Введение к работе
Актуальность темы
Достижение высокой яркости излучения, увеличение выходной оптической мощности и долговечности работы полупроводниковых лазерных диодов являются актуальными и первостепенными задачами современной квантовой электроники. Огромный интерес к лазерным диодам обусловлен их высокой эффективностью преобразования электрической энергии в оптическую, миниатюрностью, гибкостью технологии при их производстве, экономичностью и надежностью. Повышенные мощностные характеристики лазерных диодов очень важны при их использовании в таких областях науки и техники как оптическая связь, управление и слежение за движением транспортных средств, технологическая обработка материалов и накачка твердотельных лазеров. В частности, большой практический интерес представляют лазерные диоды с длиной волны излучения 0.9 мкм, традиционно используемые в лазерной локации и системах управления.
Растущие требования к выходным характеристикам и долговечности работы лазерных диодов приводят к непрерывному совершенствованию конструкции эпитаксиальных гетероструктур и технологии их изготовления [1,2].
Создание современных высокоэффективных лазерных гетероструктур требует решения ряда важных взаимосвязанных задач. Во-первых, это разработка геометрии гетероструктур с учетом особенностей их получения в условиях выбранного метода эпитаксии. А во-вторых, это поиск новых технологических подходов к реализации перспективных конструкционных идей и на этой основе совершенствование приборных характеристик.
В данной работе рассмотрена проблема создания многослойных эпитаксиалыю-интегрированных лазерных гетероструктур с несколькими излучающими секциями, выращенными в едином эпитаксиальном процессе [3, 4]. Основными преимуществами лазерных диодов па основе указанных гетероструктур являются высокая мощность и яркость излучения, определяемые количеством излучающих секций, отсутствие дополнительных контактных сопротивлений, существенно уменьшающих КПД и предельную частоту следования импульсов, а также сохранение массогабаритных характеристик на уровне традиционных лазерных диодов.
Одной из трудностей создания лазерных диодов с несколькими излучающими секциями является оптимизация геометрии эпитаксиалыю-интегрированной гетероструктуры, удовлетворяющей заданным техническим требованиям и обеспечивающей низкие контактные сопротивления и отсутствие кристаллических дефектов. В дополнение к этому, требуется разработка методики получения
многослойных структур с прецизионным контролем толщины, состава и уровня легирования эпитаксиальных слоев с высокой резкостью гетеропереходов, необходимой для обеспечения высокой воспроизводимости секций лазерных гетероструктур в течение всего ростового процесса.
В [5] предложено интегрировать отдельные секции лазерных гетероструктур при помощи силыюлегированных туннельных переходов. Это, в свою очередь, влечет за собой необходимость разработки оптимальной геометрии туннельного перехода, задача которого обеспечить наиболее эффективное протекание электрического тока через все секции лазерных гетероструктур. Поддержание требуемых высоких уровней легирования (до 10 см"3) слоев туннельного перехода на протяжении всех стадий технологического цикла создания эпитаксиалыю-интегрированных лазерных диодов возможно лишь при использовании примесей с низким коэффициентом диффузии. Решение задачи сохранения оптимальных заданных профилей легирования непосредственно лазерных секций, обеспечивающих снижение внутренних оптических потерь в гетероструктурах и уменьшение последовательного сопротивления лазерных диодов, также требует использования примесей с низким коэффициентом диффузии.
Традиционными примесями, используемыми в методе МОС-гидридной эпитаксии при получении эпитаксиальных слоев п- и р-типа проводимости, являются кремний и цинк. Однако цинк, в отличие от кремния, не удовлетворяет указанным выше требованиям и поэтому непригоден для его использования при создании эпитаксиалыю-интегрированных гетероструктур. Перспективной альтернативой цинку в настоящее время выступает углерод. При этом известно, что наиболее эффективные источники углерода в условиях МОС-гидридной эпитаксии - галогениды углерода — значительно осложняют процесс легирования. В результате чего требуется тщательное изучение особенностей вхождения углерода и разработка на этой основе более совершенной методики легирования, позволяющей разрешить возникающие трудности.
Таким образом, очевидно, что получение эпитаксиалыю-интегрированных гетероструктур является сложной и чрезвычайно актуальной задачей квантовой электроники, решение которой позволит создать на их основе новый класс мощных лазерных диодов и оптических устройств последнего поколения с повышенными выходными характеристиками.
