ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ЛАЗЕР Российский патент 2000 года по МПК H01S5/24 

Изобретение относится к квантовой электронике, в частности к конструкции полупроводниковых лазеров, возбуждаемых током, светом и электронным пучком, и может быть использовано в качестве источника излучения высокой мощности в технологии, медицине, системах накачки твердотельных лазеров, системах связи, навигации, датчиках.

Известны диодные лазеры на основе двусторонних гетероструктур с раздельным ограничением (РО-ДГС), впервые предложенные в работах: Hayashi I. U.S. Patent N 3, 691,476 (1972) и Thompson G.H.B., Kirkby P.A., IEEE J.Quantum Electron. QE-9,311,1973.

В отличие от обычных ДГС-лазеров, в РО-ДГС-лазерах между активной областью и эмиттерными слоями содержатся дополнительно волноводные слои. Таким образом, ограничение инжектированных в активную область носителей происходит за счет гетеробарьеров на границах активная область-волноводный слой, а ограничение оптического поля - внутри волновода, сердцевиной которого являются волноводные слои и активная область, а оболочкой служат эмиттерные слои.

Основное преимущество РО-ДГС-лазеров по сравнению с обычными ДГС - это снижение плотности порогового тока при комнатной температуре. Основная масса выпускаемых в настоящее время диодных лазеров имеют принципиальную конструкцию на основе РО-ДГС. Плотность порогового тока в лучших РО-ДГС лазерах составляет 100-300 А/см² в зависимости от конструктивных параметров резонатора.

Недостатком существующих конструкций РО-ДГС лазеров является достаточно большая расходимость излучения в плоскости, перпендикулярной p-n переходу. Дело в том, что минимальная плотность порогового тока РО-ДГС лазеров может быть получена при толщине оптического волновода 0,2-0,3 микрона, при этом расходимость излучения по уровню 0,5 в поперечной плоскости составляет около 40 градусов. Снизить расходимость менее 30 градусов без существенного роста порогового тока и усиления температурной зависимости порогового тока до сих пор не удавалось.

Прототипом данного изобретения является лазер на основе РО-ДГС InGaAsP/InGaP/GaAs с активной областью из InGaAs в виде двух квантовых ям, описанный в работе: A. Al-Muhanna, L.J. Mawst, D.Botez, D.Z.Garbuzov, R.U.Martinelli, J. C. Connolly, Appl. Phys.Lett. V3, 9, 1182-1184, 31 Aug 1998. В отличие от традиционных конструкций РО-ДГС с суммарной толщиной волноводных слоев 0,2-0,3 мкм, в указанной публикации толщина волноводных слоев лазера на длине волны 0,97 мкм составляет 1,3 мкм, что позволило получить поперечную расходимость 36 градусов. Внешняя дифференциальная квантовая эффективность составила 85%. Вместе с тем, технология изготовления гетероструктур InGaAsP/InGaP/GaAs значительно сложнее и менее воспроизводима, чем технология гетероструктур AlGaAs/InGaAs/GaAs, она требует более дорогостоящего оборудования и расходных материалов. В отличие от четырехкомпонентных гетероструктур InGaAsP/InGaP/GaAs, в трехкомпонентных гетероструктурах AlGaAs/InGaAs/GaAs слои GaAs и AlGaAs являются "автоматически" согласованными по параметру решетки с подложкой из GaAs в силу совпадения ковалентных радиусов Ga и Al. Перечисленные факторы являются причиной более высокой расчетной стоимости готовых приборов на основе гетероструктур InGaAsP/InGaP/GaAs. Кроме того, в литературе отсутствуют сведения о ресурсных характеристиках таких лазеров, возможно поэтому в настоящий момент они не являются коммерческим продуктом. В отличие от этого лазеры на основе напряженных гетероструктур AlGaAs/InGaAs/GaAs на длине волны 0,94 - 0,98 мкм выпускаются многими компаниями и доступны по цене.

Излучательные характеристики лазеров на основе напряженных структур могут превосходить характеристики лазеров на основе ненапряженных структур. Однако для получения наряду с высокими излучательными характеристиками лазеров достаточно продолжительного срока их службы, необходимо контролировать величину упругих напряжений и качество напряженных слоев. Анализ публикаций и каталогов фирм показывает, что лазеры на основе AlGaAs/InGaAs/GaAs с длиной волны более 1 мкм не имеют столь широких масштабов выпуска по сравнению с более коротковолновыми (0,94-0,98 мкм), кроме того, мощность таких лазеров заметно уступает последним. По нашему мнению это обусловлено тем обстоятельством, что по мере увеличения длины волны, содержание In в активной области InGaAs возрастает и соответственно возрастают рассогласование периодов кристаллических решеток и величина упругих напряжений, что в свою очередь является причиной снижения кристаллографического совершенства слоев, приводящего к уменьшению внутреннего квантового выхода, излучательных и ресурсных характеристик. В силу этого длина волны 1,06 мкм в литературе указывается как крайняя точка для лазеров с активной областью InGaAs (см. прототип). Получить высокую мощность излучения и большой срок службы на длине волны более 1 мкм до сих пор не удавалось.

