Введение к работе
Актуальность темы.
В современной науке и технике полупроводниковые лазеры находят широчайшее применение, а их характеристики совершенствуются с каждым годом. Задача квантовой электроники заключается в конструировании и создании приборов с новыми свойствами и повышенной оптической мощностью. Получение полупроводниковых эпитаксиальных гетероструктур (ГС) является важнейшим этапом изготовления полупроводниковых лазеров, определяющим их ключевые параметры.
Важнейшей характеристикой лазерных излучателей для многих применений является их оптическая мощность. Спектр ближнего ИК-излучения охватывается полупроводниковыми лазерами на основе ГС с квантовыми ямами (КЯ) InGaAs/AlGaAs/GaAs, InGaAsP/GaAs (0.8-1.1 мкм) и InGaAsP/InP, AlGalnAs/InP (1.3-1.8 мкм). В то время как для более коротковолновой области ИК-спектра получены мощности импульсного излучения решеток лазерных диодов (РЛД) с апертурой 1 мм , зачастую превышающие 1 кВт, в спектральном диапазоне 1.5-1.6 мкм, ввиду фундаментальных и технологических ограничений, максимально достигнутая оптическая мощность существенно ниже.
Повышение выходной оптической мощности таких излучателей возможно путем выбора системы материалов и оптимизации геометрии ГС. Известно, что ГС AlGalnAs/InP характеризуется повышенным ограничением электронов в КЯ по сравнению с ГС InGaAsP/InP и способна обеспечить стабильность наклона ватт-амперной характеристики (ВтАХ) при высоких токах накачки [1,2]. Увеличение глубины КЯ возможно при использовании в качестве волноводного слоя AlGalnAs с увеличенной шириной запрещенной зоны. Расширение волновода обеспечивает снижение внутренних оптических потерь и представляет возможность дополнительного повышения выходной мощности излучения лазерных диодов (ЛД) [3]. Учитывая эти факторы, в данной работе проведено исследование влияния конструкции ГС на выходные параметры получаемых приборов.
Мощность лазерного излучателя может быть дополнительно увеличена при
переходе от одиночного лазерного диода к сборке из нескольких излучающих
элементов. Такие излучатели представляют собой линейки лазерных диодов (ЛЛД) и РЛД, а их выходная импульсная мощность увеличивается пропорционально количеству элементов [4].
Перспективным является подход интеграции излучающих областей в процессе эпитаксии посредством совмещения лазерных секций ГС через туннельный переход [5]. При таком подходе возможно получение излучателя с эффективностью, кратной числу секций ГС, и незначительным увеличением размеров апертуры. Применение туннельного перехода требует разработки его геометрии и технологических условий получения, поскольку сильнолегированные слои в процессе выращивания и последующих технологических операциях подвергаются диффузионному размытию, которое вызывает снижение максимальных концентраций и компенсацию примесей в области p-n-перехода, уменьшая напряженность электрического поля. Широко применяемый для легирования в данной системе материалов цинк обладает большим коэффициентом диффузии [6], поэтому для предотвращения размытия концентрационного профиля необходимо разработать подходы легирования туннельного перехода и условия его формирования, а также исследовать возможность использования альтернативных примесей р-типа проводимости, которые характеризуются более низким коэффициентом диффузии.
Таким образом, создание полупроводниковых излучателей повышенной мощности в диапазоне 1.5-1.6 мкм является актуальной и сложной задачей современной науки и технологии.
Целью работы являлось получение квантоворазмерных ГС раздельного ограничения AlGalnAs/InP, в том числе эпитаксиально-интегрированных, и мощных лазерных излучателей спектрального диапазона 1.5-1.6 мкм на их основе.
Задачи:
1. Исследование подходов по выбору геометрии активной области ГС AlGalnAs/InP, обеспечивающей повышение импульсной выходной оптической мощности ЛД.
-
Разработка эпитаксиально-интегрированной ГС AlGabiAs/InP с лазерными секциями, соединенными туннельным переходом на основе эпитаксиальных слоев p+-InGaAs/n+-InGaAs.
-
Получение ГС AlGalnAs/InP для импульсных лазерных излучателей повышенной мощности и исследование характеристик.
-
Создание эпитаксиально-интегрированных ГС AlGaInAs/шР для импульсных излучателей и исследование их характеристик.
