ОГЛАВЛЕНИЕ
ведение........................................................... 3
шва 1 I етероструктуры в системе твердых растворов Ш-Оа-Аэ-Р
и приборы на их основе.................................... 9
1.1 Краткая характеристика системы ІпСаАзР/ІпР................. 9
1.2 Инжекционные гетеролазеры на основе квантоворазмерных двойных гстсроструктур раздельного ограничения 1пСаА8Р/1пР................................................... 14
1.3 Мезаполосковая конструкция лазерных диодов на основе соединений ІпОаАяР/ІпР........................................ 19
1.4 Электрически перестраиваемые лазерные диоды 1пСаА$Р/1пР.... 29
1.5 Излучательные характеристики и особенности конструкции суперлюминесцентных диодов на
основе твердых растворов 1п-Са-А$-Р и АЫЗа-Аз............. 33
1.5.1 Принцип работы суперлюминесцентного диода............... 34
1.5.2 Основные конструкции суперлюминесцентных диодов 36
1.5.3 Особенности ватт - амперных характеристик суперлюминесцентных диодов.................................... 43
1.6 Выводы по обзору литературы................................ 47
шва 2 Экспериментальное и теоретическое исследование электрических и оптических свойств гетеролазеров на основе Іп-Оа-АБ-Р гстсроструктур вплоть до высоких уровней накачки.......................................... 50
2.1 Экспериментальное и теоретическое исследование особенностей пороговых и мощностных характеристик
РО ДГС ІпОаАяР лазеров.................................... 50
2.2 Исследования особенностей спектральных
характеристик гетеролазеров на основе In-Ga-As-P
гетероструктур вплоть до высоких уровней накачки........... 66
шва 3 Перестраиваемый одномодовый InGaAsP/InP (X = 1.55 мкм) гетеролазер, созданный на базе двухсекционной мезаполосковой конструкции................... 79
3.1 Технологические особенности изготовления двухсекционного мезаполоскового Фабри-Перо
гетеролазера InGaAsP/InP (Х= 1.55 мкм)..................... 79
3.2 Теоретическая оценка возможного диапазона перестройки длины волны в двухсекционном
Фабри-Перо гетеролазере InGaAsP/InP (X = 1.55 мкм)......... 82
3.3 Исследование излучательных характеристик пересфаиваемого двухсекционного мезаполоскового одномодового Фабри-Перо гетеролазера
InGaAsP/InP ( Л. = 1.55 мкм)............................... 86
шва 4 Суперлюминесцентные диоды на основе In-Ga-As-P твердых
растворов, излучающие в диапазоне длин волн 1.3-1.55 мкм 95
4.1 Определение оптимальной конструкции суперлюминесцентных диодов InGaAsP/InP........................................ 95
4.1.1 Суперлюминесцентные диоды мезаполосковой конструкции с наклонным полосковым контактом.................. 96
4.1.2 Суперлюминесцентные диоды двухсекционной мезаполосковой конструкции с наклонным полоском 105
4.2 Оптимизация параметров InGaAsP/InP гетеросфуктуры для суперлюминесцентных диодов и исследование их электрических и оптических характеристик................. 109
ключение......................................................... 120
тгература........................................................ 124
Введение
В последние годы полупроводниковые гетеролазеры находят все большее применение в различных областях науки и техники. Инжекционные гетеролазеры на основе твердых растворов InGaAsP/InP, излучающие в диапазоне длин волн 1300-1550 нм, являются оптимальными источниками излучения для волоконно-оптических линий связи (ВОЛС). Квантоворазмерная двойная гетероструктура раздельного ограничения (КР РО ДГС) InGaAsP/InP позволяет получать надежные высокоэффективные лазерные диоды, обладающие низким пороговым током, высокой внутренней и внешней квантовой эффективностью и высокой выходной оптической мощностью. Однако для применений в лазерной спектроскопии, волоконно-оптических гироскопах, оптических системах со спектральным уплотнением необходимы диоды со специфическими выходными характеристиками, такими, как широкий спектр излучения, возможность перестройки длины волны. Это требует внесение изменений в конструкцию лазерного диода и оптимизацию параметров гетероструктуры для конкретного типа приборов. Несмотря на огромное число работ, посвященных исследованию и оптимизации параметров КР РО ДГС InGaAsP/InP гетеролазеров, некоторые особенности электрических и оптических свойств гетероструктур в системе In-Ga-As-P твердых растворов остаются до настоящего времени недостаточно изученными.
