Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современные квантово-размерные гетероструктуры InGaAs/(Al)GaAs и тенденции в создании инжекционных лазеров спектрального диапазона 1000-1100 нм на их основе 14
1.1. Конструктивные и физико-химические особенности гетероструктур InGaAs/(Al)GaAs 15
1.2. Актуальность и способы повышения эффективности полупроводниковых лазеров 34
1.3. Заключение 39
Глава 2. Особенности напряженных квантово-размерных гетероструктур в системе материалов InGaAs/(AI)GaAs
2.1. Сегрегация атомов индия в условиях МОС-гидридной эпитаксии гетероструктур InGaAs/(Al)GaAs 40
2.2. Критические условия на образование и распространение дислокаций несоответствия в напряженных квантово-размерных гетероструктурах InGaAs/(Al)GaAs 53
2.3. Спектральные свойства напряженных квантово-размерных лазерных гетероструктур- - InGaAs/(Al)GaAs 55
2.4. Спектральные особенности полупроводниковых лазеров на основе напряженных квантово-размерных гетероструктур InGaAs/(Al)GaAs 63
2.5. Заключение 67
Глава 3. Оптимизация активной области квантово-размерных лазерных гетеро структур InGaAs/(AI)GaAs для полупроводниковых лазеров спектрального диапазона 1000-1100 нм 69
3.1. Общие принципы построения конфигурации квантово-размерной активной области лазерных гетероструктур 69
3.2. Активная область лазерных гетероструктур InGaAs/GaAs/AlGaAs: конфигурация квантовых ям 76
3.3. Активная область лазерных гетероструктур InGaAs/(Al)GaAs: конфигурация ступенчатого волновода с двойным ограничением носителей 84
3.4. Заключение 87
Глава 4. Экспериментальное исследование характеристик высокоэффективных одномодовых гребневых полупроводниковых лазеров 88
4.1. Методики экспериментального исследования характеристик инжекционных полупроводниковых лазеров 89
4.2. Оптимизация активного элемента одномодовых гребневых полупроводниковых лазеров с длиной волны 1060-1070 нм 94
4.3. Исследование основных характеристик высокоэффективных одномодовых гребневых полупроводниковых лазеров с длиной волны 1060-1070 нм 102
4.4. Заключение 109
Выводы и заключение ПО
Литература 112
- Актуальность и способы повышения эффективности полупроводниковых лазеров
- Критические условия на образование и распространение дислокаций несоответствия в напряженных квантово-размерных гетероструктурах InGaAs/(Al)GaAs
- Активная область лазерных гетероструктур InGaAs/GaAs/AlGaAs: конфигурация квантовых ям
- Оптимизация активного элемента одномодовых гребневых полупроводниковых лазеров с длиной волны 1060-1070 нм
Введение к работе
Актуальность проблемы
С самого момента появления ИПЛ привлекают к себе большое внимание. Сочетание таких особенностей, как возможность напрямую преобразовывать электрическую энергию в оптическую, миниатюрность, малоинерционность, низкая себестоимость при массовом производстве обеспечили ИПЛ самый широкий круг применений. К наиболее массовым относятся оптические системы хранения информации (CD, DVD, Blue-ray), телекоммуникационные волоконные системы, накачка активных сред, медицина. Существуют и другие важные применения ИПЛ - спектроскопия, стандарты частоты, измерительная интерферометрия, голография, интегральная оптика и т.д.
У ИПЛ исследуемого в работе спектрального диапазона 1000-1100 нм существует ряд специфических применений. Зачастую они используются для замещения более дорогостоящих твердотельных и волоконных лазеров. В составе мощных импульсных лазерных систем они выступают в качестве задающих генераторов. ИПЛ исследуемого спектрального диапазона широко применяются в открытых линиях связи и лидарах, поскольку обеспечивают низкий уровень потерь на поглощение и рассеяние излучения. Использование схем с оптическим удвоением или утроением частоты позволяет создавать источники видимого лазерного излучения.
Для создания современных надежных ИПЛ, работающих в спектральном диапазоне 1000-1100 нм, необходим учет ряда специфических особенностей исходных лазерных ГС InGaAs/(Al)GaAs. В частности, это высокий уровень механических напряжений и возможность образования кристаллических дефектов в активной области. Размытие номинального концентрационного профиля квантово-размерных слоев InGaAs в активной области оказывает существенное влияние на рабочие характеристики лазеров.
К моменту начала работы в литературе существовали качественные модели, описывающие наблюдаемые особенности. Однако их точность недостаточна для практических применений. В связи с этим необходимо проведение дополнительных исследований особенностей напряженных квантово-размерных ГС InGaAs/(Al)GaAs. Также эти особенности должны учитываться при разработке лазерных ГС спектрального диапазона 1000-1100 нм.
Целый ряд параметров исходных лазерных ГС и активного элемента неоднозначно влияют на рабочие характеристики ИПЛ. Улучшая одни характеристики, одна и та же модификация ИПЛ может вызывать ухудшение других. Выбор оптимальной конфигурации ИПЛ, как правило, определяется областью применения разрабатываемых приборов. К настоящему моменту опубликовано большое количество работ, где основным критерием выступали условия снижения порогового тока или увеличения мощности, яркости излучения.
Исследование влияния условий роста гетероструктур InGaAs/(Al)GaAs на сегрегационное размытие концентрационных профилей квантово-размерных слоев InGaAs, выращиваемых методом МОС-гидридной эпитаксии.
Разработка методики расчета концентрационных профилей гетероструктур с одной и несколькими напряженными квантовыми ямами InGaAs/GaAs.
Определение условий начала активного дефектообразования в напряженных квантово-размерных гетероструктурах InGaAs/(Al)GaAs.
