СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИНЖЕКЦИОННОГО ЛАЗЕРА Российский патент 2001 года по МПК H01S5/00 H01S5/32 

Изобретение относится к полупроводниковой технологии создания квантовой электронной техники, а именно к способам получения лазерных гетероструктур, позволяющим получить эффективные, высокомощные инжекционные источники, работающие в том числе в одночастотном режиме.

Предшествующий уровень техники
В настоящее время разработано большое число способов создания лазерных гетероструктур (далее "гетероструктур"). Весьма актуальными является разработка способов получения гетероструктур для изготовления из них в дальнейшем высокомощных инжекционных лазеров (далее "Лазер"), работающих на одной продольной моде.

Для получения высокой мощности, излучаемой в одну продольную моду, необходимо изготовить высокоэффективный излучатель с низкой плотностью порогового тока и высокой дифференциальной квантовой эффективностью. Кроме того, такой излучатель должен обеспечивать эффективное подавление соседних продольных мод.

Для улучшения медового состава излучения разработаны различные типы инжекционных лазеров (далее "Лазер"): Лазеры с полосковой активной областью генерации и выводом излучения через зеркало оптического резонатора [1, 2], Лазеры с распределенной обратной связью [3], Лазеры с зеркалами Брегга [4]. Известные Лазеры позволяют получить одномодовое, одночастотное излучение.

Лазеры с полосковой активной областью генерации дают возможность локализовать излучение в узкой области и создать тем самым благоприятные условия для индуцированного излучения и генерации. Разработаны различные методы формирования полосковой активной области генерации [1]. Последняя может быть создана путем бокового оптического ограничения, а именно увеличением показателя преломления активной области по сравнению с областями, примыкающими к ней в плоскости p-i-n перехода. Это Лазеры со встроенным волноводом типа заращенная гетероструктура (см., например, [1]). Другим видом являются Лазеры с направляющим эффектом усиления. Здесь локализация поля осуществляется только за счет изменения усиления в направлении, перпендикулярном направлению распространения излучения. Токовое ограничение может быть осуществлено путем выполнения узкого полоскового контакта [5]. В Лазерах при формировании мезаполосковой области [6] наблюдается ограничение в боковом направлении совместным эффектом от пространственных распределений показателя преломления и от усиления.

Лазеры с одночастотным и одномодовым излучением могут быть выполнены на различных гетероструктурах. В настоящее время наибольшее распространение получили гетероструктуры типа РОДГС с квантовыми ямами (т.е. с квантово-размерными активными слоями и квантово-размерными барьерными слоями между ними), позволяющие получить высокоэффективные лазеры с высокой мощностью излучения.

Однако дальнейшему расширению применений таких Лазеров препятствуют недостаточно высокие мощности излучения при одномодовом и одночастотном режимах генерации, а также недостаточные стабильность указанных режимов, эффективность и надежность работы в широком диапазоне изменения выходных мощностей излучения.

Наиболее близким является способ изготовления инжекционного лазера, описанный в [7], включающий выращивание первого ограничительного слоя, содержащего легированный подслой первого типа электропроводности и состава, обеспечивающего наибольшее оптическое ограничение излучения, активного слоя, второго ограничительного слоя, содержащего легированный подслой второго типа электропроводности и состава, обеспечивающего наибольшее оптическое ограничение излучения. Данный способ включает выращивание лазерной гетероструктуры (далее "гетероструктура"), содержащей активный слой, состоящий из одного слоя состава InGaAsP. Активный слой помещен между двух ограничительных слоев HOOгр из InP, имеющих противоположные типы электропроводности. Со стороны n-типа ограничительный слой легирован преимущественно до концентрации около 2•10¹⁸ см^-3. Со стороны p-типа ограничительный слой HOOгр одного состава сформирован из двух подслоев HOOгр, имеющих различную степень легирования. Прилегающий к активному слою ограничительный подслой HOOгр легирован цинком преимущественно от 2•10¹⁷ см^-3 до 8•10¹⁷ см^-3. Следующий за ним ограничительный подслой HOOгр легирован цинком преимущественно от 1,5•10¹⁸ см^-3 до 10•10¹⁸ см^-3. В такой гетероструктуре сильнолегированный подслой HOOгр отделен от активного слоя относительно слаболегированным подслоем HOOр. В результате сильнолегированный подслой не участвует в образовании объемного заряда p-n гетероперехода. Авторами [7] указано, что активный слой преднамеренно не легировали при проведении процесса выращивания гетероструктуры. Однако из полученных результатов (см. фиг. 4 в [7]) можно сделать вывод, что в процессе роста происходило легирование активного слоя до порядка 10¹⁷ см^-3.

