Инжекционный полупроводниковый лазер

Изобретение относится к квантовой электронной технике и может быть использовано для накачки твердотельных лазеров. Инжекционный полупроводниковый лазер содержит гетероструктуру раздельного ограничения, включающую квантово-размерную активную область с примыкающими к ней верхним и нижним дополнительными слоями, верхний и нижний волноводные слои, эмиттеры р- и n-проводимости. Верхний и нижний волноводные слои примыкают к верхнему и нижнему дополнительным слоям. Эмиттеры р- и n-проводимости примыкают к волноводным слоям. Эмиттеры выполнены из твердого раствора Al_XGa_1-XAs. Волноводные слои выполнены из твердого раствора Al_YGa_1-YAs. Дополнительные слои выполнены из твердого раствора Al_ZGa_1-ZAs. В твердом растворе, из которого выполнен эмиттер, значение Х находится в пределах от 0,5 до 0,7, в твердом растворе, из которого выполнены волноводные слои, значение Y находится в пределах от 0,39 до 0,41, толщина волноводных слоев находится в пределах от 1500 до 1800 нм. В твердом растворе, из которого выполнены дополнительные слои, значение Z на границах с волноводными слоями равно значению Y этих слоев и монотонно уменьшается до 0,34≤Z≤0,36 на границах с активной областью. Технический результат - предотвращается концентрация электромагнитного поля основной поперечной моды в дополнительном слое, снижается плотность мощности излучения на оптических гранях лазера, повышается срок службы прибора, снижаются оптические потери и повышается КПД устройства. 1 табл., 1 ил.

 

Изобретение относится к квантовой электронной технике и может быть, в частности, использовано для накачки твердотельных лазеров, что требует весьма высокого коэффициента полезного действия (КПД) и мощности излучения полупроводникового лазера.

Известен полупроводниковый лазер, включающий квантово-размерную активную область, волноводные слои, контактирующие с активной областью с обеих ее сторон, и полупроводниковую подложку. Дополнительное оптическое ограничение создается за счет слоев, выполненных из широкозонного оптического материала, примыкающих к волноводным слоям и имеющих такой же тип проводимости, JP 2005191349.

Недостатком данного технического решения является весьма высокая плотность мощности излучения на оптических гранях лазера и, как следствие, малый срок службы устройства. Кроме того, в данном лазере возникает генерация нескольких поперечных мод, что обусловливает недостаточную стабильность и невысокую общую мощность излучения.

Известен инжекционный полупроводниковый лазер, содержащий гетероструктуру раздельного ограничения, включающий многомодовый волновод, ограничительные слои которого одновременно являются эмиттерами p- и n-типа проводимости с одинаковыми показателями преломления, активную область, состоящую из, по меньшей мере, одного квантово-размерного активного слоя, расположение которой в волноводе и толщина волновода удовлетворяют соотношению: Г⁰ _QW/Г^m _QW>1,7, где Г⁰ _QW и Г^m _QW - факторы оптического ограничения для активной области нулевой моды и моды m-го (высшего) порядка (m=1, 2, 3...), соответственно, отражатели, оптические грани, омические контакты и оптический резонатор; активная область размещена в дополнительном слое, показатель преломления которого больше показателя преломления волновода, а толщина и расположение в волноводе определяются из условия выполнения упомянутого соотношения, причем расстояния от активной области до p- и n-эмиттеров не превышают длин диффузии дырок и электронов в волноводе соответственно, RU 2259620; согласно описанию данного изобретения слои гетероструктуры могут быть выполнены из твердого раствора AlGaAs.

Данное техническое решение принято в качестве прототипа настоящего изобретения.

Недостатком прототипа является то обстоятельство, что электромагнитное поле основной (нулевой) поперечной моды полностью концентрируется в дополнительном слое, который имеет значительно меньшую толщину в сравнении с волноводным слоем. Это обусловливает избыточно высокую плотность мощности излучения на оптических гранях инжекционного лазера, что является причиной недостаточного срока его эксплуатации. Также следует отметить, что дополнительный слой выполнен из материала, состав которого постоянен по толщине этого слоя. При высоком уровне инжекции неравновесных носителей это приводит к большим оптическим потерям в дополнительном слое и, как следствие, к снижению КПД прибора.

Задачей настоящего изобретения является предотвращение концентрации электромагнитного поля основной поперечной моды в дополнительном слое и снижение таким образом плотности мощности излучения на оптических гранях лазера и повышение тем самым срока службы прибора. Кроме того, задачей изобретения является снижение оптических потерь и повышение КПД устройства.

