WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 6 Мощные лазеры ( = 940-980 нм) на основе асимметричной GaInAs / GaInAsP / AlGaAs-гетероструктуры раздельного ограничения © Д.А. Винокуров, А.Л. Станкевич, В.В. Шамахов, В.А. Капитонов, А.Ю. Лешко, А.В. Лютецкий, Д.Н. Николаев, Н.А. Пихтин, Н.А. Рудова, З.Н. Соколова, ¶ С.О. Слипченко, М.А. Хомылев, И.С. Тарасов Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 7 ноября 2005 г. Принята к печати 21 ноября 2005 г.) Методом МОС-гидридной эпитаксии получены асимметричные GaInAs / GaInAsP / AlGaAs-гетероструктуры, излучающие на длинах волн 940 и 980 нм. Состав твердого раствора волноводного слоя Ga0.74In0.26As0.47P0.53 был выбран на основе расчета энергии выброса электронов из квантовой ямы активной области в волновод. Полученные гетероструктуры использовались для изготовления полупроводниковых лазеров с апертурой излучения 100 мкм. В непрерывном режиме генерации лазеров при комнатной температуре была достигнута максимальная выходная оптическая мощность 12 Вт. Внутренние оптические потери составляли 0.6 и 0.3 см-1 соответственно на длинах волн 940 и 980 нм.

PACS: 42.55.Px; 85.60.Jb; 78.67.-n 1. Введение 2. Моделирование лазерной гетероструктуры Статья продолжает цикл работ, посвященных созданию и исследованию мощных полупроводниковых ла- В полупроводниковых лазерах с волноводом из арзеров на основе асимметричных раздельного ограни- сенида галлия длина волны излучения 930-980 нм чения (АРО) квантово-размерных гетероструктур [1–5]. может быть получена за счет изменения состава и В предыдущих статьях использовалась система твердых толщины напряженной активной области GaInAs. Одрастворов GaInAs / GaAs / AlGaAs, идеально подходящая нако при этом происходит резкое возрастание породля создания мощных полупроводниковых лазеров, из- говой плотности тока и падение дифференциальной лучающих в диапазоне длин волн 1030-1090 нм. При- квантовой эффективности. По нашему мнению, это связано с усилением интенсивности процессов термименение арсенида галлия в качестве волноводного слоя ческого выброса носителей заряда из активной обпозволяет расширять волновод до нескольких микрон без технологических затруднений и получать в полу- ласти в волновод вследствие уменьшения глубины квантовой ямы (КЯ) в активной области относительпроводниковых лазерах рекордные на сегодняшний день но волновода GaAs. Этот эффект был отмечен еще выходные характеристики [1].

в работах, посвященных лазерам на основе двойных В настоящей статье исследуются полупроводниковые (не квантово-размерных) гетероструктур [8]. Для солазеры, излучающие на длинах волн 940 и 980 нм, здания АРО гетероструктур, не содержащих алюмикоторые широко применяются для накачки легирония в активной области и в волноводе („безалюмиванных эрбием оптоволоконных усилителей и твердониевых“ гетероструктур), излучающих на длинах волн тельных лазеров на основе иттрий-алюминиевых гра940-980 нм, необходимо использовать в качестве волнатов, легированных иттербием [6,7]. Для создания новода систему твердых растворов GaInAsP с больмощных лазеров, излучающих на длинах волн шей шириной запрещенной зоны, чем у GaAs. Для и 980 нм, применение системы твердых растворов определения допустимых составов четверного твердоGaInAs / GaAs / AlGaAs (с волноводом из GaAs) не дает го раствора GaInAsP была промоделирована лазерная положительных результатов. Поэтому в данной работе структура, излучающая на длине волны 1080 нм, копредставлены расчеты АРО гетероструктур в системе торая имела рекордные оптические характеристки [1].

твердых растворов GaInAs / GaInAsP / AlGaAs (с волноНа рис. 1 приведена схематическая зонная диаграмводом из GaInAsP), излучающих на указанных длинах ма волновода, GaInAs КЯ активной области толщиволн. Далее исследованы электрические и оптические ной 100 и приведены обозначения, используемые нами характеристики гетероструктур в системе твердых растпри расчетах величины энергии выброса и длины волны воров GaInAs / GaInAsP / AlGaAs, полученных методом излучения. В расчетах нами рассматривается только МОС-гидридной эпитаксии.

