Оглавление
Введение.................................................................. 5
Глава 1. Полупроводниковые лазеры на основе квантово-размерных 1пСаАзР/1пР и АЮа1пА5/1пР гетероструктур раздельного
ограничения (обзор литературы)................................. 11
§1.1. Основные этапы создания гетеролазеров с квантовыми ямами 11
§1.1.1. Лазеры на основе двойных гетероструктур................ 11
§1.1.2. Лазеры с расширенным волноводом......................... 13
§1.1.3. Внутренние потери в симметричных гетероструктурах с
расширенным волноводом.................................... 16
§1.1.4. Асимметричные лазерные гетероструктуры................. 18
§1.2. Гетеролазеры ближнего инфракрасного диапазона на основе
твердых растворов, изопериодических с 1пР....................... 23
§1.2.1. Гетеролазеры с длиной волны излучения 1.3 — 1.55 мкм на
основе твердых растворов, изопериодических с 1пР.......... 23
§ 1.2.2. Гетеролазеры с длиной волны излучения 1.7 - 2.2 мкм на
основе твердых растворов, изопериодических с 1пР.......... 24
Выводы к главе 1.................................................... 26
Глава 2. Исследование гетероструктур 1пОаА$Р/1пР и АЮа1пА$ЛпР с
напряженной квантово-размерной активной областью................ 28
§ 2.1. Влияние деформации на энергетическую зонную структуру
полупроводников со структурой цинковой обманки.................. 28
§ 2.2. Влияние деформации на глубину квантовых ям и положения уровней размерного квантования для электронов и дырок в
напряженной квантовой яме ..................................... 32
§ 2.3. Влияние состава и деформации слоя квантовой ямы на длину
волны излучения................................................. 36
§ 2.4. Влияние состава твердого раствора волноводного слоя на длину волны излучения..................................................... 43
2
§ 2.5. Критическая толщина активной области и выбор оптимальной
толщины активной области......................................... 47
Выводы к главе 2......................................................... 51
Глава 3. Асимметричные ЫваАзРЛпР и А1(За1пАз/1пР гетероструктуры раздельного ограничения с расширенным волноводом и
непрерывные лазеры на их основе................................... 53
§ 3.1. Внутренние оптические потери в гетероструктурах на основе
твердых растворах ЫОаАвРЛпР и АЮа1пАвЛпР......................... 53
§3.1.1. Внутренние оптические потери............................. 53
§3.1.2. Внутризонные переходы.................................... 54
§ 3.1.3. Внутренние оптические потери, обусловленные
межзонными переходами........................................ 55
§ 3.2. Симметричные и асимметричные гетероструктуры раздельного ограничения в системе твердых растворах ГгЮаАзРЛпР и
АЮа1пАяЛпР....................................................... 57
§ 3.3. Исследования излучательных свойств симметричных и асимметричных АПпОаАяЛпР гетероструктур раздельного
ограничения...................................................... 63
§ 3.4. Исследования излучательных свойств симметричных и асимметричных ЫваЛэРЛпР гетероструктур раздельного
ограничения...................................................... 74
Выводы к главе 3.................................................... 82
Глава 4. Импульсные лазеры на основе асимметричных АЮаГпАБЛпР гетероструктур- раздельного ограничения с расширенным
волноводом........................................................ 83
§ 4.1. Импульсные лазеры на основе АЮаГпАзЛпР' гетероструктур
раздельного ограничения.............:............................ 83
§ 4.2. Исследование спектральных характеристик импульсных лазеров
на основе АЮа1пАзЛпР гетероструктур раздельного ограничения 87
§ 4.3. Исследование концентрации носителей заряда в активной
области за порогом генерации импульсных лазеров на основе
АЮаІпАБ/ІпР гетероструктур раздельного ограничения........... 91
§ 4.4. Вклад оже-рекомбинации в насыщение ватт-амперных
характеристик мощных полупроводниковых лазеров.................. 97
Выводы к главе 4....................................................... 108
Заключение............................................................. 109
Литература............................................................. 112
4
Введение
Актуальность темы.
