Содержание к диссертации
Введение
Глава. 1. Литературный обзор
1.1. Полупроводниковые ВИЛ — современное состояние 12
1.2. Принцип действия и основные особенности ВИЛ 14
1.3. Элементарная модель функционирования ВИЛ 19
1.4. Базовая конструкция ВИЛ спектрального диапазона 850 нм 28
1.5. Проблемы создания длинноволновых ВИЛ. 31
1.6. Матричные излучатели на основе ВИЛ. 34
1.7. Вертикально-излучающие лазеры на основе квантовых точек 41
Глава.2. Основные этапы проектирования вил
2.1. Проектирование ВИЛ 49
2.2. Моделирование растекания тепла 52
2.3. Моделирование оптического микрорезонатора 58
2.4. Транспорт носителей к активной области 68
2.5. Моделирование растекания тока для ВИЛ с внутрирезонаторными контактами 72
Глава.3. Развитие базовых элементов технологии вил
3.1. Получение структур ВИЛ методом молекулярно-пучковой эпитаксии 84
3.2. Оптимизация технология селективного окисления структур ВИЛ 102
3.3. Технология ВИЛ с внутрирезонаторной инжекцией носителей 126
3.4. Матричные излучатели на основе ВИЛ 133
Глава.4. Вил спектрального диапазона 1.3 мкм на основе квантовых точек InAs/InGaAs 145
4.1. Активная область на основе массивов самоорганизующихся КТ InAs/InGaAs для излучателей спектрального диапазона 1.3 мкм на подложках GaAs 146
4.2. Выбор конструкции КТ ВИЛ 154
4.3. Результаты экспериментальной реализации КТ ВИЛ 162
Глава.5. Вил на основе субмонослойных КТ InGaAs
5.1. Изготовление и исследование ВИЛ на основе субмонослойных InGaAs КТ 169
5.2. Явления самопульсации в ВИЛ на основе СМЛ КТ InAs/InGaAs 185
Заключение 199
Список литературы 206
Приложение 1 226
- Принцип действия и основные особенности ВИЛ
- Моделирование растекания тепла
- Оптимизация технология селективного окисления структур ВИЛ
- Выбор конструкции КТ ВИЛ
Введение к работе
Актуальность работы
Полупроводниковые лазерные диоды (ЛД) традиционной полосковой конструкции в настоящее время активно и успешно используются для самого широкого спектра практических приложений: волоконно-оптических линиях связи (ВОЛС), оптических системах записи и хранения информации, оптических датчиках и сенсорах, устройствах накачки твердотельных лазеров, медицинской аппаратуре, контрольно-измерительной аппаратуре, оптических системах обработки информации и др. [1]. Однако существует несколько принципиальных недостатков традиционной полосковой конструкции ЛД, к числу которых относятся:
невозможность адекватного тестирования приборных структур на пластине (подложке) до их разделения на индивидуальные кристаллы и монтажа на кри-сталлодержатель;
несимметричная диаграмма выходного излучения ЛД и ее достаточно высокая угловая расходимость, что затрудняет ввод излучения в оптическое волокно и требует использования прецизионной сборки для модулей излучателей ВОЛС;
достаточно сильная температурная зависимость длины волны лазерного излучения для наиболее простой в реализации конструкции ЛД (лазеры с резонатором Фабри-Перо без дополнительных мер по стабилизации длины волны);
как правило, заметное возрастание порогового тока ЛД с ростом температуры;
необходимость применения весьма сложных конструкций приборов для обеспечения высокого быстродействия (10 Гбит/с и выше) при использовании наиболее простого и удобного метода прямой токовой модуляции.
Попытки преодолеть указанные недостатки стимулировали поиск альтернативных вариантов конструкций ЛД, к числу которых относятся полупроводниковые инжекционные лазеры с вертикальным оптическим микрорезонатором (далее - полупроводниковые вертикально-излучающие лазеры (ВИЛ), vertical cavity surface emitting lasers (VCSELs)). Современные варианты конструкции
ВИЛ основаны на использовании вертикальных оптических микрорезонаторов с зеркалами в виде распределенных брэгговских отражателей (РБО) [2-4]. При этом в качестве активной области используются одна или несколько квантовых ям (КЯ), помещенных вблизи пучностей оптического поля. Активная область прибора (область протекания тока и излучательной рекомбинации носителей) ограничивается с помощью селективного окисления апертурных слоев AlGaAs или с помощью имплантации протонов. К числу основных преимуществ ВИЛ по сравнению с традиционными инжекционными лазерами полосковой конструкции относятся малая угловая расходимость и симметричная диаграмма направленности выходного оптического излучения, возможность обеспечения субмиллиамперных пороговых токов, повышенная температурная и радиационная стабильность, групповая технология изготовления и возможность тестирования приборов непосредственно на пластине. Планарная технология ВИЛ позволяет формировать двумерные матрицы с большим числом индивидуально адресуемых излучателей. В последние годы полупроводниковые вертикально-излучающие лазеры находят все более широкое применение в быстродействующих оптоволоконных системах передачи и обработки информации, датчиках и сенсорах различного типа, высокопроизводительных компьютерных системах [5-7]. Другое активно развивающееся направление исследований связано с созданием матричных излучателей на основе ВИЛ с большим количеством индивидуально адресуемых элементов. Гибридная интеграция таких матричных излучателей с кремниевыми интегральными схемами (Si ИС) открывает новые возможности для построения высокопроизводительных вычислительных систем и устройств обработки информации [8], а также совершенствования бортовых комплексов с активными фазированными антенными решетками за счет решения проблемы электрических межсоединений, лимитирующей сегодня их развитие [9].
