Активный элемент полупроводникового лазера с поперечной накачкой электронным пучком
ACTIVE ELEMENT OF SEMICONDUCTOR LASER WITH TRANSVERSE PUMPING BY ELECTRON BEAM

Изобретение относится к области квантовой электроники, а более конкретно к полупроводниковым лазерам с поперечной накачкой электронным или оптическим возбуждающим пучком, которые могут быть использованы при создании систем посадки самолетов и проводки судов, в интерферометрии, дальнометрии, в системах отображения информации, для мониторинга окружающей среды, в медицине и т.д.
Известны активные элементы лазеров с поперечной накачкой электронным пучком на основе полупроводниковых монокристаллов, представляющие собой прямоугольный параллелепипед из полупроводникового материала с плоскопараллельными боковыми гранями, образующими оптический резонатор (Богданкевич О.В., Дарзнек С.А., Елисеев П.Г. «Полупроводниковые лазеры». М.: «Наука», 1976). Грань параллелепипеда, перпендикулярная этим поверхностям, облучается электронным пучком - источником накачки лазера, противоположной гранью параллелепипед укрепляется (припаивается, приклеивается) на хладопроводе. Недостатком такого лазера является недостаточно высокая мощность и эффективность генерации, особенно при относительно низких (10-20 кэВ) значениях энергии U-электронного пучка, обусловленная в первую очередь большой величиной пороговой плотности тока пучка. Максимальная импульсная мощность такого лазера ограничена разрушением торца образца собственным лазерным излучением.
кр
кр
кр
7
2
Для снижения пороговой плотности тока возможно использование гетероструктур, в частности квантоворазмерных структур, что экспериментально продемонстрировано в целом ряде работ (например, М.М. Зверев, Н.А. Гамов, Е.В. Жданова, Д.В. Перегудов, В.Б. Студенов, С.В. Иванов, С.И. Гронин, И.В. Седова, С.В. Сорокин, П.С. Копьев. «Лазер зеленого диапазона на основе ZnSe-содержащих структур с накачкой электронным пучком с энергией менее 10 кэВ». Письма в ЖТФ, 2007, 33, 24, стр. 1-7). Активный элемент такого полупроводникового лазера представляет собой выращенную на подложке гетероструктуру, состоящую из чередующихся слоев полупроводниковых материалов с различными значениями ширины запрещенной зоны (и показателя преломления). В таких структурах за счет диффузии и дрейфа неравновесных носителей в активную область удается существенно увеличить их концентрацию в активной области лазера, а за счет организации оптического волновода - значительно уменьшить оптические потери на длине волны генерации. Все это вместе приводит к значительному уменьшению пороговой плотности тока и рабочей энергии электронов накачки. Однако в лазерах с поперечной накачкой, выполненных на основе гетероструктур, нельзя получить больших значений импульсной мощности. Ограничения выходной мощности, как и в лазерах на основе полупроводниковых монокристаллов, связаны с оптической прочностью материала активного элемента. Действительно, при плотности мощности оптического излучения порядка Р=10 Вт/см (эта величина является характерной для таких материалов, как GaAs, ZnO, и слегка зависит от материала активного элемента, от длительности импульса) активный элемент разрушается. Таким образом, для увеличения выходной мощности необходимо увеличивать площадь торца лазера, с которого выходит оптическое излучение. В лазерах с поперечной накачкой эта площадь S=hd, где d - поперечный размер накачиваемой области, h - линейный размер области, из которой выходит излучение лазера. Величина h в лазерах на основе гетероструктур немного превосходит размер оптического волновода, сформированного для ограничения оптического излучения в резонаторе лазера и, как правило, составляет не более ~1 мкм. Ограничения на величину d связаны с возрастанием влияния суперлюминесценции, т.е. усиления спонтанного излучения в активном элементе в направлениях, не совпадающих с осью оптического резонатора, на выходную мощность и эффективность лазера. Типичное значение величины d равно 0.2-0.5 мм. Таким образом, выходная мощность с одного лазера ограничена величиной Р=hdР. Для приведенных выше численных значений величин d, h и Р значение предельной мощности Р составляет 20-50 Вт.
