WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 5 Мощные лазеры ( = 808-850 нм) на основе асимметричной гетероструктуры раздельного ограничения © А.Ю. Андреев, А.Ю. Лешко, А.В. Лютецкий, А.А. Мармалюк, Т.А. Налет, А.А. Падалица, Н.А. Пихтин, Д.Р. Сабитов, В.А. Симаков, С.О. Слипченко, М.А. Хомылев, И.С. Тарасов¶ Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия «Сигм Плюс», 117342 Москва, Россия (Получена 20 сентября 2005 г. Принята к печати 10 октября 2005 г.) Согласно концепции мощных полупроводниковых лазеров, в системе твердых растворов AlGaAs/GaAs методом МОС-гидридной эпитаксии выращены симметричные и асимметричные гетерострутуры раздельного ограничения. На основе лазерных структур изготовлены мощные полупроводниковые лазеры с апертурой излучения 100 мкм, излучающие в диапазоне длин волн 808-850 нм. Внутренние оптические потери в асимметричных гетероструктурах раздельного ограничения с расширенным волноводом снижены до 0.5 см-1.

В лазерах с толщиной волновода 1.7 мкм достигнута мощность оптического излучения 7.5 Вт в непрерывном режиме генерации благодаря снижению плотности оптического излучения на зеркале резонатора до 4 МВт/см2.

PACS: 42.55.Px, 85.60.Jb 1. Введение нанесенных на резонаторы Фабри–Перо лазеров, содержащих и не содержащих алюминий в слоях лазерной Мощные полупроводниковые лазеры, излучающие на гетероструктуры. Было показано, что зеркала на лазерах, длине волны 808 и 850 нм, широко применяются для содержащих алюминий в слоях активной области и накачки твердотельных лазеров на основе кристаллов, волноводных слоях, перегреваются на порядок сильнее, легированных неодимом [1]. Поэтому увеличение опчем в не содержащих. Применение АРО ДГС позволяет тической мощности, яркости и срока службы лазеров, значительно расширить волновод структуры без увелиизлучающих в этом диапазоне является актуальной чения внутренних оптических потерь [4], следовательно, задачей.

снизить требования к порогу оптической катастрофичеВ последнее время успешно развивается концепция ской деградации зеркал и увеличить максимально достимощных полупроводниковых лазеров, в основе которой жимую мощность оптического излучения в непрерывном лежит положение о снижении внутренних оптических режиме генерации.

потерь [2–4]. Эта идея блестяще реализуется в асимметЦель настоящей работы заключалась в создании мощричных лазерных двойных гетерострутурах раздельного ных полупроводниковых лазеров на основе асимметричограничения (АРО ДГС) [5,6]. Однако все рекордные ных гетероструктур раздельного ограничения, излучапараметры в лазерах на основе асимметричных геющих в диапазоне длин волн 808-850 нм с использотероструктур раздельного ограничения достигнуты с ванием МОС-гидридной технологии в системе твердых использованием МОС-гидридной технологии безалюмирастворов AlGaAs/GaAs.

ниевых полупроводниковых твердых растворов [5,6].

Применение этой технологии в значительной степени упрощает требования к постростовым операциям, ис2. Экспериментальная установка пользуемым при изготовлении мощных полупроводнии образцы ковых лазеров [7]. Для создания лазеров, излучающих в диапазоне длин волн 808-850 нм, может применяться Для проведения экспериментов была изготовлена паркак система безалюминиевых полупроводниковых твертия симметричных и асимметричных лазерных гетеродых растворов [8], так и система твердых растворов структур раздельного ограничения с толщиной волновоAlGaAs/GaAs [9]. Достоинства системы твердых раствода от 0.2 до 1.7 мкм. Для эпитаксиального осаждения ров AlGaAs/GaAs общеизвестны, но при ее использоструктур использовалась МОС-гидридная технология вании во всех слоях лазерной АРО ДГС содержится пониженного давления. АРО ДГС AlGaAs/GaAs выраалюминий, присутствие которого значительно усложнящивались при температуре 720-770C и давлении в ет постростовые технологии. Особенно это относится реакторе 60-80 мм рт. ст. В качестве источников элек технологии нанесения диэлектрических зеркал на ментов третьей группы использовались триметилалюмирезонаторы Фабри–Перо. В статье [7] исследовалась ний, триметил- и триэтилгаллий. Источником элементемпература перегрева диэлектрических зеркал (SiO2/Si) тов пятой группы был 100% арсин. Смесь силана с ¶ E-mail: Tarasov@hpld.ioffe.ru водородом использовалась в качестве лигатуры n-типа, а Мощные лазеры ( = 808-850 нм) на основе асимметричной гетероструктуры раздельного ограничения Таким образом, в состав всех слоев лазерных структур входит алюминий с различной степенью концентрации.

С применением известных постростовых технологий [10,11] из выращенных структур были изготовлены полупроводниковые лазеры с апертурой излучения 100 мкм. Из каждой структуры изготавливались партии лазеров с различной длиной резонатора от 0.до 4.0 мм и исследовались их пороговые, мощностные и спектральные характеристики.

