ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ЛАЗЕР (ВАРИАНТЫ)
SEMICONDUCTOR LASER (VERSIONS)

Предложенная группа изобретений относится к квантовой электронной технике, касается вариантов устройства полупроводникового лазера с активной зоной, содержащей гетероструктуру с одной, или с несколькими квантовыми ямами в соединениях типа А3В5, который может быть использован в волоконно-оптических системах связи, в системах накачки твердотельных лазеров, в системах навигации, в медицинском оборудовании и т.д.
Обычно структура полупроводниковых лазеров представляет собой выращенные в определенной последовательности на полупроводниковой подложке буферный, ограничивающие, волноводные, активные и контактный слои. Обычно волноводный слой не легируется (или легируется незначительно), а ограничивающие слои легируются примесями донорных и акцепторных элементов, образуя p- и n-области.
Полупроводниковые лазеры при применении разнообразных стандартных конструкций на системах А3В5 позволяют получать когерентный монохроматичный пучок излучения в широком диапазоне длин волн (в частности, при применении систем с квантовыми ямами InGaAs различного состава диапазон длин волн составляет 0.93-2 мкм).
Волноводный эффект (достигаемый за счет эффекта “полного внутреннего отражения”) для распространяющейся в лазере (в частности, в лазере на основе двойной гетероструктуры с квантовыми ямами) электромагнитной волны возникает при условии, что показатель преломления волноводного слоя выше, чем показатели преломления ограничивающих слоев, и чем выше эта разница, тем лучше происходит локализация волны в волноводном слое.
Поскольку в конечном счете большая часть фронта волны распространяется в волноводном слое (остальная часть, как правило, затухает в ограничивающих слоях), то расходимость пучка в плоскости перпендикулярной p-n-переходу (обычно 20-50 градусов), определяется шириной волноводного слоя в плоскости, перпендикулярной p-n-переходу (обычно 0.3-4 мкм).
Ограничения основных параметров полупроводниковых лазеров часто связывают с оптическими потерями. В обычных лазерах существуют внутренние оптические потери, вносимые за счет рассеяния на гетерограницах “волновод - ограничивающие слои”.
Так, например, известны лазеры на основе двойной гетероструктуры с квантовыми ямами, в которых волноводный слой с активной зоной (одна или большее число квантовых ям) находятся между ограничивающими слоями («Лазеры на гетероструктурах» в 2-х томах, X. Кейси, М. Паниш, М., Мир, 1981, Т.2, 368 с., «Лазеры на основе полупроводниковых наногетероструктур», А.Е. Жуков, СПб, ООО «Техномедиа», Из-во «Элмор», 2007, 304 с.).
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому изобретению является полупроводниковый лазер, защищенный патентом US 5666375, опубл. 09.09.1997 г., кл. H01S 3/19, принятый за ближайший аналог (прототип).
1-x
x
y
1-y
Полупроводниковый лазер, по прототипу, включает InP подложку, буферный слой, верхний и нижний пассивные (т.е. в которых не происходит генерация излучения) волноводные слои, покровный слой и контактный слой. Полупроводниковый лазер включает также, по крайней мере, одну InGaAsP квантовую яму, лежащую между пассивными волноводными слоями, являющуюся активным слоем, находящуюся поверх InP подложки, активный слой имеет деформацию растяжения между 1% и 1.5%, лазерный активный слой InGaASP имеет состав, в котором x лежит в интервале между 0.42 и 0.55, у лежит в интервале между 0.6 и 0.75; полупроводниковый лазер генерирует в 1.3 мкм области. Волноводом служат пассивные волноводные слои. Волноводный эффект достигается за счет того, что показатель преломления волноводного слоев выше, чем показатели преломления буферного и покровного слоев (ограничивающих слоев).
Преимуществом и общим признаком с предлагаемым изобретением является использование квантовых ям в соединениях типа А3В5 для генерации излучения, что позволяет существенно снизить пороговые токи и позволяет использовать деформированные активные области (квантовые ямы) для генерации излучения, что, в свою очередь, позволяет снизить пороговые токи и управлять поляризацией излучения.
