FR2739983A1 - Laser a semiconducteur de forte puissance - Google Patents

Abstract

L'invention concerne les lasers de puissance à semiconducteur. Le laser est formé à partir d'une plaque semiconductrice (12) sur la face avant de laquelle est formé un réseau de sources lasers élémentaires émettant des faisceaux renvoyés perpendiculairement à celle face avant. La face arrière de la plaque semiconductrice est creusée de rainures profondes (22) formant des microcanaux dans lesquels ces microcanaux dans lesquels peut circuler un fluide de refroidissement.

Description

LASER A SEMICONDUCTEUR DE FORTE PUISSANCE
L'invention conceme les lasers à semiconducteurs, et plus précisément des lasers qui doivent foumir une puissance de sortie élevée (ordre de grandeur: cent watts continus ou plus par centimètre carré de surface de puce semiconductrice sur laquelle est formé le laser).

Les lasers à semiconducteurs sont constitués par des hétérojonctions dans lesquels on injecte du courant. Des électrons et des trous sont injectés dans une zone de confinement où les paires électrons-trous se recombinent avec émission d'un photon de longueur d'onde correspondant à l'énergie séparant la bande de valence de la bande de conduction dans cette zone. Les photons sont émis à l'intérieur d'une cavité qui est résonnante pour cette fréquence de manière à provoquer une émission en phase de tous les photons, produisant une lumière cohérente à la sortie.

De tels lasers sont utilisés notamment comme source de pompage de lasers à barreaux solides, pour remplacer les lampes flash précédemment utilisées comme sources de pompage. Les lasers à semiconducteurs ont l'avantage d'avoir un spectre de fréquences étroit, permettant d'obtenir un bon rendement de l'énergie de pompage dès lors que ce spectre est centré sur une zone d'absorption du laser solide pompé; les lampes flash ont un spectre trop large et toute l'énergie située hors du spectre d'absorption du laser solide est perdue. De plus, les lasers à semiconducteurs ont une longueur d'onde d'émission facilement adaptable au spectre d'absorption des lasers solides qu'on veut pomper : la composition des matériaux semiconducteurs est un paramètre sur lequel on peut jouer pour obtenir la longueur d'onde désirée. Enfin, les lasers à semiconducteurs ont une durée de vie élevée.

On cherche donc à réaliser des lasers à semiconducteurs toujours plus puissants.

Pour y parvenir, deux voies principales ont été envisagées.

La première consiste à créer des alignements de plusieurs sources laser en ruban sur une même barrette semiconductrice; chaque source émet un faisceau plan étroit; les différentes sources sont très proches les unes des autres et leurs faisceaux sont tous alignés dans un même plan, de sorte que l'ensemble de la barrette émet un faisceau plan large. De plus, plusieurs barrettes peuvent être empilées les unes sur les autres, pour créer un réseau de sources laser en deux dimensions; ce réseau émet un faisceau dans une seule direction, avec une puissance qui est globalement la somme des puissances émises par les sources individuelles. Le problème de ces ensembles de barrettes, appelées "stacks", est la complexité de montage et la difficulté de refroidir correctement les barrettes qui doivent dissiper une énergie importante pour des volumes très petits.

La deuxième voie consiste à produire directement sur une seule plaque semiconductrice un réseau de faisceaux lasers élémentaires agencés en lignes et colonnes, la puissance totale du laser étant la somme des puissances des faisceaux élémentaires du réseau. Une solution consiste à réaliser des réseaux de diodes laser émettant parallèlement à la surface (parallèlement au plan des jonctions semiconductrices qui elles-mêmes sont globalement parallèles à la plaque semiconductrice), et à diriger les faisceaux émis vers des miroirs à 45 , intégrés sur la surface de la plaque. Ces miroirs dirigent tous les faisceaux individuels perpendiculairement à la surface de la plaque. Ces lasers à émission surfacique offrent des possibilités très intéressantes du point de vue de la puissance émise.Mais on se heurte toujours à un problème de refroidissement pour dissiper la fraction d'énergie électrique absorbée et non restituée sous forme lumineuse.