В лазерах на основе полупроводниковых монокристаллов в 80-х годах прошлого века для увеличения выходной мощности было предложено использовать объемные разонаторы (С.С. Демидов, Е.В. Бибиков, А.Н. Власов, Г.С. Козина, Г. Сайгина. «Резонаторы с увеличенной площадью выходных зеркал в электроннолучевых квантовых генераторах» ж. «Квантовая электроника». Том 1, №5, 1974, стр. 1112-1116).
18
-3
Такой активный элемент полупроводникового лазера с поперечной накачкой 1 содержит по меньшей мере одну прямоугольную пластину 2, представляющую собой выращенный кристалл из полупроводникового материала, имеющий первую поверхность 3, облучаемую электронами, вторую поверхность 4, параллельную первой, которой она закреплена на подложке (хладопроводе) 5, и две боковые поверхности 6 (зеркала резонатора), образующие оптический резонатор (фиг. 1). У пластины 2 полупроводникового материала обе параллельные поверхности 3 и 4 отполированы, а зеркала резонатора для выхода 7 излучения, как обычно, получены путем скалывания. Толщина пластин составляла 0,1-0,4 мм. Длину пластины брали равной нескольким миллиметрам (1,5-6 мм). Поверхность 3 кристалла облучалась потоком быстрых электронов. Возбужденный (активный) слой 8 имел толщину 15-20 мкм. Остальная часть слоя 9 (невозбужденная) составляла пассивную область. Описанный выше резонатор был изготовлен из полированной с двух сторон пластинки GaAs, легированной Те до концентрации носителей 2-10 см. Пластинка была ориентирована по плоскости (100). Образец закреплялся на подложке (хладопроводе) 5, охлаждаемом жидким азотом.
Это решение принято в качестве прототипа.
1
1
В таком лазере (фиг. 1) усиление происходит в слое полупроводника, толщина которого определяется глубиной проникновения d (толщина приповерхностного слоя)электронов в кристалл, а излучение выходит из кристалла из области, определяемой геометрическими размерами объемного резонатора и значительно (более чем на порядок) превосходящей величину d. Благодаря этому максимальная мощность излучения, которая может быть достигнута в лазере, значительно увеличивается. При использовании для накачки электронов с энергией 100 кэВ были получены значения пиковой мощности 1,7 кВт с одиночного лазера и около 100 кВт при использовании лазерной сборки (С.С. Демидов, Г.С. Козина, Л.Н. Курбатов и др. «Объемные волноводные резонаторы для УФ области спектра». Ж-л «Квантовая электроника», 10, 4, 1983, стр. 880-883).
-1
Недостатком такой конструкции является, во-первых, то, что оптическое лазерное излучение с энергией кванта, близкой к значению ширины запрещенной зоны кристалла (что является характерным для полупроводниковых лазеров на основе монокристаллов), испытывает значительное поглощение в невозбужденной части объемного резонатора (как правило, коэффициент поглощения составляет величину порядка 30-100 см). Это приводит к увеличению потерь света и, соответственно, к возрастанию порогового коэффициента усиления и пороговой плотности тока. Потери можно уменьшить путем увеличения соотношения глубины проникновения электронов к толщине пластины. Но для этого приходится использовать электроны с высокой энергией, так как глубина проникновения электронов в кристалл возрастает с увеличением их энергии. Другим недостатком рассмотренной выше конструкции является то, что в монокристаллах вблизи поверхности, облучаемой электронным пучком, всегда присутствует приповерхностный нарушенный слой со значительной концентрацией дефектов-центров безызлучательной рекомбинации. Из-за этого для накачки также приходится использовать электроны с высокой энергией, глубина проникновения которых в образец превышает размер этого слоя.
Целью настоящего изобретения является разработка конструкции лазера, работающего при относительно низких значениях энергии электронов накачки, но обладающих повышенной выходной мощностью.
Настоящее изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в повышении выходной мощности излучения при снижении энергии электронов накачки.
