ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ВЕРТИКАЛЬНО-ИЗЛУЧАЮЩИЙ ЛАЗЕР С ВНУТРИРЕЗОНАТОРНЫМИ КОНТАКТАМИ
SEMICONDUCTOR VERTICALLY-EMITTING LASER WITH INTRACAVITY CONTACTS

Изобретение относится электронной технике, а более конкретно, к полупроводниковым лазерам с лучеиспускающей поверхностью (se-лазеры) и преимущественно к лазерам с вертикальным резонатором (vcse-лазеры), и может быть использовано для создания полупроводниковых вертикально-излучающих лазеров, работающих в ближнем ИК-диапазоне.
Полупроводниковые вертикально-излучающие лазеры широко применяют в высокоскоростных системах локальной оптической связи, различных типах оптических датчиков и сенсоров. Основным элементом конструкции вертикально-излучающего лазера является вертикальный оптический резонатор, содержащий светоизлучающую активную область, расположенную между верхним и нижним зеркалами в виде распределенных брэгговских отражателей (РБО) на основе чередующихся полупроводниковых или диэлектрических слоев с разными показателями преломления. В случае, когда оба РБО являются легированными (т.е. токопроводящими), обеспечивается относительная простота планарной технологии изготовления кристаллов, но требуется сложная конструкция эпитаксиальной структуры, обеспечивающая компромисс между низким пороговым током и малым сопротивлением приборов. Более того, ряд особенностей синтеза эпитаксиальных структур вертикально-излучающих лазеров методом молекулярно-пучковой эпитаксии не позволяет реализовывать легированные зеркала с высоким коэффициентом отражения в сочетании с низкими потерями на поглощение на свободных носителях, что ведет либо к сильному саморазогреву с током из-за низкой проводимости зеркал или высокого теплового сопротивления многослойных РБО (так как для компенсации падения отражательной способности легированного зеркала приходится увеличивать количество пар четвертьволновых слоев), либо к росту порогового тока из-за возрастания поглощения на свободных носителях и рассеяния на сильнолегированных гетероинтерфейсах. Предложены альтернативные варианты конструкций вертикально-излучающих лазеров, в которых один или оба РБО не проводят ток (т.е. являются нелегированными полупроводниковыми или диэлектрическими). В этом случае электрические контакты формируют к относительно тонким контактным слоям p- или n-типа, расположенным внутри оптического резонатора (т.н. внутрирезонаторные контакты). Вертикально-излучающие лазеры с внутрирезонаторными контактами потенциально обеспечивают более низкие внутренние оптические потери за счет отсутствия поглощения света на свободных носителях в легированных РБО (особенно на длинах волн более 1100 нм), а также идеально подходят для управления поляризацией лазерного излучения или для монтажа методом перевернутого кристалла. Однако вертикально-излучающие лазеры с внутрирезонаторными контактами требуют более сложной планарной технологии изготовления, ввиду необходимости прецизионного вскрытия внутрирезонаторных контактных слоев. Кроме того, в этом случае контактные слои не могут быть сильно легированы во избежание роста внутренних оптических потерь, что приводит, с учетом их небольшой толщины, к проблеме возрастания последовательного электрического сопротивления.
18
-3
20
-3
Известен полупроводниковый вертикально-излучающий лазер с внутрирезонаторными контактами (см. патент US 5245622, МПК H01S 3/19, опубликован 14.09.1993), содержащий полуизолирующую подложку, нижний нелегированный полупроводниковый РБО, контактный слой n-типа (т.н. второй многослойный электрод), электрический контакт n-типа, оптический резонатор, содержащий активную область на основе квантовых ям и ионно-имплантированную токовую апертуру, контактный слой p-типа (т.н. первый многослойный электрод), электрический контакт p-типа, и верхний диэлектрический РБО. Контактные слои содержит последовательность из четырех чередующихся слоев с низким (уровень легирования до 10 см) и высоким (уровень легирования до 10 см), при этом соседние слои могут иметь разную ширину запрещенной зоны.
Недостатком известного полупроводникового вертикально-излучающего лазера с внутрирезонаторными контактами является наличие сильнолегированных слоев обоих типов с толщиной (0,125÷0,25)⋅от длины волны вертикально-излучающего лазера непосредственно в излучающей области лазера (т.е. в пределах апертуры), что ведет к высоким оптическим потерям на свободных носителях и росту порогового тока. Кроме того, при формировании токовой апертуры методом ионной имплантации образуется большое количество радиационных дефектов, безизлучательная рекомбинация на которых приводит к резкому росту порогового тока с уменьшением апертуры, что не позволяет реализовать эффективные лазеры с размером апертуры менее 10 мкм. Более того, схема расположения электрических контактов n-типа не оптимальна для обеспечения эффективного растекания тока по площади апертуры, в результате происходит концентрирование тока вблизи внешних краев токовой апертуры и, как следствие, рост внутренних оптических потерь на радиационных дефектах. Конструкция контактных слоев обоих типов, в случае применения слоев с разной шириной запрещенной зоны, не оптимизирована для снижения высоты потенциальных барьеров и, как следствие, не позволяет избежать роста сопротивления и рабочего напряжения. Модовый состав излучения лазеров с ионно-имплантированной токовой апертурой определяется пространственным выжиганием дырок и тепловыми эффектами, что может приводить к нежелательному переключению мод, изменению расходимости излучения и самопульсации.
20
-3
Известен полупроводниковый вертикально-излучающий лазер с внутрирезонаторными контактами (см. патент US 6169756, МПК H01S 5/187, опубликован 02.01.2001), содержащий подложку, нижний полупроводниковый РБО (т.н. первое зеркало), контактный слой n-типа (т.н. ток-возвращающий слой), электрический контакт n-типа, оптический резонатор, содержащий активную область на основе квантовых ям и ионно-имплантированную токовую апертуру, контактный слой p-типа (т.н. токоподводящий слой), электрический контакт p-типа, оптическую апертуру (т.н. латеральный волновод для оптического ограничения поперечных мод резонатора) и верхний диэлектрический РБО. Контактный слой p-типа содержит ионно-имплантированную токовую апертуру с латеральным размером, равным размеру оптической апертуры, и тонкий (менее 40 нм) сильнолегированный слой p-типа (уровень легирования до 10 см) для улучшения контактного сопротивления.
