WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 5 Вертикально-излучающие лазеры на основе массивов субмонослойных квантовых точек InGaAs ¶ © С.А. Блохин, Н.А. Малеев, А.Г. Кузьменков, Ю.М. Шерняков, И.И. Новиков, Н.Ю. Гордеев, В.В. Дюделев, Г.С. Соколовский, В.И. Кучинский, М.М. Кулагина, М.В. Максимов, В.М. Устинов, А.Р. Ковш, С.С. Михрин, Н.Н. Леденцов Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия NL-Nanosemiconductors GmbH, 44227 Dortmund, Germany (Получена 27 сентября 2005 г. Принята к печати 10 октября 2005 г.) Методом молекулярно-пучковой эпитаксии выращены структуры вертикально-излучающих лазеров с активной областью на основе массивов субмонослойных квантовых точек InGaAs и легированными распределенными брэгговскими отражателями AlGaAs / GaAs. Показана работа одномодовых вертикальноизлучающих лазеров спектрального диапазона 980 нм с диаметром токовой апертуры 3 мкм, пороговым током 0.6 мА, максимальной выходной мощностью до 4 мВт и внешней дифференциальной эффективностью 68%. Многомодовые вертикально-излучающие лазеры с диаметром апертуры 10-12 мкм обладают сверхнизкими внутренними оптическими потерями (0.09% на один проход фотона), что сравнимо с лучшими результатами для лазеров такого типа с нелегированными распределенными брэгговскими отражателями.

PACS: 42.55.Px, 78.67.He 1. Введение арсенида галлия [4] и создавать приборы с субмикрометровой апертурой без существенного увеличения порогового тока [2,5].

Полупроводниковые вертикально-излучающие лазеры (ВИЛ, VCSELs — vertical cavity surface emitting lasers) К числу основных проблем при создании ВИЛ на основаны на использовании вертикальных оптических основе самоорганизующихся КТ InGaAs, получаемых микрорезонаторов с зеркалами в виде распределен- методом Странски–Крастанова, относится сравнительно ных брэгговских отражателей (РБО, DBR) и облада- низкий уровень модового оптического усиления, обусловленный недостаточной повeрхностной плотностью ют рядом существенных достоинств по сравнению с массива КТ. Использование активных областей со мнотрадиционными инжекционными лазерами полосковой конструкции. К их числу относятся малая угловая рас- гими слоями КТ лишь частично позволяет преодолеть указанное ограничение, поскольку вблизи каждого макходимость и симметричная диаграмма направленности выходного оптического излучения, возможность обеспе- симума оптического поля удается разместить не более 2-3 слоев КТ. В результате практически во всех реаличения субмиллиамперных пороговых токов, групповая зованных ВИЛ на основе КТ используется конструкция технология изготовления и возможность тестирования с нелегированными РБО и внутрирезонаторными токоприборов непосредственно на пластине [1]. В последние выми контактами к скрытым проводящим слоям, позвогоды ВИЛ находят все более широкое применение ляющая обеспечить минимальный уровень внутренних в быстродействующих системах волоконно-оптической оптических потерь [2]. Такая конструкция существенно связи, оптических сенсорах и устройствах обработки сложнее в реализации по сравнению с традиционной информации.

конструкцией ВИЛ GaAs/AlGaAs диапазона 0.85 мкм с В большинстве современных ВИЛ различных спекпроводящими РБО.

тральных диапазонов успешно используются активные Альтернативный подход при создании ВИЛ диапазона области на основе одной или нескольких квантовых длин волн 0.9-1.0 мкм состоит в использовании массиям, помещенных вблизи пучностей оптического поля.