Авторами [7] отмечено, что получено повышение мощности излучения, но не большое и ими не были исследованы инжекционные лазеры с узкополосными областями усиления и их частотные характеристики.

Раскрытие изобретения
В основу изобретения поставлена задача создания Лазера с увеличенной выходной мощностью излучения в одномодовом и одночастотном режимах, стабилизацией указанных режимов при повышенных эффективности, температурной стабильности и надежности работы Лазера.

В соответствии с изобретением поставленная задача решается тем, что предложен способ изготовления инжекционного лазера, включающий выращивание первого ограничительного слоя, содержащего легированный подслой первого типа электропроводности и состава, обеспечивающего наибольшее оптическое ограничение излучения, активного слоя, второго ограничительного слоя, содержащего легированный подслой второго типа электропроводности и состава, обеспечивающего наибольшее оптическое ограничение излучения, причем ограничительные легированные подслои наибольшего оптического ограничения (далее "HOOгр"), ближайшие к активному слою, легируют так, чтобы обеспечить отношение концентрации дырок P в подслое HOOгр p-типа электропроводности со стороны p-типа к концентрации электронов N в подслое HOOгр n-типа электропроводности со стороны n-типа P/N более единицы, а между легированными ограничительными подслоями HOOгр, в том числе в активном слое, обеспечивают уровень фоновой примеси, при этом границы объемного заряда p-i-n гетероперехода располагаются в ограничительных легированных подслоях HOOгр.

Отличием предложенного способа изготовления Лазеров является необычный и неочевидный выбор соотношения между концентрациями легирующих примесей (акцепторной и донорной) в ограничительных слоях HOOгр с двух сторон от активного слоя на границах объемного заряда p-i-n гетероперехода. Другим отличием является то, что между указанными соответствующими легированными ограничительными подслоями HOOгр выращивают соответствующие слои и/или подслои, в том числе и активный слой с уровнем фоновой примеси. Это обеспечивает распространение объемного заряда p-i-n гетероперехода на весь активный слой и на прилегающие к нему части ограничительных слоев с обеих сторон так, что границы объемного заряда p-i-n гетероперехода расположены обязательно в соответствующих легированных ограничительных подслоях HOOгр. Под введенным понятием ограничительного подслоя как "подслоя наибольшего оптического ограничения" понимается то, что в этом подслое, ближайшем к активному слою, происходит наибольшее затухание генерируемого излучения, препятствующее распространению излучения вглубь гетероструктуры. Как показало большое число экспериментов, именно указанные отличия предложенного способа изготовления Лазера обеспечили решение поставленной технической задачи. Полная указанная совокупность существенных отличительных признаков нами не была обнаружена на данное время.

При этом определено, что наилучшие результаты могут быть достигнуты в следующих случаях.

Уровень фоновый примеси обеспечивают менее 2•10¹⁶ см^-3. Низкая концентрация фоновой примеси в активном слое и в прилегающих нелегированных слоях и/или подслоях обеспечивает распространение объемного заряда p-i-n гетероперехода на всю толщину нелегированных слоев и подслоев, причем чем ниже концентрация фоновой примеси, тем толще могут быть выбраны нелегированные слои и подслои.

Величину P/N выбирают в диапазоне от 3 до 20. При этом происходит стабилизация генерации в одночастотном режиме, повышается мощность генерации на одной продольной моде (в одночастотном режиме).

В ограничительном легированном подслое наибольшего оптического ограничения p-типа концентрацию акцепторной примеси выбирают превышающей 2•10¹⁸ см^-3. При этом повышается внешняя дифференциальная квантовая эффективность приборов, а также улучшается температурная зависимость порогового тока. Это происходит за счет уменьшения утечки электронов из активного слоя в p-типа ограничительные подслои наибольшего оптического ограничения при увеличении концентрации основных носителей в нем.

В ограничительном легированном подслое наибольшего оптического ограничения n-типа концентрацию донорной примеси выбирают не менее 2•10¹⁷ см^-3 и не более 2•10¹⁸ см^-3. Такой диапазон концентраций обеспечивает сравнительно низкое сопротивление в ограничительных подслоях HOOгр.