3. Экспериментальные исследования Все исследования проводились в непрерывном режиме генерации при фиксированной температуре теплоотРис. 1. Схематическая энергетическая зонная диаграмма вода 25C.

лазерных гетероструктур раздельного ограничения.

Пороговые характеристики исследовались в зависимости от обратной длины резонатора. При длине резонатора, устремляющейся к бесконечности, определялось минимальное значение пороговой плотности тока, соотдиэтилцинк — в качестве лигатуры p-типа. В качестве ветствующей нулевым потерям на выход из резонатора газа-носителя использовался водород с точкой росы Фабри–Перо. Пороговые плотности тока в лазерных не выше -100C. Рост осуществлялся на подложках структурах с различной толщиной волноводного слоя n-GaAs (100).

составляли величину порядка 160 А/см2 (рис. 2). Это Тщательный выбор условий получения квантовых ям объясняется тем, что в АРО ДГС снижение фактора позволил увеличить внутренний квантовый выход, а опоптического ограничения в активной области, приводятимизация условий роста волноводных слоев совместно щее к падению усиления в лазерной структуре, комс оптимизацией профиля легирования лазерных гетепенсируется, как это будет показано далее, снижением роструктур позволили снизить внутренние оптические внутренних оптических потерь. Если учесть, что техпотери.

нология формирования p-n-перехода для всех структур оставалась неизменной, то увеличение толщины волноводных слоев от 0.1 до 0.7 мкм не влияет на транспорт № Толщина волновода Длина волны носителей тока из эмиттеров в активную область. При структуры AlGaAs, мкм генерации, нм малых уровнях инжекции в структуре не возникает 1 0.4 дополнительных каналов утечки токов, приводящих к 2 0.24 возрастанию порогового тока.

3 0.8 Исследовались зависимости дифференциальной эф4 1.63 фективности от длины резонатора Фабри–Перо. Из 5 0.8 6 1.74 Схематическая зонная энергетическая диаграмма лазерных гетероструктур приведена на рис. 1. Эмиттерные слои твердого раствора Al0.5Ga0.5As p-типа легировались до 9 · 1017 см-3 и n-типа до 9 · 1017 см-3.

Волноводные слои преднамеренно не легировались и имели состав твердого раствора Al0.32Ga0.68As, а фоновый уровень легирования 2-5 · 1015 см-3. В симметричных структурах изменялась только толщина волновода. В таблице приведены толщины волноводных слоев. В асимметричных структурах активная область смещалась к эмиттеру p-типа на 0.2 мкм. Применялись два состава твердого раствора активной области. Один Al0.02Ga0.98As обеспечивал генерацию на длине волны 850 нм, а второй Al0.08Ga0.92As обеспечивал генераРис. 2. Зависимость пороговой плотности тока Jth от толщины цию на длине волны 808 нм. Во всех структурах толщина волновода Dw для лазеров с длиной волны излучения: 1 — 808, активной области составляла 120.

2 — 850 нм.

Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 630 А.Ю. Андреев, А.Ю. Лешко, А.В. Лютецкий, А.А. Мармалюк, Т.А. Налет, А.А. Падалица, Н.А. Пихтин...

На рис. 4 приведена зависимость максимально достижимой величины оптической мощности от толщины волновода лазерной гетероструктуры. Максимальные значения достигаются при толщине волновода 1.7 мкм как на длине волны 808 нм, так и на длине волны излучения 850 нм. Это происходит по двум причинам.

Во-первых, снижение внутренних оптических потерь позволяет увеличить длину полупроводникового лазера и предельный ток, во-вторых, расширение волновода снижает плотность потока энергии через зеркало резонатора Фабри–Перо и увеличивает максимальную оптическую мощность. По данным максимально достижимой мощности, приведенным на рис. 4, определялся порог оптической катастрофической деградации для лазеров с различной толщиной волновода. Независимо Рис. 3. Зависимость внутренних оптических потерь i от от толщины волновода порог оптической катастрофичетолщины волновода Dw для лазеров с длиной волны излучения:

ской деградации составил величину порядка 4 МВт/см2.

1 — 808, 2 — 850 нм.

В лазерах, не содержащих алюминия в слоях активной этих зависимостей при бесконечно малой длине резонатора определялся внутренний квантовый выход стимулированного излучения для данной структуры на пороге генерации. Во всех структурах достигалась величина стимулированного квантового выхода более 90%, что исключает наличие дополнительных каналов безызлучательной рекомбинации за порогом генерации в АРО ДГС с расширенным до 1.7 мкм волноводом.

Наибольший интерес вызывает величина внутренних оптических потерь, определяемая из наклона зависимости дифференциальной квантовой эффективности от длины резонатора. Из аналогичных зависимостей для различных лазерных гетероструктур были определены величины внутренних оптических потерь и построена зависимость от толщины волновода (рис. 3). Увеличение Рис. 4. Зависимость максимальной оптической мощнотолщны волновода на порядок снижает внутренние оп- сти Pmax, снимаемой с одного выходного зеркала, от толщины волновода Dw для лазеров с длиной волны излучения:

тические потери также на порядок (рис. 3). Расширение 1 — 808, 2 — 850 нм.