Согласно изобретению инжекционный полупроводниковый лазер содержит гетероструктуру раздельного ограничения, включающую квантово-размерную активную область с примыкающими к ней верхним и нижним дополнительными слоями, верхний и нижний волноводные слои одинаковой толщины, примыкающие соответственно к верхнему и нижнему дополнительным слоям, эмиттеры p- и n-проводимости, примыкающие к волноводным слоям, при этом эмиттеры выполнены из твердого раствора Al_XGa_1-XAs, волноводные слои выполнены из твердого раствора Al_YGa_1-YAs, дополнительные слои выполнены из твердого раствора Al_ZGa_1-ZAs; новым в настоящем изобретении является то, что в твердом растворе, из которого выполнен эмиттер, значение Х находится в пределах от 0,5 до 0,7, в твердом растворе, из которого выполнены волноводные слои, значение Y находится в пределах от 0,39 до 0,41, толщина волноводных слоев находится в пределах от 1500 до 1800 нм, в твердом растворе, из которого выполнены дополнительные слои, значение Z на границах с волноводными слоями равно значению Y этих слоев и монотонно уменьшается до 0,34≤Z≤0,36 на границах с активной областью, причем толщина каждого дополнительного слоя находится в пределах от 70 до 80 нм.

Заявителем не выявлены какие-либо технические решения, идентичные заявленному, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию «новизна».

Благодаря выполнению эмиттеров из твердого раствора Al_XGa_1-XAs с соблюдением условия 0,5≤Х≤0,7 электромагнитное поле всех поперечных мод, включая основную, концентрируется, главным образом, в волноводных слоях, имеющих достаточную толщину по сравнению с дополнительными слоями. Благодаря этому электромагнитное поле распределяется более равномерно, поскольку равномерность его распределения определяется толщиной слоя, в котором электромагнитное поле концентрируется. Это обстоятельство, а также то, что толщина волноводного слоя находится в пределах от 1500 до 1800 нм, позволяет снизить плотность мощности излучения на оптических гранях лазера и увеличить срок его эксплуатации. При толщине этого слоя менее 1500 нм этот эффект выражен недостаточно, при толщине более 1800 нм увеличиваются оптические потери из-за увеличения концентрации инжектируемых в волноводные слои носителей.

Следует указать, что при значениях X мольной доли AlAs в твердом растворе Al_XGa_1-XAs менее 0,5 существенно увеличиваются оптические потери на свободных носителях, а при Х>0,7 возникает дополнительная быстрая деградация характеристик лазера, связанная с окислением оптических граней.

Благодаря выполнению волновода из твердого раствора Al_YGa_1-YAs с соблюдением условия 0,39≤Y≤0,41, повышаются КПД лазера и мощность его излучения. При значениях Y мольной доли AlAs в твердом растворе Al_YGa_1-YAs менее 0,39 носители (электроны, дырки) из активной области начинают выбрасываться в дополнительные и волноводные слои, что приводит к резкому снижению КПД. При Y>0,41 разница показателей преломления слоев волновода и эмиттеров становится недостаточной для эффективного оптического ограничения слоями волновода, что приводит к снижению мощности излучения лазера.

Благодаря тому что верхний и нижний дополнительные слои выполнены из твердого раствора Al_ZGa_1-ZAs, в котором значение Z мольной доли AlAs в твердом растворе Al_ZGa_1-ZAs на границах со слоями волновода равно значению Y этих слоев и монотонно уменьшается до 0,34≤Z≤0,36, на границах с активной областью возникает так называемый эффект «тянущего поля» в дополнительных слоях. Этот эффект заключается в увеличении скорости перемещения неравновесных носителей в указанных слоях. В результате снижается концентрация инжектированных носителей в дополнительных слоях и, как следствие, происходит уменьшение оптических потерь и повышается КПД лазера. При Z менее 0,34 происходит выброс неравновесных носителей в дополнительные слои из активной области, что резко уменьшает КПД прибора. При Z больше 0,36 эффект тянущего поля становится недостаточно выраженным ввиду уменьшения градиента состава дополнительного слоя (разности между значениями Z и Y).

При толщине дополнительного слоя менее 70 нм происходит уменьшение значения фактора оптического ограничения лазера из-за недостаточной концентрации электромагнитного поля в активной области. Это приводит к увеличению порогового и рабочего тока лазера и, как следствие, к снижению КПД. При толщине дополнительного слоя более 80 нм электромагнитное поле в значительной мере концентрируется в дополнительных слоях, что ведет к расширению диаграммы направления излучения лазера в плоскости, перпендикулярной плоскости p-n перехода и снижает эффективность устройства.

Заявителем не выявлены какие-либо источники информации, в которых были бы сведения о признаках, указанных в отличительной части формулы изобретения, и техническом результате, достигаемом благодаря их реализации. Данное обстоятельство, по мнению заявителя, позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию «изобретательский уровень».

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором изображена гетероструктура инжекционного полупроводникового лазера в разрезе.