Мощные полупроводниковые лазеры в настоящее время можно выделить в отдельный подкласс полупроводниковых лазеров. Область применения мощных полупроводниковых лазеров распространяется на системы навигации, мониторинга и системы специального назначения, а также технологические системы обработки, сварки, резки и испарения материалов. Отдельным направлением применения мощных полупроводниковых лазеров являются медицинские применения: нейрохирургия, офтальмология, урология и пластическая хирургия. Лазеры с различной длиной волны излучения позволяют изменять глубину проникновения в ткани. В офтальмологии селективность лазерного излучения позволяет избирательно воздействовать на различные ткани глаза, что дает возможность расширить круг болезней, для лечения которых может использоваться лазерное излучение. В нейрохирургии использование длинноволнового лазерного излучения позволяет уменьшить размеры области необратимых повреждений тканей мозга до нескольких десятков микрон.
Благодаря высокой эффективности преобразования электрической энергии в оптическое излучение (КПД=75%), главным применением мощных полупроводниковых лазеров является накачка оптических усилителей, твердотельных и волоконных лазеров. Огромное количество материалов для накачки на основе кристаллов, легированных ионами переходных металлов, предъявляют требования к расширению диапазона длин волн излучения мощных полупроводниковых лазеров. Например; вызывает повышенный интерес длина волны 1.8 мкм, совпадающая с максимумом спектра поглощения ионов Сг21 в 2пБе. На диапазон длин волн 1.6-1.9 мкм приходится огромное количество полос поглощения в других материалах. Поэтому этот диапазон является столь же востребованным насколько
сложным к освоению в связи со свойствами исходных полупроводниковых твердых растворов 1пОаАзР/1пР и АЮа1пАз/1пР, которые обладают высокими внутренними оптическими потерями, повышенной оже-рекомбинацией и поглощением в отщепленную БО-подзону. Несмотря на огромные успехи в развитии мощных полупроводниковых лазеров на квантовых точках, диапазон длин волн 1.6-1.9 мкм остается за гетероструктурами на основе твердых растворов ЫОаАвРЛпР и АЮа1пАз/1пР.
Таким образом, разработка гетероструктур, излучающих в диапазоне длин волн 1.6-1.9 мкм, и создание мощных полупроводниковых лазеров с низкими внутренними потерями на их основе являются актуальными задачами как с научной, так и с практической точек зрения.
Основная цель работы заключалась в исследовании свойств симметричных и асимметричных лазерных ГпОаАзРЛпР и АЮа1пАз/1пР гетероструктур раздельного о1раничения и разработке на их основе мощных источников излучения в диапазоне длин волн 1.6-1.85 мкм.
Для достижения поставленной цели решался следующий комплекс
задач.
1. Разработка асимметричных ТпСлАбРЯпР и АЮа1пА8/1пР гетероструктур с низкими оптическими потерями и максимально возможной длиной волны излучения.
2. Исследование факторов, ограничивающих максимально достижимую мощность источников излучения в диапазоне длин волн Х = 1.6-1.85 мкм.
3. Создание и исследование свойств мощных многомодовых импульсных и непрерывных источников, излучения на основе асимметричных 1пОаАзР/1пР и АЮа1пАз/1пР гетероструктур раздельного ограничения.
Представляемые к защите научные положения и результаты.
Научные положения.
1. В 1пОаА$Р/1пР и АЮа1пА5/1пР гетероструктурах, имеющих значительно большие внутренние оптические потери по сравнению с
ЛЮаАз/СаАзЛпСаЛз гетероструктурами, расширение волновода до 2.8 мкм снижает внутренние оптические потери до 1 см’1 в диапазоне длин волн X = 1.6-1.85 мкм.
2. Применение в асимметричных 1пСаАзР/ГпР и АЮа1лАз/1пР гетероструктурах сжато-напряжепных слоев твердых растворов 1пОаАБ в качестве активных областей позволило получить мощное лазерное излучение на длинах волн до 1.85 мкм при высоких уровнях накачки в непрерывном и импульсном режимах генерации.
3. Рост концентрации носителей заряда в активной области полупроводникового лазера за порогом генерации усиливает вклад процесса оже-рекомбинации в насыщение интенсивности стимулированного излучения.
4. Выполнение условий инверсной заселенности в кулоновской яме волноводного слоя полупроводникового лазера при высоком уровне накачки ведет к срыву генерации излучения в активной области.