Однако прототип не лишен недостатков:
- во-первых, наличие пассивных волноводных слоев усложняет процесс изготовления лазера;
- во-вторых, использование пассивных волноводных слоев ухудшает модовую селективность лазерного волновода при использовании широких волноводов в лазерах, предназначенных для генерации больших мощностей (>1 Вт);
- в-третьих, формирование волновода за счет разности показателей преломления пассивных волноводных и ограничивающих слоев приводит к увеличению потерь в волноводе за счет рассеяния света на неровностях границ волноводных и ограничивающих слоев.
В задачу изобретения положено создание вариантов нового полупроводникового лазера.
Технический результат от использования группы изобретений заключается в снижении поперечной расходимости излучения, уменьшении внутренних оптических потерь в волноводе, удешевлении и упрощении производства.
18
18
-3
17
17
-3
19
19
-3
Поставленная задача достигается тем, что в полупроводниковом лазере, включающем гетероструктуру, выращенную на подложке, содержащую буферный слой, покровный слой, контактный слой, активную область, по крайней мере, с одной с активной квантовой ямой, выполненную в p-n- и/или в p-i-n-переходе, сформированном в окружающих ее слоях полупроводника, с показателем преломления активной квантовой ямы, превышающим показатели преломления окружающих ее слоев полупроводника, волновод сформирован всеми слоями гетероструктуры за счет разности показателей преломления активной квантовой ямы и окружающих ее слоев полупроводника, при этом подложка легирована сильнее, чем область с квантовой ямой, степень легирования подложки составляет 10-3*10 см; буферный слой выполнен с той же степенью легирования, что и подложка; покровный слой легирован слабо, слабее, чем подложка, степень легирования покровного слоя составляет 10-5*10 см; контактный слой легирован сильно, степень легирования контактного слоя составляет 10-5*10 см; в качестве полупроводников используют соединения типа А3В5 и их твердые растворы.
18
18
-3
17
17
-3
19
19
-3
Поставленная задача достигается также тем, что в полупроводниковом лазере, включающем гетероструктуру, выращенную на подложке, содержащую буферный слой, промежуточные слои, покровный слой, контактный слой, активную область с активными квантовыми ямами, выполненную в p-n- и/или в p-i-n-переходе, сформированном в окружающих слоях полупроводника, с показателями преломления активных квантовых ям, превышающими показатели преломления окружающих их слоев полупроводника, волновод сформирован всеми слоями гетероструктуры за счет разности показателей преломления активных квантовых ям и окружающих их слоев полупроводника, при этом подложка легирована сильнее, чем область с квантовыми ямами, степень легирования подложки составляет 10-3*10 см; буферный слой выполнен с той же степенью легирования, что и подложка; покровный слой легирован слабо, слабее, чем подложка, степень легирования составляет 10-5*10 см; контактный слой легирован сильно, степень легирования контактного слоя составляет 10-5*10 см; в качестве полупроводников используют соединения типа А3В5 и их твердые растворы.
На фиг.1 приведена схема предлагаемого полупроводникового лазера по 1 варианту.
На фиг.2 приведена схема предлагаемого полупроводникового лазера по 2 варианту.
x
1-x
На фиг.3 приведена таблица 1 с параметрами слоев предлагаемого полупроводникового лазера на InP подложке с 3 квантовыми ямами InGaAs.
x
1-x
На фиг.4. приведена таблица 2 с параметрами слоев предлагаемого полупроводникового лазера на на GaAs подложке с 6 квантовыми ямами InGaAs.
x
1-x
На фиг.5 приведена таблица 3 с параметрами слоев предлагаемого полупроводникового лазера на GaN подложке с 1 квантовой ямой InGaN.
Полупроводниковый лазер на фиг.1-2 содержит:
1 - подложку,
2 - буферный слой,
3 - активные квантовые ямы,
4 - промежуточные слои,
5 - покровный слой;
6 - контактный слой.
