента преломления, технологичности и подходящего теплоотвода используются структуры, выращенные на подложках InP [1][2][3][4][5][6][7][8].…”

“…Критическим моментом в получении ККЛ, кроме роста активной области из сверхрешеток, оказалась постростовая обработка (processing) -изготовление мезаполосков, контактов и теплоотводов после вы-ращивания лазерной структуры [3]. Для достижения улучшенных характеристик ККЛ (снижения порогов и увеличения дифференциальной эффективности) каза-лось важным использование заращивающего полоско-вую структуру материала с улучшенным теплоотводом и повышенным сопротивлением.…”

“…Для достижения улучшенных характеристик ККЛ (снижения порогов и увеличения дифференциальной эффективности) каза-лось важным использование заращивающего полоско-вую структуру материала с улучшенным теплоотводом и повышенным сопротивлением. Таким материалом был технологически совместимый со слоями InGaAs/AlInAs высокоомный фосфид индия [3]. Заращивание позволяло одновременно улучшать как теплоотвод от структуры, так и электрическую изоляцию стенок полоска [4].…”

“…Кроме того, получение высокоомного материала само по себе нетривиальная задача. Из-за сильного поглощения и, как следствие, разогрева " обычной" структуры ККЛ со сплошными контактами требовался усиленный теплоотвод, вплоть до использования алмаза, а также InP и особо толстых (∼ 5 мкм) золотых контактов [3,4]. В рассматриваемой здесь структуре за счет использования незакрытой по-верхности полоска (границы воздух−полупроводник с большим коэффициентом преломления) и устранения поглощения в металле таких усложнений не требуется.…”

“…На сегодня квантово-каскадные лазеры, работающие в диапазоне длин волн 3−5 мкм, выращенные на под-ложках фосфида индия, представляют собой в основном полосковую структуру шириной от 5 до 50 мкм, протрав-ленную до подложки InP, с диэлектрической изоляцией на боковых стенках и сплошным омическим контактом на лицевой и тыльной сторонах структуры [3,4,8].…”