Недостатком известного полупроводникового вертикально-излучающего лазера с внутрирезонаторными контактами является концентрирование тока вблизи внешних краев ионно-имплантированной токовой апертуры вследствие особенности конструкции контактных слоев, что ведет к резкому росту порогового тока с уменьшением размеров токовой апертуры. В конструкции лазера рассогласование положения геометрических центров или отклонение латеральных размеров оптической апертуры и ионно-имплантированной токовой апертуры ведет к росту оптических потерь, обусловленных безизлучательной рекомбинацией носителей на радиационных дефектах в ионно-имплантированной области, или к неэффективной накачке активной области, что, в свою очередь, негативно сказывается на пороговом токе. Кроме того, наличие сильнолегированного слоя p-типа вблизи оптического резонатора также ведет к росту оптических потерь, обусловленных поглощением фотонов на свободных носителях.
19
-3
20
-3
Известен полупроводниковый вертикально-излучающий лазер с внутрирезонаторными контактами (см. патент US 6618414, МПК H01S 3/08, опубликован 09.09.2003), содержащий полуизолирующую подложку, нижний нелегированный полупроводниковый РБО, контактный слой n-типа, электрический контакт n-типа, оптический резонатор, содержащий активную область на основе квантовых ям и оксидную апертуру, контактный слой p-типа, фазокорректирующий диэлектрический слой (т.н. разделительный слой) и верхний диэлектрический РБО. Контактный слой p-типа, наряду с модулированным профилем легирования, содержит сильнолегированный слой p-типа (уровень легирования 1⋅10 см 3-2⋅10 см) непосредственно для уменьшения контактного сопротивления и улучшения растекания тока по площади апертуры. Фазокорректирующий диэлектрический слой предназначен только для согласования набега фазы при распространении света в полупроводниковой части оптического резонатора лазера с набегом фазы в диэлектрической части резонатора.
Недостатком известного полупроводникового вертикально-излучающего лазера с внутрирезонаторными контактами является неэффективное растекание тока по площади апертуры из-за конструктивного недочета в схеме инжекции носителей в активную область, приводящего к неоднородной накачке активной области лазера и тенденции к многомодовой генерации через моды высшего порядка. Кроме того, расположение сильнолегированного слоя p-типа рядом с излучающей областью лазера обуславливает дополнительные оптические потери на свободных носителях.
Известен полупроводниковый вертикально-излучающий лазер с внутрирезонаторными контактами (см. заявка US 6906353, МПК H01L 33/00, H01S 3/08, опубликована 14.06.2005), содержащий полуизолирующую подложку, нижний нелегированный полупроводниковый РБО, контактный слой n-типа, электрический контакт n-типа, оптический резонатор, содержащий активную среду на основе квантовых ям и ионно-имплантированную токовую апертуру, композиционную решетку p-типа, контактный слой p-типа, электрический контакт p-типа и верхний диэлектрический РБО. Композиционная решетка p-типа содержит 1-5 пар чередующихся слоев AlGaAs p-типа с высоким и низким составом по AI.
Конструкция известного полупроводникового вертикально-излучающего не позволяет уменьшить долю энергии электромагнитного поля оптической моды резонатора в слоях p-типа и тем самым понизить оптические потери на свободных носителях. В известном лазере не обеспечивается эффективное растекание электронов по площади апертуры, что ведет к концентрированию тока вблизи внешних краев ионно-имплантированной токовой апертуры, росту порогового тока с уменьшением размера апертуры и нежелательной генерации через моды высшего порядка. Кроме того, наличие сильнолегированных слоев p-типа в излучающей области лазера дополнительно усугубляет ситуацию за счет внесения дополнительных оптических потерь на свободных носителях.
20
-3
19
-3
Наиболее близким к настоящему техническому решению по совокупности существенных признаков является полупроводниковый вертикально-излучающий лазер с внутрирезонаторными контактами (см. патент US 8488644, МПК H01S 5/00, опубликован 16.07.2013), принятый за прототип. Лазер-прототип содержит полуизолирующую подложку, нижний нелегированный полупроводниковый РБО, контактный слой n-типа, электрический контакт n-типа, оптический резонатор, содержащий активную область на основе квантовых ям и оксидную токовую апертуру, контактный слой p-типа, электрический контакт p-типа, фазокорректирующий диэлектрический слой и верхний диэлектрический РБО. Фазокорректирующий диэлектрический слой предназначен только для согласования набега фазы при распространении света в полупроводниковой части оптического резонатора лазера с набегом фазы в диэлектрической части резонатора. В лазере-прототипе важную роль играет то обстоятельство, что между сильнолегированным (уровень легирования акцепторами до 1⋅10 см) слоем p-типа толщиной 15-30 нм и электрическим контактом p-типа на основе Ti/Pt-содержащей металлизации расположен дополнительный слой p-типа с легированием акцепторами не менее 2⋅10 см и толщиной 10-20 нм. Утверждается, что, в отличие от классической схемы расположения контактных слоев, когда электрический контакт p-типа сформирован непосредственно на сильнолегированном слое p-типа, наличие этого дополнительного слоя p-типа позволяет избежать флуктуации величины контактного сопротивления к слоям p-типа и падения напряжения на приборе вследствие диффузии титана при формировании оксидной токовой апертуры сквозь дополнительный слой p-типа и формирования надежного p-контакта.
x
1-x
Недостатком известного полупроводникового вертикально-излучающего лазера с внутрирезонаторными контактами является наличие вблизи оптического резонатора двух сильнолегированных слоев p-типа в пределах излучающей области лазера, что обуславливает дополнительные оптические потери на свободных носителях. Более того, для лазеров с длиной волны излучения менее 900 нм применение слоев GaAs ведет к значительному росту внутренних оптических потерь, обусловленных поглощением на межзонных переходах. При этом применение слоев AlGaAs, легированных акцепторами на такие высокие уровни, сопряжено с корругацией поверхности и ростом оптических потерь на рассеянии. Кроме того, металлизация на базе Ti/Pt не обеспечивает низкое сопротивление к слоям AlGaAs p-типа при x>0,1. Также следует отметить, что конструкция контактных слоев и расположение электрического контакта n-типа не обеспечивает эффективное растекание тока по площади апертуры, что ведет к неоднородной инжекции носителей в активную область и падению оптического усиления для основной поперечной моды оптического резонатора.
