Содержание к диссертации
СОДЕРЖАНИЕ 2
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА.1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 9
1.1. Селективное окисление AlGaAs 9
Технология селективного окисления 10
Химия окисления 12
Кинетика процесса окисления 13
Микроструктура оксида 18
Механическая стабильность структур ....20
1.2. Полупроводниковые микродисковые лазеры 23
1.2.1. Конструкция 23
1.2.1. Квантовые точки в качестве активной области микродисковых лазеров 30
1.3. Поверхностно-излучающие лазеры на основе вертикальных
микрорезонаторовб 33
Распределенные брэгговские отражатели 35
Активная область ПИЛВМ. 38
Токовое ограничение в ПИЛВМ. 39
Спектральное согласование спектра усиление и модовой структуры ПИЛВМ41
Тепловое сопротивление 42
Одномодовая генерация 45
ГЛАВА.2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ И МЕТОДИКИ 51
Рост гетероструктур методом молекулярно-пучковой эпитаксии 51
Аппаратная реализация процесса селективного окисления 51
Методика подготовки образцов и особенности проведения экспериментов ....55
Метод оценки механических напряжений в структурах GaAs/(AlGa)xOy 59
ГЛАВА.З. ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИИ СЕЛЕКТИВНОГО ОКИСЛЕНИЯ 60
Особенности кинетики образования оксида 60
Исследование механических напряжений в структурах GaAs/(AlGa)xOy 65
Влияние высокотемпературного отжига на микроструктуру оксида 72
Латерально-вертикальное окисление 74
Создание оксидных слоев со сложным профилем 74
ГЛАВА.4. ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МИКРОДИСКОВ НА ОСНОВЕ
КВАНТОВЫХ ТОЧЕК С АСИММЕТРИЧНЫМ ВОЛНОВОДОМ,
СФОРМИРОВАННЫМ МЕТОДОМ СЕЛЕКТИВНОГО ОКИСЛЕНИЯ 84
Аналитическая модель полупроводникового микродиска 84
Лазерная генерация в микродисках с квантовыми точками в качестве активной области 88
Микродисковые лазеры на основе субмонослойных InGaAs квантовых точек...94
Микродисковые лазеры на основе InAs/InGaAs квантовых точек 100
ГЛАВА.5. ПОВЕРХНОСТНО-ИЗЛУЧАЮЩИЕ ЛАЗЕРЫ НА ОСНОВЕ
ВЕРТИКАЛЬНЫХ МИКРОРЕЗОНАТОРОВ С СУБМОНОСЛОИНЫМИ INGAAS
КВАНТОВЫМИ ТОЧКАМИ 108
Выбор конструкции прибора 108
Экспериментальная реализация ПИЛВМ 109
Оптические потери 112
Оптимальное согласование резонансной длины волны и спектра усиления активной области ПИЛВМ 116
Тепловое сопротивление 123
Одномодовыи режим генерации 130
Поверхностно-излучающие лазеры на основе вертикальных микрорезонаторов с фотонным кристаллом 136
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 149
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 154
Введение к работе
На сегодняшний день полупроводниковые лазеры являются ключевыми элементами в быстродействующих волоконно-оптических линиях связи (ВОЛС), устройствах оптической записи информации, высокопроизводительных компьютерных системах и локальных вычислительных сетях (ЛВС). Рост процессорных мощностей компьютеров -удвоение производительности процессоров каждые полтора-два года, а вместе с ним и потребностей современных компьютерных приложений требует все большей пропускной способности оптических систем. Так, за 20 лет тактовая частота процессора возросла от мегагерц до гигагерц, а пропускная способность Ethernet - от Мбит/с до Гбит/с, причем уже сейчас есть работающие прототипы Ethernet со скоростью передачи 10 Гбит/с. При таких высоких скоростях медные кабели обеспечивают малую дальность передачи информации порядка 30 метров (специальные кабели не более 100 метров), тогда как применение оптических волокон позволяет увеличить дальность на несколько порядков. Традиционные полосковые лазеры обладают большой расходимостью светового пучка и широким спектром излучения, что приводит к малому коэффициенту ввода света в одномодовое оптическое волокно и ограничению дальности передачи информации при требуемом уровне битовых потерь менее 10"10, соответственно. Дальнейшее увеличение скорости передачи данных возможно лишь при уменьшении влияния волновой и модальной дисперсии волокна, для чего лазеры должны работать в одномодовом одночастотном режиме. Следует отметить, что рост быстродействия лазеров должен сопровождаться ростом средней оптической мощности для поддержания того же уровня шумов на один импульс, что ограничит возможность применения приборов диапазона 850 нм. Таким образом, все возрастающие требования, предъявляемые к современным лазерам, используемых в системах передачи, обработки и хранении информации, обуславливают необходимость повышения спектрального и пространственного совершенства излучения, что делает актуальным разработку новых конструкций приборов.