On a envisagé une solution de refroidissement consistant à braser la face arrière de la plaque semiconductrice sur un radiateur en métal ou alliage métallique très bon conducteur de la chaleur, ce radiateur pouvant lui-même être refroidi par circulation de fluide. Mais on voudrait améliorer encore les possibilités de refroidissement par rapport à celles qu'on peut obtenir de cette manière.

On a également proposé des lasers à émission surfacique dans lesquels le faisceau sort par la face arrière de la plaque semiconductrice (la face avant étant par hypothèse la face sur laquelle sont formées les couches semiconductrices définissant les jonctions).

Ces diodes laser sont dites diodes à jonction "P-side down". Dans ce cas, on peut braser un radiateur sur la face avant, et les jonctions sont alors tout prés du radiateur, ce qui permet un meilleur refroidissement; en effet c'est dans les jonctions qu'est dissipée sous forme de chaleur l'énergie électrique non convertie en énergie lumineuse. Mais d'une part le brasage d'un radiateur sur la face avant risque de détériorer les sources lasers ou leurs connexion; la face avant n'est d'ailleurs pas aussi plane que la face arrière; d'autre part le faisceau laser doit traverser toute l'épaisseur du substrat, ce qui perd une partie de l'énergie lumineuse.

Pour résoudre les problèmes thermiques rencontrés dans l'art antérieur pour les lasers à semiconducteurs, la présente invention propose en conséquence un laser à semiconducteur formé à partir d'une plaque semiconductrice sur la face avant de laquelle est formé un réseau de sources laser élémentaires à semiconducteur émettant des faisceaux laser élémentaires, caractérisé en ce que la face arrière de la plaque semiconductrice est creusée de rainures profondes formant des microcanaux dans lesquels peut circuler un fluide de refroidissement.

La plaque semiconductrice peut alors être logée dans un boîtier comportant une ouverture d'amenée de fluide de refroidissement et une ouverture d'évacuation, le boîtier étant conformé de manière à permettre d'amener le fluide de refroidissement depuis l'ouverture d'amenée jusqu'à un côté des rainures, de confiner la circulation du fluide dans les rainures, et de le recueillir de l'autre côté des rainures pour le diriger vers l'ouverture d'évacuation.

Par plaque semiconductrice, on entend une plaque monolithique sur laquelle sont formés, par des opérations de dépôt, de gravure, de diffusions d'impuretés, de traitements thermiques divers, d'implantation d'ions etc., les sources lasers à semiconducteur organisées en réseau. La plaque sera en général directement un bloc de matériau semiconducteur tel que de l'arséniure de gallium.

Cependant, dans certains cas particuliers, on peut envisager que la plaque monolithique sur laquelle sont exécutés les opérations de fabrication ci-dessus, soit en matériau non semiconducteur sur lequel on a déposé des couches actives semiconductrices.

On a pu expérimentalement montrer qu'il est possible de gagner 30 à 50% sur la résistance thermique globale entre la jonction laser et la source froide, donc un gain équivalent sur la puissance d'émission possible pour le laser, ceci dans le cas de laser sur substrat en arséniure de gallium.

Dans une première réalisation de l'invention, la plaque semiconductrice rainurée est directement posée puis fixée sur le fond plan d'une cavité du boîtier et le fluide de refroidissement est confiné entre les rainures et ce fond plan.

Dans une autre réalisation, la plaque semiconductrice rainurée est brasée sur une plaque intermédiaire qui confine la circulation du fluide dans les rainures, et cette plaque est appliquée contre le fond de la cavité du boîtier. La plaque intermédiaire est de préférence réalisée en un matériau métallique compatible thermomécaniquement avec le matériau semiconducteur dont est faite la plaque semiconductrice. Pour une plaque en GaAs, la plaque intermédiaire peut être en alliage de cuivre et tungstène. On peut envisager que cette plaque intermédiaire aussi soit percée ou rainurée à l'arrière, et parcourue par un fluide de refroidissement.

Les rainures sont de préférence toutes parallèles. Elles peuvent avoir une largeur sensiblement égale à leur espacement, et une profondeur s'étendant sur au moins la moitié et de préférence environ les deux tiers de l'épaisseur de la plaque semiconductrice. La plaque semiconductrice est de préférence assez épaisse, afin qu'elle ne soit pas exagérément fragilisée par les rainures, et afin que les rainures soient suffisamment profondes pour assurer une surface de contact importante avec le fluide de refroidissement.