волновода приводит к снижению доли излучения, распространяющейся по сильно легированным эмиттерам, и суммарные внутренние оптические потери падают.

Как нами было показано [3,4], в лазерных структурах с толщиной волновода более 1.3 мкм основная часть внутренних оптических потерь приходится на долю активной области. В этом случае дальнейшее снижение величины внутренних оптических потерь связано непосредственно со снижением пороговой концентрации в активной области полупроводникового лазера. При достигнутой величине внутренних оптических потерь в 0.5 см-1 в лазерах на основе АРО ДГС высокие значения дифференциальной квантовой эффективности сохраняются при длине резонатора 3-5 мм. Возможность увеличения длины лазерных диодов до 3-5мм при сохранении высоких значений дифференциальной квантовой эффективности позволяет рассчитывать на Рис. 5. Ватт-амперная характеристики и зависимость КПД увеличение излучаемой оптической мощности лазеров от тока накачки 1 для лазеров с длиной волны 808 (1) на основе АРО ДГС [5,6]. и 850 нм (2) в непрерывном режиме генерации.

Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. Мощные лазеры ( = 808-850 нм) на основе асимметричной гетероструктуры раздельного ограничения области и волноводных слоях, эта величина лежит в всех слоях лазерной гетероструктуры, являются дидиапазоне 20-40 МВт/см2 [2,12]. На рис. 5 приведены электрические зеркала. В нашем случае расширение характерные ватт-амперные характеристики полупро- волновода до 1.7 мкм значительно снижает плотность водниковых лазеров с толщиной волновода 1.7 мкм и потока энергии на диэлектрическом выходном зеркале, длиной волны излучения 808 и 850 нм. При длине что позволяет достичь больших выходных оптических резонатора 2-3 мм максимальный ток, пропускаемый мощностей в лазерах на гетероструктурах, содержащих через лазерные структуры, достигал 7 A, что обеспе- алюминий.

чивало выходную оптическую мощность порядка 7 Вт На рис. 6 приведены спектры излучения полупров непрерывном режиме. Однако в лазерах на основе водниковых лазеров в зависимости от тока накачки.

алюминийсодержащих твердых растворов не достига- В спектрах наблюдается характерное [6] смещение полось характерное для непрерывного режима генера- лосы излучения до 2-4 нм в длинноволновую область.

ции насыщение ватт-амперной характеристики (рис. 5). Смещение спектра в длинноволновую область позволяет В аналогичных лазерах, не содержащих алюминий в вол- определить температуру разогрева активной области новодных слоях, максимальный ток достигает 15-16 A полупроводникового лазера. В лазерах с длиной рес насыщением ватт-амперной характеристики [5,6]. Это зонатора 2-3 мм перегрев активной области составил происходило потому, что наиболее слабым местом для величину порядка 5-10 градусов. Расширение спектра полупроводниковых лазеров, содержащих алюминий во в коротковолновую область связывают с насыщением усиления.

Температурная зависимость пороговой плотности тока не зависит от толщины волновода, и характеристическая температура T0 составила 160 K.

Толщина волновода при фиксированных составах твердых растворов волноводных слоев определяет расходимость излучения в плоскости, перпендикулярной эпитаксиальным слоям. Для всех структур независимо от толщины волновода наблюдалась устойчивая генерация на основной поперечной моде. На рис. 7 показана зависимость расходимости излучения от толщины волновода. С увеличением толщины волновода наблюдается значительное снижение расходимости излучения в плоскости, перпендикулярной эпитаксиальным слоям, и при толщине волновода 1.7 мкм она составляет в лазерах, излучающих как на длине волны 808 нм, так и на длине волны 850 нм. Снижение расходимости Рис. 6. Спектр излучения в непрерывном режиме генерации излучения упрощает задачу использования лазерного в зависимости от тока накачки 1, A: 1 — 0.94, 2 —1.5, 3 —2, излучения в оптических системах. При таких значени4 —2.5, 5 —3.

ях угла расходимости ввод излучения в многомодовое волокно диаметром 100 мкм достигает 90%.

4. Заключение Методом МОС-гидридной эпитаксии выращены симметричные и асимметричные лазерные квантоворазмерные гетероструктуры раздельного ограничения в системе твердых растворов AlGaAs/GaAs, излучающие в диапазоне длин волн 808-850 нм. Конструкции гетероструктур были выбраны в соответствии с концепцией мощных полупроводниковых лазеров. На их основе изготовлены меза-полосковые лазеры с апертурой 100 мкм и исследованы их излучательные характеристики.

В лазерах на основе асимметричных гетероструктур с толщиной волновода 1.7 мкм были получены внутренние оптические потери 0.5 см-1. Снижение плотности Рис. 7. Зависимость расходимости излучения в направлении, мощности на зеркале резонатора лазеров позволило перпендикулярном слоям лазерной структуры, от толщины достичь максимальной мощности излучения 7.5 Вт в волновода Dw для лазеров с длиной волны излучения: 1 — 808, непрерывном режиме генерации.

2 — 850 нм.

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.