ЛАЗЕР-ТИРИСТОР
THYRISTOR LASER

Настоящее изобретение относится к квантовой электронной технике, а точнее к импульсным инжекционным источникам лазерного излучения.
Получение мощных лазерных импульсов актуально для ряда практических применений, в частности, в системах оптической связи в свободном пространстве, лазерной локации, дальнометрии. Импульсные источники мощного лазерного излучения, основанные на твердотельных лазерах, отличаются высокой стоимостью, низкой энергоэффективностью, а также большими габаритами. Построение оптических систем на основе полупроводниковых кристаллов позволит снизить стоимость и повысить энергоэффективность за счет низкой себестоимости и высокого КПД лазерных наногетероструктур. Однако для таких излучателей нет простых решений, в том числе схемотехнических, позволяющих одновременно получать мощные лазерные импульсы с высокой частотой повторения, при этом сохраняя такие преимущества полупроводниковых лазеров, как эффективность и компактность. В известных инжекционных лазерах (см., например, Wang, X., Crump, P., Wenzel, H., Liero, A., Hoffmann, Т., Pietrzak, A., Schultz, СМ., Klehr, A., Ginolas, A., Einfeldt, S., Bugge, F., Erbert, G., and Tränkle, G., «Root-Cause Analysis of Peak Power Saturation in PulsePumped 1100 nm Broad Area Single Emitter Diode Lasers.», IEEE J. Quant. Electron. 46(5), 658-665 (2010); J. Klamkin, R.K. Huang, J.J. Plant, M.K. Connors, L.J. Missaggia, W. Loh, G.M. Smith, K.G. Ray,F.J. O'Donnell, J.P. Donnelly and P.W. Juodawlkis, «Directly modulated narrowband slab-coupled optical waveguide laser.», ELECTRONICS LETTERS, 1st April 2010 Vol. 46 No. 7 p. 522-523) возможность получения мощных лазерных импульсов обеспечивается за счет прямой токовой модуляции секции усиления, пропуская импульсный ток, генерируемый внешними импульсными источниками, что приводит к существенным недостаткам, связанным с большими массогабаритными характеристиками и снижением эффективности всей системы (лазер и внешний источник).
Также существует другой подход к решению задачи генерации мощных лазерных импульсов. Подход основан на использовании интегрированного в лазерную гетероструктуру токового ключа, управляемого сигналами малой электрической мощности. Такие приборы называются лазерами-тиристорами. Для лазеров-тиристоров важными техническими характеристиками являются: максимальное блокирующее напряжение, выход годных, расходимость излучения в плоскости, параллельной слоям гетероструктуры. В отличие от полупроводниковых лазеров, в лазерах-тиристорах есть дополнительный параметр, который определяет выход годных - это максимальное блокирующее напряжение, то есть то максимальное напряжение, которое можно приложить к лазеру-тиристору в закрытом состоянии. Именно блокирующее напряжение определяет амплитуду тока в цепи лазера-тиристора и его снижение приводит к снижению пиковой оптической мощности. Важность низкой расходимости лазерного излучения связана с тем, что расходимость излучения определяет эффективность использования лазерного излучения и преобразования его с помощью оптических элементов. Конструкция кристалла лазера-тиристора существенно влияет на расходимость излучения в плоскости, параллельной слоям гетероструктуры, поэтому снижение расходимости излучение в параллельной плоскости является важной задачей.
18
-3
18
-3
19
-3
15
-3
15
-3
15
-3
17
-3
18
-3
19
-3
0.4
0.6
0.25
0.75
0.25
0.75
0.25
0.75
0.25
0.75
0.4
0.6
Известный лазер-тиристор (Y. Tashiro et al., «Vertical to surface transmission electrophotonic device with selectable output light channels.)), Appl. Phys. Lett., 54(4), p. 329-331 (1989) реализована конструкция на основе тиристорной n-p-n-p структуры, обеспечивающей лазерную генерацию. Конструкция гетероструктуры включала следующую последовательность слоев, выращенных на n-GaAs подложке: буферный слой GaAs n-типа проводимости толщиной 0.5 мкм, легированный до концентрации 2*10 см, слой катода AlGaAs n-типа проводимости легированный до концентрации 2*10 см толщиной 1 мкм, слой AlGaAs р-типа проводимости толщиной 5 нм, легированный до концентрации 10 см, первая часть волноводного слоя на основе AlGaAs толщиной 0.3 мкм р-типа проводимости с концентрацией 10 см, активная область на основе GaAs толщиной 0.1 мкм р-типа проводимости с концентрацией 10 см, вторая часть волноводного слоя на основе AlGaAs толщиной 0.1 мкм р-типа проводимости с концентрацией 10 см, слой затвора n-типа проводимости на основе AlGaAs толщиной 0.5 мкм, легированный до 10см, слой анода AlGaAs р-типа проводимости легированный до концентрации 2*10см толщиной 1 мкм и контактный слой GaAs р-типа проводимости легированный до концентрации 10см толщиной 0.5 мкм. Конструкция кристалла лазера-тиристора получена путем скалывания вдоль плоскостей естественного скола (110), формируя естественно сколотые грани. При этом естественно сколотые грани проходят через все слои структуры, в том числе обратносмещенный р-n переход. В результате предложенная конструкция демонстрировала вольт-амперную характеристику (ВАХ) с характерной областью отрицательного дифференциального сопротивления (ОДС), при этом напряжение включения составляло только 4 В, включение осуществлялось за счет засветки внешним оптическим импульсом. Во включенном состоянии была продемонстрирована лазерная генерация с оптической мощностью 12 мВт и максимальным током 200 мА на длине волны 875 нм. Разработанная конструкция имела сплошные полосковые контакты со стороны анода и катода, а форма кристалла обеспечивала наличие зеркал резонатора для лазерного излучения. Недостатками являются необходимость внешнего оптического источника управляющего сигнала, что усложняет конструкцию, низкие значения мощности лазерного излучения, низкие частоты повторения, а также низкое блокирующее напряжение и низкий выход годных, связанный с тем, что обратносмещенный р-n переход выходит на все четыре естественно сколотые грани. Структура латерального волновода является неустойчивой, так как использует gain-guiding тип волновода, что является недостатком.
