ДЛИННОВОЛНОВЫЙ ВЕРТИКАЛЬНО-ИЗЛУЧАЮЩИЙ ЛАЗЕР С ВНУТРИРЕЗОНАТОРНЫМИ КОНТАКТАМИ
LONG-WAVE VERTICAL-EMITTING LASER WITH INTRACAVITY CONTACTS

Изобретение относится электронной технике, а более конкретно к полупроводниковым лазерам с лучеиспускающей поверхностью (se-лазеры) и преимущественно к лазерам с вертикальным резонатором (vcse-лазеры), и может быть использовано для создания полупроводниковых вертикально-излучающих лазеров, работающих в спектральном диапазоне 1,3 мкм.
Полупроводниковые вертикально-излучающие лазеры вытесняют маломощные лазеры с резонатором Фабри-Перо и торцевым выводом излучения (т.н. торцовые лазеры) в системах оптической передачи данных и различных типах датчиков/сенсоров. Вертикально-излучающие лазеры ближнего инфракрасного (ИК) диапазона (850/980 нм) широко применяют в оптических компьютерных мышах и высокоскоростных системах передачи данных ближнего действия на основе многомодовых оптоволоконных сетей (межсистемный обмен информацией). Длинноволновые вертикально-излучающие лазеры в основном позиционируются как альтернатива торцевым лазерам, применяемым в оптических линиях связи на средних дистанциях или в системах широкополосной передачи данных. В последнее время растет интерес к интеграции технологии длинноволновых вертикально-излучающих лазеров с кремниевой технологией, что позволит создать приемо-передающие устройства для внутрисистемного обмена информацией в мощных вычислительных системах (например, между процессором и памятью), снимающие физические ограничения на скорость передачи данных, накладываемые медными проводниками. Длинноволновые вертикально-излучающие лазеры также перспективны для аналоговой передачи высокочастотного сигнала по оптоволокну в системах связи стандарта «радио по волокну» или функциональных элементах радиофотоники специального назначения. С учетом существенного роста поглощения на свободных носителях в легированных слоях проблема одновременного обеспечения высокого материального усиления активной области, эффективного токового ограничения, высокого отражения брэгговских зеркал и низкого теплового сопротивления приборов без значительного усложнения технологии изготовления лазеров до сих пор актуальна. Одним из перспективных направлений решения данной проблемы является применение монолитной или гибридной конструкции вертикально-излучающего лазера на подложках GaAs с оксидной токовой апертурой и внутрирезонаторными контактами, где в качестве активной области могут выступать либо сильнонапряженные квантовые ямы InGaAsN(Sb), либо массивы квантовых точек In(Ga)As. Следует отметить, что конструкция таких лазеров должна быть не только технологичной, но и обеспечивать надежные омические контакты при малом уровне внутренних оптических потерь.
19
18
-3
19
20
-3
Известен длинноволновый вертикально-излучающий лазер с внутрирезонаторными контактами (см. патент US 7020172, МПК H01S 5/00, опубликован 28.03.2006), содержащий полуизолирующую подложку GaAs, нижний нелегированный полупроводниковый распределенный брэгговский отражатель (РБО), внутрирезонаторный контактный слой n-типа, электрический контакт n-типа, оптический резонатор, активную среду на основе квантовых ям InGaAsN, оксидную токовую апертуру, внутрирезонаторный контактный слой p-типа, электрический контакт p-типа, диэлектрический фазокорректирующий слой и верхний диэлектрический РБО. Внутрирезонаторный контактный слой p-типа имеет модулированный профиль легирования: средний уровень легирования в диапазоне 5⋅10-10 см с периодическим повышением легирования до 2⋅10-2⋅10 см на протяжении не более 30 нм (так называемые сильнолегированные вставки, располагаются в нуле электромагнитного поля оптической моды резонатора). Для улучшения сопротивления возможно смещение сильнолегированной вставки к верхнему краю внутрирезонаторного контактного слоя и применение стоп-слоя AlAs для последующего селективного удаления сильнолегированной вставки вне площади электрического контакта p-типа. Диэлектрический фазокорректирующий слой предназначен только для согласования набега фазы при распространении света в полупроводниковой части лазера с набегом фазы в диэлектрическом РБО.
Недостатком известного длинноволнового вертикально-излучающего лазера с внутрирезонаторными контактами является применение относительно толстых сильнолегированных вставок в внутрирезонаторных контактных слоях, что ведет к высоким оптическим потерям на свободных носителях и росту порогового тока. Применение сильнонапряженных квантовых ям InGaAsN сопряжено с фазовой сегрегацией, увеличением упругих напряжений, образованием дефектов, что негативно сказывается на надежности конечного прибора. Конструкция внутрирезонаторного контактного слоя n-типа не обеспечивает эффективное растекание тока по площади апертуры, в результате происходит концентрирование тока на периферии токовой апертуры и, как следствие, рост внутренних оптических потерь на радиационных дефектах и падение оптического усиления для основной поперечной моды оптического резонатора. Более того, бинарное соединение AlAs химически крайне активно и его применение в качестве стоп-слоя сопряжено с рядом технологических проблем и ухудшением механической стабильности омического контакта p-типа (нежелательное латеральное окисление AlAs).
17
-3
18
-3
19
20
-3
Известен длинноволновый вертикально-излучающий лазер с внутрирезонаторными контактами (см. патент US 8451875, МПК H01S 5/343, опубликован 28.05.2013), содержащий полуизолирующую подложку GaAs, нижний нелегированный полупроводниковый РБО, внутрирезонаторный контактный слой n-типа, электрический контакт n-типа, оптический резонатор, активную среду на основе квантовых ям InGaAsNSb, оксидную токовую апертуру, внутрирезонаторный контактный слой p-типа, электрический контакт p-типа, нелегированный фазокорректирующий слой и верхний диэлектрический РБО. Внутрирезонаторные контактные слои имеют модулированный профиль легирования: средний уровень легирования в диапазоне 1-3⋅10 см с 2-3 сильнолегированными (до 5⋅10 см для n-типа и 5⋅10-10 см для p-типа) вставками толщиной 25-40 нм (располагаются в нуле электромагнитного поля оптической моды резонатора). В случае применения верхнего нелегированного полупроводникового РБО для прецизионного травления РБО до поверхности внутрирезонаторного контактного слоя p-типа между ним и нелегированным фазокорректирующим слоем дополнительно вставляют стоп-слой AlGaAs с толщиной, равной резонансной длине волны лазера в материале слоя. Нелегированный фазокорректирующий слой компенсирует набег фазы при распространении света во внутрирезонаторном контактном слое p-типа, и согласует оптический резонатор и с зеркалами.
