Исследование свойств и оптимизация гетероструктур на подложках GaAs и разработка мощных лазеров на их основе: λ =0,78 - 1,3 мкм

-2-
Содержание.
№ Название стр.
Введение ............................................................. 5
Глава I. Мощные одиомодовые лазерные диоды на базе ЬваАзР/
1пОаР/ОаАз- и 1пОаА8/АЮаАз/СаА5- гстсроструктур........ 12
§1.1 Обзор литературных данных по одномодовым лазерам на
базе гетероструктур на подложках ваЛз................. 13
1.1.1 Развитие полупроводниковых лазеров.................... 13
1.1.2 Мощные одномодовые лазерные диоды..................... 16
1.1.3 Зарощенная мезаполосковая конструкция одномодовых гетеролазеров.......................................... 17
1.1.4 Конструкция лазерных диодов типа «мелкая меза»........ 22
§1.2 Исследование лазерных диодов типа «зарощенная меза» на
основе [пОаАвР/ОаАз-гетероструктур раздельного ограничения...................................... 26
1.2.1 Зависимость картины дальнего поля излучения от температуры зарощенного лазера......................... 26
1.2.2 Модель двумерного плоского волновода.................. 28
1.2.3 Роль граничной рекомбинации........................... 36
1.2.4 Метод “узкого контакта”............................... 41
1.2.5 Выводы................................................ 46
§ 1.3 Исследование одномодовых лазерных диодов типа «мелкая
меза» на основе ТпСаАз/АЮаАз/СаАв-ге'херос'фуюур раздельного ограничения.......................... 47
1.3.1 Мощные одномодовые лазеры на основе гетеросгруктур,
выращенных методом металлоорганической эпитаксии....... 47
1.3.2 Эффект развала спектра и нелинейное межмодовое взаимодействие......................................... 53
59
60
60
66
66
71
72
73
75
79
82
83
83
93
105
112
133
115
115
-3-
Выводы..................................................
Мощные лазеры на основе 1пОаЛ5/АЮаА5/ОаА5
гетероструктур (X = 1 мкм)..............................
Направления развития и достигнутые результаты в области
мощных лазеров с кЮаЛэ активной областью................
Особенности пост-ростовой технологии и новые методики
измерения...............................................
Технологии выращивания гетсроструктур...................
Просмотр лазерных чипов и измерение характеристических
температур..............................................
Мотаж чипов на теплоотвод...............................
Нанесение высокоотражающего и антиоіражающего
покрытий................................................
Методика термостабилизации лазера в непрерывном
режиме..................................................
Измерение мощности излучения в непрерывном режиме.......
Выводы..................................................
Исследование мощных лазерных диодов с шириной полоска IV- 100 мкм на базе ІпСаАз/АЮаАя/ОаАз гетероструктур... Электро-оптические характеристики ІлСаАБ/АЮаАБ/ОаАз
гетероструктур..........................................
Характеристики и анализ работы сверхвысокомощных
лазеров в непрерывном режиме............................
Плотность оптической мощности на выходном зеркале.......
Деградационные свойства.................................
Выводы..................................................
Применение ІпОаАзИ в длинноволновых лазерах на
подложках СаАБ.........................................
Обзор литературных данных...............................
-4-
3.1.1 Проблемы излучателей с длиной волны 1.3 мкм.............. 116
3.1.2. Полупроводниковые материалы, пригодные для создания
лазеров с длиной волны излучения 1.3 мкм................. 118
3.1.3. Азотосодержащие длинноволновые лазерные диоды......... 122
3.1.4. Развитие технологии эпитаксии ОаАяЫ и 1пОаА$Ы слоев на
подложках ОаАя........................................... 123
§ 3.2 Особенности технологии роста 1пСаА$М/ОаАяЬ1/ОаАз-
гетсроструктур........................................... 127
3.2.1. Параметры роста СлАбИ слоев на подложке ваАв............. 127
3.2.2. Оптимизация роста 1пОаА8Ы квантовых ям................... 130
§ 3.3 Лазеры на базе 1пСаА8Ы/АЮаА8/ОаА8 гегерострукгур 132
3.3.1. Лазерные характеристики ЫОаАзМ/АЮаАв/ОаАя
гетероструктур........................................... 132
3.3.2. Температурные характеристики МЗаАБЫУАЮаАБ/СаАз
лазеров.................................................. 139
3.3.2. Характеристики мощных \У=100мкм лазеров на базе
ЛЮаАзН/АЮаАз/ОаАз гетеросгруктур......................... 141
§3.4. Выводы................................................... 146
Основные результаты диссертационной работы............... 147
Публикации автора........................................ 149
Список легирован ной литературы.......................... 154
-5-
Введение.