В патенте US 005204871 A [МПК G02F 3/02, H01L 33/00, H01S 5/26, опубл. 20.04.1993] предложена конструкция оптотиристора, обеспечивающая распространение света, в том числе и лазерного, в выбранном направлении. Предлагаемая конструкция по меньшей мере состоит из подложки, первого эмиттера, первой области ограничивающей носители заряда, первого внутреннего гетероперехода, формирующего барьер, первой области базы, второй области базы, второго внутреннего гетероперехода, формирующего барьер, второй области ограничивающей носители заряда, второго эмиттера, где части первого эмиттера и второй базовой области одного типа проводимости, а части второго эмиттера и первой базовой области противоположного типа проводимости, где первый и второй эмиттер и первый и второй внутренние гетеропереходы, формирующие барьеры, первая и вторая базовые области вместе формируют единый оптический резонатор в направлении, перпендикулярном предпочтительному направлению распространения света, и электроды обеспечивают протекание электрического тока, который направлен через предложенную конструкцию прибора. Конструкция кристалла оптотиристора получена путем скалывания вдоль плоскостей естественного скола (110), формируя естественно сколотые грани. При этом естественно сколотые грани проходят через все слои структуры, в том числе обратносмещенный р-n переход. Недостатком предложенной конструкции является низкие значения токов до 50 мА, которые пропускает прибор, а также низкое блокирующее напряжение и низкий выход годных, связанный с тем, что обратносмещенный р-n переход выходит на все четыре естественно сколотые грани. Латеральный волновод сформирован мезаканавками, вытравленными через волноводные слои, что приводит к генерации высокодобротных мод и большой расходимости излучения в плоскости, параллельной слоям гетероструктуры, что является недостатком.
В патенте ЕР 0273344 [МПК G02F 3/02, G11C 11/39, H01L 31/111, опубл. 14.10.1992] предложен n-p-n-р лазер-тиристор, включающий область анода, область катода и базовую область, которая расположена между анодом и катодом. Базовая область состоит из р-базы, покрывающей катодную область и с первого по третий слои n-базы. При этом первый слой n-базы покрывает слой р-базы, третий слой n-базы покрывает область анода. Области анода и катода изготовлены из более широкозонных материалов, чем первый и третий слои n-базы, а второй слой n-базы имеет меньшую ширину запрещенной зоны чем первый и третий слои n-базы, так, что улучшаются характеристики оптической связи (внешней оптической накачки) и реализуется высокая выходная оптическая мощность. Конструкция кристалла лазер-тиристора получена путем скалывания вдоль плоскостей естественного скола (110), формируя естественно сколотые грани. При этом естественно сколотые грани проходят через все слои структуры, в том числе обратносмещенный р-n переход. Недостатками данного изобретения являются необходимость использования внешней накачки, что усложняет конечный прибор за счет включения дополнительных элементов и необходимости их тонкой юстировки, слишком тонкая область поглощения внешней оптической накачки, что потребует больших мощностей управляющих сигналов, а также низкое блокирующее напряжение и низкий выход годных, связанный с тем, что обратносмещенный р-n переход выходит на все четыре естественно сколотые грани. Латеральный волновод сформирован мезаканавками, вытравленными через волноводные слои, что приводит к генерации высокодобротных мод и большой расходимости излучения в плоскости, параллельной слоям гетероструктуры, что является недостатком.
0.35
0.65
0.35
0.65
0.35
0.65
0.3
0.7
2
2
В работе (см. Slipchenko S.O., Podoskin А.А, Rozhkov A.V., Pikhtin N.A., Tarasov I.S., Bagaev T.A., Zverkov M.V., Konyaev V.P., Kurniavko Y.V., Ladugin M.A., Marmalyuk A.A., Padalitsa A.A., Simakov V.A., «High-Power Pulse Semiconductor Laser-Thyristor Emitting at 900-nm Wavelength», Photonics Technology Letters, IEEE, Volume: 25, Issue: 17 p. 1664 - 1667 (2013), предложен лазер-тиристор, включающий выращенную на подложке гетероструктуру AlGaAs/GaAs, содержащую катодную область, включающую широкозонный слой AlGaAs n-типа проводимости, толщиной 0.5 мкм, подложку GaAs n-типа проводимости, анодную область, включающую контактный слой GaAs р-типа проводимости, толщиной 0.4 мкм, широкозонный слой AlGaAs р-типа проводимости, толщиной 1.9 мкм, одновременно являющийся слоем оптического ограничения лазерной гетероструктуры и эмиттером, инжектирующим дырки в активную область, первую базовую область, расположенную со стороны широкозонного слоя катодной области, включающую слой GaAs р-типа проводимости, толщиной 2.5 мкм, вторую базовую область, расположенную со стороны широкозонного слоя анодной области, включающую широкозонный слой AlGaAs n-типа проводимости, толщиной 1.9 мкм, одновременно являющийся слоем оптического ограничения лазерной гетероструктуры и эмиттером, инжектирующим электроны в активную область, слой GaAs n-типа проводимости, толщиной 2 мкм, волноводную область, расположенную между анодной областью и второй базовой областью, включающую нелегированный слой AlGaAs, толщиной 0.4 мкм, в котором расположена квантоворазмерная активная область InGaAs, толщиной 9 нм. Первая базовая область непосредственно граничит со второй базовой областью со стороны узкозонного слоя n-GaAs, формируя тем самым коллекторный р-n переход. Ширина запрещенной зоны квантоворазмерных слоев активной области и первой базовой области обеспечивают поглощение части спонтанного излучения активной области в первой базовой области. Также известный лазер-тиристор включает оптический Фабри-Перо резонатор, первый омический контакт к анодной области, сформированный со стороны контактного слоя GaAs р-типа проводимости, и, формирующий область инжекции через активную область, второй омический контакт к катодной области, сформированный