ГЕТЕРОСТРУКТУРА ДЛИННОВОЛНОВОГО ВЕРТИКАЛЬНО-ИЗЛУЧАЮЩЕГО ЛАЗЕРА

Полезная модель относится к оптоэлектронной технике и может быть использована для изготовления вертикально-излучающих лазеров, работающих в спектральном диапазоне 1530 - 1565 нм.
Известны гетероструктуры вертикально-излучающих лазеров (ВИЛ), полученные методом молекулярного соединения (т.н. метод спекания пластин) пластины гетероструктуры активной области на основе материалов InAlGaAs/InP с пластинами гетероструктур верхнего и нижнего распределенными брэгговскими отражателями (РБО) на основе материалов AlGaAs/GaAs. Гетероструктура активной области, сформированная на подложке InP, включает в себя область с квантовыми ямами, чередующимися с барьерными слоями, а в верхней своей части содержит заращенный туннельный переход. Такая конструкция гетероструктуры ВИЛ позволяет объединить преимущества обоих систем материалов на основе InP и GaAs.
Наиболее близкой к предлагаемой полезной модели является гетероструктура ВИЛ, содержащая подложку GaAs 1 (Фиг. 1), нелегированный нижний РБО 2 на основе слоев GaAs/AlGaAs, нижний внутрирезонаторный контактный слой InGaAsP/InP 3 n-типа, оптический микрорезонатор 4 с активной областью 5 на основе квантовых ям InAlGaAs и токовой апертурой на основе слоев р+ - InGaAlAs 6 и n+ - InGaAlAs 7, верхний внутрирезонаторный контактный слой InGaAsP/InP n-типа 8, нелегированный верхний РБО 9 на основе слоев GaAs/AlGaAs [A.Syrbu et al., 1.5-mW single-mode operation of wafer-fused 1550-nm VCSELs, IEEE Photonics Technology Letters 16, 1230 (2004), DOI: 10.1109/LPT.2004.826099] или [A. Mereuta etal., Recent progress in 1.3- and 1.5-μm wave bandwafer-fused VCSELs, Proc. SPIE 10017, 1001702 (2016), DOI: 10.1117/12.2246208]. Для формирования токовой апертуры используется концепция заращенного туннельного перехода. Изначально в слое n+ - InGaAlAs 7 гетероструктуры активной области формируют поверхностный рельеф (Фиг. 2): путем локального удаления слоя n+ - InGaAlAs 7 в области 10. В результате последующей операции заращивания гетероструктуры активной области с поверхностным рельефом слоем InP n-типа, в области 10 формируется обратно-смещенный p-n-переход, а в области 11 - заращенный туннельный переход n+ - InGaAlAs/p+ - InGaAlAs. Следует отметить, что в зависимости от метода сформированный локальным удалением слоя n+, имеет форму кольцевых углублений с внутренним диаметром 5-9 мкм и внешним диаметром 30-40 мкм, при этом соседние кольцевые углубления соединены между собой каналами шириной 10 мкм.
Форма кольцевых углублений с внутренним диаметром 5-9 мкм и внешним диаметром 30-40 мкм, соединенных с соседними кольцевыми углублениями между собой каналами шириной 10 мкм обеспечивает увеличение площади соприкосновения пластины активной области ВИЛ и пластины верхнего РБО, что приводит к наиболее плотному контакту пластин и повышению надежности процесса спекания. Сущность полезной модели поясняется фигурами.
На фиг. 1 схематично показано поперечное сечение единичного элемента прототипа гетероструктуры ВИЛ.
На фиг. 2 схематично показана топология поверхностного рельефа в гетероструктуре активной области для единичного элемента прототипа гетероструктуры ВИЛ.
На фиг. 3 схематично показано поперечное сечение единичного элемента предлагаемой гетероструктуры ВИЛ.
На фиг. 4 схематично показана топология поверхностного рельефа в гетероструктуре активной области для единичного элемента предлагаемой гетероструктуры ВИЛ.
