Полупроводниковый инжекционный лазер

Изобретение относится к квантовой электронной технике и может быть использовано для накачки твердотельных лазеров. Согласно изобретению полупроводниковый инжекционный лазер содержит гетероструктуру раздельного ограничения, включающую квантово-размерную активную область, верхний и нижний волноводные слои, эмиттеры р- и n-проводимости. Эмиттер р-проводимости выполнен из твердого раствора Al_XpGa_1-XpAs. Эмиттер n-проводимости выполнен из твердого раствора Al_XnGa_1-XnAs. Верхний волноводный слой выполнен из твердого раствора Al_YвGa_1-YвAs. Нижний волноводный слой выполнен из твердого раствора Al_YнGa_1-YнAs. В твердом растворе Al_XpGa_1-XpAs значение мольной доли Хр находится в пределах от 0,5 до 0,7. В твердом растворе Al_XnGa_1-XnAs значение мольной доли Xn находится в пределах от 0,3 до 0,4. В твердом растворе Al_YвGa_1-YвAs значение мольной доли Yв на границе с эмиттером р-проводимости равно значению Хр и монотонно уменьшается до 0,25≤Yв≤0,30. В твердом растворе Al_YнGa_1-YнAs значение мольной доли Yн на границе с эмиттером n-проводимости равно значению Xn и монотонно убывает до 0,25≤Yн≤0,30. Толщина верхнего волноводного слоя находится в пределах 320-380 нм. Толщина нижнего волноводного слоя находится в пределах 470-530 нм. Технический результат - снижение оптических потерь и повышение КПД устройства, снижение плотности мощности излучения на оптических гранях лазера, повышение срока службы прибора. 1 табл., 1 ил.

 

Изобретение относится к квантовой электронной технике и может быть, в частности, использовано для накачки твердотельных лазеров, что требует весьма высокого коэффициента полезного действия (КПД) и мощности излучения полупроводникового лазера.

Известен полупроводниковый лазер, включающий квантово-размерную активную область, волноводные слои, контактирующие с активной областью с обеих ее сторон, и полупроводниковую подложку. Дополнительное оптическое ограничение создается за счет слоев, выполненных из широкозонного оптического материала, примыкающих к полноводным слоям и имеющих такой же тип проводимости, JP 2005191349.

Недостатком данного технического решения является весьма высокая плотность мощности излучения на оптических гранях лазера и, как следствие, малый срок службы устройства. Кроме того, в данном лазере возникает генерация нескольких поперечных мод, что обусловливает недостаточную стабильность и невысокую общую мощность излучения.

Известен полупроводниковый инжекционный лазер, содержащий гетероструктуру раздельного ограничения, включающий многомодовый волновод, ограничительные слои которого одновременно являются эмиттерами р- и n-типа проводимости с одинаковыми показателями преломления, активную область, состоящую из, по меньшей мере, одного квантово-размерного активного слоя, расположение которой в волноводе и толщина волновода удовлетворяют соотношению: Г⁰ _QW/Г^m _QW>1,7, где Г⁰ _QW и Г^m _QW - факторы оптического ограничения для активной области нулевой моды и моды m-го (высшего) порядка (m=1, 2, 3...), соответственно, отражатели, оптические грани, омические контакты и оптический резонатор; активная область размещена в дополнительном слое, показатель преломления которого больше показателя преломления волновода, а толщина и расположение в волноводе определяются из условия выполнения упомянутого соотношения, причем расстояния от активной области до р- и n-эмиттеров не превышают длин диффузии дырок и электронов в волноводе соответственно, RU 2259620; согласно описанию данного изобретения слои гетероструктуры могут быть выполнены из твердого раствора AlGaAs.

Данное техническое решение принято в качестве прототипа настоящего изобретения.