Актуальной проблемой современной технологии полупроводниковых ВИЛ является получение приборов с пространственно-одномодовым выходным излучением и субмиллиамперными пороговыми токами, перспективных для соз-
дания датчиков различного типа, а также внутрисистемных оптических межсоединений. Практическая реализация таких приборов требует уменьшения размеров токовой апертуры ВИЛ до единиц мкм. Возможности использования традиционных структур с КЯ активной областью ограничены латеральным растеканием носителей заряда и ростом внутренних потерь при существенном снижении размеров апертуры [3]. В то же время, использование массивов самоорганизующихся квантовых точек (КТ) потенциально позволяет создавать приборы с субмикронной апертурой без существенной деградации плотности порогового тока [10-12]. Это не только открывает возможность для снижения рабочего тока и потребляемой мощности ВИЛ, что особенно актуально для реализации оптических коммуникаций между отдельными компонентами вычислительных устройств, но и может быть положено в основу создания источников одиночных фотонов. Однако следует отметить, что практическая реализация ВИЛ на основе массивов КТ с малым размером апертуры требует серьезных исследований в направлении оптимизации свойств реальных массивов самоорганизующихся КТ в сочетании с оптимизацией конструкции приборных структур. Еще одна проблема в технологии ВИЛ связана с поиском новых полупроводниковых материалов, пригодных для создания приборов, работающих в основных спектральных диапазонах современных систем волоконно-оптической связи (1300 и 1550 нм). Несмотря на успешное развитие промышленной технологии ВИЛ для спектральных диапазонов 650, 850 и 980 нм, создание аналогичных приборов для диапазонов длин волн 1300 и 1550 нм требует решения ряда принципиальных проблем [3]. Основные ограничения при использовании традиционной системы материалов InGaAsP/InP связанны с относительно плохими характеристиками РБО. Это обусловлено меньшей (по сравнению с используемой в коротковолновой спектральной области системой материалов AlGaAs/GaAs) разницей коэффициентов преломления слоев InGaAsP, InAlGaAs и InP, а также низкой теплопроводностью четверных соединений. Кроме того, для лазерных диодов на подложках InP характерна относительно низкая температурная стабильность основных характеристик. В последние годы предложен
ряд новых полупроводниковых гетероструктур, излучающих в диапазоне длин волн 1200-1500 нм, которые могут быть синтезированы на подложках GaAs [13]. К их числу относятся структуры с квантовыми ямами InGaAsN [14] и GaAsSb [15], а также структуры с массивами квантовых точек In(Ga)As [16,17]. При этом использование в качестве активной области длинноволновых ВИЛ массивов самоорганизующихся InGaAs КТ на подложках GaAs является одним из наиболее перспективных направлений [11]. Однако практическая реализация длинноволновых ВИЛ на основе массивов КТ возможна только при тщательной оптимизации параметров и технологии формирования активной области, оптимальном выборе конструкции вертикального оптического микрорезонатора и тщательной отработки технологии создания приборных структур.
Наконец, общей задачей современной технологии ВИЛ является снижение пороговой плотности тока, повышение дифференциальной эффективности и достижении максимальной выходной мощности в пространственно-одномодовом режиме в сочетании с высоким быстродействием в режиме прямой токовой модуляции. Специфические подходы к формированию массивов самоорганизующихся КТ InGaAs позволяют успешно продвинутся в указанном направлении [18].
На основании вышеизложенного следует, что создание вертикально-излучающих лазеров с активной областью на основе гетероструктур с самоорганизующимися квантовыми точками является актуальной задачей современной физики и техники полупроводников, решение которой позволит преодолеть ряд ограничений существующей технологии ВИЛ.
