Введение к работе
Актуальность работы. Ширина запрещенной юны четверных твёрдых растворов InGaAsP. изоперноднческих с фосфидом индия, при комнатной температуре может изменяться от 0.73 эВ до 1.35 эВ. Гетеролазеры на основе соединений InGaAsP/InP с использованием напряженных квантоворазмерных слоев излучают в спектральном диапазоне 1.15-Н.85 мкм. Основные разработки в этом направлении связаны с применениями в волоконно-оптических линиях связи. И хотя успехи, достигнутые в этой области за два последних десятилетня, огромны, не ослабевает поток публикаций, посвященных исследованию физических основ работы и разработке технологии изготовления приборов.
Решение более сложных задач ставит вопрос об улучшении характеристик лазерных диодов, таких как мощность излучения, дифференциальная квантовая эффективность, пороговая плотность тока, температурная стабильность и другие. К началу вьшолнения данной работы (1993 г.) п результате применения в гетероструктурах напряжённых квантоворазмерных активных областей произошёл качественный скачок п улучшении основных характеристик лазерных диодов. В это время в ФТН им. А.Ф.Иоффе РАН был разработан модифицированный метод жидкофазной эпитаксии [1*]. Применение модифицированного метода показало преимущества двойных InGaAsP гетероструктур раздельного электронного и оптического ограничения (ДГС РО) с низкимь внутренними оптическими потерями [2*J. Однако разработанная технология жидкофазной зтггаксіга не позволила в полной степени реализовать преимущества лазерных РО InGaAsP ДГС с низкими внутренними оптическими потерями. В связи с этим развитие данной концепции с использованием метода газофазной эпитаксии из мсталлорганических соединений (МОС-гидридной эпитаксии) и разработка на ее основе мощных InGaAsP/InP лазерных диодов позволяют считать данную работу актуальной как с научной, так и с практической точки зрения.
Основная цель работы заключается в создании ГО InGaAsP/InP гетероструктуры с низкими внутренними оптическими потерями для изготовления мощных лазерных диодов, а также в исследовании свойств у оптимизации характеристик полученных гетеролазеров. Достижение поставленной пели включало в себя следующие основные этапы. 1. Разработка постростовой технологии мезаполосковых одномодовых v многомодовых лазеров с учетом особенностей конструкций лазернп ієтсроструктур, полученных методами жидкофазной и газофазной МОС-гидридной эпитаксии.
-
Исследование свойств и соиание мощных одномодовых и многомодовых с широким мезалолосковым контактом РО InGaAsP/InP гстеролазеров на базе структур, полученных методом жидкофазной эпитаксин.
-
Создание лазерной гетероструктуры раздельного ограничения с низкими внутренними оптическими потерями в системе твёрдых растворов InGaAsP/InP с использованием газофазной МОС-гидриднон эпитаксии.
-
Исследование свойств мощных многомодовых Ю InGaAsP/InP лазеров с широким мезаполосковым контактом.
Научная новизна работы определяется тем, что в ней впервые:
-
Аналитически и экспериментально изучены свойства РО InGaAsP/InP лазерных гетеростру ктур с расшнреїшьім однородным и ступенчатым волноводом.
-
Показано, что в InGaAsP/InP лазерных гетероструктурах раздельного ограничения наблюдается выброс инжектированных носителей тока из активной области в волновод. Вследствие токовых утечек происходит снижение стимулированного квантового выхода.
-
Предложено в РО InGaAsP/InP лазерной гетероструктуре увеличить глубину квантовой ямы для электронов, используя ступенчатый расширенный волновод, сохраняя при этом максимальный фактор оптического ограничения волноводного слоя.
4. Показано, что применение в РО InGaAsP/InP лазерной
гетероструктуре ступенчатого расширенного волновода обеспечивает
максимальный квантовый выход стимулированного излучения при
минимуме внутренних оптических потерь.
5. Установлено, что Ю InGaAsP/InP лазерные гетеростру ктуры
обладают высокой температурной чувствительностью дифференциальной
квантовой эффективности (Ті=12 5+250 К), что ограничивает максимально
достижимую излучаемую мощность.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
1. Разработана последовательность постростовых технологических
операций для изготовления мезаполосковых одномодовых и многомодовых
с широким контактом РО InGaAsP/InP гстеролазеров.