Конструкция известного длинноволнового вертикально-излучающего лазера с внутрирезонаторными контактами не позволяют уменьшить долю энергии электромагнитного поля оптической моды резонатора во внутрирезонаторных контактных слоях, что в совокупности с относительно толстыми и сильнолегированными вставками p-типа в светоизлучающей области лазера негативно сказывается на уровне внутренних оптических потерь и ведет к росту порогового тока. Добавление сурьмы (которая выступает в роли сурфактанта) в четверное соединение InGaAsN способствует лишь увеличению количества встраиваемого азота, однако это не избавляет от проблем, присущих квантовым ямам InGaAsN.
+
Известен длинноволновый вертикально-излучающий лазер с внутрирезонаторными контактами (см. патент US 7907653, МПК H01S 3/10, H01S 5/00, H01S 3/08, опубликован 15.03.2011), содержащий подложку GaAs, нижний нелегированный полупроводниковый РБО, внутрирезонаторный контактный слой n-типа, электрический контакт n-типа, оптический резонатор, содержащий активную среду на основе квантовых ям InGaAsN(Sb) или квантовых точек In(Ga)As, оксидную токовую апертуру, внутрирезонаторный контактный слой p-типа, электрический контакт p-типа, фазокорректирующий диэлектрический слой и верхний диэлектрический РБО. Внутрирезонаторный контактный слой p-типа оканчивается сильнолегированным слоем (располагается в нуле электромагнитного поля оптической моды резонатора) для формирования омического контакта p-типа. Фазокорректирующий диэлектрический слой согласует набег фазы во внутрирезонаторном контактном слое с набегом фазы в диэлектрическом РБО, а также способствует реализации одномодового режима генерации (его латеральный размер должен быть больше токовой апертуры на 2,5-6,0 мкм, при оптимальном диаметре токовой апертуры 4,5-6,5 мкм).
+
Недостатком известного длинноволнового вертикально-излучающего лазера с внутрирезонаторными контактами является использование сильнолегированного слоя p-типа вблизи оптического резонатора в пределах светоизлучающей области лазера, что ведет к дополнительным оптическим потерям на свободных носителях. Кроме того, конструкция известного лазера не обеспечивает эффективное растекание тока по площади апертуры и уменьшение доли энергии электромагнитного поля оптической моды резонатора во внутрирезонаторном контактном слое p-типа, что, в конечном счете, ведет к росту порогового тока.
x
y
x
y
Известен длинноволновый вертикально-излучающий лазер с внутрирезонаторными контактами (см. патент US7330495, МПК H01S 3/08, опубликован 12.02.2008), содержащий электрический контакт n-типа, подложку GaAs n-типа, нижний полупроводниковый РБО n-типа, оптический резонатор, содержащий активную среду на основе квантовых точек InGaAs (InGaAsN), оксидную токовую апертуру, внутрирезонаторный контактный слой p-типа, электрический контакт p-типа и верхний нелегированный РБО на основе четвертьволновых слоев GaAs и (AlGa)O. Применение GaAs/(AlGa)O РБО в качестве выводного зеркала потенциально позволяет достичь высокой отражательной способности зеркала при меньшем количестве пар по сравнению с полупроводниковыми и диэлектрическими РБО.
x
y
x
y
Недостатком известного длинноволнового вертикально-излучающего лазера с внутрирезонаторными контактами является применение схемы с одним внутрирезонаторным контактом, что не позволяет избежать оптических потерь в легированном РБО n-типа (происходит поглощение на свободных носителях и рассеяние на гетероинтерфейсах с высоким легированием). Использование толстых оксидных слоев (AlGa)O сопряжено с проблемой механической стабильности GaAs/(AlGa)O РБО, так как слои AlGaAs после селективного окисления подвержены сжатию в среднем на 4-10% (в зависимости от содержания Ga). Кроме того, схема инжекции через внутрирезонаторный контактный слой p-типа не предусматривает возможности перераспределения интенсивности электромагнитного поля оптической моды резонатора в слоях р-типа для снижения поглощения на свободных носителях.
x
y
x
y
x
y
18
-3
Наиболее близким к настоящему техническому решению по совокупности существенных признаков является длинноволновый вертикально-излучающий лазер с внутрирезонаторными контактами (см. патент US 6782021, МПК H01S 5/34, H01L 29/06, опубликован 24.08.2004), принятый за прототип. Лазер-прототип содержит подложку GaAs, нижний GaAs/(AlGa)O РБО, внутрирезонаторный контактный слой n-типа с нижней оксидной апертурой, электрический контакт n-типа, оптический резонатор, содержащий два слоя для управления продольной модой (mode control layer) и активную среду на основе квантовых точек InGaAs/InAs/InGaAs, внутрирезонаторный контактный слой p-типа с верхней оксидной токовой апертурой, электрический контакт p-типа и верхний GaAs/(AlGa)O РБО. Общая толщина каждого внутрирезонаторного контактного слоя равна λ/2n (где n - показатель преломления соответствующего слоя, λ - резонансная длина волны вертикально-излучающего лазера), причем половина слоя может быть легирована до уровня (1-3)⋅10 см для получения омического контакта. В лазере-прототипе важную роль играет то обстоятельство, что между внутрирезонаторными контактными слоями и активной средой располагаются четвертьволновые слои с меньшим показателя преломления прилегающих слоев (mode control layer), с целью увеличения интенсивности электромагнитного поля продольной оптической моды резонатора в квантовых точках и уменьшения ее интенсивности в внутрирезонаторных контактных слоях. Утверждается, что применение одновременно двух оксидных токовых апертур позволяет увеличить перекрытие активной среды с электромагнитным полем оптической моды резонатора (так называемый продольный фактор оптического ограничения) и уменьшить объем моды, а использование GaAs/(AlGa)O РБО позволяет реализовать зеркала с высокой отражательной способностью и низкими внутренними потерями. Для увеличения плотности квантовых точек предлагается осаждать точки на «зародышевый» слой InGaAs (представляют собой мелкие квантовые точки InGaAs с повышенной плотностью).
