Гетероструктура мощного полупроводникового лазера спектрального диапазона 1400-1600 нм
Владельцы патента RU 2646951:
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук (RU)
Изобретение относится к квантовой электронной технике, а точнее к мощным полупроводниковым лазерам. Гетероструктура полупроводникового лазера спектрального диапазона 1400-1600 нм содержит подложку (1) из InP, на которой последовательно сформированы слой эмиттера (2) из InP n-типа проводимости, слой волновода (3) из AlGaInAs n-типа проводимости, активная область (4) на основе по меньшей мере двух слоев квантовых ям (5) из AlGaInAs, отделенных друг от друга разделительными слоями (6) из AlGaInAs, слой нелегированного волновода (7) из AlGaInAs, барьерный слой (8), содержащий по меньшей мере субслой (9) из AlInAs p-типа проводимости, слой волновода (11) из AlGaInAs p-типа проводимости, слой эмиттера (12) из InP p-типа проводимости и контактный слой (13) из GaInAsP p-типа проводимости. При этом суммарная толщина слоев волновода (3), (7), (11) составляет не менее 1,5 мкм. Гетероструктура обеспечивает повышение мощности изготовленного из нее лазера. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.
Настоящее изобретение относится к квантовой электронной технике, а точнее к мощным полупроводниковым лазерам с PN переходами.
Излучение мощных полупроводниковых лазеров спектрального диапазона 1400-1600 нм, изготовленных на основе твердых растворов AlGaInAs, GaInAsP, InP на подложке InP, испытывает сравнительно слабое поглощение в оптических волокнах, а также сравнительно безопасно для глаз человека. Поэтому такие лазеры востребованы в промышленности для различных целей, например, для накачки твердотельных лазеров и для измерения расстояний. Все эти задачи требуют высокую выходную оптическую мощность излучения полупроводниковых лазеров спектрального диапазона 1400-1600 нм, эффективность преобразования энергии и надежность. Одним из основных факторов, ограничивающих максимальную оптическую мощность излучения полупроводниковых лазеров спектрального диапазона 1400-1600 нм, является токовая утечка носителей заряда из активной области лазера в волноводные слои.
Известна гетероструктура инжекционного лазера (см. заявка US 20100150196, МПК H01S 5/00, опубликована 17.06.2010), состоящая из последовательно сформированных на подложке из GaAs первого ограничительного слоя, первого волноводного слоя, разделительного слоя, второго волноводного слоя, активной области для генерации лазерной моды, третьего волноводного слоя и второго ограничительного слоя. При этом первый, второй и третий волноводные слои имеют одинаковый показатель преломления, а первый ограничительный слой, разделительный слой, второй ограничительный слой имеют показатели преломления, меньшие показателей преломления первого, второго и третьего волноводных слоев. В известной гетероструктуре инжекционного лазера три волноводных слоя являются составными частями одного волновода, который поддерживает только одну лазерную моду. Размер лазерной моды увеличен за счет ее проникновения в ограничительные слои. Увеличенный размер лазерной моды позволил сузить расходимость лазерного пучка до величин меньше 24 градусов (по уровню 0,5). Использование разделительного слоя формирует плечо в профиле распределения лазерной моды, пространственно совпадающее с активной областью, за счет чего увеличивается фактор оптического ограничения.
Недостатком известной гетероструктуры инжекционного лазера является существенное проникновение лазерной моды в легированные ограничительные слои, что увеличивает оптические потери. Дальнейшее уменьшение расходимости лазерного пучка возможно только при увеличении толщин волноводных слоев и снижении скачка показателя преломления между волноводными и ограничительными слоями, что еще больше увеличивает проникновение лазерной моды в ограничительные слои. Недостатком известной гетероструктуры является использование подложки из GaAs и слоев из материала AlGaAs, что не позволяет получить лазерное излучение в спектральном диапазоне 1400-1600 нм.
Известна гетероструктура лазера (см. заявка US 20130287057, МПК H01S 5/20, опубликована 31.10.2013),состоящая из последовательно сформированных на подложке из GaAs ограничительного слоя n-типа проводимости, волноводного слоя n-типа проводимости, активной области, способной генерировать излучение, волноводного слоя p-типа проводимости и ограничительного слоя p-типа проводимости. При этом сумма толщин волноводного слоя n-типа проводимости, активного области и волноводного слоя p-типа проводимости больше 1 мкм, а толщина волноводного слоя p-типа проводимости меньше 150 нм. Кроме того, активная область, ограничительный слой n-типа проводимости, ограничительный слой p-типа проводимости, волноводный слой n-типа проводимости и волноводный слой p-типа проводимости таковы, что максимум интенсивности нулевой лазерной моды находится в области вне активной области, а разница показателей преломления волноводного слоя n-типа проводимости и ограничительного слоя n-типа проводимости лежит в диапазоне между 0,04 и 0,01.