Актуальность темы.
Полупроводниковые лазеры составляют значительную и наиболее
динамично развивающуюся часть мировой электронной промышленности. Лазерные диоды на базе арсенида галлия благодаря своей высокой эффективности, широкому спектральному диапазону и низкой стоимости находят самое широкое применение. Одномодовые лазеры используются в лазерной печати и записи информации, для накачки волоконных усилителей и твердотельных лазеров. В этих применениях требуется высокая мощность при сохранении возможности максимальной фокусировки излучения. Созданию и изучению таких лазерных диодов посвящена первая глава данной работы.
Мощные многомодовые лазеры применяются в медицине, различных отраслях техники, а мировой рынок на лазеры с длиной волны 0.98 мкм для накачки легированных эрбием волоконных усилителей составляет десятки миллионов штук в год. Первоочередными задачами в разработке таких лазеров является увеличение яркости, повышение эффективности и надежности данных приборов. Для многих применений, в частности в космической технике при передаче энергии на расстояние, ключевую роль играет коэффициент полезного действия (КПД) излучателей. Лазерные диоды на ОаАз на дзину волны около 1 мкм обладают наибольшими потенциальными возможностями но коэффициенту преобразования
-6-
электрической энергии в направленную световую волну. Исследованиям многомодовых лазеров, направленным на повышение их мощности и КПД, посвящена вторая глава.
Особое место в применении полупроводниковых лазеров занимает рынок телекоммуникаций, который в настоящий момент потребляет около 70% всех лазерных диодов и демонстрирует ежегодный прирост более чем на 40%. Однако, волоконно-оптические сети пока занимают лишь матую часть общего рынка локатьных сетей (протяженностью менее I км) вследствие высокой стоимости передающего модуля, базирующегося на МЗаАвРЛпР традиционных лазерах (Х=1.3 мкм). В данное время в мире ведутся интенсивные исследования по созданию принципиально нового излучателя на длину волны 1.3 мкм. Это вертикально излучающий лазер, обладающий рядом преимуществ и значительно более дешевый. Потенциально такой прибор может быть создан на ОаАя-подложке с использованием Ы-содержащих твердых растворов. Третья глава данной работы посвящена изучению ЬЮаАвК/АЮаАз/ОаАя гетероструктур.
Тема работы, направленная на исследование свойств, разработку и оптимизацию мощных одномодовых и многомодовых лазерных диодов в системах гвердых растворов ^ОаАз/АЮаАя/ОаАз и ^ОаАзН/АЮаАБ/СаАБ является актуальной как с научной, гак и с практической точек зрения.
-7-
Основная цель работы заключается в создании мощных одномодовых и
многомодовых лазерных диодов на базе ІпОаАзР/ІпСгаР/СаАз и
ІпОаАз/АЮаАз/ваАз двойных гетероструктур раздельного оіраничения
(ДГС РО), а также в получении низкопорогового мощного лазера с новым
материалом ІпСаАзІЧ в качестве активной области.
Научная новизна работы.
1. Впервые обнаружен и исследован эффект аномального влияния температуры на модовый состав излучения зарощенных мезаполосковых лазеров.
2. Построена теоретическая модель зарощенного мезаполоскового лазера, описывающая модовый состав излучения для различных распределений плотностей тока и скоростей граничной рекомбинации на стенках мезы. Данная модель хорошо согласуется с экспериментальными данными.
3. Проведена оптимизация уровней легирования МлаАз/АЮаАз/ОаАз гетероструктуры и отвода тепла от зеркал с целью увеличения коэффициента полезного действия и выходной мощности лазерных диодов.
4. Исследованы причины катастрофической оптической деградации зеркал ІпОаАз/АЮаАя/СаАя мощных лазеров.
5. Исследована возможность создания мощных лазерных диодов на подложках СаАБ с длиной волны генерации 1.3 мкм с материалом ЬпОаА&Ы в качестве активной области.
-8-
Основныс научные положения, выносимые на защиту:
1. Увеличение температуры приводит к изменению модового состава лазерных диодов с доминированием основной моды излучения.
2. Переход к одномодовому режиму с увеличением температуры связан с изменением профиля концентрации инверсных носителей в активной области.
3. Оптимизация профиля легирования и болсс совершенная кристаллическая структура эпитаксиальных слоев йЮаАз/АЮаАз/СаАэ гстероструктур позволяет получить лазерные диоды с максимальным коэффициентом полезного действия до 67%.
