Полупроводниковый лазер



Полупроводниковый лазер

 


Владельцы патента RU 2535649:

Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (RU)
Федеральное Государственное унитарное предприятие "Российский Федеральный ядерный центр-Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики-ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ" (RU)

Изобретение относится к квантовой электронике. Полупроводниковый лазер содержит гетероструктуру, выращенную на подложке GaAs, ограниченную перпендикулярными оси роста торцовыми поверхностями, с нанесенными на них покрытиями, с одной стороны - отражающим, а на другой - антиотражающим, и включающую волноводный слой с активной областью, сформированный p-i-n-переход, контактный слой и ограничительные слои, показатели преломления последних меньше показателей преломления подложки и других слоев, контактный слой и смежный с ним ограничительный слой легированы акцепторами, а подложка и другой ограничительный слой легированы донорами. В гетероструктуру включен буферный слой GaAs, легированный донорами и размещенный между подложкой и ограничительным слоем, а активная область волноводного слоя содержит, по крайней мере, три квантовые ямы InGaAs, выполненные в p-i-n-переходе, сформированном волноводным, буферным и ограничительными слоями, кроме того, толщины волноводного слоя и смежного с буферным ограничительного слоя выбраны таким образом, чтобы обеспечить потери на выход излучения в подложку в диапазоне 10-50 см-1 и угол выхода излучения в подложку φ в диапазоне 0-3°. Технический результат заключается в обеспечении возможности снижения расходимости излучения. 7 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Предложенное изобретение относится к квантовой электронной технике, касается полупроводникового лазера, содержащего гетероструктуру с активной зоной, включающей несколько квантовых ям в соединениях типа А3В5, и который может быть использован в волоконно-оптических системах связи, в системах накачки твердотельных лазеров, в системах навигации, в медицинском оборудовании и т.д.

В инжекционном лазере с полосковой активной зоной генерации и выводом излучения через зеркало оптического резонатора [«Лазеры на гетероструктурах» в 2-х томах, X. Кейси, М. Паниш, М., Мир, 1981, Т.1, 300 с.] слоистая гетероструктура с активной зоной расположена между вертикальными отражателями оптического резонатора. При протекании тока в ней усиливается излучение, а при известных соответствующих условиях и генерация излучения. Одно из зеркал оптического резонатора делают частично прозрачным, и через него выходит используемое излучение. В таком лазере существуют только волноводные моды, распространяемые вдоль оси оптического резонатора между его зеркалами. При этом принимаются меры, необходимые для того, чтобы исключить возникновение вытекающего излучения через слои гетероструктуры в подложку и верхний контактный слой, так как это снижает эффективность работы лазерных устройств. Размер тела свечения в направлении, перпендикулярном слоям гетероструктуры, обычно не превышает нескольких мкм, а в направлении, параллельном слоям гетероструктуры, - определяется шириной полосковой активной зоны. Этим лазерам свойственны следующие недостатки:

- высокая астигматичность излучения, обусловленная ограниченным размером тела свечения в направлении, перпендикулярном слоям гетероструктуры;

- нарушение одномодового режима генерации с резким увеличением расходимости лазерного излучения при увеличении ширины полосковой активной области (в типичном случае полоскового лазера это происходит, если ширина полоска превышает 3-6 мкм);

- малые площади тела свечения, для которых обеспечивается дифракционная расходимость излучения, ограничивают создание полупроводникового лазера, обладающего высокой мощностью выходного излучения и одновременно высокой надежностью.

Создание полупроводниковых источников излучения, сохраняющих дифракционную расходимость при увеличении размеров его излучающей поверхности, а следовательно, и выходной мощности излучения, является одной из важнейших задач лазерной техники.