со стороны подложки GaAs n-типа проводимости, мезаканавку, вытравленную на глубину, равную сумме толщин слоев анодной, волноводной областей и широкозонного слоя второй базовой области, расположенную вдоль первого омического контакта, третий омический контакт, к слою GaAs n-типа проводимости второй базовой области, расположенный на дне мезаканавки. Конструкция кристалла известного лазер-тиристора получена путем скалывания вдоль плоскостей естественного скола (110), формируя естественно сколотые грани. При этом естественно сколотые грани проходят через все слои структуры, в том числе обратносмещенный р-n переход. Известный лазер-тиристор обеспечивает генерацию мощных лазерных импульсов без использования внешних мощных импульсных генераторов. Генерация лазерных импульсов осуществляется за счет перевода лазера-тиристора во включенное состояние при приложении малосигнального тока управления к секции управления через третий омический контакт. В результате была продемонстрирована возможность генерации лазерных импульсов амплитудой 28 Вт, при напряжении постоянного источника питания 14 В и амплитуде управляющего сигнала от 20 А/см до 210 А/см. Длительность лазерного импульса составила 300 нс. Недостатком предложенной конструкции является низкая эффективность оптической связи (передачи дырочного тока анода) и в результате избыточная концентрация фотогенерированных дырок в первой базовой области низка, что ограничивает максимальный ток через структуру и максимальную излучаемую оптическую мощность. Также низкая эффективность обратной оптической связи ведет к увеличению амплитуды тока управления. Низкая эффективность обратной оптической связи обусловлена наличием узкозонного слоя n-GaAs во второй базовой области, поглощающего существенную часть спонтанного излучения активной области, что ведет к уменьшению концентрации фотогенерированных дырок в первой базовой области, а также избыточной толщиной слоя первой базовой области p-GaAs, которая существенно больше толщины области объемного заряда коллекторного р-n перехода, что ведет к снижению градиента концентрации фотогенерированных дырок и, как следствие, к уменьшению максимального тока и повышению амплитуды управляющего сигнала. Также в известном лазере-тиристоре не была продемонстрирована возможность генерации высокочастотных последовательностей мощных лазерных импульсов. Кроме этого, недостатком известного лазер-тиристора является низкое блокирующее напряжение и низкий выход годных, связанный с тем, что обратносмещенный р-n переход выходит на все четыре естественно сколотые грани. Латеральный волновод известного лазера-тиристора сформирован мезаканавками, вытравленными через волноводные слои, что приводит к генерации высокодобротных мод и большой расходимости излучения в плоскости, параллельной слоям гетероструктуры, что является недостатком.
Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков является лазер-тиристор (см. [патент RU 2557359, МПК H01S 5/00, опубл. 20.07.2015], принятый нами за прототип), который содержит катодную область, включающую подложку n-типа проводимости, по меньшей мере один широкозонный слой n-типа проводимости, анодную область, включающую контактный слой р-типа проводимости, по меньшей мере один широкозонный слой р-типа проводимости, по меньшей мере один из которых одновременно является слоем оптического ограничения лазерной гетероструктуры и эмиттером, инжектирующим дырки в активную область, первую базовую область, включающую по меньшей мере один слой р-типа проводимости и примыкающую к широкозонному слою катодной области, вторую базовую область, примыкающую к первой базовой области, включающую по меньшей мере один широкозонный слой n-типа проводимости, одновременно являющийся слоем оптического ограничения лазерной гетероструктуры и эмиттером, инжектирующим электроны в активную область, волноводную область, расположенную между анодной областью и второй базовой областью, включающую нелегированный слой, в котором расположена активная область, состоящая по меньшей мере из одного квантоворазмерного активного слоя, оптический Фабри-Перо резонатор, образованный первой естественно сколотой гранью с нанесенным просветляющим покрытием и второй естественно сколотой гранью с нанесенным отражающим покрытием, первый омический контакт к анодной области, сформированный со стороны свободной поверхности контактного слоя р-типа проводимости и формирующий область инжекции через активную область, область инжекции под первым омическим контактом заключена между первой и второй пассивными областями, второй омический контакт к катодной области, сформированный со стороны свободной поверхности подложки n-типа проводимости, мезаканавку, вытравленную в первой пассивной области вдоль первого омического контакта, и дно мезаканавки, расположенное во второй базовой области, третий омический контакт ко второй базовой области, расположенный на дне мезаканавки, третья естественно сколотая грань перпендикулярна дну мезаканавки и ограничивает первую пассивную область, а четвертая естественно сколотая грань ограничивает вторую пассивную область.
Конструкция кристалла известного лазер-тиристора получена путем скалывания вдоль плоскостей естественного скола (110), формируя четыре естественно сколотые грани. При этом естественно сколотые грани перпендикулярны всем слоям структуры, в том числе обратносмещенному р-n переходу. Недостатком известного лазер-тиристора является низкое блокирующее напряжение и низкий выход годных, связанный с тем, что обратносмещенный р-n переход выходит на все четыре естественно сколотые грани. Латеральный волновод известного лазера-тиристора сформирован мезаканавками, вытравленными через волноводные слои, что приводит к генерации мод высшего порядка и большой расходимости излучения в плоскости, параллельной слоям гетероструктуры, что является недостатком.
