2
Оглавление
Введение............................................................... 5
Глава 1 Обзор литературы. Мощные полупроводниковые лазеры на основе
квантово-размерных гетероструктур раздельного ограничения А1-1п-
Са-Аэ-Р/ОаАз........................................................... 9
§1.1 Мощные лазеры с ЫСдАб активной областью................................ 9
§1.2. Внутренние потери в симметричных гетсроструктурах с расширенным
волноводом............................................................ 16
§1.3 Асимметричные лазерные гетероструктуры................................ 18
§1.4 Эффекты, ограничивающие максимальную мощность излучения
лазерного диода....................................................... 20
§1.5 Фундаментальный предел мощности излучения полупроводниковых
лазеров............................................................... 24
§1.6 Выводы по обзору литературы........................................... 26
Глава 2 Теория асимметричных лазерных гетероструктур со сверхнизкими
внутренними оптическими потерями...................................... 27
§2.1 Анализ пороговой плотности тока и усиления в квантоворазмерных
лазерах с активными областями на основе твердых растворов 1п-Са-Аз.. 27
§2.2 Модель пятислойного плоского диэлектрического волновода............... 39
2.2.1 Уравнения Максвелла и волновое уравнение.............................. 39
2.2.2 Решения волнового уравнения для ТЕ-мод в пятислойной структуре 40
2.2.3 Дисперсионное уравнение и его решение................................. 42
§2.3 Внутренние оптические потери в лазерной гетерострукгуре со
сверхтолстым волноводом............................................... 46
2.3.1 Основные определения.................................................. 46
2.3.2 Оптические потери в активной области.................................. 48
2.3.3 Внутренние оптические потери на рассеяние в волноводе и эмиттерах... 52
2.3.4 Расчет внутренних оптических потерь................................... 55
§2.4 Асимметричные лазерные гетероструктуры. Селекция мод высших
порядков в многомодовых сверхтолстых волноводах..................... 65
Глава 3 Разработка и исследование излучательных и электрических
характеристик полупроводниковых лазеров на основе асимметричных гстсроструктур со сверхтолстым волноводом........................... 73
§3.1 Эпитаксиальные и иостростовые технологии лазерных гетероструктур.. 73
§3.2 Анализ ватт-амперных характеристик лазерных диодов, изготовленных
на основе асимметричных гетероструктур со сверхтолстым волноводом................................................... 78
§3.3 Внутренние оптические потери и внутренняя дифференциальная
квантовая эффективность стимулированного излучения лазерных диодов на основе асимметричных лазерных гетероструктур со сверхтолстым волноводом............................................. 85
§3.4 Анализ порогового тока лазерных диодов, изготовленных на основе
асимметричных гетероструктур со сверхтолстым волноводом............. 88
§3.5 Коэффициент полезного действия лазерных диодов, изготовленных на
основе асимметричных гетероструктур со сверхтолстым волноводом ... 91
§3.6 Исследование температурной зависимости пороговой плотности тока
лазерных диодов, изготовленных на основе асимметричных гетероструктур со сверхтолстым волноводом.................... 97
§3.7 Исследование диаграммы направленности излучения в дальней зоне от
тока накачки лазерных диодов, изготовленных на основе асимметричных гетероструктур со сверхтолстым волноводом..... 100
3.7.1 Диаграмма направленности излучения в дальней зоне лазерных диодов,
изготовленных на основе асимметричных гетероструктур с толщиной волновода 1.7 мкм........................................... 100
3.7.2 Моделирование асимметричных гетероструктур со сверхтолстым
волноводом, обладающих повышенной способностью селекции мод высших порядков............................................. 103
3.7.3 Излучательные характеристики лазерных диодов, изготовленных на
основе асимметричных гетероструктур со сверхтолстым волноводом, обладающих повышенной способностью селекции мод высших порядков............................................................ 106
§3.8 Исследование спектральных характеристик лазерных диодов,
4
изготовленных на основе асимметричных гетероструктур со
сверхтолстым волноводом............................................... 112
, §3.9 Исследование срока службы лазерных диодов, изготовленных на
основе асимметричных гетероструктур со сверхтолстым
волноводом............................................................... 117
Заключение............................................................... 124
Литература............................................................... 126
л
*>
ь
4
»
Введение
Мощные полупроводниковые лазеры прошли долгий путь развития от момента получения первой генерации'в непрерывном режиме при комнатной температуре в 1970 г до создания лазерных диодов с мощностями излучения более 10 Вт в 1998 г. В основе прогресса мощных лазеров лежали как усовершенствование технологии изготовления, так и появление новых научных подходов к разработке гетероструктур. Если первые лазерные диоды на основе двойных гетероструктур, созданные методом жидкофазной эпитаксии, имели внутренние оптические потери более 10 см'1, то современные эпитаксиальные технологии, такие как МОС-гидридная и молекулярно пучковая, позволили создать на основе квантово-размерных двойных гетерострукгур раздельного ограничения с расширенным волноводом лазерные диоды с внутренними оптическими потерями менее 1 см*1. Снижение величины внутренних оптических потерь дало возможность существенно повысить выходные мощности непрерывного излучения и КПД приборов. В настоящее время мощные лазерные диоды активно
используются для накачки волоконных усилителей, твердотельных и волоконных
лазеров. Таким образом, работы, направленные на разработку гстероструктур и создание лазерных диодов со сверхнизкими внутренними потерями на их основе являются актуальной задачей, как с научной, так и с практической точек зрения.