На данный момент наиболее перспективными типами полупроводниковых микролазеров являются поверхностно-излучающие лазеры на основе вертикального микрорезонатора (ПИЛВМ), в которых оптическая волна распространяется в направлении, перпендикулярном к плоскости активной области (в направлении роста) [1], и микродисковые лазеры (МДЛ), где свет распространяется в плоскости активного слоя [2]. В случае ПИЛВМ высокодобротный резонатор формируется с помощью распределенных брэгговских отражателей (РБО), тогда как в МДЛ - за счет полного
внутреннего отражения на границе полупроводник-воздух в плоскости микродиска и
сильного волноводного эффекта в направлении роста структуры. В случае ПИЛВМ
высокодобротный резонатор формируется с помощью распределенных брэгговских
отражателей (РБО), тогда как в МДЛ за счет полного внутреннего отражения на границе
полупроводник-воздух в плоскости микродиска и сильного волноводного эффекта в
направлении роста структуры. С одной стороны, ПИЛВМ являются наиболее
перспективным ключевым компонентом ВОЛС и ЛВС благодаря более высокой
эффективности ввода света в волокно и более узкой спектральной ширине линии
излучения. Кроме того, интегральные массивы ПИЛВМ представляются наиболее
оптимальным решением построения оптических межсоединений. С другой стороны, МДЛ
удовлетворяет всем требованиям, предъявляемым к базовым элементам в
оптоэлектронных интегральных схемах: малые пороговые токи и рассеиваемые мощности,
возможность одномодового режима лазерной генерации с фиксированной поляризацией
излучения и возможность интеграции с волноводами в плоскости пластины с
использованием ближнепольного вывода света.
к Несмотря на очевидный прогресс в создании полупроводниковых микролазеров и
обширные исследования, ведущиеся в данной области оптоэлектроники, до сих пор существует ряд серьезных проблем. К их числу относится проблема низкой механической стабильности и высокого теплового сопротивлений традиционных МДЛ, что является главным лимитирующим фактором при получении лазерной генерации в непрерывном режиме при комнатной температуре. Ключевой проблемой практического применения ПИЛВМ является и задача получения высокой выходной мощности в режиме стабильной одномодовой генерации.
Весьма перспективным решением указанных проблем является использование полупроводниковых оптических микрорезонаторов, сформированных при помощи селективного окисления А1-содержащих слоев [3]. Уникальность данной технологии состоит в том, что она позволяет создавать скрытые диэлектрические слои высокого структурного качества с требуемыми электрическим и оптическими параметрами в едином процессе и может быть применена для обеспечения эффективного токового и оптического ограничений одновременно. В тоже время проблемы воспроизводимости и стабильности параметров селективного окисления А1-содержащих слоев, а также механической надежности приборов после окисления до сих пор остаются нерешенными. Следует отметить, что волноводный эффект оксидной апертуры и неоднородная инжекция носителей по площади токовой апертуры, свойственная для ПИЛВМ, могут приводить к
возникновению генерации на модах шепчущей галереи и оказывать негативное влияние на лазерные характеристики ПИЛВМ [4]. Таким образом, необходимы как отдельные, так и комплексные исследования взаимодействия света с веществом в МДЛ и ПИЛВМ, что чрезвычайно важно для понимания физических основ работы микролазеров обоих типов.