энергия выброса электронов, поскольку в исследуемых структурах активная область из твердого раст¶ E-mail: Tarasov@hpld.ioffe.ru вора GaInAs является сжато-напряженной, и тяжелые Мощные лазеры ( = 940-980 нм) на основе асимметричной GaInAs / GaInAsP / AlGaAs... активной областью и волноводом. Отсутствие качественных гетерограниц приводит к уширению спектра излучения и ухудшению выходных оптических характеристик лазерной гетероструктуры. Проведенные расчеты позволили выбрать максимальный состав (по x и y) четверного твердого раствора, отвечающий заданному критерию (Eesc 80 мэВ) для длины волны излучения 940 нм — Ga0.74In0.26As0.47P0.53. На рис. 2 и 3 для выбранного Ga0.74In0.26As0.47P0.53-волновода представлены зависимости разрыва зоны проводимости ( Ec) от состава активной области (рис. 2, кривая 2) и зависимость энергии выброса электронов (Eesc) от состава активной области и длины волны излучения (рис. 3, кривые 2).

Рис. 1. Схематическая зонная диаграмма волновода и активной области лазерной гетероструктуры. Egw, Egqw — ширина запрещенной зоны соответственно твердого раствора волновода и активной области (с учетом напряжений); Ev, Ec —положение потолка валентной зоны (ВЗ) и дна зоны проводимости (ЗП) соответственно; Ev, Ec — разрывы зон в ВЗ и ЗП между твердыми растворами, образующими волновод и активную область; hh, e — положение первого уровня размерного квантования для тяжелых дырок и электронов соответственно;

Eesc — энергия выброса электронов из квантовой ямы активной области в волновод.

дырки имеют большую по сравнению с электронами эффективную массу и глубину залегания относительРис. 2. Расчетные зависимости изменения разрыва зон но волновода из GaAs, что позволяет исключить выв зоне проводимости ( Ec) от состава активной области брос дырок в GaAs-волновод. На рис. 2 (кривая 1) Gax In1-x As относительно волновода из: 1 — GaAs, 2 — приведена зависимость изменения величины разрыва Ga0.74In0.26As0.47P0.53.

зон в зоне проводимости ( Ec) относительно GaAsволновода от состава активной области Gax In1-xAs.

При этом для определения величины разрыва зон в ненапряженных материалах использовались данные из работы [9]. Вклад напряжений, возникающих в активной области, был рассчитан по методике, приведенной в работе [10].

На рис. 3 (кривые 1) приведены зависимости энергии выброса электронов Eesc из активной области в GaAsволновод от состава активной области Gax In1-xAs и длины волны излучения. Энергия выброса была вычислена с учетом эффектов размерного квантования для КЯ толщиной 100 по модели эффективных масс [11]. Из данного графика следует, что для длины волны излучения активной области 1060 нм Eesc 80 мэВ ( 3kT ).

Эта энергия выброса была использована нами в качестве критерия для подбора состава (x, y) волноводного слоя GaxIn1-x AsyP1-y. Оптимальными с точки зрения увеличения Eesc были бы составы с малыми значениями Рис. 3. Расчетные зависимости изменения энергии выброса величин x и y. Однако использование твердых растворов электрона из активной области (Eesc) относительно волновода таких составов сопряжено с технологическими труд- (1 —GaAs, 2 —Ga0.74In0.26As0.47P0.53) от состава активной обностями получения качественных гетерограниц между ласти Gax In1-x As и длины волны излучения активной области.

Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 766 Д.А. Винокуров, А.Л. Станкевич, В.В. Шамахов, В.А. Капитонов, А.Ю. Лешко, А.В. Лютецкий...

