Введение к работе
Актуальность темы исследования
В современных системах приема-передачи информации, использующих сверхширокополосную связь, цифровая обработка сигналов является ключевым процессом, обеспечивающим качество и скорость связи. Ее использование открывает широкие возможности обработки сигналов программными методами. В электронных аналого-цифровых преобразователях быстродействие ограничено дрожанием тактовой частоты, переходными процессами в электрических цепях и скоростью преобразования схем на основе транзисторов на уровне 1010 отсчетов в секунду при частоте тактового сигнала 15-20 ГГц на 1 канал передачи данных. Использование оптических аналого-цифровых преобразователей позволяет увеличить быстродействие 1 канала передачи данных до 51011 отсчетов в секунду и частоту тактового сигнала до 100 ГГц [1].
Для оптических аналого-цифровых преобразователей требуется источник тактовых оптических импульсов с высокой стабильностью во времени и по амплитуде. Последовательности оптических импульсов выполняют функцию дискретизации по времени информационного сигнала. Одним из перспективных вариантов реализации источника оптических импульсов является полупроводниковый лазер – компактный и надежный прибор, позволяющий получать оптические импульсы со сверхвысокими частотами повторения как методом прямой токовой модуляции, так и при синхронизации мод лазера [2, 3].
Гетероструктуры на основе твердых растворов арсенидов индия, галлия и алюминия на подложке фосфида индия InP являются основой для создания эффективных лазерных излучателей, генерирующих оптический сигнал с длиной волны 1525-1565 нм [4]. Важным преимуществом устройств на основе InP является возможность достижения рабочих частот, недоступных для устройств на других материальных платформах [5].
Цель работы
Разработка физико-технологических основ оптимизации свойств напряженных полупроводниковых гетероструктур InGaAlAs/InGaAs/InP на подложках InP для изготовления высокоэффективных лазерных диодов, излучающих в спектральном диапазоне 1525-1565 нм: лазеров с пассивной синхронизацией мод (ПСМ) и вертикально-излучающих лазеров (ВИЛ).
Задачи работы
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
– разработка физических основ конструирования полупроводниковых лазерных гетероструктур с напряженными квантовыми ямами (КЯ) InGaAs на подложке InP, обеспечивающих генерацию оптического излучения в спектральном диапазоне 1525-1565 нм, включая определение базовых конструктивных параметров полупроводниковых слоев: химического состава, толщины и оптимального уровня легирования;
– разработка технологии эпитаксиального выращивания
полупроводниковых гетероструктур с напряженными КЯ InGaAs на подложке InP методом молекулярно-пучковой эпитаксии (МПЭ) и выбор оптимального
способа изготовления, – способ непрерывного осаждения или субмонослойный рост, – для получения наилучших структурных и оптических характеристик;
– характеризация напряженных гетероструктур InGaAlAs/InGaAs/InP методами фотолюминесценции (ФЛ), рентгеноструктурного анализа (РА) и просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) для определения максимально допустимого несоответствия между параметрами кристаллических решеток КЯ и подложки, эффективности оптической генерации гетероструктур с различными параметрами несоответствием, минимальной толщины КЯ;
– изготовление лазерных диодов полосковой конструкции на основе полупроводниковых гетероструктур со сверхтонкими напряженными КЯ InGaAs для исследования пороговых характеристик, оптического усиления и уровня внутренних потерь в зависимости от длины резонатора, количества ям и уровня легирования барьерных слоев;
– изготовление лазера с ПСМ на основе полупроводниковой гетероструктуры с напряженными КЯ InGaAs и исследование его частотных и временных характеристик;
– определение перспективности использования напряженных гетероструктур InGaAlAs/InGaAs/InP в активной области ВИЛ с прямой токовой модуляцией.
Научная новизна
Изготовлены лазерные диоды спектрального диапазона 1525-1565 нм на основе полупроводниковых гетероструктур InGaAlAs/InGaAs/InP с напряженными КЯ. Гетероструктуры выращены по технологии МПЭ без использования фосфора – токсичного для человека и грязного в производстве вещества. Компактная активная область со сверхтонкими напряженными КЯ InGaAs толщиной 2-3 нм демонстрирует высокое модовое усиление, сравнимое с тем, которое демонстрируют КЯ InGaAsP большей толщины. В напряженной КЯ InGaAs у потолка валентной зоны отсутствует подзона легких дырок, и в излучательной рекомбинации участвуют только электроны и тяжелые дырки. При использовании сверхтонких КЯ электроны сильно локализованы в КЯ, и существует только один уровень размерного квантования электронов, который находится ниже дна зоны проводимости барьера на 110-120 мэВ.
Для изготовления гетероструктур была разработана технология получения напряженных КЯ InGaAs методом МПЭ с различными величинами несоответствия между параметрами кристаллических решеток КЯ и подложки InP. Были определены оптимальные параметры роста гетероструктур InGaAlAs/InGaAs/InP с напряженными КЯ. Полученные образцы гетероструктур были охарактеризованы при помощи РА и ФЛ.
Были разработаны и изготовлены лазерные напряженные полупроводниковые гетероструктуры In0,53Al0,20Ga0,27As/In0,67Ga0,33As/InP и In0,53Al0,27Ga0,20As/In0,74Ga0,26As/InP с различным количеством КЯ в активной области и лазерные диоды полосковой конструкции спектрального диапазона 1525-1565 нм на их основе. В изготовленных устройствах были исследованы пороговые и оптические характеристики и уровень внутренних потерь в
зависимости от длины резонатора, найдены оптимальные решения для изготовления эффективных полупроводниковых лазеров.