Полупроводниковый лазер представляет собой гетероструктуру, выращенную на подложке 1, по крайней мере, с одной активной квантовой ямой 3 и окружающими ее слоями полупроводника 2, 5, 6.
Гетероструктура включает: буферный слой 2, покровный слой 5, контактный слой 6.
Гетероструктура может содержать несколько активных квантовых ям 3 и промежуточных слоев 4 между ними.
Область с активной квантовой ямой 3 (активная область) выполнена в p-n- и/или в p-i-n-переходе, сформированном в окружающих слоях полупроводника 2, 5, 6, либо область с активными квантовыми ямами 3 (активная область) выполнена в p-n- и/или в p-i-n-переходе, сформированном в окружающих слоях полупроводника 2, 4, 5, 6.
Показатель преломления активной квантовой ямы 3 превышает показатели преломления окружающих ее слоев полупроводника 1, 2, 5, 6, либо показатели преломления активных квантовых ям 3 превышают показатели преломления окружающих их слоев полупроводника 1, 2, 4, 5, 6.
Волновод сформирован всеми слоями гетероструктуры за счет разности показателей преломления активной квантовой ямы 3 и окружающих ее слоев полупроводника 1, 2, 5, 6, либо волновод сформирован всеми слоями гетероструктуры за счет разности показателей преломления активных квантовых ям 3 и окружающих их слоев полупроводника 1, 2, 4, 5, 6.
18
18
-3
Подложка 1 легирована сильнее, чем область с квантовыми ямами 3, степень легирования подложки 1 составляет 10-3*10 см.
Буферный слой 2 выполнен с той же степенью легирования, что и подложка 1.
17
17
-3
Покровный слой 5 легирован слабо, слабее, чем подложка 1, степень легирования покровного слоя 5 составляет, например, 10-5*10 см.
19
19
-3
Контактный слой 6 легирован сильно, степень легирования контактного слоя 6 составляет 10-5*10 см.
В качестве полупроводников используют, например, соединения типа А3В5 и их твердые растворы.
Сборку предлагаемой полезной модели осуществляют следующим образом.
Гетероструктуру для полупроводникового лазера выращивают методами МОС-гидридной или молекулярно-лучевой эпитаксии. Производят, например, последовательный рост слоев 2, 3, 5, 6 на подложке 1 либо рост слоев 2, 3, 4, 5, 6 на подложке 1. Подложка 1, на которой производят рост гетероструктуры, должна иметь уровень легирования, больший в несколько раз, чем область с квантовыми ямами 3. На подложке 1 для компенсации дефектов выращивают буферный слой 2 с той же степенью легирования. Затем производят рост слоев с p-n (p-i-n)-переходом, в качестве активной области используют одну или несколько квантовых ям 3, разделенных окружающими слоями 4 с фоновым уровнем примеси. Затем производят, например, рост покровного слоя 5 с уровнем легирования немного выше, чем у области с квантовыми ямами 3, а также высоколегированный контактный слой 6. Для лазеров с токовой накачкой делают, например, металлические контакты к обратной стороне подложки 1 и к контактному слою 6. Зеркалами служат сколы граней либо сколы граней с нанесенными диэлектрическими покрытиями (увеличивающими на одной грани и уменьшающими на другой коэффициент отражения). Волновод формируют всеми слоями гетероструктуры. Волноводный эффект достигают за счет большего показателя преломления в квантовых ямах по сравнению с показателями преломления остальных слоев в гетероструктуре. Величина показателя преломления зависит от материала слоя и степени его легирования. Толщины и материалы слоев, профиль легирования подбирают так, чтобы во всей структуре сформировался волновод. Для этого необходимо, чтобы выполнялись следующие неравенства для ТЕ и ТМ волн волновода, соответственно:
и
,
1
2
3
где d - толщина квантовой ямы, N - число квантовых ям, λ - длина волны излучения лазера, L - суммарная толщина покровного и контактного слоев, n, n, n, - показатели преломления подложки, материала квантовых ям и воздуха (в лазере с оптической накачкой) либо металла (в лазере с токовой накачкой) соответственно.