Недостатком прототипа является то обстоятельство, что электромагнитное поле основной (нулевой) поперечной моды полностью концентрируется в дополнительном слое, который имеет значительно меньшую толщину в сравнении с волноводными слоями. Это обусловливает избыточно высокую плотность мощности излучения на оптических гранях инжекционного лазера, что является причиной недостаточного срока его эксплуатации. Также следует отметить, что волноводные слои выполнены из материала, состав которого постоянен по толщине этих слоев. При высоком уровне инжекции неравновесных носителей это приводит к большим оптическим потерям и, как следствие, к снижению КПД прибора.

Задачей настоящего изобретения является снижение оптических потерь и повышение КПД устройства, а также снижение плотности мощности излучения на оптических гранях лазера и повышение тем самым срока службы прибора.

Согласно изобретению полупроводниковый инжекционный лазер содержит гетероструктуру раздельного ограничения, включающую квантово-размерную активную область, верхний и нижний волноводные слои, примыкающие к ним, соответственно, эмиттеры р- и n-проводимости, при этом эмиттер р-проводимости выполнен из твердого раствора Al_XpGa_1-XpAs, эмиттер n-проводимости выполнен из твердого раствора Al_XnGa_1-XnAs, верхний волноводный слой выполнен из твердого раствора Al_YвGa_1-YвAs, нижний волноводный слой выполнен из твердого раствора Al_YнGa_1-YнAs; новым в настоящем изобретении является то, что в твердом растворе Al_XpGa_1-XpAs значение мольной доли Хр находится в пределах от 0,5 до 0,7, в твердом растворе Al_XnGa_1-XnAs значение мольной доли Xn находится в пределах от 0,3 до 0,4, в твердом растворе Al_YвGa_1-YвAs значение мольной доли Yв на границе с эмиттером р-проводимости равно значению Хр и монотонно уменьшается до 0,25≤Yв≤0,30, в твердом растворе Al_YнGa_1-YнAs значение мольной доли Yн на границе с эмиттером n-проводимости равно значению Xn и монотонно убывает до 0,25≤Yн≤0,30, при этом толщина верхнего волноводного слоя находится в пределах 320-380 нм, а толщина нижнего волноводного слоя находится в пределах 470-530 нм.

Заявителем не выявлены какие-либо технические решения, идентичные заявленному, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию «новизна».

Благодаря выполнению эмиттера р-проводимости из твердого раствора Al_XpGa_1-XpAs с соблюдением условия: 0,5≤Хр≤0,7 электромагнитное поле, практически, не проникает в этот эмиттер, в результате чего снижаются оптические потери и увеличивается КПД лазера. Благодаря выполнению эмиттера n-проводимости из твердого раствора Al_XnGa_1-XnAs с соблюдением условия: 0,3≤Xn≤0,4 уменьшается рассеяние света на свободных носителях, что также способствует увеличению КПД. Кроме того, благодаря этому же происходит весьма существенное уменьшение концентрации электромагнитного поля в активной области и вокруг нее и, соответственно, снижение плотности мощности излучения на оптических гранях лазера и увеличение срока его службы.

Следует указать, что при значениях Хр мольной доли AlAs в твердом растворе Al_XpGa_1-XpAs менее 0,5 существенно увеличиваются оптические потери на свободных носителях, а при Хр>0,7 возникает дополнительная быстрая деградация характеристик лазера, связанная с окислением оптических граней.

При Xn менее 0,3 происходит выброс неравновесных носителей из активной области в волноводные слои и эмиттер n-проводимости, что приводит к резкому падению КПД. При Xn больше 0,4 в эмиттере n-проводимости возрастают оптические потери.

Благодаря тому, что верхний и нижний волноводные слои выполнены соответственно из твердых растворов Al_YвGa_1-YвAs и Al_YнGa_1-YнAs, в которых значения Yв и Yн на границах с эмиттерами р-проводимости и n-проводимости соответственно равны значениям Хр и Xn и монотонно уменьшаются до 0,25≤Yв≤0,30 и 0,25≤Yн≤0,30, возникает эффект «тянущего поля» в волноводных слоях. Этот эффект заключается в увеличении скорости перемещения неравновесных носителей в указанных слоях. В результате снижается концентрация инжектированных носителей в волноводных слоях и, как следствие, происходит уменьшение оптических потерь и повышается КПД лазера. При Yв и Yн менее 0,25 происходит выброс неравновесных носителей в волноводные слои из активной области, что резко уменьшает КПД прибора. При Yв и Yн больше 0,30 эффект тянущего поля становится недостаточно выраженным.

