Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Обзор литературы. Мощные полупроводниковые лазеры на основе квантово-размерных гетероструктур раздельного ограничения AlGaAs/InGaAз/GaAs 11
1.1 Концепция мощных полупроводниковых лазеров 11
1.2. Обзор литературных данных по мощным непрерывным полупроводниковым лазерам 14
1.3 Выводы по обзору литературы 35
Глава 2 Квантово-размерные асимметричные лазерные AlGaAs/InGaAs/GaAs гетероструктуры и полупроводниковые лазеры на их основе: изготовление и характеризация 36
2.1 Параметры исследуемых лазерных гетероструктур и технология их изготовления 36
2.2 Изготовление полупроводниковых лазеров (постростовые технологии) 44
2.2.1 Конструкция «мелкая меза» 44
2.2.2 Конструкция «глубокая меза» 52
2.3 Выводы к главе 2 55
Глава 3 Исследование фундаментальных причин ограничения мощности многомодовых лазеров на основе квантово-размерных асимметричных двойных гетероструктур раздельного ограничения в системе твёрдых растворов AlGaAs/InGaAs/GaAs при работе в непрерывном режиме генерации 57
3.1 Разогрев активной области полупроводникового лазера при работе в непрерывном режиме генерации 57
3.2 Температурная зависимость пороговой плотности тока и пороговой концентрации 61
3.3 Температурная делокализация носителей заряда 69
3.4 Температурная зависимость внутренних оптических потерь 74
3.5 Зависимость пороговой концентрации от количества квантовых ям в активной области 88
3.6 Выводы по результатам исследований фундаментальных причин, ограничивающих максимальную мощность многомодового полупроводникового лазера 91
Глава 4 Исследование излучательных и электрических характеристик полупроводниковых лазеров на основе оптимизированной конструкции квантово-размерной асимметричной двойной гетероструктуры раздельного ограничения в системе твёрдых растворов AlGaAs/InGaAs/GaAs при работе в непрерывном режиме генерации 92
4.1 Лазерные гетероструктуры мощных полупроводниковых лазеров в системе твёрдых растворов AlGaAs/InGaAs/GaAs 92
4.2 Внутренние оптические потери и температурная делокализация в полупроводниковых лазерах на основе лазеных гетероструктур в системе твёрдых растворов AlGaAs/InОaAs/GaAs 94
4.3 Основные оптические и электрические характеристики полупроводниковых лазеров на основе лазерных гетероструктур в системе твёрдых растворов AlGaAs/InGaAs/GaAs 98
4.4 Температурная стабильность характеристик полупроводниковых лазеров на основе лазерных гетероструктур в системе твёрдых растворов AlGaAs/InGaAs/GaAs 102
Заключение 105
Литература
- Обзор литературных данных по мощным непрерывным полупроводниковым лазерам
- Изготовление полупроводниковых лазеров (постростовые технологии)
- Температурная делокализация носителей заряда
- Внутренние оптические потери и температурная делокализация в полупроводниковых лазерах на основе лазеных гетероструктур в системе твёрдых растворов AlGaAs/InОaAs/GaAs
Введение к работе
Актуальность темы.
Полупроводниковые лазеры неуклонно вытесняют газовые, твердотельные и другие источники когерентного излучения из всех областей их практического применения. За последние годы в физике и технологии полупроводников сформировалось направление мощных полупроводниковых лазеров на базе концепции асимметричных лазерных гетероструктур раздельного ограничения с малыми внутренними оптическими потерями [1*]. Успехи, достигнутые в развитии мощных полупроводниковых лазеров трудно переоценить: мощность оптического излучения из одиночного источника превышает 16 Вт, а кпд достигает 75% в непрерывном режиме генерации [2* - 4*]. Достигнутые характеристики ставят вне конкуренции мощные полупроводниковые лазеры в системах оптической накачки волоконных и твердотельных квантовых генераторов, и технологических применениях по обработке материалов. Непрерывное развитие подобных лазерных систем требует постоянного совершенствования и улучшения мощностных характеристик полупроводниковых источников излучения. Прогресс в развитии эпитаксиальных и постростовых технологий привел к тому, что максимально достижимую мощность полупроводникового лазера стали ограничивать главным образом фундаментальные причины, ведущие к насыщению ватт-амперных характеристик, а не свойства, зависящие от уровня технологического исполнения лазера. Поэтому увеличение оптической мощности требует ясного понимания не только конструктивных и технологических, но также фундаментальных причин, ограничивающих оптическую мощность излучения полупроводниковых лазеров в непрерывном режиме генерации.