вов КТ InGaAs, полученных методом субмонослойного При этом активная область прибора (область проте(SML, submonolayer) осаждения, которые обладают сукания тока и излучательной рекомбинации носителей) щественно более высокой поверхностной плотностью, ограничивается с помощью апертурных слоев AlGaAs с меньшим неоднородным уширением спектра излучения селективным окислением или с помощью имплантации и большим оптическим усилением [6]. Максимум длины протонов [1]. Перспективным направлением является исволны излучения определяется толщиной и количепользование в качестве активной области ВИЛ массивов ством слоев InAs, толщиной прослоек GaAs, а также самоорганизующихся квантовых точек (КТ, QD) [2,3].

количественным соотношением InAs/GaAs, влияющим В частности, это позволяет существенно расширить на высоту трехмерных островков и их эффективную спектральный диапазон излучения ВИЛ на подложках ширину запрещенной зоны [7]. На основе структур с ¶ E-mail: blokh@mail.ioffe.ru SML КТ были реализованы мощные лазерные диоды, 634 С.А. Блохин, Н.А. Малеев, А.Г. Кузьменков, Ю.М. Шерняков, И.И. Новиков...

работающие в диапазоне длин волн 0.94 мкм [6,7]. В настоящей работе исследуется возможность использования технологии субмонослойного осаждения КТ InGaAs для реализации ВИЛ спектрального диапазона 0.98 мкм с легированными РБО AlGaAs/GaAs.

2. Эксперимент На рис. 1 представлена конструкция ВИЛ с активной областью на основе SML КТ InGaAs с проводящими полупроводниковыми зеркалами.

Структуры для ВИЛ были выращены методом молекулярно-пучковой эпитаксии на легированных Si Рис. 1. Схематическое изображение поперечного сечения подложках GaAs с ориентацией (001) в установке структуры вертикально-излучающего лазера с легированными RIBER49. Эпитаксиальная структура состоит из ниж- полупроводниковыми распределенными брэгговскими отражателями.

него РБО, содержащего 33 пары четвертьволновых слоев GaAs/Al0.9Ga0.1As n-типа проводимости, нелегированного оптического резонатора из Al0.15Ga0.85As и верхнего РБО, содержащего 20 пар четвертьволновых селективного окисления [10]. Чтобы реализовать набор слоев GaAs/Al0.9Ga0.1As p-типа. В качестве легируВИЛ с различным числом пар верхнего РБО, часть ющих примесей для получения проводимости p- и слоев верхнего зеркала удалялась в пределах внутренn-типа использовались углерод и кремний соответственнего диаметра кольцевого p-контакта. Следует отметить, но. Для снижения омического сопротивления интерчто применение метода селективного химического травфейсы GaAs–Al0.9Ga0.1As в РБО содержат переходные ления в данном случае сильно затруднено вследствие слои толщиной 10 нм с градиентом по составу Al наличия переходных слоев с градиентом по составу Al и высоким уровнем легирования (C — 5 · 1018 см-3, в РБО. Поэтому для удаления пар слоев верхнего РБО Si — 1 · 1018 см-3). Оптический резонатор содержит использовалось сухое травление с точностью по глубине активную область на основе трех слоев КТ InGaAs, не хуже 5%. На завершающем этапе производились полученных методом субмонослойного осаждения, попассивация приборной структуры слоем SiO2 толщиной мещенных в области максимума оптического поля, и 0.2 мкм, вскрытие контактных окон и металлизация конапертурный слой p-(AlAs/Al0.9Ga0.1As), помещенный в тактных площадок на основе Cr/Au с общей толщиной минимум оптического поля для минимизации дифракцислоев 1 мкм.

онных потерь [8]. Толщины и состав слоев структуры После проведения измерений мощностных и спекрассчитывались для получения резонансной длины волтральных характеристик приборов на пластине была ны 980 нм.

отобрана серия образцов ВИЛ, которые напаивались на Технология изготовления лазерных приборов бымедные теплоотводы n-контактом вниз при помощи инла основана на ранее разработанном процессе для диевого припоя. Лазерные характеристики изготовленВИЛ с непроводящими РБО [9]. Омические контакных ВИЛ были измерены в импульсном (длительность ты к n- и p-областям формировались напылением импульса 200 нс, частота повторений 1 кГц) и непреи вжиганием (при температуре 450C) слоев мерывном режимах при комнатной температуре. Ближнее таллизации AuGe/Ni/Au и AuZn соответственно. Даи дальнее поля излучения измерялись в непрерывном лее методом фотолитографии и последующим сухим режиме с помощью CCD-матрицы.