Задачей настоящего решения является создание такого полупроводникового вертикально-излучающего лазера с внутрирезонаторными контактами ближнего ИК-диапазона (длина волны генерации в диапазоне 830-900 нм), который бы одновременно обеспечивал низкий пороговый ток, высокую дифференциальную эффективность и малое электрическое сопротивление приборов при малых латеральных размерах токовой апертуры (менее 10 мкм). Решение задачи связно с поиском компромисса между низкими внутренними оптическими потерями и высоким уровнем легирования контактных слоев.
Поставленная задача достигается тем, что полупроводниковый вертикально-излучающий лазер с внутрирезонаторными контактами содержит полуизолирующую подложку из GaAs, буферный слой из GaAs, нижний нелегированный РБО, контактный слой n-типа, электрический контакт n-типа, композиционную решетку n-типа, нелегированный оптический резонатор, содержащий активную область на основе квантовых ям, композиционную решетку p-типа, содержащую по меньшей мере одну оксидную токовую апертуру, контактный слой p-типа, фазокорректирующий контактный слой p-типа, электрический контакт p-типа и верхний диэлектрический РБО.
Новым в полупроводниковом вертикально-излучающем лазере с внутрирезонаторными контактами является применение легированных композиционных решеток и наличие фазокорректирующего контактного слоя p-типа непосредственно над периферийной частью апертуры. Композиционные решетки, наряду со схемой расположения электрических контактов, обеспечивают эффективное растекание тока по площади апертуры за счет наличия дополнительных гетерограниц (которые являются барьерами для вертикального транспорта носителей заряда), а также уменьшение оптического поглощения на свободных носителях в контактных слоях (особенно в p-типа) путем эффективного перераспределения электромагнитного поля оптической моды резонатора в лазере. Применение относительного толстого сильнолегированного фазокорректирующего контактного слоя p-типа способствует улучшению контактного сопротивление к слоям p-типа и снижению электрического сопротивления прибора, а расположение его за пределами излучающей области позволяет избежать поглощения на свободных носителях и понизить внутренние оптические потери.
x
1-x
y
1-y
В полупроводниковом вертикально-излучающем лазере с внутрирезонаторными контактами нижний нелегированный РБО может содержать не менее 30 пар чередующихся полупроводниковых слоев с разными показателями преломления. В качестве полупроводниковых слоев с разными показателями преломления могут быть использованы слои твердого раствора AlGaAs и AlGaAs, где 0,85≤x≤0,95 и 0,1≤y≤0,25. При этом каждый слой может иметь толщину равную λ/4n, где n - показатель преломления соответствующего слоя, λ - резонансная длина волны вертикально-излучающего лазера. Такое выполнение позволяет снизить внутренние оптические потери в вертикально-излучающем лазере за счет отсутствия поглощения света на свободных носителях.
y
1-y
17
18
-3
17
18
-3
В полупроводниковом вертикально-излучающем лазере с внутрирезонаторными контактами контактный слой n-типа может быть выполнен из твердого раствора AlGaAs, где 0,1≤y≤0,25, толщиной, кратной (2k-1)λ/4n, где k - натуральное число. Контактный слой n-типа может быть в среднем легирован донорами на уровень N (8⋅10-2⋅10) см и иметь периодический профиль легирования по толщине слоя с периодом равным λ/2n, при среднем уровне легирования N (8⋅10-2⋅10) см и максимальном уровне легирования в начале каждого периода, равном (2-3)⋅N. Такое выполнение позволяет не только уменьшить поглощение света на свободных носителях в легированных областях, но и сформировать эффективный электрический контакт к полупроводниковым слоям n-типа для инжекции электронов в активную среду.
x
1-x
y
1-y
*
*
18
18
-3
В полупроводниковом вертикально-излучающем лазере с внутрирезонаторными контактами композиционная решетка n-типа может содержать 2-5 пар чередующихся полупроводниковых слоев с разными показателями преломления и градиентными гетероинтерфейсами. В качестве полупроводниковых слоев с разными показателями преломления могут использованы слои твердого раствора AlGaAs и AlGaAs, где 0,85≤x≤0,95 и 0,1≤y≤0,25, с градиентным изменением состава на гетерограницах по линейному или би-параболическому закону. При этом каждая пара слоев может иметь общую толщину, равную λ/2n, где n - усредненное значение показателя преломления для слоев композиционной решетки. Композиционная решетка n-типа может быть в среднем легирована донорами на уровень N (1⋅10-2⋅10) см, а на гетерограницах с возрастанием состава (расположены в минимумах электромагнитного поля оптической моды резонатора) уровень легирования может быть увеличен в 2-3 раза. Такое выполнение позволяет уменьшить высоту потенциальных барьеров для инжектируемых электронов (для снижения рабочего напряжения) и обеспечить эффективное растекание тока по площади апертуры в слоях n-типа при сохранении низких внутренних оптических потерь.