Указанный технический результат достигается тем, что в активном элементе полупроводникового лазера с поперечной накачкой электронным пучком, содержащем, прямоугольную в плане пластину из полупроводникового материала, имеющую первую поверхность, облучаемую электронами, вторую поверхность, параллельную первой, которой она закреплена на подложке, и две боковые поверхности, представляющие собой поверхности, полученные от скалывания, и образующие оптический резонатор, пластина представляет собой многослойную полупроводниковую гетероструктуру, имеющую волноводный слой, расположенный вблизи первой поверхности, представляющую собой необработанную естественно выращенную поверхность, и имеющий оптическую связь с активным волноводным слоем пассивный волноводный слой с коэффициентом поглощения генерируемого в оптическом резонаторе излучения, меньшим коэффициента поглощения в активном волноводном слое, расположенный между активным волноводным слоем и подложкой, а толщина пассивного волноводного слоя превышает толщину активного волноводного слоя в 2-200 раз.
При этом гетероструктура может содержать последовательно расположенные от первой поверхности приповерхностный слой, активный волноводный слой, промежуточный слой, пассивный волноводный слой и буферный слой, причем показатель преломления активного волноводного слоя больше показателей преломления приповерхностного и промежуточного слоев, а показатель преломления пассивного волноводного слоя больше показателей преломления промежуточного и буферного слоев.
Или гетероструктура может содержать последовательно расположенные от первой поверхности приповерхностный слой, активный волноводный слой, промежуточный слой, пассивный волноводный слой и подложку, причем показатель преломления активного волноводного слоя больше показателей преломления приповерхностного и промежуточного слоев, а показатель преломления пассивного волноводного слоя больше показателей преломления промежуточного слоя и подложки.
А активный волноводный слой может иметь субструктуру, содержащую слои, являющиеся двумерными энергетическими квантовыми ямами для неравновесных носителей, либо слои с одномерными энергетическими ямами - квантовыми проволоками, либо слои с нульмерными энергетическими ямами - квантовыми точками.
На одну из боковых поверхностей пластины может быть нанесено высокоотражающее покрытие, а на другую боковую поверхность нанесено покрытие, частично пропускающее генерируемое излучение в области выхода пассивного волноводного слоя на эту поверхность и высокоотражающее на остальной площади этой боковой поверхности.
Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.
Настоящее изобретение поясняется конкретным примером исполнения, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения требуемого технического результата.
На фиг. 1 показано схематическое изображение активного элемента, представленного в прототипе;
фиг. 2 показан общий вид предлагаемого активного элемента на примере структуры GaN/InGaN/AlGaN, показывающей пространственную зависимость показателя преломления слоев структуры;
фиг. 3 показано схематическое изображение активного элемента лазера с поперечной накачкой электронным пучком с активным и пассивным волноводами.
Согласно настоящему изобретению рассматривается новая конструкция активного элемента полупроводникового лазера с поперечной накачкой электронным пучком.
Одной из главных задач создания малогабаритных электронно-лучевых лазеров является повышение мощности светового излучения при использовании пучка быстрых электронов сравнительно небольшой энергии (десятки килоэлектронвольт). Такая постановка задачи предопределяет выбор так называемой торцовой излучающей мишени, работающей в обычном режиме поперечного возбуждения, при котором зеркала резонатора перпендикулярны поверхности, бомбардируемой электронами.
Активный элемент выращивается в виде гетероструктуры (фиг. 1), содержащей два оптических связанных волновода-резонатора. Один из них является активным, в нем находится усиливающая среда, обеспечивающая режим генерации. За счет оптической связи часть излучения из активного резонатора перетекает в другой, пассивный резонатор, геометрические размеры которого значительно (в 2-200 раз) превосходят размеры активного резонатора (прежде всего речь идет о том, что толщина пассивного волноводного слоя превышает толщину активного волноводного слоя в 2-200 раз). Таким образом, излучение выходит из активного элемента как через торцы активного резонатора, так и через торцы пассивного резонатора. Так как площадь выходного торца последнего в 2-200 раз превышает площадь торца активного резонатора, предельная выходная мощность лазера значительно возрастает.
В общем случае активный элемент полупроводникового лазера с поперечной накачкой электронным пучком содержит одну прямоугольную в плане пластину (в общем случае параллелепипедной формы пластину), имеющую первую поверхность, облучаемую электронами, вторую поверхность, выполненную параллельно первой и которой она закреплена на хладопроводе или подложке, и две боковые поверхности, представляющие собой поверхности, полученные скалыванием концевых частей пластины, и образующие оптический резонатор.