Цель и основные задачи работы
Целью настоящей диссертационной работы являлось проведение комплекса расчетных и экспериментально-технологических исследований, направленных на решение актуальной задачи современной квантовой электроники, а именно: разработку, получение и изучение эпитаксиалыю-интегрированных квантово-размерных
гетероструктур InGaAs/AIGaAs/GaAs, предназначенных для создания мощных импульсных лазерных диодов с несколькими излучающими секциями (X = 0.9 мкм).
Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:
Разработать геометрию лазерной гетероструктуры InGaAs/AIGaAs/GaAs с несколькими излучающими секциями Q. = 0.9 мкм), обладающей узкой диаграммой направленности излучения в дальнем поле. Оптимизировать профили легирования эмиттерных слоев лазерной гетероструктуры для снижения внутренних оптических потерь, уменьшения последовательного сопротивления и повышения эффективности работы лазерного диода.
Установить основные закономерности легирования углеродом эпитаксиальиых слоев GaAs и AlGaAs в условиях МОС-гидридной эпитаксии, необходимые при получении эмиттерных и контактных (туннельных) слоев с резкими профилями и контролируемыми уровнями легирования. Предложить оптимальные режимы роста указанных эпитаксиальиых слоев для осуществления профильного легирования при помощи СС14 с учетом его особенностей.
Разработать геометрию и методику выращивания туннельного перехода p+GaAs/n+GaAs, необходимого для наиболее эффективного протекания электрического тока через лазерную структуру с несколькими излучающими секциями.
Разработать процесс формирования эпитаксиалыю-интегрированных квантово-размерных гетероструктур с несколькими излучающими секциями в едином ростовом цикле.
Изучить приборные характеристики мощных импульсных лазерных диодов, изготовленных па основе разработанных эпитаксиалыю-интегрированных гетероструктур в системе материалов InGaAs/AIGaAs/GaAs.
Научная новизна работы
Для сохранения низких внутренних оптических потерь в отдельных лазерных секциях в процессе формирования эпитаксиалыю-интегрированных гетероструктур развит метод легирования углеродом слоев GaAs и AIGaAs с использованием СС14 в условиях МОС-гидридной эпитаксии и предложена расчетная модель, с помощью которой осуществлено необходимое профильное легирование эмиттерных слоев.
Для обеспечения наилучшего соединения смежных лазерных секций в эпитаксиалыю-интегрированных гстсроструктурах при создании мощных лазерных диодов продемонстрирована возможность получения высокоэффективных туннельных переходов p+GaAs/n+GaAs методом МОС-гидридной эпитаксии.
Используя разработанные методики профильного легирования эмиттерных слоев лазерных диодов и формирования туннельных переходов, созданы в едином процессе роста эпитаксиально-интегрированные гетероструктуры InGaAs/AlGaAs/GaAs с двумя и тремя излучающими секциями.
На основе полученных эпитаксиалыю-интегрированных гетероструктур с несколькими излучающими секциями изготовлены лазерные диоды, обеспечивающие генерацию на длине волны 0.9 мкм, узкую диаграмму направленности излучения и рекордную внешнюю дифференциальную эффективность.
Практическая значимость результатов работы
Полученные в диссертации результаты являются практически значимыми для создания мощных импульсных лазерных диодов, излучающих на длине волны 0.9 мкм. Наибольшее практическое значение имеют следующие результаты:
Развиты подходы и методики легирования эпитаксиальных слоев GaAs и AlGaAs с использованием СС14 в качестве источника углерода, обеспечивающие получение резких профилей и заданных уровней легирования. Получены полуэмпирические зависимости уровня легирования и скорости роста легированных углеродом слоев GaAs и AlGaAs от основных технологических параметров процесса МОС-гидридиой эпитаксии, позволяющие контролируемо управлять профилями легирования слоев р-типа проводимости.
Разработана геометрия туннельных переходов и предложена наиболее эффективная процедура интеграции с их помощью нескольких излучающих секций лазерных гетероструктур.