Исследование влияния сегрегационного размытия концентрационных профилей квантово-размерных слоев InGaAs на спектральные свойства лазерных гетероструктур InGaAs/ (Al)GaAs и лазеров на их основе.
Оптимизация конфигурации напряженной квантово-размерной активной области лазерных гетероструктур InGaAs/(Al)GaAs спектрального диапазона 1000-1100 нм для создания высокоэффективных полупроводниковых лазеров.
Оптимизация геометрии активного элемента гребневого полупроводникового лазера для увеличения его эффективности при сохранении режима одномодовой генерации в широком диапазоне токов накачки (на примере лазеров спектрального диапазона 1060-1070 нм).
Исследование основных характеристик разработанных высокоэффективных одномодо-вых гребневых полупроводниковых лазеров спектрального диапазона 1060-1070 нм.
Научная новизна
Исследовано влияние механических напряжений на поверхности роста па сегрегационное размытие номинальных концентрационных профилей квантово-размерных гетероструктур InGaAs/(Al)GaAs, выращиваемых методом МОС-гидридной эпитаксии.
Определены общие условия начала дефектообразования в квантово-размерных гетероструктурах InGaAs/(Al)GaAs с произвольной конфигурацией напряженных слоев, выращиваемых методом МОС-гидридной эпитаксии.
Изучены спектральные особенности напряженных квантово-размерных лазерных гетероструктур InGaAs/(Al)GaAs спектрального диапазона 1000-1100 нм и полупроводниковых лазеров на их основе.
Впервые в работе исследована возможность повышения эффективности работы полупроводниковых лазеров спектрального диапазона 1000-1100 нм за счет оптимизации активной области лазерных гетероструктур с учетом сегрегационного размытия концентрационных профилей квантовых ям InGaAs/GaAs.
Достоверность и обоснованность полученных результатов подтверждается:
соответствием результатов теоретических расчетов и экспериментальных данных, полу
ченных для тестовых напряженных квантово-размерных ГС InGaAs/(Al)GaAs при исследо-
вании особенностей используемой системы материалов и оптимизации конфигурации активной области лазерных ГС;
результатами исследования основных характеристик разработанных высокоэффективных одномодовых гребневых ИПЛ спектрального диапазона 1060-1070 нм.
На защиту выносятся научные положения и результаты
Механические напряжения на поверхности роста оказывают существенное влияние на сегрегационное размытие концентрационных профилей квантово-размерных ГС InGaAs/GaAs.
Определение критических условий на образование дислокаций несоответствия в квантово-размерных ГС InGaAs/(Al)GaAs возможно только при учете сегрегационного размытия слоев InGaAs, снижающего уровень механических напряжений.
Наблюдаемое искажение геометрии активной области лазерных квантово-размерных ГС InGaAs/(Al)GaAs приводит к коротковолновому смещению спектра их люминесценции при использовании одной КЯ, а также уширению и расщеплению спектра в случае нескольких ям.
Для ИПЛ на основе ГС InGaAs/(Al)GaAs с двумя КЯ в активной области появление дополнительной коротковолновой компоненты в спектре при увеличении тока накачки обусловлено вовлечением в генерацию нижней, более размытой квантовой ямы. Для ИПЛ с одной КЯ может наблюдаться скачкообразное укорочение длины волны, величина которого определяется геометрией ямы.
Сегрегационное искажение активной области лазерных ГС InGaAs/(Al)GaAs приводит к необходимости дополнительной оптимизации соотношения параметров КЯ, а также использования номинально неидентичных КЯ для повышения эффективности ИПЛ.
Результаты исследования разработанных одномодовых гребневых ИПЛ спектрального диапазона 1060-1070 нм с выходной мощностью до 340 мВт и высокой надежностью.
Практическая ценность работы
ИПЛ спектрального диапазона 1000-1100 нм на основе квантово-размерных ГС InGaAs/(Al)GaAs к настоящему моменту нашли широкое применение. В связи с этим рассматриваемые в настоящей работе вопросы представляют интерес не только с научной, но и с практической точки зрения. Проведенные исследования позволили получить следующие результаты:
Определены режимы роста ГС InGaAs/(Al)GaAs методом МОСГЭ, позволяющие снизить сегрегационное размытия концентрационных профилей напряженных квантово-размерных слоев InGaAs.
Разработана методика расчета концентрационных профилей квантово-размерных ГС InGaAs/GaAs с произвольной конфигурацией напряженных слоев InGaAs.
Определено критическое значение эффективного напряжения сдвига на образование и распространение ДН в напряженных ГС InGaAs/(Al)GaAs. Предложена методика оценки пригодности этих ГС для производства ИГШ.
Разработана методика расчета положения максимума спектра ЭЛ лазерных ГС InGaAs/ (Al)GaAs в зависимости от соотношения мольных расходов МОС атомов индия и галлия для эпитаксиальной установки «СИГМОС-130». Точность расчета улучшена с 20 до 2 нм.
Достигнуто уменьшение ширины спектра ЭЛ и увеличение интенсивности в его максимуме на 10-15% для лазерных ГС InGaAs/(Al)GaAs с двумя КЯ в активной области.
Создана лазерная ГС InGaAs/(Al)GaAs с оптимизированной конфигурацией квантово-размерной активной области. Определены параметры активного элемента гребневых ИПЛ спектрального диапазона 1060-1070 нм на основе этой ГС, обеспечивающие высокую эффективность в режиме одномодовой генерации.
Использование результатов проведенных исследований позволило разработать одно-модовые гребневые полупроводниковые лазеры с длиной волны 1060-1070 нм, обладающие высокой эффективностью работы. КПД разработанных лазеров увеличен на 15% и достигает уровня 0,55. При этом максимальная мощность в режиме одномодовой генерации составила 340 мВт, а предварительный ресурс работы с выходной мощностью 250 мВт и температурой теплоотвода 20С - не менее 50000 часов.