Техническим результатом настоящего изобретения предложенного лазера-тиристора, является увеличение максимального блокирующего напряжения и увеличение выхода годных при уменьшении величины растекания тока инжекции и расходимости лазерного излучения в плоскости, параллельной слоям гетероструктуры.
Технический результат достигается тем, что предложенный лазер-тиристор, включающий подложку n-типа проводимости и имеющуюся на ней гетероструктуру, содержит катодную область, включающую упомянутую подложку n-типа проводимости и по меньшей мере один широкозонный слой n-типа проводимости, анодную область, включающую контактный слой р-типа проводимости и по меньшей мере один широкозонный слой р-типа проводимости, по меньшей мере один из которых одновременно является слоем оптического ограничения лазерной гетероструктуры и эмиттером, инжектирующим дырки в активную область, первую базовую область, примыкающую к широкозонному слою катодной области, включающую по меньшей мере один слой р-типа проводимости, вторую базовую область, примыкающую к первой базовой области, включающую по меньшей мере один широкозонный слой n-типа проводимости, одновременно являющийся слоем оптического ограничения лазерной гетероструктуры и эмиттером, инжектирующим электроны в активную область, волноводную область, расположенную между анодной областью и второй базовой областью, включающую по меньшей мере активную область; оптический Фабри-Перо резонатор, образованный первой естественно сколотой гранью с просветляющим покрытием и второй естественно сколотой гранью с отражающим покрытием; первый омический контакт к анодной области, находящийся со стороны свободной поверхности контактного слоя р-типа проводимости, второй омический контакт к катодной области, находящийся со стороны свободной поверхности подложки n-типа проводимости. Кроме того, имеются первая мезаканавка с дном во второй базовой области и с боковой стороной, граничащей с плоскостью первого омического контакта, третий омический контакт ко второй базовой области, расположенный на дне первой мезаканавки, а также третья и четвертая естественно сколотые грани, перпендикулярные плоскости второго омического контакта и первой и второй естественно сколотым граням. Отличием является то, что с каждой стороны первого омического контакта, расположено по одной группе мезаканавок, каждая из них включает по меньшей мере одну введенную вторую мезаканавку с дном в анодной области, по меньшей мере одна из которых примыкает к первому омическому контакту, упомянутую первую мезаканавку, расположенную на расстоянии F>0.1*W, где W - ширина первого омического контакта, мкм, от ближайшей границы первого омического контакта, введенную третью мезаканавку, расположенную на расстоянии G>0.1*D, где D - ширина третьего омического контакта, мкм, от ближайшей границы третьего омического контакта, дно которой расположено в катодной области, при этом третья и четвертая естественно сколотые грани менее толщины катодной области и пересекают дно соответствующей третьей мезаканавки.
Технический результат достигается также тем, что контактный слой и первый омический контакт дополнительно разделен по меньшей мере одной второй мезаканавкой.
Технический результат достигается также тем, что легированная область содержит в качестве легирующей примеси n-типа проводимости элемент, выбранный из группы: Si, Те, Ge, Sn, или их комбинация.
Технический результат достигается также тем, что легированная область содержит в качестве легирующей примеси р-типа проводимости элемент, выбранный из группы: С, S, Mg, Be, Zn, или их комбинация.
3
5
Технический результат достигается также тем, что гетероструктура выполнена в системе твердых растворов АВ.
Заявляемый лазер-тиристор поясняется чертежами, где
на фиг. 1 изображен поперечный разрез известного лазер-тиристора;
на фиг. 2 изображен продольный разрез известного лазер-тиристора;
на фиг. 3 изображен поперечный разрез заявляемого лазер-тиристора, (показано расположение элементов 22-30);
на фиг. 4 изображен поперечный разрез заявляемого лазер-тиристора (показано расположение элементов 1-13 и 16 - 20);
на фиг. 5 изображен продольный разрез заявляемого лазер-тиристора.
Далее приводим список позиций, указанных на фигурах 1-5:
1 - катодная область,
2 - подложка n-типа проводимости,
3 - широкозонный слой n-типа проводимости катодной области,
4 - анодная область,
5 - контактный слой р-типа проводимости,
6 - широкозонный слой р-типа проводимости анодной области,
7 - первая базовая область,
8 - слой р-типа проводимости первой базовой области,
9 - вторая базовая область,
10 - широкозонный слой n-типа проводимости второй базовой области,
11 - первая мезаканавка,
12 - волноводная область,
13- активная область,
14 - первая естественно сколотая грань с нанесенным просветляющим покрытием,
15 - вторая естественно сколотая грань с нанесенным отражающим покрытием,
16 - первый омический контакт,
17 - дно первой мезаканавки,
18 - второй омический контакт,
19 - боковая поверхность первой мезаканавки,
20 - третий омический контакт,
21 - область инжекции,
22 - первая пассивная область,
23 - вторая пассивная область,
24 - третья естественно сколотая грань,
25 - четвертая естественно сколотая грань,
26 - вторая мезаканавка,
27 - дно второй мезаканавки,
28 - третья мезаканавка,
29 - боковая поверхность третьей мезаканавки,
30 - дно третьей мезаканавки.