Результаты:
1. Разработаны и созданы методом МОС-гидридной эпитаксии асимметричные 1пОаАзР/ГпР и АЮа1пАя/1пР гетероструктуры раздельного ограничения с внутренними оптическими потерями порядка 1 см'1 на длине волны генерации 1.85 мкм.
2. В системе твердых растворов 1пОаА$Р/1пР и АЮаЬгАэЛпР созданы многомодовые полупроводниковые лазеры, излучающие на длине волны 1.85 мкм оптическую мощность 2.5 Вг в непрерывном и 20 Вт в импульсном режимах генерации.
Научная новизна.
1. Экспериментально показано, что в 1пОаАэР/1пР и АКЗа1пАз/1пР
гетероструктурах раздельного ограничения с высоким уровнем внутренних
оптических потерь,, расширение волновода позволяет снизить внутренние
оптические потери до 1 см'1.
7
2. Применение сжато-напряженных слоев твердых растворов ТпваАз в качестве активных областей в асимметричных 1пСаАзР/1пР и АЮа1пАз/1пР структурах позволяет при высоких уровнях накачки в непрерывном и импульсном режимах генерации расширить диапазон длин волн излучения до 1.85 мкм.
3. Установлено, что рост концентрации носителей заряда в активной области ЬтХЗаАзРЛпР и АЮаЬпАБЛиР полупроводниковых лазеров за порогом генерации делает определяющим вклады процессов оже-рекомбинации и поглощения в спин-орбитально отщепленную зону в насыщение стимулированного излучения.
4. Показано, что выполнение условий инверсной заселенности в кулоновской яме волноводного слоя полупроводникового лазера при высоком уровне накачки ведет к срыву генерации излучения в активной области.
Практическая ценность:
1. Разработаны асимметричные 1пСаАзР/1пР и АЮа1пА8/1пР гетероструктуры раздельного ограничения с внутренними оптическими потерями порядка 1 см'1, излучающие на длине волны 1.85 мкм.
2. В одиночных лазерах на основе асимметричных гетероструктур в системе твердых растворов 1пОаАзР/1пР и АЮаТпАзЛпР мощность оптического излучения в непрерывном режиме генерации доведена до 2.5 Вт.
3. В одиночных лазерах на основе асимметричных гетероструктур в системе твердых растворов 1пОаАБР/1пР и АЮаЬхАэЛпР мощность оптического излучения в импульсном режиме генерации доведена до 20 Вт.
Приоритет результатов;
В диссертации впервые применена модель асимметричных гетероструктур с расширенным волноводом для снижения внутренних оптических потерь в системе твердых растворов АЮа1пАз/1пР и 1пСаАзР/1пР. Оптические характеристики лазерных диодов (величины внутренних
оптических потерь - 1см'1, непрерывной мощности - 2.5 Вт и импульсной - 20 Вт), изготовленных на основе разработанных гетероструктур (Х= 1.85 мкм), находятся на уровне лучших мировых результатов на момент написания работы.
Апробация работы.
Основные результаты диссертационной работы докладывались на Международной Конференции «СЬЕО/Еигоре'2000», 2000, 10-15 сентября, Ницца, Франция; международном семинаре по инфракрасным источника излучения «М1С8’2001», 2001, 25-29 июня, С.Пстербург; на 27-й
Европейской Конференции по оптической связи «ЕСОС'01», 2001, 30 сентября-4 октября, Амстердам, Нидерланды; на 11-ой Международной Конференции «ІС МОУРЕ XI», 2002, 3-7 июня, Берлин, Германия; на 4-м Российско-Белорусском семинаре по полупроводниковым лазерам и системам, 2002, 20-22 мая, Минск, Белоруссия; на 10-й и 11-й конференциях по лазерной оптике «Ь0'2003», 2003, 30 июня-4 июля, С.Петербург; на 8-й Российской конференции по физике полупроводников «Полупроводники 2007», Екатеринбург, 2007, 30 сентября - 5 октября; на 2-м симпозиуме по когерентному оптическому излучению полупроводниковых соединений и структур. Москва-Звенигород, 2009 г, 16-18 ноября.
Публикации.
По результатам диссертационной работы опубликовано 7 работ, список которых приведен в конце диссертации.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из: введения, четырех глав, заключения и списка цитированной литературы.
Первая глава посвящена краткому обзору литературных данных по мощным многомодовым полупроводниковым гетеролазерам.
9
- Київ+380960830922