Известная гетероструктура имеет асимметричный волновод. Основная часть лазерной моды распространяется по волноводному слою n-типа проводимости. Малый контраст показателя преломления между ограничительным слоем n-типа проводимости и волноводным слоем n-типа проводимости вызывает утекание лазерных мод высокого порядка из волновода и уменьшение их фактора оптического ограничения в активной области, за счет чего лазерные моды высокого порядка не участвуют в лазерной генерации. Расширение волновода позволяет сузить диаграмму направленности лазерного пучка в плоскости, перпендикулярной слоям структуры, до величин менее 50 градусов (ширина пучка, содержащая 95% оптической мощности).
В то же время в известном лазере малый контраст показателя преломления между ограничительным слоем n-типа проводимости и волноводным слоем n-типа проводимости делает гетероструктуру чувствительной к изменениям показателей преломления слоев в процессе работы лазера. Как указывалось выше, значительная часть нулевой лазерной моды распространяется по легированным волноводному слою n-типа проводимости и ограничительному слою n-типа проводимости, что приводит к высоким оптическим потерям; гетероструктура не применима в случае большого числа активных слоев, когда показатель преломления активной среды существенно влияет на волноводные свойства.
Известна гетероструктура лазера (см. заявка WO 2006034490, МПК H01S 05/024, опубликована 30.03.2006), состоящая из подложки, выполненной из InP, на которой находится активная область из AlGaInAs, заключенная между двух обкладочных слоев из InP, которые легированы примесями с концентрацией менее 1,5⋅1017 см-3. Между обкладочным слоем и активной областью, как минимум, с одной стороны находится пограничный слой из AlInAs, легированный примесью с концентрацией более 0,75⋅1017 см-3. В известной гетероструктуре толщина квантовых ям в активной области составляет от 5 до 8 нм.
В известной гетероструктуре активная область находится между обкладочными слоями, поэтому именно в них распространяется лазерная мода. Недостатком такого решения является повышение внутренних оптических потерь за счет распространения основной части лазерной моды в обкладочных слоях, легированных примесью с высокой концентрацией. Недостатком известной гетероструктуры является размещение легированного пограничного слоя вплотную к активной области, что в условиях диффузии легирующей примеси способно привести к падению темпа эффективной излучательной рекомбинации в квантовых ямах в активной области.
Наиболее близкой по технической сущности и по совокупности существенных признаков является гетероструктура полупроводникового лазера спектрального диапазона 1400-1600 нм (см. Т. Garrod, D. Olson, М. Klaus, С. Zenner, С. Galstad, L. Mawst, D. Botez. - 50% continuous-wave wallplug efficiency from 1,53 mkm-emitting broad-area diode lasers. - APPLIED PHYSICS LETTERS, V. 105, 071101, 2014), принятая за прототип. Гетероструктура включает подложку из InP, на которой последовательно сформированы слой эмиттера из InP n-типа проводимости, слой волновод из GaInAsP n-типа проводимости с шириной запрещенной зоны 1,2 эВ, разделительный слой из GaInAsP, активную область на основе квантовой ямы из AlGaInAs толщиной 7 нм, два барьерных слоя AlGaInAs с шириной запрещенной зоны соответственно 1,23 эВ и 1,47 эВ, слой волновода из GaInAsP p-типа проводимости, слой эмиттера из InP p-типа проводимости и контактный слой из GaInAsP. Суммарная толщина волновода составляет 1 мкм. Барьерные слои расположены вплотную к квантовой яме с p-стороны гетероструктуры, обеспечивая снижение токовой утечки электронов из квантовой ямы.
Известная гетероструктура полупроводникового лазера спектрального диапазона 1400-1600 нм позволяет обеспечивать высокий коэффициент полезного действия 50% в диапазоне небольших токов накачки 1-2 A. Недостатками гетероструктуры-прототипа является использование волновода из GaInAsP толщиной 1 мкм, который обеспечивает слабое ограничение электронов в квантовой яме, что способствует их утечке, и не позволяет обеспечить минимальные внутренние оптические потери. Недостатком гетероструктуры-прототипа является также использование нелегированных барьерных слоев, что усложняет транспорт дырок в квантовую яму.
Задачей заявляемого технического решения является повышение мощности лазеров на основе гетероструктуры путем уменьшения токовых утечек электронов из квантовой ямы, снижение внутренних оптических потерь и обеспечение эффективного транспорта дырок сквозь барьерные слои.