Таким образом, исследование свойств асимметричных гетероструктур раздельного ограничения и определение физических принципов повышения мощности полупроводниковых лазеров является актуальной задачей.
Основная цель работы заключалась в исследовании свойств квантово-размерных асимметричных АЮаАвЛпСаАв/СаАв гетероструктур раздельного ограничения и определении физических принципов повышения оптической мощности в непрерывном режиме генерации полупроводниковых лазеров на их основе.
Для достижения поставленной цели решался следующий комплекс задач.
Разработка асимметричных AlGaAs/InGaAs/GaAs гетеро-структур раздельного ограничения с минимальной пороговой концентрацией носителей заряда и низкими внутренними оптическими потерями.
Определение факторов, приводящих к снижению дифференциальной квантовой эффективности и ограничивающих максимально достижимую мощность полупроводниковых лазеров в непрерьшном режиме генерации.
Достижение высокой температурной стабильности характеристик мощных полупроводниковых лазеров на основе АЮаАвЛпСаАв/СаАв гетероструктур раздельного ограничения.
Исследование свойств мощных многомодовых непрерывных источников излучения на основе квантово-размерных, асимметричных АЮаАвЛпСаАв/СаАв гетероструктур раздельного ограничения.
Представляемые к защите научные положения и результаты.
Положения.
Снижение дифференциальной квантовой эффективности мощного полупроводникового лазера с увеличением тока накачки в непрерьшном режиме генерации происходит в результате увеличения внутренних оптических потерь при сохранении величины внутреннего квантового выхода стимулированного излучения близкой к 100%.
Температурная делокализация носителей заряда в волноводный слой гетероструктуры раздельного ограничения является основной причиной роста внутренних оптических потерь, и ее подавление исключает снижение дифференциальной квантовой эффективности полупроводникового лазера.
Увеличение концентрации делокализованных носителей заряда в расширенном волноводном слое гетероструктуры раздельного ограничения до величины п ~ 3-Ю17 см"3 ведет к резкому снижению дифференциальной квантовой эффективности и полному насыщению ватт-амперной характеристики мощных непрерывных полупроводниковых лазеров.
Снижение пороговой концентрации в квантово-размерных активных областях непрерывного полупроводникового лазера при сохранении низких внутренних оптических потерь ведет к максимальной линейности ватт-амперной характеристики и достижению максимальной мощности в непрерывном режиме генерации.
Результаты.
Созданы асимметричные AlGaAs/InGaAs/GaAs гетерострук-туры раздельного ограничения с длиной волны излучения X ~ 1060 нм, величиной внутренних оптических потерь а — 0,17 см"1 и характеристическим параметром температурной стабильности пороговой плотности тока Т0 = 220 К.
Созданы одиночные много модовые лазеры на основе асимметричных гетероструктур в системе твердых растворов АЮаАвЛпСаАв/СаАв с непрерывной выходной мощностью оптического излучения 21 Вт при комнатной температуре и сохраняющие 5 Вт излучаемой оптической мощности при увеличении температуры до 140 С.
Научная новизна.
Исследован эффект температурной делокализации носителей заряда в волноводный слой полупроводникового лазера на основе асимметричной гетероструктуры раздельного ограничения в зависимости от параметров активной области.
Установлено, что увеличение температуры активной области мощного полупроводникового лазера за порогом генерации приводит к росту внутренних оптических потерь при сохранении величины внутреннего квантового выхода стимулированного излучения близкой к 100%.
Показано, что внутренние оптические потери растут в результате увеличения концентрации делокализованных носителей заряда в волновод, и подавление температурной делокализации исключает рост внутренних потерь и снижение дифференциальной квантовой эффективности.
Практическая ценность:
Экспериментально установлены факторы, снижающие температурную делокализацию носителей заряда в волновод асимметричной гетероструктуры раздельного ограничения (пороговая концентрация носителей заряда, температурная стабильность пороговой концентрации носителей заряда, энергетическая глубина активной области, толщина и число квантовых ям активной области).
