Введение к работе
Актуальность темы
Полупроводниковые гетероструктуры (ГС) нашли широкое распространение в современной лазерной технике. Лазерные диоды (ЛД), линейки и решетки лазерных диодов (ЛЛД и РЛД) на основе ГС AlGaAs/GaAs с длиной волны излучения 800-810 нм используются в качестве источников излучения в современных оптико-электронных системах, в первую очередь, в системах накачки твердотельных лазеров на основе YAG:Nd . К диодным источникам накачки предъявляются высокие требования по выходной мощности, эффективности и температурной стабильности. Для достижения максимальных выходных характеристик лазерных излучателей необходимо создание ГС высокого качества и с оптимальной геометрией.
Данная работа посвящена изучению различных подходов, применяемых для совершенствования конструкции ГС и повышения выходной оптической мощности лазерных излучателей.
Использование ЛЛД и РЛД в системах накачки твердотельных лазеров диктует повышенные требования к температурной стабильности излучателей. Это связано с необходимостью поддержания заданной длины волны генерации, совпадающей с полосой поглощения активируемой примеси. Одним из возможных путей решения этой задачи является изменение геометрии активной области лазерной ГС, направленное на повышение локализации электронов в квантовой яме (КЯ). Так в [1] показано повышение характеристической температуры Т0 ЛД, излучающих в диапазоне 1,06 мкм. В связи с этим, существует необходимость развития данного подхода для ЛД с Х=808 нм.
Система материалов AlAs-GaAs широко используется благодаря согласованности параметров решетки подложки и эпитаксиальных слоев, что является залогом высокого кристаллического совершенства ГС. Однако несмотря на отсутствие дислокаций несоответствия, в таких ГС присутствуют остаточные механические напряжения, которые могут приводить к изгибу
пластины с ГС, особенно после ее утонения в планарном цикле изготовления ЛД. Изгиб ЛЛД, так называемый «смайл», усложняет процесс монтажа линеек, увеличивает тепловое сопротивление приборов и ухудшает фокусировку лазерных пучков [2]. Важной задачей на пути создания лазерных ГС высокого кристаллического совершенства является снижение уровня механических напряжений. Это достигается путем контроля периодов решетки отдельных слоев, составляющих ГС, как это осуществляется в структурах на основе AlGalnP/GaAs, GalnPAs/InP, AlGalnAs/InP и др. [3]. Одним из способов такого контроля в ГС AlGaAs/GaAs представляется введение фосфора в состав твердого раствора слоев AlGaAs.
Для увеличения выходной мощности лазерных излучателей, как правило, используют вертикальную интеграцию ЛЛД, создавая РЛД. Перспективным способом интеграции является формирование нескольких ГС в одном процессе эпитаксиального роста. По сравнению с традиционным способом соединения ЛД через припойные контакты он обладает рядом преимуществ, таких как низкое последовательное сопротивление и строгая параллельность излучаемых пучков. Благодаря близкому расположению излучающих областей такой подход позволяет значительно уменьшить размеры прибора при сохранении мощностных характеристик. Указанный подход хорошо зарекомендовал себя при создании интегрированных ЛД с длиной волны генерации 0,9-1,06 мкм [4]. Представляется перспективным развитие данных исследований для создания интегрированных ЛД и ЛЛД в спектральном диапазоне 800-810 нм.
Помимо важного свойства повышения выходной мощности, другим существенным преимуществом эпитаксиальной интеграции является возможность независимого управления длинами волн отдельных излучающих областей. Это обусловлено выбором такой конструкции ГС, при которой активные области будут оптически не связаны друг с другом. Такая возможность позволяет создавать монолитные излучатели, работающие на нескольких различных длинах волн [5, 6]. В данной работе рассмотрена
возможность создания «двухволнового» эпитаксиально-интегрированного ЛД, излучающего в районе 808 нм.
Цели и задачи
Целью работы являлось изучение способов модификации геометрии активной области лазерных ГС AlGaAs/GaAs, возможности снижения механических напряжений в выращиваемых ГС и создание мощных ЛД и ЛЛД на основе одиночных и эпитаксиально -интегрированных структур с длиной волны излучения Х=800-810 нм.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
-
Исследование влияния геометрии активной области ГС AlGaAs/GaAs, в том числе ширины волноводов и высоты барьеров КЯ, на выходные параметры и температурные характеристики ЛД и ЛЛД, излучающих в спектральном диапазоне 800-810 нм.
-
Исследование возможности управления параметрами кристаллической решетки эпитаксиальных слоев лазерной ГС с целью снижения механических напряжений в ГС и уменьшения кривизны ЛЛД.
-
Создание эпитаксиально-интегрированных ГС с двумя активными областями и ЛЛД на их основе с длиной волны излучения 800-810 нм.
-
Создание «двухволновых» эпитаксиально-интегированных ГС и ЛД на их основе.