Целью настоящей работы является: Исследования физических процессов, разработка конструкции и технологии изготовления полупроводниковых вертикально-излучающих лазеров на основе гетероструктур с самоорганизующимися квантовыми точками в системе материалов AlGaAs-InGaAs-GaAs
Для достижения поставленной цели в ходе работы решались следующие основные задачи:
Разработка методов получения и исследование характеристик самоорганизующихся квантоворазмерных гетероструктур с квантовыми точками в системе материалов AIGaAs-InGaAs-GaAs для их использования в качестве активных областей полупроводниковых вертикально-излучающих лазеров.
Развитие технологии молекулярно-пучковой эпитаксии для получения эпитаксиальных гетероструктур вертикально-излучающих лазеров.
Расширение рабочего спектрального диапазона длин волн вертикально-излучающих лазеров на подложках арсенида галлия
Реализация пространственно-одномодовых приборов с субмиллиампер-ными пороговыми токами
Разработка базовых элементов технологии вертикально-излучающих лазеров с внутрирезонаторными контактами, селективно-окисленными апертурами и различными вариантами используемых РБО
Проведение математического моделирования и расчет вариантов конструкции эпитаксиальных гетероструктур вертикально-излучающих лазеров с квантоворазмерными активными областями в системе материалов AlGaAs-InGaAs-GaAs, позволяющих минимизировать внутренние оптические потери, улучшить однородность распределения тока в активной области и оптимизировать распределение оптического поля в вертикальном микрорезонаторе.
Разработка конструкции и технологии изготовления матричных излучателей вертикально-излучающих лазеров с индивидуальной адресацией активных элементов, пригодных для гибридной интеграции и монтажа методом перевернутого кристалла.
8. Экспериментальные исследования и анализ характеристик созданных
вертикально-излучающих лазеров и матричных излучателей на их основе.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Самоорганизующиеся квантоворазмерные гетероструктуры в системе материалов AlGaAs-InGaAs позволяют реализовать вертикально-излучающие лазеры спектрального диапазона от 960 до 1300 нм на подложках арсенида галлия.
Формирование распределенных брэгговских отражателей и токовой апертуры микрорезонатора вертикально-излучающего лазера в едином процессе селективного окисления возможно при условии выбора оптимального сочетания скоростей селективного окисления отдельных слоев эпитаксиальной ге-тероструктуры.
Создание низкопороговых эффективных вертикально-излучающих лазеров спектрального диапазона 1300 нм на основе массивов самоорганизующихся квантовых точек InAs/InGaAs, обладающих низким оптическим усилением, возможно при использовании оптических микрорезонаторов с нелегированными полупроводниковыми или диэлектрическими распределенными брэгговски-ми зеркалами.
4. В вертикально-излучающих лазерах на основе гетероструктур с субмо-нослойными квантовыми точками InGaAs, обладающих высоким оптическим усилением, при малых размерах селективно-окисленной апертуры наблюдается ярко выраженная самопульсация, обусловленная формированием насыщающегося поглотителя.
Научная новизна работы состоит в том, что в ней:
1.В результате комплекса теоретических и экспериментальных исследований показана возможность создания ВИЛ с активной областью на основе гетероструктур с самоорганизующимися InGaAs КТ на подложках GaAs, обладающих низким пороговым током и высокой дифференциальной эффективностью в спектральном диапазоне от 960 до 1300 нм.
Исследованы ограничения на условия формирования вертикального оптического микрорезонатора при одновременном селективном окислении в парах воды РБО на основе чередующихся слоев GaAs и AlGaAs и токовых апер-турных слоев на основе AlGaAs с высоким содержанием А1.
Проведены сравнительные экспериментальные исследования вариантов конструкции оптических микрорезонаторов ВИЛ спектрального диапазона 1300 нм на основе массивов самоорганизующихся КТ InAs/InGaAs
4. Обнаружены и экспериментально исследованы явления самопульсации в
ВИЛ на основе массивов субмонослойных КТ InGaAs.
Практическая значимость работы состоит в том, что в ней
Разработаны и исследованы варианты конструкции и базовые элементы технологии изготовления ВИЛ с электрическими контактами к внутренним слоям вертикального оптического микрорезонатора, РБО различного типа и селективно-окисленными апертурными слоями, позволяющие успешно реализовать ВИЛ с активной областью на основе самоорганизующихся InGaAs КТ и матричные излучатели на их основе.
Развит метод изготовления структур с вертикальными оптическими микрорезонаторами с использованием промежуточного контроля спектров отражения в шлюзовой камере установки молекулярно-пучковой эпитаксии с последующей корректировкой толщин слоев, обеспечивающая выращивание структур ВИЛ с отклонением резонансной длины волны от проектного значения не более 1 %.
Разработана технология прецизионного глубокого (до 5 мкм) ионно-лучевого травления многослойных структур ВИЛ под маской фоторезиста с контролируемым наклоном стенок меза-струкутр.