0,74
0,26
0,53
0,31
0,16
Предлагаемая гетероструктура вертикально-излучающего лазера (фиг. 3) состоит из подложки GaAs 1, нижнего РБО 2 на основе слоев GaAs/AlGaAs, нижнего внутрирезонаторного контактного слоя InGaAsP/InP 3 n-типа, оптического микрорезонатора 4 с активной областью 5 и токовой апертурой на основе слоев р+ - InGaAlAs 6 и n+ - InGaAlAs 7, верхнего внутрирезонаторного контактного слоя InGaAsP/InP n-типа 8, нелегированного верхнего РБО 9 на основе слоев GaAs/AlGaAs. Активная область состоит из нескольких квантовых ям InGaAs, разделенных барьерными слоями InGaAlAs (на фиг. не показан). Токовая апертура содержит область 10 с обратно-смещенным р-n-переходом и 11 с заращенным туннельным переходом n+/p+ - InGaAlAs.
Для формирования токовой апертуры используется концепция заращенного туннельного перехода. Изначально в слое n+ - InGaAlAs 7 гетероструктуры активной области формируют поверхностный рельеф (Фиг. 4): путем локального удаления слоя n+ - InGaAlAs 7 в области 10. В результате последующей операции заращивания гетероструктуры активной области с поверхностным рельефом слоем InP n-типа, в области 10 формируется обратно-смещенный р-n-переход, а в области 11 - заращенный туннельный переход n+ - InGaAlAs/p+ - InGaAlAs. Следует отметить, что в зависимости от метода эпитаксиального роста полупроводников может наблюдаться небольшая степень планаризации поверхностного рельефа и/или увеличение латеральных размеров, однако на заращенной поверхности отчетливо виден микрорельеф с некоторой модификацией исходной топологии.
-3
-3
-3
При этом область 10, в простейшей случае, выполнена в форме кольцевых углублений с перпендикулярными каналами, связывающими соседние кольцевые углубления между собой и предназначенными для отвода воздуха и летучих соединений при спекании пластин, и содержит легированный до уровня 1е20 см р+ - слой InGaAlAs 6, который заращен верхним внутрирезонаторным контактным слоем InGaAsP/InP n-типа 8. Область 11 с заращенным туннельным переходом содержит легированный до уровня 1е20 см р+ - слой InGaAlAs 6, на котором расположен легированный до уровня 1е20 см n+ - слой InGaAlAs 7, который заращен верхним внутрирезонаторным контактным слоем InGaAsP/InP n-типа 8.
Выбор величины внутреннего диаметра кольцевого углубления, отвечающего как за токовое, так и оптическое ограничение, обусловлен необходимостью обеспечить одночастотный режим излучения и повысить уровень выходной мощности при работе вертикально-излучающего лазера, изготовленного из такой гетероструктуры. Расчетные оценки показывают, что для лазера с длиной волны генерации 1530-1565 нм при исходной высоте поверхностного рельефа в слое n+ - слой InGaAlAs 7 не более 25 нм одночастотный режим работы наблюдается при диаметре мезы 5-9 мкм, что крайне важно для практических применений.
Выбор величины внешнего диаметра кольцевого углубления обусловлен ограничениями топологии кристалла ВИЛ. Согласно анализу морфологии поверхности, при заращивании слоем 8 поверхностного рельефа, сформированного в слое n+ - слой InGaAlAs 7 гетероструктуры активной области, наблюдается эффективное увеличение латеральных размеров мез в 1.5-2 раза. В совокупности с необходимостью формирования металлизации к внутрирезонаторному контактному слою 8, а также учитывая технологические допуски для контактной фотолитографии, величина внешнего диаметра кольцевого углубления составляет 30-40 мкм. Допускается более сложная форма внешних границ кольцевого углубления в зависимости от проектной топологии кристалла ВИЛ.
Для предотвращения образования газообразных полостей на границах областей 9-10 по всей площади пластины гетероструктуры ВИЛ должны быть сформированы сквозные каналы шириной 10 мкм.