3. Экспериментальная установка возникали в структурах, излучающих как на длине волны 980 нм, так и на длине волны 940 нм. Это обеспечиваи образцы лось разработкой технологии МОС-гидридной эпитаксии Экспериментальные образцы лазерных АРО гетеро- толстых (более одного микрона) бездислокационных структур со сверхтолстым волноводом, излучающие на слоев четверных твердых растворов GaInAsP. Однодлинах волн 940 и 980 нм, были выращены методом временно с этим для обеспечения близкого к 100% МОС-гидридной эпитаксии на установке пониженного внутреннего квантового выхода отрабатывались технодавления Emcore GS3100 с вертикальным типом ре- логические режимы переключения газовых потоков при актора. Гетероструктуры GaInAs / GaInAsP / AlGaAs вы- росте тонких эпитаксиальных слоев активной области, ращивались при температуре 700C и давлении в ре- состоящей из твердого раствора GaInAs.

акторе 77 Торр. Триметилалюминий, триметилгаллий, Зависимость дифференциальной квантовой эффективтриметилиндий, арсин и фосфин использовались в ка- ности от длины резонатора Фабри–Перо позволяет оцечестве источников элементов третьей и пятой группы.

нить величину внутреннего квантового выхода стимуСилан (0.05% в водороде) и бисциклопентадиенилмаг- лированного излучения. Для структур, излучающих на ний использовались в качестве лигатуры n- и p-типа длинах волн 940 и 980 нм, величина стимулированного соответственно. В качестве газа-носителя использовался квантового выхода превышала 90%, что исключает наливодород с точкой росы не хуже -100C. Рост осущечие дополнительных каналов безызлучательной рекомствлялся на подложках n-GaAs (100).

бинации за порогом генерации в АРО гетероструктурах Эмиттерные слои лазерной гетероструктуры состос расширенным до 1.7 мкм InGaAsP-волноводом. Из этих яли из твердого раствора Al0.3Ga0.7As n- и p-типа же зависимостей были определены величины внутрен(N = 8 · 1017 см-3 и P = 5 · 1018 см-3). Волноводные них оптических потерь вблизи порога генерации, котослои общей толщиной 1.7 мкм преднамеренно не рые составляли 0.3 и 0.6 см-1 соответственно для длин легировались и имели состав твердого раствора волн излучения 980 и 940 нм. Таким образом, переход от Ga0.74In0.26As0.47P0.53 с концентрацией фоновой примеси волновода из GaAs к волноводу из четверного твердого n 5 · 1015 см-3. В асимметричных структурах активная раствора InGaAsP в АРО гетероструктурах не ухудшает область была смещена от центра волновода к эмиттеру основные лазерные характеристики, такие как пороговая p-типа на 0.2 мкм. Применялись два состава твердого плотность тока, дифференциальный квантовый выход раствора активной области: Ga0.88In0.12As, обеспечиваюстимулированного излучения и внутренние оптические щий генерацию на длине волны 940 нм, и Ga0.82In0.18As потери.

для генерации на длине волны 980 нм. Во всех структуНа рис. 4 приведена ватт-амперная характеристика, рах толщина активной области составляла 100.

типичная для лазеров, излучающих на длинах волн С применением известных постростовых технолои 980 нм. В непрерывном режиме генерации максимальгий [12,13] из выращенных структур были изготовленая мощность составляла 12 Вт. Такие высокие значения ны полупроводниковые лазеры с апертурой излучения оптической мощности излучения подтверждают состоя100 мкм. Из каждой структуры изготавливались партии тельность концепции создания мощных полупроводнилазеров с различной длиной резонатора от 0.5 до 4.0 мм ковых лазеров, базирующейся на снижении внутренних и исследовались их электрические и оптические характеристики.

