ВЕРТИКАЛЬНО ИЗЛУЧАЮЩИЙ ЛАЗЕР С БРЭГГОВСКИМИ ЗЕРКАЛАМИ И ВНУТРИРЕЗОНАТОРНЫМИ МЕТАЛЛИЧЕСКИМИ КОНТАКТАМИ
VERTICALLY EMITTING LASER WITH BRAGG MIRRORS AND INTRACAVITY METAL CONTACTS

Предлагаемое изобретение относится к вертикально-излучающим лазерам на основе гетероструктур, работающим в видимом, инфракрасном и ультрафиолетовом диапазоне.
Вертикально-излучающий лазер (ВИЛ, VCSEL (Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser)) - это полупроводниковый лазер поверхностного излучения с вертикальным объемным резонатором.
Конструкция ВИЛ была впервые предложена в конце 70-х годов прошлого века [1], однако, развитие полупроводниковых технологий позволило создать пригодные для практического использования ВИЛ лишь к концу 1990-х годов [2].
Современные варианты конструкции ВИЛ основаны на использовании вертикальных оптических микрорезонаторов с зеркалами в виде распределенных брэгговских отражателей (БО) на основе чередующихся четвертьволновых слоев полупроводниковых материалов различного состава. При этом в качестве активной (светоизлучающей) области, как правило, используются одна или несколько квантовых ям или массив квантовых точек [3], помещенных вблизи максимума распределения оптического поля.
ВИЛ - наиболее перспективные источники излучения для локальных высокоскоростных волоконно-оптических систем связи. С их помощью были продемонстрированы рекордные скорости передачи данных (более 40 Гбит/с на канал [3]) в волоконных линиях небольших дистанций [4]. Также в последние годы ВИЛ все более широкое применение в датчиках и сенсорах различного типа [5], высокопроизводительных компьютерных системах.
К числу основных преимуществ ВИЛ по сравнению с традиционными инжекционными лазерами полосковой конструкции относятся малая угловая расходимость и симметричная диаграмма направленности выходного оптического излучения, возможность обеспечения субмиллиамперных пороговых токов, повышенная температурная и радиационная стабильность, групповая технология изготовления и возможность тестирования приборов непосредственно на пластине. Планарная технология ВИЛ позволяет формировать интегрированные линейные массивы и двумерные матрицы с большим числом индивидуально адресуемых излучателей.
Как правило, ВИЛ выращиваются на кристаллических полупроводниковых или диэлектрических подложках, возможно также выращивание ВИЛ на металлических положках [6]. Некоторые конструкции предусматривают расположение металлических слоев между брэгговскими отражателями и подложкой для увеличения коэффециента отражения брэгговских зеркал [7].
Основной технологической проблемой реализации ВИЛ является сложность эпитаксиального синтеза и пост-ростовой обработки высоколегированных низкоомных РБО. Также высокое легирование проводящих зеркал ведет к существенному возрастанию оптических потерь из-за поглощения на свободных носителях и высокому значению паразитной емкости, что может ограничивать частотный диапазон приборов. При этом электрическое сопротивление брэгговских зеркал приводит к снижению эффективности лазера, а их нагрев вследствие омических потерь ухудшает характеристики лазера и может приводить к его деградации.
