Гетероструктура полупроводникового лазера

Полезная модель относится оптоэлектронной технике и может быть использована для изготовления полупроводниковых инжекционных лазеров ближнего инфракрасного диапазона.
Лазерная промышленность является критически важной для многих областей производства. К отраслям, наиболее нуждающимся в лазерных технологиях, относят следующие: медицина, военно-промышленный комплекс, телекоммуникации, авиакосмическая сфера, металлургия [http://www.photonics-expo.ni/ru/news/index.php?id4=1968].
Из всех типов лазерных излучателей полупроводниковые лазеры считаются наиболее современными и перспективными устройствами для генерации лазерного излучения [Тенденции развития рынка лазерных технологий для решения задач лазерной обработки материалов. / В.С. Казакевич С.И. Яресько, Самарский филиал Федерального государственного бюджетного учреждения науки Физического института им. П.Н. Лебедева РАН. - Самара, 2014]. Отметим следующие их преимущества: накачка происходит электрическим током (то есть происходит прямое преобразование электрической энергии в лазерное излучение), компактность готовых устройств, высокие значения теоретического и практического коэффициента полезного действия, возможность плавной подстройки длины волны (зависимость ширины запрещенной зоны от температуры, давления, магнитного потока), широкий диапазон длин волн генерации, малоинерционность (малые времена релаксации, высокие частоты работы лазеров), совместимость полупроводниковых лазеров с интегральными схемами, устройствами интегральной и волоконной оптики.
Для работы любого лазера необходимо обеспечить выполнение двух основных условий. Во-первых, это необходимость создания состояния инверсной заселенности энергетических уровней, то есть необходимо обеспечить, чтобы на более высоком уровне находилось больше электронов, чем на низком. В состояние теплового равновесия ситуация с распределением электронов по уровням прямо противоположная. Во-вторых, каждому лазеру необходим оптический резонатор, или система зеркал, которая запирает электромагнитное излучение в рабочем объеме и обеспечивает механизм вынужденной рекомбинации электронов при их переходах из зоны проводимости в валентную зону. При вынужденной рекомбинации генерируется фотон, имеющий ту же частоту, частоту, направление распространения и фазу, что и фотон, индуцирующий рекомбинацию. При спонтанной рекомбинации, наоборот, генерируются фотоны, имеющие произвольные направления движения и фазы.
В настоящее время самым распространенным типом полупроводникового лазера является лазер на квантовой яме в виде двойной гетероструктуры, для которой активная область представляет собой тонкий слой узкозонного полупроводника "зажатого" между двумя широкозонными. При достаточно малой толщине активной области она начинает вести себя как квантовая яма и квантование энергетического спектра в ней существенно меняет свойства лазеров. К широкозонным областям присоединяются металлические контакты, через которые электроны могут непрерывно поступать в рабочую область.
Наиболее важной на сегодняшний день целью исследований и разработок в области полупроводниковых лазерных излучателей является снижение плотности порогового тока и достижение температурной стабильности работы таких структур. Одним из основных факторов, определяющих величину и температурную зависимость плотности порогового тока, является паразитная рекомбинация носителей заряда в волноводной области инжекционного лазера. В работе [Лукашин В.М. Увеличение удельной выходной мощности и коэффициента усиления DpHEMT-транзисторов за счет повышения степени локализации горячих электронов в канале: дисс. канд. тех. наук: 05.27.01 - Лукашин Владимир Михайлович. - Фрязино, 2015 - 66 с.] использование подобных дельта-легированных донорными и акцепторными примесями слоев было предложено для увеличения удельной выходной мощности и коэффициента усиления DpHEMT-транзисторов за счет повышения степени локализации горячих электронов в канале приборов.
В работе [Полупроводниковый лазер с ассиметричными барьерными слоями: высокая температурная стабильность. / А.Е. Жуков, Н.В. Крыжановская, М.В. Максимов, А.Ю. Егоров, М.М. Павлов, Ф.И. Зубов, Л.В. Асрян, Академический университет.- Санкт-Петербург, 2010.] для увеличения температурной стабильности предложен способ создания потенциальных барьеров вблизи квантовой ямы путем добавления полупроводниковых слоев с отличным от материала волновода химически составом и энергией запрещенной зоны и гетероструктура полупроводникового лазера с ассиметричными барьерными слоями.
Основным недостатком этих решений является сложность практической реализации таких барьеров, поскольку в распоряжении специалистов по эпитаксии имеется ограниченный набор материалов, которые они могут использовать в конкретной установке, поэтому на практике реализовать гетероструктуру с высокоэффективными барьерными слоями для носителей зарядов весьма сложно.
Задачей полезной модели является улучшение характеристик работы инжекционных лазеров: понижение плотности порогового тока и повышение температурной стабильности работы лазера.
Технический результат заключается в упрощении подавления паразитной рекомбинации носителей заряда в волноводной области структуры и увеличения поверхностной плотности носителей заряда в квантовой яме.