x
y
Недостатком известного вертикально-излучающего лазера с внутрирезонаторными контактами является использование тонких внутрирезонаторных контактных слоев с повышенным уровнем легирования, что не позволяет сформировать надежные омические контакты при сохранении низких внутренних оптических потерь. Кроме того, применение двух токовых апертур в данной конструкции сопряжено с ростом последовательного электрического сопротивления лазера и негативными эффектами неоднородной инжекции носителей в активную среду по площади апертуры. Более того, конструкция слоев для управления продольной модой вертикального резонатора (один слой с более высоким показателем преломления) не позволяет эффективно управлять распределением энергии электромагнитного поля оптической моды резонатора в легированных слоях и не способствует заметному снижению уровня поглощения на свободных носителях в легированных слоях. К недостаткам конструкции также можно отнести высокое тепловое сопротивление приборов (низкая теплопроводность оксидных слоев) и плохую механическую надежность GaAs/(AlGa)O РБО (сильные напряжения в оксидных слоях). Использование тонких слоев InGaAs (аналогично случаю использования мелких InAs квантовых точек или InAlAs квантовых точек) в качестве центров нуклеакции при последующем осаждении основного слоя InAs квантовых точек сопряжено с ростом неоднородного уширения плотности состояний массива квантовых точек, что ведет к падению насыщенного усиления на заданной длине волны.
Задачей настоящего решения является создание такого компактного источника лазерного излучения на подложках GaAs, который бы демонстрировал одномодовую лазерную генерацию в вертикальном направлении в спектральном диапазоне 1,3 мкм и обладал низким пороговым током и малым электрическим сопротивлением.
Поставленная задача достигается тем, что длинноволновый вертикально-излучающий лазер содержит полуизолирующую подложку из GaAs, нижний нелегированный распределенный брэгговский отражатель (РБО), внутрирезонаторный контактный слой n-типа, композиционную решеткy n-типа, содержащую по меньшей мере одну оксидную оптическую апертуру, нелегированный оптический резонатор, содержащих активную среду на основе по меньшей мере трех рядов квантовых точек InAs/InGaAs, композиционную решетку p-типа, содержащую по меньшей мере одну оксидную токовую апертуру, внутрирезонаторный контактный слой p-типа, контактный слой p-типа с модовой селекцией и верхний диэлектрический РБО.
19
2
Новым в длинноволновом вертикально-излучающем лазере с внутрирезонаторными контактами является применение легированных композиционных решеток, содержащих по меньшей мере одну оксидную оптическую апертуру, которые одновременно обеспечивают эффективное растекание тока по площади апертуры за счет наличия дополнительных гетерограниц (фактически барьеры для вертикального транспорта носителей заряда), позволяют снизить внутренние оптические потери на свободных носителях в легированных слоях (особенно критично для слоев p-типа) путем эффективного перераспределения электромагнитного поля оптической моды резонатора в вертикальном направлении, а также улучшают фактор оптического ограничения за счет перераспределения электромагнитного поля оптической моды резонатора в латеральном направлении. Кроме того, применение композиционных решеток позволяет увеличить толщину внутрирезонаторных контактных слоев и, тем самым, способствовать более эффективному отводу тепла от активной области при сохранении описанных выше преимуществ. Включение оптической и токовой оксидных апертур в композиционные решетки позволяет одновременно повысить фактор оптического ограничения в поперечном направлении и улучшить растекание носителей обоих типов по площади апертуры без существенной деградации последовательного сопротивления лазера. Содержание в активной среде по меньшей мере трех рядов квантовых точек InAs/InGaAs обусловлено следующим. Малая (типично 1-3⋅10 см) поверхностная плотность квантовых точек лимитирует их материальное усиление, что с учетом низкого фактора оптического ограничения (присущее вертикально-излучающим лазерам), делает невозможным получение лазерной генерации в лазере с активной областью на одном ряде квантовых точек. Применение технологии вертикального складирования рядов квантовых точек в пределах пучности электромагнитного поля (в среднем 50-70 нм) оптической моды резонатора позволяет преодолеть данную проблему. Однако необходимо учитывать риск увеличения размеров квантовых точек и локальной релаксации напряжений при формировании квантовых точек в полях упругих напряжений нижележащего ряда квантовых точек, а также нежелательного электронного связывания квантовых точек. Применение не менее трех рядов квантовых точек InAs/InGaAs в предложенной конструкции с разделительными слоями AlGaAs толщиной 10-20 нм позволяют сохранить псевдоморфный бездефектный рост без модификации зонной структуры квантовых точек. Более того, предложенная структура квантовых точек InAs/InGaAs позволяет подавить термический выброс носителей за счет применения широкозонной матрицы AlGaAs и избежать проблемы корругации поверхности (ухудшение однородности массива квантовых точек) за счет применения тонких вставок GaAs перед осаждением слоя квантовых точек. Расположение контактного слоя p-типа с модовой селекцией вне светоизлучающей площади (т.е. на периферии токовой/оптической апертуры) позволяет не только сформировать надежный омический контакт p-типа с малым контактным сопротивлением и сохранить низкий уровень внутренних оптических потерь, но и эффективно управлять оптическими потерями для поперечных мод высшего порядка (то есть осуществлять селекцию фундаментальной моды) путем вариации размера области локального удаления контактного слоя относительно размера токовой апертуры.
x
1-x
В длинноволновом вертикально-излучающем лазере с внутрирезонаторными контактами нижний нелегированный РБО может содержать не менее 33 пар чередующихся полупроводниковых слоев с разными показателями преломления. В качестве полупроводниковых слоев с разными показателями преломления могут быть использованы слои из GaAs и из AlGaAs, где 0,85≤x≤0,95. При этом каждый слой может иметь толщину, равную λ/4n, где n - показатель преломления соответствующего слоя, λ - резонансная длина волны вертикально-излучающего лазера. Такое выполнение позволяет снизить внутренние оптические потери в длинноволновом вертикально-излучающем лазере, поскольку в нелегированном РБО отсутствует поглощение света на свободных носителях и рассеяние света на сильнолегированных гетерограницах n-типа.