A titre d'exemple, une plaque semiconductrice d'épaisseur 300 micromètres, creusée de rainures de 200 micromètres de profondeur convient bien. La largeur et l'espacement des rainures peut être de 100 micromètres environ.

L'invention est applicable dans plusieurs cas:
- laser à émission surfacique dans lequel les faisceaux laser élémentaires sont émis horizontalement, c'est-à-dire parallèlement à la surface de la plaque, et sont renvoyés verticalement, c'est-à-dire perpendiculairement à la surface de la plaque, par des miroirs à 45 ;
- laser à émission surfacique dans lequel les faisceaux laser élémentaires sont émis directement perpendiculairement à la surface de la plaque;;
- lasers combinés, à semiconducteur pour le pompage et à barreaux solides pour l'émission utile, dans lesquels des barreaux de laser solides sont rapportés sur la plaque et insérés entre les rangées de lasers élémentaires à semiconducteur, ces barreaux recevant comme source de pompage les faisceaux élémentaires (horizontaux ou verticaux) du réseau et émettant alors un faisceau utile, horizontalement ou verticalement selon la disposition des cavités résonantes formées autour de ces barreaux.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit et qui est faite en référence aux dessins annexés dans lesquels:
- la figure 1 représente une plaque laser selon l'invention, dans un mode de réalisation à émission surfacique utilisant des miroirs à 45";
- la figure 2 représente la plaque dans un boîtier de refroidissement à eau;
- la figure 3 représente une coupe de ce boîtier;
- la figure 4 représente le boîtier avec ses connexions d'alimentation électrique.

La plaque laser 10 selon l'invention est représentée en perspective sur la figure 1 dans un mode de réalisation où l'émission est perpendiculaire à la surface et est obtenue par déflexion des faisceaux élémentaires horizontaux par des miroirs à 45". C'est une plaque monolithique sur laquelle on peut effectuer les traitements de formation des sources laser (notamment les dépôts successifs de couches semiconductrices dopées qui définissent les jonctions ou hétérojonctions), et sur laquelle on peut réaliser aussi, par des traitements de dépôts et gravure, des miroirs à 45" placés devant les sources laser.Ces miroirs renvoient perpendiculairement à la surface de la plaque (et vers l'avant) les différents faisceaux lasers qui sont ici émis parallèlement au plan de la plaque par un réseau de sources laser élémentaires à semiconducteurs intégrées dans la plaque.

La plaque monolithique est désignée par la référence 12.

Dans le cas général c'est une plaque en matériau semiconducteur.

Pour réaliser des sources laser émettant à une longueur d'onde d'environ 0,8 micromètre, les couches semiconductrices formant les jonctions peuvent être à base d'arséniure de gallium, et arséniure de gallium-aluminium notamment, voire en GalnAsP, et la plaque monolithique peut être en arséniure de gallium.

Sur la figure 1, les sources laser émettent selon des rubans horizontaux 14 (en supposant horizontale l'orientation générale de la plaque 12). Les rubans 14 sont alignés tous dans le même plan et agencés en plusieurs lignes formant des barrettes parallèles 16. Les barrettes sont alimentées en courant par leur surface supérieure qui est revêtue d'une couche de prise de contact 18 hachurée sur la figure. Le courant sort par la face arrière de la plaque. Entre les barrettes 16 sont disposés les miroirs 20 dont les faces à 45" sont en regard des lignes de rubans laser 14.

La face arrière de la plaque monolithique 12 est creusée de rainures longitudinales parallèles profondes 22, qui constituent des canaux dans lesquels peut circuler un fluide de refroidissement. La profondeur des rainures peut être d'environ la moitié ou même les deux tiers de l'épaisseur de la plaque. Cette dernière est plus épaisse que ce qui serait strictement nécessaire si elle n'était pas rainurée.