Основная цель работы заключалась в разработке и исследовании
электрических и оптических свойств АЮаАз/ОаАэЛпОаАз квантово-размерных асимметричных гетероструктур раздельного ограничения со сверхтолстым волноводом (т.е структур, активная область в которых расположена в многомодовом волноводе толщиной более 1 мкм и смещена относительно его центра), и создании на их основе мощных полупроводниковых гетеролазеров со сверхнизкими внутренними
оптическими потерями и узкой диаграммой направленности излучения в плоскости, перпендикулярной р-п-переходу.
Для достижения поставленной пели решался следующий комплекс задач.
1. Построение модели подавления поперечных мод высшего порядка в сверхтолстом многомодовом волноводе квантово-размерной асимметричной гетероструктуры раздельного ограничения.
2. Разработка АЮаАзЮаАзЛпОаАз квантово-размерной гетероструктуры раздельного ограничения со сверхнизкими внутренними оптическими потерями и узкой диаграммой направленности излучения в плоскости, перпендикулярной р-п-переходу.
3. Исследование электрических и оптических характеристик AlGaAs/GaAs/InGaAs квантово-размерных асимметричных гетероструктур раздельного ограничения со сверхтолстым волноводом.
4. Создание и исследование свойств мощных многомодовых полупроводниковых лазеров на основе AlGaAs/GaAs/InGaAs квантово-размерных асимметричных гетероструктур раздельного ограничения со сверхтолстым волноводом. Представляемые к защите научные положения и результаты.
Положения.
1. Прецизионное смещение активной области в двойной гетероструктуре раздельного ограничения обеспечивает подавление генерации мод высших порядков в сверхтолстых многомодовых волноводах.
2. Расширение волноводного слоя более 1 мкм при прецизионном смещении активной области в двойной гетероструктуре раздельного ограничения снижает величину внутренних оптических потерь.
3. Нижним пределом внутренних оптических потерь являются потери на поглощение на свободных носителях заряда в активной области квантово-размерной двойной гетероструктуры раздельного ограничения.
Результаты.
1. Построена модель подавления мод высшего порядка в асимметричной гетероструктуре раздельного ограничения со сверхтолстым волноводом посредством вариации усиления мод.
2. Разработана и создана лазерная квантово-размерная AlGaAs/GaAs/ InGaAs гетероструктура раздельного ограничения со сверхтолстым многомодовым волноводом, обеспечивающая устойчивую генерацию основной фундаментальной моды.
3. В лазерах на основе квантово-размерной AlGaAs/GaAs/InGaAs гетероструктуры раздельного ограничения со сверхтолстым волноводом достигнуты внутренние оптические потери 0.34 см'1 и расходимость излучения 15° - 20° в плоскости, перпендикулярной р-п-переходу.
4. В системе твердых растворов AlGaAs/GaAs/InGaAs созданы многомодовые полупроводниковые лазеры со сверхтолстым волноводом, излучающие на длине волны 1080 нм оптическую мощность 16 Вт и с максимальным КПД, 74 %, в непрерывном режиме генерации.
Научная новизна.
1. Предложен метод подавления мод высшего порядка в сверхтолстом многомодовом волноводе квантово-размерной гетероструктуры раздельного ограничения посредством вариации усиления отдельных мод.
2. Экспериментально показано, что в асимметричной квантово-размерной двойной гетероструктуре раздельного ограничения со сверхтолстым многомодовым волноводом удается подавить генерацию всех мод, кроме нулевой.
3. Показано, что нижним фундаментальным пределом величины внутренних оптических потерь в квантово-размерной двойной гетероструктуре раздельного ограничения являются оптические потери на поглощение на свободных носителях заряда в активной области при пороговой концентрации прозрачности.
4. Экспериментально показано, что в полупроводниковых лазерах на основе асимметричных гетероструктур со сверхтолстым волноводом практически достигнут нижний фундаментальный предел внутренних оптических потерь.
Практическая ценность.
1. В лазерах на основе квантово-размерных асимметричных гетероструктур
раздельного ограничения со сверхтолстым волноводом внутренние оптические потери снижены до 0.34 см'1.