Известный лазер-тиристор, в соответствии с упомянутым патентом RU 2557359 (см. фиг. 1 и фиг. 2) содержит катодную область 1, включающую подложку n-типа проводимости 2, широкозонный слой n-типа проводимости 3, анодную область 4, включающую контактный слой р-типа проводимости 5, широкозонный слой р-типа проводимости 6, одновременно являющийся слоем оптического ограничения лазерной гетероструктуры и эмиттером, инжектирующим дырки в активную область 13, первую базовую область 7, примыкающую к широкозонному слою 3 катодной области 1, включающую по меньшей мере один слой р-типа проводимости 8, примыкающую к первой базовой области 7 вторую базовую область 9, включающую широкозонный слой n-типа проводимости 10, одновременно являющийся слоем оптического ограничения лазерной гетероструктуры и эмиттером, инжектирующим электроны в активную область 13, волноводную область 12, расположенную между анодной областью 4 и второй базовой областью 9, включающую активную область 13; оптический Фабри-Перо резонатор, образованный первой естественно сколотой гранью 14 с нанесенным просветляющим покрытием и второй естественно сколотой гранью 15 с нанесенным отражающим покрытием; первый омический контакт 16 к анодной области 4, сформированный со стороны свободной поверхности контактного слоя р-типа проводимости 5, и формирующий область инжекции 21 через активную область 13, область инжекции 21 под первым омическим контактом 16 заключена между первой 22 и второй 23 пассивными областями, второй омический контакт 18 к катодной области 1, сформированный со стороны свободной поверхности подложки 2 n-типа проводимости; первую мезаканавку 11 (единственную в известном лазере - тиристоре), вытравленную в первой пассивной области 22, с боковой поверхностью 19, граничащей с плоскостью первого омического контакта 16, и с дном 17 первой мезаканавки 11, расположенным во второй базовой области 9; третий омический контакт 20 ко второй базовой области 9, расположенный на дне 17 первой мезаканавки 11; а также содержит третью естественно сколотую грань 24, перпендикулярную дну 17 первой мезаканавки 11, расположенному в первой пассивной области 22 и четвертую естественно сколотую грань 25, ограничивающую вторую пассивную область 23.
Предлагаемый лазер-тиристор (см. фигуры 3-5) содержит катодную область 1, включающую подложку n-типа проводимости 2, широкозонный слой n-типа проводимости 3, анодную область 4, включающую контактный слой р-типа проводимости 5, широкозонный слой р-типа проводимости 6, одновременно являющийся слоем оптического ограничения лазерной гетероструктуры и эмиттером, инжектирующим дырки в активную область 13, первую базовую область 7, примыкающую к широкозонному слою 3 катодной области 1, включающую по меньшей мере один слой р-типа проводимости 8, вторую базовую область 9, примыкающую к первой базовой области 7, включающую по меньшей мере один широкозонный слой n-типа проводимости 10, одновременно являющийся слоем оптического ограничения лазерной гетероструктуры и эмиттером, инжектирующим электроны в активную область 13, волноводную область 12, расположенную между анодной областью 4 и второй базовой областью 9, включающую активную область 13; оптический Фабри-Перо резонатор, образованный первой естественно сколотой гранью 14 с нанесенным просветляющим покрытием и второй естественно сколотой гранью 15 с нанесенным отражающим покрытием; первый омический контакт 16 к анодной области 4, сформированный со стороны свободной поверхности контактного слоя р-типа проводимости 5, и формирующий область инжекции через активную область 13, второй омический контакт 18 к катодной области 1, сформированный со стороны свободной поверхности подложки 2 n-типа проводимости, область инжекции 21 под первым омическим контактом 16 через активную область 13 заключена между первой 22 и второй 23 пассивными областями. В соответствии с фигурами 3-5 в каждой пассивной области расположено по одной группе мезаканавок, каждая группа мезаканавок включает по меньшей мере одну вторую мезаканавку 26, примыкающую к первому омическому контакту 16, дно 27 второй мезаканавки 26 расположено в анодной области 4, первую мезаканавку 11, дно 17 первой мезаканавки 11 расположено в второй базовой области 7, третий омический контакт 20 ко второй базовой области 9, расположенный на дне 17 первой мезаканавки 11, причем первая мезаканавка 11 расположена на расстоянии F>0.1*W, где W - ширина первого омического контакта, мкм, от ближайшей границы первого омического контакта, третью мезаканавку 28, расположенную на расстоянии G>0.1*D, где D - ширина третьего омического контакта 20, мкм, от ближайшей границы третьего омического контакта 20, дно 30 третьей мезаканавки 28 расположено в катодной области 1 и, следовательно, вертикальные размеры третьей естественно сколотой грани 24, перпендикулярной дну 30 третьей мезаканавки 28, расположенной в первой пассивной области 22, и четвертой естественно сколотой грани 25, перпендикулярной дну 30 третьей мезаканавки 28, расположенной во второй пассивной области 23 менее толщины катодной области.
Предложенное новое и оригинальное решение с наличием существенных отличий, а именно, дополнительных мезаканавок, определенным расположением всех мезаконавок по отношению друг к другу и к первому и третьему омическим контактам, взаимовлияние упомянутых признаков позволило достигнуть совокупный и не суммарный технический результат - увеличение максимального блокирующего напряжения и выхода годных заявляемого лазера-тиристора при уменьшении величины растекания тока инжекции и расходимости лазерного излучения в плоскости, параллельной слоям гетероструктуры, что было также подтверждено эмпирически. Так, предложенное использование третьей мезаканавки, расположение первой и третьей мезаканавок привело к существенному снижению количества дефектов. При этом расположение третьей мезаканавки обеспечивает то, что третья и четвертые сколотые грани не пересекают область обратносмещенного коллекторного р-n перехода, таким образом, существенно снижая количество дефектов (именно большое количество дефектов является одним из факторов, приводящих к снижению блокирующего напряжения и уменьшению выхода годных). Кроме этого, предложенное использование и расположение второй мезаканавки формирует область инжекции таким образом, что ток инжекции не растекается до боковой поверхности первой мезаканавки, на которую выходит активная область, чему также препятствует введенное расположение первой мезаканавки. Именно высокая концентрация электронов и дырок в активной области приводит к высокой скорости безызлучательной рекомбинации через поверхностные состояния, сформированные оборванными связями атомов на боковой поверхности первой мезаканавки. Высокая скорость безызлучательной рекомбинации дает сильный локальный разогрев, что приводит к снижению выхода годных. В прототипе растекание тока инжекции без использования второй мезаканавки совместно с расположением первой мезаканавки происходит через контактный слой р-типа проводимости, расположенный в анодной области. Введенная вторая мезаканавка разрывает непрерывность контактного слоя р-типа проводимости, таким образом, предотвращает растекание тока до боковой поверхности первой мезаканавки. Кроме этого, растекание тока приводит к тому, что переход во включенное состояние может быть осуществлен при малых сигналах, функцию которых могут выполнять шумы или электромагнитные наводки на третьем омическом контакте, что существенно снижает максимальное блокирующее напряжение. Снижение растекания за счет введения первой мезаканавки позволяет снизить чувствительность структуры к сигналам управления и повысить максимальное блокирующее напряжение. Те же факторы влияют на снижение расходимости лазерного излучения в плоскости, параллельной слоям гетероструктуры заявляемого лазера-тиристора. Снижение расходимости обеспечивается за счет того, что не возникает генерация мод высшего порядка в латеральном волноводе, который сформирован второй мезаканавкой, расположенной в первой пассивной области и второй мезаканавкой, расположенной во второй пассивной области, которые не пересекают волноводные слои гетероструктуры, и в меньшей степени первыми мезаканавками, пересекающими волноводные слои (как было в прототипе).