Апробация работы
Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на всероссийских и международных конференциях. В частности:
9-й Всероссийский симпозиум по прикладной промышленной математике (весенняя сессия), 1-8 мая."2008 г., Кисловбдск(Россия)
«Тонкие пленки и наноструктуры». 22-26 ноября 2005 г. Москва (Россия)
E-MRS Symposium. Warsaw, September, 2003
ICMOVPE XL Berlin, June 2002
E-MRS Symposium. Strasbourg, June, 2001
ICCG-13/ICVGE-11. Kyoto, July, 2001
9th Int. Symp. "Nanostructures: Physics and Technology". St Peterburg, June, 2001
Волоконно-оптические модули на основе разработанных ИПЛ демонстрировались на международной выставке «Фотоника 2007» (Москва, 2007).
Публикации
Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 24 научных работах, в том числе 12 тезисах в материалах научно-технических конференций.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Работа содержит 115 страниц, включающих 6 таблиц и 64 рисунка.
Личный вклад автора
В диссертации изложены результаты работ, которые были выполнены автором лично и в соавторстве. В работах, выполненных в соавторстве и включенных в диссертацию, автор внес определяющий вклад в:
Аналитическое исследование характеристик современных полупроводниковых квантово-размерных лазерных ГС InGaAs/(Al)GaAs и тенденций в создании ИПЛ спектрального диапазона 1000-1100 нм на их основе.
Построение методики моделирования концентрационных профилей напряженных кван-тово-размерных слоев InGaAs, выращиваемых в системе материалов GaAs/AlGaAs методом МОСГЭ.
Определение критических условий на образование и распространение ДН в напряженных квантово-размерных ГС InGaAs/(Al)GaAs.
Получение теоретических зависимостей длины волны межзонного перехода для ряда напряженных ГС InGaAs/GaAs с одной и двумя ЬСЯ в активной области.
Объяснение причин отличия длин волн ЭЛ ГС InGaAs/(Al)GaAs с одной и двумя КЯ, имеющими одинаковые номинальные профили.
Исследование процесса коротковолнового переключения длины волны лазерной генерации, наблюдаемое для ряда ИПЛ спектрального диапазона 1060-1080 нм.
Расчет по оптимизации конфигурации активной области лазерной ГС InGaAs/(Al)GaAs спектрального диапазона 1000-1100 нм.
Расчет по оптимизации геометрии гребневого волновода одномодовых ИПЛ спектрального диапазона 1060-1070 нм.
Проведение исследований основных характеристик разработанных одномодовых ИПЛ спектрального диапазона 1060-1070 нм. Кроме того, автором выполнены обработка, анализ и обобщение результатов.
Соавторы, принимавшие участие в исследованиях по отдельным направлениям, указаны в списке основных публикаций по теме диссертации. Все результаты, составляющие научную новизну диссертации и выносимые на защиту, получены автором лично.
Основное содержание работы
Во введении кратко описываются области применения ИПЛ спектрального диапазона 1000-1100 нм. Обосновывается актуальность исследования особенностей напряженных
квантово-размерных ГС InGaAs/(Al)GaAs, а также учета этих особенностей при разработке лазерных ГС. Показана необходимость проведения оптимизации лазерной ГС, которая обеспечила бы рост КПД ИПЛ и, тем самым, улучшила их основные характеристики (максимальная выходная мощность, надежность). Сформулирована цель работы и задачи, решаемые для достижения поставленной цели; перечислены научные результаты, выносимые на защиту; показаны научная новизна исследования и его практическая ценность.
В первой главе дан обзор современного состояния и путей создания ИПЛ на основе квантово-размерных ГС в системе материалов InGaAs/(Al)GaAs спектрального диапазона 1000-1100 нм. Рассмотрены особенности исследуемой системы материалов, представлены основные модели, которые используются для количественного описания квантово-размерного эффекта, поверхностной сегрегации атомов индия в процессе эпитаксиального роста, дефекто-образования. На основе экспериментальных данных, представленных в литературе и имевшихся к началу работы, показано, что рассмотренные модели с недостаточной степенью точности описывают характеристики ГС InGaAs/(Al)GaAs и требуют модификации.
Показано, что ряд специфических особенностей ГС InGaAs/(Al)GaAs препятствует получению высокой эффективности работы ИПЛ, изготовленных на их основе. Определены основные направления исследований для увеличения КПД работы ИПЛ.
Вторая глава посвящена вопросу создания квантово-размерных лазерных ГС InGaAs/(Al)GaAs спектрального диапазона 1000-1100 нм. Определены режимы эпитаксиального роста, позволяющие минимизировать сегрегационное размытие номинальных концентрационных профилей активной области лазерных ГС. Построена модель сегрегационного размытия концентрационных профилей, учитывающая влияние механических напряжершй. Параметры модели подобраны так, чтобы расчетные концентрационные- профили максимально соответствовали реально формируемым при оптимизированных условиях роста. Определены критические условия на образование и распространение ДН в напряженных ГС с учетом сегрегационного эффекта. Исследованы спектральные свойства квантово-размерных ГС InGaAs/(Al)GaAs спектрального диапазона 1000-1100 нм и ИПЛ на их основе.
В третьей главе проведена оптимизация квантово-размерной активной области лазерных ГС InGaAs/(Al)GaAs спектрального диапазона 1000-1100 нм для увеличения эффективности ИПЛ на их основе. Обсуждены общие подходы и принципы разработки квантово-размерной активной области. На их основе, с учетом особенностей исследуемой системы материалов определены параметры КЯ InGaAs/GaAs, обеспечивающие минимальный уровень пороговой плотности носителей в активной области. Для достижения максимальной эффективности работы мощных ИПЛ оптимальной является конфигурация активной области с двумя КЯ. Устранен эффект расщепления спектра усиления, наблюдавшийся для ГС с такой
конфигурацией активной области. Для этого соответствующим образом подобраны номинальные значения толщины обеих КЯ. Достигнуто увеличение интенсивности в максимуме спектра ЭЛ. Проведен расчет по определению параметров ступенчатого волновода, обеспечивающих минимизацию токовых утечек из активной области в волноводные слои.
