WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 3 Мощные полупроводниковые лазеры на основе асимметричных гетероструктур раздельного ограничения © Д.А. Винокуров, С.А. Зорина, В.А. Капитонов, А.В. Мурашова, Д.Н. Николаев, А.Л. Станкевич, М.А. Хомылев, В.В. Шамахов, А.Ю. Лешко, А.В. Лютецкий, Т.А. Налет, Н.А. Пихтин¶, С.О. Слипченко, З.Н. Соколова, Н.В. Фетисова, И.С. Тарасов Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 14 июля 2004 г. Принята к печати 9 августа 2004 г.) Методом МОС-гидридной эпитаксии получены асимметричные лазерные гетероструктуры раздельного ограничения со сверхшироким волноводом в системе твердых растворов AlGaAs/GaAs/InGaAs (длина волны излучения 1080 нм). Исследованы оптические и электрические свойства лазеров с полосковым контактом шириной 100 мкм. Показано, что в лазерах на основе асимметричных гетероструктур со сверхшироким волноводом (более 1 мкм) удается достичь генерации на основной поперечной моде и снизить внутренние оптические потери до 0.34 см-1. В лазерных диодах с длиной резонатора более 3 мм достигнуто снижение теплового сопротивления до 2C/Вт и получена характеристическая температура T0 = 110C в диапазоне от 0 до 100C. В изготовленных лазерах достигнуты рекордные значения коэффициента полезного действия 74% и мощности оптического излучения 16 Вт в непрерывном режиме генерации. Наработка лазеров на отказ при 65C, рабочей мощности 3–4 Вт в течение 1000 ч привела к падению мощности на 3–7%.

1. Введение гетероструктура со сверхшироким волноводом с целью одновременного снижения внутренних оптических поВ последнее время достигнуты рекордные резуль- терь и расходимости излучения в плоскости, перпендитаты по увеличению оптической мощности излучения кулярной плоскости p-n-перехода. Увеличение ширины полупроводниковых лазеров [1–7]. В их основе ле- волновода до 4 мкм позволило снизить внутренние опжит концепция, базирующаяся на снижении внутренних тические потери до 0.7 см-1 и расходимость излучения оптических потерь в лазерных гетероструктурах раз- до 16-18 без существенного снижения максимальной дельного ограничения. Вопросы снижения внутренних мощности излучения, которая составила 8.6 Вт [12].

оптических потерь в квантово-размерных гетерострукВ настоящей работе исследованы свойства потурах раздельного ограничения подробно рассмотрены лупроводниковых лазеров на основе асимметричной в нашей работе [8]. Основным приемом для снижения гетероструктуры раздельного ограничения со сверхвнутренних оптических потерь в полупроводниковых широким волноводом в системе твердых растворов лазерах раздельного ограничения является увеличение AlGaAs/GaAs/InGaAs. Проведено сравнение свойств поширины волновода лазерной гетероструктуры [1,3,4,9].

лупроводниковых лазеров на основе асимметричных и Естественным ограничением увеличения толщины воланалогичных симметричных структур с широким волноновода в симметричной лазерной гетероструктуре разводом.

дельного ограничения является условие возникновения мод высших порядков [4]. Есть несколько подходов подавления мод высших порядков в широком волново2. Экспериментальные лазерные де [4,10,11]. Однако все они, хотя и позволяют провести гетероструктуры селекцию мод высшего порядка и сузить диаграмму и полупроводниковые лазеры направленности, приводят к увеличению оптических потерь, что снижает оптическую мощность излучения Экспериментальные лазерные гетероструктуры на баполупроводникового лазера.

зе твердых растворов AlGaAs/GaAs/InGaAs изготавлиДля подавления мод высших порядков нами была вались методом газофазной эпитаксии из металлоргапредложена асимметричная гетероструктура, в которой нических соединений (МОС-гидридной эпитаксии) на активная область смещена из центра волновода [7,12].

установке Emcore GS-3100. Лазерные структуры предВ асимметричной гетероструктуре со сверхшироким ставляли собой квантово-размерные гетероструктуры волноводом удается подавить генерацию мод высших раздельного ограничения с асимметричным положением порядков за счет различия их факторов оптического активной области в сверхшироком волноводе. Струкограничения и одновременно снизить внутренние оптитуры, схематическая зонная диаграмма которых предческие потери и расходимость излучения в плоскости, ставлена на рис. 1, состояли из двух широкозонных перпендикулярной эпитаксиальным слоям [7]. В рабоэмиттеров Al0.3Ga0.7As, волноводного слоя, выполненте [12] нами впервые была применена асимметричная ного из GaAs, и напряженной квантовой ямы из InGaAs ¶ E-mail: nike@hpld.ioffe.ru толщиной 90.

Мощные полупроводниковые лазеры на основе асимметричных гетероструктур... 3. Исследования свойств полупроводниковых лазеров на основе асимметричных гетероструктур Исследования проводились на серии лазеров с различной длиной резонатора от 1 до 5 мм. Выходное зеркало резонатора Фабри–Перо просветлялось до величины коэффициента отражения 5-6%; на противоположную грань наносилось диэлектрическое многослойное зеркало SiO2/Si с коэффициентом отражения более 95%.