A titre d'exemple, une épaisseur de 100 à 150 micromètres suffirait pour une plaque laser montée sur un radiateur. Ici, on préfère une épaisseur de 300 micromètres environ et les rainures peuvent avoir une profondeur d'environ 200 micromètres. Pour cette profondeur, la largeur des rainures peut être d'environ 100 micromètres. Elle pourrait être plus faible si les rainures étaient moins profondes. La distance séparant deux rainures peut être sensiblement égale à la largeur des rainures. Les rainures s'étendent de préférence sur toute la longueur de la plaque. Elles sont formées par gravure ionique réactive à travers un masque de résine photosensible définissant les zones à ne pas graver.

Elles pourraient aussi être réalisées par gravure chimique ou autres procédés.

Pour établir un contact électrique de face arrière, nécessaire à la reprise du courant traversant les sources lasers, on métallise la face arrière par pulvérisation sous vide ("ion sputtering"). Pour une plaque d'arséniure de gallium, les métaux déposés peuvent être un mélange d'or et de germanium (eutectique AuGe permettant des brasures ultérieures), du molybdène, ou de l'or; ce pourrait être aussi d'autres métaux . Un recuit de la plaque permet la transformation du contact ainsi réalisé en un contact ohmique entre ces métaux et la plaque d'arséniure de gallium. Une recharge électrolytique d'or peut être effectuée afin de permettre un brasage correct de la plaque métallisée sur un support et aussi accroître la conductibilité électrique.

La plaque ainsi préparée est montée dans un boîtier de refroidissement à circulation de fluide, après quoi les connexions électriques avec la face avant de la plaque sont réalisées.

La figure 2 représente une vue en perspective partiellement éclatée du boîtier de refroidissement, avant montage des connexions électriques.

Le boîtier est un bloc métallique 30 dans lequel sont usinés d'une part une cavité pour recevoir la plaque monolithique, et d'autre part des conduits d'arrivée et d'évacuation de fluide de refroidissement.

Le fluide sera en général de l'eau. Le bloc peut être en laiton ou autre alliage métallique de coefficient de dilatation mieux adapté à celui de la plaque monolithique. La cavité est configurée de manière à recevoir la plaque monolithique 10 sur un fond plan 32, à diriger la circulation de l'eau de l'ouverture d'entrée 34 vers les rainures 22 débouchant d'un côté de la plaque 10, à confiner la circulation de l'eau à l'intérieur des rainures, à récupérer l'eau à la sortie des rainures de l'autre côté de la plaque, et enfin à renvoyer l'eau récupérée vers l'ouverture d'évacuation 36. Les flèches visibles sur la figure 2 et la figure 3 représentent la circulation de fluide.

Dans l'exemple montré sur la figure 2, le bloc est usiné sur trois faces pour créer trois portions de cavité, respectivement une portion supérieure dont le fond 32 est plan et reçoit la plaque 10, une portion latérale gauche dans laquelle débouche un conduit d'arrivée d'eau 38 relié à l'ouverture d'entrée 34, et une portion latérale droite, non visible sur la figure 2 mais visible sur la figure 3, symétrique de la portion de cavité gauche, dans laquelle débouche un conduit d'évacuation d'eau 39 relié à l'ouverture d'évacuation 36.

Les trois portions de cavité sont fermées par trois plaques de fermeture respectives 40, 42 et 44. Sur la figure 2, les plaques 40 et 42 sont représentées séparées du bloc 30 (cavités non fermées); la plaque 44 est représentée en position fermée. Sur la figure 3, les plaques sont représentées en position fermée. La plaque 40, en forme de cadre rectangulaire, est de préférence en céramique, par exemple en alumine, métallisée à la fois sur sa face supérieure et sur sa face inférieure. Elle est ouverte en son centre pour laisser passer le faisceau laser émis. Une fenêtre en matériau transparent peut être montée dans cette ouverture centrale. Les plaques 42 et 44 peuvent être en métal, par exemple le même métal que le bloc 30. Les plaques 42 et 44 sont brasées sur le bloc 30.

Sur la figure 3, qui est une coupe transversale du bloc 30, on voit la constitution des conduits d'arrivée 38 et d'évacuation 39 qui peuvent être tous simplement réalisés chacun par deux perçages à section circulaire qui se rejoignent: un perçage vertical débouchant sur la face inférieure du bloc 30 et un perçage oblique qui débouche dans la cavité gauche ou droite respectivement et qui rejoint le perçage vertical correspondant.