*
y
1-y
x
1-x
y
1-y
В полупроводниковом вертикально-излучающем лазере с внутрирезонаторными контактами нелегированный оптический резонатор может быть выполнен толщиной, кратной kλ/n, где k - натуральное число, и состоять из слоя из AlGaAs, где 0,15≤y≤0,4, в центре которого расположена активная область. Активная область может содержать по меньшей мере три слоя квантовых ям, которые могут быть расположены в максимуме (т.н. пучности) электромагнитного поля оптической моды резонатора. Слои квантовых ям могут быть выполнены из InGaAs, где 0,05≤x≤0,1, толщиной 3-10 нм и отделены друг от друга барьерными слоями из AlGaAs, где 0.15≤y≤0.4, толщиной 5-10 нм. Такое выполнение позволяет сместить максимум спектра усиления активной области в спектральный диапазон 830-900 нм, повысить перекрытие квантовых ям с электромагнитным полем оптической моды резонатора (т.н. фактор оптического ограничения, Г-фактор) и подавить тепловой выброс носителей из квантовых ям.
x
1-x
y
1-y
x
1-x
x
1-x
2
3
*
*
18
18
-3
В полупроводниковом вертикально-излучающем лазере с внутрирезонаторными контактами композиционная решетка p-типа может содержать 3-8 пар чередующихся полупроводниковых слоев с разными показателями преломления и градиентными гетероинтерфейсами. В качестве полупроводниковых слоев с разными показателями преломления могут использованы слои твердого раствора AlGaAs и AlGaAs, где 0.85≤x≤0.95 и 0.1≤y≤0,25, с градиентным изменением состава на гетерограницах по линейному или би-параболическому закону. При этом каждая пара слоев может иметь общую толщину, равную λ/2n, где n - усредненное значение показателя преломления для данных слоев. Композиционная решетка p-типа может быть в среднем легирована донорами на уровень P (1⋅10-2⋅10) см, а на гетерограницах с возрастанием состава (расположены в минимумах электромагнитного поля оптической моды резонатора) уровень легирования может быть увеличен в 2-3 раза. По меньшей мере из AlGaAs p-типа может быть использован для создания оксидной токовой апертуры, где центральная часть состоит твердого раствора AlGaAs, где 0,97≤x≤1, а периферийная часть состоит из AlO. Такое выполнение позволяет уменьшить высоту потенциальных барьеров для инжектируемых дырок (для снижения рабочего напряжения) и обеспечить эффективное растекание тока по площади апертуры в слоях p-типа при сохранении низких внутренних оптических потерь. Кроме того, применение оксидной токовой апертуры позволяет обеспечить одновременно эффективное токовое и оптическое ограничение, и, как следствие, понизить величину порогового тока при малых латеральных размерах токовой апертуры.
y
1-y
18
18
-3
В полупроводниковом вертикально-излучающем лазере с внутрирезонаторными контактами контактный слой p-типа может быть выполнен из твердого раствора AlGaAs, где 0,1≤y≤0,25, толщиной, кратной (2k-1)λ/4n, где k>3 - натуральное число. Контактный слой p-типа может быть в среднем легирован акцепторами на уровень P (1⋅10-3⋅10) см и иметь периодические (период равен λ/2n) вставки с повышенным в 2-3 раза уровнем легирования, которые располагаются в минимуме электромагнитного поля оптической моды резонатора. Такое выполнение позволяет не только уменьшить поглощение света на свободных носителях в легированных областях p-типа, и одновременно снизить последовательное сопротивление прибора.
x
1-x
18
18
-3
19
20
-3
В полупроводниковом вертикально-излучающем лазере с внутрирезонаторными контактами фазокорректирующий контактный слой p-типа может располагаться над периферийной частью оксидной токовой апертуры. Фазокорректирующий контактный слой p-типа содержать нижний субслой, выполняющий роль стоп-слоя при селективном травлении, и сильнолегированный верхний субслой. Нижний субслой может быть выполнен из твердого раствора AlGaAs, где 0.85≤x≤0.95, толщиной 2-5 нм и уровнем легирования акцепторами (1⋅10-4⋅10) см. Верхний субслой может быть выполнен из GaAs толщиной равной λ/4n и уровнем легирования акцепторами (2⋅10-1⋅10) см. Такое выполнение позволяет не только снизить контактное сопротивление и сформировать эффективный омический контакт к полупроводниковым слоя p-типа для инжекции дырок в активную среду, но и избежать поглощения света на свободных носителях в сильнолегированный областях p-типа.
2
2
2
x
y
В полупроводниковом вертикально-излучающем лазере с внутрирезонаторными контактами верхний диэлектрический РБО может располагаться на поверхности контактного слоя p-типа непосредственно над центральной частью токовой оксидной апертуры. Верхний диэлектрический РБО может содержать не менее 5 пар чередующихся диэлектрических слоев с разными показателями преломления. В качестве диэлектрических слоев с разными показателями преломления могут быть использованы слои SiO и TiO, или слои SiO и SiN, или другие диэлектрики с высоким контрастом показателей преломления и низким уровнем поглощения в требуемом спектральном диапазоне. При этом каждый слой может иметь толщину λ/4n в этом материале. Такое выполнение позволяет снизить внутренние оптические потери в вертикально-излучающем лазере за счет отсутствия поглощения света на свободных носителях в легированных областях.
Настоящее техническое решение поясняется чертежом, где:
на фиг. 1 приведено схематичное изображение поперечного сечения настоящего вертикально-излучающего лазера с внутрирезонаторными контактами;
на фиг. 2 представлено сравнение характеристик электрических контактов p-типа для конструкции контактного слоя в соответствии с настоящим изобретением (КС-1) и классической конструкции (КС-2) контактного слоя, отличающийся от конструкции КС-1 отсутствием фазокорректирующего контактного слоя p-типа;
на фиг. 3 представлено сравнение вольт-амперных характеристик для двух вариантов конструкций вертикально-излучающих лазеров с внутрирезонаторными контактами: лазер в соответствии с настоящим изобретением (ВИЛ-1) и лазер (ВИЛ-2), отличающийся от конструкции ВИЛ-1 применением верхнего полупроводникового РБО вместо диэлектрического зеркала и отсутствием фазокорректирующего контактного слоя p-типа;
на фиг. 4 приведены спектры лазерной генерации для вертикально-излучающего лазера с внутрирезонаторными контактами по настоящему изобретению при разных токах и температурах (C1 - спектр при токе 3 мА и температуре 20°C, C2 - спектр при токе 8 мА и температуре 20°C);
на фиг. 5 представлены спектры лазерной генерации для вертикально-излучающего лазера с внутрирезонаторными контактами по настоящему изобретению при разных токах и температурах (C3 - спектр при токе 2 мА и температуре 20°C, C4 - спектр при токе 2 мА и температуре 90°C);
на фиг. 6 приведены вольт-амперные (слева) и ватт-амперные (справа) характеристики вертикально-излучающего лазера с внутрирезонаторными контактами по настоящему изобретению при разных температуре 20°C (сплошные линии) и температуре 90°C (точечная линия).