Технический результат достигается тем, что в гетероструктуре полупроводникового лазера, состоящей из последовательно расположенных на подложке первого эмиттерного слоя, волноводного слоя, содержащего квантовые ямы, второго эмиттерного слоя, согласно полезной модели, перед каждой квантовой ямой в нелегированном волноводном слое со стороны обкладки волновода из материала, легированного примесью n-типа, дополнительно расположен дельта-легированный слой n-типа, создающий дополнительный потенциальный барьер для дырок, а после квантовой ямы со стороны обкладки волновода из материала, легированного примесью p-типа дополнительно расположен дельта-легированный слой p-типа, создающий дополнительный потенциальный барьер для электронов.
При этом эммитерные слои выполнены из InAlAs, первый эммитерный слой выполнен на подложке InP. Волноводный слой выполнен из AlInGaAs с с квантовыми ямами, выполненными из InGaAs, и расстояние между дельта-легированным слоем и квантовой ямой составляет 10-30 нм.
На фиг. 1 показано схематическое изображение зонной диаграммы полупроводникового лазера согласно настоящему изобретению.
III
V
III
V
Лазерная гетероструктура образована двумя эммитерными эпитаксиальными слоями, между которыми расположен эпитаксиальный волноводный слой. Эммитерные слои и волноводный слой выполнены на индиевой подложке из соединений AB группы таблицы Менделеева и их твердых растворов, например, из InAlAs и AlInGaAs соответственно. В волноводном слое выполнены квантовые ямы, образованные слоем, выполненным на индиевой подложке из соединений АВ группы таблицы Менделеева и их твердых растворов, например, из InGaAs. В волноводном слое в непосредственной близости от квантовых ям дополнительно расположен дельта-легированный слой n- и p-типа, выполняющий роль дополнительных потенциальных барьеров для дырок и электронов. Дельта-легированный слой n-типа расположен перед квантовой ямой в нелегированном волноводном слое со стороны обкладки волновода из материала, легированного примесью n-типа, а дельта-легированный слой p-типа расположен после квантовой ямы со стороны обкладки волновода из материала, легированного примесью p-типа. Расстояние от дельта-легированного слоя до квантовой ямы составляет 10-30 нм.
Предложенная гетероструктура реализована методом молекулярно-пучковой эпитаксии. При дельта-легировании сначала закрывают потоки элементов третьей группы, и эпитаксиальная поверхность остается под воздействием потоков элементов пятой группы. Затем открывается поток легирующей примеси, в качестве которой используется кремний или углерод. Поверхность выдерживают под потоком легирующей примеси и потоком элементов пятой группы, обычно от одной до нескольких минут. Затем поток легирующей примеси закрывают и открывают поток элементов третьей группы.
При малых энергиях локализации электронов в квантовой яме, например менее 3 kТ, наблюдается высокая концентрация электронов и дырок в волноводной области известных из уровня техники лазера. Плотность тока, вызванная паразитной рекомбинацией (на фиг. 1 показано стрелками) вне квантовой ямы, сравнима или выше плотности тока излучательной рекомбинации в квантовой яме. Это приводит к увеличению плотности порогового тока в таких структурах и снижает ее характеристическую температуру в связи с более сильной зависимостью концентрации носителей заряда в объемном материале волновода по сравнению с температурной зависимостью в квантово-размерной активной области. Созданные путем добавления в конструкцию лазера дельта-легированных слоев n- и p-типа потенциальные барьеры для электронов в зоне проводимости и для дырок в валентной зоне достаточно высоки для того, чтобы существенно сократить термические выбросы и туннелирование электронов в волноводную область структуры. В результате воздействия потенциальных барьеров проникновение электронов в волновод со стороны обкладки волновода p-типа и дырок в волновод со стороны обкладки волновода n-типа ограничено, в связи с чем, область электронно-дырочной рекомбинации ограничивается активной областью, образованной квантовой ямой и участком между ней и расположенным в непосредственной близости от нее дельта-легированным слоем. Электроны при приложении прямого смещения перемещаются в направлении слева-направо, некоторые из них не попадают в квантовую яму или покидают ее ввиду обладания ими высокой энергией. Потенциальный барьер не дает возможности таким электронам проникнуть далее в волноводную область структуры, с большой долей вероятности эти электроны попадают обратно в квантовую яму, где рекомбинируют с излучением света. Аналогично справедливо и для дырок. Предложенный подход не требует использования дополнительных материалов, отличных от выбранного состава волноводного слоя, а вставка дельта-легированных слоев происходит непосредственно в волноводные слои. Это упрощает практическую реализацию потенциальных барьеров для носителей заряда.
Также предложенные дельта-легированные слои n- и p-типа, поскольку имеют малые толщину, практически не влияют на внутренние потери и фактор оптического ограничения световой волны лазерной гетероструктуры.