травлением в пучке ионов Ar+ (установка ионного травления MIM TLA 20) были изготовлены мезаструктуры диаметром 36-48 мкм с глубиной травле- 3. Результаты и обсуждение ния 3.6 мкм. Маска, устойчивая в ходе длительного процесса сухого травления, основана на использова- На рис. 2 представлены вольт-амперная и мощностнии фоторезиста ФП-9120. Для устранения поверхност- ная характеристики ВИЛ с диаметром токовой апертуных нарушений, вызванных сухим травлением, проводи- ры 3 мкм и 18 парами четвертьволновых слоев в верхнем лось дополнительное химическое травление в раство- РБО. Наблюдается лазерная генерация в непрерывном ре NH4OH : H2O2 : H2O (1: 2: 50) в течение 4-5с при режиме при комнатной температуре с пороговым токомнатной температуре. Затем методом латерального ком 0.6 мА, внешней квантовой эффективновстью 68% селективного окисления слоев AlAs/Al0.9Ga0.1As форми- и максимальной выходной мощностью до 4.8 мВт.

ровалась токовая апертура диаметром 3-12 мкм. Для Диаграмма направленности выходного излучения расобеспечения высокой механической стабильности ВИЛ сматриваемого ВИЛ, измеренная в непрерывном режиме применялась оптимизированная двухэтапная методика при комнатной температуре, вплоть до тока I = 6мА Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. Вертикально-излучающие лазеры на основе массивов субмонослойных квантовых точек InGaAs представляет собой гауссов пучок с шириной 65 по уровню половины мощности (рис. 3, a). Дальнейшее увеличение тока накачки приводит к резкому уширению диаграммы направленности выходного излучения до 14.5 и искажению формы распределения дальнего поля лазерного излучения. Картины ближнего поля, соответствующие одномодовому и многомодовому режимам работы ВИЛ, приведены на вставках к рис. 3, a. При токах накачки до 6 мА наблюдается фундаментальная мода (LP01), а при больших токах происходит переключение на поперечную моду первого порядка (LP11).

На рис. 3, b показаны спектральные характеристики излучения исследуемого ВИЛ в зависимости от тока накачки. Одномодовая генерация с фактором подавления боковых мод (side mode supression ratio, SMSR) более Рис. 2. Вольт-амперная и мощностная характеристики ВИЛ 30 дБ сохраняется вплоть до тока 6 мА. При этом макс диаметром токовой апертуры 3 мкм и 18 парами слоев в симальная выходная мощность в одномодовом режиме верхнем РБО в непрерывном режиме работы при комнатной достигает 4 мВт.

температуре.

Измерения в широком диапазоне температур показали наличие лазерной генерации в непрерывном режиме вплоть до температуры 90C. При этой температуре приборы с апертурой 3 мкм имеют пороговый ток Ith = 2.1 мА и максимальную выходную мощность 2.4 мВт. Максимальная мощность в одномодовом режиме с SMSR не менее 30 дБ достигает 2 мВт при рабочем токе 3.8 мА.

Рис. 4. Пороговый ток как функция размера токовой апертуры для ВИЛ с 20 парами слоев в верхнем РБО. На вставке — плотность порогового тока. Измерения в непрерывном режиме при комнатной температуре.

Следует отметить, что все изготовленные ВИЛ механически стабильны, хотя для одномодовых приборов Рис. 3. a — угловое распределение мощности излучения ВИЛ с малыми размерами апертуры последовательное сов дальнем поле и картины ближнего поля (на вставке) при противление достигает 350 Ом, что приводит к сущерабочих токах, соответствующих одномодовому (I = 6мА) и ственному нагреву лазера при больших рабочих токах и многомодовому (I = 8мА) режимам работы. b — спектры гесоответствующим механическим напряжениям в струкнерации ВИЛ при различных рабочих токах. Диаметр токовой туре.