Настоящий полупроводниковый вертикально-излучающий лазер с внутрирезонаторными контактами показан на фиг 1. Лазер содержит полуизолирующую подложку 1 из GaAs, буферный слой 2 из GaAs, нижний нелегированный РБО 3, контактный слой 4 n-типа, электрический контакт 5 n-типа, композиционную решетку 6 n-типа, нелегированный оптический резонатор 7, содержащий активную среду на основе по меньшей мере трех слоев 8 квантовых ям, композиционную решетку 9 p-типа, содержащую по меньшей мере одну оксидную токовую апертуру 10, контактный слой 11 p-типа, фазокорректирующий контактный слой 12 p-типа, электрический контакт p-типа 13 и верхний диэлектрический РБО 14.
x
1-x
y
1-y
Нижний нелегированный РБО 3 может содержать по меньшей мере 30 пар чередующихся слоев 15, 16 соответственно из AlGaAs и AlGaAs, где 0,85≤x≤0,95 и 0,1≤y≤0,25, каждый слой 15, 16 имеет толщину λ/4n, где n - показатель преломления соответствующего слоя, λ - резонансная длина волны вертикального оптического резонатора.
y
1-y
17
18
-3
Контактный слой 4 n-типа может быть выполнен толщиной, кратной (2k-1)λ/4n, где k>3 - натуральное число, и состоит из и AlGaAs, где 0,1≤y≤0,25, n-типа с периодическим профилем легирования по толщине слоя с периодом, равным λ/2n, при среднем уровне легирования N (8⋅10-2⋅10) см и максимальном уровне легирования в начале каждого периода, равном (2-3)⋅N. Для инжекции электронов в активную среду на контактном слое 4 n-типа сформирован электрический контакт 5 n-типа.
x
1-x
y
1-y
*
18
18
-3
*
*
Композиционная решетка 6 n-типа может содержать 2-5 пар чередующихся слоев 17, 18 из соответственно AlGaAs n-типа и AlGaAs n-типа, где 0,85≤x≤0,95 и 0,1≤y≤0,25, с градиентным изменением состава на гетерограницах по линейному или би-параболическому закону, с периодическим профилем легирования по толщине слоя с периодом легирования, равном λ/2n, при среднем уровне легирования N (1⋅10-2⋅10) см и максимальном уровне легирования на гетерогранице с возрастанием состава, равном (2-3)⋅N, при этом каждая пара слоев выполнена толщиной, равной λ/2n, где n - усредненное значение показателя преломления для данных слоев.
*
y
1-y
Нелегированный оптический резонатор 7 может быть выполнен толщиной, кратной kλ/n, где k - натуральное число, и состоит из слоя 19 из AlGaAs, где 0.15≤y≤0.4, в центре которого расположена активная область 8.
x
1-x
y
1-y
Активная среда 8 может содержать по меньшей мере три слоя квантовых ям 20 толщиной 3-10 нм из InGaAs, где 0,05≤x≤0,1, и отделенных друг от друга слоями 21 из AlGaAs, где 0,15≤y≤0,4, толщиной 5-10 нм.
x
1-x
y
1-y
*
18
18
-3
*
*
Композиционная решетка 9 p-типа может быть выполнена из 3-8 пар чередующихся слоев 22, 23, из AlGaAs p-типа и AlGaAs p-типа, где 0,85≤x≤0,95 и 0,1≤y≤0,25, с градиентным изменением состава на гетерограницах по линейному или би-параболическому закону, с периодическим профилем легирования по толщине слоя с периодом легирования, равном λ/2n, при среднем уровне легирования P (1⋅10-2⋅10) см и максимальном уровне легирования на гетерогранице с возрастанием состава, равном (2-3)⋅P, при этом каждая пара слоев выполнена толщиной, равной λ/2n, где n - усредненное значение показателя преломления для данных слоев.
x
1-x
x
1-x
2
3
При этом в композиционной решетке p-типа по меньшей мере один слой из AlGaAs p-тип может являться оксидной токовой апертурой 10 и в латеральном направлении состоять из центральной части 24, выполненной из AlGaAs, где 0,97≤x≤1, и периферийной части 25, выполненной из AO.
y
1-y
18
18
-3
Контактный слой 11 p-типа может содержать слой AlGaAs, где 0,1≤y≤0,25, p-типа толщиной, кратной (2k-1)λ/4n, где k>3 - натуральное число, с периодическим профилем легирования по толщине слоя, с периодом равным λ/2n, при среднем уровне легирования P (1⋅10-3⋅10) см и максимальном уровне легирования в конце периода, (2-3)⋅P.
x
1-x
18
18
-3
19
20
-3
Фазокорректирующий контактный слой 12 p-типа может быть расположен над периферийной частью оксидной токовой апертуры 25, то есть за пределами излучающей области, и содержать нижний субслой 26 AlGaAs, где 0,85≤x≤0,95, p-типа с уровнем легирования (1⋅10-4⋅10) см толщиной 2-5 нм, и верхний субслой 27 из GaAs p-типа с уровнем легирования (2⋅10-1⋅10) см и толщиной λ/4n. Для инжекции дырок в активную среду на фазокорректирующем контактном слое 12 p-типа может быть сформирован электрический контакт 13 p-типа.
2
2
2
x
y
Верхний диэлектрический РБО 14 может примыкать к контактному слою p-типа 11 непосредственно над центральной частью оксидной токовой апертуры и содержать, например, не менее 5 пар чередующихся диэлектрических слоев 28, 29 соответственно из SiO и TiO, где каждый слой имеет толщину λ/4n. Альтернативным вариантом является использование слоев SiO и SiN.