4.Предложена методика оптимального выбора состава для обеспечения необходимых размеров токовой апертуры и предотвращения «переокисления» при одновременном селективном окислении в парах воды верхнего РБО на основе чередующихся слоев GaAs и AlGaAs и токовых апертурных слоев на основе AlGaAs с высоким содержанием А1
5. Продемонстрированы высокоэффективные одномодовые ВИЛ спектраль
ного диапазона 980 нм с активной областью на основе субмонослойных КТ In
GaAs, имеющие пороговый ток 0.3 мА, максимальную выходную мощность бо
лее 4 мВт (в одномодовом режиме) и внешнюю дифференциальную эффектив
ность более S6%.
6. Разработана конструкция матричного лазерного излучателя диапазона
960-980 нм на основе ВИЛ с расположением контактов в одной плоскости и
продемонстрированы матричные излучатели с числом индивидуально адресуе-
мых элементов 8x8, перспективные для использования в оптических коммутаторах и высокопроизводительных вычислительных системах.
Результаты диссертации использованы в ФТИ им. А.Ф.Иоффе РАН, СПБ ФТНОЦ РАН, Минском НИИ радиоматериалов (Республика Беларусь) и Industrial Technology Research Institute (Taiwan) при разработке конструкции и технологии ВИЛ и матричных излучателей на их основе.
Апробация работы
Основные результаты, вошедшие в диссертационную работу, докладывались и обсуждались на следующих российских и международных конференциях:
5-ом Белорусско-Российском семинаре «Полупроводниковые лазеры и системы» (5* Belarassian-Russian Workshop «SEMICONDUCTOR LASERS AND SYSTEMS») (Республика Беларусь, Минск, 2005), 13-й Международной конференции НАНОСТРУКТУРЫ: Физика и Технология (^International Symposium NANOSTRUCTURES: Physics and Technology) (Санкт-Петербург, 2005), 14-й Международной конференции НАНОСТРУКТУРЫ: Физика и Технология (^International Symposium NANOSTRUCTURES: Physics and Technology) (Санкт-Петербург, 2006), VII Международном российско-украинском семинаре «Нанофизика и наноэлектроника» (Санкт-Петербург, 2006), 6-ом Белорусско-Российском семинаре «Полупроводниковые лазеры и системы» (6th Belarussian-Russian Workshop «SEMICONDUCTOR LASERS AND SYSTEMS») (Республика Беларусь, Минск, 2007), Международной конференции по лазерам и электрооптике (Int. Conf. on Lasers and Electro-Optics (CLEO-Europe) (Германия, Мюнхен, 2007).
Публикации
Основные результаты диссертации опубликованы в 15 печатных работах (в том числе 7 в научных журналах и 8 в материалах конференций).
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, пяти глав, одного приложения и заключения. Общий объем диссертации составляет 236 страниц, включая 79 рисунков, Щ таблиц и список цитируемой литературы из 170 наименований.
Принцип действия и основные особенности ВИЛ
Основные достоинства ВИЛ связаны с особенностями их конструкции и технологии изготовления. В основу конструкции ВИЛ, как и других типов инжекционных лазерных диодов, положена концепция размещения полупроводниковой среды, обладающей оптическим усилением (активной области) внутри оптического резонатора Фабри-Перо. Возможность оптического усиления в активной среде достигается путем создания состояния с инверсной населенностью за счет инжекционной (токовой) накачки носителей заряда. В качестве активной среды, как правило, используется двойная гетероструктура с квантоворазмерной активной областью.
В традиционных инжекционных лазерах полосковой конструкции зеркала, ограничивающие оптический резонатор Фабри-Перо, образованы торцевыми гранями структуры, а сам резонатор, как правило, имеет существенно большую геометрическую длину по сравнению с периодом стоячей волны оптического поля (Рис. 1.1.а). При этом оптическая волна распространяется вдоль плоскости, активного слоя и длина активной (усиливающей) области Z,act обычно совпадает с длиной резонатора Lc, равной в данном случае геометрическому расстоянию между сколотыми зеркалами (т.н. "горизонтальная" геометрия оптического резонатора). Вывод оптического излучения осуществляется через торцевые поверхности лазерного резонатора (зеркала), образованные сколом кристалла вдоль выделенных кристаллографических направлений.