Поставленная задача решается тем, что гетероструктура полупроводникового лазера спектрального диапазона 1400-1600 нм включает подложку из InP, на которой последовательно сформированы слой эмиттера из InP n-типа проводимости, слой волновода из AlGaInAs n-типа проводимости, активную среду на основе по меньшей мере двух слоев квантовых ям из AlGaInAs, отделенных друг от друга разделительными слоями из AlGaInAs, слой нелегированного волновода из AlGaInAs, барьерный слой, содержащий по меньшей мере субслой из AlInAs p-типа проводимости, слой волновода из AlGaInAs p-типа проводимости, слой эмиттера из InP p-типа проводимости и контактный слой из GaInAsP. При этом суммарная толщина слоев волновода составляет не менее 1,5 мкм.
Новым в гетероструктуре является выполнение слоев волновода из AlGaInAs суммарной толщиной не менее 1,5 мкм; введение дополнительного слоя нелегированного волновода; выполнение активной области на основе по меньшей мере двух слоев квантовых ям, отделенных друг от друга разделительными слоями; выполнение барьерного слоя из AlInAs, легированного примесью p-типа.
Барьерный слой гетероструктуры может содержать субслой из AlGaInAs p-типа проводимости, расположенный между слоем нелегированного волновода и субслоем из AlInAs p-типа проводимости, при этом ширина запрещенной зоны субслоя из AlGaInAs изменяется по линейному закону от 1,24 эВ до 1,5 эВ в направлении от подложки.
Выполнение волноводных слоев из AlGaInAs обеспечивает высокую степень локализации носителей заряда в квантовых ямах. Введение дополнительного слоя нелегированного волновода позволяет отодвинуть барьерный слой от активной области, обеспечивая более высокое технологическое качество барьерного слоя и не допуская диффузии легирующей примеси из барьерного слоя в активную область. Использование слоев волновода с суммарной толщиной более 1,5 мкм позволяет снизить долю лазерной моды, распространяющейся в сильно легированных эмиттерах до минимума, обеспечивающего минимальные внутренние оптические потери. По результатам расчетов распределения лазерной моды в волноводе и эмиттерах именно толщина 1,5 мкм является граничной, свыше которой доля лазерной моды в сильно легированных эмиттерах составляет менее 1% и, следовательно, сильное оптическое поглощение в эмиттерах практически не будет оказывать влияния на внутренние оптические потери. При уменьшении суммарной толщины слоев волновода менее 1,5 мкм начинается экспоненциальный рост доли лазерной моды, в сильно легированных эмиттерах и, следовательно, экспоненциальный рост внутренних оптических потерь. Использование нескольких квантовых ям в активной области, отделенных друг от друга разделительными слоями, позволяет сохранить высокое усиление для лазерной моды при минимальной концентрации носителей заряда в квантовых ямах для борьбы с Оже-рекомбинацией в них. Выполнение барьерного слоя из AlInAs, легированного примесью p-типа, позволяет как увеличить ширину запрещенной зоны барьерного слоя до максимального значения более 1,5 эВ, обеспечивая наибольшую эффективность барьерного слоя, так и обеспечить эффективный транспорт дырок сквозь барьерный слой в квантовые ямы.
Настоящая гетероструктура полупроводникового лазера спектрального диапазона 1400-1600 нм поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 схематично изображена в поперечном разрезе настоящая гетероструктура;
на фиг. 2 показаны зависимости ширины запрещенной зоны (кривая 14) и концентрации легирования (кривая 15) от координаты.
Изображенная на фиг. 1 гетероструктура полупроводникового лазера спектрального диапазона 1400-1600 нм включает подложку 1 из InP, на которой последовательно сформированы эмиттер 2 из InP, легированного примесью n-типа, слой волновода 3 из AlGaInAs, легированного примесью n-типа, слои активной области 4, содержащие не менее двух квантовых ям 5 из AlGaInAs, находящихся между разделительными слоями 6 из AlGaInAs, слой нелегированного волновода 7 из AlGaInAs, барьерный слой 8, который содержит по меньшей мере субслой 9 из AlInAs, легированного примесью p-типа, и может содержать субслой 10 из AlGaInAs p-типа проводимости, расположенный между слоем нелегированного волновода 7 и субслоем 9 из AlInAs p-типа проводимости. Ширина запрещенной зоны субслоя 10 изменяется по линейному закону от 1.24 эВ до 1.5 эВ в направлении от подложки 1, на барьерном слое 8 сформирован слой волновода 11 из AlGaInAs p-типа проводимости, поверх которого последовательно расположены слой эмиттера 12 из InP, легированного примесью p-типа, и контактный слой 13 из GaInAsP, легированного примесью p-типа. Толщины слоев волновода 3, волновода 7 и волновода 11 выбирают такими, чтобы их суммарная толщина превышала 1,5 мкм.
Гетероструктура полупроводникового лазера спектрального диапазона 1400-1600 нм может быть изготовлена методом MOC-гидридной эпитаксии.