Четвертая глава посвящена разработке и исследованию параметров одномодовых гребневых ИПЛ спектрального диапазона 1060-1070 нм с высокой эффективностью работы. Описаны методики исследования характеристик ИПЛ.
ИПЛ разрабатывались на основе ГС с конфигурацией активной области, оптимизированной согласно результатам Главы 3. Ширина гребневого волновода, остаточная ширина р-эмиттера вне гребня, длина и коэффициент отражения выходного зеркала лазерного резонатора подбирались на основе соответствующего расчета, исходя из требования получения максимального значения г)1'акс. Результатом оптимизации стало увеличение эффективности
работы ИПЛ на 15%, значение ті"с'акс для разработанных ИПЛ составило 0,55. Максимальная
мощность излучения в одномодовом режиме генерации достигла 340 мВт. Исследованы основные характеристики разработанных ИПЛ. Обсуждены их характерные особенности. В заключении подведены основные итоги выполнения диссертационной работы.
Актуальность и способы повышения эффективности полупроводниковых лазеров
Современные многомодовые ИПЛ обеспечивают КПД на уровне 50% (одномодовые — 40-43%). Это означает, что при рабочем токе накачки оптическая мощность излучения ИПЛ равна тепловой, выделяемой в лазерном кристалле. Для поддержания температуры кристалла в оптимальном диапазоне выделяемое тепло должно отводиться с помощью системы охлаждения. Вместе с тем, процесс охлаждения сам по себе имеет низкую эффективность и потребляет больше мощности, чем необходимо отвести от лазерного кристалла. Как правило, КПД современных систем охлаждения не превышает 30-35%. Таким образом, увеличение эффективности работы ИПЛ позволит заметно снизить энергопотребление и самого излучателя, и системы охлаждения.
Кроме того, улучшение эффективности оказывает большое влияние на режим работы ИПЛ. Так основой фактор, ограничивающий в настоящее время максимальную выходную мощность ИПЛ, - перенос тепла от р-n перехода и механизмы охлаждения [2]. При увеличении эффективности растет часть подводимой мощности, преобразуемая в лазерное излучении, и падает доля мощности, выделяющаяся в активной области в виде тепла. Таким образом, снижается тепловая нагрузка на кристалл, и появляется возможность дальнейшего увеличения максимальной выходной мощности.
Срок службы ИПЛ определяется законом Аррениуса и экспоненциально зависит от температуры активной области [1]. В этой связи важным является вопрос снижения абсолютной температуры в области р-n перехода. Повышение эффективности ИПЛ приводит к уменьшению тепловыделения в активной области и, соответственно, снижению ее температуры. Для увеличения эффективности работы ИПЛ тщательным образом должны быть исследованы вопросы природы потерь в лазерном кристалле, причины их возникновения и возможности их устранения. Механизмы потерь На рис. 15 показаны основные механизмы потерь при работе ИПЛ и теоретически оценена их доля в общей энергетическом балансе прибора [3]. Рассмотрен ИПЛ с КПД 50%. Рис. 15. Энергетический баланс работы ИПЛ с КПД 50% [3].
Потери до достижения пороговых условий - часть подводимой мощности тратится на получение инверсной заселенности в активной области. Также существует ряд безызлуча-тельных механизмов поглощения носителей. Доля этих потерь составляет около 6%.
Утечки носителей дают вклад 8%. Это та часть электронов и дырок, которые не ре-комбинируют с образованием фотона в активной области. Выделяющееся (джоулево) тепло дает максимальный вклад в потери - 16%. Является следствием наличия эффективного последовательного сопротивления ИПЛ, включающее контактное сопротивление и сопротивление внутренних слоев ГС. Барьеры на гетерограницах слоев. Поскольку лазерная ГС является комбинацией полупроводниковых слоев различного состава, зонная диаграмма такой ГС имеет потенциальные барьеры на гетерограницах слоев. При протекании тока через ГС часть мощности тратится на преодоление этих барьеров. Доля этого механизма потерь составляет 6%.
Потери на рассеяние и поглощение (14%) связаны с тем, что не все родившиеся фотоны остаются в волноводных слоях, часть излучения теряется на зеркалах лазера, рассеивается в активной области, происходят процессы поглощения на свободных носителях.
Часть выражения для цкс, зависящая от х, является монотонно возрастающей функцией стремящейся к 1 при больших значениях х. Таким образом, из представленных выражений видно, что для увеличения КПД на определенной длине волны Я должны быть оптимизированы следующие параметры ИПЛ: снижено напряжение отсечки Uomc; увеличена внутренняя квантовая эффективность ;/,; снижены внутренние оптические потери а,; снижены последовательное сопротивления Rs и пороговый ток 1пор; оптимальным образом подобраны коэффициенты отражения переднего и заднего зеркал лазерного резонатора R] и R2; правильно выбрана длина кристалла L.
Для дальнейшего увеличения эффективности работы ИПЛ можно использовать два различных подхода. Последовательная оптимизация каждого из нескольких ключевых параметров дизайна ИПЛ позволит улучшить его параметры. Тепловыделение от ГС может быть снижено при понижении омического сопротивления контактных слоев за счет увеличения концентрации примеси и специальных методов отжига и схем металлизации. Полное последовательное сопротивление также может быть снижено оптимизацией легирования волно-водных слоев и эмиттера.