-
Созданы одномодовые мезаполосковые лазерные диоды, излучающие на длинах волн 1.3 и 1.5 мкм оптическую мощность 200 и 100 мВт в непрерывном режиме генерации на базе лазерных гетероструктур. полученных методом жидкофазной эпитаксии, и 220 и 150 мВт - методом газофазной МОС-гидридной эпитаксии.
-
Разработана оптимальная РО InGaAsP/InP лазерная гетероструктура с расширенным ступенчатым волноводом, обеспечивающая минимальные
внутренние оптические потери и максимальный внутренний квантовый выход стимулированного излучения.
4. Созданы мощные лазерные диоды на базе ГО InGaAsP/InP лазерной гетероструктуры с расширенным ступенчатым волноводом, полученной методом газофазной МОС-гидридной эпитаксии, излучающие на длине волны 1.55 мкм.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту, сводятся к следующему:
Положение 1. Снижение концентрации свободных носителей в волноводных слоях до 10|5см"3 и увеличение фактора оптического ограничения вследствие максимального расширения волноводного слоя позволяют достичь минимума внутренних оптических потерь в РО InGaAsP/InP гетеролазерах.
Положение 2. В лазерах на основе твердых растворов InGaAsP, изопериодических с InP, вследствие особенностей строения энергетической зонной структуры, наблюдается выброс инжектированных носителей тока из активной области в волновод, что снижает внутренний квантовый выход стимулированного излучения.
Положение 3. Применение ступенчатого расширенного волновода в РО InGaAsPAnP гетероструктурах позволяет увеличить глубину квантовой ямы для электронов, сохраняя при этом максимальное значение фактора оптического ограничения волноводного слоя и мтшмальные внутренние оптические потерн
Положение 4. Использование ступенчатого расширенного волновода е РО InGaAsP/InP гетероструктуре позволяет снизить выброс носителей токз из активной области в волновод и увеличить внутренний квантовый выход стимулированного излучения.
Положение 5. РО InGaAsP/InP гетсролазеры обладают высокой температурной чувствительностью дифференциальной квантовой эффективности (Ti=125+250 К), ограничивающей достижение максимальне возможной излучаемой мощности.
Результат 1. Разработана последовательность постростовых технологических операций для изготовления мезаполосковых одномодовьп. и многомодовьгх с широким контактом ГО InGaAsP/InP гетеролазеров.
Результат 2. С использованием разработанной постростовой технологии созданы одномодовые лазерные диоды, излучающие на длинах волн 1.3 и 1.55 мкм оптическую мощность 200 и 100 мВт в непрерывном режиме генерации, на базе лазерных гетероструктур, полученных методов жидкофазной эпитаксии. и 220 и 150 мВт - методом газофазной МОС-гидридной эпитаксии.
Результат 3. Создана оптимальная InGaAsPAnP лазерная гетероструктура с расширенным ступенчатым волноводом, обладающая внутренними оптическими потерями 3.6 см"' и внутренним квантовым выходом стимулированного излучения более 85%.
Результат 4. На базе Ю InGaAsP/InP гетероструктуры с расширенным ступенчатым волноводом. полученной методом МОС-гидридной эпитаксии. созданы лазерные диоды с шириной мезаполоскового контакта 100 мкм, излучающие на длине волны 1.55 мкм 4.2 Вт в непрерывном режиме генерации.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на 2-ой Российской конференции по физике полупроводников. 1996, Зеленогорск; на 2-ой Международной конференции "International Symposium Nanostructures: Physics and Technology". 1996. июнь, С-Петербурп на 6-ой Международной конференции "International Symposium Nanostractures: Physics and Technology". 2000. июнь. С-Петербург.
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 6 работ, список которых приведён в конце автореферата.
Объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав,
заключения и^писка цитируемой литературы. Общий объём диссертации
составляет "/^р страниц, из них S3 страниц текста, страниц с
рисунками. Список цитируемой литературы включает ^-^наименований.