17
18
-3
18
18
-3
В длинноволновом вертикально-излучающем лазере внутрирезонаторный контактный слой n-типа может быть выполнен из GaAs толщиной, кратной (2k-1)λ/4n, где 3≤k≤6 - натуральное число. Внутрирезонаторный контактный слой n-типа может быть в среднем легирован донорами в диапазоне (3⋅10-1⋅10) см и иметь модулированный профиль легирования, когда уровень легирования на протяжении 10-30 нм увеличивается до (2⋅10-4⋅10) см с периодом, равным λ/2n. Такое выполнение является технологичным и позволяет сформировать надежный омический контакт к полупроводниковым слоям n-типа для инжекции электронов в активную среду без существенного увеличения внутренних оптических потерь, а также способствует более эффективному отводу тепла от активной области.
На внутрирезонаторном контактном слое n-типа может быть сформирован электрический контакт n-типа.
x
1-x
*
*
17
18
-3
18
18
-3
В длинноволновом вертикально-излучающем лазере с внутрирезонаторными контактами композиционная решетка n-типа может содержать 1-3 пар чередующихся полупроводниковых слоев с разными показателями преломления и градиентными гетероинтерфейсами. В качестве полупроводниковых слоев с разными показателями преломления могут быть использованы слои из GaAs и из AlGaAs, где 0,85≤x≤0,95, с градиентным изменением состава на гетерограницах по линейному или би-параболическому закону. При этом каждая пара слоев может иметь общую толщину, равную λ/2n, где n - усредненное значение показателя преломления для слоев композиционной решетки. Композиционная решетка n-типа может быть в среднем легирована донорами на уровень (7⋅10-1⋅10) см, но на гетерограницах с возрастанием состава (отсчет вверх от подложки), которые расположены в минимумах электромагнитного поля оптической моды резонатора, уровень легирования может быть увеличен до (2⋅10-4⋅10) см.
x
1-x
o
x
1-x
2
3
По меньшей мере один слой из AlGaAs n-типа может быть использован для создания оксидной оптической апертуры, в котором центральная часть, имеющая диаметр D оксидной оптической апертуры, состоит из AlGaAs, где 0,97≤x≤1,0, а периферийная часть состоит из AlO.
Такое выполнение позволяет одновременно уменьшить высоту потенциальных барьеров для инжектируемых электронов (что крайне важно для снижения рабочего напряжения) и обеспечить латеральное растекание электронов в слоях n-типа (что способствует более однородной инжекции носителей в активную среду) при сохранении низкого сопротивления лазера и уровня внутренних оптических потерь. Кроме того, наличие оксидной оптической апертуры способствует повышению фактора оптического ограничения и уменьшению объема моды, а также селекции поперечных мод. Более того, такое выполнение позволяет значительно увеличить толщину внутрирезонаторного контактного слоя n-типа без существенного увеличения поглощения на свободных носителях за счет эффективного уменьшения доли электромагнитного поля оптической моды резонатора во внутрирезонаторном контактном слое n-типа.
**
**
**
y
1-y
x
1-x
В длинноволновом вертикально-излучающем лазере с внутрирезонаторными контактами нелегированный оптический резонатор может быть выполнен толщиной, кратной kλ/n, где n - усредненное значение показателя преломления для слоев оптического резонатора, 3≤k≤6 - натуральное число, и состоять из AlGaAs, где 0,15≤y≤0,4, причем на каждый участок толщиной λ/2n (совпадает с максимумами, то есть пучности, электромагнитного поля оптической моды резонатора) помещена активная среда. Активная среда может содержать по меньшей мере три последовательно расположенных слоя квантовых точек InAs/InGaAs, отделенных друг от друга слоями из AlGaAs, где x не более 0,25, толщиной 10-20 нм.
x
1-x
x
1-x
x
1-x
Каждый слой квантовых точек InAs/InGaAs может содержать слой из GaAs толщиной 5-10 нм, слой из InAs с эффективной толщиной 0,6-1,0 нм, слой из InGaAs, где 0,1≤x≤0,35, толщиной 3-10 нм, и прикрывающий слой из GaAs толщиной 5-10 нм. Такое выполнение позволяет сместить максимум спектра усиления активной области на подложках GaAs в спектральный диапазон 1,3 мкм, повысить фактор оптического ограничения, подавить тепловой выброс носителей из квантовых точек и избежать проблем, связанных с формированием квантовых точек на поверхности твердого раствора AlGaAs (ухудшение однородности массива квантовых точек из-за корругации поверхности, падения излучательной рекомбинации из-за роста дефектов в AlGaAs при синтезе на пониженных температурах).
x
1-x
17
18
-3
18
18
-3
*
*
В длинноволновом вертикально-излучающем лазере с внутрирезонаторными контактами композиционная решетка p-типа может содержать 1-6 пар чередующихся полупроводниковых слоев с разными показателями преломления и градиентными гетероинтерфейсами. В качестве полупроводниковых слоев с разными показателями преломления могут быть использованы слои из GaAs и из AlGaAs, где 0,85≤x≤0,95, с градиентным изменением состава на гетерограницах по линейному или би-параболическому закону. Композиционная решетка p-типа может быть в среднем легирована акцепторами на уровень (7⋅10-1⋅10) см, но на гетерограницах с понижением состава (отсчет вверх от подложки), которые расположены в минимумах электромагнитного поля оптической моды резонатора, уровень легирования может быть увеличен до (2⋅10-4⋅10) см. При этом каждая пара слоев может быть выполнена общей толщиной, равной λ/2n где n - усредненное значение показателя преломления для слоев композиционной решетки.
x
1-x
c
x
1-x
2
3
По меньшей мере один из слоев AlGaAs p-типа может быть использован для создания оксидной токовой апертуры, где центральная часть, имеющая диаметр D оксидной токовой апертуры, причем  состоит твердого раствора AlGaAs, где 0,97≤x≤1,0, а периферийная часть состоит из AlO. Такое выполнение позволяет одновременно уменьшить высоту потенциальных барьеров для инжектируемых дырок (что крайне важно для снижения рабочего напряжения) и обеспечить латеральное растекание дырок в слоях p-типа (что способствует более однородной инжекции носителей в активную среду) при сохранении низкого сопротивления лазера. Большее количество пар, по сравнению с композиционной решеткой n-типа, позволяет эффективно уменьшить долю энергии электромагнитного поля оптической моды во внутрирезонаторном контактном слое p-типа и тем самым снизить уровень внутренних оптических потерь в слоях p-типа. Кроме того, применение оксидной токовой апертуры позволяет обеспечить одновременно эффективное токовое и оптическое ограничение, и, как следствие, понизить величину порогового тока при малых латеральных размерах токовой апертуры. Более того, такое выполнение позволяет значительно увеличить толщину внутрирезонаторного контактного слоя p-типа без существенного увеличения поглощения на свободных носителях за счет эффективного уменьшения доли электромагнитного поля оптической моды резонатора во внутрирезонаторном контактном слое n-типа.