Схематичное изображение оптических резонаторов традиционного полоскового лазера (а) и ВИЛ (б). материалов с отличающимися показателями оптического преломления, каждый толщиной в одну четверть резонансной длины волны (с учетом показателя преломления); относительно маленькая длина оптического резонатора (обычно, не более нескольких резонансных длин волн) приводит к тому, что реализуется т.н. режим вертикального оптического микрорезонатора, при котором возникающая стоячая волна оптического излучения проникает в РБО на существенную глубину, что приводит к необходимости введения понятия «эффективная длина оптического микрорезонатора» Lcefri для большинства ВИЛ в качестве активной области используются гетероструктуры с одной или несколькими квантовыми ямами, из-за чего толщина активного слоя Z,act, в, пределах которого происходит взаимодействие оптического излучения с усиливающей средой, намного меньше эффективной длины оптического резонатора ZCcff Современные ВИЛ, как правило, реализуют в виде конструкции, приведенной на рис. 1.2. Излучение выводится через один из планарных РБО в направлении, перпендикулярном поверхности. В силу симметричной (круглой или квадратной) формы и относительно большого размера (несколько мкм) излучающей области, ВИЛ обладают существенно более узкой и симметричной диаграммой направленности выходного оптического излучения. Угловая расходимость выходного излучения типично не превышает 10 градусов, что обусловлено особенностями пространственного перераспределения оптического излучения в высокодобротных микрорезонаторах. Это обеспечивает более эффективный ввод оптического излучения в волокно и упрощает построение фокусирующих оптических схем. В торцевых лазерах длина волны излучения, сильно зависит от температуры, поскольку она определяется температурным ходом ширины запрещенной зоны полупроводниковой активной области. Малая длина оптического резонатора приводит к большому межмодовому расстоянию (типично 80-100 нм), что автоматически обеспечивает частотно-одномодовый режим работы для ВИЛ самой простейшей конструкции. Типичные значения пороговых и рабочих токов ВИЛ составляют от нескольких долей до единиц мА, что позволяет существенно снизить тепловыделение и использовать маломощные источники питания. Возможность минимизировать паразитные сопротивления и обеспечить работу при уровнях накачки, намного превышающих пороговые, позволяют получить быстродействие до нескольких десятков Гбит/с при использовании прямой токовой модуляции.
Поскольку резонатор ВИЛ формируется с помощью создания эпитаксиальных РБО, структура прибора является вполне законченной уже после формирования токовых контактов, т.е. до разделения пластины на кристаллы, что позволяет проводить автоматизированное тестирование приборов на пластине. Групповая планарная технология изготовления ВИЛ и возможность полного измерения основных приборных характеристик непосредственно на полупроводниковой структуре (пластине) до ее разделения на кристаллы позволяют существенно снизить стоимость изготовления по сравнению с торцевыми лазерами, а также формировать интегральные массивы излучателей, в том числе с индивидуальной адресацией.
Моделирование растекания тепла
Оценка тепловых свойств выбранной конструкции ВИЛ и ее оптимизация с точки зрения уменьшения нагрева активной области производилась при помощи метода численного эксперимента, позволяющего вычислить распределение теплового поля в объеме структуры ВИЛ. В рамках настоящей работы использовалась двумерная тепловая модель ВИЛ в стационарном режиме. Для численного решения уравнения (2.3) в области с резко разномасштабными деталями и многочисленными тонкими слоями целесообразно использовать хорошо себя зарекомендовавшие на практике методы конечных элементов [75]. Однако корректное применение метода и грамотная интерпретация численных результатов составляют в каждом конкретном случае достаточно сложную задачу. Так, при построении модели исследуемой структуры ВИЛ были сделаны следующие основные допущения: 1) структура прибора представляется как суперпозиция гомогенных слоев, 2) толщина каждого слоя постоянна, 3) тепловое сопротивление контактов пренебрежимо мало, 4) источник тепла — активная область представляет собой однородный диск с постоянной теплопроводностью и равномерно рассеиваемой в объёме тепловой энергией, 5) разогрев областей структуры вследствие джоулева тепла пренебрежимо мал, 6) влияние отклонения наклона стенок мезы от прямого угла на расчет теплового поля пренебрежимо мало. В таблице 2.1 приведен перечень слоев приборной структуры, соответствующий двум рассматриваемым вариантам конструкции ВИЛ с указанием толщин и коэффициентов теплопроводности слоев. При выборе значений коэффициентов теплопроводности отдельных слоев использовались опубликованные данные в [76, 77]. Кроме того, в проводимых расчётах для областей РБО учитывалась анизотропия теплопроводности в радиальном (вдоль слоев РБО) и аксиальном (поперёк слоев РБО) направлениях. Как показано в [78] теплопроводность слоев РБО в поперечном направлении примерно вдвое меньше, чем в продольном. Численное решение тепловой задачи проводилось с использованием пакета численного моделирования «FlexPDE» [74]. Результаты использования описанной процедуры моделирования проиллюстрированы ниже на примере конструкции ВИЛ с внутрирезонаторными контактами. Для примера рассмотрено, влияние типа верхнего зеркала на разогрев активной области. Первый вариант содержит два полупроводниковых РБО (рис. 2.3.а). Второй вариант отличается от первого тем, что вместо верхнего полупроводникового используется селективно-окисленный РБО (рис. 2.3.6). С целью повышения наглядности представления результатов подробно показана только часть расчетной! области, непосредственно охватывающая активную зону и прилегающие слои.