В предлагаемом полупроводниковом лазере активность среды (квантовых ям 3) создают за счет инверсного распределения электронов между уровнями размерного квантования валентной зоны и зоны проводимости. Необходимая для инверсии большая концентрация электронов и дырок может быть создана разными способами: инжекцией в p-n (p-i-n)-переходе (токовая накачка), освещением мощным источником света (оптическая накачка). Активная среда должна сопрягаться с резонатором (волновод с зеркалами), и между ними осуществляется обратная связь. Когда выигрыш в энергии волны из-за взаимодействия с активной областью (усиление) становиться равным суммарным потерям (в том числе и на выход излучения из резонатора), устройство превращается в источник когерентного электромагнитного излучения (лазер).
Для предлагаемого полупроводникового лазера расходимость излучения в плоскости, перпендикулярной p-n-переходу, возможна в угловом интервале 1-30 градусов в зависимости от поперечного размера моды. Поперечным размером моды можно управлять, изменяя число, ширину и состав квантовых ям 3, а также их расположение. Возможность достижения малой расходимости излучения в плоскости, перпендикулярной p-n-переходу, дает значительный выигрыш из-за отсутствия или облегчения проблемы фокусировки излучения при применении в различных устройствах.
18
-3
17
17
-3
19
19
-3
Распространение волны происходит за счет волноводного эффекта, основанного на точном подборе толщин эпитаксиальных слоев и разницы показателей преломления области с квантовой ямой 3 и окружающих ее слоев полупроводника 1, 2, 5, 6 либо с квантовыми ямами 3 (активной области) и окружающих их слоев полупроводника 1, 2, 4, 5, 6, а также подборе профиля их легирования. Чем больше эта разница, тем лучше локализация моды (электромагнитной волны) в структуре и меньше порог генерации лазерного излучения. В предложенном полупроводниковом лазере подложку легируют сильнее, чем область с квантовой ямой по 1 варианту или чем область с квантовыми ямами по 2 варианту, степень легирования подложки выполняют составляющей 10-3*10 см, буферный слой выполняют с той же степенью легирования, что и подложку, покровный слой легируют слабо, слабее, чем подложку, степень легирования покровного слоя выполняют составляющей 10-5*10 см, контактный слой легируют сильно, степень легирования контактного слоя выполняют составляющей 10-5*10 см. В результате достигается значительное обужение диаграммы направленности в плоскости, перпендикулярной p-n-переходу в случае большого размера моды.
В предлагаемых вариантах конструкции полупроводникового лазера легко реализуется одномодовый волновод даже при поперечном размере моды, большем длины волны излучения, что является важным для создания мощных полупроводниковых лазеров с узкой диаграммой направленности.
Таким образом, в предлагаемых вариантах конструкции полупроводникового лазера исключается необходимость в присутствии дополнительных пассивных волноводных и ограничивающих слоев, что обеспечивает снижение внутренних потерь для электромагнитной волны за счет отсутствия дополнительных гетерограниц “волновод - ограничивающие слои”, снижение поперечной расходимости излучения, удешевляет и упрощает производство.
Кроме этого, предлагаемый полупроводниковый лазер обладает высоким потенциалом для его производства в промышленности, поскольку для изготовления приборов применяются стандартные, высоковоспроизводимые технологические операции, отработанные для создания систем на основе соединений А3В5 и их твердых растворов.
Ниже приведены примеры конкретного исполнения предлагаемой группы изобретений.