Разработана и реализована в условиях МОС-гидридной эпитаксии конструкция эпитаксиалыю-интегрированной гетероструктуры с узким симметричным волноводом, предназначенная для мощных лазерных диодов с малой расходимостью, излучающих на длине волны 0.9 мкм. На основе полученных гетероструктур изготовлены лазерные диоды с двумя и тремя излучающими секциями, и продемонстрирована их стабильная работа в широком температурном интервале (от -60 С до +60 С) и с частотами повторения импульсов до 50 кГц (длительность импульса т^ = 100 не).
Для мощных импульсных лазерных диодов, изготовленных на основе эпитаксиалыю-интегрированных гетероструктур с расширенным асимметричным волноводом, достигнуты рекордные значения внешней дифференциальной эффективности и выходной оптической мощности. Для лазерных диодов с одной, двумя и тремя излучающими секциями с шириной полоскового контакта W = 150 мкм значения внешней дифференциальной эффективности на начальном участке кривой (до /= 10 А) были равны 1.22, 2.31 и 3.40 Вт/А соответственно.
Научные положення, пыиосимыс на защиту:
Результаты исследований, проведенных в диссертационной работе, позволили сформулировать следующие научные положения, выносимые на защиту:
Получение эффективных эпитаксиалыю-интегрированных лазерных гстсроструктур InGaAs/AlGaAs/GaAs методом МОС-гидридной эпитаксии требует управляемого легирования слоев в широком диапазоне концентраций 10 -10 см" с использованием примесей с низким коэффициентом диффузии.
Предложенная полуэмпирическая модель легирования углеродом эпитаксиальпых слоев AIGaAs позволяет получать лазерные гетероструктуры с точно заданным профилем легирования, необходимым для снижения внутренних оптических потерь и контактных сопротивлений в лазерных диодах. Только одновременный учет изменения эффективности легирования углеродом и скорости роста эпитаксиальпых слоев AIGaAs при варьировании состава твердого раствора приводит к получению требуемых профилей легирования эмиттерных слоев лазерных диодов при соблюдении заданной толщины.
Создание мощных эпитаксиалыю-интегрированных лазерных диодов требует формирования высокоэффективных силыюлегированных (до 1020 см"3) туннельных переходов p+GaAs/n+GaAs посредством оптимизации режимов МОС-гидридной эпитаксии.
Эпитаксиалыюс интегрирование лазерных гстсроструктур с двумя и тремя излучающими секциями (А, = 0.9 мкм) в одном процессе роста позволяет создать на их основе мощные лазерные диоды с кратным увеличением внешней дифференциальной эффективности.
Личный вклад автора
В диссертации изложены результаты работ, выполненных автором лично и в соавторстве. Автор внес определяющий вклад в разработку процесса создания эпитаксиалыю-интегрированных гетероструктур для мощных импульсных лазерных диодов, излучающих на длине волны 0.9 мкм. Им лично оптимизирована конструкция эпитаксиалыю-интегрированных гетероструктур, проведены процессы их формирования, исследованы характеристики полученных структур и выполнен анализ приборных параметров лазерных диодов, созданных на основе разработанных гетероструктур.
Апробация работы
Материалы диссертации докладывались и обсуждались на XII и X11I Европейских конференциях по МОС-гидридной эпитаксии (Братислава, Словакия, 2007 и Ульм, Германия, 2009), па VII Международной научной конференции «Химия твердого тела и
современные микро- и нанотехнологии» (Кисловодск, Россия, 2007), на XV и XVI «Координационных научно-технических семинарах по СВЧ технике», (Нижний Новгород, Россия, 2007, 2009), на VIII Российской конференции по физике полупроводников «Полупроводники-2007» (Екатеринбург, Россия, 2007), на X и XI Международных конференциях «Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы» (Ульяновск, Россия, 2008, 2009), па Симпозиуме «Полупроводниковые лазеры: физика и технология» (Санкт-Петербург, Россия, 2008), на XIII национальной конференции по росту кристаллов «НКРК-2008» (Москва, Россия, 2008).
Публикации
По материалам диссертации опубликовано 14 работ, из которых 4 в рецензируемых журналах и 10 в сборниках материалов и трудов конференций.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов, списка литературы и приложения. Работа содержит 170 страниц, включая 82 рисунка, 7 таблиц, списка литературы из 152 наименований и приложения.