В конструкции лазера по патенту [RU 2142665С1, 10.12.1999, H01S 3/19] предлагается использовать, по крайней мере, один квантово-размерный слой InGaAs в качестве активной среды с шириной запрещенной зоны меньшей, чем ширина запрещенной зоны подложки (GaAs), что значительно уменьшает поглощение излучения в подложке. Формирование мод в оптическом резонаторе лазера происходит, по большей части, при распространении лазерных лучей в однородном, не усиливающем, слабо поглощающем объеме области втекания (подложки) и лишь после падения отраженных от оптических граней лазерных лучей на область усиления и полного внутреннего отражения лучей на границе области втекания со слоями гетероструктуры с активным слоем происходит их локальное усиление. Лазер может быть назван инжекционным лазером (или диодным лазером) с объемным резонатором. Конструкция лазера в патенте предусматривает наклон хотя бы одной из граней резонатора, на которых происходит отражение излучения и через которые происходит вывод излучения на ненулевой угол ψ. Однако практическая реализация конструкций лазеров с ненулевым углом наклона граней затруднена, особенно, если угол ψ достаточно большой.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому изобретению является полупроводниковый лазер, защищенный патентом [US 4063189, 13.12.1977, Н01S 3/19], принятый за ближайший аналог (прототип). В прототипе усиление и формирование соответствующих мод лазерного излучения происходит целиком в тонком, активном, диэлектрическом волноводе области усиления, ограниченном торцевыми отражателями оптического резонатора. В этом патенте и статье [D.R. Scifres, W Streifer, and R.D. Burnham, Applied Physics Letters (1976), v.29, N 1, pp.23-25] одних и тех же авторов сделана попытка увеличить выходную апертуру и, соответственно, уменьшить угол расходимости и астигматизм в направлении, перпендикулярном к p-i-n-переходу, для чего был предложен инжекционный лазер с вытекающим излучением. Конструкция известного инжекционного лазера по патенту US 4063189 состоит из подложки, лазерной гетероструктуры (далее гетероструктура), содержащей волноводный слой с одной активной квантовой ямой, помещенный между двух оптически однородных ограничительных слоев. С торцевых сторон лазерная гетероструктура ограничена торцевыми плоскими поверхностями (сколотыми гранями), выполняющими роль отражателей оптического резонатора, определяющими длину L оптического резонатора (Фабри-Перо). На них нанесены с одной стороны отражающее покрытие с коэффициентом отражения, близким к единице, а с другой - антиотражающее покрытие. На удаленной от активного слоя поверхности ограничительного слоя помещена область втекания излучения (подложка). На удаленной от активного слоя поверхности ограничительного слоя гетероструктуры помещен контактный слой и на нем сформирован омический контакт. С противоположной стороны на наружной поверхности подложки выполнен другой омический контакт.

Активный слой выбран весьма толстым, толщиной d в пределах 0,1…2 мкм. Ограничительные слои оптически однородны, их показатели преломления меньше показателя преломления активного слоя. Ограничительный слой, смежный с подложкой, выбран тонким, а именно 0.5-0.06 мкм. Подложка имеет показатель преломления больше показателя преломления ограничительного слоя, смежного с ним. Активный слой и подложка имеют один и тот же состав - полупроводник арсенид галлия (GaAs), что определяет большое значение коэффициента поглощения - порядка 30 см-1 (см. статью [D.R. Scifres, W Streifer, and R.D. Burnham, Applied Physics Letters (1976), v.29, N 1, pp.23-25]). Толщина W подложки выбрана много больше суммы толщин активного слоя (d) и оптически однородного однослойного ограничительного слоя (b), смежного с подложкой. Подложка ограничена сколотыми гранями, перпендикулярными к активному слою.

После приложения смещения к p-i-n-переходу, который образован между, например, активным слоем и ограничительным слоем, смежным с подложкой, осуществляется инжекция неравновесных носителей в активный слой и в нем возникает генерация излучения заданной длины волны и модового состава. Функционирование лазера в режиме вытекающей моды происходит при условии, что ограничительный слой, примыкающий к подложке, выбран весьма тонким для того, чтобы часть излучения распространялась в подложку и образовывала в ней вытекающую волну под некоторым углом вытекания φ к p-i-n-переходу, т.е. чтобы было реализовано условие вывода излучения в подложку. Авторами этого патента получены следующие основные параметры изготовленного лазера: пороговая плотность тока равна 7.7 кА/см2, пороговый ток равен 7 А при размере диода: длина 400 мкм, ширина 225 мкм, толщина подложки 100 мкм (до 200 мкм); угол вытекания φ равен 3°, выходная мощность в коротком импульсе порядка 3 Вт, дифференциальная эффективность порядка 35.4%, расходимость (угловая ширина на полувысоте диаграммы направленности в дальней зоне, снятой в плоскости, перпендикулярной p-i-n-переходу) 2°. Преимуществом является малая расходимость для выводимого через грань с антиотражающим покрытием вытекающего излучения, и низкая плотность излучения на выводящей поверхности грани, обусловленная большим масштабом локализации электромагнитного поля в лазере в плоскости, параллельной граням.