Потери, связанные с наличием потенциальных барьеров на гетерограницах слоев, могут быть снижены введением слоев с градиентным изменением состава. Улучшение оптического ограничения поля моды и оптимизация его перекрытие с КЯ в активной области может уменьшить потери на рассеяние. Правильный выбор профиля легирования лазерной ГС способен обеспечить снижение потерь вследствие поглощения на свободных носителях.
Учет особенностей исследуемой системы материалов InGaAs/(Al)GaAs позволяет выделить несколько дополнительных направлений работ по улучшению параметров лазерных ГС. Это подбор режимов эпитаксиального роста для оптимизации люминесцентных свойств ГС, контроль уровня плотности кристаллических дефектов в напряженной активной области.
Наличие сегрегационного размытия номинальных концентрационных профилей квантово-размерных слоев InGaAs делает актуальной задачу подбора номинальных значений состава и толщины слоев для снижения пороговой плотности неравновесных носителей в активной области ИПЛ. Устранение расщепления спектра усиления лазерных ГС с двумя КЯ в активной области также должно обеспечить увеличение эффективности работы ИПЛ.
На эффективность работы одномодовых гребневых ИПЛ значительное влияние оказывают такие параметры лазерного кристалла, как ширина гребня и остаточная толщина р-эмиттера вне гребня. Эти же параметры определяют модовый состав излучения в плоскости р-n перехода и должны подбираться с учетом механизмов изменения показателя преломления при протекании тока через ГС: теплового и антиволноводного эффекта, сильно проявляющегося в системе материалов InGaAs/(Al)GaAs в рассматриваемом спектральном диапазоне.
Однако для получения цl ahC порядка 80% и более требуются более совершенные подходы, фундаментально модифицирующие лазерную ГС и дизайн ИПЛ. Например, потери в допороговом режиме могут быть снижены принципиальным изменением усиливающей среды. Одним из таких изменений может быть использование квантовых точек в активной области. Благодаря пониженной размерности носителей в квантовых точках, ожидается значительное снижение пороговых токов. Кроме того, исходя из расчетов, для лазерной ГС с квантовыми точками характеристическая температура должна быть выше, чем для ГС с КЯ.
Критические условия на образование и распространение дислокаций несоответствия в напряженных квантово-размерных гетероструктурах InGaAs/(Al)GaAs
При разработке конструкции напряженных квантово-размерных ГС необходимо учитывать возможность начала процесса активного дефектообразования. Как правило, высокая плотность структурных дефектов препятствует приборному использованию выращенных ГС. В частности, при использовании ГС InGaAs/GaAs для производства ИПЛ структурные дефекты снижают эффективность КЯ, вводят дополнительные оптические потери в волновод-ных слоях, способствуют образованию каналов утечек тока. Процесс дефектообразования вследствие высоких механических напряжений в ГС происходит, как правило, путем генерации сетки ДН и является пороговым.
Для определения степени структурного совершенства ГС, попадающих в метаста-бильную область, использована модель [30], представленная в параграфе 1.1. В данной работе для определения значения допустимой величины эффективного напряжения сдвига т/"еШ были использованы экспериментальные данные по ЭЛ измерениям ряда напряженных ГС InGaAs/GaAs с одной, двумя и пятью КЯ.
При использовании данных о реальных ГС следует учитывать особенности их формирования. В частности, при выращивании ГС InGaAs/GaAs в условиях МОСГЭ большое влияние на концентрационный профиль КЯ оказывает сегрегация атомов индия в процессе роста (параграф 2.1). Сегрегация приводит к значительному уширению номинально резких гетеро-границ квантово-размерных слоев, вызывает изменение толщины и состава напряженных слоев. При расчете критических условий на образование и развитие ДН для таких ГС особенно важной становится возможность модели [30] работать со слоями переменного состава.
Для учета сегрегационного размытия КЯ InGaAs/GaAs использовалась модель, описанная в параграфе 2.1. На рис. 28 приведены зависимости hKp, рассчитанной при условии reff= 0 МПа, для КЯ InxGai.xAs/GaAs от мольной доли XI„AS ДЛЯ случаев КЯ с прямоугольным профилем и с сегрегационным размытием гетерограниц. Для зависимости, полученной с учетом сегрегации, в качестве XJ„AS использовалось номинальное значение. Как видно из представленных зависимостей, сегрегационное размытие профиля КЯ снижает величину напряжений в ГС, приводя к повышению значения критической толщины hH .
Устойчивость ГС с КЯ InGaAs/GaAs к образованию и распространению ДН анализировалась сопоставлением результатов расчета xcjf с результатами ЭЛ измерений. На рис. 29 показана зависимость интенсивности ЭЛ от значения эффективного напряжения сдвига (Tqffi UGOAS) для ГС с одной, двумя и пятью последовательно выращенными КЯ. Приведенная зависимость свидетельствует о наличии определенного порогового значения напряжения (тс/= т "с1а), при превышении которого начинается активное дефектообразование, приводящее к резкому росту оптических потерь. Следует особо отметить, что величина т" ем с хорошей степенью точности совпадает для ГС с различным числом КЯ и составляет 6-lO 3- iGaAs.
На рис. 30 представлены границы устойчивости ГС InGaAs/GaAs к образованию и развитию ДН для случая одной КЯ, рассчитанные с учетом сегрегационного размытия концентрационного профиля атомов индия. Кривая в метастабильной области получена для значения r" e o=6-10"3uoaAs- Видно, что учёт реальных процессов, протекающих при эпитаксиаль-ном росте ГС с КЯ, позволяет для ГС с напряженными КЯ точнее установить границы области с низкой плотностью структурных дефектов.
Таким образом, рассмотрение процессов образования и распространения ДН в кван-тово-размерных ГС InGaAs/GaAs с использованием модели [30], а также учет сегрегационных явлений, приводящих к искажению номинальных концентрационных профилей КЯ, позволили определить границы областей, внутри которых: ДН отсутствуют; ДН могут образоваться, но в рамках используемой технологии не наблюдаются; ДН образуются. В результате для любой напряженной ГС InGaAs/GaAs с произвольным номинальным концентрационным профилем появляется возможность с высокой точностью теоретически оценить плотность структурных дефектов.