На рис. 2 приведены зависимости пороговой плотности тока Jth от обратной длины резонатора 1/L для симметричной [1,3] и асимметричной (EM-474) структур.

Рис. 1. Энергетическая зонная диаграмма симметричной и асимметричной лазерных гетероструктур раздельного ограни- Внесение асимметрии в конструкцию лазерной гетерочения с шириной волновода D = 1.7мкм (1) и распределение структуры не привело к росту пороговой плотности тока интенсивности электромагнитного поля для нулевой (2), пердля резонаторов длиной 2 мм, хотя фактор оптичевой (3) и второй моды (4). Направление z перпендикулярно ского ограничения активной области в асимметричной слоям структуры.

структуре был несколько меньше, чем в симметричной Смещение активной области относительно симметричного положения проводилось на основе выбора минимального значения фактора оптического ограничения в активной области для мод высших порядков и максимального для фундаментальной моды (рис. 1).

В этом случае генерация фундаментальной моды будет предпочтительнее, чем мод высших порядков, согласно выражению, характеризующему пороговые условия в полупроводниковом лазере:

· g(nQW, pQW) =int + ext, (1) QW Рис. 2. Зависимости пороговой плотности тока (Jth) от где g(nQW, pQW) — материальное усиление активной обратной длины резонатора (1/L) в лазерах на основе симметсреды, nQW, pQW — концентрации свободных носителей ричной гетероструктуры с D = 0.4мкм (1) и асимметричной заряда (электронов, дырок) в активной области, int — гетероструктуры с D = 1.7мкм (2).

внутренние и ext — внешние оптические потери, — QW фактор оптического ограничения активной области. Как показывают наши расчеты [7], в асимметричной структуре удается достичь превышения пороговой концентрации на 10–20% для мод высших порядков над пороговым значением для фундаментальной моды в лазерных гетероструктурах с толщиной волновода D = 1.7мкм.

Из полученных лазерных гетероструктур изготавливались многомодовые лазеры с шириной контакта 100 мкм и различной длиной резонатора. Лазерные диоды монтировались на медные теплоотводы полоском вниз. Исследования свойств полупроводниковых лазеров проводились при постоянной температуре теплоотвода 20C.

Лучшие результаты, достигнутые нами в аналогичных симметричных лазерных гетероструктурах раздельного Рис. 3. Экспериментальная зависимость обратной величины ограничения, представлены в работах [1,3]. С этими внешней дифференциальной квантовой эффективности (1/d) результатами мы проведем сравнение свойств полупроот длины резонатора (L) в лазерах на основе симметричной водниковых лазеров на основе асимметричных гетеро- гетероструктуры с D = 0.4мкм (1) и асимметричной гетероструктур. структуры с D = 1.7мкм (2).

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 390 Д.А. Винокуров, С.А. Зорина, В.А. Капитонов, А.В. Мурашова, Д.Н. Николаев, А.Л. Станкевич...

структуре. В лазерах с длиной резонатора более 2 мм наблюдалось уменьшение пороговой плотности тока, что согласуется с фактом снижения пороговой концентрации и, следовательно, с уменьшением внутренних оптических потерь при увеличении длины резонатора [13]. На рис. 3 приведены зависимости обратной дифференциальной квантовой эффективности 1/d от длины резонатора лазера. Из анализа этих зависимостей определяются величина внутренних оптических потерь (int), характерная для рассматриваемых гетеролазеров, и величина стимулированного квантового выхода (int).

В лазерных гетероструктурах есть два неблагоприятных фактора, которые могут влиять на величину стимулированного квантового выхода и внутренних оптических потерь: малая глубина квантовой ямы для элекРис. 4. Сдвиг спектра излучения лазера с асимметричной тронов, приводящая к выбросу электронов [14,15], и гетероструктурой и шириной волновода 1.7 мкм при различных большая ширина волноводных слоев, способствующая значениях тока накачки, А: 1 — 0.45, 2 —3, 3 —6, 4 —9.

утечке электронов в p-эмиттер [16]. В симметричной структуре [1,3] с шириной волновода 0.4 мкм величина стимулированного квантового выхода достигала 98%, что указывает на отсутствие токовых утечек за порогом генерации. В асимметричной структуре величина стимулированного квантового выхода достигает 99%, что, по нашему мнению, свидетельствует о высокой степени локализации дырок в активной области, не позволяющей выброшенным электронам диффундировать к p-эмиттеру. В то же время увеличение ширины волновода до 1.7 мкм обеспечило снижение внутренних оптических потерь в асимметричной структуре в 3 раза по сравнению с симметричной структурой (рис. 3).

Низкие внутренние оптические потери (int = 0.34 см-1) позволили увеличить длину полупроводниковых лазеров до 3-5 мм без снижения дифференциальной квантовой эффективности (рис. 3).