Научная новизна
-
Продемонстрировано, что для создания мощных ЛЛД, излучающих на длине волны 808 нм, наиболее предпочтительной является геометрия ГС с узким симметричным волноводом и увеличенной высотой барьеров для носителей заряда в КЯ.
-
Предложена и практически реализована возможность управления механическими напряжениями и кривизной лазерной ГС путем введения фосфора в состав твердого раствора эпитаксиальных слоев AlGaAs.
-
Показана возможность интеграции ЛД в едином процессе эпитаксиального роста и создания ЛЛД, излучающих на длине волны 808 нм, на основе эпитаксиально-интегрированных ГС с повышенной квантовой эффективностью.
-
Созданы эпитаксиально-интегрированные ЛД с двумя активными областями, излучающими на различных длинах волн в спектральном диапазоне 800-810 нм, и изучены их характеристики.
Достоверность научных выводов
Основные научные положения и выводы подтверждаются использованием современных методов исследования, публикациями в рецензируемых журналах и обсуждениями на международных конференциях.
Практическая значимость
-
В результате проведенной работы предложена геометрия ГС для создания мощных ЛЛД с учетом особенностей метода МОС-гидридной эпитаксии. Разработана методика получения ГС модифицированной конструкции, позволившая создать мощные ЛЛД длиной 4 мм и мощностью до 200 Вт, РЛД размером 5x5 мм с выходной мощностью 1500 Вт и РЛД 5x10 мм с выходной мощностью 2600 Вт в квазинепрерывном режиме при токе накачки 150 А.
-
Благодаря представленному способу управления механическими напряжениями в ГС, выращены лазерные структуры с радиусом кривизны сопоставимым с радиусом кривизны исходной подложки, что позволило создать ЛЛД практически без «смайла» с повышенной на 10-15% квантовой эффективностью.
-
Предложен подход к созданию эпитаксиально-интегрированных ГС AlGaAs/GaAs с двумя активными областями и на их основе созданы ЛЛД, излучающие на длине волны 808 нм и демонстрирующие увеличение наклона ватт-амперной характеристики (ВтАХ) в 1,8-2 раза по сравнению с традиционными одиночными ЛЛД.
4. Получены интегрированные ГС с двумя активными областями, излучающими на различных длинах волн в диапазоне 800-815 нм, созданы ЛД на их основе и исследованы их спектральные характеристики. Формирование подобных многоспектральных ЛД, ЛЛД, РЛД может позволить создать источники диодной накачки для твердотельных лазеров, работающие без принудительной термостабилизации.
Положения, выносимые на защиту
-
Для создания ЛЛД и РЛД, используемых для накачки твердотельных лазеров (YAG:Nd) и работающих в условиях затрудненного теплоотвода, оптимальной является геометрия ГС AlGaAs/GaAs с узким симметричным волноводом (-0,4 мкм) и высоким барьером для электронов в КЯ (>200 мэВ).
-
Механические напряжения в ГС на основе AlGaAs/GaAs приводят к образованию изгиба в ЛЛД. Путем введения фосфора в состав твердого раствора AlGaAs возможно управлять параметрами кристаллической решетки отдельных слоев ГС и получать лазерные структуры и ЛЛД с минимальным значением кривизны.
-
Монолитная интеграция эпитаксиальных ГС AlGaAs/GaAs в одном процессе роста позволяет получить ЛД (Х=800-810 нм) с большей выходной мощностью без изменения массогабаритных характеристик прибора.
-
Используя эпитаксиальную интеграцию возможно задавать длину волны излучения каждой активной области независимо от другой и создавать двух- и многоспектральные («многоволновые») ЛД. Это открывает путь к точному соответствию длины волны излучения диодного источника накачки полосе поглощения активируемой примеси твердотельного лазера в различных температурных условиях.
Личный вклад автора
Постановка задачи исследования совместно с научным руководителем, конструирование и получение эпитаксиальных ГС, исследование их параметров, анализ приборных характеристик ЛД, ЛЛД и РЛД.
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались на конференциях:
II Симпозиум по когерентному оптическому излучению полупроводниковых соединений и структур (16-18 ноября 2009, Звенигород, Россия); XIV Национальная конференция по росту кристаллов (6-10 декабря 2010, Москва, Россия); III International Conference on Crystal Materials (May 31-June 3, 2010, Kharkov, Ukraine); 14-th International Conference on Laser Optics (28 June - 2 July 2010, St. Petersburg, Russia); XIV European Workshop on Metalorganic Vapor Phase Epitaxy (5-8 June, 2011, Wroclaw, Poland); 15th International Conference "Laser Optics 2012" (25-29 June 2012, St.Petersburg, Russia); 3-й Российский симпозиум «Полупроводниковые лазеры: физика и технология» (13-16 ноября 2012, Санкт-Петербург, Россия); 15th European Workshop on Metalorganic Vapor Phase Epitaxy (2-5 June 2013, Aachen, Germany).
Публикации
По материалам диссертации опубликовано 15 работ. Из них 5 в журналах из списка ВАК и 10 в сборниках конференций.
Структура и объем диссертации