Гетероструктура полупроводникового лазера спектрального диапазона 1400-1600 нм работает следующим образом. PN переход гетероструктуры смещают в прямом направлении, прикладывая внешнее напряжение с полярностью плюс - к p-части, минус - к n-части. В результате приложения прямого смещения через гетероструктуру течет ток накачки, который является электронным током в n-части и дырочным током - в p-части гетероструктуры. В квантовых ямах 5 активной области 4 происходит излучательная рекомбинация электронов и дырок, которая обеспечивает оптическое усиление для возникновения лазерной генерации. За счет оптического усиления в слоях волновода 3, 7, 11, эмиттерах 2, 12, активной области 4, и барьерном слое 8 возникает лазерная мода, доля которой в эмиттерах составляет менее 1% благодаря суммарной толщине слоев волновода более 1,5 мкм. За счет этого обеспечиваются низкие внутренние оптические потери для лазерной моды. Барьерный слой 8 с большой шириной запрещенной зоны создает энергетический барьер для электронов, но за счет того, что он легирован примесью p-типа, он не создает энергетического барьера для дырок, что одновременно предотвращает выброс электронов из активной области и обеспечивает эффективный транспорт дырок в активную область. Борьба с токовыми утечками дырок из активной области не требуется, поскольку эффективная масса дырок значительно превышает эффективную массу электронов и, вследствие этого, дырки более эффективно локализованы в активной области, чем электроны.
Пример. Методом MOC-гидридной эпитаксии на подложке из InP была выращена гетероструктура мощного полупроводникового лазера, содержащая последовательно: эмиттер из материала InP, легированного примесью n-типа (кремнием), толщиной 0,76 мкм; слой волновода n-типа проводимости из материала AlGaInAs, легированного примесью n-типа (кремнием), толщиной 1,05 мкм; активную область из материала AlGaInAs, состоящую из двух квантовых ям толщиной по 8 нм и трех разделительных слоев толщиной 20, 12 и 20 нм; слой нелегированного волновода из материала AlGaInAs толщиной 0,2 мкм; барьерный слой, содержащий субслой из материала AlInAs, легированного примесью p-типа (цинком), толщиной 20 нм и субслой из материала AlGaInAs, легированного примесью p-типа (цинком), при этом ширина запрещенной зоны изменяется по линейному закону от 1,24 эВ до 1,5 эВ в направлении от подложки, толщиной 50 нм; слой волновода p-типа проводимости из материала AlGaInAs, легированного примесью p-типа (цинком), толщиной 0,3 мкм; эмиттер из материала InP, легированного примесью p-типа (цинком), толщиной 1,2 мкм; контактный слой из материала GaInAsP легированного примесью p-типа (цинком), толщиной 0,3 мкм. Суммарная толщина слоев волновода n-типа проводимости, нелегированного волновода и волновода p-типа проводимости составляет 1,55 мкм.
Полупроводниковые лазеры на основе изготовленной гетероструктуры продемонстрировали максимальную мощность более 3 Вт в непрерывном режиме генерации при температуре теплоотвода 25°C, в то время как для прототипа (см. Т. Garrod, D. Olson, М. Klaus, С. Zenner, С. Galstad, L. Mawst, D. Botez. - 50% continuous-wave wallplug efficiency from 1,53 mkm-emitting broad-area diode lasers. - APPLIED PHYSICS LETTERS, V. 105, 071101, 2014) была достигнута максимальная мощность менее 2,5 Вт. Полученное повышение мощности связано со снижением внутренних оптических потерь, уменьшением токовых утечек электронов из активной области и обеспечением эффективного транспорта дырок сквозь барьерный слой.
1. Гетероструктура полупроводникового лазера спектрального диапазона 1400-1600 нм, включающая подложку из InP, на которой последовательно сформированы слой эмиттера из InP n-типа проводимости, слой волновода из AlGaInAs n-типа проводимости, активную среду на основе по меньшей мере двух слоев квантовых ям из AlGaInAs, отделенных друг от друга разделительными слоями из AlGaInAs, слой нелегированного волновода из AlGaInAs, барьерный слой, содержащий по меньшей мере субслой из AlInAs p-типа проводимости, слой волновода из AlGaInAs p-типа проводимости, слой эмиттера из InP p-типа проводимости и контактный слой из GaInAsP p-типа проводимости, при этом суммарная толщина слоев волновода составляет не менее 1,5 мкм.
2. Гетероструктура по п. 1, отличающаяся тем, что барьерный слой содержит субслой из AlGaInAs p-типа проводимости, расположенный между слоем нелегированного волновода и субслоем из AlInAs p-типа проводимости, при этом ширина запрещенной зоны субслоя из AlGaInAs p-типа проводимости изменяется по линейному закону от 1,24 эВ до 1,5 эВ в направлении от подложки.