Расчет выполнен для случая, когда подводимая электрическая мощность к прибору - 15 мВт, а оптическая мощность, излучаемая прибором - 0.5 мВт. Как видно из рисунков изменение типа верхнего РБО слабо повлияло на температуру активной области исследуемого прибора. Изменение температуры активной области составило около 3 К (приблизительно с 342 К до 345 К). Рассчитанные значения тепловых сопротивлений составили 2900 и 3100 КУВт для конструкции с двумя полупроводниковыми РБО и верхним селективно-окисленным РБО и нижним полупроводниковым РБО, соответвенно.
Как уже было отмечено ранее, в настоящее время существует множество возможных вариантов конструкций ВИЛ и используемых в них оптических микрорезонаторов. Основным параметром, оптического микрорезонатора ВИЛ оказывающим определяющее влияние на его размеры и налагающим существенные ограничения на возможные варианты конструкции является задаваемая при проектировании длина волны излучения ВИЛ. В данной работе в качестве активной области исследуются квантоворазмерные гетероструктуры в системе GaAs-AlGaAs-InGaAs (InGaAsN). Кроме того, в качестве слоев для формирования РБО и токовых апертур использовался AlGaO, получаемый методом селективного окисления слоев AlGaAs с высоким ( 95 %) содержанием А1 в парах воды. Следует отметить, что каждый из перечисленных материалов і имеет свою зависимость показателя преломления и коэффициента поглощения от длины волны, на которую также оказывает сильное влияние состав, уровень и тип легирования. Кроме того, они различаются по кристаллографическим механическим и тепловым свойствам.
При использовании исследуемых квантоворазмерных гетероструктур для создания активной области ВИЛ возможны различные варианты: одна или несколько квантовых ям, один или несколько слоев самоорганизующихся квантовых точек, квантовая яма, помещеннаяf внутри другой квантовой ямы с большей шириной1 запрещенной, зоны, квантовые точки, помещённые внутрь квантовой ямы и другие сочетания. Параметры спектра усиления определяются структурой активной области и могут варьироваться в определённых рамках в зависимости от состава и сочетания используемых материалов. Для определённой активной области при заданной длине волны можно сделать оценку минимальных величин коэффициентов отражения зеркал оптического микрорезонатора ВИЛ, необходимых для достижения лазерной генерации и сделать предварительный выбор возможных вариантов конструкции прибора при применении зеркал различных типов. Простая методика такой оценки предложена в [68]. Исходными данными служит величина модового усиления активной области торцевого полоскового лазера, изготовленного на основе рассматриваемой активной области. Для этого проводятся измерения пороговой плотности тока и внешней дифференциальной эффективности для набора лазерных диодов с шириной полоскового контакта 100 мкм при варьировании длины резонатора Фабри-Перо, что позволяет определить уровень внутренних потерь в структуре и оценить модовое усиление [1]. Известная геометрия волновода позволяет рассчитать фактор оптического ограничения и оценить материальное усиление. Однако для структур с квантово-размерными активными областями понятие материального усиления является не вполне корректным [79]. В частности, в отличие от классических объемных полупроводниковых материалов, величина усиления активной среды на основе одиночной квантовой ямы не связана прямопропорциональной зависимостью с толщиной этой КЯ.
Для тонких квантоворазмерных структур удобно вместо фактора оптического ограничения использовать параметр К, равный отношению квадрата амплитуды оптического поля в области локализации активной области к интегралу квадрата модуля оптической волны, взятого по всей области локализаци рассматриваемой моды (см. соотношение (3), [68]).