Кроме того, такой выбор концентраций в p- и n-подслоях HOOгр позволяет получать высокие значения P/N > 2, которые обеспечивают достаточную контактную разность потенциалов между ограничительными подслоями HOOгр противоположного типа проводимости для получения инверсной населенности в активной слое Лазера при прямом смещении. Эмпирически нами получено, что наилучшие результаты могут быть достигнуты при выполнении указанного диапазона отношения P/N, причем, чем выше это отношение, тем поставленная задача решается с лучшими результатами.

Очень важным моментом является то, что область объемного заряда должна образовываться сильнолегированными подслоями HOOгр, т.е. границы области объемного заряда должны лежать в этих подслоях. В гетероструктуре, описанной как прототип [7], сильнолегированный подслой HOOгр отделен от активного слоя относительно слаболегированным подслоем HOOгр. В результате сильнолегированный подслой не участвует в образовании объемного заряда p-i-n гетероперехода и эффект, полученный в настоящей работе, в прототипе не был получен. Поэтому является важным, чтобы при предполагаемом способе выращивания гетероструктуры не были искажены диффузионным размытием или перемещением границы гетеропереходов и границы легирования донорными или акцепторными примесями. Особенно это касается последнего случая, так как акцепторные примеси имеют обычно высокий коэффициент диффузии в полупроводниках A^IIIB^Y.

Экспериментально подтверждено, что указанные существенные признаки обеспечивают получение высокой выходной мощности излучения и устойчивость одночастотной генерации, а также температурную стабильность, высокую эффективность и надежность.

Предложено для решения поставленной задачи по крайней мере в одном ограничительном слое со стороны активного слоя выращивать примыкающим к ограничительному легированному подслою наибольшего оптического ограничения того же состава ограничительный нелегированный подслой наибольшего оптического ограничения, толщиной, превышающей толщину диффузии примеси из ограничительного легированного подслоя наибольшего оптического ограничения, и не более толщины d_НП, равной части толщины области объемного заряда p-i-n гетероперехода, приходящейся на ограничительный нелегированный подслой наибольшего оптического ограничения, т.е. на этот нелегированный подслой должен распространяться объемный заряд p-i-n перехода.

В одном случае предложено толщину d_НП выбирать равной толщине D_O3 области объемного заряда p-i-n гетероперехода за вычетом суммы, составленной из толщины d_N области объемного заряда в ограничительном легированном подслое наибольшего оптического ограничения n-типа, толщины d_P области объемного заряда в ограничительном легированном подслое наибольшего оптического ограничения p-типа, толщины d_AC активного слоя.

В другом случае предложено толщину d_НП выбирать равной толщине D_O3 области объемного заряда p-i-n гетероперехода за вычетом суммы, составленной из толщины d_N области объемного заряда в ограничительном легированном подслое наибольшего оптического ограничения n-типа, толщины d_P области объемного заряда в ограничительном легированном подслое наибольшего оптического ограничения p-типа, толщины d_AC активного слоя и толщины d_ДП дополнительных ограничительных подслоев между активным слоем и ограничительными подслоями наибольшего оптического ограничения.

Величины D_O3, d_N, d_P, d_AC в одном случае и величины D_O3, d_N, d_P, d_AC, d_ДП в другом случае для каждой конкретной гетероструктуры могут быть рассчитаны по известным соотношениям (см., например, [8 и 9]) и, следовательно, могут быть определены требуемые значения толщины d_НП объемного заряда в ограничительном нелегированном подслое HOOгр. Следовательно, для каждой конкретной гетероструктуры можно рассчитать требуемую толщину выращиваемого ограничительного нелегированного подслоя HOOгр.

Эмперически определено, что выходные параметры Лазера (мощность излучения при одномодовом и одночастотном режимах) зависят от величины нелегированного ограничительного подслоя HOOrp. Определено, что наилучшие результаты могут быть достигнуты в случае, когда ограничительный нелегированный подслой наибольшего оптического ограничения выполнен толщиной, выбранной в диапазоне от 0,1 мкм до 1,0 мкм и в случае, когда в ограничительном нелегированном подслое выбран уровень фоновый примеси, равный концентрации менее 2•10¹⁶ см^-3.

Экспериментально определено, что ограничительный нелегированный подслой наибольшего оптического ограничения может быть введен только со стороны ограничительного легированного подслоя наибольшего оптического ограничения того же состава p-типа проводимости.