Были изготовлены лазеры с ПСМ на основе напряженной гетероструктуры In0,53Al0,20Ga0,27As/In0,67Ga0,33As/InP, которые продемонстрировали стабильную генерацию оптических импульсов пикосекундной длительности.
Обнаружено, что p-легирование барьерных слоев в гетероструктуре In0,53Al0,27Ga0,20As/ In0,74Ga0,26As/InP до уровня 11012 - 21012 см-2 приводит к подавлению безызлучательной рекомбинации. Экспериментально показано, что применение метода p-легирования барьерных слоев должно приводить к росту частоты прямой токовой модуляции ВИЛ на основе напряженной гетероструктуры In0,53Al0,27Ga0,20As /In0,74Ga0,26As/InP.
Практическая значимость работы
Исследование лазерных напряженных полупроводниковых гетероструктур InAlGaAs/InGaAs/InP является важным шагом в освоении отечественной компонентной базы радиофотоники, работающей в C- и L- полосах пропускания. Напряженные гетероструктуры позволяют реализовать активные области лазерных диодов с высоким уровнем оптического усиления и изготавливать на их основе ВИЛ с частотой прямой модуляции более 10 ГГц или лазеры с ПСМ с низким временным дрожанием излучаемых оптических импульсов. Лазеры таких типов могут быть использованы в качестве источников оптических импульсов в радиофотонных системах.
Методы исследования
Напряженные гетероструктуры InGaAlAs/InGaAs/InP на подложке InP изготовлены методом МПЭ.
Лазерные диоды полосковой конструкции изготавливались методами контактной фотолитографии, прецизионного сухого травления многослойных гетероструктур, планаризации диэлектриком, вакуумного напыления омических контактов.
Полупроводниковые структуры характеризовались методами РА гетероструктур, ФЛ и ПЭМ.
Лазерные диоды полосковой конструкции исследовались методами электролюминесценции и электронной микроскопии.
Динамические характеристики лазеров с ПСМ исследовались на специальном измерительном стенде, работающем на сверхвысоких частотах. Оптические характеристики исследовались с помощью спектроанализатора сверхвысокого разрешения.
Основные положения, выносимые на защиту
-
Использование напряженных КЯ InGaAs в лазерных полупроводниковых гетероструктурах, изготовленных без использования фосфора на подложке InP, позволяет достигать высокого модового оптического усиления на одну КЯ, сравнимого с усилением в гетероструктурах на основе КЯ InGaAsP, и получать эффективную лазерную генерацию при комнатной температуре.
-
Разработанный метод создания напряженных КЯ InGaAs позволяет
изготавливать лазерные гетероструктуры с широким спектром излучения 1532-1538 нм, а экспериментальные образцы лазеров на основе гетероструктур со сверхтонкими напряженными КЯ InGaAs демонстрируют устойчивый режим ПСМ лазера с частотой следования импульсов 10 ГГц и временным дрожанием оптических импульсов величиной не более 150 фс.
3. Легирование барьерных слоев InGaAlAs примесью углерода (примесь p-типа) в напряженных гетероструктурах InGaAlAs/InGaAs/InP с КЯ приводит к подавлению безызлучательной рекомбинации по сравнению с гетероструктурой с нелегированными барьерными слоями.
Степень достоверности
Измерения характеристик напряженных полупроводниковых гетероструктур и лазерных диодов были проведены с использованием высокоточных измерительных приборов с низкой инструментальной погрешностью, калиброванных производителем или по эталону, или прошедших метрологическую поверку. Для исследования оптических, электрических и механических характеристик разработанных структур и устройств использовались стандартные методики. Результаты расчетов параметров лазерных гетероструктур совпадают с результатами проведенных измерений.
Личный вклад автора
Все представленные в диссертации результаты получены автором лично или при его определяющем участии. Автор принимал решающее участие в постановке и решении задач, в конструкторской, технологической и диагностической работах, интерпретации результатов расчета и эксперимента и последующей подготовке публикаций в рецензируемых журналов. Он лично представлял научные результаты на всероссийских и международных конференциях.
Апробация работы
Результаты диссертации доложены на следующих конференциях: V Всероссийская конференция "Электроника и микроэлектроника СВЧ", Санкт-Петербург, Россия, 2016; International Conference on Metamaterials and Nanophotonics «METANANO – 2016», «METANANO – 2017», Анапа, Владивосток, Россия, 2016, 2017; 5-й Российский симпозиум с международным участием, Полупроводниковые лазеры: физика и технологии, Санкт-Петербург, Россия, 2016; 18-я, 19-я молодежная конференция по физике полупроводников и наноструктур, полупроводниковой опто- и наноэлектронике, Санкт-Петербург, Россия, 2016, 2017; Saint Petersburg OPEN 2017, 2018, Санкт-Петербург, Россия, 2017, 2018; XIII Российская конференция по физике полупроводников, Екатеринбург, Россия, 2017; Всероссийская конференция по волоконной оптике ВКВО-2017, Пермь, Россия, 2017; Международная молодежная конференция ФизикА.СПб/2017, Санкт-Петербург, Россия, 2017.
Публикации
Основное содержание диссертации опубликовано в 11 работах, из них 9 публикаций, в изданиях из перечня ВАК или приравненных к перечню ВАК.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка сокращений и условных обозначений и списка литературы. Общий объем диссертации составляет 149 страниц, включая 72 рисунка и 14 таблиц. Список литературы содержит 180 наименований.