On voit clairement sur ces figures comment l'eau de refroidissement est dirigée de l'ouverture d'entrée 34 vers le conduit 38 puis vers la cavité de gauche fermée par la plaque 42, puis dans les rainures longitudinales de la plaque 10, qui débouchent chacune à la fois dans la cavité gauche d'un côté de la plaque 10 et dans la cavité droite de l'autre côté, puis dans la cavité droite, dans le conduit 39 et dans l'ouverture 36. Le confinement du fluide dans les rainures est obtenu par le fait que la plaque monolithique 10 est appliquée étroitement par sa face arrière contre le fond 32 de la cavité, et par le fait que la plaque de fermeture supérieure 40 est appliquée étroitement contre la plaque 10 sur toute la périphérie de celle-ci.

De préférence, la plaque monolithique 10 est brasée sur le fond du boîtier; le cadre d'alumine métallisé 40 est collé avec une colle isolante sur le haut du boîtier et sur la périphérie de la plaque monolithique, ce collage devant assurer l'étanchéité à l'eau pour que l'eau des cavités gauche et droite ne passe pas sur la face avant émissive de la plaque laser. Le cadre d'alumine peut aussi être à la fois brasé sur le haut du boîtier et collé sur la périphérie de la plaque 10.

La figure 4 représente le laser dans son boîtier et maintenant pourvu de ses connexions électriques. Si on se reporte à la figure 1, on voit que la connexion électrique du côté P des jonctions (sur la face avant de la plaque 10), peut se faire par des rubans métalliques reposant sur les barrettes 18 dont la partie supérieure (hachurée) est constituée par un contact ohmique. Ces rubans, de préférence en or, ont été représentés sur la figure 4 sous la référence 50. Ils sont soudés sur la plaque 10; ils passent par dessus le cadre d'alumine métallisée 40 auquel ils sont également soudés et reviennent contre des plaques latérales formant électrodes 60 et 70. Ils sont également soudés à ces électrodes. Les électrodes 60 et 70 sont isolées électriquement du boîtier 30 par des entretoises isolantes 62 et 64 respectivement qui peuvent être des plaques d'alumine.Les deux électrodes 60 et 70 (mais il pourrait n'y en avoir qu'une si les rubans conducteurs 50 s'étendaient d'un seul côté), constituent un premier pôle d'arrivée de courant. L'autre pôle, pour la reprise du courant traversant le laser, est constitué par le boîtier 30 lui-même ou par les plaques latérales de fermeture 42 et 44. En effet, le bloc de boîtier 30 et les plaques 42 et 44 sont conducteurs et reliés électriquement à l'arrière de la plaque monolithique 10 puisque l'arrière de la plaque monolithique est brasé directement sur ce boîtier 30 ou sur un support intermédiaire métallique. Le laiton du bloc 30 et des plaques 42 et 44 peut être revêtu d'un dépôt de nickel et d'or par voie électrolytique.

A titre d'exemple, la plaque laser peut avoir des dimensions de 6 millimètres par 6 millimètres environ pour une surface émissive d'environ 3 millimètres par 3 millimètres (de l'ordre de 0,1 cm2). Le boîtier peut avoir des dimensions générales de 1 cmxl cmxl cm.

Le cadre d'alumine peut avoir une largeur de 1 millimètre le long de toute la périphérie de la plaque 10.

La plaque monolithique peut être brasée sur le fond 32 de la cavité soit par toute sa face arrière soit seulement sur les deux côtés correspondant aux cavités gauche et droite du bloc 30.

On peut obtenir avec de tels composants une densité de puissance optique émise supérieure à 250 watts moyens par cm2. Le débit d'eau de refroidissement peut être de l'ordre de 1 litre par minute pour obtenir ce résultat.

Dans une variante de réalisation, on peut prévoir qu'une plaque intermédiaire thermiquement conductrice (par exemple en alliage cuivre-tungstène) est interposée entre la face arrière rainurée de la plaque monolithique 1 et le fond 32 de la cavité supérieure dans laquelle est logée la plaque. Dans ce cas, la plaque monolithique est brasée sur la plaque intermédiaire qui elle-même est brasée sur le fond 32 de la cavité. La plaque intermédiaire permet de mieux prendre en compte les problèmes de dilatation différentielle de la plaque monolithique 10 et du bloc 30. C'est la raison pour laquelle on la choisira dans un matériau ayant un coefficient de dilatation thermique proche de celui de la plaque monolithique.