В этой связи тема работы, направленная на изучение особенностей электрических и оптических свойств КР гетероструктур в системе In-Ga-As-P твердых растворов с целью создания на их основе мощного широкополосного суперлюмииесцентного диода и пересфаиваемого одномодового Фабри-Перо гетеролазера (X = 1.3 - 1.55 мкм), является актуальной как с научной, так и с практической точек зрения.
Основная цель работы заключалась в исследовании особенностей электрических и оптических свойств гегероструктур раздельного ограничения с тонкими активными областями на основе твердых растворов In-Ga-As-P, создании на их основе перестраиваемого одномодового Фабри-Перо гегеролазера двухсекционной конструкции и мощного широкополосного суперлюминесцентного диода (X = 1.3-1.55 мкм).
Для выполнения поставленной цели решались следующие основные задачи:
1. Экспериментальное и теоретическое исследование электрических и оптических свойств двойных гетероструктур раздельного ограничения с тонкими активными областями на основе твердых растворов In-Ga-As-P при высоких уровнях накачки.
2. Разработка технологии и изготовление двухсекционного мезаполоскового одномодового Фабри-Перо гетеролазера на основе РО ДГС InGaAsP/InP (X = 1.3 - 1.55 мкм).
3. Исследование излучательных характеристик перестраиваемого одномодового InGaAsP/InP (X = 1.55 мкм) гетеролазера, созданного на базе двухсекционной мезаполосковой конструкции.
4. Проведение исследований по оптимизации параметров двухсекционного мезаполоскового InGaAsP/InP лазерного диода для получения мощного широкополосного суперлюминесцентного излучения (X = 1.3 - 1.55 мкм). Исследование излучательных характеристик полученных суперлюминесцентных диодов.
Научная новизна работы определяется тем, что в ней впервые:
1. Проведены комплексные исследования особенностей ватт-ампер! 1ых и спектральных характеристик лазерных диодов на основе квантоворазмерных двойных гегероструктур раздельного
ограничения InGaAsP/InP при высоких уровней электрической накачки (до 60 к А/елг).
2. Детально исследованы причины аномального падения дифференциальной квантовой эффективности при уменьшении длины резонатора лазерного диода и сублинейности ватт-амперных характеристик при больших плотностях тока.
3. Предложен метод измерения профиля усиления в гетероструктуре с использованием двухсекционной конструкции лазерного диода.
4. Теоретически определен возможный диапазон перестройки длины волны излучения в двухсекционном Фабри-Перо гегеролазере с использованием предложенного метода измерения и расчета профиля усиления и экспериментально показана электрическая перестройка длины волны в двухсекционной мезаполосковой конструкции Фабри-Перо лазерного диода.
5. Определены параметры гегероезруктуры на основе InGaAsP/InP твердых растворов, используемой для получения мощного высокоэффективного широкополосного суперлюминесцентного излучения (X = 1.3 - 1.55 мкм).
Практическая ценность работы заключается в следующем:
1. Установлено, что лазерные диоды на основе гетеросгруктур в системе четверных твердых растворов In-Ga-As-P, выращенных модифицированным методом жидкофазной эпитаксии, обладают аномально широкими спектрами генерации и спонтанного излучения. Сделан вывод о возможности использования таких структур в широкополосных источниках излучения и для перестройки длины волны излучения в широком спекфалыюм диапазоне.
2. Разработана двухсекционная консфукция мезаполоскового одномодового Фабри-Перо гетеролазера на основе InGaAsP/InP (X =
1.3 - 1.55 мкм) двойной гетероструктуры раздельного ограничения.
