Введение к работе
Актуальность работы. Гетлролазери на основе соединений InGaA.s?/InP, излучающее в спектральном диапазоне 1.1-1,6 мкм, являются основным источником излучания для современных волоконно-оптических линий связи (ВОЛС), так как тленно в этом диапазоне находятся области минимума потерь и нулевой дисперсии кварцевых . световодов. Число научных рабст, посвященных 'доследованию как технологии изготовления,- так и физических основ работы этих приборов превысило за последнее десятилетие несколько тысяч, что свидетельствует об огромной практическая важности разработок в этой области оптозлектроники.
Исходя из требований к источникам излучения волоконно-оптических систем связи, таких как высокие мощность излучения и коэффициент ввода излучения в оптическое волокно, стабильная модуляционная характеристика, большой практический интерес представляют лазеры, обеспечивающие стабильную генерация нулевой поперечной моды излучения во всем диапазоне тоїсов накачки (одномодовые лазеры).
К началу выполнения данной работы (1989 год) существовало достаточно полное понимание процессов, происходящих при работе лазеров на основе двойной гегероструктуры раздельного электронного и оптического ограничения (РО ДГС). Разработанная в ФТИ им. Иоффе ЖФЭ технология роста РО ДГС со сверхтонкими активными слоями (~100 2) позволила достигнуть резкого улучшения лазерных характеристик по сравнению с параметрами приборов на основе традиционной ДГС. Созданные на основе этих гетероструктур лазеры с широким контактом имели вдкордные значения пороговой плотности тока и мощности излучения .
Однако, использование жидкофазных РО ДГС со сверхтонкой активной областью для изготовления одномодовых лазеров на основе зарощенной мезаструктуры . не продемонстрировало ожидаемого повышения мощности излучения и снижения порогового и рабочего токов по сравнению с характеристиками лазеров схолпшх конструкций на основе ДГС.
Актуальность данной работы заключается s том, что' в ней впервые проведены исследования, направленные на разработку технологии селективного химического травления и технологии заращивания шзаполоскоі.ос InGaAoP/'InP лазерных РО ДГС со сверхтонкой активной областью, выращенных жидкофазной зпи: кскей, -а тахж& изучена параметры зароценных мззеполосковых одномодовых лазеров, изготовленных К2 основе ЭТИХ гетероструктур к излучающих в диапазоне длин еолк I.I5-I.55 мкм.
Основная цель работа заключалась в разработке и изучении особенностей воспроизводимой ЖФЭ технологии формирования зарошенной «езаяолосковой . РО ДГС со сверхтонкой активной областью в системе inGaAsP/InP и исследовании свойств таких структур для создании эффективных одьсмодобых лазеров. Достижение поставленной цели включало следующие основные этапы.
1. Исследование основных технологических факторов, влияющих
на возникновение потерь тока в лазерах зарощенной конструкции и
разработка нового способа формирования ыезаполосковой структуры
в системе InGaAsP/InP,
-
Разработку технологии заращивания мззаполосковых структур и формирования высокоэффективных лазеров, а также изучение факторов, влияющих ка воспроизводимость этой технологии.
-
Исследование параметров зарощенвых кезапслосковых лазеров на основе РО ДГС InGaAeP/lnP, излучающих в диапазона длин волн Л.=1.15-1.55 мкм.
Научная новизна к практическая ценность работы заключается в том, что в ней изучены особенности ЖФЭ в системе InGaAsP/InP при з-ращивании мезаполосковой структуры, сформированной по специально разработанной методике, с выявленными плоскостями различной кристаллографической ориентации. ' Показано, что использование селективности роста, различий в скорости осзхденкя слоев поззоляет воспроизводимо выращивать зарощенкые меззполосксвые структури . с точно контролируемым взаииораспологениен слоев.