апертуры 3 мкм, 18 пар слоев в верхнем РБО. Измерения в непрерывном режиме при комнатной температуре. Одной из важнейших характеристик ВИЛ являются внутренние оптические потери, поскольку от их величиФизика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 636 С.А. Блохин, Н.А. Малеев, А.Г. Кузьменков, Ю.М. Шерняков, И.И. Новиков...

зависимостью [13]:

T diff P = (I - Ith), q где P — выходная мощность, I — величина тока накачки, — энергия фотона, q — заряд электрона, T Ith — пороговый ток и diff — внешняя квантовая эффективность излучения, выводимого через верхнее зеркало. Однако в случае ВИЛ следует учесть, что коэффициенты отражения верхнего и нижнего РБО различны. Поэтому внешняя квантовая эффективность определяется следующими выражениями [14]:

RT 1 - RT T diff = diff, RT + RB 1 - RT RB Tm diff = int, Aint + Tm где RT и RB — коэффициенты отражения верхнего Рис. 5. Мощностные характеристики ВИЛ с диаметром (выводного) и нижнего РБО, diff — полная внешняя токовой апертуры 12 мкм и с разным числом пар слоев в верхнем РБО: 18 (Ith = 1мА, diff = 64%), 19 (Ith = 0.9мА, diff = 60%), 20 (Ith = 0.8мА, diff = 50%). Измерения в импульсном режиме работы (длительность импульса 0.9 мкс, частота 1 кГц) при комнатной температуре.

ны зависит возможность достижения низких пороговых токов, высокой внешней квантовой эффективности и выходной мощности. В общем случае внутренние потери ВИЛ включают в себя потери внутри центральной (активной) части оптического резонатора, распределенные потери в РБО и оптические потери из-за дифракции на границе токовой апертуры. На рис. 4 приведена зависимость порогового тока от размера токовой апертуры для ВИЛ с 20 парами слоев в верхнем РБО.

Следует отметить, что с уменьшением размеров апертуры наблюдается падение порогового тока с 0.8 до 0.32 мА, что связано с увеличением плотности тока накачки. Однако дальнейшее уменьшение диаметра апертуры ведет к резкому возрастанию порога генерации вследствие доминирования дифракционных потерь и различного рода утечек носителей [11]. Поэтому для оценки внутренних потерь использовались структуры ВИЛ с размером апертуры 12 мкм, для которых можно пренебречь дифракционными потерями на апертуре (см.

вставку к рис. 4) [12], а модовый характер излучения относительно слабо зависит от тока накачки. На рис. приведены ватт-амперные характеристики для трех ВИЛ с разным числом пар слоев в верхнем (выводном) РБО, измеренные в импульсном режиме. Падение коэффициента отражения с уменьшением числа пар слоев в верхнем РБО приводит к росту максимальной выходной мощности и внешней квантовой эффективности прибоРис. 6. a — измеренный (1) и расчетный (2) спектры ров. С другой стороны, увеличение потерь на вывод отражения эпитаксиальной струкутры; на вставке — спектр излучения приводит к росту порогового тока (от 0.электролюминесценции (EL); b — зависимость обратной до 1 мА). Измеренные ватт-амперные характеристики внешней квантовой эффективности от обратного среднего в линейной области хорошо описываются стандартной коэффициента пропускания зеркал.

Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. Вертикально-излучающие лазеры на основе массивов субмонослойных квантовых точек InGaAs квантовая эффективность, Aint — внутренние оптические Список литературы потери на один проход фотона, int — внутренняя [1] C.W. Wilmsen, H. Temkin, L.A. Coldren. Vertical-Cavity квантовая эффективность, Tm = ln(1/ RT RB) — средний Surface-Emitting Lasers (Cambridge University Press, 1999).

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.