Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка технологии изготовления мощных полупроводниковых лазеров с улучшенными характеристиками на основе полупроводниковых наногетероструктур для технологических применений и диодной накачки.

Номер контракта: 14.575.21.0047

Руководитель: Попов Юрий Михайлович

Должность: профессор НИЯУ МИФИ

Организация: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ"
Организация докладчика: Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ"

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
диодный лазер, лазерная диодная линейка, диодная накачка, лазерный управляемый термоядерный синтез, мощность, к.п.д., надёжность, диодная накачка

Цель проекта:
1. Формулировка задачи/проблемы, на решение которой направлен реализуемый проект. Разработка технологии изготовления высокоэффективных и надёжных диодных лазеров и лазерных линеек на основе полупроводниковых наногетероструктур с возможно высокой мощностью излучения, высоким КПД, уменьшенной расходимостью излучения, узкой спектральной линией. Такие приборы будут использоваться для эффективной накачки твердотельных и газовых лазеров, в технологических лазерных системах индустрии обработки материалов, включая микро и наноэлектронику, медицине, спецприменениях в космической и оборонной технике, для термоядерного синтеза. 2. Формулировка цели реализуемого проекта. Создание высокоэффективных и надёжных диодных лазеров и лазерных линеек на основе полупроводниковых наногетероструктур с большой мощностью излучения, высоким КПД, уменьшенной расходимостью излучения, узкой спектральной линией.

Основные планируемые результаты проекта:
1.Краткое описание основных результатов (основные практические и экспериментальные результаты, фактические данные, обнаруженные взаимосвязи и закономерности).
- Создание экспериментальных образцов базовых эффективных теплоотводящих элементов мощного диодного лазера.
- Разработка лабораторных технологических инструкций изготовления экспериментальных образцов диодных лазеров на основе полупроводниковых наногетероструктур.
- Разработка эскизной конструкторской документации (ЭКД) диодных лазеров и лазерных линеек на основе полупроводниковых наногетероструктур.
- Изготовление экспериментальных образцов диодных лазеров и лазерных линеек на основе полупроводниковых наногетероструктур.
- Изготовление прототипов диодных лазеров и лазерных линеек.
- Разработка проекта ТЗ на ОКР по теме: «Организация опытного производства мощных одиночных лазерных диодов и лазерных линеек».


2. Основные характеристики планируемых результатов (в целом и/или отдельных элементов), научной (научно-технической, инновационной) продукции.
- Должны быть проведены теоретические исследования тепловых режимов работы мощных диодных лазеров смонтированных на теплоотводящих элементах различных типов, а также при использовании различных типов сабмаунтов, обеспечивающих технические, конструкторские и технологические решения необходимые для разработки базовых конструкций мощных одиночных лазерных диодов для их применения в качестве источников накачки в мощных лазерных системах.
- Должно быть проведено обоснование и выбор оптимальных конструкций базовых теплоотводящих элементов мощного диодного лазера с учётом технологических возможностей и международных стандартов.
- Должно быть проведено обоснование и выбор технологий изготовления и финишной обработки базовых теплоотводящих элементов мощного диодного лазера обусловленных техническими требованиями к тепловому режиму их работы и их конструкциями.
- Должно быть проведено обоснование и выбор оптимальных конструкций изоляторов, электродов и методов присоединения электрических выводов мощного диодного лазера.
- Должны быть сформулированы требования к технологическим условиям монтажа диодного лазера.
- Должна быть разработана лабораторная технологическая инструкция изготовления экспериментальных образцов диодных лазеров на основе полупроводниковых наногетероструктур.
- Должна быть разработана эскизная конструкторская документация диодных лазеров на основе полупроводниковых наногетероструктур.
- Должны быть изготовлены экспериментальные образцы диодных лазеров в количестве 5 штук.
- Должна быть разработана лабораторная технологическая инструкция изготовления экспериментальных образцов лазерных линеек на основе полупроводниковых наногетероструктур.
- Должна быть разработана эскизная конструкторская документация лазерных линеек на основе полупроводниковых наногетероструктур.
- Должны быть изготовлены экспериментальные образцы лазерных линеек на основе полупроводниковых наногетероструктур в количестве 5 штук.
- Должны быть разработаны Программа и методики исследовательских испытаний экспериментальных образцов диодных лазеров на основе полупроводниковых наногетероструктур и проведены исследовательские испытания по разработанной Программе и методике.
- Должны быть проведены экспериментальные исследования по установлению закономерностей влияния режимов монтажа на выходные характеристики экспериментальных образцов диодных лазеров.
- Должны быть проведены анализ полученных данных и проведена корректировка режимов монтажа экспериментальных образцов диодных лазеров.
- Должны быть разработаны Программа и методики исследовательских испытаний экспериментальных образцов лазерных линеек на основе полупроводниковых наногетероструктур и проведены исследовательские испытания по разработанной Программе и методикам.
- Должна быть проведена корректировка ЭКД конструкции диодных лазеров и лазерных линеек по результатам проведенных исследовательских испытаний.
- Должны быть изготовлены прототипы диодных лазеров и лазерных линеек по скорректированной ЭКД в количестве 5 штук каждого вида.
- Должны быть проведены исследовательские испытания прототипов диодных лазеров и лазерных линеек.
- Должны быть разработаны предложения и рекомендации по реализации результатов ПНИ в реальном секторе экономики.
- Должна быть выполнена технико-экономическая оценка результатов ПНИ


Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
1 Описание конечного продукта, создаваемого с использованием результатов, планируемых при выполнении проекта, места и роли проекта и его результатов в решении задачи/проблемы.
- Разрабатываемые экспериментальные образцы диодных лазеров на основе полупроводниковых наногетероструктур должны удовлетворять следующим требованиям:
- Пороговый ток не более 1,2 А.
- Крутизна ВтАХ не менее 1 Вт/А
- Выходная мощность излучения не менее 8 Вт в непрерывном режиме при температуре базового теплоотводящего элемента 20 º С
- Длина волны излучения 808 +/- 5 нм и 970 +/- 10 нм.
- Ширина спектра излучения на половине высоты распределения не более 3 нм на длине волны 808 нм и не более 5 нм на длине волны 970 нм
Разрабатываемые образцы лазерных линеек на основе полупроводниковых наногетероструктур должны удовлетворять следующим требованиям:
Квазинепрерывный режим работы:
Длительность импульса - не менее 200 мкс
Частота повторения импульсов - не менее 100 Гц
Выходная мощность - не менее 150 Вт
Излучающая апертура - не более 10 мм
Непрерывный режим работы: удельная выходная мощность - не менее 60 Вт / см.

2. Оценка элементов новизны научных (технологических) решений, применявшихся методик.
- Новизна сформулированных требований к технологическим процессам, разработанным лабораторным технологическим инструкциям изготовления экспериментальных образцов диодных лазеров определяется комплексом определённых при реализации проекта важных параметров, включающих требования к помещениям, одежде, инструментам, комплектующим, тape, размещению технологического оборудования, требуемому технологическому оборудованию, оборудованию обеспечения и материальному обеспечению техпроцессов.
- Новизна проведенных исследований экспериментальных образцов диодных лазеров на основе полупроводниковых наногетероструктур методом сканирующей электронной микроскопии определяется использованием оригинальных методик исследований, в частности при проведении микроанализа проведено послойное удаление материала для выявления истинного состава многослойных по¬крытий, применена специальная ориентация детектора для повышения уровня сигнала от материала при микроанализе состава в узкой канавке.
- Новизна требований к технологическим режимам изготовления экспериментальных образцов диодных лазеров заключается в анализе технологических режимов изготовления разделительных канавок мезаструктур на лазерных наногетероструктурах и режимов создания на них локальных диэлектрических покрытий для диэлектрической изоляции отдельных излучающих полосковых контактов и кластеров, сопоставлении полученных результатов с технологическими режимами и нахождением оптимальных параметров для решения задач ПНИ.
- Разработана новая технология металлизации с использованием гальванического слоя, значительно улучшающего адгезию чипа диодного лазера к базовому медному теплоотводящему элементу и обеспечивающему требуемые свойства припоя при плавлении – высокую смачиваемость, планарность, отсутствие капель, и.т.д..