4. Фактором, ограничивающим максимальную выходную мощность ХпСаАз/АЮаАэ/СаАз лазерных диодов, является общий разогрев кристалла, а не катастрофическая оптическая деградация зеркал.
5. Применение [пСаАБШлаАзП в качестве активной области позволяет получать мощные низкопороговые лазерные диоды на подложках ваАз с длиной волны генерации 1.3 мкм, обладающие повышенной температурной стабильностью.
Практическая ценность работы:
1. Определены причины изменения модового состава генерации зарощенных мезаполосковых лазеров от температу ры.
2. Разработана универсальная конструкция мезаполосковых лазеров, которая позволяет подавлять генерацию мод высших порядков и получать
-9-
мощное до 220 мВт одномодовое излучение в различных системах гетероструктур с длинами волн в диапазоне 0,78*1.03 мкм.
3. Разработаны методики монтажа лазерных диодов на теплоотвод и нанесения интерференционных покрытий на сколотые грани, обеспечивающие эффективный отвод тепла от выходного зеркала лазера. На лазере с апертурой 100 мкм, изготовленном по этой технологии, достигнута рекордная мощность излучения (12.2 Вт) в непрерывном режиме.
4. Получены InGaAs/AlGaAs/GaAs гетероструктуры с низкими внутренними потерями и низким последовательным сопротивлением, что позволило достигнуть рекордного максимального КПД лазерных диодов 67 %, с сохранением КПД более 60 % при мощностях до 6 Вт.
5. Созданы мощные низкоиороговые лазерные диоды на базе InGaAsN/AlGaAs/GaAs квантово-размерных гетерострукгур с характеристической температурой порогового тока Та = 90 К, излучающие на длине волны 1.3 мкм.
Апробация работы.
Основные результаты диссертационной работы были представлены в 19
докладах на различных международных конференциях, а также на научных
семинарах в Optoelectronics Department of “Infineon Corporation” и Physics
Department of Berlin Technical University.
- 10-
Публнкации.
По результатам исследований опубликовано более 40 научных работ, из них 20 непосредственно по теме диссертационной работы. Их список приведен в конце автореферата.
Ст рукту ра и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка
цитированной литературы. Общий объем диссертации составляет 163 страницы, в том числе 119 страниц основного текста, 44 рисунка на 44 страницах. Список цитированной литературы включает в себя 105 наименований.
Структура диссертации.
Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка
цитированной литературы.
Первая глава посвящена одномодовым мощным лазерам на базе гетероструктур, выращенных на подложках СаАэ методами жидкофазной и металлоорганической газо-фазной эпитаксии (МОГФЭ). Рассматриваются конструкции зарощенной и мелкой мезы.
Вторая глава посвящена многомодовым мощным МСаАз/АЮаАв/СаАБ лазерам с диной волны излучения около 1 мкм. Представлен обзор литературных данных по последним достижениям в данной области. Рассматриваются усовершенствования в гетероструктурах, в технологии постростовых операций, новые методики измерений. Приведены результаты
-11 -
исследований оптических, электрических и температурных свойств мощных лазеров на базе гетсроструктур с различными параметрами.
В третьей главе представлены результата исследований излучательных характеристик ЫСаАэМ/СаАз гетсроструктур и мощных многомодовых лазеров на их основе. Представлены возможные пути получения термостабильных длинноволновых лазеров и дан обзор литературы но работам в каждом из этих направлений. Представлены исследования по росту азотосодержащих слоев методом молекулярно пучковой эпитаксии (МПЭ). Представлены исследования полученных гетероструктур и мощных лазеров на их основе.
В заключении диссертации формулируются наиболее важные результаты.
Диссертационная работа выполнена в лаборатории полупроводниковой люминесценции и инжекционных излучателей ФТИ им. А.Ф.Иоффе РАН в соответствие с планом научно-исследовательских работ.
- 12-
Глава 1. Мощные одномодовые лазерные диоды на базе 1пСаА8Р/1пСаР/СаА8- и 1пСаА8/АЮаА8/СаА8-гетероструктур.
В настоящей главе приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований оптических и электрических характеристик мощных одномодовых лазерных диодов на базе I ива А 8 Р/ЬЮ аР/Са Аз- (Я = 0.78 * 0.82 мкм) и йгСаАз/АЮа Аз/ва Аб-
(Л = 0.95 * 1.05 мкм) гетероструктур. На базе модели эффективного показателя преломления приведен теоретический расчет конкуренции мод в двумерном диэлектрическом волноводе в лазерном диоде мезалолосковой конструкции. Описан впервые наблюдавшийся эффект влияния температуры на модовый состав дальнего поля зарощепных мезаполосковых лазеров. Данный эффект исследован и объяснен с помощью приведенной теоретической модели, и на его основании предложена новая конструкция мезаполосковых одиомодовых лазерных диодов, позволившая существенно повысить мощность излучения в фундаментальной моде.