17
18
-3
18
18
-3
В длинноволновом вертикально-излучающем лазере внутрирезонаторный контактный слой p-типа может быть выполнен из GaAs толщиной, кратной (2k-1)λ/4n, где 3≤k≤6 - натуральное число. Внутрирезонаторный контактный слой n-типа может быть в среднем легирован акцепторами в диапазоне (3⋅10-1⋅10) см и иметь модулированный профиль легирования акцепторами, когда уровень легирования на протяжении 10-30 нм в середине каждого периода увеличивается до (2⋅10-8⋅10) см с периодом, равным λ/2n. Такое выполнение является технологичным и позволяет снизить сопротивление контакта p-типа без существенного увеличения внутренних оптических потерь, а также способствует более эффективному отводу тепла от активной области.
x
1-x
18
18
-3
19
19
-3
В длинноволновом вертикально-излучающем лазере с внутрирезонаторными контактами контактный слой p-типа с селекцией мод может располагаться над периферийной частью оксидной токовой апертуры (т.е. внутренний диаметр контактного слоя p-типа больше диаметра оксидной токовой апертуры). Контактный слой p-типа может частично располагаться и над центральной частью оксидной токовой апертуры (т.е. внутренний диаметр контактного слоя p-типа меньше диаметра оксидной токовой апертуры). Контактный слой p-типа может содержать нижний субслой из твердого раствора AlGaAs p-типа толщиной 3-5 нм и уровнем легирования акцепторами (1⋅10-3⋅10) см, где 0,85≤x≤0,95, и верхний субслой из бинарного соединения GaAs p-типа толщиной λ/4n и уровнем легирования акцепторами (1⋅10-3⋅10) см. Верхний субслой располагается над периферийной частью оксидной токовой апертуры, тогда как нижний субслой используется в качестве стоп-слоя при селективном травлении верхнего субслоя. Такое выполнение является технологичным и позволяет не только сформировать эффективный омический контакт к полупроводниковым слоя p-типа для инжекции дырок в активную среду без дополнительных оптических потерь в сильнолегированный областях p-типа, но и увеличить оптические потери для поперечных мод высшего порядка за счет сбоя фазы и роста поглощения на свободных носителях, появляющиеся в части контактного слоя, располагающегося в переделах центральной части оксидной токовой апертуры.
На контактном слое р-типа может быть сформирован электрический контакт р-типа.
2
2
2
2
5
2
3
4
2
В длинноволновом вертикально-излучающем лазере с внутрирезонаторными контактами верхний диэлектрический РБО может быть расположен на поверхности внутрирезонаторного контактного слоя р-типа непосредственно над центральной частью оксидной токовой апертуры. Верхний диэлектрический РБО может содержать не менее 7 пар чередующихся четвертьволновых диэлектрических слоев SiO и TiO, SiO и TaO, или слои SiOи SiN, или не менее 3 пар чередующихся диэлектрических слоев SiO и α-Si, или на основе других диэлектриков с высоким контрастом показателей преломления и низким уровнем поглощения в требуемом спектральном диапазоне. При этом каждый слой может иметь толщину λ/4n в центре РБО (т.е. в центральной части оксидной токовой апертуры), но при смещении к периферии оксидной токовой апертуры толщины слоев уменьшаются.
Такое выполнение позволяет снизить внутренние оптические потери в длинноволновом вертикально-излучающем лазере, поскольку оптические потери в данных диэлектриках малы, а поглощение света на свободных носителях отсутствует. Более того, возможна реализация неплоского РБО, которое вносит дополнительные оптические потери для поперечных мод высшего порядка за счет падения отражательной способности зеркала на заданной длине волны.
Настоящее техническое решение поясняется чертежом, где:
на фиг. 1 приведено схематичное изображение поперечного сечения настоящего длинноволнового вертикально-излучающего лазера с внутрирезонаторными контактами;
на фиг. 2 схематично показано поперечное сечение слоя квантовых точек InAs/InGaAs, используемых в настоящем длинноволновом вертикально-излучающем лазере с внутрирезонаторными контактами.
Настоящий длинноволновый вертикально-излучающий лазер с внутрирезонаторными контактами (см. фиг 1) содержит полуизолирующую подложку 1 из GaAs, нижний нелегированный распределенный брэгговский отражатель (РБО) 2, внутрирезонаторный контактный слой 3 n-типа, электрический контакт 4 n-типа, композиционную решетку 5 n-типа, содержащую по меньшей мере одну оксидную оптическую апертуру 6, нелегированный оптический резонатор 7, активную среду 8 на основе квантовых точек InAs/InGaAs, композиционную решетку 9 p-типа, содержащую по меньшей мере одну оксидную токовую апертуру 10, внутрирезонаторный контактный слой 11 p-типа, контактный слой 12 р-типа с модовой селекцией, электрический контакт 13 р-типа и верхний диэлектрический РБО 14.
x
1-x
18
18
-3
17
18
-3
Нижний нелегированный РБО 2 может содержать по меньшей мере 33 пары чередующихся слоев 14, 15 соответственно из GaAs и из AlGaAs, где 0,85≤x≤0,95, каждый слой 14, 15 имеет толщину λ/4n, где n-показатель преломления соответствующего слоя, λ - резонансная длина волны вертикального оптического резонатора. Внутрирезонаторный контактный слой 3 n-типа может быть выполнен толщиной, кратной (2k-1)λ/4n, где 3≤k≤6 - натуральное число, и состоять из слоя из GaAs n-типа с периодическим профилем легирования донорами по толщине слоя с периодом, равным λ/2n, увеличением уровня легирования до (2⋅10-4⋅10) см на протяжении 10-30 нм в середине каждого периода при среднем уровне легирования в диапазоне (3⋅10-1⋅10) см. Для инжекции электронов в активную среду на поверхности внутрирезонаторного контактного слоя 3 n-типа формируют электрический контакт 4 n-типа.