Поставленная задача решается тем, что при выращивании ограничительных подслоев наибольшего оптического ограничения на активном слое или на волноводном подслое вначале выращивают ограничительный нелегированный подслой наибольшего оптического ограничения толщиной, равной d_НП, а после того начинают вводить легирующую примесь и выращивают ограничительный легированный подслой наибольшего оптического ограничения, а также тем, что при выращивании ограничительных подслоев наибольшего оптического ограничения до активного слоя или до волноводного слоя вначале выращивают легированный подслой наибольшего оптического ограничения требуемой толщины, а после того прекращают вводить легирующую примесь и выращивают ограничительный нелегированный подслой наибольшего оптического ограничения.

Предложенным способом изготовления Лазера могут быть выращены различные гетероструктуры, в том числе РОДГС, квантово-размерные.

Поставленная задача решается также тем, что по крайней мере в одном ограничительном слое выращивают примыкающим к активному слою волноводный подслой с уровнем фоновой примеси с концентрацией менее 2•10¹⁶ см^-3. С другой стороны волноводный подслой может граничить с соответствующим ограничительным легированным подслоем HOOrp или с соответствующим ограничительным нелегированным подслоем HOOrp. При этом получаем РОДГС с волноводной областью, которая включает активный слой и волноводные подслои для преимущественного распространения усиливаемого излучения в гетероструктуре.

Поставленная задача решается также тем, что активный слой выращивают по крайней мере из одного подслоя.

В одном из случаев активный слой выращивают в виде одного квантово-размерного активного подслоя.

В другом случае активный слой выращивают по крайней мере из трех квантово-размерных подслоев, а именно из по крайней мере двух активных подслоев и по крайней мере одного барьерного подслоя, причем в общем случае при множестве квантово-размерных подслоев между каждыми двумя активными квантово-размерными подслоями выращивают барьерный квантово-размерный подслой.

Предложенный способ изготовления Лазера предполагает, что Лазер может быть реализован в различных модификациях как с широкой излучающей полоской, так и узкой, менее 3 мкм, для получения одномодового и одночастотного режимов работы.

Поставленная задача решается тем, что область усиления выбирают полосковой. Предложены различные случаи реализации, а именно:
в гетероструктуре формируют барьерные области;
в гетероструктуре формируют барьерные области, образующие по крайней мере одну мезаполоску, причем в одном случае барьерные области выполняют на глубину, превышающую глубину расположения активного слоя, в другом случае барьерные области выполняют так, что основание мезаполоски размещают над активным слоем на расстоянии от 0,2 мкм до 0,8 мкм;
по крайней мере один из подслоев ограничительного слоя формируют с профильной поверхностью и по крайней мере активный слой повторяет данный профиль. В такой гетероструктуре могут быть сформированы барьерные области.

Кроме того, для достижения одночастотного и одномодового режимов работы предложено сформировать РОС-структуру либо выполнить в плоскости активного слоя зеркала Брегга.

Во всех предложенных случаях поставленная техническая задача решена, если ограничительный легированный подслой со стороны p-типа проводимости легирован цинком, или магнием, или кадмием, или берилием.