Искажение номинального концентрационного профиля квантово-размерной активной области лазерных ГС InGaAs/(Al)GaAs, вызванное сегрегационными явлениями в процессе эпитаксиального роста, приводит к изменению энергетического спектра и смещению положения максимума спектра ЭЛ ГС. Как следствие, нарушаются зависимости длины волны межзонного перехода от состава активной области, приводимые в литературе [31] и рассчи тайные в предположении прямоугольности КЯ. С учетом того, что для целого ряда применений абсолютное значение длины волны должно попадать в заданный узкий диапазон вплоть до ±3 нм (оптическая накачка, сенсоры газов и жидкостей), подобное несовпадение расчета и эксперимента может приводить к нежелательным последствиям. В частности, для смещения линии лазерной генерации в нужный диапазон, разработчикам приходится идти на снижение эффективности работы ИПЛ.
Методика расчета положения максимума спектра ЭЛ представлена в параграфе 1.1. Непосредственно в работе для совместного решения уравнений Пуассона и непрерывности использовалась программа компьютерного моделирования работы оптоэлектронных приборов PICS3D. Эта программа позволяет создавать трехмерную модель ИПЛ или другого оптоэлектронного устройства, основываясь на согласованном решении уравнений дрейфово-диффузионной модели (Пуассона, непрерывности потока носителей) и оптических волновых уравнений (комплексное волновое уравнение для поперечного распределения мод, скоростное уравнение для фотонов в лазерном резонаторе) [61]. При этом используется целый ряд моделей. В том числе:
Расчет положения подзон размерного квантования в КЯ (только с прямоугольным концентрационным профилем) для корректного и правильного расчета концентрации носителей в активной области и достигаемого усиления. При расчетах в случае необходимости программа позволяет учитывать эффект valence band mixing.
Оптическое усиление для квантово-размерной или объемной активной области рассчитывается исходя из материальных параметров (эффективные массы носителей, ширина запрещенной зоны и т.д.). Возможно использование сложных моделей уширения спектра усиления, в том числе Лоренцовского и Ландсберговского типов. Учитываются механизмы внутризонного рассеяния (электрон-электронное, электрон-фононное) для расчета параметров уширения. При рассмотрении оптических межзонных переходов возможен учет непараболичности зон.
Модели рекомбинации носителей включают: рекомбинацию Шокли-Рида-Холла (на глубоких ловушечных уровнях); Оже-рекобинацию; вынужденную и спонтанную излуча-тельную рекомбинацию. Для точного расчета концентрации носителей в квантово-размерных и объемных слоях используется распределение Ферми. Возможно использование модели неполной ионизации примеси. Учитывается зависимость подвижности носителей от величины электрического поля в рамках нескольких моделей. Модель насыщения усиления с ростом концентрации носителей. Учитывается температурная зависимость параметров материалов, а также решается трех мерная «тепловая» задача по определению распределения температуры по объему лазерного кристалла. Учитывается зависимость параметров материалов от концентрации носителей. В частности, осуществляется ренормализация ширины запрещенной зоны слоев в активной области, учет зависимости коэффициента преломления слоя от концентрации носителей позволяет учитывать антиволноводный эффект при расчете одномодовых в поперечном направлении ИПЛ.
Активная область лазерных гетероструктур InGaAs/GaAs/AlGaAs: конфигурация квантовых ям
Несмотря на то, что вопросам оптимизации конфигурации квантово-размерной активной области лазерных ГС посвящено большое количество публикаций (параграф 3.1), особенности исследуемой системы материалов InGaAs/(Al)GaAs (Глава 2) приводят к необходимости вновь вернуться к их рассмотрению. Дело в том, что в теоретических работах отсутствует учет сегрегационного размытия концентрационных профилей квантово-размерных слоев. В то же время в публикуемых экспериментальных работах рассматриваются режимы роста конкретных установок МОСГЭ или МЛЭ. Их результаты позволяют выявить общие тенденции, но не могут напрямую применяться в других лабораториях, использующих иные ростовые установки со своими условиями эпитаксиального роста.
Как было показано в предыдущем параграфе, пороговые условия в значительной мере определяются зонной диаграммой активной области лазерной ГС: количеством подзон размерного квантования для электронов в КЯ, интегралом перекрытия огибающих волновых функций подзон 1е и lhh. Поверхностная сегрегация в процессе роста приводит к значительному искажению номинального концентрационного профиля квантово-размерной активной области. В результате происходит изменение зонной диаграммы, которое необходимо учитывать при подборе оптимальных параметров КЯ, обеспечивающих снижение пороговой концентрации носителей и плотности тока.
В случае активной области с номинальным прямоугольным концентрационным профилем условия начала снижения величины \(y/hhl \ у/с1)\ и присутствия в КЯ одного связанного состояния (см. параграф 3.1) выполняются при практически одинаковых толщинах КЯ. Для активной области с одной КЯ номинального профиля на рис. 43а показаны расчетные зависимости толщины КЯ от ее состава, соответствующие условиям \{ц/Мі1 с/)"=0,95 (кривая 1) и Ее2 = Ебар (дно второй подзоны размерного квантования в зоне проводимости располагается на уровне барьерного слоя, кривая 2).