Для повышения выхода годных и увеличения блокирующего напряжения, снижения величины растекания тока инжекции и расходимости лазерного излучения должны быть минимизированы воздействия всех указанных выше факторов, наличие каждого из которых повышает эффективность воздействия остальных факторов.
При введении дополнительных вторых мезаканавок между мезаканавками, примыкающими с двух сторон к первому омическому контакту, получена прерывистость как первого омического контакта, так и контактного слоя р-типа проводимости под ним, что привело к большему снижению растекания тока инжекции и снижению расходимости.
Предлагаемый лазер-тиристор работает следующим образом.
Лазер-тиристор подключается к постоянному источнику напряжения. К первому 16 и второму 18 омическому контакту прикладывается разность потенциалов от постоянного источника напряжения так, что положительный потенциал соответствует анодной области 4, а отрицательный - катодной области 1, при этом лазер-тиристор находится в закрытом состоянии.
В первой части измеряем максимальное блокирующее напряжение, как максимальное напряжение, при котором лазер-тиристор находится в закрытом состоянии. Во второй части измеряем пиковую оптическую мощность и расходимость излучения в плоскости, параллельной слоям гетероструктуры, и делаем оценку растекания тока. Лазер-тиристор, параллельно с конденсатором подключается к постоянному источнику напряжения. К первому 16 и второму 18 омическому контакту прикладывается разность потенциалов от постоянного источника напряжения, соответствующая выбранному рабочему напряжению, так, что положительный потенциал соответствует анодной области 4, а отрицательный - катодной области 1, при этом лазер-тиристор находится в закрытом состоянии. На первом этапе происходит зарядка конденсатора до рабочего напряжения от постоянного источника напряжения, при этом лазер-тиристор находился в закрытом состоянии с высоким сопротивлением. На втором этапе подачей управляющего импульса к третьему омическому контакту 20, который обеспечивает прямое смещение р-n перехода между анодной областью 4 и второй базовой областью 9, лазер-тиристор переводится в открытое состояние, характеризуемое малым последовательным сопротивлением, что обеспечивает протекание в цепи лазера-тиристора тока разрядки конденсатора. При протекании тока конденсатор разряжается, что формирует импульс тока и оптической мощности. Производим измерение пиковой мощности и расходимости излучения в плоскости, параллельной слоям гетероструктуры по известным стандартным методикам (Diode Lasers and Photonic Integrated Circuits, 2nd Edition by Larry A. Coldren (Author), Scott W. Corzine (Author), Milan L. Mashanovitch (Author), ISBN-10: 9780470484128). Для оценки растекания тока измеряется распределение интенсивности спонтанного излучения в ближней зоне в плоскости, параллельной слоям гетероструктуры по известным стандартным методикам (см., например, Martin Achtenhagen and Amos Hardy, «Lateral current spreading in ridge waveguide laser diodes», Appl. Phys. Lett.,, 74(10), p. 1364-1366, 8 March 1999).
Указанную последовательность действий проделываем для выборки из не менее чем 30 образцов лазеров-тиристоров из одной структуры и определяем выход годных, как долю приборов, для которых отклонение пиковой мощности и максимального блокирующего напряжения от максимального значения, полученного в выборке, не превышает 10%.
Пример 1.
0.35
0.65
0.35
0.65
0.3
0.7
B1
0.15
0.85
18
-3
18
-3
19
-3
18
-3
Проведем измерения максимального блокирующего напряжения, пиковой мощности, расходимости лазерного излучения в плоскости, параллельной слоям гетероструктуры для лазера-тиристора на основе известной конструкции. За базовую лазерную гетероструктуру возьмем лазерную часть конструкции, представленной в работе (Slipchenko, S.О., Podoskin, A.A., Soboleva, О.S., Pikhtin, N.A., Bagaev, Т.A., Ladugin, М.A., «Effect of the spatial current dynamics on radiative characteristics of high-power lasers-thyristors based on AlGaAs/GaAs heterostructures.», Journal of Applied Physics, 121(5), 2017, 054502. https://doi.org/10.1063/l.4975411), включающую широкозонный эмиттер n-типа проводимости 10 на основе слоя AlGaAs, легированный кремнием до концентрации 10 см и р-типа проводимости 6 на основе слоя AlGaAsAs, легированного углеродом до концентрации 10 см, толщина каждого эмиттера 2 мкм, контактный слой 5 р-типа проводимости на основе слоя GaAs, легированный углеродом до концентрации 2*10 см, толщиной 0.3 мкм, нелегированную волноводную область 12 с волноводными слоями на основе AlGaAs, толщиной 0.4 мкм, и активной областью 13 на основе InGaAs, толщиной 10 нм. Толщина первой базовой области 7 D=4 мкм. Коллекторная область выполнена на основе слоя AlGaAs n-типа проводимости 3, толщиной 0.5 мкм, легированного кремнием до концентрации 10 см. Длина Фабри-Перо резонатора взята 1 мм, коэффициент отражения просветляющего покрытия 5% на естественно сколотой грани 14, коэффициент отражения отражающего покрытия 95% на естественно сколотой грани 15. Ширина первого 16 и третьего 20 омического контакта выбрана 200 мкм, что обеспечивает технологическую простоту монтажа электрического контакта. Глубина или боковая поверхность 19 первой мезаканавки 11 составляет 3.8 мкм, что обеспечивает возможность формирования третьего омического контакта 20 ко второй базовой области 9.