Однако прототипу присущи значительные недостатки: высокие значения пороговой плотности тока, которые, по крайней мере, были вдвое выше в сравнении с обычными без вытекания лазерными диодами, и малая генерируемая мощность излучения. Это обусловлено в том числе выбором одинаковых материалов для подложки с большим коэффициентом поглощения излучения (порядка 30 см-1 см) и активного слоя, а также выбором углов наклона (ψ=0) граней резонатора и угла выхода (φ~3°) излучения в подложку. Известно, что для мощных лазеров длина резонатора должна быть достаточно большой, более 2 мм [Д.А. Винокуров, А.Л. Станкевич, В.В. Шамахов, В.А. Капитонов, А.Ю. Лешко, A.B. Лютецкий, Д.Н. Николаев, H.A. Пихтин, H.A. Рудова, З.Н. Соколова, С.О. Слипченко, М.А. Хомылев, И.С. Тарасов. Физика и техника полупроводников (2006), том 40, вып.6, сс.764-767], а схема вывода излучения для прототипа предполагает, что при толщине подложки 200 мкм и угле выхода φ~3° излучения в подложку длина резонатора не должна превышать 1.9 мм для хорошего качества выходящего излучения из лазера. Для более длинного резонатора половина излучения, выходящего в подложку под углом φ в сторону практически полностью отражающего покрытия, отражается зеркально от него и падает на обратную сторону подложки (обычно неоптического качества), на которой диффузно рассеивается на неровностях обратной стороны подложки в достаточно широкий угол и частично поглощается в лазере, и частично выходит через антиотражающее покрытие грани с большой расходимостью, что также ухудшает качество выходящего излучения из лазера. Даже использование подложки с оптическим качеством обратной ее стороны приведет к образованию еще одного пика в диаграмме направленности в дальней зоне, снятой в плоскости, перпендикулярной p-i-n-переходу, что ухудшает качество выходящего излучения из лазера.

В задачу изобретения положено создание полупроводникового лазера с узкой диаграммой направленности в дальней зоне в плоскости, перпендикулярной p-i-n-переходу, с выходом излучения через слабо поглощающую подложку.

Технический результат от использования изобретения заключается в снижении расходимости излучения в плоскости, перпендикулярной p-i-n-переходу, увеличении мощности лазерного излучения.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в полупроводниковом лазере, содержащем общие с прототипом признаки, а именно:

гетероструктуру, выращенную на подложке gaAs, ограниченную перпендикулярными оси роста торцовыми поверхностями, с нанесенными на них покрытиями, с одной стороны - отражающим, а на другой - антиотражающим, и включающую волноводный слой с активной областью, сформированный p-i-n-переход, контактный слой и ограничительные слои, показатели преломления последних меньше показателей преломления подложки и других слоев, контактный слой и смежный с ним ограничительный слой легированы акцепторами, а подложка и другой ограничительный слой легированы донорами, содержатся отличительные признаки, а именно:

- в гетероструктуру включен буферный слой GaAs, легированный донорами и размещенный между подложкой и ограничительным слоем;

- активная область волноводного слоя выполнена, по крайней мере, с тремя квантовыми ямами InGaAs;

- квантовые ямы выполнены в p-i-n-переходе;

- p-i-n-переход сформирован волноводным, буферным и ограничительными слоями;

- толщины волноводного слоя и смежного с буферным ограничительного слоя выбраны таким образом, чтобы обеспечить потери на выход излучения в подложку в диапазоне 10-50 см-1 и угол выхода излучения в подложку φ в диапазоне 0-3°.

Кроме того:

- степень легирования подложки донорами составляет менее 2×1018 см-3;

- степень легирования буферного слоя соответствует степени легирования подложки;

- степень легирования ограничительного слоя, смежного с буферным слоем, соответствует степени легирования этого буферного слоя;

- степень легирования ограничительного слоя, смежного с контактным слоем, составляет 1018-3×1018 см-3;

- степень легирования контактного слоя составляет 1019-5×1019 см-3;

- количество квантовых ям пропорционально потерям на выход излучения в подложку;

- на торцовую поверхность гетероструктуры со стороны размещения антиотражающего покрытия нанесено отражающее покрытие, контактирующее с антиотражающим и закрывающее контактный волноводный и ограничительные слои.