3. Реализована электрическая перестройка длины волны в двухсекционном мезаполосковом одномодовом Фабри-Перо гетеролазере в широком спектральном диапазоне.
4. Разработана конструкция суперлюминесцентного диода на базе мезаполоскового одномодового InGaAsP/InP (Я, = 1.3 - 1.55 мкм) лазерного диода.
Совокупность представленных в диссертации экспериментальных и
теоретических данных позволяет сформулировать следующие основные
научные положения, выносимые на защиту:
1. Микрофлуктуации состава твердых растворов InGaAsP, выращенных модифицированным методом жидкофазной эпитаксии, приводят к аномально широким спектрам спонтанного излучения и генерации в квантоворазмерных InGaAsP/InP лазерах раздельного ограничения.
2. Падение дифференциальной квантовой эффективности в InGaAsP/InP лазерах раздельною ограничения при больших уровнях накачки связано с возрастанием концентрации неравновесных носителей в волноводе и утечкой носителей в р-эмиттер.
3. В двухсекционном мезаполосковом одномодовом Фабри-Перо гетеролазере, созданном на базе InGaAsP/InP двойной гетероструктуры раздельного ограничения с тонкой активной областью и аномально широким спектром усиления, возможна электрическая перестройка длины волны излучения путем изменения соотношения величин токов накачки секций.
4. Использование InGaAsP лазерной гетероструктуры с аномально широким спектром усиления в лазерном диоде с косым мезаполоском и поглощающей секцией позволяет получать мощное широкополосное суперлюминесцентное излучение.
5. Использование напряженной InGaAsP/InGaAs/InP гетероструктуры
раздельного ограничения с несколькими квантовыми ямами и высоким коэффициентом оптического ограничения волновода позволяет увеличить мощность и эффективность су пер л ю минесцентн Ы X д и одо в.
Приоритет результатов
Представленные в диссертации результаты исследования перестройки длины волны излучения в двухсекционной конструкции Фабри-Перо гетеролазера на основе InGaAsP/InP гетероструктуры с широким профилем усиления получены впервые. Достигнутые выходные оптические характеристики (величина мощности и полуширина спектра суперлюминесцентного излучения) суперлюминесцеитного диода в разработанной конструкции на основе InGaAsP/InP гстероструктур (X -1.55 мкм) являются рекордными значениями в мире па данный момент.
Апробация работы.
Основные результаты диссертационной работы докладывались на 1st International Fiber-Optic and Telecommunication Conference (ISFOC ’91), 1991, Leningrad, USSR, на 2ой Международной конференции “Nanostructures: physics and technology” (С-Петербург, июнь 1996), на 2-ой Всероссийской Конференции по физике полупроводников, 26.02-6.03.1996, г.Зеленогорск, С.Петербург и 5ой Международной
конференции “Nanostructures: physics and technology” (С.-Петербург, июнь 1999), а также на научных семинарах лаборатории “Полупроводниковой люминесценции и инжекционных излучателей” ФТИ им. А.Ф.Иоффе РАН.
Публикации
По результатам исследований опубликовано всего 39 научных работ, из них 10 непосредственно по теме диссертационной работы. Список этих работ приведен в заключении по диссертации. Ссылки на эти работы в тексте диссертации отмечены цифрами со звездочкой.
-8-
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитированной литературы.
Первая глава посвящена краткому обзору литературных данных по гетероструктурам в системе твердых растворов Ы-Са-Ав-Р и приборам на их основе.
Во второй главе приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований особенностей ватт-амперных и спектральных характеристик лазерных диодов на основе КР РО ДГС 1пСаА$Р/1пР, излучающих в диапазоне 1.3-1.55 мкм длин волн, вплоть до высоких уровней возбуждения (60 кА/см2).
Во фстьей главе представлены результаты исследований электрических и оптических характеристик перестраиваемого одномодового двухсекционного мсзаполоскового Фабри-Перо гетсролазера, изготовленного на основе квантоворазмерной двойной гетеросфуктуры с раздельным ограничением 1пОаА5Р/1пР (к = 1.55 мкм).