x
1-x
,
*
17
18
-3
18
18
-3
*
*
Композиционная решетка 5 n-типа может содержать 1-3 пар чередующихся слоев 17, 18 соответственно из GaAs и из AlGaAs, где 0,85≤x≤0,95, с градиентным изменением состава на гетерограницах по линейному или би-параболическому закону, с периодическим профилем легирования донорами по толщине слоя с периодом легирования, равным λ/2n, при среднем уровне легирования (7⋅10-1⋅10) см и максимальном уровне легирования на гетерогранице с возрастанием состава (отсчет вверх от подложки) в диапазоне (2⋅10-4⋅10) см. При этом каждая пара слоев выполнена общей толщиной, равной λ/2n где n - усредненное значение показателя преломления для слоев композиционной решетки.
x
1-x
x
1-x
2
3
y
1-y
*
*
В композиционной решетке 5 n-типа по меньшей мере один слой из AlGaAs n-типа может являться оксидной оптической апертурой 6 и в латеральном направлении состоять из центральной части 19, выполненной из AlGaAs, где 0,97≤x≤1,0, и периферийной части 20, выполненной из AO. Нелегированный оптический резонатор 7 может быть выполнен толщиной, кратной kλ/n, где 3≤k≤6 - натуральное число, и состоять из слоя 21 из AlGaAs, где y не более 0,4, причем в центр каждых λ/2n помещена активная среда 8 на основе квантовых точек InAs/InGaAs.
x
1-x
x
1-x
Активная среда 8 может включать в себя по меньшей мере три последовательно расположенных слоя 22 квантовых точек InAs/InGaAs, отделенных друг от друга слоями 23 из AlGaAs, где х не более 0,25, толщиной 10-20 нм. Каждый слой 22 квантовых точек InAs/InGaAs может содержать слой 24 из GaAs толщиной 5-10 нм, слой 25 из InAs с эффективной толщиной 0,6-1,0 нм, слой 26 из InGaAs, где 0,1≤x≤0,35, толщиной 3-10 нм, и прикрывающий слой 27 из GaAs толщиной 5-10 нм.
x
1-x
,
x
1-x
x
1-x
2
3
c
o
*
17
18
-3
18
18
-3
*
*
Композиционная решетка 9 p-типа может быть выполнена из 1-6 пар чередующихся слоев 28, 29 соответственно из GaAs и из AlGaAs, где 0,85≤x≤1,0 с градиентным изменением состава на гетерограницах по линейному или би-параболическому закону, с периодическим профилем легирования акцепторами по толщине слоя с периодом легирования, равным λ/2n, при среднем уровне легирования (7⋅10-1⋅10) см и максимальном уровне легирования на гетерогранице с понижением состава (отсчет вверх от подложки) в диапазоне (2⋅10-4⋅10) см, при этом каждая пара слоев выполнена общей толщиной, равной λ/2n где n - усредненное значение показателя преломления для слоев композиционной решетки. В композиционной решетке p-типа по меньшей мере один слой из AlGaAs p-типа может являться оксидной токовой апертурой 10 и в латеральном направлении состоять из центральной части 30, выполненной из AlGaAs, где 0,97≤x≤1,0 и периферийной части 31, выполненной из AO. Диаметр D оксидной токовой апертуры (то есть центральной части 30) может быть меньше диаметра Dоксидной оптической апертуры (то есть центральной части 19).
18
18
-3
17
18
-3
Внутрирезонаторный контактный слой 11 p-типа может быть выполнен толщиной, кратной (2k-1)λ/4n, где 3≤k≤6 - натуральное число, и состоять из GaAs p-типа с периодическим профилем легирования акцепторами по толщине слоя, с периодом, равным λ/2n, увеличением уровня легирования до (2⋅10-8⋅10) см на протяжении 10-30 нм в середине каждого периода при среднем уровне легирования в диапазоне (3⋅10-1⋅10) см.
x
1-x
c
18
18
-3
19
20
-3
Контактный слой 12 p-типа с селекцией мод может быть расположен над периферийной частью оксидной токовой апертуры 31, то есть за пределами излучающей области, и содержать нижний субслой 32 AlGaAs, где 0,85≤x≤0,95, p-типа с уровнем легирования акцепторами (1⋅10-3⋅10) смтолщиной 3-5 нм, и верхний субслой 33 из GaAs p-типа с уровнем легирования акцепторами (2⋅10-3⋅10) см и толщиной λ/4n. Для инжекции дырок в активную среду на поверхности контактного слоя 12 p-типа с селекцией мод формируют электрический контакт 13 p-типа. Контактный слой 12 p-типа с селекцией мод может частично располагается над центральной частью оксидной токовой апертуры 30, так что внутренний диаметр контактного слоя 12 может быть меньше диаметра D оксидной токовой апертуры 10 (т.е. центральной части 30) на 3-6 мкм.
2
2
2
2
5
2
3
4
2
Верхний диэлектрический РБО 14 может примыкать к внутрирезонаторному контакту 11 p-типа непосредственно над центральной частью оксидной токовой апертуры 30 и содержать, например, не менее 7 пар чередующихся диэлектрических слоев 34, 35 соответственно из SiO и TiO, где каждый слой имеет в центре толщину λ/4n. Альтернативным вариантом является использование пары слоев SiO и TaO, или SiO и SiN. Возможен вариант верхнего диэлектрического РБО 14 на основе не менее 3 пар чередующихся диэлектрических слоев из SiO и α-Si. Толщины чередующихся диэлектрических слоев 34 и 35 могут уменьшаться от центра к периферии.