3. Сопоставление с результатами аналогичных работ, определяющими мировой уровень.
Планируемые результаты соответствуют мировому уровню и по параметру мощности превосходит мировой уровень. Диодные лазеры ведущих фирм, собранные на С-маунтах. имеют следующие характеристики: Jenoptic (Германия ) 808 нм, 8 Вт, апертура 200 микрон; Focuslight (Китай) 808 нм - 8 Вт. 976 нм - 8 Вт, апертура 200 микрон; Daheng (Китай) 808 нм - 5 Вт. апертура 100 микрон: Oclaro (США) 980 нм - 8 Вт (10 Вт на F- маунте), апертура 100 микрон. Диодные лазеры, разработанные к настоящему времени при выполнении проекта, имеют следующие характеристики: Образец ЛД 1, длина волны 808 нм, мощность 11 Вт, апертура 130 мкм; Образец ЛД 4, длина волны 970 нм, мощность 10 Вт, апертура 100 мкм.

4. Пути и способы достижения заявленных результатов, ограничения и риски.
Задачей проекта является разработка и внедрение в производство основных элементов лазерной диодной накачки, в том числе - мощных одиночных лазерных диодов и лазерных диодных линеек, которые являются основой для изготовления двумерных матриц лазерных диодов для их применения в качестве источников накачки в мощных лазерных системах. Для получения экстремальных уровней выходной оптической мощности и при этом высокого качества лазерного пучка мощные лазерные системы строятся по многокаскадному принципу. При такой архитектуре сложных лазерных систем требуются одиночные и интегральные источники излучения накачки, в том числе одиночные лазерные диоды с уровнем выходной мощности около 10 Вт в непрерывном режиме от полоскового контакта 100 микрон, отдельные лазерные линейки с уровнем выходной мощности до 100 Вт в непрерывном режиме от суммарной ширины излучающей поверхности 10 мм . На основе линеек лазерных диодов изготавливаются двумерные матрицы и массивы лазерных излучателей с плотностью выходной мощности в несколько сотен Ватт в непрерывном режиме и нескольких киловатт в квазинепрерывном режиме с квадратного сантиметра излучающей поверхности. Для излучателей, работающих в условиях большой мощности требуется решение проблемы создания зеркал с высокой оптической прочностью и большим сроком службы. Для решения этих задач требуется объединить усилия ведущих специалистов в указанной области из НИЯУ МИФИ, ФИАН , и ОАО НПП "Инжект" , представителей промышленности.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1. Описание областей применения планируемых результатов (области науки и техники, отрасли промышленности и социальной сферы, в которых могут использоваться результат или планируемая на их основе инновационная продукция).
Мощные инжекпионные лазеры и линейки лазерных диодов на их основе имеют широкий спектр практических применений: оптическая связь, запись информации, технология обработки материалов в области машиностроения, микро и наноэлектроники, накачка твердотельных лазеров, медицина, полиграфия, обеспечение безопасности движения на воздушном, автомобильном и других видах транспорта, системы навигации, слежения и наведения, оптическая локация, анализ экологических загрязнений, получение ультракоротких импульсов света, спектроскопия, оборонная техника и т. д.
Разрабатываемые изделия предназначены для применения в области:
- прямой обработки материалов и изделий микро и наноэлектроники излучением диодных лазеров;
- накачки твердотельных лазеров,
- в мощных световолоконных лазерах
- создания излучателей в новых диапазонах спектра, в частности в ультрафиолетовом и инфракрасном диапазонах, в ТГц диапазоне, излучателей на основе нелинейных эффектов (ВКР, генерация разностной частоты);
- медицинских применений в терапии, в оптической томографии, в хирургии;
- телекоммуникаций в открытом пространстве и космосе, дальнометрии и спецприменениях оборонной техники;
- в эффективных энергосберегающих системах освещения.

2. Описание практического внедрения планируемых результатов или перспектив их использования.
Диодные лазеры являются основными изделиями современной квантовой электроники и лазерной техники. Предполагается внедрение результатов ПНИ в производственные процессы технологии изготовления диодных лазеров и лазерных линеек. Внедрение результатов ПНИ приведёт к повышению эффективности производства и качества продукции Индустриального партнера.