Возможность увеличения длины резонатора благоРис. 5. Интенсивность излучения в дальней зоне в плоскости, приятно сказывается на целом ряде параметров перпендикулярной плоскости p-n-перехода, от угла при разполупроводниковых лазеров. В первую очередь, личных значениях тока накачки, А: 1 —0.5, 2 —5, 3 — 10, снижается последовательное сопротивление. В нашем 4 — 15. Значения ширины поля на половине интенсивности, град: 1 — 30, 2 — 33, 3 — 31, 4 — 33.

случае при длине резонатора Фабри–Перо 3-5мм и ширине полоскового контакта 100 мкм последовательное сопротивление достигало 20-40 мОм.

Тепловое сопротивление полупроводниковых лазеров благоприятным образом сказывается на сроке службы имело резкую зависимость от длины резонатора и при полупроводниковых лазеров на основе асимметричных длине 5 мм составляло величину 2-2.5C/Вт. Величина гетероструктур.

теплового сопротивления в лазерах определялась слеНа рис. 5 показаны зависимости интенсивности излудующим образом. Для лазеров с разной длиной резоначения от угла в плоскости, перпендикулярной эпитакситора Фабри–Перо исследовались спектры излучения. Во альным слоям, при различных токах накачки. При всех всех лазерах с увеличением тока накачки наблюдалось токах накачки форма, полуширина и положение максмещение в длинноволновую область спектра (рис. 4), симума диаграммы направленности оставались постообусловленное разогревом активной области. С исянными, что свидетельствует о генерации на основной пользованием значения коэффициента температурной поперечной моде во всем диапазоне токов накачки.

зависимости ширины запрещенной зоны 4 /град быВнесение асимметрии в лазерную гетероструктуру ли определены величины теплового сопротивления для позволило увеличить ширину волновода до 1.7 мкм при лазеров с различной длиной резонатора.

Благодаря низкому тепловому сопротивлению при сохранении генерации на фундаментальной поперечной рабочем токе накачки перегрев активной области от- моде. Зависимость интенсивности излучения от угла в носительно теплоотвода составлял всего 7-10C, что плоскости, параллельной эпитаксиальным слоям, имела Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. Мощные полупроводниковые лазеры на основе асимметричных гетероструктур... измерений как электрических, так и оптических характеристик. Лазеры устанавливались в чистом замкнутом объеме на рабочую мощность (3-4Вт) при температуре теплоотвода 65C на время не менее 1000 ч непрерывной наработки. Все лазеры имели снижение мощности не более 3-5%.

4. Заключение Методом МОС-гидридной эпитаксии выращены лазерные квантово-размерные асимметричные гетероструктуры раздельного ограничения со сверхшироким волноводом в системе твердых растворов AlGaAs/GaAs/InGaAs.

Рис. 6. Ватт-амперная характеристика и зависимость кпд от тока накачки для лазерного диода с длиной резонатора Изготовлены меза-полосковые полупроводниковые лаL = 3040 мкм и шириной полоска 100 мкм с высокоотража- зеры с апертурой 100 мкм и исследованы их ватт-амперющим (отражение 95%) и просветляющим (отражение 5%) ные и вольт-амперные характеристики. В полученных покрытием на гранях резонатора в непрерывном режиме лазерах достигнуты рекордные мощность оптического генерации при температуре 20C.

излучения 16 Вт и коэффициент полезного действия 74% на длине волны 1080 нм. Получены пороговые плотности тока 80-100 А/см2, внутренние оптические потери 0.34 см-1 и внутренний квантовый выход стимулиизрезанный характер, свидетельствующий о наличии неоднородной пятнистой генерации в полоске шири- рованного излучения 99%.

ной 100 мкм, к сожалению, характерной для гетеро- В лазерах с асимметричной гетероструктурой и волструктур с толщиной активной области менее 100.

новодом шириной 1.7 мкм достигнута генерация на Однако на рабочих токах полуширина диаграммы на- основной поперечной моде во всем диапазоне токов правленности не превышала 12, что является хорошим накачки. Расходимость излучения в плоскости, паралпараметром для применения лазеров в оптических и лельной плоскости p-n-перехода, составляла 8-12, а волоконных системах.

в перпендикулярной плоскости 30-32.

Исследования температурных зависимостей порогоРабота частично поддержана Российским фондом фунвой плотности тока в диапазоне температур 0-100C даментальных исследований (грант 04-02-17641) и проне выявили отличий по сравнению с лазерами на основе граммой „Технология наноразмерных объектов и сисимметричных гетероструктур. Средние характеристичестем“.

ские температуры составили 110C, что соответствует значениям этого параметра в лазерах с симметричной структурой волновода [1,3].

Список литературы На рис. 6 приведены зависимости выходной мощности в непрерывном режиме генерации и коэффициента по[1] Д.А. Лившиц, А.Ю. Егоров, И.В. Кочнев, В.А. Капитонов, лезного действия от тока накачки полупроводникового В.М. Лантратов, Н.Н. Леденцов, Т.А. Налет, И.С. Тарасов.

лазера. Вследствие оптимизации параметров полупроФТП, 35, 380 (2001).

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.