Для расчетов использовалась типичная конфигурация лазерной ГС для одномодовых ИПЛ спектрального диапазона 1000-1070 нм (Табл. 4). Значение Г— фактора рассчитывалось с помощью программы компьютерного моделирования работы оптоэлектронных приборов PICS3D, описанной в параграфе 2.3. Длина резонатора принималась равной 800 мкм, коэффициенты отражения переднего и заднего зеркал - 0,03 и 0,98. Величина внутренних потерь составляла 3,5 см"1 и была выбрана в соответствии с результатами экспериментальных исследований ИПЛ, изготовленных из ГС Табл. 4. Методика расчета (параграф 2.3) была дополнена учетом эффекта сужения запрещенной зоны слоев с увеличением плотности носителей (BGR) [4].
На рис. 436 представлены те же зависимости, рассчитанные для активной области с одной КЯ InGaAs/GaAs с сегрегационным размытием номинального концентрационного профиля. В этом случае кривые (1) и (2) значительно отстоят друг от друга, а положение зависимости оптимальных параметров КЯ может быть определено только после проведения соответствующего расчета. Кривая (3) показьшает его результаты и представляет собою конфигурацию КЯ, при которой N „p минимальна. Общая тенденция к снижению с увеличением мольной доли
InAs в составе КЯ сохраняется, однако абсолютные значения оптимальных толщин/составов КЯ, полученные с учетом и без учета сегрегации, сильно отличаются. На рис. 44 сопоставлены оптимальные конфигурации КЯ, полученные с учетом сегрегационного размытия и без учета. Там же для КЯ с сегрегационным размытием представлена получаемая зависимость длины волны излучения при выполнении пороговых условий.
При рассмотрении вопроса оптимального количества КЯ в параграфе 3.1 предполагалось, что концентрационный профиль КЯ в активной области является прямоугольным, и они идентичны. Однако в наших условиях квантовые ямы вырастают неодинаковыми, и их энергетические спектры различаются (параграф 2.3). Разница длин волн межзонного перехода для двух номинально идентичных КЯ InGaAs/GaAs в зависимости от состава и толщины может достигать 25 нм. В результате, для ИПЛ на основе ГС InGaAs/(Al)GaAs с двумя КЯ в лазерной генерации преимущественно принимает участие только одна КЯ (верхняя, более глубокая и близкая к номинальному концентрационному профилю). За счет уширения спектра усиления в результате внутризонного рассеяния нижняя КЯ также участвует в лазерной генерации, но в меньшей степени. В определенных условиях генерация происходит на обоих межзонных переходах в обеих КЯ, однако в этом случае спектр излучения расщеплен на две компоненты (рис. 34а).
Помимо нежелательного расщепления спектра генерации, такая конфигурация активной области с двумя КЯ негативно влияет на эффективность работы ИПЛ. При использовании двух КЯ в активной области предполагается, что они обе обеспечивают одинаковое уси ление на длине волны генерации. В результате та часть пороговой плотности носителей, которая непосредственно обеспечивает усиление (после достижения условий прозрачности), для каждой ЬСЯ снижается примерно вдвое по сравнению с плотностью носителей для активной области с одной КЯ. В связи с тем, что для ГС InGaAs/(Al)GaAs преимущественно одна (верхняя) ЬСЯ участвует в генерации, пороговая плотность носителей для обеспечения необходимого уровня усиления в этой ЬСЯ должна быть увеличена. С учетом носителей, находящихся во второй ЬСЯ (нижней), общая плотность носителей в такой активной области выше плотности носителей в активной области номинального концентрационного профиля. Повышение пороговой плотности носителей в активной области ведет к росту плотности порогового тока и соответствующему падению величины максимального КПД 7 ге (19).
Оптимизация активного элемента одномодовых гребневых полупроводниковых лазеров с длиной волны 1060-1070 нм
На основе результатов, полученных в Главе 3, была выращена лазерная ГС InGaAs/ (Al)GaAs с двумя КЯ в активной области и ступенчатым волноводом с двойным ограничением носителей. Ее конфигурация представлена в Табл. 6. Состав и толщина волноводных слоев, а также состав эмиттерных слоев были выбраны, исходя из требований получения определенной расходимости лазерного излучения и улучшения эффективности стыковки с волоконными световодами.
Существует несколько конструкций активного элемента ИПЛ, обеспечивающих режим пространственно одномодовой генерации в плоскости, перпендикулярной направлению распространения излучения. Для применений, где ИПЛ работает в режиме непрерывной генерации с высокой мощностью излучения, в последнее время чаще всего применяется гребневый волновод (рис. 54) [7]. Для таких ИПЛ ток накачки подается через гребень и в основном протекает под ним. Часть носителей за счет диффузии и рассеяния растекается и рекомбинирует вне гребня, создавая токи утечки. По сравнению с многомодовыми ИПЛ доля токов утечки за пределы гребня для одномодовых лазеров может составлять до 50%, что резко снижает эффективность работы [79]. Волноводный эффект в направлении оси X создается за счет различия эффективного показателя преломления волны под гребнем и вне его. Правильный подбор ширины гребня W и остаточной толщины р-эмиттера вне гребня h в зависимости от геометрии волновода ГС обеспечивает одномодовую генерацию в широком диапазоне токов накачки. / Z n-подложка Омический контакт
Для расчетов по влиянию параметров гребневого волновода на модовый состав излучения и максимальное значение КПД работы ИПЛ на основе ГС Табл. 6 использовалась программа PICS3D, описанная в параграфе 2.3. В расчетах использовались следующие параметры активного элемента: длина резонатора 800 мкм, коэффициенты отражения переднего и заднего зеркал 0,03 и 0,98. В качестве изолирующего покрытия выступали слои ZnSe.
В связи с тем, что коэффициенты отражения зеркал ИПЛ значительно отличаются, распределение неравновесных носителей, оптической мощности, температуры вдоль оси резонатора сильно неоднородно. В связи с этим важной является возможность PICS3D осуществлять расчет распределения этих величин как в поперечной плоскости XY, так и вдоль оси резонатора Z. Следует отметить, что расчет должен проводиться в широком диапазоне токов накачки, поскольку исследуемые распределения сильно зависят от тока накачки ИПЛ [80].