Созданы асимметричные АЮаАвЛпСаАв/СаАв гетероструктуры раздельного ограничения с характеристическим параметром температурной стабильности пороговой плотности тока Т0 = 220 К и величиной внутренних оптических потерь 0,17 см"1.
3. В одиночных многомодовых лазерах на основе асимметричных
гетероструктур в системе твердых растворов AlGaAs/InGaAs/GaAs достигнута непрерывная выходная мощность оптического излучения 21 Вт при комнатной температуре и 5 Вт излучаемой оптической мощности при увеличении температуры до 140 С. Приоритет результатов. В диссертации впервые определены и практически применены физические и технологические принципы увеличения оптической мощности полупроводниковых лазеров на основе асимметричных AlGaAs/InGaAs/GaAs гетероструктур раздельного ограничения. Достигнутые оптические характеристики полупроводниковых лазеров в непрерывном режиме генерации (внутренние оптические потери - 0,17 см"1; непрерывная выходная мощность оптического излучения - 21 Вт; характеристический параметр Т0 = 220 К), находятся на уровне лучших мировых результатов на момент написания работы.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на Международной конференции «Лазеры. Измерения. Информация», 2009, 2-4 июня, Санкт-Петербург; на II симпозиуме по «Когерентному оптическому излучению полупроводниковых соединений и структур». Москва-Звенигород, 16-18 ноября 2009 г.; на Конференции «Физика и астрономия», 2009, 29 - 30 октября, Санкт-Петербург; на 2-ом Симпозиуме «Полупроводниковые лазеры: физика и технология», 2010, 10 - 12 ноября; Санкт-Петербург; на конференции «Scientific and applied conf. Opto-nano electronics and renewable energy sources», 2010, Varna, Bulgaria; на международном симпозиуме «XVIII Int. Symp. on Gas Flow and Chemical Lasers & High Power Lasers», 2010, 30 aug.-3 sept., Sofia, Bulgaria.
Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 5 работ, список которых приведен в конце автореферата. Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитированной литературы. Общий
объем диссертации составляет: количество страниц , в том
числе страниц основного текста , рисунков на
страницах и таблиц. Список цитированной литературы
включает в себя наименований.
Обзор литературных данных по мощным непрерывным полупроводниковым лазерам
Помимо сверхнизких внутренних потерь у асимметричной гетероструктуры раздельного ограничения с широким волноводом есть ещё преимущество. Поскольку -поле фундаментальной моды слабо перекрывается с эмиттерными слоями и энергия, переносимая в эмиттерных слоях, очень мала, то это позволяет сильно легировать эмиттеры и делать их относительно тонкими, что снижает последовательное и тепловое сопротивление.
Недостаток широкого волновода - более низкий фактор оптического ограничения для квантовой ямы и, соответственно, более низкое модальное усиление. Чтобы увеличить модальное усиление необходимо увеличивать толщину и/или количество квантовых ям.
Сверхнизкие внутренние потери в асимметричной гетероструктуре раздельного ограничения с широким волноводом позволяют, сохраняя дифференциальную эффективность на приемлемом уровне, увеличивать длину резонатора. Полупроводниковый лазер с длинным резонатором лучше работает при высокой температуре [9]. Длина резонатора лазера должна обеспечивать баланс между потерями на выход и внутренними оптическими потерями за двойной проход излучения по резонатору, т.к. увеличение длины резонатора ведёт к снижению потерь на выход и возрастанию внутренних потерь.
При создании мощного полупроводникового лазера необходимо подобрать оптимальное соотношение между толщиной волновода и длиной резонатора при данном модальном усилении в активной области, т.к. например, увеличение фактора оптического ограничения активной области (при увеличении толщины или количества ям) при неизменной толщине волновода приведёт к росту внутренних оптических потерь. Сверхнизкие внутренние оптические потери позволяют, сохранив дифференциальную эффективность, увеличить коэффициент отражения на выходном зеркале полупроводникового лазера, что в свою очередь позволяет уменьшить потери на зеркалах и величину порогового тока, а также добротность резонатора.
В начале литературного обзора перечислим наиболее выдающиеся результаты, полученные во второй половине 1990-х начале 2000-х годов, когда было разработано большинство основных принципов создания мощных полупроводниковых лазеров.