Инжекционный полупроводниковый лазер содержит гетероструктуру раздельного ограничения, включающую квантово-размерную активную область 1, выполненную из твердого раствора InGaAlAs, состав которого обеспечивает длину волн генерации лазера 808±3 нм, толщина активной области - 10 нм. К активной области 1 примыкает верхний 2 и нижний 3 нелегированные дополнительные слои, толщина которых составляет от 50 до 100 нм, нелегированный верхний волноводный слой 4 и нелегированный нижний волноводный слой 5 примыкают соответственно к дополнительным слоям 2 и 3 и имеют одинаковую толщину. К верхнему волноводному слою 4 примыкает эмиттер 6 p-проводимости. К нижнему волноводному слою 5 примыкает эмиттер 7 n-проводимости. Эмиттеры 6 и 7 выполнены из твердого раствора Al_XGa_1-XAs, где значение мольной доли Х находится в пределах от 0,5 до 0,7. Толщина эмиттера 6-1,5 мкм. Материал эмиттера легирован цинком до концентрации акцепторов, обеспечивающей дырочную концентрацию р=2·10¹⁷ см^-3. Толщина эмиттера 7-1,8 мкм. Материал эмиттера легирован кремнием до концентрации доноров, обеспечивающей электронную концентрацию n=2·10¹⁷ см^-3. Волноводные слои 4 и 5 выполнены из твердого раствора Al_YGa_1-YAs, при этом значение мольной доли Y находится в пределах от 0,39 до 0,41. Толщина волноводных слоев (d_BC) 4 и 5 находится в пределах от 1500 до 1800 нм. Дополнительные слои 2, 3 выполнены из твердого раствора Al_ZGa_1-ZAs. Значение мольной доли Z на границах с волноводными слоями 4, 5 равно значению Y этих слоев и монотонно уменьшается до 0,34≤Z≤0,36 на границах с активной областью. Толщина дополнительных слоев 2, 3 (d_ДС) находится в пределах от 70 до 80 нм. Подложка 8 выполнена из GaAs n-типа с электронной концентрацией n=2·10¹⁸ см^-3. Буферный слой 9 выполнен из GaAs n-типа толщиной 0,3 мкм с электронной концентрацией n=2·10¹⁸ см^-3. Контактный слой 10 выполнен из GaAs p-типа с дырочной концентрацией р=1·10¹⁹ см^-3.

Для испытаний лазерные гетероструктуры выращивались методом МОС-гидридной эпитаксии при субатмосферном давлении и температурах от 700 до 900°С, концентрации электронов и дырок были измерены на основе эффекта Холла на отдельных образцах. На верхней поверхности гетероструктуры сформирован омический полосковый p-контакт 11, выполненный из сплава Au-Zn, шириной 200 мкм, а на нижней поверхности гетероструктуры из сплава Au-Ge сформирован n-контакт 12. На сколы (оптические грани инжекционного лазера) нанесены многослойные диэлектрические покрытия, образующие интерференционные зеркала с коэффициентами отражения 90% («глухое» зеркало) и 20% (выходное зеркало).

Для измерения вольт-амперной и ватт-амперной характеристик лазера образец устанавливался на охлаждаемом модуле, снабженном микрохолодильником Пельтье. С помощью термостабилизатора устанавливалась температура модуля +20°С. Величина тока накачки I определялась с помощью калиброванного сопротивления 0,01 Ом, включенного последовательно в цепь питания лазера. Сигнал напряжения на этом сопротивлении подавался на вход цифрового осциллографа Tektronix TDS1002. Величина общей мощности излучения Р определялась с помощью калиброванного фотоприемника ФД-24К, сигнал с которого также подавался на вход цифрового осциллографа. Величина рабочего напряжения U измерялась непосредственно на контактах лазера с помощью цифрового осциллографа. Коэффициент полезного действия лазера (далее КПД) рассчитывался как отношение мощности излучения к потребляемой электрической мощности по формуле

КПД=P/(I·U)

Для измерения диаграммы направленности лазерного излучения инжекционные лазеры устанавливались на вращающемся основании, соединенном с шаговым двигателем, который, в свою очередь, управлялся персональным компьютером. Щелевая диафрагма шириной 500 мкм, установленная на расстоянии 20 см от лазера, обеспечивала точность измерений 0,2°. Ширина диаграммы направленности характеризовалась ее шириной на половине максимальной интенсивности.

Срок службы (время наработки на отказ) инжекционного лазера определялся по следующей методике. Лазер считался вышедшем из строя, если его общая мощность излучения на рабочем токе уменьшалась на 20% относительно начального значения. Исследования наработки на отказ в течение 10000 часов показали, что уменьшение мощности излучения при фиксированном токе носит постепенный и монотонный характер. Поэтому для оперативной оценки срока службы использовалась экстраполяционная методика, согласно которой измерялось время, в течение которого мощность излучения падала относительно начального значения на 2%, а время наработки на отказ соответствовало десятикратному значению измеренного времени. При достижении экстраполированного срока службы 10000 часов испытания прекращались.