При толщине верхнего волноводного слоя (d_BB) менее 320 нм происходит значительное проникновение электромагнитного поля в эмиттер р-проводимости, что приводит к увеличению оптических потерь. При d_BB более 380 нм происходит уменьшение значения фактора оптического ограничения лазера, увеличение порогового и рабочего токов и, как следствие, снижение КПД. При толщине нижнего волноводного слоя (d_HB) менее 470 нм происходит такое перераспределение электромагнитного поля в гетероструктуре, которое снижает значение фактора оптического ограничения лазера и его КПД; кроме того, возникает избыточная концентрация электромагнитного поля в активной области и вокруг нее, что приводит к уменьшению срока службы лазера. При увеличении d_HB более 530 нм электромагнитное поле в недопустимо большой степени выходит за пределы активной области, что ведет к снижению КПД.

Заявителем не выявлены какие-либо источники информации, в которых были бы сведения о признаках, указанных в отличительной части формулы изобретения, и техническом результате, достигаемом благодаря их реализации. Данное обстоятельство, по мнению заявителя, позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию «изобретательский уровень».

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором изображена гетероструктура полупроводникового инжекционного лазера в разрезе.

Полупроводниковый инжекционный лазер содержит гетероструктуру раздельного ограничения, включающую квантово-размерную активную область 1, выполненную из твердого раствора InGaAlAs, состав которого обеспечивает длину волн генерации лазера 808±3 нм, толщина активной области - 10 нм. К активной области 1 примыкает верхний 2 и нижний 3 нелегированные волноводные слои; толщина верхнего волноводного слоя составляет от 320 до 380 нм, толщина нижнего волноводного слоя составляет 470-530 нм. Эмиттер 4 р-проводимости и эмиттер 5 n-проводимости примыкают, соответственно, к волноводным слоям 2 и 3. Эмиттер 4 выполнен из твердого раствора Al_XpGa_1-XpAs, где значение мольной доли Хр находится в пределах от 0,5 до 0,7. Материал эмиттера 4 легирован цинком до концентрации акцепторов, обеспечивающей дырочную концентрацию р=2*10¹⁷ см^-3. Эмиттер 5 выполнен из твердого раствора Al_XnGa_1-XnAs, где значение мольной доли Xn находится в пределах от 0,3 до 0,4. Материал эмиттера 5 легирован кремнием до концентрации доноров, обеспечивающей электронную концентрацию n=2*10¹⁷ см^-3. Волноводный слой 2 выполнен из твердого раствора Al_YвGa_1-YвAs. Значение мольной доли Yв на границе с эмиттером 4 равно значению Хр и монотонно уменьшается до 0,25≤Yв≤0,30. Волноводный слой 3 выполнен из твердого раствора Al_YнGa_1-YнAs. Значение мольной доли Yн на границе с эмиттером 5 равно значению Xn и монотонно уменьшается до 0,25≤Yн≤0,30. Подложка 7 выполнена из GaAs n-типа с электронной концентрацией n=2*10¹⁸ см^-3. Буферный слой 6 выполнен из GaAs n-типа толщиной 0,3 мкм с электронной концентрацией n=2*10¹⁸ см^-3. Контактный слой 8 выполнен из GaAs р-типа с дырочной концентрацией р=1*10¹⁹ см^-3.