В компании Opto Power Corporation были получены полупроводниковые лазеры в системе твёрдых растворов AlGaAs/InGaAs/GaAs, имеющие, максимальную мощность на длине волны 915 нм [10]. За счёт применения более эффективного алмазного теплоотвода получена непрерывная мощность излучения 10,9 Вт (рис. 1,2) в лазере имеющем длину резонатора 2000 мкм и 100 мкм апертуру при температуре теплоотвода 10 С. COMD не выявлена. Лазеры устойчивы к тепловым нагрузкам. Испытания на надёжность показали что лазеры с 40 мкм апертурой могут работать больше 10000 часов при температуре 25С и излучаемой непрерывной мощности 950 мВт. Лазерная структура выращена путём LP-MOCVD на n+-GaAs подложке и ГГОСТРГГЗ.ЄМЯ5Г мотттность ого&ниченз. способностью больше 150 С Плотность произойти COMD может значительно превышать 19 МВт/см , т.к. оценка COMD из максимальной оптической мощности не учитывает пространственную филаментацию (образование состоит из InGaAs квантовой ямы AlGaAs волновода и эмиттерных слоев. Оптическая плотность мощности нэ. псоблнем зCDK3JTC 19 МВт/см Авторы заключили что шпот), которая приводит к значительно большей плотности мощности на зеркале. При температуре теплоотвода 25С КПД составил 57,5 % для 2000 мкм лазера. Лазеры на длину волны 970 нм: Непрерывная мощность 9,3 Вт (рис. 1.3) при температуре теплоотвода 10С достигнута группой исследователей из SDL Inc. в 1997 году [11] на лазере 100 мкм апертуры с относительно небольшой длиной (2000 мкм), при этом расходимость по быстрой оси не меняется с ростом тока и составляет 30. Максимальная непрерывная мощность излучения ограничивается наступлением COMD. Увеличение КПД позволяет увеличить максимальную мощность лазера. Для получения высокой величины КПД предлагается: - снизить внутренние оптические потери до 2 см"1 за счёт уменьшения перекрытия р-слоёв с оптической модой, - снизить последовательное сопротивление до 110-120 мОм, - уменьшить концентрацию дефектов за счёт применения хорошо известной технологии выращивания AlGaAs. Отмечается, что увеличение длины резонатора до 4000 мкм, хотя и приведёт к понижению теплового сопротивления, но по экономическим соображениям может явиться непрактичным шагом ($/W).
Лазерная структура была выращена методом MOCVD и состояла из InGaAs активной области, расположенной в центре AlGaAs гетероструктуры раздельного ограничения. Объём моды ближнего поля на уровне интенсивности 1/е для этой структуры равнялся 1 мкм, тогда как эффективный объём моды был равен 0,54 мкм.
Изготовление полупроводниковых лазеров (постростовые технологии)
Обеспечение надёжности - это основная проблема при изготовлении мощных полупроводниковых лазеров. Приборные характеристики полупроводникового лазера со временем могут ухудшаться вследствие различных причин, так или иначе связанных с работой лазера (протеканием электрического тока и излучением оптической мощности). Принято говорить о временной деградации лазера. Критерием надёжности диодного лазера является стабильность его приборных характеристик в течение определённого срока службы. Обычно диодный лазер работает в режиме автоматической стабилизации выходной мощности. Поэтому контролируемым параметром является временное изменение рабочего тока, необходимого для поддержания мощности на постоянном уровне. Иногда контролируемым параметром является временное изменение выходной мощности при постоянном рабочем токе. Отказ означает, что контролируемый параметр лазера вышел за предельно допустимое значение [25].
Для одиночных излучателей с торцевым выводом излучения, таких как многомодовые или одномодовые лазеры, основным фактором, ограничивающим надёжность устройства и максимальную оптическую мощность, является прочность зеркальных граней. Таким образом, повышение надёжности мощного полупроводникового лазера неразрывно связано с оптимизацией технологии изготовления выходного зеркала. Порог его разрушения может быть увеличен в разы с помощью нанесения специальных покрытий (пассивации грани) по сравнению со сколотыми (непассивированными) гранями [25].
За последние 20 лет был создан ряд технологий пассивации резонаторных граней [26, 27], цель которых была не допустить развитие COMD при высоких плотностях выходной оптической мощности за счёт снижения оптического поглощения и/или уменьшения и стабилизации поверхностной плотности состояний в области зеркал.