Пример 1
18
-3
16
-3
17
-3
19
-3
2
2
2
Подложка InP, на которой производят рост гетероструктуры, должна иметь уровень легирования, больший в несколько раз (к примеру, концентрация основных носителей 10 см), чем область с квантовыми ямами. На подложке для компенсации дефектов выращивают буферный слой InP с той же степенью легирования. Затем производят рост слоев InP/InGaAs с p-n (p-i-n)- переходом, в качестве активной области используют 3 квантовые ямы InGaAs с молярной долей In 53% толщиной 10 нм, разделенных промежуточными слоями InP толщиной 100 нм с фоновым уровнем примеси (концентрация основных носителей заряда 10 см). Затем производят рост покровного слоя InP толщиной 1000 нм с уровнем легирования немного выше, чем у области с квантовыми ямами (концентрация основных носителей заряда 10 см), а также высоколегированный (концентрация основных носителей заряда 2*10 см) контактный слой InP толщиной 200 нм. Волновод сформирован всеми слоями. Волноводный эффект достигается из-за большего показателя преломления в квантовых ямах по сравнению с показателями преломления остальных слоев в структуре. На основе этих гетероструктур были изготовлены полупроводниковые лазеры для оптической накачки со следующими параметрами: образец длиной 1 мм, ширина 1 см, зеркалами для обратной связи служили боковые сколы, порог генерации лазерного излучения достигался при плотности мощности накачки ~260 Вт/см, при температуре жидкого азота (77 К) и 2-10 кВт/см, при комнатной температуре (20°C). Длина волны излучения 1.5 мкм при температуре 20 C. Засвечивался полосок площадью ~0.2 мм. Измерения выполнены при накачке на длине волны 530 нм в импульсном режиме (длительность импульса 5 нc, частота 10 Гц) при температуре 20°C и непрерывном режиме при температуре жидкого азота.
Пример 2
18
-3
16
-3
17
-3
19
-3
2
2
Подложка GaAs, на которой производят рост структуры, должна иметь уровень легирования, больший в несколько раз (к примеру, концентрация основных носителей 10 см), чем область с квантовыми ямами. На подложке для компенсации дефектов выращивают буферный слой GaAs с той же степенью легирования. Затем производят рост слоев GaAs/InGaAs с p-n (p-i-n)-переходом, в качестве активной области используют 6 квантовых ям InGaAs с молярной долей In 20% толщиной 10 нм, разделенных слоями GaAs толщиной 200 нм с фоновым уровнем примеси (концентрация основных носителей заряда 10 см). Затем производят рост покровного слоя GaAs толщиной 1600 нм с уровнем легирования немного выше, чем у области с квантовыми ямами (концентрация основных носителей заряда 10 см), а также высоколегированный (концентрация основных носителей заряда 2*10 см) контактный слой GaAs толщиной 200 нм. Волновод сформирован всеми слоями. Волноводный эффект достигается из-за большего показателя преломления в квантовых ямах по сравнению с показателями преломления остальных слоев в структуре. На основе этих гетероструктур были изготовлены полупроводниковые лазеры для оптической накачки со следующими параметрами: образец длиной 2 мм, ширина 1 см, зеркалами для обратной связи служили боковые сколы, порог генерации лазерного излучения достигался при плотности мощности накачки ~10-20 кВт/см, при комнатной температуре (20°C). Длина волны излучения 0.965 мкм при температуре 20°C. Засвечивалось пятно площадью ~4 мм. Измерения выполнены при накачке на длине волны 530 нм в импульсном режиме (длительность импульса 5 нс, частота 10 Гц).
Пример 3
18
-3
17
-3
19
-3
Подложка GaN, на которой производят рост структуры, должна иметь уровень легирования, больший в несколько раз (к примеру, концентрация основных носителей 10 см), чем область с квантовыми ямами. На подложке для компенсации дефектов выращивают буферный слой GaN с той же степенью легирования. Затем производят рост слоев GaN/InGaN с p-n (p-i-n)-переходом, в качестве активной области используют 1 квантовую яму InGaN с молярной долей In 10% толщиной 10 нм. Затем производят рост покровного слоя GaN толщиной 800 нм с уровнем легирования немного выше, чем у области с квантовыми ямами (концентрация основных носителей заряда 10 см), а также высоколегированный (концентрация основных носителей заряда 2*10 см) контактный слой GaN толщиной 200 нм. Волновод сформирован всеми слоями. Волноводный эффект достигается из-за большего показателя преломления в квантовой яме по сравнению с показателями преломления остальных слоев в структуре. Длина волны излучения, использованная при расчетах, 0.4 мкм при температуре 20°C.