Важной величиной, определяющей режим работы одномодового ИПЛ, является скачок эффективного показателя преломления 5п для области под гребнем и вне него. Значение 8п зависит как от конфигурации волноводных слоев лазерной ГС, так и от величины И. В частности, чем меньше h, тем выше значение 5п. В случае, когда 8п мал ( 1,0Т0"3), гребневый волновод оказывается слабым (область 1). Излучение удерживается под гребнем только за счет протекающего тока накачки и обеспечиваемого им усиления [81]. Такой режим генерации нестабилен, чувствителен к неоднородностям в лазерном резонаторе, для него характерны большие нелинейности ВтАХ, низкая эффективность работы, значительная расходимость выходного излучения. Рис. 55. Зависимость максимального значения КПД тус"а" работы ИПЛ, изготовленного из ГС
При ширине гребня 3-4 мкм и сравнительно небольшом дп реализуется режим одно-модовой генерации (область 2). Распределение интенсивности излучения в дальней зоне стабильно, описывается распределением Гаусса и определяется параметрами гребневого волновода и волновода лазерной ГС. ВтАХ линейна в широком диапазоне токов накачки. В этом режиме возможно получение высокой эффективности и КПД работы ИПЛ. Кроме того, именно этот режим генерации требуется для широкого круга применений, в особенности, связанных со стыковкой с оптическими волоконными световодами. Принципиально максимальная мощность одномодового режима генерации ограничивается величиной плотности мощности излучения на выходном зеркале, приводящей к его разрушению - катастрофической оптической деградации (КОДЗ). Критический уровень плотности мощности для КОДЗ в соответст 7 вии с [82] составляет 2-Ю Вт/см .
Увеличение ширины гребня или усиление волновода (увеличение 8п с уменьшением И) приводит к многомодовой генерации, когда в направлении оси X возбуждается две и более поперечных моды (область 4). ИПЛ с таким режимом генерации выходят за рамки рассмотрения данной работы. ВтАХ таких ИПЛ зачастую имеют нелинейности. Распределение интенсивности излучения в дальнем поле, как правило, нестабильно и зависит от тока накачки.
На границе между областями одномодовой и многомодовой генерации существует область значений W и дп (область 3), где волновод поддерживает более одной моды, но от ношение модовых коэффициентов усиления для нулевой моды и мод более высокого порядка значительно больше единицы [80]. На пороге генерации ИПЛ работает в одномодовом режиме. При высоких токах накачки начинают возбуждаться моды более высокого порядка. При переключении из режима одномодовой генерации в многомодовую на ВтАХ может появляться участок с отрицательной дифференциальной эффективностью - kink. При дальнейшем увеличении тока дифференциальная эффективность восстанавливает свой положительный знак. При правильном выборе параметров активного элемента ток, при котором происходит переключение на многомодовый режим работы, превышает ток, при котором происходит КОДЗ. Такие ИПЛ могут с успехом использоваться наряду с одномодовыми ИПЛ.
Расчет максимального значения КПД проводился только для областей 2 и 3, отвечающих требованию одномодовости излучения. Наибольшее значение 77 =0,603 достигается при максимальной ширине гребня W=5,5-6,0 мкм и остаточной толщине р-эмиттера h — 600 нм (8п= 1,3-10"3). Уменьшение ширины гребня и остаточной толщины р-эмиттера вызывают снижение значения г\"акс. Снижение W приводит к увеличению доли токов утечки из-под гребня, происходит рост оптических потерь и соответствующее увеличение плотности порогового тока, поскольку большая часть излучения распространяется по ненакачиваемой области вне гребня. Кроме того, с уменьшением W растет дифференциальное последовательное сопротивление ИПЛ. Снижение h с одной стороны приводит к уменьшению оптических потерь, поскольку волноводная мода лучше локализуется под гребнем. С другой стороны оптические потери могут возрастать за счет проникновения оптического поля к границе р-эмиттер/ изолирующее покрытие (рис. 54), обладающей повышенной дефектностью. Кроме того, происходит падение внутренней квантовой эффективности за счет сужения моды в направлении оси X(рис." 52) й уменьшения перекрытия оптического поля с накачиваемой областью.
В процессе работы ИПЛ конфигурация волноводной моды определяется не только встроенным (конфигурация лазерной ГС, W, К), но и наведенным волноводом [41]. Вследствие разогрева в районе активной области, а также увеличения концентрации носителей при протекании тока накачки происходит изменение коэффициентов преломления полупроводниковых слоев. Эти явления могут приводить как к усилению, так и ослаблению встроенного волновода. К изменению параметров волновода также могут приводить случайные флуктуации показателя преломления в процессе работы ИПЛ, неоднородности в лазерном резонаторе. Чтобы избежать неконтролируемого перехода ИПЛ в режим gain-guiding (область 1 на рис. 55) на практике для одномодовых лазеров используется значение 5п = 3,0-10 [83].
Для лазерной ГС, представленной в Табл.6, 5п = 3-10" достигается при величине /г = 420нм. Максимальное значение 77 составляет 0,578 при W = 5,0 мкм (область 3 рис. 55.)- Для чисто одномодового режима работы ril"" 0— 0,576 при W = 3,5 мкм. Традиционно использовавшимся значением ширины гребня для такой конфигурации лазерной ГС было W = 3,0 мкм. При теоретически возможном значении 77/ =0,573 лучший экспериментальный результат составлял 0,46, что обусловлено высокой плотностью порогового тока, а также неоптимальным подбором длины резонатора L и коэффициента отражения выходного зеркала Ri (см. ниже).
Похожие диссертации на Полупроводниковые квантово-размерные гетероструктуры InGaAs/GaAs/AlGaAs для инжекционных лазеров спектрального диапазона 1000-1100 нм