Четвертая глава посвящена разработке суперлюминесцентных диодов на основе 1п-Са-Лз-Р твердых растворов, излучающих в диапазоне длин волн 1.3-1.55 мкм и исследованию их излучательных характеристик. Приведены результаты исследований излучательных характеристик СЛД различных конструкций, изготовленных на основе 1пОаА5Р/1пР гетероструктур разного консфуктивного типа.
В заключении по диссертации формулируются наиболее важные результаты.
Диссертационная работа выполнена в лаборатории полупроводниковой люминесценции и инжекционных излучателей ФТИ им. А.Ф.Иоффе РАН в соотвегствии с планом научно-исследовательских работ.
Глава 1 Гетероструктуры в системе твердых растворов 1п-Оа-А$-Р и приборы на их основе
§1.1. Краткая характеристика системы ГпСаАвРЛпР
В настоящее время полупроводниковые гетероструктуры на основе ВЮаАэРЛпР широко используются в оптоэлектронных приборах для волоконно-оптических линий связи спектрального диапазона 1.3-1.55 мкм. Изопериодичные с подложкой 1пР четверные и тройные твердые растворы обладают достаточно высоким кристаллографическим и оптическим совершенством. Ширина запрещенной зоны соединений ЫваЛэР, изопериодичных 1пР, при комнатной температуре может изменяться от 0.73 эВ (ЬЮаАэ) до 1.35 эВ (1пР) [1], что обеспечивает возможность создания в этой системе полупроводниковых лазеров с длинами волн излучения от 1.1 мкм до 1.65 мкм. В этом же спектральном диапазоне лежат области минимума потерь ( X = 1.55 мкм) и нулевой дисперсии {X = 1.3 мкм) современных кварцевых оптических волокон [2], а также область накачки оптических усилителей на основе легированного Ег волокна (А, = 1.48 мкм) [3]. Таким образом, система 1пСаЛ8Р/1пР позволяет создавать эффективные излучатели, широко используемые в волоконной оптике.
Основными методами роста четверных соединений 1пСаА$Р являются: жидкофазная эпитаксия (ЖФЭ) [4], эпитаксия из
металлоорганических и гидридных источников [5], молекулярнопучковая эпитаксия [6]. Несмотря на то, что последние два метода обладают несомненными преимуществами с точки зрения воспроизводимости и однородности роста, простой и дешевый метод
-10-
жидкофазной эпитаксии широко используется для исследований электрических и оптических характеристик полупроводниковых гетероструктур и обладает всеми потенциальными возможностями, необходимыми для создания эффективных лазеров.
Отличительным свойством ЖФО в системе ФСаЛэРЛпР является наличие области несмешиваемости [7], ухудшающей электрофизические и люминесцентные характеристики соединений [пваАвР, выращенных при низкой температуре эпитаксии (менее 600 °С) [4]. Сильное разложение подложки ГпР, начиная с температуры более 300 °С [8] затрудняет использование высоких (более 650 °С) температур роста. Поэтому рабочий диапазон температур, используемый как в литературе, так и в настоящей работе, составляет 595...650 °С.
Согласно литературным данным, сущесгвует несколько способов получения гонких слоев ФОаАэР, необходимых для реализации лазеров раздельного электронного и оптического 01раничения. Эти способы можно разделить на три группы:
- использование низкого пересыщения,
- использование низкой ростовой температуры,
- сокращение времени контакта ростового расплава с подложкой.
Первый из перечисленных методом требует прецизионного контроля температурного режима выращивания, поскольку изменение
температуры на один градус можег привести не к росту слоя, а к подрастворению подложки [9]. Второй способ не может быть использован для роста чегверных соединений 1пОаЛ8Р/1пР в силу вышеупомянутой области несмешиваемости [7].
Разработанный в ФТИ им. Иоффе модифицированный метод ЖФЭ [10] позволил сократить время роста благодаря быстрому протаскиванию подложки иод ростовым расплавом, заключенным в узкую вертикальную щель. Этот способ позволил получить однородные по толщине слои
- Київ+380960830922