На фиг.1 приведена схема предлагаемого полупроводникового лазера, где:

1 - подложка GaAs,

2 - буферный слой GaAs,

3 - ограничительный слой InGaP либо AlGaAs,

4 - волноводный слой, активная область которого содержит, по крайней мере, 3 квантовые ямы InGaAs, разделенные барьерами GaAs либо GaAsP,

5 - контактный слой GaAs,

6 - практически полностью отражающее диэлектрическое покрытие,

7 - антиотражающее диэлектрическое покрытие.

Условными линиями со стрелочками изображены направления вытекающего излучения под углом вытекания φ внутри подложки 1 и выходного излучения под углом преломления δ вне подложки 1. Полупроводниковый лазер представляет собой гетероструктуру, выращенную на подложке 1, которая включает: буферный слой 2, ограничительные слои 3, волноводный слой 4 (проводник), активная область которого содержит, по крайней мере, три одинаковых квантовых ямы, контактный слой 5. Активная область с квантовыми ямами нелегирована и выполнена в p-i-n-переходе, сформированном волноводным 4, буферным 2 и ограничительными 3 слоями. Показатели преломления волноводной области 4, буферного слоя 2 и подложки 1 превышают показатели преломления ограничительных слоев 3. Подложка 1 легирована донорами менее 2*1018 см-3. Буферный слой 2 выполнен со степенью легирования не менее степени легирования подложки 1. Ограничительный слой 3, смежный с буферным слоем 2, легирован с не меньшей степенью легирования, что и буферный слой 2.

Ограничительный слой 3, смежный с буферным слоем 2, выбран достаточно тонким, чтобы потери на выход излучения в подложку составляли 10-50 см-1.

Ограничительный слой 3, смежный с контактным слоем 5, легирован акцепторами со степенью 1018-3*1018 см-3. Контактный слой 5 легирован сильно, степень легирования составляет, например, 1019-5*1019 см-3. Количество квантовых ям в волноводном слое 4 пропорционально потерям на выход излучения в подложку 1. На сколы, перпендикулярные оси роста выращенной структуры, наносятся диэлектрические покрытия: с одной стороны - покрытие 6, которое практически полностью отражает излучение, с другой стороны - антиотражающее покрытие 7, через которое осуществляется вывод излучения. Также можно для снижения порога генерации на часть обеих граней, ограничивающих ограничительные 3, волноводный 4 и контактный 5 слои, нанести покрытие, которое практически полностью отражает излучение 6. Толщины волноводного слоя 4 и ограничительного слоя 3, смежного с буферным слоем 2, выбираются таким образом, чтобы обеспечить потери на выход излучения в подложку 1 в диапазоне 10-50 см-1, и при этом угол выхода излучения в подложку 1 φ лежал бы в диапазоне 0-3°.

Ниже приведены примеры конкретного исполнения предлагаемого изобретения.

Пример 1

Подложка GaAs была легирована донорами до 1018 см-3. Рост гетероструктуры производился методом МОС - гидридной эпитаксии при атмосферном давлении. На подложке для компенсации дефектов выращивался буферный слой GaAs толщиной 540 нм с той же степенью легирования. Затем производился рост ограничительного слоя InGaP толщиной 80 нм с той же степенью легирования. Потом производился рост нелегированного волноводного слоя GaAs общей толщиной 1818 нм с расположенными в его центре 6 квантовыми ямами InGaAs толщиной 9 нм каждая и разделенными трехслойным барьером GaAs/GaAsP/GaAs, где толщина каждого слоя в барьере по 36 нм. Затем производился рост ограничительного слоя InGaP толщиной 432 нм, легированного акцепторами со степенью 1018 см-3. Буферный, ограничительные и волноводный слои образуют p-i-n-переход. Следом растится высоколегированный акцепторами контактный слой GaAs со степенью легирования 1019 см-3 и толщиной 216 нм. Для качественного изготовления граней резонатора подложка утонялась химическим травлением до толщины 150 мкм. Лазерные диоды с шириной активной области 360 мкм и длиной резонатора 1 мм были изготовлены путем химического травления контактного слоя вне активной полоски с последующей протонной имплантацией вскрытой поверхности InGaP. После нанесения контактов и раскалывания чипы напаивались на медные теплоотводы структурой вниз для работы лазеров в непрерывном и импульсном режиме генерации. Напыление просветляющих и отражающих покрытий на выходные грани полупроводникового лазера проводилось методом электронно-лучевого испарения. Отражающее покрытие имело коэффициент отражения R ~ 0.98, а просветляющее покрытие R ~ 0.06. Получены следующие основные параметры изготовленного лазера при температуре 290 К: пороговая плотность тока равна 1.6 кА/см2, угол вытекания φ равен 2.85°, выходная мощность в коротком импульсе длительностью 5 мкс около 34 Вт, дифференциальная эффективность порядка 30%, расходимость 2°, длина волны излучения 977 нм.