Для испытаний лазерные гетероструктуры выращивались методом МОС-гидридной эпитаксии при субатмосферном давлении и температурах от 700 до 900°С, концентрации электронов и дырок были измерены на основе эффекта Холла на отдельных образцах. На верхней поверхности гетероструктуры сформирован омический полосковый р-контакт 9, выполненный из сплава Au-Zn, шириной 200 мкм, а на нижней поверхности гетероструктуры из сплава Au-Ge сформирован n-контакт 10. На сколы (оптические грани инжекционного лазера) нанесены многослойные диэлектрические покрытия, образующие интерференционные зеркала с коэффициентами отражения 90% («глухое» зеркало) и 20% (выходное зеркало).

Для измерения вольт-амперной и ватт-амперной характеристик лазера образец устанавливался на охлаждаемом модуле, снабженном микрохолодильником Пельтье. С помощью термостабилизатора устанавливалась температура модуля +20°С. Величина тока накачки I определялась с помощью калиброванного сопротивления 0,01 Ом, включенного последовательно в цепь питания лазера. Сигнал напряжения на этом сопротивлении подавался на вход цифрового осциллографа Tektronix TDS1002. Величина общей мощности излучения Р определялась с помощью калиброванного фотоприемника ФД-24К, сигнал с которого также подавался на вход цифрового осциллографа. Величина рабочего напряжения U измерялась непосредственно на контактах лазера с помощью цифрового осциллографа. Коэффициент полезного действия лазера (далее КПД) рассчитывался как отношение мощности излучения к потребляемой электрической мощности по формуле

КПД=Р/(I·U)

Для измерения диаграммы направленности лазерного излучения инжекционные лазеры устанавливались на вращающемся основании, соединенном с шаговым двигателем, который, в свою очередь, управлялся персональным компьютером. Щелевая диафрагма шириной 500 мкм, установленная на расстоянии 20 см от лазера, обеспечивала точность измерений 0,2°. Ширина диаграммы направленности характеризовалась ее шириной на половине максимальной интенсивности.

Срок службы (время наработки на отказ) инжекционного лазера определялся по следующей методике. Лазер считался вышедшем из строя, если его общая мощность излучения на рабочем токе уменьшалась на 20% относительно начального значения. Исследования наработки на отказ в течение 10000 часов показали, что уменьшение мощности излучения при фиксированном токе носит постепенный и монотонный характер. Поэтому для оперативной оценки срока службы использовалась экстраполяционная методика, согласно которой измерялось время, в течение которого мощность излучения падала относительно начального значения на 2%, а время наработки на отказ соответствовало десятикратному значению измеренного времени. При достижении экстраполированного срока службы 10000 часов испытания прекращались.

Измерения характеристик инжекционных лазеров производились для фиксированной общей мощности излучения 2 Вт.

Полученные в результате проведенных испытаний характеристики полупроводниковых инжекционных лазеров приведены в Таблице 1.

Примеры 1, 2 и 3 соответствуют параметрам гетероструктуры инжекционного лазера, лежащим в пределах, указанных в формуле изобретения. Примеры 4 и 5 иллюстрируют ухудшение характеристик лазера при отклонении состава эмиттера р-проводимости от указанных в формуле изобретения. Примеры 6 и 7 демонстрируют ухудшение характеристик лазера при отклонении состава эмиттера n-проводимости от указанных в формуле изобретения. Примеры и 8, 9, и 10, 11 показывают, как отклонения толщины, соответственно, верхнего и нижнего волноводных слоев за пределы, указанные в формуле изобретения, негативно влияют на характеристики инжекционных лазеров. Отклонение мольных долей Yв и Yн на границе волноводных слоев и активной области за пределы, указанные в формуле изобретения, приводят также к ухудшению характеристик инжекционных лазеров, как показано примерами 12 и 13. Пример 14 соответствует устройству-прототипу.

Для изготовления инжекционных лазеров использованы наиболее распространенная в настоящее время ростовая технология и стандартное промышленное оборудование, что обусловливает соответствие изобретения критерию «промышленная применимость».