В способе изготовления одной из модификаций Лазера для решения поставленной задачи выращивали гетероструктуру, состоящую из
- буферного слоя GaAs, легированного Si с концентрацией N₁, выбранной в диапазоне не менее 2•10¹⁷ см^-3 и не более 2•10¹⁸ см^-3,
- ограничительного легированного подслоя Al_xGa_1-xAs градиентного состава от x₁, выбранного из диапазона более нуля и не более 0,05 до x₂, выбранного из диапазона не менее 0,47 и не более 0,53, толщиной d₂, выбранной до 1 мкм, и легированного Si с концентрацией N₂, выбранной в диапазоне не менее 2•10¹⁷ см^-3 и не более 2•10¹⁸ см^-3,
- n-типа ограничительного легированного подслоя наибольшего оптического ограничения Al_x3Ga_1-x3As, при x₃, выбранном из диапазона 0,4...0,53, легированного Si с концентрацией N, выбранной в диапазоне не менее 2•10¹⁷ см^-3 и не более 2•10¹⁸ см^-3, толщиной d₃, выбранной в диапазоне 1,5 мкм ... 3 мкм,
- нелегированных подслоев с уровнем легирования фоновых примесей, выбранных в диапазоне от 2•10¹⁴ см^-3 до 6•10¹⁶ см^-3, включающих
- первый волноводный подслой Al_x4Ga_1-x4As при x₄, выбранном в диапазоне 0,25...0,35, толщиной d₄, выбранной в диапазоне 0,05 мкм ... 0,2 мкм,
- первый активный подслой GaAs толщиной d₅, выбранной в диапазоне 5 нм . .. 12 нм,
- барьерный подслой Al_x5Ga_1-x5As при x₅, выбранном в диапазоне 0,25... 0,35, толщиной d₆, выбранной в диапазоне 10 нм ... 15 нм,
- второй активный подслой GaAs идентичен первому активному подслою
- второй волноводный подслой Al_x4Ga_1-x4As идентичен первому волноводному подслою,
- нелегированного ограничительного подслоя наибольшего оптического ограничения состава Al_x3Ga_1-x3As (состава n-типа ограничительного слоя наибольшего оптического ограничения) толщиной d₉, выбранной в диапазоне 0,1 мкм ... 1 мкм,
- легированного ограничительного подслоя наибольшего оптического ограничения состава Al_x3Ga_1-x3As (состава n-типа и нелегированного ограничительных подслоев наибольшего оптического ограничения) акцепторной примесью до концентрации P, выбранной в диапазоне 4•10¹⁷ см^-3 до 1•10¹⁹ см^-3, толщиной d₁₀, выбранной в диапазоне 1,5 мкм ... 0,7 мкм,
- контактного слоя p⁺-GaAs с концентрацией P₁, выбранной в диапазоне 5•10¹⁸ см^-3 ... 5•10¹⁹ см^-3 и толщиной d₁₀, выбранной в диапазоне 0,2 мкм .. . 0,5 мкм.

Заметим, что наличие градиентного слоя непринципиально. Он может отсутствовать. Кроме того, при увеличении толщины нелегированной части ограничительного подслоя HOOгр может быть соответственно уменьшена толщина легированной части так, чтобы сохранить необходимую общую расчетную толщину ограничительного подслоя HOOгр, толще которой выполнять ограничительный подслой HOOгр нецелесообразно.

Нами определено, что предложенный способ изготовления Лазера может быть реализован на различных полупроводниковых материалах для различных диапазонов длин волн излучения.

Сущностью настоящего изобретения является оригинальный выбор отличительных существенных признаков, которые не являются очевидными.

Неочевидность состоит в том, что в выращиваемой гетероструктуре выполняется необычное выявленное соотношение концентраций P/N легирующих примесей в легированных ограничительных подслоях HOOгр противоположного типа проводимости, между которыми выращиваются слои и/или подслои так, что обеспечивается в них уровень фоновой примеси. При этом выполняется требование распространения области объемного заряда на всю ширину слоев и подслоев между ограничительными легированными подслоями HOOгр, ближайшими к активному слою так, чтобы границы объемного заряда находились в ограничительных легированных подслоях HOOгр. Неочевидность также состоит в том, что выращивают нелегированный ограничительный подслой HOOгр, примыкающим к легированному подслою HOOгр, толщиной, равной толщине части толщины области объемного заряда, равной d_НП. Определена их связь предложенного способа изготовления Лазера с выходными параметрами полученного Лазера.

Совокупность существенных отличительных признаков предложенных Лазеров в соответствии с формулой изобретения определила их основные достоинства. Значительно увеличена выходная мощность излучения в одномодовом и одночастотном режимах при повышенных эффективности, температурной стабилизации и надежности работы Лазера. Иначе говоря, стабилизировано одномодовое и одночастотное излучение в более широком диапазоне значений выходной мощности, чем известно в настоящее время на аналогичных структурах.

Техническая реализация изобретения основана на известных базовых технологических процессах, которые к настоящему времени хорошо разработаны и широко применяются при изготовлении лазеров. Предложенные настоящим изобретением Лазеры применимы по крайней мере для всех известных в настоящее время диапазонов длин волн лазерного излучения и гетероструктурных систем.

Краткое описание чертежей
Настоящее изобретение поясняется чертежами, изображенными на фиг. 1 - 7.

На фиг. 1 схематично изображено продольное сечение Лазера с полосковой областью генерации излучения, выполненной в виде мезаструктуры.

На фиг. 2 схематично изображено продольное сечение конкретной гетероструктуры.

На фиг. 3 изображен график распределения акцепторной примеси в указанной конкретной гетероструктуре.