Для создания ВИЛ с улучшенными характеристиками интересна возможность отслоения активных слоев с исходной подложки и осаждения их на новую с помощью технологии lift-off, которая была впервые продемонстрирована для создания приборов на основе гетероструктур GaAs/AlAs [8]. В частности, такая технология позволяет создавать ВИЛ путем эпитаксиального выращивания активной области на подложке, удаления подложки и выращивания диэлектрических брэгговских зеркал методом магнетронного распыления на активной области, обладающей высоким кристаллическим совершенством [9]. Технология lift-off позволяет удалить эпитаксиальный слой с подложки в процессе пост-ростовой обработки. После этого удаленный слой может быть присоединен к новой подложке [10]. Существует несколько методов удаления подложки: селективное травление, влажное продольное оксидирование и лазерное удаление. Методом селективного травления удаляется жертвенный слой толщиной 10-50 нм, дополнительно выращенный между активными слоями и подложкой. Этим методом могут быть удалены слои с подложек диаметром до 6 дюймов без деградации материала или ухудшения характеристик [11]. Лазерное удаление используется для удаления светодиодных структур на основе III-N материалов с сапфировой подложки [12]. Излучение эксимерного Kr-F-лазера с длиной волны 248 нм направляется на гетероструктуру через сапфировую подложку. Нитрид галлия начинает разлагаться, и происходит резкое выделение газообразного азота. Гетероструктура испытывает сильный механический удар и сапфировая подложка отделяется. Технология lift-off уже была успешно реализована в ряде полупроводниковых устройств, таких как лазерные диоды [13] и ВИЛ [14]
Важным направлением развития оптоэлектроники является миниатюризация лазеров. Одним из способов уменьшения размеров приборов является применение металлических резонаторов разных типов [15]. В таких структурах достигнут характеристический объем лазерной моды, существенно меньший, чем куб длины волны излучения. Лазеры с металлическими резонаторами определенной конструкции в ряде случаев выделяют в отдельный класс структур, так называемые ″спазеры″ (SPASER, Surface plasmon amplification by stimulated emission of radiation) [16, 17]. В таких структурах светоизлучающая активная область взаимодействует с локализованнными поверхностными плазмонами.
В 2007 году был теоретически предсказан [18], и впоследствии обнаружен [19] новый тип состояний электромагнитного поля, локализованных на границе металла и брэгговского отражателя (таммовский плазмон). В наноструктуре, сформированной брэгговским отражателем на основе GaAs/AlAs со встроенными квантовыми ямами и слоем серебра, при температуре жидкого азота была продемонстрирована лазерная генерация при оптической накачке [20].
В лазерах с металлическими резонаторами поглощение света в металле существенно понижает добротность резонаторов. Как следствие, повышается пороговый уровень накачки. Лазер на основе металлического резонатора, работающий при комнатной температуре и электрической накачке, продемонстрирован в 2013 году группой из США [21]. Для существенного повышения характеристик полупроводниковых лазеров с металлическими резонаторами необходимо снизить поглощение света в металлических элементах лазера.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению и принятым в качестве прототипа является вертикально-излучающий лазер. Недостатками таких лазеров являются оптические потери на свободных носителях из-за высокого легирования проводящих зеркал и достаточно высокое электрическое сопротивление брэгговских зеркал, что приводит к снижению эффективности лазера и ухудшению его характеристик. В связи с этим возникает необходимость увеличения коэффициента полезного действия и улучшения параметров лазерного излучения лазера.
Задачей, решаемой настоящим изобретением, является создание вертикально излучающих лазеров с однородными слоистыми металлическими контактами, находящимися внутри резонатора, с повышенным коэффициентом полезного действия и улучшенными параметрами лазерного излучения.
Техническим результатом, позволяющим выполнить поставленную задачу, является снижение электрического сопротивления структуры, обеспечение однородности электрического тока накачки, а также подавление поглощения света металлическими слоями.
Результат достигается за счет того, что внутрь резонатора вертикально излучающего лазера с брэгговскими зеркалами и внутрирезонатрными металлическими контактами, между брэгговским отражателем и активной областью вводятся металлические слои, которые одновременно являются контактами и элементами резонатора, формирующими собственную моду электромагнитного поля, причем толщина слоев брэгговского отражателя, примыкающего к металлическому слою, отличается от остальных слоев брэгговского отражателя, что обеспечивает такую пространственную структуру собственной моды электромагнитного поля, используемой для лазерной генерации, что узлы электрического поля совпадают по положению с металлическими слоями, что значительно уменьшает поглощение света металлическими слоями, при этом обеспечивается максимальное перекрытие электрического поля собственной моды лазера и активной области.