Длина волны лазерной генерации в основном определяется спектральным положением резонансной длины волны вертикального оптического резонатора, поэтому путем выбора толщин и состава слоев длину волны генерации лазера можно варьировать в спектральном диапазоне 830-900 нм.
x
1-x
y
1-y
Важным фактором, обуславливающим преимущество полупроводникового вертикально-излучающего лазера с внутрирезонаторными контактами, является наличие легированных композиционных решеток на пути носителей заряда, инжектируемых в активную среду. Конструкция композиционных решеток содержит несколько гетерограниц AlGaAs-AlGaAs (где x≠y), которые создают барьеры для вертикального транспорта носителей заряда, тем самым обеспечивая эффективное растекание тока по площади апертуры. Чтобы избежать роста рабочего напряжения и последовательного сопротивления лазера высота барьеров минимизирована путем применения градиентного профиля изменения состава в сочетании с модулированным-легированием. Кроме того, одновременное применение легированных композиционных решеток обоих типов позволяет эффективного управлять распределением электромагнитного поля оптической моды резонатора в лазере и уменьшить уровень поглощения света на свободных носителях в легированных контактных слоях, особенно в слоях p-типа. Другим важным фактором настоящей конструкции лазера является применение сильнолегированного фазокорректирующего контактного слоя p-типа непосредственно над периферийной частью оксидной токовой апертуры. Это позволяет обеспечить низкое контактное сопротивление к полупроводниковым слоям p-типа без внесения дополнительных оптических потерь, обусловленных поглощением света на свободных носителях в сильнолегированном слое p-типа.
x
1-x
Важной особенностью настоящей конструкции вертикально-излучающего лазера с внутрирезонаторными контактами является расположение сильнолегированного верхнего субслоя из GaAs p-типа непосредственно на поверхности. Это позволяет существенно снизить контактное сопротивление и существенно упростить технологию формирования p-контакта, поскольку исчезает необходимость прецизионного вскрытия внутрирезонаторного контактного слоя p-типа. Другой важной особенностью является наличие нижнего субслоя из твердого раствора AlGaAs, который может быть использован для прецизионного удаления верхнего субслоя в пределах излучающей области, что обеспечивает снижение оптических потерь и точное фазовое согласования между полупроводниковой частью оптического резонатора и вверхним диэлектрическим РБО.
Настоящий вертикально-излучающий лазер с внутрирезонаторными контактами работает следующим образом. При приложении к лазеру прямого смещения (т.е. отрицательное напряжение подают на электрический контакт 5 n-типа, а положительное напряжение подают на электрический контакт 13 p-типа) происходит инжекция электронов и дырок в нелегированный оптический резонатор 7. В результате в активной области 8 одновременно появляются электроны и дырки, которые захватываются в квантовые ямы 19. Слои 21, окружающие квантовые ямы 19, подавляют обратный процесс - тепловой выброс носителей из квантовых ям. В зависимости от толщины и состава квантовых ям 19 эффективная излучательная рекомбинация через основное состояние квантовой ямы может наблюдаться в спектральном диапазоне 830-900 нм. С ростом тока накачки в квантовых ямах 19 создается избыточная (по отношению к равновесной) концентрация носителей заряда, т.е. возникает инверсия заселенности активной области 8. При этом фотон, рожденный в результате рекомбинации электрона и дырки на основном состоянии квантовой ямы 19 в режиме спонтанного излучения, стимулирует рождение нового фотона со свойствами налетевшего фотона (т.н. вынужденное излучение) и запускает процесс лавинного умножения фотонов (т.н. оптическое усиление). Нижний нелегированный РБО 3 и верхний диэлектрический РБО 14 создают выделенное направление распространения света и формируют положительную обратную связь, необходимую для поддержания лазерной генерации. Фазокорректирующий контактный слой 12 p-типа согласовывает набег фазы при распространении света в полупроводниковой части оптического резонатора лазера с набегом фазы в диэлектрическом РБО. Так как характерная длина резонатора вертикально-излучающего лазера не превышает нескольких микрон, то межмодовый интервал для продольных мод обычно больше, чем ширина спектра усиления активной области 8. В этой связи параметры квантовых ям 19 выбирают так, чтобы согласовать максимум спектра усиления активной области 8 с резонансной длиной волны вертикально-излучающего лазера. С ростом тока накачки оптическое усиление вблизи резонансной длины волны растет, однако лазерная генерация возникает только тогда, когда усиление становится равным сумме потерь на вывод излучения и внутренних оптических потерь (пороговый ток). Оксидная токовая апертура 10 ограничивает область инжекции носителей заряда в латеральном направлении и увеличивает плотность тока в активной области 8, а легированные композиционные решетки 6 и 9 обеспечивают эффективное растекание тока в пределах области возбуждения (т.е. по площади оксидной токовой апертуры 10). Благодаря сильному скачку показателя преломления периферийной части 25 относительно центральной части 24, оксидная токовая апертура 10 также формирует эффективный латеральный волновод, который локализует поперечные оптические моды резонатора в области возбуждения, что позволяет получать эффективную лазерную генерацию при малым размерах токовой апертуры. Лазерное излучение выводится через верхнее диэлектрическое РБО 14. Конструкция фазокорректирующего контактного слоя 12 p-типа также обеспечивает эффективный омический контакт к полупроводниковым слоя p-типа и способствует снижению последовательного сопротивления лазера.
Al
Ga
As
Al
Ga
As
Al
Ga
As
Al
Ga
As
0.2
0.