Для этой цели, применялись различные технологические средства. Например, технология разупорядочивания или «перемешивания» квантовой ямы состояла в том, что в тех местах полупроводниковой лазерной пластины, по которым впоследствии произойдёт скалывание граней, происходит разрушение активной области. Это разрушение может быть достигнуто имплантацией или диффузией каких-либо атомов. В результате химический профиль материала, образующего квантовую яму, расплывается и, как результат, ширина запрещённой зоны увеличивается. В этих местах материал становится прозрачным для лазерного излучения активной области [28, 25]. Другим примером могут служить технологии удаления исходного оксида с граней облучением медленными ( 50 eV) ионами аргона Аг или плазмой Аг [29] или медленными и реакционно-способными ионами азота [30].
Преимущество этих технологий в том, что они позволяют раскалывать лазерные линейки на воздухе. Недостаток - облучение резонаторных граней энергетическими частицами создаёт дефекты решёток в полупроводниках при энергии частиц 10 eV.
Группой учёных из института Фердинанда-Брауна, Берлин, в 2003 году была применена новая технология пассивации резонаторных граней [31], которая состоит из следующих этапов: 1) раскалывание лазерных линеек на воздухе, 2) химическая очистка зеркал (без применения частиц высокой энергии, способных повредить область зеркала), 3) пассивация зеркал. Цель химической очистки зеркал - удалить термодинамически нестабильные частицы, такие как мышьяк, окиси мышьяка, адсорбированную воду и др., которые ускоряют постепенную деградацию зеркал. Очищенные зеркала сразу пассивируют. В данной технологии химическая очистка поверхностей из полупроводников А В представляет собой облучение атомарным водородом. Этот метод обычно применяют в молекулярно-пучковой эпитаксии для эпитаксиального заращивания на GaAs или 1пР поверхности. Атомарный водород может образоваться в вакууме при распаде молекулярного водорода на нитях накала или из разрядов плазмы при электронном циклотронном резонансе (ECR) в виде нейтральных пучков атомов. Кинетическая энергия образующихся атомов водорода 1 eV, т.ее дефекты на зеркалах не возникают. Температура очистки не превышает 400 С. Данная технология не позволяет удалить А1203, поэтому её можно применять в диодных лазерах с активной областью без А1.
Пассивация очищенных зеркал состояла в эпитаксии 40-нм слоя селенида цинка ZnSe при температурах подложки 300С из ячейки Кнудсена [32].
Реализация описанной выше технологии пассивации на практике. Первое, лазерные линейки, расколотые на воздухе, складывают в зажимное приспособление и помещают внутрь вакуумной камеры. Второе, эту стопку разогревают тепловым излучением до температуры, требуемой для очистки атомарным водородом. Третье, после обработки линейки охлаждают до температуры, необходимой для осаждения ZnSe. Осаждение ZnSe происходит одновременно на переднем и заднем зеркалах. Наконец, зажимное приспособление устанавливают на стандартное оборудование для нанесения оптических покрытий с необходимыми коэффициентами отражения зеркал.
Температурная делокализация носителей заряда
Общепринятым описанием температурной зависимости пороговой плотности тока принято считать полуэмпирическую экспоненциальную зависимость пороговой плотности тока от температуры [44]: У(Г2)=У(т;)ехр( 1, (3.2) где jfc) - пороговая плотность тока при температуре Т\, а Т0 -характеристический параметр.
Характеристический параметр Т0 определяется экспериментальным путем и зависит от большого числа факторов: свойств полупроводниковых материалов, составляющих гетероструктуру, типа лазерной гетероструктуры, и геометрических размеров эпитаксиальных слоев, формирующих гетероструктуру. Тем не менее, для любого участка температурного диапазона, начиная с 4 К, может быть подобран характеристический параметр Т0, позволяющий описать температурную зависимость пороговой плотности с помощью приведенного выражения (3.2). Следует отметить, что при некоторой температуре, близкой к комнатной (и выше), температурная зависимость пороговой плотности тока приобретает более резкий ход. Именно этот участок температурной зависимости пороговой плотности тока определяет мощностные характеристики и срок службы полупроводниковых лазеров. Поэтому и в настоящее время ведутся серьезные работы по повышению температурной стабильности лазерных характеристик полупроводниковых лазеров именно в этом диапазоне температур [6 45 - 47]. Для исследований были выбраны первый, второй и третий типы (таблица №1 главы 2) лазерных асимметричных гетероструктур раздельного ограничения на основе системы твердых растворов AlGaAs/InGaAs/GaAs, изготовленных методом МОС-гидридной эпитаксии.