Сама пластина представляет собой многослойную полупроводниковую гетероструктуру, имеющую волноводный слой, расположенный вблизи первой поверхности, и имеющий оптическую связь с активным волноводным слоем пассивный волноводный слой с малым коэффициентом поглощения генерируемого в активном волноводе излучения, расположенный между активным волноводным слоем и хладопроводом или подложкой.
Кроме того, существенным для такого активного элемента является то, что поверхность, через которую производится накачка электронным пучком, не обрабатывается, как это имеет место в прототипе, а является естественно выращенной кристаллической поверхностью структуры. В таком активном элементе приповерхностный слой, облучаемый электронным пучком, не имеет существенных структурных нарушений и дефектов - центров безызлучательной рекомбинации. В результате отсутствует необходимость применения электронов с высокой энергией для прохождения приповерхностного нарушенного слоя.
Толщина приповерхностного естественно выращенного и необработанного химически или механически слоя со стороны облучения электронами поперечной накачки меньше большей величины из двух величин: глубины проникновения электронов в гетероструктуру и длины диффузии неравновесных носителей заряда, образованных в гетероструктуре в результате ее облучения электронным пучком.
Пример такой структуры для системы на основе GaN/InGaN/AlGaN представлен на фиг. 2.
0.1
0.9
0.11
0.89
На подложке 5 из сапфира выращивается толстый (3-100 мкм) слой 10 нитрида галлия GaN, образующий пассивный волноводный слой лазера, вслед за которым наращивается слой AlGaN 11 с меньшим значением показателя преломления (по сравнению со слоем GaN 10), толщина которого примерно соответствует длине волны лазерного излучения в структуре или несколько превосходит ее (~0.2-1.0 мкм). Затем выращивается активный волноводный слой 12 толщиной 0.3-1.0 мкм. Активный волноводный слой 12 может представлять собой слой GaN или иметь субструктуру и содержать 2-10 тонких (1-3 нм) субслоя GaInN, являющиеся двумерными энергетическими квантовыми ямами для неравновесных носителей. Структура может также содержать субслои InGaN с одномерными энергетическими ямами - квантовыми проволоками, либо слои с нульмерными энергетическими ямами - квантовыми точками. Концентрация In и Al может изменяться в широких пределах, допускаемых условиями изоморфного роста гетероструктуры.
0.2
0.8
Структура заканчивается внешним ограничивающим слоем AlGaN 13 толщиной 10-30 нм, обладающим меньшим, по сравнению со слоем 12, значением показателя преломления (значение показателя преломления слоя 12, имеющего субструктуру, определяется в основном показателем преломления материала барьеров из GaN, а не материалом тонких субслоев). Из выращенной таким образом структуры изготавливаются оптические резонаторы (например, методом скалывания двух боковых поверхностей 6 (зеркала резонатора)). Расстояние между выходными зеркалами (длина резонатора L) может составлять от долей мм до нескольких мм. Поперечная накачка лазера производится электронным пучком со стороны слоя 13 через его необработанную естественно выращенную поверхность. По существу, в конструкции активного элемента содержатся не один, а два оптических резонатора - активный и пассивный - одинаковой длины L, отделенных друг от друга слоем 11 толщиной порядка длины волны лазерного излучения в образце.
В наиболее простом исполнении боковые поверхности 6 оптического резонатора (зеркала резонатора) получают методом скалывания концевых частей для образования плоских поверхностей с сохраненной кристаллической структурой. В этом случае зеркала параллельны друг другу и, как правило, перпендикулярны поверхности, облучаемой электронами. Однако могут быть использованы и более сложные конфигурации, особенно для пассивного резонатора. В общем случае выходящее из пластины излучение выходит с двух сторон пластины. Для формирования однонаправленного выхода излучения на одну из боковых поверхностей может быть нанесено высокоотражающее покрытие. Кроме того, для исключения выхода излучения из активного волновода на другую боковую поверхность активного элемента может быть нанесено покрытие, частично пропускающее генерируемое излучение в области выхода пассивного волноводного слоя на эту поверхность и высокоотражающее на остальной площади этой боковой поверхности.