Длина волны лазерной генерации в основном определяется спектральным положением резонансной длины волны вертикального оптического резонатора 7, поэтому толщины и состав слоев лазера (за исключением активной среды 8 выбирают так, чтобы обеспечить попадание резонансной длины волны в спектральный диапазон 1,3 мкм. Толщины и состав активной среды 8 выбирают так, чтобы сохранялся псевдоморфный бездефектный рост квантовых точек, а пик фотолюминесценции основного состояния квантовых точек был смещен в коротковолновую сторону относительно резонансной длины волны вертикально-излучающего лазера на 5-25 нм (для обеспечения температурной стабильности лазерных характеристик).
Важным фактором, обуславливающим преимущество вертикально-излучающего лазера с внутрирезонаторными контактами, является использованная схема инжекции носителей заряда в активную среду 8. С одной стороны, использование легированных композиционных решеток 5, 9 позволяет уменьшить долю электромагнитного поля оптической моды во внутрирезонаторных контактных слоях 3 и 11 и, как следствие, снизить уровень внутренних оптических потерь (особенно в слоях p-типа) при сохранении эффективного отвода тепла от активной среды 8. С другой стороны, композиционные решетки 5, 9 создают потенциальные барьеры для вертикального транспорта носителей заряда, что в совокупности с одновременным использованием токовой и оптической оксидных апертур 6 и 10 способствует более эффективному растеканию тока по площади области инжекции носителей. Более того, специальная конструкция контактного слоя 12 p-типа позволяет реализовать надежный омический контакт к слоям p-типа без внесения дополнительных оптических потерь.
Другой важной особенностью является возможность эффективной селекции фундаментальной моды. Во-первых, одновременное использование оптической и токовой оксидных апертур 6 и 10 обеспечивает преимущественные условия для лазерной генерации на фундаментальной моде благодаря формированию эффективного двухступенчатого латерального волновода. Во-вторых, введение сильнолегированного контактного слоя 12 p-типа в максимум электромагнитного поля моды по периферии светоизлучающей области ведет к сбою фазы при прохождении света через него и увеличению оптических потерь для поперечных мод высшего порядка. В-третьих, уменьшение толщины четвертьволновых слоев в диэлектрическом РБО 14 от центра к периферии ведет у снижению отражательной способности диэлектрического РБО 14 и росту потерь на вывод для поперечных мод высшего порядка.
Важной особенностью настоящей конструкции является использование в качестве активной среды 8 квантовых точек InAs, зарощенных слоем InGaAs, что позволяет использовать преимущества системы материалов InAlGaAs на подложках GaAs (контраст показателей преломления, теплопроводность слоев, токовое ограничение) в рамках единой приборной конструкции вертикально-излучающего лазера без усложнения технологического процесса изготовления лазеров, а также избежать проблем, характерных для случая применения сильнонапряженных квантовых ямах InGaAsN(Sb) в качестве активной области.
Настоящий длинноволновый вертикально-излучающий лазер с внутрирезонаторными контактами работает следующим образом. При приложении к лазеру прямого смещения (т.е. отрицательное напряжение подают на электрический контакт 4 к внутрирезонаторному контактному слою 3 n-типа, а положительное напряжение подают на электрический контакт 13 к контактному слою 11 p-типа) происходит инжекция электронов и дырок в оптический резонатор 7. В активной среде 8 одновременно появляются электроны и дырки, которые затем захватываются в квантовые точки слоя 22. Слои 23, окружающие слои 22 квантовых точек, служат для уменьшения влияния нижележащего слоя 22 точек на рост следующего слоя 22 квантовых точек и предотвращают эффект вертикального связывания точек в колонны, а также подавляют тепловой выброс носителей из квантовых точек. В зависимости от толщины и состава слоев 24-27, входящих в состав слоя 22 квантовых точек, и разделяющих слоев 23, эффективная излучательная рекомбинация через основное состояние квантовой точек без образования дефектов может наблюдаться в спектральном диапазоне 1,3 мкм. С повышением тока накачки растет концентрация носителей заряда в слоях 22 квантовых точек, а часть фотонов, рожденных в результате рекомбинации электрона и дырки через основное состояние квантовых точек в режиме спонтанного излучения, начинает стимулировать рождение новых фотонов со свойствами налетевшего фотона (так называемое вынужденное излучение) и запускает процесс лавинного умножения фотонов (появляется оптическое усиление). В какой-то момент в активной среде 8 появляется избыточная по отношении к равновесной концентрация носителей заряда, т.е. возникает инверсия заселенности, и вынужденное излучение начинает преобладать над поглощением активной среды 8. Нижний нелегированный РБО 2, нелегированный оптический резонатор 7 и верхний диэлектрический РБО 14 формируют эффективный вертикальный оптический микрорезонатор, который задает выделенное направление распространения света и обеспечивает положительную обратную связь для поддержания лазерной генерации. Как только оптическое усиление с ростом тока накачки достигнет уровня суммарных оптических потерь в эффективный вертикальный оптический микрорезонатор (внутренние оптические потери и потери на вывод излучения) возникнет лазерная генерация в спектральном диапазоне 1,3 мкм. Следует отметить, что, в силу низкого материального усиления квантовых точек, необходимо увеличить количество рядов квантовых точек в активной среде 8 и минимизировать поглощение на свободных носителях в легированных слоях. Оксидная токовая апертура 10 ограничивает область инжекции дырок, а оксидная оптическая апертура 6 способствует эффективной концентрации электронов относительно области инжекции дырок. Композиционные решетки 5 и 9 создают барьеры для вертикального транспорта носителей, что способствует латеральному растеканию носителей по легированным слоям и более однородной инжекции носителей в активную среду 8 в пределах центральной части оксидной токовой апертуры 28. Лазерное излучение выводится через верхний диэлектрический РБО 14. В силу малых размеров эффективного вертикального оптического микрорезонатора в вертикально-излучающих лазерах обычно существует только одна продольная мода, однако спектр поперечных мод зависит от уровня оптического ограничения в латеральном направлении. Благодаря сильному скачку показателя преломления периферийной части 18 (29) относительно центральной части 17 (28), оксидные апертуры 5 и 9 формируют эффективный двухступенчатый латеральный волновод, что позволяет обеспечить преимущественные условия для лазерной генерации на фундаментальной моде. Когда контактный слой 12 p-типа частично расположен над центральной частью оксидной токовой апертуры 30 между внутрирезонаторным контактным слоем 11 p-типа и диэлектрическим РБО 14, то поглощение на свободных носителях в нем, а также сбой фазы при прохождении света через него ведут к росту оптических потерь для поперечных мод высшего порядка, что позволяет реализовать режим одномодовой генерации при умеренных размерах оксидной токовой апертуры 10. Дополнительная селекция поперечных мод реализуется при вариации толщины четвертьволновых слоев в диэлектрическом РБО 14.