Лазер-тиристор подключается к постоянному источнику напряжения. К первому 16 и второму 18 омическому контакту прикладывается разность потенциалов от постоянного источника напряжения так, что положительный потенциал соответствует анодной области 4, а отрицательный - катодной области 1, при этом лазер-тиристор находится в закрытом состоянии. В первой части измеряем максимальное блокирующее напряжение, как максимальное напряжение, при котором лазер-тиристор находится в закрытом состоянии. Указанную последовательность действий проделываем для выборки из 30 образцов лазеров-тиристоров из описанной выше конструкции. Максимальное блокирующее напряжение составило 25 В, при этом для 13 кристаллов из 30 отклонение не превышало 10%.
Во второй части измеряем пиковую оптическую мощность и расходимость излучения в плоскости, параллельной слоям гетероструктуры, и делаем оценку растекания тока. Лазер-тиристор, параллельно с конденсатором 100 нФ подключается к постоянному источнику напряжения. К первому 16 и второму 18 омическому контакту прикладывается разность потенциалов от постоянного источника напряжения, соответствующая выбранному рабочему напряжению 15 В, так, что положительный потенциал соответствует анодной области 4, а отрицательный - катодной области 1, при этом лазер-тиристор находится в закрытом состоянии. На первом этапе происходит зарядка конденсатора до рабочего напряжения 15 В от постоянного источника напряжения, при этом лазер-тиристор находился в закрытом состоянии с высоким сопротивлением. На втором этапе подачей управляющего импульса амплитудой 100 мА к третьему омическому контакту 20, который обеспечивает прямое смещение р-n перехода между анодной областью 4 и второй базовой областью 9, лазер-тиристор переводится в открытое состояние, характеризуемое малым последовательным сопротивлением, что обеспечивает протекание в цепи лазера-тиристора тока разрядки конденсатора. При протекании тока конденсатор разряжается, что формирует импульс тока и оптической мощности. На основании известных методик было проведено измерение пиковой мощности и расходимости излучения в плоскости, параллельной слоям гетероструктуры для выборки из 30 лазеров-тиристоров описанной выше структуры. Максимальное значение пиковой рабочей мощности достигало 24 Вт, при этом для 16 кристаллов из 30 отклонение не превышало 10%. Из отобранных 16 кристаллов только для 12 максимальное блокирующее напряжение удовлетворяло указанным требованиям. Поэтому окончательно в выборке остается только 12 кристаллов которые одновременно удовлетворяют требованию отбора для максимального блокирующего напряжения и пиковой рабочей мощности, таким образом, выход годных для известной конструкции лазер-тиристора 40%.
Измерение расходимости излучения лазеров-тиристоров известной конструкции в плоскости, параллельной слоям гетероструктуры, дало значение 30 градусов на уровне половина от максимума.
Сделаем оценку растекания тока. Для этого проведем измерение распределения интенсивности спонтанного излучения в ближней зоне в плоскости, параллельной слоям гетероструктуры. Измерение показало, что распределение интенсивности спонтанного излучения в ближней зоне ограничивается боковой поверхностью 19 первой мезаканавки 11. Данный результат подтверждает факт того, что за счет растекания ток достигает боковой поверхности 19 первой мезаканавки 11.
Пример 2
0.35
0.65
0.35
0.65
-
0.3
0.7
B1
0.15
0.85
18
-3
18
3
19
-3
18
-3
Проведем измерения максимального блокирующего напряжения, пиковой мощности, расходимости лазерного излучения в плоскости, параллельной слоям гетероструктуры, и сделаем оценку растекания тока для заявляемого лазера-тиристора. За базовую лазерную гетероструктуру возьмем лазерную часть конструкции, представленной в работе (Slipchenko, S.О., Podoskin, A.A., Soboleva, О.S., Pikhtin, N.A., Bagaev, Т.A., Ladugin, М.A., «Effect of the spatial current dynamics on radiative characteristics of high-power lasers-thyristors based on AlGaAs/GaAs heterostructures.», Journal of Applied Physics, 121(5), 2017, 054502. https://doi.org/10.1063/L4975411), включающую широкозонный эмиттер n-типа проводимости 10 на основе слоя AlGaAs, легированный кремнием до концентрации 10 см и р-типа проводимости 6 на основе слоя AlGaAs, легированный углеродом до концентрации 10 см, толщина каждого эмиттера 2 мкм, контактный слой 5 р-типа проводимости на основе слоя GaAs, легированный углеродом до концентрации 2*10 см, толщиной 0.3 мкм, нелегированную волноводную область 12 с волноводными слоями на основе AlGaAs, толщиной 0.4 мкм, и активной областью 13 на основе InGaAs, толщиной 10 нм. Толщина первой базовой области 7 D=4 мкм. Коллекторная область выполнена на основе слоя AlGaAs n-типа проводимости 3, толщиной 0.5 мкм, легированного кремнием до концентрации 10 см. Длина Фабри-Перо резонатора взята 1 мм, коэффициент отражения просветляющего покрытия 5% на естественно сколотой грани 14, коэффициент отражения отражающего покрытия 95% на естественно сколотой грани 15. Ширина первого 16 и третьего 20 омического контакта выбрана 200 мкм, что обеспечивает технологическую простоту монтажа электрического контакта.