8
0
.9
0
.1
0
.15
0
.85
0
.15
0
.85
s
c
c
t
s
c
c
t
18
-3
18
-3
19
-3
2
-5
-2
Пример 1. В данном примере представлено сравнение характеристик электрических контактов p-типа для двух вариантов конструкции контактного слоя p-типа. Эпитаксиальные гетероструктуры были изготовлены методом молекулярно-пучковой эпитаксии. Была изготовлена полупроводниковая структура, содержащая контактный слой p-типа и фазокорректирующий контактный слой p-типа в соответствии с настоящим изобретением (далее КС-1). Контактный слой p-типа был выполнен из твердого раствора толщиной равной 1.75 резонансной длины волны вертикального оптического резонатора в этом материале. Контактный слой p-типа был в среднем легирован акцепторами на уровень 1⋅10 см и содержал три сильнолегированные (около 6⋅10 см) вставки толщиной 20 нм, которые были расположены в минимуме электромагнитного поля оптической моды резонатора. Фазокорректирующий контактный слой p-типа содержал нижний субслой, выполненный из твердого раствора  толщиной 2 нм, и верхний субслой из GaAs p-типа с уровнем легирования 5⋅10 см. В КC-1 для формирования электрических контактов к полупроводниковым слоя p-типа использовалась металлизация Ti/Pt/Au, обеспечивающая низкое сопротивление к сильно легированным слоям GaAs p-типа и высокую надежность. Для сравнения была изготовлена полупроводниковая структура, содержащая только контактный слой p-типа аналогичной конструкции (далее КС-2), представляющая собой классический вариант контакта p-типа, используемый в вертикально-излучающих лазерах с внутрирезонаторными контактами. Поскольку металлизация Ti/Pt/Au не обеспечивает формирование нормального омического контакта к слоям из твердого раствора , легированным p-типом, в КС-2 для формирования контактов использовалась металлизация ZnAu, обеспечивающая формирование омических контактов к легированным слоям  p-типа, но не оптимальная с точки зрения долговременной надежности. Было проведено сравнение последовательного сопротивления контактного сопротивления в полупроводниковой структуре контакта p-типа, сформированной в соответствии с настоящим изобретением, и в полупроводниковой структуре контакта p-типа классической конструкции (фиг. 2). Контроль величины контактного сопротивления проводился методом длинной линии с использованием стандартных соотношений: R=R⋅L/W+2⋅R, и ρ=Rs⋅L, где 2⋅R - контактное сопротивление двух контактов, между которыми пропускают ток, R - погонное контактное сопротивление, ρ - удельное контактное сопротивление контакта, W - ширина прямоугольного контакта (в нашем случае 100 мкм), L - интервалы между контакта, L - длина переноса тока от края в глубь контакта. Из анализа приведенных данных следует, что настоящая конструкция контакта p-типа обеспечивает снижение величины удельного контактного сопротивления примерно в полтора раза (до уровня менее 1⋅10 Ом⋅см). При этом величина погонного контактного сопротивления уменьшается примерно в пять раз (от 0,8 Ом⋅мм до 0,15 Ом⋅мм), что свидетельствует о существенном улучшении растекания тока за счет наличия сильнолегированного субслоя GaAs p-типа. В результате, как показано в примере 2, существенно уменьшается общая величина последовательного сопротивления лазера.
Al
Ga
As
Al
Ga
As
0
.9
0
.1
0
.15
0
.85
4
0,15
0,85
0,9
0,1
0,15
0,85
0,9
0,1
0,15
0,85
0,15
0.85
0,9
0,1
2
2
1
18
-3
18
-3
18
-3
18
-3
18
-3
18
-3
19
-3
Пример 2. В данном примере представлено сравнение вольт-амперных характеристик для двух вариантов конструкции вертикально-излучающих лазеров с внутрирезонаторными контактами спектрального диапазона 850 нм. Эпитаксиальные гетероструктуры лазеров были изготовлены методом молекулярно-пучковой эпитаксии. Был изготовлен полупроводниковый вертикально-излучающий лазер с внутрирезонаторными контактами в соответствии с настоящим изобретением (далее ВИЛ-1 на фиг. 3). Нижний нелегированный РБО содержал 31 пару чередующихся слоев  и , каждый толщиной равной / резонансной длины волны вертикально-излучающего лазера. Контактный слой n-типа был выполнен из твердого раствора AlGaAs толщиной равной 1,75 резонансной длины волны вертикально-излучающего лазера. Контактный слой n-типа был в среднем легирован донорами на уровень 1⋅10 см и содержал три сильнолегированные (около 6⋅10 см) вставки толщиной 20 нм, которые были расположены в минимуме электромагнитного поля оптической моды резонатора. Композиционная решетка n-типа содержала 5 пар чередующихся слоев AlGaAs и AlGaAs p-типа, с градиентным изменением состава на гетерограницах по би-параболическому закону протяженностью 19 нм. Композиционная решетка n-типа была в среднем легирована донорами на уровень 1,5⋅10 см с двукратным повышением уровня легирования на гетерогранице с возрастанием состава. Композиционная решетка p-типа содержала 6 пар чередующихся слоев AlGaAs и AlGaAs p-типа, с градиентным изменением состава на гетерограницах по би-параболическому закону протяженностью 19 нм. Композиционная решетка p-типа была в среднем легирована акцепторами на уровень 2⋅10 см с двукратным повышением уровня легирования на гетерогранице с возрастанием состава. При этом один слой AlGaAs с высоким составом по Al служит для формирования оксидной токовой апертуры. Контактный слой p-типа был выполнен из твердого раствора AlGaAs толщиной равной 1,75 резонансной длины волны вертикального оптического резонатора в этом материале. Контактный слой p-типа был в среднем легирован акцепторами на уровень 1⋅10 см и содержал три сильнолегированные (около 6⋅10 см) вставки толщиной 20 нм, которые были расположены в минимуме электромагнитного поля оптической моды резонатора. Фазокорректирующий контактный слой p-типа содержал нижний субслой, выполненный из твердого раствора AlGaAs толщиной 2 нм, и верхний субслой из GaAs p-типа с уровнем легирования 5⋅10 см. Верхний диэлектрический РБО содержал 6 пар чередующихся слоев SiO и TiO, каждый толщиной равной λ/4n. Также был изготовлен полупроводниковый вертикально-излучающий лазер с внутрирезонаторными контактами, отличающийся от конструкции ВИЛ-1 применением верхнего полупроводникового РБО вместо диэлектрического зеркала и отсутствием фазокорректирующего контактного слоя p-типа (далее ВИЛ-2). В обоих вариантах лазеров для формирования электрических контактов к полупроводниковым слоя p-типа использовалась