0.9
0.1
0.9
0.1
0.9
0.1
0.9
0.1
0.13
0.87
2
18
-3
19
-3
17
18
-3
18
-3
17
18
-3
18
18
-3
Пример 1. Эпитаксиальная гетероструктура для длинноволнового вертикально-излучающего лазера с внутрирезонаторными контактами в соответствии с настоящим изобретением была синтезирована методом молекулярно-пучковой эпитаксии. Эпитаксиальная гетероструктура лазера содержит полуизолирующую подложку GaAs, нижний нелегированный РБО на основе 35 пар чередующихся слоев GaAs и AlGaAs, внутрирезонаторный контактный слой GaAs n-типа толщиной равной 1,75⋅λ/n, композиционную решетку n-типа на основе 3 пар чередующихся слоев GaAs и AlGaAs p-типа с градиентными гетерограницами, включающую один апертурный слой для оптической апертуры, 3λ-оптический резонатор GaAs с активной областью на основе шести групп квантовых точек, композиционную решетку р-типа на основе 5 пар чередующихся слоев GaAs и AlGaAs p-типа с градиентными гетерограницами, включающую один апертурный слой для токовой апертуры, внутрирезонаторный контактный слой GaAs p-типа толщиной равной 1,75⋅λ/n, контактный слой p-типа с селекцией мод, включающий нижний субслой AlGaAs p-типа 3⋅10 см и толщиной 3 нм, и верхний субслой из GaAs p-типа с уровнем легирования 5⋅10 см и толщиной 92 нм. Каждая группа квантовых точек расположена в пределах одной пучности стоячей волны моды резонатора и содержит три ряда квантовых точек InAs/InGaAs, причем расстояние между соседними рядами точек составляет 30 нм. Каждый слой квантовых точек содержит слой GaAs толщиной 5 нм, слой InAs с эффективной толщиной 0,75 нм, слой InGaAs толщиной 5 нм, и прикрывающий слой GaAs толщиной 5 нм. Внутрирезонаторный контактный слой n-типа/p-типа в среднем легирован донорами/акцепторами на уровень (5⋅10-1⋅10 см) и содержит три вставки толщиной 10 нм и уровнем легирования 3⋅10 см, которые расположены в минимуме электромагнитного поля оптической моды резонатора. Композиционная решетка n-типа/p-типа в среднем легирована донорами/акцепторами на уровень (7⋅10-1.5⋅10 см) с повышением уровня легирования до уровня легирования (2⋅10-4⋅10 см) на гетерогранице с возрастанием/понижением состава. Толщины и составы слоев были выбраны так, чтобы получить резонансную длину волны вертикального оптического резонатора вблизи 1280 нм. Для формирования омических контактов к слоям n-GaAs и p-GaAs была использована металлизация AuGe/Ni/Au и Ti/Pt/Au, соответственно. Апертурные слои в композиционных решетках методом селективного окисления в парах воды были преобразованы в оптическую и токовую оксидные апертуры. В приборной конструкции лазера оптическая оксидная апертура больше токовой оксидной апертуры на 3 мкм. После селективного удаления контактного слоя p-типа с селекцией мод над центральной частью оксидной токовой апертуры (т.е. в светоизлучающей области) было локально сформировано верхнее диэлектрическое РБО на основе 4 пар четвертьволновых α-Si и SiO. Приборы с диаметром оксидной токовой апертуры ~7 мкм продемонстрировали одномодовую лазерную генерацию в непрерывном режиме при комнатной температуре вблизи 1280 нм с фактором подавления боковых мод 30 дБ, пороговым током менее 1,5 мА, пороговым напряжением менее 2 В и дифференциальным сопротивлением около 200 Ом (на линейном участке вольт-амперной характеристики).
0.9
0.1
0.9
0.1
0.9
0.1
0.15
0.85
Для сравнения с настоящим решением был изготовлен длинноволновый вертикально-излучающий лазер-прототип с активной областью на основе квантовых точек. Эпитаксиальная структура лазера была выращена методом молекулярно-пучковой эпитаксии на легированной подложке GaAs и включала в себя нижний легированный РБО n-типа на основе 33,5 пар GaAs/AlGaAs, 3λ-GaAs оптический резонатор с активной областью на основе пяти групп квантовых точек InAs/InGaAs, расположенных в пучностях стоячей волны, один апертурный слой AlGaAs, верхний легированный РБО p-типа на основе 22 пар GaAs/AlGaAs и контактный слой GaAs p-типа (Y.H. Chang et al., «InAs-InGaAs Quantum-Dot Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser With Fully Doped DBRs Grown by MB Single-Mode Monolithic Quantum-Dot VCSEL in 1.3 μm With Sidemode Suppression Ratio Over 30dB», Photonics Technology Lettres 18(7), 847 (2006)). Каждая группа квантовых точек содержала три слоя квантовых точек InAs толщиной 2 монослоя, зарощенных слоем InGaAs толщиной 8 нм, и разделенных между собой слоями GaAs толщиной 30 нм. В приборной конструкции лазера использованы металлизация Ti/Pt/Au и AuGe/Ni/Au для формирования омического контакта к слоям p-GaAs и n-GaAs, соответственно. Приборы с диаметром оксидной токовой апертуры ~5-6 мкм при комнатной температуре демонстрировали одномодовую генерацию (с фактором подавления боковых мод 30 дБ) вблизи длины волны 1278 нм с пороговым током ~1,7 мА и дифференциальной эффективностью 0,18 Вт/А. Напряжение открытия составило 1,26 В, однако пороговое напряжение достигало 6,9 В при величине последовательного сопротивления 0,8-1,0 кОм.
Разработанный длинноволновый вертикально-излучающий лазер с внутрирезонаторными контактами в соответствии с настоящим изобретением обладает меньшим значением электрического сопротивления и рабочего напряжения при низком пороговом токе в одномодовом режиме генерации.