Пример 2

Подложка GaAs была легирована донорами до 5×1017 см-3. Рост гетероструктуры производился методом МОС-гидридной эпитаксии при атмосферном давлении. На подложке для компенсации дефектов выращивался буферный слой GaAs толщиной 900 нм со степенью легирования 1.6×1018 см-3. Затем производился рост ограничительного слоя InGaP толщиной 56 нм с той же степенью легирования. Потом производился рост нелегированного волноводного слоя GaAs общей толщиной 1656 нм с расположенными в его центре 6 квантовыми ямами InGaAs толщиной 10 нм каждая и разделенными трехслойным барьером GaAs/GaAsP/GaAs, где толщина слоев GaAs в барьере по 40 нм, а толщина слоя GaAsP в барьере - 30 нм. Затем производился рост ограничительного слоя InGaP толщиной 420 нм, легированный акцепторами со степенью 3*1018 см-3. Буферный, ограничительные и волноводный слои образуют p-i-n-переход. Следом растится высоколегированный акцепторами контактный слой GaAs со степенью легирования 1019 см-3 и толщиной 210 нм. Для качественного изготовления граней резонатора подложка утонялась химическим травлением до толщины 150 мкм. Лазерные диоды с шириной активной области 360 мкм и длиной резонатора 1 мм были изготовлены путем химического травления контактного слоя вне активной полоски с последующей протонной имплантацией вскрытой поверхности InGaP. После нанесения контактов и раскалывания чипы напаивались на медные теплоотводы структурой вниз для работы лазеров в непрерывном и импульсном режиме генерации. Напыление просветляющих и отражающих покрытий на выходные грани полупроводникового лазера проводилось методом электронно-лучевого испарения. Отражающее покрытие имело коэффициент отражения R ~ 0.98, а просветляющее покрытие R ~ 0.06. Получены следующие основные параметры изготовленного лазера при температуре 290 К: пороговая плотность тока равна 1.6 кА/см2, угол вытекания φ равен 2.7°, выходная мощность в коротком импульсе длительностью 5 мкс около 56 Вт, дифференциальная эффективность порядка 30%, расходимость 2°. длина волны излучения 1020 нм.

Сборку предлагаемого изобретения осуществляют следующим образом.

Гетероструктуру для полупроводникового лазера выращивают методами МОС-гидридной или молекулярно-лучевой эпитаксии в следующей последовательности: рост слоев 2, 3, 4, 3, 5 на подложке 1. Буферный слой 2 со степенью легирования не менее степени легирования подложки 1 выращивают для компенсации дефектов. Затем производят рост слоев с p-i-n-переходом, образованным нелегированной волноводной областью 4 с активными квантовыми ямами, буферным 2 и ограничительными 3 слоями. Затем производят рост высоколегированного контактного слоя 5. Для лазеров с токовой накачкой делают металлические контакты к обратной стороне подложки 1 и к контактному слою 5. Зеркалами служат сколы граней с нанесенными на них диэлектрическими покрытиями 6, 7. На одной из граней нанесенное покрытие 6 увеличивает коэффициент отражения, а на одной другой - покрытие 7 уменьшает коэффициент отражения. Также можно для снижения порога генерации на часть граней, ограничивающих ограничительные 3, волноводный 4 и контактный 5 слои, нанести покрытие 6, которое практически полностью отражает излучение. Для увеличения коэффициента усиления и, соответственно, мощности лазерного излучения количество квантовых ям должно быть пропорционально потерям на выход излучения в подложку. Толщины волноводного слоя 4 и ограничительного слоя 3, смежного с буферным слоем 2, выбираются таким образом, чтобы обеспечить потери на выход излучения в подложку 1 в диапазоне 10-50 см-1, и при этом угол выхода излучения в подложку 1 φ лежал в диапазоне 0-3°. Известно из [патент RU 2142665], что необходимым условием вытекания излучения в подложку 1 является выполнение соотношения (nsub - показатель преломления подложки):

n e f f < n s u b , ( 1 )