На фиг. 4 изображена ватт-амперная характеристика Лазера.

На фиг. 5 изображена диаграмма направленности Лазера в плоскости, параллельной плоскости p-i-n гетероперехода при разных уровнях выходной мощности.

На фиг. 6 изображен спектр излучения Лазера при разных уровнях выходной мощности.

На фиг. 7 изображен график зависимости предельной мощности в одночастотном режиме от концентрации дырок в ограничительных подслоях наибольшего оптического ограничения, легированных акцепторной примесью, при концентрации электронов N = 10¹⁸ см^-3 в ограничительных подслоях наибольшего оптического ограничения, легированных донорной примесью.

Варианты осуществления изобретения
В дальнейшем изобретение поясняется описанием конкретных исполнений со ссылками на прилагаемые чертежи 1 - 7. Приведенные примеры не являются единственными.

Одна из модификаций Лазера 1, изготовленного предлагаемым способом, схематично изображена на фиг. 1, в котором сформирована мезаполосковая область (мезаполоска) 2.

Данная модификация Лазера 1 выполнена из гетероструктуры 3 типа РОДГС с двумя квантовыми ямами (схематично изображена на фиг. 1 и 2).

Гетероструктуры 3 изготавливали МОС-гидридным методом в кварцевом щелевом реакторе, работающем при пониженном давлении. Графитовый подложкодержатель нагревали до 700^oC ВЧ-генератором. Для повышения однородности состава и толщин осаждаемых слоев графитовый подложкодержатель вращали со скоростью 30 об/мин. В качестве газа носителя использовали водород. В качестве источника Ga, Al, Zn - триэтилгаллий, триметилалюминий и диэтилцинк соответственно. Металлоорганические соединения (МОС) термостатировали при температуре +17^oC. В качестве источника мышьяка использовали концентрированный арсин. Для получения слоев n-типа электропроводности пленки GaAs и AlGaAs легировали кремнием из смеси 1% SiH₄/Ar. Установка эпитаксии была обеспечена системой балансировки давлений байпас/реактор, а также регуляторами давлений на каждой линии МОС. Это предотвращало развитие переходных гидравлических явлений в газовой системе и реакторе при взаимных переключениях газовых потоков.

В качестве подложек 4 использовали пластины арсенида галлия, выращенного методом горизонтальной направленной кристаллизации, с концентрацией носителей n = 2•10¹⁸ см^-3.

Перед выращиванием гетероструктур 3 были проведены исследования зависимостей концентрации дырок в пленках GaAs и AIGaAs разного состава от концентрации диэтилцинка (ДЭЦ) в газовой фазе.

В гетероструктуре 3 были выполнены p-типа ограничительные подслои HOOгр 5 с различной концентрацией носителей P в диапазоне от 4•10¹⁷ см^-3 до 1•10¹⁹ см^-3. Конкретные значения концентрации носителей P для примеров 1 - 6 указаны в таблице. На подложке 4 выращивали следующую последовательность слоев: буферный слой 6 GaAs: Si с концентрацией носителей N, равной 2•10¹⁸ см^-3, ограничительный подслой 7 Al_xGa_1-xAs градиентного состава по x, изменяемого в диапазоне 0,05 . . . 0,47, толщиной d, равной 0,5 мкм, n-типа ограничительный подслой HOOгр 8 Al_0,47Ga_0,53As:Si с концентрацией носителей N, равной 1•10¹⁸ см^-3, толщиной d, равной 2,5 мкм, первый волноводный подслой 9 Al_0,3Ga_0,7As толщиной d, равной 0,15 мкм, активный слой 10, состоящий из следующих подслоев (подслои активного слоя 10 на фигурах не показаны): первый активный подслой GaAs толщиной d, равной 8 нм, барьерный подслой Al_0,30Ga_0,7As толщиной d, равной 15 нм, второй активный подслой GaAs толщиной d, равной 8 нм; после активного слоя 10 выращивали второй волноводный подслой 11 Al_0,3Ga_0,7As толщиной d, равной 0,15 мкм, нелегированный ограничительный подслой HOOгр 12 Al_0,47Ga_0,53As:Zn толщиной d, равной 0,3 мкм, после этого начинали подачу диэтилцинка для легирования последующих подслоев и слоев акцепторной примесью - цинком, далее выращивали p-типа ограничительный подслой HOOгр 5 Al_0,47Ga_0,53As:Zn толщиной d, равной 1,7 мкм, контактный слой 13 p⁺-GaAs с концентрацией носителей P, равной 2•10¹⁹ см^-3, толщиной d, равной 0,5 мкм. Концентрация носителей в слоях гетероструктуры, а также состав пленок контролировали на CV-профайлере Polaron 4200. Толщины слоев контролировали с помощью оптического и сканирующего электронного микроскопа.