Установлено, что причиной резкого падения внутреннего кчантовеге выхода излучзния при уменьшении ип-іриш излучающей области заращенной мззаполоскояой структуры менее 5 мкм является зозникнояения центров безнзлучательяой рекомбинации на границе излучающей области мезы а блокирующих слоев вследствие загрязнения и термической эррозии UOBQpXHOCTK мезаііолосковой структуры. Разработан режим очистки этой поверхности, позволяющий путем кратковременного травления мезаполосковой структуры в кэдонйсыченном расплаве Хп з-Аз (942--1.235-4.8) восстановить квантовый выход люминесценции и но нарушить при этом формы мезы.
Показано, что использование РО ДГС со сверхтонкой активной областью в изготовлении зарощенных мезаполосковчх лазеров позволяет создать приборы, обладающие шізкими пороговыми токамі: ( 5-15 мА) и высокой квантовой эффективностью (80-65). обеспечивающие генерацию нулевой поперечной моды излучени; ео всем диапазоне токов накачки до мощностей порядка 160 н&т 'Л=1.3 мкм)в непрерывном реккмо гвнорацик при -комнатной температуре.
Основные положения и результата, выносимые нэ зашиту, сводятся к следующему:
-
При жидкофазном осакцении двух и более' эпитаксиальнкх слоев ТпР с толщиной каждого слоя менее 1.5 мкм на подложу inP(IQP) с меззми, ограненными плоскостями (III)Б в нижней части к близкой к (III)А в верхней части, рост первого слоя на верхней части мезы не происходит.
-
Область изменения параметров роста (лТ-переснаешм расплава и dy-высота мезы в нижней часта), в. которой реализуется указанный в первом положении механизм роста, ограничена:
1.7 мкм < cL, < 4мкм при лТ=3 и 2.4 мкм < d^ < 4мкм при дТ=12.
3. Причиной резкого падения ( более чем в 10 раз ) внутреннего
квантового выхода излучении при уменьшении чптр^шъ нзлучашей
области . злрощо.чной кезаполоскоюй структури монее 5 мкм
является возрастание вклада центров безыддучатедьной
рекомбинацю. на границе излучающе» области к^езы и блокпруга;-.;.
- о -
слоев, возникающих вследствие кэгрязнения л термической аррозии поверхности мезаполосковой структуры, ь общий процесс рекомбинации носителэй в лазере.
Кратковременное травление мозаволосковой структуры в недонаснценном рзсплавь їп-Са-лз (94%-1.2%-4.8%) позволяет ьасстзшовиті: квантовый выход люминесценции и но нарушить при этом формы V&3U.
4. Разработана технология к созданы высокоэффективные непрерывные зэ{ ювднше одномодовые лазеры на основе InGsxAaP/InP РО ДГС со сверхтонкой активней областью с минималыгнм пороговым током 5мА и 14мА, максимальной дифференциальной квантовой эффективность» 65 и 35% к максимальной мощностью непрерывного излучения 160мВт и 90мБх для длин волн к=1.3мкм и х.=1.55мкм, соответственно. Испытания на срок службы созданных по разработанной технологии лазерных диодов не выявили в них более бистрих дэградационных процессов, чем в лазерах с широким контактом на основе тех же РО ДГС inGaAsr/inP.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на V Всесоюзной конференции по физическим процессам в полупроводниковых гетероструктурах (Калуга, 1990г.), I International Soviet Piter Optic Conference (ISFOO-1, USSR, Leningrad, 1991), 10-th. Simposlum on Alloy Semiconductor Physics and Electronics (Japan, Nagoya, 1991), III - European Conference on Crystal Growth (Hungary, Buda pest,I99I), SFIE International Symposium on Lasers, SenserS, and Spectroscopy ( Section: Laser Diode Technology and Applications IV ),' (USA, Los Angeles,1S9Z)
ЗД5лщсацил. Ш материалам диссертационной. работы опубликовано 9 работ, список которых приведен в конце автореферата.
Объем^ээботы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка цитируемой .литературы. Общий объем диссертации составляет 9? страниц, из них 48 страниц текста, 39
- 7 -страниц с рисунками. Список цитируемой литературу включает 48 наименований.