где величина эффективного показателя преломления neff может быть получена расчетным путем из соотношения β=(2π/λ)neff, где β - модуль комплексной величины постоянной распространения усиливаемой волны излучения в направлении, вдоль продольной оси, расположенной в волноводном слое 4, а λ - длина волны излучения. Величину β можно определить, зная толщины и показатели преломления всех слоев [«Лазеры на гетероструктурах» в 2-х томах, X. Кейси, М. Паниш, М., Мир, 1981, Т.1, 300 с.]. При выполнении условия (1) усиление направляемых мод в волноводном слое 4 предлагаемого лазера уменьшается и нарастает интенсивность излучения в виде волн, вытекающих под углом вытекания φ к плоскости волноводного слоя 4, равным:

φ = arccos ( n e f f / n s u b ) . ( 2 )

Вывод вытекающего лазерного излучения происходит после, по крайней мере, одноразового преломления его на гранях лазера. Угол преломления выходного излучения на грани лазера равен:

δ = arcsin ( n s u b sin ϕ ) . ( 3 )

Известно, что для мощных лазеров длина резонатора должна быть достаточно большой [Д.А. Винокуров, А.Л. Станкевич, В.В. Шамахов, В.А. Капитонов, А.Ю. Лешко, A.B. Лютецкий, Д.Н. Николаев, H.A. Пихтин, H.A. Рудова, З.Н. Соколова, С.О. Слипченко, М.А. Хомылев, И.С. Тарасов. Физика и техника полупроводников (2006), том 40, вып.6, сс.764-767]. Выражение для максимальной длины лазера L, которая возможна без переотражения от обратной стороны подложки 1, можно записать в следующем виде:

L = 0.5 W c t g ϕ , ( 4 )

где W - толщина подложки 1, максимальная толщина которой обычно не превышает 200 мкм. Из формулы (4) следует, что длину L можно увеличить, уменьшая величину угла φ, чего можно добиться, выбирая толщины волноводного слоя 4 и смежного с буферным слоем 2 ограничительного слоя 3 так, что neff→nsub.

В предлагаемом полупроводниковом лазере активность среды (квантовых ям в волноводной области 4) создают за счет инверсного распределения электронов между уровнями размерного квантования валентной зоны и зоны проводимости. Необходимая для инверсии большая концентрация электронов и дырок может быть создана инжекцией в p-i-n-переходе (токовая накачка). Активная среда должна сопрягаться с резонатором (волновод с зеркалами) и между ними осуществляется обратная связь. Когда выигрыш в энергии волны из-за взаимодействия с активной областью (усиление) становится равным суммарным потерям (в том числе и на выход излучения из резонатора), устройство превращается в источник когерентного электромагнитного излучения (лазер).

Для предлагаемого полупроводникового лазера расходимость излучения в плоскости, перпендикулярной p-i-n-переходу, возможна в угловом интервале 1-2 градуса в зависимости от поперечного размера и доли вытекающего в подложку 1 излучения. Поперечным размером, долей и углом выхода φ вытекающего в подложку 1 излучения можно управлять, изменяя толщины подложки 1 и волноводного слоя 4, толщину и состав ограничительного слоя 3, смежного с буферным 2. Увеличение толщины подложки 1 приводит к увеличению поперечного размера вытекающего в подложку 1 излучения. Уменьшая толщину волноводного слоя 4 и/или ограничительного слоя 3, смежного с буферным 2, можно увеличить долю вытекающего в подложку 1 излучения. Уменьшая долю алюминия (если ограничительный слой состоит из AlGaAs) в составе слоя ограничительного слоя 3, смежного с буферным 2, можно также увеличить долю вытекающего в подложку 1 излучения. Увеличивая толщину волноводного слоя 4, можно добиться уменьшения угла выхода φ вытекающего в подложку 1 излучения. Возможность достижения малой расходимости излучения в плоскости, перпендикулярной p-i-n-переходу, дает значительный выигрыш из-за отсутствия или облегчения проблемы фокусировки излучения при применении в различных устройствах. Уменьшение угла выхода φ вытекающего в подложку 1 излучения дает возможность создания мощных эффективных лазеров с большой длиной резонатора.

В предлагаемой конструкции легко реализуется одномодовый в поперечном направлении выход излучения в подложку 1, независимо от толщины подложки, что связано с большими потерями для возбуждения следующей вытекающей в подложку 1 моды, и что является важным для создания мощных полупроводниковых лазеров с узкой диаграммой направленности.