3. Оценка или прогноз влияния планируемых результатов на развитие научно-технических и технологических направлений, разработку новых технических решений; на изменение структуры производства и потребления товаров и услуг в соответствующих секторах рынка и социальной сферы.
Мировой рынок фотоники – 270 млрд. евро (2008г., рост в 2005-2008г.г. – на 6,5% ежегодно). Европейский рынок фотоники – 55 млрд евро (2008г., рост в 2005-2008г.г. – на 8% ежегодно). Европейская фотоника в 2008г. – это 2517 компаний и 748 исследовательских организаций. Общее число занятых – 300 тыс. чел., в 2005-2008г.г. фотоника создала в Европе 40 тыс. новых рабочих мест. Данные Optech Consulting, VDWВ. В 2010-2012 году объем мирового лазерного рынка составил около 6 миллиардов долларов, причем около 70% приходится на лазерные диоды. Стоимость лазерных диодов непрерывно снижается с ростом объёмов производства, что стимулирует расширение сфер их применения. В России рынок лазерных диодов в 2003 году составил только 15 % от общего объёма лазерного рынка, составляющего 120 млн. долларов. Налицо явная диспропорция, причём наш анализ показывает, что на внутреннем рынке в значительной степени ощущается недостача мощных лазерных диодов и лазерных линеек прежде всего непрерывного режима работы, что тормозит развитие многих областей научных исследований и наукоёмких промышленных производств.
Понимание сути проблем и требуемые для их решения методы в России и за рубежом приблизительно одного уровня, но за рубежом внимание к данному направлению и его финансирование намного превосходят отечественный уровень. За рубежом, не только в США, но в частности в Китае, для выращивания лазерных гетероструктур используются эпитаксиальные установки МБЕ и MOC-гидридной эпитаксии 6 поколения и соответственно 5 поколения, оборудование чистых зон и инструментарий значительно превосходит доступные нам отечественные возможности.
Разработка базовых конструкций мощных диодных лазеров и линеек на их основе, технологий их получения, методик исследования параметров на всех стадиях разработки и изготовления позволяет решить проблему обеспечения эффективного теплоотвода от активной области диодного лазера, что определяет предельную мощность генерации и вместе с возникающими термическими напряжениями определяет его рабочий ресурс. Решение задач, поставленных в ПНИ позволяет создать фундамент для подготовки к развитию данного направления.

4. Оценка или прогноз влияния планируемых результатов на развитие исследований в рамках международного сотрудничества, развитие системы демонстрации и популяризации науки, обеспечение развития материально-технической и информационной инфраструктуры.
Обучение студентов НИЯУ МИФИ и магистратуры НИЯУ МИФИ, выступления на семинарах НИЯУ МИФИ, ФИАН, НПО «Инжект», проведение серии общеобразовательных семинаров, выступления на конференциях и симпозиумах, ТВ программы и научно-популярные фильмы по каналу "Культура", публикации в научных и научно-популярных журналах, участие на выставках и т д .
О высоком уровне научных исследований, которые являются основой выполнения данного ПНИ свидетельствует приглашение Ю. М. Попова (единственного от России) выступить в Великобритании (сентябрь 2012 г.) на юбилее 50-летия создания диодного лазера с приглашенным докладом о работах в этой области.
Однако, технологические достижения в области разработки диодных лазеров из-за их большой коммерческой и оборонной значимости заставляют наиболее развитые страны (США и др.) вводить строгие ограничения на информацию и сотрудничество в этой области. Поэтому пока эффективное сотрудничество приходится развивать со странами СНГ ( более всего с Белоруссией) и КНР.