Оптимизация технология селективного окисления структур ВИЛ
Селективное окисление слоев AlxGa].xAs с высоким (х 0.9) содержанием А1 в последние годы находит всё более широкое применение при изготовлении широкого класса оптоэлектронных и электронных гетероструктурных приборов в системе материалов In-Ga-Al-As [104]. Наибольшее практическое применение в настоящее время нашла технология селективного окисления слоев AlxGai_xAs в парах воды при температуре 350-500 С, оптимизация которой будет рассмотрена в данном параграфе. Данная технология обеспечивает высокую селективность окисления слоев AlxGai_xAs с высоким (х 0.9) содержанием А1 по сравнению с GaAs, InGaAs и AlGaAs с относительно низким содержанием А1, что открывает возможность получения приборных структур, содержащих внутренние слои окисла с резкой границей окисел-полупроводник и глубиной окисления в латеральном направлении до нескольких десятков микрон. Слои окисла (AlGa)xOy обладают хорошими электроизолирующими свойствами, что позволяет использовать их в качестве токовых апертур ВИЛ или скрытых изолирующих слоев электронных приборов. В отличие от участков полупроводника, подвергшихся изолирующей ионной имплантации, оксидные апертурные слои практически не вносят оптических потерь на поглощение, что обеспечивает снижение полных оптических потерь в ВИЛ [105]. Низкие оптические потери получаемого оксида и его высокий оптический контраст по отношению к арсениду галлия (разность показателей преломления Дп 1.9) позволяют создать на его основе РБО, обладающие высоким коэффициентом отражения в широкой полосе длин волн [106]. Однако создание с помощью технологии селективного окисления механически стабильных приборов с хорошими оптическими свойствами является непростой задачей. Одна из проблем заключается в том, что образующаяся в процессе окисления аморфная модификация оксида а-(АЮа)хОу занимает несколько меньший объём, чем исходный AlxGai.xAs. Это приводит к уменьшению толщины оксидного слоя и возникновению механических напряжений. При этом степень сжатия для конкретной структуры будет зависеть не только от состава и толщины слоев, но и от параметров процесса окисления. Опытным путём установлено, что при селективном окислении слоя чистого AlAs, полученный слой испытывает большую степень сжатия (9-13%) [107, 108] по сравнению с окисленным слоем AlxGai.xAs. Введение более 1% Ga приводит к тому, что сжатие не превышает 5+7% [109, ПО]. Ещё одним существенным моментом, влияющим на механические свойства, является степень удаления остаточных продуктов реакции (As, AsH3, As203), а также возможность образования бемита АЮ(ОН) и гиббсита А1(ОН)3 [111, 112], которые являются метастабильными соединениями. При эксплуатации прибора это может вызывать продолжение реакции окисления AlxGai_xAs [112, 109].
В общих чертах процесс селективного окисления состоит в том, что слои AlxGa As с высоким содержанием А1 в условиях повышенной температуры (350-500 С) подвергают воздействию газа-носителя (обычно азота), насыщенного водяным паром. На рис. 3.7 представлена схема традиционно используемой технологической установки, состоящей из системы подачи газа-носителя с соответствующим регулятором расхода газа, барботера с деионизованной водой и нагреваемой реакторной камеры. Во время процесса окисления регулятор расхода газа поддерживает определённый поток азота или иного инертного газа-носителя, который пропускается через деионизованную воду, находящуюся в поддерживаемой при постоянной температуре ёмкости барботера. Проходя через барботер, газ-носитель насыщается водяным паром, после чего по прогреваемой газовой линии подаётся в реакторную камеру. Прогрев линии необходим для предотвращения конденсации водяного пара на её стенках.
Подвергаемый окислению образец представляет собой выращенную эпитаксиальным способом структуру, содержащую слои AlxGai.xAs с высоким содержанием А1, на-поверхности которой травлением сформированы меза-структуры круглой или квадратной формы или в виде полоска так, чтобы глубина травления превышала глубину залегания слоев AlxGai_xAs с высоким содержанием А1. Следовательно, открывается возможность доступа водяного пара к подлежащим окислению слоям AlGaAs в местах их выхода на поверхность стенок меза-структур. Разработка устойчивой технологии селективного окисления слоев AlGaAs подразумевает знание влияния на скорость окисления таких параметров, как поток и состав газа, температура, композиционный состав и толщины слоев [3]. Основные закономерности процесса селективного окисления, известные из литературы [113]. Экспериментально установлено, что для зависимости скорости селективного окисления слоя AlxGa!_xAs от скорости подачи паров воды в камеру характерно наличие насыщения, когда, начиная с, определённой величины расхода газа-носителя, скорость реакции окисления-перестает зависеть от скорости подачи паров воды в камеру. Кроме того, скорость окисления- увеличивается с ростом температуры барбатера, что обусловлено возрастанием парциального давления паров воды. Оценки дают линейную зависимость реакции окисления, от концентрации паров воды.
Выбор конструкции КТ ВИЛ
В традиционных ВИЛ спектрального диапазона 850 нм обычно используются р- и п— легированные AlGaAs РБО. Эта конструкцию можно считать полностью планарной за исключением, одного травления мезы (в случае селективно-окисляемой апертуры), что обеспечивает относительную простоту процесса изготовления. Однако отдельные исследования показали, что одним из основных механизмов потерь в резонаторе является поглощение на свободных носителях внутри РБО, особенно в р-легированных РБО [134]. Потери на поглощение ограничивают максимально возможное отражение р- легированных AlAs/GaAs РБО [135], тогда как п— легированные AlAs/GaAs РБО обеспечивают очень высокое значение коэффициента отражения в коротковолновой области. Позднее было обнаружено, что и n-легирование вызывает значимые потери в длинноволновом диапазоне [136], которые обусловлены стимулированной легированием взаимной диффузией А1 и Ga на границах четвертьволновых слоев, сопровождающейся увеличением шероховатости границ раздела [137]. В таблице 4.3 приведено максимально возможные значения коэффициента отражения для AlAs/GaAs РБО на длинах волн 1 и 1.3 мкм при различных уровнях легирования.