2. Созданы мощные (16 Вт) полупроводниковые лазеры на основе квантово-размерных асимметричных гетероструктур раздельного ограничения со сверхтолстым волноводом в системе твердых растворов AIGaAs/GaAs/InGaAs.
3. В лазерах на основе квантово-размерных асимметричных гетероструктур
раздельного ограничения со сверхтолстым волноводом достигнуто максимальное значение коэффициента полезного действия, 74 %.
4. В лазерах на основе квантово-размерных асимметричных гетероструктур
раздельного ограничения со сверхтолстым волноводом расходимость излучения в плоскости, перпендикулярной р-п-переходу снижена до15° - 20°.
Приоритет результатов. В диссертации впервые представлена модель подавления мод высших порядков в сверхтолстых многомодовых волноводах. Достигнутые выходные оптические характеристики (величина непрерывной мощности 16 Вт и КПД, 74 %) лазерных диодов, изготовленных на основе разработанных асимметричных гетероструктур со сверхтолстым волноводом (X = 1080 нм) являются рекордными значениями в мире на момент написания работы.
8
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на 12 -ой Международной конференции «International Symposium Nanostructures: Physics and Technology», 2004, июнь, С.-Петербург; на 19-ой Международной конференции «Semiconductor Laser Conference», 2004, сентябрь, Матсуэ-ши, Япония.
Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 9 работ, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка цитированной литературы.
В первой главе дан обзор литературных данных посвященных мощным многомодовым полупроводниковым гетеролазерам, выращенным на подложке GaAs.
В главе два рассмотрена теория асимметричных лазерных гетероструктур со сверхнизкими внутренними оптическими потерями. Проведен теоретический анализ влияния параметров лазерной гетероструктуры на величину внутренних оптических потерь с целью достижения их минимального значения. Для этого на основе экспериментальных данных получена аналитическая зависимость материального усиления от пороговой концентрации носителей в квантовой яме. Также разработан новый метод подавления генерации мод высших порядков в многомодовых волноводах лазерных гетероструктурах со сверхнизкими внутренними оптическими потерями.
В Главе три представлены результаты исследований излучательных характеристик асимметричных лазерных гетероструктур со сверхнизкими внутренними оптическими потерями. Глава три посвящена созданию мощных многомодовых лазерных диодов на основе асимметричных лазерных гетероструктур со сверхтолстым волноводом и экспериментальному исследованию их излучательных характеристик.
v
♦
Глава 1 Обзор литературы. Мощные полупроводниковые лазеры на основе квантово-размерных гетероструктур раздельного ограничения АМп-Са-Ав-Р/СаАя
§1.1 Мощные лазеры с 1пСаАз активной областью
В конце 1954 г. независимо и почти одновременно в лабораториях Физического институту им. Лебедева в Москве под руководством А.М. Прохорова был разработан проект, а в лаборатории Колумбийского университета в Нью-Йорке под руководством
Ч. Таунса был создан действующий мазер на пучке молекул аммиака. Это был первый прибор, работавший на квантовых принципах, в основе которого лежало явление усиления электромагнитных колебаний с помощью индуцированного излучения.
Методы, развитые для радиодиапазона, затем были перенесены в оптический диапазон, и в 1960 г. был создан рубиновый лазер, а в 1961г. газовый лазер, работающий на смеси гелия и неона.
Параллельно с развитием квантовой электроники быстрыми темпами развивалась физика полупроводников. Принципы работы полупроводникового лазера с электрической накачкой были сформулированы в период 1957 - 1959 гг. в связи с использованием идеи пробойных явлений для получения большой концентрации избыточных носителей в полупроводнике [1]. В 1961 г. в работе [2] впервые было сформулировано квазиравновесное условие инверсного заполнения в полупроводнике для межзонных переходов с испусканием кванта света, определяющее необходимое требование возникновения вынужденного излучения. Одновременно оно было выведено в работе [3]. Авторы работ [2,3] показали, что расстояние между квазиуровнями Ферми, соответствующими неравновесным концентрациям электронов и дырок в активной области, должно превосходить энергию излучаемого фотона.
В то время, как многие исследователи изучали возможность создания инжекционных лазеров, Наследов и др. [4] в начале 1962 г. сообщили о незначительном сужении спектра электролюминесценции диода на арсениде галлия при 77К и плотности тока 1.5*103 А/см2. В исследуемой ими схеме резонатор отсутствовал, и не было ясно, было ли сужение спектра вызвано возникновением вынужденного излучения. К сентябрю 1962 г. Холл и др. [5] с полной определенностью получили когерентное излучение из смещенного в прямом направлении р-п-перехода в ваАв при 77 К. Лазеры, состоящие из одного полупроводника, принято называть лазерами на гомоструктурах (рис. 1.1.1а).