Текущие результаты проекта:

- Выполнен аналитический обзор современной научно-технической, методической затрагивающей нормативной, литературы, научно-техническую проблему, исследуемую в рамках НИР.
-Проведены патентные исследования по ГОСТ Р 15.011-96.
-Проведены теоретические исследования тепловых режимов работы мощных диодных лазеров смонтированных на теплоотводящих элементах различных типов, а также при использовании сабмаунтов, обеспечивающих технические, конструкторские и технологические решения необходимые для разработки базовых конструкций мощных одиночных лазерных диодов для их применения в качестве источников накачки в мощных лазерных системах.
- Обоснованы и выбраны оптимальные конструкции базовых теплоотводящих элементов мощного диодного лазера с учётом технологических возможностей и международных стандартов.
- Обоснованы и выбраны технологии изготовления и финишной обработки базовых теплоотводящих элементов мощного диодного лазера обусловленные техническими требованиями к тепловому режиму их работы и их конструкциями.
- Обоснованы и выбраны оптимальные конструкции изоляторов, электродов и методов присоединения электрических выводов мощного лазерного диода.
- Разработаны методики монтажа экспериментальных образцов базовых теплоотводящих элементов мощного диодного лазера.
- Изготовлены экспериментальных образцов базовых теплоотводящих элементов мощного диодного лазера.
- Определены параметров теплового режима на смонтированных экспериментальных образцах базовых теплоотводящих элементов мощного диодного лазера методом анализа спектрального состава излучения при различных уровнях накачки диодного лазера.
- Проведены экспериментальные исследования и анализ ватт-амперных и вольт-амперных характеристик экспериментальных образцов диодных лазеров, собранных на базовых теплоотводящих элементах.
- Проведены модернизация и технологическая подготовка оборудования для планарного процессинга, проведены эксперименты по разделению на кристаллы и созданию защитно-просветляющих покрытий для изготовления экспериментальных образцов лазерных диодов.
- Проведена закупка комплектующих и расходных материалов, оборудования и/или контрольно-измерительного оборудования в соответствии с требованиями и задачами технологического оборудования, технологиями, и измерительным оборудованием.
- Проведен анализ технологических параметров планарного процессинга разделения исходных пластин наногетероструктур на кристаллы и создания защитно-просветляющих покрытий с учетом возможностей технологических установок и техпроцессов для их осуществления.
- Проведен поиск путей модернизации планарного прессинга разделения исходных пластин наногетероструктур на кристаллы для адаптации к задачам ПНИ.
- Проведена формулировка требований к технологическим условиям монтажа диодных лазеров.
- Выполнена разработка лабораторной технологической инструкции изготовления экспериментальных образцов диодных лазеров на основе полупроводниковых наногетероструктур.
- Выполнена разработка эскизной конструкторской документации диодных лазеров на основе полупроводниковых наногетероструктур.
- Выполнена разработка лабораторной технологической инструкции изготовления экспериментальных образцов диодных лазеров на основе полупроводниковых наногетероструктур.
- Выполнено изготовление экспериментальных образцов диодных лазеров на основе полупроводниковых наногетероструктур.
- Выполнено исследование экспериментальных образцов диодных лазеров на основе полупроводниковых наногетероструктур методом сканирующей электронной микроскопии (СЭМ).
- Проведена формулировка требований к технологическим режимам изготовления экспериментальных образцов диодных лазеров с целью обеспечения требуемых выходных параметров.
- Проведена корректировка номенклатуры расходных материалов, инструментов, оснастки и контрольно-измерительного оборудования для проведения отдельных техпроцессов цикла изготовления экспериментальных образцов диодных лазеров.
- Разработаны программы и методики исследовательских испытаний диодных лазеров на основе полупроводниковых наногетероструктур.
- Выполнено проведение исследовательских испытаний экспериментальных образцов диодных лазеров на основе полупроводниковых наногетероструктур.
- Проведены экспериментальные исследования по установлению закономерностей режимов монтажа на выходные характеристики режимов экспериментальных образцов диодных лазеров экспериментальных по установлению влияния режимов.
- Проведен анализ полученных данных, корректировка режимов монтажа режимов монтажа экспериментальных образцов диодных лазеров
- Выполнена корректировка ЭКД конструкции диодных лазеров по результатам проведенных исследовательских испытаний.
- Проведены дополнительные патентные исследования в соответствии с ГОСТ Р 15.011-96.
- Проведена адаптация ЭКД экспериментальных образцов диодных лазеров согласно требованиям ЕСКД к технологическому оборудованию и техпроцессам.
- Проведена адаптация разрабатываемых техпроцессов в соответствии с технологическими возможностями и задачами ПНИ для проведения отдельных техпроцессов цикла изготовления экспериментальных образцов диодных лазеров.