Важно отметить, что приемлемая электропроводность в реальных РБО требует относительно высокого уровня легирования (Na, Nd 5 10 см" ), поч крайней мере на гетерограницах. Это приводит к значительным потерям на поглощение. Максимальное возможное значение коэффициента отражения в диапазоне длин волн 1.3 мкм составляет около 99.8 процентов для р-легированных РБО и 99.7 процентов для n-легированных РБО. Реальное значение коэффициента отражения может быть меньше из-за высокого уровня легирования и/или произвольного отклонения в толщинах слоев. Поэтому, практическая реализация КТ ВИЛ с р- и п- легированными РБО представляется очень трудной задачей, что подтверждают результаты экспериментов.
Возможная альтернатива использованию стандартной конструкции ВИЛ с легированными отражателями состоит в использовании конструкции с контактами к слоям внутри резонатора в сочетании с нелегированными РБО на основе AlAs/GaAs [124] или селективно-окисленными AlxOy/GaAs РБО [138]. Оба подхода обеспечивают высокое отражение и низкий уровень оптических потерь, однако каждый из них свои особенности. В случае использования нелегированных AlGaAs/GaAs РБО высокое отражение может быть достигнуто при помощи современных эпитаксиальных методов без использования каких бы то ни было дополнительных технологических операций. К тому же, такие РБО демонстрируют высокую стабильность и приемлемую теплопроводность. В то же время РБО получаемые селективным окислением имеют большие различия в коэффициенте отражения для двух используемых материалов четвертьволновых слоев.
Последний фактор существенен как с точки зрения уменьшения глубины травления меза-структур, так и для снижения теплового сопротивления прибора. Однако использование селективно-окисленных РБО требуют введения рядя дополнительных технологических операций и их механическая стабильность недостаточно изучена. Нелегированные РБО обеспечивают низкие оптические потери, однако обладают электроизоляционным свойствами. Поэтому р- и n-контакты для токовой инжекции должны формироваться непосредственно к соответствующим слоям внутри резонатора. На рис. 4.3. показана типичная структура, которая использует внутрирезонаторные контакты для токовой инжекции в активную область. В этой структуре в качестве верхних и нижних зеркал могут использоваться полупроводниковые, диэлектрические или селективно-окисленные РБО. Область между зеркалами состоит из активной области ограниченной р- и п— контактными слоями. Для того чтобы достичь низкого сопротивления, обеспечивающего низкий нагрев прибора и высокую скорость модуляции, уровень легирования п— контактного (Л ) и р— контактного (AQ слоев должен быть высоким. С другой стороны, чтобы достичь низких оптических потерь, уровень легирования должен быть низким. Это особенно критично для КТ активной области со сравнительно низким усилением. К тому же, эффект растекания тока играет важную роль в приборах с внутрирезонаторными контактами из-за относительно маленьких толщин контактных слоев по сравнению с расстоянием между контактами и активной областью ВИЛ [2]. Это может привести к неоднородному радиальному распределению тока по площади токовой апертуры и высокому последовательному сопротивлению ВИЛ. Тем не менее, было показано, что приемлемое последовательное сопротивление ( 8(Ю для 12x12 мкм2 квадратной апертуры), низкое пороговое напряжение (1.35 V) и низкий пороговый ток ( 1 мА) могут быть получены одновременно для должным образом спроектированного ВИЛ с внутрирезонаторными контактами и активной области на КЯ [140]. В итоге, можно заключить, что конструкция с внутрирезонаторными контактами и нелегированными/селективно-окисленными РБО представляется подходящим решением для изготовления КТ ВИЛ. Однако успешная реализация структур ВИЛ с внутрирезонаторными контактами требует прецизионной технологии изготовления. Наиболее критичными компонентами такой технологии являются эпитаксиальный рост, точное травление многослойных полупроводниковых структур, стабильное и воспроизводимое селективное окисление AlGaAs слоев, и получение внутрирезонаторных омических контактов с низким сопротивлением.
На практике могут быть реализованы различные варианты конструкций КТ ВИЛ с внутрирезонаторными контактами и непроводящими зеркалами, отличающиеся числом слоев КТ и их размещением в резонаторе, полной толщиной резонатора, типом РБО, числом пар в верхнем и нижнем РБО, схемой легирования контактных слоев. В процессе исследований сравнивались несколько вариантов конструкции КТ ВИЛ.