Вторые мезаканавки 26, примыкающие к первому омическому контакту 16, вытравлены в первой 22 и второй 23 пассивных областях. Их глубина 2 мкм так, что их дно 27 расположено в анодной области 4. Первые мезаканавки 11 вытравлены в первой 22 и второй 23 пассивных областях таким образом, что расстояние до ближайшей границы первого омического контакта 16 составляет 50 мкм, что больше, чем 0.1*200 мкм, где 200 мкм - это ширина первого омического контакта 16, при этом дно 17 первых мезаканавок 11 расположено во второй базовой области 9, и третий омический контакт 20 ко второй базовой области 9, расположен на дне 17 первой мезаканавки 11. Третья мезаканавка 28 расположена в первой 22 и второй 23 пассивной области на расстоянии 25 мкм от ближайшей границы третьего омического контакта 20, что больше, чем 0.1*200 мкм, где 200 мкм - это ширина третьего омического контакта 20, при этом дно 30 третьей мезаканавки 28 расположено в подложке 2 n-типа, т.е. в катодной области 1. Третья естественно сколотая грань 24 перпендикулярна дну 30 третьей мезаканавки 28, расположенной в первой пассивной области 22, а четвертая естественно сколотая грань 25 перпендикулярна дну 30 третьей мезаканавки 28, расположенной во второй пассивной области 23.
Заявляемый лазер-тиристор подключается к постоянному источнику напряжения. К первому 16 и второму 18 омическому контакту прикладывается разность потенциалов от постоянного источника напряжения так, что положительный потенциал соответствует анодной области 4, а отрицательный - катодной области 1, при этом лазер-тиристор находится в закрытом состоянии. В первой части измеряем максимальное блокирующее напряжение, как максимальное напряжение, при котором лазер-тиристор находится в закрытом состоянии. Указанную последовательность действий проделываем для выборки из 30 образцов заявляемых лазеров-тиристоров. Максимальное блокирующее напряжение составило 29 В, при этом для 25 кристаллов из 30 отклонение не превышало 10%, то есть получено более высокое максимальное блокирующее напряжение для в два раза большего числа кристаллов.
Во второй части измеряем пиковую оптическую мощность и расходимость излучения в плоскости, параллельной слоям гетероструктуры. Лазер-тиристор, параллельно с конденсатором 100 нФ подключается к постоянному источнику напряжения. К первому 16 и второму 18 омическому контакту прикладывается разность потенциалов от постоянного источника напряжения, соответствующая выбранному рабочему напряжению 15 В, так, что положительный потенциал соответствует анодной области 4, а отрицательный - катодной области 1, при этом лазер-тиристор находится в закрытом состоянии. На первом этапе происходит зарядка конденсатора до рабочего напряжения 15 В от постоянного источника напряжения, при этом лазер-тиристор находился в закрытом состоянии с высоким сопротивлением. На втором этапе подачей управляющего импульса амплитудой 100 мА к третьему омическому контакту 20, который обеспечивает прямое смещение р-n перехода между анодной областью 4 и второй базовой областью 9, лазер-тиристор переводится в открытое состояние, характеризуемое малым последовательным сопротивлением, что обеспечивает протекание в цепи лазера-тиристора тока разрядки конденсатора. При протекании тока конденсатор разряжается, что формирует импульс тока и оптической мощности. На основании известных методик было проведено измерение пиковой мощности и расходимости излучения в плоскости, параллельной слоям гетероструктуры для выборки из 30 лазеров-тиристоров, описанной выше структуры. Пиковая рабочая мощность достигала 25 Вт, при этом для 28 кристаллов из 30 отклонение не превышало 10%. Из отобранных 28 кристаллов только для 25 максимальное блокирующее напряжение удовлетворяло указанным требованиям. Поэтому окончательно в выборке остается только 25 кристаллов, которые одновременно удовлетворяют требованию отбора для максимального блокирующего напряжения и пиковой рабочей мощности, таким образом выход годных для предлагаемой конструкции лазер-тиристора 83%, то есть в два раза увеличен выход годных по сравнению с прототипом.
Измерение расходимости излучения лазеров-тиристоров заявляемой конструкции в плоскости, параллельной слоям гетероструктуры, дало значение 16 градусов на уровне половина от максимума - получено снижение расходимости излучения практически в два раза по сравнению с прототипом.
Сделаем оценку растекания тока лазеров-тиристоров заявляемой конструкции. Для этого проведем измерение распределения интенсивности спонтанного излучения в ближней зоне в плоскости, параллельной слоям гетероструктуры. Измерение показало, что распределение интенсивности спонтанного излучения в ближней зоне ограничивается вторыми мезаканавками 26, примыкающими к первому омическому контакту 16, вытравленными в первой 22 и второй 23 пассивных областях, тогда как у боковой поверхности 19 первой мезаканавки 11 спонтанное излучение отсутствует. Данный результат подтверждает факт того, что за счет использования вторых мезаканавок с заданным расположением растекание тока в лазерах-тиристорах заявляемой конструкции существенно снижено по сравнению с лазерами-тиристорами на основе известной конструкции.
Таким образом, заявляемая конструкция лазера-тиристора обеспечивает увеличение максимального блокирующего напряжения, увеличение выхода годных и снижение величины растекания тока инжекции и расходимости лазерного излучения в плоскости, параллельной слоям гетероструктуры.