Мезаполоску 2 одномодового Лазера 1 изготавливали методом ионно-химического травления. Ширина мезаполоски 2 в области контактного слоя 13 составляла 3 мкм. Для получения устойчивой генерации на основной моде расстояние от активного слоя 10 до нижнего края мезаполоски 2 задавали 0,2-0,3 мкм. Такими образом, глубина травления мезаполоски 2 была чуть более 2 мкм. Токовое и оптическое ограничение создавали заращиванием мезаполоски 2 слоем 14 высокоомного ZnSe [10]. На поверхность заращенной таким образом гетероструктуры 3 наносили омические контакты 15 Ti/Ni/Au и гальванические подушки 16 золота для планаризации поверхности [10] . После утонения на пластину со стороны подложки 4 наносили омические контакты 17 Ge/Au. Далее пластину скалывали на кристаллы с длиной резонатора от 200 до 1000 мкм, которые паяли на медный теплоотвод (на фигурах не показано) с помощью индиевого припоя для получения лазерных диодов (далее "ЛД"). Перед монтажом на теплоотвод на грани ЛД в специальных случаях также напыляли диэлектрические многослойные покрытия (на фигурах не показано) с коэффициентами отражения 7...10% и 95% для передней и задней граней соответственно.

В таблице представлены основные характеристики гетероструктур 3 для шести примеров исполнения (столбцы 1 и 2), а также результаты исследований гетероструктур (столбцы 3-5) и ЛД (столбцы 6 - 10). Концентрация акцепторной примеси P, см^-3, в p-типа ограничительном подслое HOOrp 5 записана в столбце 3 таблицы. Концентрация донорной примеси N, см^-3, в n-типа ограничительном подслое HOOrp 8 записана в столбце 4 таблицы. Значения отношений P/N для указанных партий гетероструктур записаны в столбце 5. Все гетероструктуры имели одинаковый волновод, характеризуемый одинаковыми оптическими потерями α (см. таблицу, столбец 6). Наибольшая величина выходной мощности, до которой наблюдалась одночастотная генерация, названа предельной P_пред, мВт (см. столбец 5). Значения дифференциальной квантовой эффективности 2η , Вт/А, записаны в столбце 8, в столбце 9 - значения T₀, град K - характеристической температуры порогового тока и в столбце 10 - значения η_o % - внутреннего квантового выхода стимулированного излучения.

Распределение акцепторной примеси в данных гетероструктурах 3 показано на примере гетероструктуры партии 541 (см. пример 5 таблицы и фиг. 3). Наблюдаются четкие границы изменения степени концентрации акцепторной примеси P, см^-3. Полученный уровень легирования фоновыми примесями пленок GaAs составлял N, равную 2•10¹⁵ см^-3, а пленок AlGaAs - N, равную 6•10¹⁵ см^-3. Следовательно, в данных гетероструктурах объемный заряд p-i-n гетероперехода формировался сильнолегированными подслоями HOOrp 8 и 5 n- и p-типа проводимости соответственно.

Все ЛД излучали на длине волны 850±10 нм и имели одинаковую геометрию резонатора при длине резонатора L, равной 600 мкм.

Наилучшие результаты наблюдали в Лазерах 1 примера 5 (партия 541) На фиг. 4 представлена ватт-амперная характеристика (далее "ВАХ") в непрерывном режиме ЛД, изготовленного из партии 541. Лазер 1 имел коэффициенты отражения 7% и 95% на передней и задней грани соответственно. Наблюдали, что линейность ВАХ сохраняется до уровня мощности 180 мВт. Необходимо отметить, что время службы ЛД при уровне мощности выше излома ВАХ обычно не превышало 2 часов, в то время как для уровней мощности ниже излома ЛД работали более 500 час без значительной деградации.

На фиг. 5 представлена диаграмма направленности этого ЛД в плоскости параллельной p-i-n гетеропереходу при различных уровнях мощности: 18 - при 50 мВт, 19 - при 100 мВт и 20-при 150 мВт. Видно, что ЛД излучает на основной пространственной моде при P более 150 мВт.