Повышение температурной стабильности полупроводникового лазера неразрывно связано с повышением его кпд. При этом перегрев активной области полупроводникового лазера относительно теплоотвода снижается, но даже для рекордных значений величина кпд остается порядка 75 % [5] и в лазерной структуре рассеивается от 5 до 10 Вт в зависимости от конструкции лазера, длины волны излучения и длины резонатора Фабри-Перо. Величина перегрева активной области обусловлена последовательным сопротивлением и вольт-амперной характеристикой полупроводникового лазера. Последовательное сопротивление и вольт-амперная характеристика полностью зависят от уровня технологии, и без их оптимизации достижение предельных мощностных характеристик и большого срока службы невозможно. При температуре выше комнатной наблюдается сильная температурная зависимость пороговой плотности тока в полупроводниковых лазерах. Повысить температурную стабильность пороговой плотности тока можно, варьируя энергетическую глубину квантовой ямы в активной области полупроводникового лазера.
На рис.3.3 (вверху) приведен характерный вид температурных зависимостей пороговой плотности тока для лазеров с длиной резонатора порядка 3 мм, изготовленных из трех типов лазерных структур. В зависимостях при некоторой температуре наблюдается резкое возрастание пороговой плотности тока и соответственно наступает снижение температурной стабильности. Эта температура максимальна для лазеров, изготовленных из лазерной гетероструктуры с Alo 2Gao 8As волноводом, которая имеет максимальную глубину квантовой ямы в активной области. Энергетическая глубина квантовых ям для электронов для трех типов гетероструктур, рассчитанная согласно работе [48], приведена в таблице №3. Зависимость пороговой плотности тока от температуры, но в логарифмическом масштабе (рис.3,3 внизу) демонстрирует отклонение температурной зависимости от экспоненциального закона (3,2) с постоянным характеристическим параметром Тд. Уменьшение То с ростом температуры обусловлено наличием дополнительного канала, снижаюшего концентрацию носителей заряда в активной области на энергетических уровнях, соответствующих порогу генерации. Для компенсации снижения концентрации носителей заряда требуется увеличение тока накачки с ростом температуры для выполнения пороговых условий. Если исключить данный процесс, то можно ожидать сохранения температурной стабильности пороговой плотности тока, достигаемой при температурах ниже комнатной. Значения характеристического параметра Т0 приведены в таблице №3, Характеристический параметр То возрастает с увеличением энергетической глубины квантовой ямы активной области полупроводникового лазера.
Внутренние оптические потери и температурная делокализация в полупроводниковых лазерах на основе лазеных гетероструктур в системе твёрдых растворов AlGaAs/InОaAs/GaAs
Исследованы температурные зависимости излучательных характеристик лазерных диодов на основе асимметричных гетероструктур раздельного ограничения с расширенным волноводом. Установлено, что в непрерывном режиме генерации основным механизмом насыщения ватт-амперной характеристики с ростом температуры является увеличение концентрации делокализованных носителей в волноводном слое. Именно данный факт ведет к температурному росту величины внутренних оптических потерь и падению внешней дифференциальной квантовой эффективности при сохранении величины внутреннего квантового выхода стимулированного излучения близкой к 100 %. Степень делокализации носителей заряда зависит от величины пороговой концентрации носителей заряда в квантовой яме и энергетической глубины квантовой ямы.
Показано, что увеличение концентрации делокализованных носителей заряда в расширенном волноводном слое гетероструктуры раздельного ограничения до величины п 3-Ю17 см" ведет к резкому снижению дифференциальной квантовой эффективности и полному насыщению ватт-амперной характеристики мощных непрерывных полупроводниковых лазеров.