металлизация MgAg/Ni/Au, обеспечивающая формирование омических контактов к умеренно и сильно легированным слоям p-типа при слабой диффузии, а для формирования электрических контактов к полупроводниковым слоя n-типа использовалась металлизация AuGe/Ni/Au. Методом селективного окисления в парах воды в обоих вариантах лазеров были сформированы оксидные токовые апертуры размером 2-3 мкм. Было проведено сравнение вольт-амперных характеристик описанных выше вертикально-излучающих лазеров с внутрирезонаторными контактами (фиг. 3). Из анализа приведенных данных следует, что предложенная конструкция вертикально-излучающих лазеров с внутрирезонаторными контактами (ВИЛ-1) обеспечивает снижение последовательного дифференциального сопротивления (с 270-300 Ом до 170-200 Ом) и уменьшение падения напряжение примерно на 0,5 B по сравнению с лазером ВИЛ-2, что можно объяснить существенным снижением сопротивления омического контакта p-типа и улучшением однородности растекания носителей заряда по площади токовой апертуры (особенно в слоях p-типа, где подвижность дырок мала). Следует отметить, что полученные значения последовательного сопротивления и рабочего напряжения заметно ниже даже по сравнению с типичными значениями данных параметров для выращенных методом молекулярно-пучковой эпитаксии вертикально-излучающих лазеров спектрального диапазона 980 нм с легированными РБО и аналогичным размером токовой апертуры, где омический контакт формируется к слоям сильно легированного p-GaAs, (A. Mutig, et al., «Temperature-Dependent Small-Signal Analysis of High-Speed High-Temperature Stable 980-nm VCSELs», J. Sel. Topics Quantum Electron. 15, 679-686, 2009). Более того, достигнутые значения последовательного сопротивления и рабочего напряжения сравнимы со значениями данных параметров для вертикально-излучающих лазеров спектрального диапазона 850 нм с легированными РБО и аналогичным размером токовой апертуры, выращенных методом газофазной эпитаксии из паров металлорганических соединений (J.A. Lott, et al. «Arrays of 850 nm photodiodes and vertical cavity surface emitting lasers for 25 to 40 Gbit/s optical interconnects», Phys. Status Solidi С 9, 292, 2011).
x
1-x
Пример 3. Был изготовлен опытный образец полупроводникового вертикально-излучающего лазера с внутрирезонаторными контактами спектрального диапазона 850 нм в соответствии с настоящим изобретением с размером оксидной токовой апертуры 4-5 мкм. Конструкция данного вертикально-излучающего лазера с внутрирезонаторными контактами аналогична описанию лазера ВИЛ-1, приведенному в примере 2, за исключением размера оксидной токовой апертуры. Эпитаксиальная гетероструктура лазера была синтезирована методом молекулярно-пучковой эпитаксии. В качестве активной среды были использованы пять квантовых ям InGaAs с концентрацией In порядка 10%. Толщины квантовых ям и высота барьеров были выбраны так, чтобы пик спектра фотолюминесценции (фактически совпадает с максимумом спектра усиления) был смещен в коротковолновую сторону относительно проектного значения резонансной длины волны вертикального оптического резонатора на 15 нм для повышения температурной стабильности характеристик лазеров. Лазерные диоды продемонстрировали многомодовую лазерную генерацию в непрерывном режиме с пороговым током менее 1,5 мА и дифференциальной эффективностью более 0,6 Вт/A в диапазоне температуре 20-90°C (фиг. 4). Последовательное дифференциальное сопротивление на линейном участке ватт-амперной характеристики составило 100-130 Ом. Пороговое напряжение (напряжение при пороговом токе) лежит в диапазоне 1.8-1.9 В. Длина волны излучения лазеров варьировалась в диапазоне длин волн 845-860 нм при изменении рабочего тока и/или температуры (фиг. 5, фиг. 6). Следует отметить, что пороговый ток и дифференциальная эффективность взаимосвязаны через потери на вывод излучения, поэтому повышение дифференциальной эффективности ведет к росту порогового тока.
Для сравнения технического уровня предложенного решения был выбран вертикально-излучающий лазер спектрального диапазона 980 нм с двумя внутрирезонаторными контактами и двумя нелегированными полупроводниковыми РБО (Y.M. Song et al., «Low thermal resistance, high-speed 980 nm asymmetric intracavity-contacted oxide-aperture VCSEL», Phys. Status Solidi A 206, 1631 (2009)). Известно, что вертикально-излучающие лазеры спектрального диапазона 980 нм обладают наилучшими характеристиками среди лазеров такого типа ближнего ИК-диапазона. Рассматриваемая конструкция лазера позволяет использовать металлизацию Pt/Ti/Pt/Au для формирования омического контакта к слоям p-GaAs. Лазерные диоды демонстрируют многомодовую генерацию в непрерывном режиме. Длина волны излучения лазеров с размером токовой апертуры 7 мкм варьировалась в диапазоне длин волн 970-985 нм при изменении рабочего тока и/или температуры. С ростом температуры пороговый ток стремительно увеличивается с 0.8 мА при температуре 20°C до 2 мА при температуре 90°C, а дифференциальная эффективность падает от величины 0.39 Вт/A при температуре 20°C до уровня 0.25 Вт/A при температуре 90°C. Таким образом, разработанный вертикально-излучающий лазер с внутрирезонаторными контактами в соответствии с настоящим изобретением обладает меньшим значением последовательного сопротивления и порогового напряжения, повышенной температурной стабильностью, более высокой дифференциальной эффективностью и пониженным пороговым током. Более того, достигнутые показатели по ряду позиций не уступают характеристикам вертикально-излучающих лазеров спектрального диапазона 850 нм с полностью легированными РБО и идентичным размером токовой апертуры, синтезированным методом газофазной эпитаксии из паров металлорганических соединений на промышленном оборудовании (S.A. Blokhin, et al. «850 nm Optical Components for 25 Gb/s Optical Fiber Data Communication Links over 100 m at 85°C», Proc. of SPIE-OSA-IEEE 8308, 830819, 2011). Дальнейшее улучшение характеристик вертикально-излучающего лазера с внутрирезонаторными контактами, изготовленного в соответствии с настоящим изобретением, связано с применением технологии плазмохимического осаждения из паровой газовой фазы для формирования диэлектрического зеркала, что обеспечит улучшения точности контроля толщины и показателя преломления слоев.