Таким образом, предлагаемый полупроводниковый лазер позволяет получить узкую диаграмму направленности в дальней зоне, в плоскости, перпендикулярной p-i-n-переходу, с выходом излучения через слабо поглощающую подложку. Использование предлагаемого полупроводникового лазера обеспечивает снижение расходимости излучения в плоскости, перпендикулярной p-i-n-переходу, и увеличение мощности лазерного излучения.

Кроме того, лазер обладает высоким потенциалом для его производства в промышленности, поскольку для изготовления приборов применяются стандартные, высоковоспроизводимые технологические операции, отработанные для создания систем на основе соединений А3В5 и их твердых растворов.

1. Полупроводниковый лазер, содержащий гетероструктуру, выращенную на подложке GaAs, ограниченную перпендикулярными оси роста торцовыми поверхностями, с нанесенными на них покрытиями, с одной стороны - отражающим, а на другой - антиотражающим, и включающую волноводный слой с активной областью, сформированный p-i-n-переход, контактный слой и ограничительные слои, показатели преломления последних меньше показателей преломления подложки и других слоев, контактный слой и смежный с ним ограничительный слой легированы акцепторами, а подложка и другой ограничительный слой легированы донорами, отличающийся тем, что в гетероструктуру включен буферный слой GaAs, легированный донорами и размещенный между подложкой и ограничительным слоем, а активная область волноводного слоя содержит, по крайней мере, три квантовые ямы InGaAs, выполненные в p-i-n-переходе, сформированном волноводным, буферным и ограничительными слоями, кроме того, толщины волноводного слоя и смежного с буферным ограничительного слоя выбраны таким образом, чтобы обеспечить потери на выход излучения в подложку в диапазоне 10-50 см-1 и угол выхода излучения в подложку φ в диапазоне 0-3°.

2. Полупроводниковый лазер по п.1, отличающийся тем, что степень легирования подложки донорами составляет менее 2×1018 см-3.

3. Полупроводниковый лазер по п.1, отличающийся тем, что степень легирования буферного слоя соответствует степени легирования подложки.

4. Полупроводниковый лазер по п.1, отличающийся тем, что степень легирования ограничительного слоя, смежного с буферным слоем, соответствует степени легирования этого буферного слоя.

5. Полупроводниковый лазер по п.1, отличающийся тем, что степень легирования ограничительного слоя, смежного с контактным слоем, составляет 1018-3×1018 см-3.

6. Полупроводниковый лазер по п.1, отличающийся тем, что степень легирования контактного слоя составляет 1019-5×1019 см-3.

7. Полупроводниковый лазер по п.1, отличающийся тем, что количество квантовых ям пропорционально потерям на выход излучения в подложку.

8. Полупроводниковый лазер по п.1, отличающийся тем, что на торцовую поверхность гетероструктуры со стороны размещения антиотражающего покрытия нанесено отражающее покрытие, контактирующее с антиотражающим и закрывающее контактный волноводный и ограничительные слои.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к полупроводниковой электронике. .

Изобретение относится к полупроводниковой технике, квантовой оптоэлектронике и может быть использовано для разработки мощных когерентных импульсных источников излучения на основе эпитаксиально-интегрированных гетероструктур.

Данный нитридный полупроводниковый ультрафиолетовый светоизлучающий элемент обеспечивается: базовой секцией структуры, которая включает в себя сапфировую подложку (0001) и слой AlN, сформированный на подложке; и секцией структуры светоизлучающего элемента, которая включает в себя слой покрытия n-типа полупроводникового слоя AlGaN n-типа, активный слой, имеющий полупроводниковый слой AlGaN, и слой покрытия p-типа полупроводникового слоя AlGaN p-типа, при этом упомянутый слой покрытия n-типа, активный слой и слой покрытия p-типа сформированы на базовой секции структуры. Плоскость (0001) подложки наклонена под углом наклона, равным 0,6-3,0°, и мольная доля AlN слоя покрытия n-типа равняется 50% или более. Изобретение обеспечивает возможность улучшить качество кристалла основанного на AlGaN полупроводникового слоя, сформированного на сапфировой подложке (0001), посредством оптимизации угла наклона, и увеличить светоизлучающий выход нитридного полупроводникового ультрафиолетового светоизлучающего элемента. 4 з.п. ф-лы, 13 ил.
Наверх