Конструкция вертикально-излучающего лазера с брэгговскими зеркалами и внутрирезонатрными металлическими контактами включает в себя:
- нижнее брэгговское зеркало (1, фиг.1);
- фазосогласующий слой брэгговского отражателя измененной толщины (2, фиг.1);
- металлический слой (3, фиг.1);
- светоизлучающая активная область (4, фиг.1);
- металлический слой (5, фиг.1);
- фазосогласующий слой брэгговского отражателя измененной толщины (6, фиг.1);
- брэгговский отражатель (7, фиг.1).
На фиг.1 представлена базовая схема поперечного сечения наногетероструктуры, выбранной в качестве прототипа заявляемого изобретения. Указаны следующие друг за другом слои и их состав. Брэгговские отражатели представляют собой многослойные периодические структуры.
На фиг.2 представлена детализированная схема поперечного сечения наногетероструктуры специальной оригинальной конструкции, демонстрирующая суть заявляемого изобретения. Указаны следующие друг за другом слои и их состав. Показан профиль электрического поля собственной моды.
Структура ВИЛ с брэгговскими зеркалами и внутрирезонатрными металлическими контактами с полупроводниковой активной областью изготавливается следующим образом:
1) на кристаллической подложке методом эпитаксии выращивается светоизлучающая активная области с квантовыми ямами или квантовыми точками (4, фиг.1), причем вблизи краев активной области уровень легирования выбирается достаточным для создания омических контактов, а между активной областью и подложкой располагается «жертвенный» слой,
2) на активную область напыляется металлический контактный слой (3, фиг.1),
3) на металлическом слое выращивается фазосогласующий слой брэгговского отражателя (2, фиг.1),
4) на фазосогласующем слое методом магнетронного распыления выращивается брэгговский отражатель (1, фиг.1),
5) выращенная структура отделяется от подложки, «жертвенный» слой удаляется,
6) на открывшейся стороне активной области напыляется металлический слой (5, фиг.1),
7) на металлическом слое выращивается фазосогласующий слой брэгговского отражателя (6, фиг.1),
8) на фазосогласующем слое методом магнетронного распыления выращивается брэгговский отражатель (7, фиг.1).
Структура ВИЛ с брэгговскими зеркалами и внутрирезонатрными металлическими контактами с активной областью из органического материала изготавливается следующим образом:
1) на аморфной или кристаллической подложке выращивается брэгговский отражатель (1, фиг.1), на котором выращивается фазосогласующий (2, фиг.1) и металлический слой (3, фиг.1),
2) на металлический слой методом центрифугирования (spin- coating) или химического осаждения наносится органическая активная область(4, фиг.1),
3) на активную область наносится металлический слой (5, фиг.1), на котором выращивается фазосогласующий слой (фиг.1, 6). и брэгговский отражатель (7, фиг.1).
Характерные толщины слоев ВИЛ с брэгговскими зеркалами и внутрирезонатрными металлическими контактами:
- светоизлучающая активная области с квантовыми ямами или квантовыми точками 100-400 нм (2, фиг.2)
- внутрирезонаторные металлические контактные слои 20-50 нм (3, фиг.2)
- фазосогласующие слои - 40-100 нм (4, фиг.2)
- слои брэгговского отражателя 50-150 нм (5, фиг.2).
Толщины слоев выбираются таким образом, чтобы обеспечить расположение узлов электрического поля собственной моды резонатора, совпадающее с металлическими слоями и максимальное перекрытие собственной моды электрического поля с активной областью (фиг.2).
Создание, в соответствии с заявленными признаками и конструкцией, ВИЛ с брэгговскими зеркалами и внутрирезонатрными металлическими контактами обеспечивает возможность изготовления лазеров вертикальной эмиссией излучения, обладающих улучшенными характеристиками, обеспечиваемыми равномерностью плотности тока накачки в активной области и повышенной эффективностью, обусловленной подачей тока накачки непосредственно от металлических контактов к активной области.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
[1] Soda H., Iga K., Katahara С., Y. Suematsu. GaInAsP/InP Surface-emitting injection lasers. - Japanese Journal of Applied Physics, №18 (1979)
[2] Wilmsen C., Temkin H., Coldren L. Vertical-cavity surface-emitting lasers. - Cambridge University Press, Cambridge, (1999)
[3] M. Eichfelder, W.-M. Schuiz, M. Reischle, M. Wiesner, R. RoBbach, M. Jetter, P. Michler, Journal of Crystal Growth, 315, 131-133 (2011)
[4] S.A. Blokhin, J.A. Lott, A. Mutig, G. Fiol, N.N. Ledentsov, M.V. Maximov, A.M. Nadtochiy, V.A. Shchukin, D. Bimberg, Electron. Lett., 45 (10), 501-503 (2009).