4. Экспериментальные исследования Мощностные характеристики полупроводниковых лазеров, смонтированных на медный теплоотвод, исследовались для образцов с различной длиной резонатора. На основании проведенных измерений были определены пороговые плотности тока, дифференциальные квантовые эффективности, кпд исследуемых образцов. Пороговые плотности тока в асимметричных лазерных структурах с составом твердого раствора Ga0.74In0.26As0.47P0.53 волноводного слоя составляли величину порядка 100 А / см2. Эта величина в лазерах аналогичной конструкции с волноводом из арсенида галРис. 4. Типичная ватт-амперная характеристика (1) и залия [1] составляла 80 А / см2, что позволяет утверждать висимость кпд (2) от тока накачки для лазерного диода об отсутствии дополнительных токовых утечек в АРО с длиной резонатора 3 мм и шириной полоска 100 мкм с гетероструктурах с волноводным слоем из твердого высокоотражающим (95%) и просветляющим (5%) покрытием раствора Ga0.74In0.26As0.47P0.53 толщиной 1.7 мкм. Необ- на гранях резонатора в непрерывном режиме генерации при ходимо отметить, что дополнительные токи утечки не комнатной температуре (20C) ( = 940 и 980 нм.) Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. Мощные лазеры ( = 940-980 нм) на основе асимметричной GaInAs / GaInAsP / AlGaAs... оптических потерь, увеличении длины полупроводнико- [2] Н.А. Пихтин, С.О. Слипченко, З.Н. Соколова, И.С. Таравого лазера и предельного тока накачки [1–3]. сов. ФТП, 38, 374 (2004).

[3] С.О. Слипченко, Д.А. Винокуров, Н.А. Пихтин, З.Н. СокоПрименение в качестве эмиттеров твердого раствора лова, А.Л. Станкевич, И.С. Тарасов, Ж.И. Алфёров. ФТП, Al0.3Ga0.7As не повлияло на величину расходимости 38, 1477 (2004).

излучения в плоскости, перпендикулярной эпитаксиаль[4] А.Ю. Лешко, А.В. Лютецкий, Н.А. Пихтин, С.О. Слипченным слоям. Расходимость составляла 25-27 градусов ко, З.Н. Соколова, Н.В. Фетисова, Е.Г. Голикова, Ю.А. Ряв лазерах, излучающих на обеих длинах волн (940 и боштан, И.С. Тарасов. ФТП, 36, 1393 (2002).

980 нм) во всем диапазоне токов накачки. Необходимо [5] N.A. Pikhtin, S.O. Slipchenko, Z.N. Sokolova, A.L. Stankevich, отметить, что толщина волноводного слоя при этом D.A. Vinokurov, I.S. Tarasov, Zh.I. Alferov. Electron. Lett., 40, составляла 1.7 мкм аналогично лазерам с волноводом 1413 (2004).

из GaAs.

[6] G. Beister, G. Erbert, A. Knauer, J. Maege, P. Ressel, Спектры излучения исследуемых полупроводниковых J. Sebastian, R. Staske, H. Wenzel. Electron. Lett., 35, лазеров имеют характерный для мощных лазеров вид [1].

(1999).

При увеличении тока накачки до 15-20 А происходит [7] M. Ohkubo, S. Namiki, T. Ijichi, A. Iketani, T. Kikuta. IEEE расширение спектра генерации до 10-15 нм. В спектрах J. Quant. Electron., QE-29, 1932 (1993).

наблюдается характерное смещение полосы излучения [8] Д.З. Гарбузов, А.В. Овчинников, Н.А. Пихтин, И.С. Тарана 10-15 нм в длинноволновую область [1], что позсов, З.Н. Соколова, В.Б. Халфин. ФТП, 25, 928 (1991).

воляет определить температуру разогрева активной об- [9] I. Vurgaftman, J.R. Meyer, L.R. Ram-Mohan. J. Appl. Phys., ласти полупроводникового лазера. В лазерах с длиной 89, 5815 (2001).

резонатора 2-3 мм перегрев активной области составил [10] M.P.C.M. Krijn. Semicond. Sci. Tecnol., 6, 27 (1991).

приблизительно 30-40C. [11] S. Adachi. Physical Properties of III–V Semiconductor Compounds (John Wiley & Sons Inc., 1992).

[12] Е.Г. Голикова, В.А. Горбылев, Ю.В. Ильин, В.А. Курешов, 5. Заключение А.Ю. Лешко, А.В. Лютецкий, Н.А. Пихтин, Ю.А. Рябоштан, В.А. Симаков, И.С. Тарасов, Е.А. Третьякова, В работе приведены результаты численного Н.В. Фетисова. Письма ЖТФ. 26 (7), 57 (2000).

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.