Измерения характеристик инжекционных лазеров производились для фиксированной общей мощности излучения 2 Вт.

Полученные в результате проведенных испытаний характеристики полупроводниковых инжекционных лазеров приведены в Таблице.

Примеры 1, 2 и 3 соответствуют параметрам гетероструктуры инжекционного лазера, лежащим в пределах, указанных в формуле изобретения. Примеры 4 и 5 иллюстрируют ухудшение характеристик лазера при отклонении состава эмиттеров от указанных в формуле изобретения. Примеры 6, 7 и 8, 9 демонстрируют негативное влияние отклонения соответственно состава и толщины волноводных слоев за пределы, указанные в формуле изобретения, на характеристики инжекционных лазеров. Негативное влияние отклонения состава и толщины дополнительных слоев за пределы, указанные в формуле изобретения, на характеристики инжекционных лазеров показано примерами 10, 11 и 12, 13 соответственно. Пример 14 соответствует устройству-прототипу.

Для изготовления инжекционных лазеров использованы наиболее распространенная в настоящее время ростовая технология и стандартное промышленное оборудование, что обусловливает соответствие изобретения критерию «промышленная применимость».

Таблица
№ примера	Параметры гетероструктуры инжекционного лазера	Срок службы лазера (час)	КПД (%)	Полуширина диаграммы направленности (градусы)
1	X=0.5, Y=0.39, Z=0.39→0.36, dВС=1500 нм, dДС=75 нм,	>10000	34	29
2	X=0.7, Y=0.41, Z=0.41→0.35, dBC=1800 нм, dДС=70 нм,	>10000	33	28
3	Х=0.6, Y=0.4, Z=0.4→0.34, dBC=1650 нм, dДС=75 нм,	>10000	34	28.5
4	Х=0.4, Y=0.42, Z=0.42→0.3, dBC=1500 нм, dДС=75 нм,	5500	19	22
5	X=0.87, Y=0.4, Z=0.4→0.35, dBC=1600 нм, dДС=75 нм,	80	28	32
6	X=0.6, Y=0.35, Z=0.35, (const.) dBC=1600 нм, dДС=75 нм,	>10000	27	22
7	Х=0.6, Y=0.55, Z=0.55→0.35, dBC=1500 нм, dДС=75 нм,	6000	25	33
8	X=0.6, Y=0.4, Z=0.4→0.35, dBC=1200 нм, dДС=75 нм,	4500	30	35
9	Х=0.6, Y=0.4, Z=0.4→0.35, dBC=2000 нм, dДС=75 нм,	>10000	25	26
10	X=0.6, Y=0.4, Z=0.4→0.25, dBC=1600 нм, dДС=75 нм,	8000	12	29
11	X=0.6, Y=0.4, Z=0.4, (const.) dBC=725 нм, dДС=75 нм,	>10000	23	22
12	X=0.6, Y=0.4, Z=0.4→0.35, dBC=1500 нм, dДС=40 нм,	>10000	28	24
13	X=0.6, Y=0.4, Z=0.4→0.35, dBC=1500 нм, dДС=120 нм,	4000	30	34
14	X=0.38, Y=0.30, Z=0.0 (GaAs), dBC=2000 нм, dДС=10 нм,	1100	18	13

Инжекционный полупроводниковый лазер, содержащий гетероструктуру раздельного ограничения, включающую квантово-размерную активную область с примыкающими к ней верхним и нижним дополнительными слоями, верхний и нижний волноводные слои одинаковой толщины, примыкающие соответственно к верхнему и нижнему дополнительным слоям, эмиттеры р- и n-проводимости, примыкающие к волноводным слоям, при этом эмиттеры выполнены из твердого раствора Al_XGa_1-XAs, волноводные слои выполнены из твердого раствора Al_YGa_1-YAs, дополнительные слои выполнены из твердого раствора Al_ZGa_1-ZAs, отличающийся тем, что в твердом растворе, из которого выполнен эмиттер, значение мольной доли Х находится в пределах от 0,5 до 0,7, в твердом растворе, из которого выполнены волноводные слои, значение мольной доли Y находится в пределах от 0,39 до 0,41, толщина волноводных слоев находится в пределах от 1500 до 1800 нм, в твердом растворе, из которого выполнены дополнительные слои, значение мольной доли Z на границах с волноводными слоями равно значению мольной доли Y этих слоев и монотонно уменьшается до 0,34≤Z≤0,36 на границах с активной областью, причем толщина каждого дополнительного слоя находится в пределах от 70 до 80 нм.