В связи с эффектами латеральной локализации носителей и, соответственно, подавлением эффектов растекания и поверхностной рекомбинации, наибольший интерес для использования в микролазерах представляют собой кваитоворазмерные гетероструктуры с размерностью ниже, чем два - квантовые проволоки и квантовые точки. Кроме того, для лазеров на основе квантовых точек теоретически предсказаны, и экспериментально продемонстрированы, сверхвысокая температурная стабильность порогового тока и значительное снижение самой величины пороговой плотности тока по сравнению с лазерами на квантовых ямах [5]. Таким образом, создание и исследование микролазеров на основе гетероструктур с In(Ga)As квантовыми точками, в которых токовое и оптическое ограничение сформированы методом селективного окисления AlGaAs слоев, имеет исключительно важное значение, как для современной оптоэлектроники и полупроводниковой нанотехнологии, так и для физики полупроводников.
Научная новизна работы:
Впервые разработана универсальная методика получения многослойных структур оксид-полупроводник, позволяющая получать в едином процессе сложные профили окисления, как в вертикальном, так и в латеральном направлении. Исследованы зависимости механических напряжений, возникающих в GaAs/(AlGa)xOy структурах при селективном окислении слоев AlGaAs, от режимов технологического процесса.
Впервые созданы и исследованы высокодобротные полупроводниковые микродисковые лазеры на In(Ga)As квантовых точках с асимметричным волноводом B03flyx/GaAs/(AlGa)xOy, сформированным методом селективного окисления. Продемонстрирован эффект подавления спектральной диффузии носителей и их транспорта в In(Ga)As квантовых точках, позволивший получить лазерную генерацию в микролазерах в непрерывном режиме при оптической накачке при комнатной температуре.
Предложен и апробирован новый метод определения величины расстройки максимума спектра усиления активной области и резонансной длины волны для поверхностно-излучающих лазеров на основе вертикальных микрорезонаторов. Впервые созданы и исследованы мощные (до 4 мВт) одномодовые поверхностно-излучающие лазеры на основе вертикальных микрорезонаторов с субмонослойными InGaAs квантовыми точками в качестве активной области и применением латерального профилирования эффективного коэффициента преломления структуры с помощью волноводного эффекта оксидной токовой апертуры и формирования на поверхности структуры фотонного кристалла.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
Положение 1
In-situ высокотемпературный отжиг в атмосфере азота обеспечивает эффективное удаление остаточных продуктов реакции селективного окисления слоев AlGaAs и приводит к трансформации аморфного оксида а-(АЮа)хОу в поликристаллическую у-(AlGa)xOy фазу, обладающую высокой механической стабильностью и теплопроводностью.
Положение 2
Использование InAs/InGaAs квантовых точек с высокой энергией локализации носителей и асимметричного волновода B03flyx/GaAs/(AlGa)xOy, сформированного методом селективного окисления, позволяет достичь лазерной генерации в непрерывном режиме при комнатной температуре в полупроводниковом микродисковом лазере.
Положение 3 Применение субмонослойных InGaAs квантовых точек в качестве активной области поверхностно-излучающих лазеров с полупроводниковыми проводящими зеркалами позволяет получить сверхнизкие внутренние оптические потери, высокую дифференциальную эффективность и выходную оптическую мощность до 4 мВт в одномодовом режиме непрерывной генерации при оптимальном дизайне оксидной апертуры.
Положение 4
Формирование фотонного кристалла в верхнем распределенном брэгговском отражателе позволяет подавить генерацию мод высокого порядка и получить одномодовую генерацию с высокой выходной мощностью (до 3.8мВт) в поверхностно-излучающем лазере на основе вертикального микрорезонатора с оксидной токовой апертурой большого диаметра во всем диапазоне токов накачки.