Таблица 1
№ примера	Параметры гетероструктуры инжекционного лазера	Срок службы лазера (ч)	КПД (%)	Полуширина диаграммы направленности (градусы)
1	Хр=0.5, Xn=0.32, Yв=0.5→0.26, Yн=0.32→0.26, dВВ=340 нм, dHB=500 нм	>10000	35	28
2	Хр=0.7, Xn=0.35, Yв=0.7→0.29, Yн=0.35→0.29, dBB=320 нм, dHB=530 нм	>10000	34	29
3	Хр=0.6, Xn=0.40, Yв=0.6→0.25, Yн=0.40→0.25, dBB=350 нм, dHB=500 нм	>10000	36	27
4	Хр=0.9, Xn=0.35, Yв=0.9→0.30, Yн=0.35→0.30, dВВ=330 нм, dHB=510 нм	60	12	32
5	Хр=0.4, Xn=0.35, Yв=0.4→0.30, Yн=0.4→0.30, dBB=320 нм, dHB=530 нм	>10000	25	23
6	Хр=0.6, Xn=0.25, Yв=0.6→0.25, Yн=0.25, dВВ=350 нм, dHB=510 нм,	>10000	23	19
7	Хр=0.6, Xn=0.50, Yв=0.6→0.27, Yн=0.50→0.27, dBB=340 нм, dHB=520 нм	6000	22	34
8	Хр=0.6, Xn=0.35, Yв=0.6→0.27, Yн=0.35→0.27, dВВ=290 нм, dHB=530 нм	4500	30	35
9	Хр=0.6, Xn=0.35, Yв=0.6→0.28, Yн=0.35→0.28, dВВ=450 нм, dHB=530 нм	4200	25	28
10	Хр=0.6, Xn=0.40, Yв=0.6→0.26, Yн=0.40→0.26, dBB=350 нм, dHB=400 нм	8000	20	34
11	Хр=0.6, Xn=0.40, Yв=0.6→0.26, Yн=0.40→0.26, dBB=330 нм, dHB=580 нм	5100	23	18
12	Хр=0.6, Xn=0.40, Yв=0.6→0.20, Yн=0.40→0.20, dВВ=350 нм, dHB=510 нм	800	8	24
13	Хр=0.6, Xn=0.35, Yв=0.6→0.35, Yн=0.35→0.35, dBB=350 нм, dHB=400 нм	>10000	21	30
14	Хр=0.38, Xn=0.38, Yв=0.3 (const), Yн=0.3 (const), dВВ=2000 нм, dHB=2000 нм	1100	18	13

Полупроводниковый инжекционный лазер, содержащий гетероструктуру раздельного ограничения, включающую квантово-размерную активную область, верхний и нижний волноводные слои, примыкающие к ним соответственно эмиттеры р- и n-проводимости, при этом эмиттер р-проводимости выполнен из твердого раствора Al_XpGa_1-XpAs, эмиттер n-проводимости выполнен из твердого раствора Al_XnGa_1-XnAs, верхний волноводный слой выполнен из твердого раствора Al_YвGa_1-YвAs, нижний волноводный слой выполнен из твердого раствора Al_YнGa_1-YнAs, отличающийся тем, что в твердом растворе Al_XpGa_1-XpAs значение мольной доли Хр находится в пределах от 0,5 до 0,7, в твердом растворе Al_XnGa_1-XnAs, значение мольной доли Xn находится в пределах от 0,3 до 0,4, в твердом растворе Al_YвGa_1-YвAs значение мольной доли Yв на границе с эмиттером р-проводимости равно значению Хр и монотонно уменьшается до 0,25≤Yв≤0,30, в твердом растворе Al_YнGa_1-YнAs значение мольной доли Yн на границе с эмиттером n-проводимости равно значению Хн и монотонно убывает до 0,25≤Yн≤0,30, при этом толщина верхнего волноводного слоя находится в пределах 320-380 нм, а толщина нижнего волноводного слоя находится в пределах 470-530 нм.