[5] Thor Ansbæk, Claus H. Nielsen, Søren Dohn, David Larsson, Il-Sug Chung et al., Appl. Phys. Lett. 101, 143505 (2012)
[6] Патент США US 5838707 A
[7] Патент США US 2002008036 A1
[8] E. Yablonovitch, Т. Gmitter, J.P. Harbison, R. Bhat, Appl. Phys. Lett., 51, pp.2222-2224 (1987)
[9] Takehiko Tawara, Hideki Gotoh, Tetsuya Akasaka, Naoki Kobayashi, and Tadashi Saitoh, Low-threshold lasing of InGaN vertical-cavity surface-emitting lasers with dielectric distributed Bragg reflectors, Appl. Phys. Lett. 83, 830 (2003)
[10] С. Bradford, A. Currran, A. Balocchi, B.C. Cavenett, K.A. Prior, R.J. Warburton, Journal of Crystal Growth 278 325-328 (2005)
[11] Rao Tatavarti, A. Wibowo, G. Martin, F. Tuminello, C. Youtsey, G. Hillier, N. Pan, M.W. Wanlass, and M. Romero, InGaP/ GaAs / InGaAs inverted metamorphic solar cells on 4″ epitaxial lifted off wafers. Proceedings of 35th IEEE PVSC conference, Philadelphia, p.2125, (2010)
[12] И.П. Смирнова, Л.К. Марков, Д.А. Закгейм, Е.М. Аракчеева, М.Р. Рымалис, ФТП, 10, вып.11 (2006)
[13] I. Pollentier, P. Demeester, A. Ackaert, L. Buydens, P.V. Daele, and R. Baets, Electron. Lett. 26, 193 (1990)
[14] Патент США US 6455340 B1
[15] M.T. Hill, Y.-S. Oei, B. Smalbrugge, Y. Zhu, T. de Vries, P.J. van Veldhoven, F.W.M. van Otten, T.J. Eijkemans, J.P. Turkiewicz, H. de Waardt, E.J. Geluk, S.-H. Kwon, Y.-H. Lee, R. NÖtzel, and M.K. Smit, ″Lasing in metallic-coated nanocavities,″ Nat. Photonics 1 (10), 589-594 (2007)
[16] Bergman, D.J. & Stockman, M.I. Surface plasmon amplification by stimulated emission of radiation: quantum generation of coherent surface plasmons in nanosystems. Phys. Rev. Lett. 90, 027402 (2003)
[17] Патент США US 7569188 B2
[18] M. Kaliteevski, I. Iorsh, S. Brand, R.A. Abram, I Shelykh And A.V Kavokin, Tamm plasmon-polaritons: Possible electromagnetic states at the interface of a metal and a dielectric Bragg mirror, Phys. Rev. В 76, 165415 (2007)
[19] M.E. Sasin, R.P. Seisyan, M. Kaliteevski, S. Brand, R.A. Abram, J.M. Chamberlain, A.Yu. Egorov, A.P. Vasil′ev, V.S. Mikhrin, A.V. Kavokin, Tamm Plasmon-Polaritons: Slow and Spatially Compact Light, Appl. Pys. Lett, 92(25) 251112 (2008)
[20] C. Symonds, A. Lemaitre, P. Senellart, et al, Lasing in a hybrid GaAs/silver Tamm structure, Appl. Phys. Lett. 100, 121122 (2012)
[21] К. Ding, M.T. Hill, Z.C. Liu, L.J. Yin, P.J. van Veldhoven, and C.Z. Ning, Record performance of electrical injection subwavelength metallic-cavity semiconductor lasers at room temperature. Optics Express, Vol.21(4), 4728-4733 (2013).