Таким образом, оптимизация конструкции мощного полупроводникового лазера основана на подавлении эффекта температурной делокализации и снижении роста внутренних оптических потерь за счет выбора состава, толщины и количества квантовых ям, а также увеличения ширины запрещенной зоны материала широкозонного волновода. Глава 4 Исследование излучательных и электрических характеристик полупроводниковых лазеров на основе оптимизированной конструкции квантово-размерной асимметричной двойной гетероструктуры раздельного ограничения в системе твёрдых растворов AlGaAs/InGaAs/GaAs при работе в непрерывном режиме генерации
В предыдущей главе было показано, что оптимальной конструкцией лазерной гетероструктуры для изготовления мощных, непрерывных полупроводниковых лазеров является квантово-размерная асимметричная двойная гетероструктура раздельного ограничения с максимально достижимой энергетической глубиной квантовой ямы активной области, минимальной пороговой концентрацией носителей заряда в квантовых ямах активной области и минимально достижимыми внутренними оптическими потерями. Согласно этим положениям концепции мощных полупроводниковых лазеров были изготовлены лазерные гетероструктуры в системе твёрдых растворов AlGaAs/InGaAs/GaAs.
Для снижения пороговой концентрации носителей заряда в квантовой яме и увеличения скорости их захвата из волновода активная область должна содержать несколько квантовых ям. Оптимальным числом является две или три квантовые ямы в активной области лазерной гетерструктуры раздельного ограничения. Дальнейшее увеличение числа квантовых ям не приводит к увеличению скорости захвата носителей заряда в активную область. В то же время внутренние оптические потери в полупроводниковых лазерах с большим числом квантовых ям возрастают, что ведет к снижению дифференциальной квантовой эффективности. Для снижения пороговой концентрации носителей заряда в квантовой яме толщина должна быть узкой и обеспечивать наличие только одного электронного уровня, но для обеспечения требуемого усиления число ям должно быть увеличено. В нашем случае, активная область состояла из двух тонких (по 55 А) квантовых ям, что позволило оставить в них только по одному электронному уровню, увеличить коэффициент усиления и скорость захвата активной области. Для обеспечения максимальной энергетической глубины квантовой ямы и минимального уровня температурной делокализации носителей заряда при высоких температурах активной области, составы активной области 1по,з]Gao 69As и волновода Alo.sGao.gAs были подобраны так, чтобы длина волны генерации полупроводниковых лазеров и энергетическая глубина квантовой ямы для электронов AEi составляли 1060 нм и около 300 мэВ, соответственно.
Согласно концепции мощных полупроводниковых лазеров активная область в волноводе расположена асимметрично с целью подавления моды второго порядка. Толщина нелегированного Alo.2Ga0.8As волновода с п стороны - 1,05 мкм, с р-стороны - 0,65 мкм. Для обеспечения минимального фактора оптического ограничения в эмиттерах они выполнены на основе твёрдых растворов Alo.35Gao.65As. Для снижения последовательного сопротивления лазерной гетероструктуры концентрация легирующих примесей в N и Р эмиттерах составляет 1-10 и 8 Ю17, соответственно. Ж эмиттер Alo.35Gao,65As толщиной 2 мкм легирован кремнием Si, а Р эмиттер Alo,35Ga0)65As толщиной 1,4 мкм легирован магнием IVtg.
Следуя описанным выше постростовым технологиям из лазерных гетероструктур были изготовлены многомодовые полупроводниковые лазеры с шириной полоскового контакта 100 мкм. При изготовлении полупроводниковых лазеров были учтены основные технологические требования к оптимальным условиям генерации мощного излучения в полупроводниковом лазере. Была применена мезаполосковая конструкция полностью исключающая возможности срыва генерации за счет возникновения генерации замкнутых мод и растекания носителей заряда в пассивные области мезополоска. Были внесены изменения в процессы нанесения диэлектрических покрытий на зеркала резонатора Фабри-Перо поскольку для изготовления полупроводниковых лазеров применялись диэлектрические покрытия Si/S02 , которые идеально подходят для лазерных гетероструктур с расширенным волноводом из арсенида галлия. В нашем случае, когда оптимизация структуры потребовала использования Alo.2Gao.8As волноводов в процесс нанесения диэлектрических покрытий были включены дополнительные операции по подготовке поверхности зеркал резонатора Фабри-Перо. Внесение этих операций исключили возможность возникновения катастрофической оптической деградации выходных зеркал исследуемых полупроводниковых лазеров. Изготовленные полупроводниковые лазеры были охарактеризованы, в них был преодолен двадцати ваттный рубеж излучаемой оптической мощности. Благодаря асимметрично расположенной активной области в волноводе толщиной 1,7 мкм пороговые условия выполнялись только для основной фундаментальной моды. Расходимость излучения составила 25 -30 FWHM в плоскости, перпендикулярной р-гс-переходу.