-13-
§1.1 Обзор литерату рных данных по одномодовы.м лазерам на базе гетсроструктур на подложках СаАя.
П.п. 1.1.1. Развитие полупроводниковых лазеров.
Полупроводниковые лазеры составляют значительную и наиболее динамично развивающуюся часть мировой электронной промышленности. Лазерные диоды на базе арсенида і'аллия благодаря своей высокой эффективности, широкому спектральному диапазону и низкой стоимости находят самое широкое применение. Ежегодный прирост их производст ва в течение последнего десятилетия составляет' не менее 40% в год в финансовом выражении [1].
Принципиальная концепция создания лазера на базе полупроводниковых материалов была выдвинута в 1961 г., когда Басов и др. [2] показали возможность стимулированного излучения в арссниде галлия, вызванного рекомбинацией носителей, инжекгированных через р-п-иереход. В ходе развития технологии, и в частности жидкофазной эпитаксии, конструкция лазера претерпела значительные изменения, и современные приборы мало похожи на первые действующие лазеры образца 1962 года. Гетероструктуры нашли свое применение в конструкции лазерных диодов в 1969г [3]. Результатом стало превращение полупроводникового лазера из уникального прибора, работающего при криогенных температурах, в
-14-
эффсктивный и надежный источник излучения, способный работать непрерывно при комнатной температу ре.
Первая конструкция, которая позволила осуществлять непрерывный режим генерации при комнатной температуре, была двойная гетероструктура (ДГС) [4,5]. Первые лазеры, работающие в непрерывном режиме при 300 К [4,6] и выше [7], излучали на длине волны X ~ 0.87 мкм и были изготовлены на основе твёрдых растворов А1хОа1.хА5/ОаА8 и А1хСа1_хА8/А1уОа1-уА8. У лазеров на основе ДГС экстраполированный срок службы при уровнях мощности, необходимых для огггичсской связи, превысил в 1977 году' 105 ч. [8,9]. Первые лазеры на основе ДГС в системе 1пСаЛ5Р/1пР были изготовлены Богатовым и др. [10] и Сс [11]. В 1976 году Се и др. достигли непрерывного режима работы на длине волны 1.1 мкм [12], а Ямамото и др. расширили диапазон длин волн излучения до 1.34 мкм [13]. Среди отечественных исследователей о [пСаАзР лазерах, работающих в непрерывном режиме, первыми сообщили Алфёров и др. [14], а также Долгинов и др. [15]. Первые ДГС лазеры с длиной волны излучения 1.55 мкм были почти одновременно изготовлены Кавагучи и др. [16], Акиба и др. [17], а также Араи и др. [18].
Следующим шагом на пули развития конструкций лазерных диодов стало применение многослойных структур, в которых волновод обеспечивает раздельное оптическое и электронное ограничение [19,20,21]. Такая структура получила название двойной гетеросфуктуры с раздельным
- 15-
ограничением (ДГС РО). Первые лазеры на основе ДГС РО были изготовлены в системе Л^ва^Аз/СаАБ [20*22]. В системе [пСаАзР/СаАз первые лазеры с раздельным электронным и оптическим ограничением были получены отечественными исследователями в 1984 г. методом жидкофазной эпитаксии (ЖФЭ) [23].
В настоящее время существует большое количество разнообразных конструкций гетероструктур с раздельным оптическим и электронным ограничением. Большинство из этих структур может быть создано только методами металлоорганической газо-фазной эпитаксии (МОГФЭ) или молекулярно-пучковой эпитаксии (МПЭ) [24].
Большинство работ посвященных лазерам на длину волны около 0.8 мкм обращены к лазерам на основе АЮаАзАЗаАв. Появление двойных гетероструктур с раздельным ограничением позволило резко увеличить максимальную мощность одномодовых АЮаАя/СаАз лазеров благодаря уменьшению плотности оптической энергии в активной области (АО) [3]. Однако локальный разогрев зеркал в этих лазерах представляет серьезную проблему, ограничивая максимальную мощность и уменьшая срок службы приборов [25]. При исследовании лазеров с раздельным ограничением в системе ГпОаАзР/ОаАз был отмечен, наряду с другими преимуществами этой свободной от А1 системы, существенно меньший разогрев зеркал по сравнению с аналогичными АЮаАя/ОаАБ лазерами [26,27].