Колоньяк и Бивекуа [6] вскоре после появления работы [5] получили инжекционньгй лазер, работающий при 77 К. Новизна этой работы состояла в том, что впервые для получения инжекционного лазера был использован кристаллический твердый раствор элементов III и V группы и выбран такой состав этого раствора, который давал излучение в видимой области спектра на длине волны 0.71 мкм.
В работе [2] была указана возможность использовать для образования резонатора отражение от естественных граней полупроводника. Этот же способ формирования резонатора Фабри-Перо в полупроводниковом лазере, за счет получение параллельных зеркал путем скалывания кристалла вдоль параллельных кристаллических плоскостей, был опробован Колоньяком. Однако использовавшийся им материал плохо кололся. Поэтому Колоньяку пришлось работать с полированными кристаллами. Бонд и др. [7] первыми сообщили в 1963 г. о применении в качестве зеркал инжекционного лазера граней, полученных при скалывании кристалла. Общей и весьма неприятной чертой инжекционного гомолазера (рис. 1.1.1а) являлись очень высокие значения плотности порогового тока (>50000А/см2) при комнатной температуре.
Дальнейший прогресс в создании инжекционных лазеров был достигнут благодаря использованию гетероструктур. Применение гетеропереходов в инжекционном лазере было предложено независимо Ж.И. Алферовым с Р.Ф. Казариновым [8] и Г. Кремером [9] в 1963 г. В этих работах отмечалось, что инжекционные лазеры с улучшенными характеристиками могут быть получены при использовании структуры, в которой слой полупроводника с относительно узкой запрещенной зоной находился между двумя слоями из более широкозонного полупроводника (рис. 1.1.16). Контакт между двумя такими различными полупроводниками назвали гетеропереходом. Считалось, что эффективная излунательная рекомбинация будет возникать в узкозонном материале.
Однако было невозможно использовать выдвинутые концепции в связи с отрицательными результатами по созданию гетероперехода с бездефектной границей. Наилучшие результаты по решению этой задачи были достигнуты Ж.И Алферовым с сотрудниками, которые первыми в [10] заявили о создании методом жидкофазной эпитаксии решеточно-согласованной АКЗаАзЛЗаАз структуры. Несколько позже того же результата достигли Рупперхт с соавторами [11].
12
В 1968 г. Алферов и его сотрудники сообщили [12] об исследовании инжекции через р-п-гетеропереходы А1х<За|.хА8 - ОаАэ, а в работе [13], опубликованной в сентябре 1969 г. сообщалось о достижении плотностей порогового тока от 4103 до 13Т03А/см2 при температуре 300 К. Структура была выращена на подложке ОаАэ и состояла из слоя р-СаАэ, находящегося между слоями р- и п- А^СаюсАя. Такая двойная гетероструктура (ДГС) обеспечивала ограничение, как для излучения, так и для носителей заряда в узкозонном слое ОаАв. А в 1970 г. Алферовым с сотрудниками была опубликована статья [14], в которой сообщалось о получении ДГС лазера (рис. 1.1.16), работающего в непрерывном режиме генерации при 300К.
Таким образом, ДГС лазеры обладают следующими преимуществами: в гетероструктуре создается диэлектрический волновод, который 01раничивает световое поле в активном слое. Потенциальные барьеры, образованные разрывами зон, создают эффективное ограничение для инжектированных носителей заряда. Кроме этого, часть излучения, распространяющаяся вне активного слоя, находится в более широкозонном полупроводнике и не поглощается как это происходит в гомолазерах.
Получении ДГС лазера, работающего в непрерывном режиме генерации при комнатной температуре не остановило дальнейшее развитие полупроводниковых лазеров. Желание уменьшить достигнутые значения порогового тока и увеличить мощность излучения требовало использования новых подходов.
Лазеры на основе ДГС подразумевали, что функции активной области и волноводного слоя выполняет узкозонный полупроводник, помещенный между широкозонными слоями. В такой структуре величина порогового тока пропорциональна толщине активной области. Однако в области субмикронных значений снижение толщины сопровождается ростом порогового тока в связи с потерей волноводного эффекта.
Следующим шагом на пути развития конструкций лазерных диодов стало применение многослойных структур, в которых волновод обеспечивает раздельное оптическое и электронное ограничение [15,16,17]. Такая структура получила название двойной гетероструктуры с раздельным ограничением (РО ДГС) (рис. 1.1.1 в). Первые лазеры на основе РО ДГС были изготовлены в системе АЬсОаьхАБ/ОаАБ [16-48]. В системе [пОаАвР/ОаАБ первые лазеры с раздельным электронным и оптическим ограничением были получены отечественными исследователями в 1984 г. методом жидкофазной эпитаксии (ЖФЭ) [19]. В это время активные работы по исследованию и
- Київ+380960830922