On pourrait envisager que cette plaque intermédiaire soit elle-même rainurée sur sa face supérieure. Dans ce cas la plaque semiconductrice plane est brasée ou collée sur la plaque intermédiaire rainurée qui reçoit un courant de circulation forcée de fluide.

L'invention a ainsi été décrite en détail dans le cas d'un laser à émission surfacique dont les faisceaux élémentaires sont émis parallèlement à la surface de la plaque et renvoyés perpendiculairement à la plaque par des miroirs à 45" Elle serait applicable de la même manière à des structures dans lesquelles les faisceaux élémentaires sont émis directement perpendiculairement à la plaque, c'est-à-dire dans lesquelles les cavités résonantes laser sont délimitées par des miroirs parallèles à la surface de la plaque.

L'invention est également applicable à des structures dans lesquelles la plaque de laser semiconducteur sert de source de pompage à des barreaux de laser solide rapportés directement sur la plaque et recevant directement les faisceaux des sources laser élémentaires du réseau intégré sur la plaque. Dans ce cas, les faisceaux laser élémentaires n'ont pas besoin d'être renvoyés perpendiculairement à la plaque par des miroirs : ou bien ils sont émis directement verticalement par les sources élémentaires et les barreaux solides sont disposés au dessus de ces sources, ou bien ils sont émis horizontalement et les barreaux de laser solide sont disposés entre les rangées de sources élémentaires à semiconducteur. Les barreaux de laser solide peuvent alors émettre soit parallèlement à la plaque soit perpendiculairement à la plaque selon la disposition des miroirs qui forment une cavité résonante pour ces barreaux.

Claims (9)

REVENDICATIONS

1. Laser à semiconducteur, formé à partir d'une plaque semiconductrice (10) sur la face avant de laquelle est formé un réseau de sources laser élémentaires à semiconducteur (14) émettant des faisceaux laser élémentaires, caractérisé en ce que la face arrière de la plaque semiconductrice est creusée de rainures profondes (22) formant des microcanaux dans lesquels peut circuler un fluide de refroidissement.

2. Laser selon la revendication 1, caractérisé en ce que la plaque est montée dans un boîtier (30) comportant une entrée (34) et une sortie (36) de fluide de refroidissement, le boîtier comportant

- un fond de cavité plan (32) contre lequel repose la face arrière de la plaque semiconductrice de manière à confiner le fluide de refroidissement entre les rainures,

- des moyens (38, 39, 42, 44) pour diriger le fluide vers un premier côté de la face arrière de la plaque, côté sur lequel s'ouvrent les rainures,

- et des moyens pour recueillir le fluide en sortie de ces rainures sur un côté opposé de la face arrière de la plaque.

3. Laser selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les rainures sont toutes parallèles.

4. Laser selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les rainures ont une largeur sensiblement égale à l'espacement entre deux rainures adjacentes.

5. Laser selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le boîtier est fermé à sa partie supérieure par un cadre céramique (40) fixé de manière étanche sur toute la périphérie de la plaque semiconductrice, le cadre étant ouvert en son centre pour laisser passer le faisceau laser émis par la face avant de la plaque.

6. Laser selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'une plaque intermédiaire est interposée entre la face arrière de la plaque semiconductrice et le fond de cavité plan du boîtier.

7. Laser selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les sources laser élémentaires émettent parallèlement à la surface de la plaque et sont renvoyés perpendiculairement à celle-ci par des miroirs à 45" disposés entre des rangées du réseau de sources.

8. Laser selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les sources laser élémentaires émettent perpendiculairement à la surface de la plaque.

9. Laser selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les sources laser élémentaires émettent des faisceaux élémentaires parallèlement à la surface de la plaque et en ce que des barreaux de laser solide sont insérés entre des rangées de sources élémentaires et reçoivent ces faisceaux comme source de pompage.