Задачей, решаемой данным изобретением, является расширение спектральных диапазонов излучения мощных лазеров, изготовленных на основе напряженных гетероструктур и снижение поперечной расходимости их излучения без ухудшения других излучательных параметров.

Указанная задача решается за счет того, что эмиттерные (широкозонные) слои РО-ДГС имеют переменный состав по толщине (см. схему на фиг. 1), причем ширина запрещенной зоны этих слоев ступенчато или плавно уменьшается по направлениям к периферии слоев. Уменьшение ширины запрещенной зоны каждого из эмиттерных слоев происходит в двух направлениях: ширина запрещенной зоны первого (от подложки) эмиттерного слоя уменьшается по направлению к подложке (или буферу) и по направлению к волноводному слою, а ширина запрещенной зоны второго эмиттерного слоя уменьшается по направлению к контактному слою и волноводному слою.

Сущность предлагаемой конструкции заключается в том, что за счет плавных или ступенчатых переходов между слоями напряженной гетероструктуры с большим отличием в материальном составе, повышается кристаллографическое совершенство структуры, включая границы раздела между слоями, снижаются градиенты механических напряжений на границах слоев, связанные с рассогласованием периодов кристаллических решеток различных слоев. В результате расширяются технологические возможности для выращивания сравнительно толстых бездефектных слоев в напряженных гетероструктурах. В свою очередь высококачественные бездефектные гетероструктуры с широким волноводом, имеющие высокий внутренний квантовый выход, позволяют разгрузить зеркала лазерного резонатора, снизить расходимость излучения в плоскости, перпендикулярной p-n переходу, повысить предельную мощность излучения и ресурс работы приборов.

На фиг. 1 схематически показана конструкция предлагаемой напряженной лазерной РО-ДГС гетероструктуры. Оба эмиттера имеют переменный состав по толщине со ступенчатым или плавным (показано пунктиром) уменьшением ширины запрещенной зоны по направлениям к периферии слоев.

Схематически пример конкретного выполнения показан на фиг.2. В напряженной гетероструктуре AlGaAs/InGaAs/GaAs активная область имеет вид двух квантовых ям InGaAs толщиной 5 нм, разделенных барьером GaAs толщиной 120 нм, между квантовыми ямами и волноводными слоями из Al_0.23 Ga_0.77 As толщиной по 1 мкм содержатся слои нелегированного GaAs толщиной 7 нм.

Состав эмиттерных слоев из Al_0.28 Ga_0.72 As изменяется по направлениям к волноводным слоям из AlGaAs и направлениям к контактному слою и буферному слою. Таким образом, эмиттерные слои имеют градиентный и ступенчато изменяющийся состав с уменьшением ширины запрещенной зоны по направлениям к периферии слоев. На основе таких гетероструктур изготовлены мощные лазеры с длиной волны излучения до 1,1 мкм. Наилучшие параметры лазеров получены на гетероструктурах, где содержание алюминия в эмиттерных слоях составляет 0,28, в волноводных слоях 0,23, а суммарная толщина оптического волновода составляет около 2 мкм, (т.е. содержание алюминия в эмиттерных и волноводных слоях отличается на 5%). При указанных параметрах лазер работает в режиме фундаментальной пространственной моды в плоскости, перпендикулярной p-n переходу с низкой расходимостью излучения. Из этих гетероструктур изготовлены лазеры со следующими параметрами: длина волны излучения 1,06 мкм, длина резонатора 1000 мкм, ширина полоскового контакта 100 мкм, пороговый ток - 180 мА, дифференциальная эффективность 85%, полный КПД - 50%, расходимость излучения в плоскости, перпендикулярной p-n переходу - 20-22 градуса. Константа экспоненциальной зависимости порогового тока T₀ = 160 К. Все измерения выполнены в непрерывном режиме генерации при температуре 20^oC. При токе накачки 2,2 А выходная мощность лазера составила 2 Вт.

Изобретение относится к квантовой электронике, в частности к конструкции полупроводниковых лазеров, возбуждаемых током, светом и электронным пучком. Для расширения спектральных диапазонов излучения мощных лазеров, изготовленных на основе напряженных гетероструктур, снижения поперечной расходимости их излучения и увеличения ресурса их работы предложена конструкция лазера на основе РО-ДГС с широким волноводом, в которой эмиттерные слои имеют переменный состав по толщине, причем ширина запрещенной зоны эмиттерных слоев плавно или ступенчато убывает по направлению к периферии слоев. Полупроводниковый лазер может найти применение в качестве источника излучения высокой мощности в технологии, медицине, системах накачки твердотельных лазеров, системах связи, навигации, датчиках. 2 ил.

Полупроводниковый лазер на основе напряженных двухсторонних гетероструктур с раздельным ограничением и широким волноводом, отличающийся тем, что эмиттерные слои имеют переменный состав по толщине, причем толщина запрещенной зоны эмиттерных слоев плавно или ступенчато убывает по направлениям к периферии слоев.