Научная новизна результатов работы состоит в следующем:
-
Предложены конструкции и получены ГС AlGalnAs/InP с повышенным электронным ограничением в КЯ, позволяющие создавать на их основе мощные ЛД спектрального диапазона 1.5-1.6 мкм.
-
Показана возможность применения подхода эпитаксиальной интеграции для создания методом МОС-гидридной эпитаксии ГС AlGalnAs/InP с двумя излучающими областями, соединенными посредством туннельного перехода р-InGaAs/n+-InGaAs.
-
На основе предложенных ГС AlGalnAs/InP созданы полупроводниковые лазерные излучатели спектрального диапазона 1.5-1.6 мкм, импульсная мощность которых превышает 100 Вт при токе накачки ~55 А.
-
Созданы ГС AlGalnAs/InP с двумя лазерными секциями. На их основе изготовлены импульсные ЛЛД, демонстрирующие увеличенный в 1.6-1.8 раз наклон ВтАХ.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Увеличение энергетической глубины КЯ InGaAs/AlGalnAs до -220 мэВ в конструкции ГС с расширенным волноводом позволяет повысить наклон ВтАХ ЛД спектрального диапазона 1.5-1.6 мкм.
-
Легирование эпитаксиальных слоев InGaAs кремнием и магнием позволяет создать высокоэффективный туннельный переход p-InGaAs/n+-InGaAs.
-
Использование конструкции ГС AlGalnAs/InP с расширенным волноводом и глубокой КЯ позволяет создавать на ее основе лазерные излучатели спектрального диапазона 1.5-1.6 мкм с импульсной выходной мощностью более 100 Вт.
-
Эпитаксиальная интеграция двух активных областей в ГС AlGalnAs/InP обеспечивает увеличение наклона ВтАХ ЛЛД спектрального диапазона 1.5-1.6 мкм в 1.6-1.8 раз.
Практическая значимость.
-
Реализована концепция расширенного волновода с повышенным электронным ограничением, которая позволила создать в условиях МОС-гидридной эпитаксии ГС AlGalnAs/InP для мощных импульсных излучателей спектрального диапазона 1.5-1.6 мкм.
-
Развит подход эпитаксиальной интеграции ГС посредством туннельного перехода на основе p+-InGaAs/n+-InGaAs, обеспечивающего низкое последовательное сопротивление.
-
Разработана конструкция и получены ГС AlGalnAs/InP, на основе которых созданы излучатели, достигающие в спектральном диапазоне 1.5-1.6 мкм импульсной мощности излучения свыше 100 Вт с площади менее 1 мм .
-
Получены эпитаксиально-интегрированные ГС, на основе которых изготовлены импульсные ЛЛД с наклоном ВтАХ, превышающим наклон характеристики для ЛЛД на основе "одиночной" ГС в 1.6-1.8 раза.
Апробация результатов работы.
Результаты работы докладывались и обсуждались на X Юбилейной Международной научной конференции «Химия твердого тела: наноматериалы, нанотехнологии» (Ставрополь, Россия, 2010), XVI Международном симпозиуме «Нанофизика и наноэлектроника» (Нижний Новгород, Россия, 2012), XV International Conference «Laser optics» (Санкт-Петербург, Россия, 2012), XIV Международной конференции «Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы» (Ульяновск, Россия, 2012), XV European Workshop on MOVPE (Аахен, Германия,
2013), IX Белорусско-Российском семинаре «Полупроводниковые лазеры и системы
на их основе» (Минск, Беларусь, 2013), XI Российской конференции по физике полупроводников (Санкт-Петербург, Россия, 2013).
Достоверность результатов. Основные научные положения и выводы подтверждаются использованием современных методов исследования ГС и анализа приборных характеристик, публикациями в рецензируемых журналах и обсуждениями на международных конференциях.
Личный вклад автора.
Изложены результаты работ, выполненных автором лично и в соавторстве. Автором предложены варианты геометрии ГС с увеличенной глубиной КЯ, геометрии туннельного перехода и их реализация в условиях МОС-гидридной эпитаксии. Автором лично разработана и реализована технология получения эпитаксиально-интегрированных ГС, проведен анализ полученных характеристик излучателей, созданных на основе предложенных ГС.
Публикации.
По материалам диссертации опубликовано 10 работ, из которых 2 в рецензируемых журналах и 8 в сборниках материалов и трудов конференций.
Структура и объем.
Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов, списка литературы и приложения. Работа содержит 116 страниц, включая 61 рисунок, 5 таблиц, список литературы из 102 позиций.