Работает устройство следующим образом.
При поперечной накачке 1 лазера электронами с энергией до 10-15 кэВ энергия электронного пучка поглощается в слоях 13, 12 и 11, в которых генерируются неравновесные электроны и дырки. За время жизни эти носители заряда за счет диффузии и дрейфа во внутренних полях структуры (возникающих из-за разных значений ширины запрещенной зоны отдельных слоев) скапливаются в слое 12. В случае, когда слой 12 имеет субструктуру в виде квантовых ям, то неравновесные носители скапливаются в этих квантовых ямах, где происходит их рекомбинация с испусканием света. При достаточно большой концентрации носителей достигается состояние инверсии населенностей, и в активном слое происходит усиление излучения (фиг. 2).
Если усиление в активной среде компенсирует потери, происходит генерация когерентного оптического излучения. Часть излучения 14 из активного резонатора, образованного слоем 12, ввиду малой толщины слоя 11 проникает в пассивный резонатор 10. Это приводит к возбуждению колебаний в пассивном резонаторе. Промежуточный слой служит для связи пассивного и активного волноводов и при определенных условиях на толщины всех слоев и их показатели преломления выполняет функции селективного элемента для возбуждения мод пассивного резонатора. В результате в пассивном резонаторе возбуждается одна или несколько пространственных мод, имеющих малый угол расходимости в вертикальной плоскости (плоскости, проходящей через нормаль к структуре и ось резонатора). Излучение 15 возбуждаемой моды пассивного резонатора выходит наружу (через оба зеркала резонатора). Таким образом, часть излучения 14 выходит через выходную грань активного резонатора в слое 12, а часть - через выходную грань пассивного резонатора, образованного слоем 10. Так как толщина слоя 10, образующего пассивный резонатор, значительно превосходит толщину слоя 12, образующего активный резонатор лазера, площадь выходного торца лазера возрастает, что приводит к возможности достижения повышенных значений выходной импульсной мощности при пониженной энергии поперечной накачки. Кроме того, поскольку ширина моды велика, то расходимость одного лепестка излучения пассивного резонатора существенно сужается (на фиг. 3 видно, что излучение имеет два симметричных лепестка) по сравнения с расходимостью излучения активного волновода. Если на поверхность боковых граней в области выхода на них активного волновода нанести высокоотражающее покрытие, то можно заглушить активный резонатор, чтобы он не портил суммарную диаграмму направленности лазера.
В частности, гетероструктура может содержать последовательно расположенные от первой поверхности естественно выращенный и необработанный механически и химически приповерхностный слой (внешний ограничивающий слой 13), следующий за ним активный волноводный слой (волноводный слой 12), промежуточный слой (слой 11), пассивный волноводный слой (слой 10) и буферный слой 16, через который пассивный волноводный слой связан с подложкой 5. Причем показатель преломления активного волноводного слоя больше показателей преломления приповерхностного и промежуточного слоев, а показатель преломления пассивного волноводного слоя больше показателей преломления промежуточного и буферного слоев. Такой пример исполнения с буферным слоем 16 показан на фиг. 3.
В рассмотренных примерах подложка 5 рассматривалась как базовый элемент удержания структуры. В качестве подложки может быть использована ростовая подложка, используемая в процессе роста гетероструктуры. Эта ростовая подложка может быть закреплена на хладопроводе, выполненном необязательно из прозрачного материала, например из меди. Для достижения высокой средней мощности лазера теплопроводность ростовой подложки может быть недостаточно высокой для обеспечения необходимого теплоотвода от структуры к хладопроводу. В этом случае структура может быть перенесена на подложку из материала с большим коэффициентом теплопроводности. Если базовая подложка (ростовая или подложка, на которую перенесена выращенная гетероструктура) закрепляется на хладопроводе через прозрачный слой клея с меньшим показателем преломления либо имеет свободную полированную поверхность, то подложка может выполнять функции пассивного волновода.
Настоящее изобретение промышленно применимо и может быть изготовлено с использованием современных технологий выращивания кристаллов с гетероструктурой.