Спектры излучения полученного ЛД (пример 5) при разных уровнях выходной мощности, а именно: 21 - при 2 мВт, 22 - при 70 мВт и 23 - при 175 мВт, изображены на фиг. 6, из которого видно, что в диапазоне мощностей от 2 до 180 мВт спектр является одночастотным, т.е. прибор излучал на одной продольной моде. По достижении 180 мВт на ВАХ (см. фиг. 4) наблюдался излом и появлялась мода более высокого порядка. При этом в спектре излучения появлялись дополнительные максимумы интенсивности. Вышеизложенные факты позволяют говорить, что появление нелинейности ВАХ обусловлено эффектом пространственного выжигания дырки.

Выходная мощность, при которой появляется нелинейность в ВАХ (см. фиг. 4), как определено ранее, является предельной выходной мощностью P_пред (см. таблицу, столбец 7). На фиг. 7 изображена зависимость P_пред от отношения P/N, т.е. от отношения концентрации дырок P в p-типа ограничительном подслое наибольшего оптического ограничения для гетероструктур 3 примеров 1 - 5 к концентрации электронов N в n-типа ограничительном подслое наибольшего оптического ограничения - N, равной 1•10¹⁸ см^-3. Видно, что с ростом отношения P/N предельная мощность увеличивается. При этом ЛД имели расходимость Ξ_┴ ≈ 40^° , т.е. достаточно сильное ограничение световой волны в волноводе. Это было сделано намеренно, чтобы показать, что именно увеличение отношения P/N приводит к увеличению P_пред. В тоже время (см. таблицу, пример 6) на ЛД с гетероструктурой 756, которая имела высокую концентрацию дырок P в p-типа ограничительном подслое наибольшего оптического ограничения P, равную 3•10¹⁸ см^-3, но такую же высокую и концентрацию электронов N в n-типа ограничительном подслое наибольшего оптического ограничения N, равную 3•10¹⁸ см^-3, т. е. имела отношение P/N, равным 1, была получена примерно такая же P_пред, что и на ЛД с гетероструктурой 254, т.е. с отношением P/N, равным 1.

Мы наблюдали, что с ростом отношения P/N увеличиваются внешняя дифференциальная квантовая эффективность 2η и характеристическая температура порогового тока T₀, что говорит о снижении токовых утечек из активной области (см. таблицу). Также увеличивается внутренний квантовый выход η стимулированного излучения с ростом отношения P/N.

В следующих примерах были исследованы также частотные характеристики ЛД. На гетероструктурах 3 примеров 1 - 6 были изготовлены ЛД с длиной резонатора 400 мкм с естественными гранями. Измерения проводили в стандартном корпусе диаметром 9 мм типа SOT-148. Специальных мероприятий по снижению емкости и индуктивности не проводилось. Выяснено, что увеличение отношения P/N приводит к увеличению полосы модуляции ЛД.

В другом примере были изготовлены гетероструктуры 3 с теми же параметрами, но отсутствовал нелегированный подслой HOOгр 12.

Анализ методом вторичной масс спектроскопии выполненной гетероструктуры 3 показал, что при выращивании гетероструктуры 3 имела место диффузия акцепторной примеси из p-типа ограничивающего сильнолегированного подслоя HOOгр 5 в прилегающий выращиваемый нелегированным волноводный подслой 11.

В Лазерах с такой гетероструктурой объемный заряд p-i-n гетероперехода формировался между n-типа ограничительным подслоем HOOгр 8 и p-типа волноводным подслоем 11, что привело к значительному ухудшению излучательных характеристик Лазера 1. Нами получено, что ЛД сохраняли одночастотный характер спектра генерации до более чем в три раза меньших значений предельной выходной мощности излучения P_пред до 50-60 мВт. Снижалась внешняя дифференциальная квантовая эффективность 2η до 0,43, ухудшались температурные характеристики лазеров - T₀ порядка 115К.

Таким образом, предложенный способ изготовления Лазеров позволил значительно увеличить выходную мощность лазерного излучения полученных Лазеров в одномодовом и одночастотном режимах, стабилизировать указанные режимы действия Лазеров. Стабилизировать его температурную зависимость T₀. Получить высокоэффективные Лазеры повышенной надежности.

Промышленная применимость
Предложенный способ изготовления Лазеров используется в полупроводниковой квантовой технологии получения полупроводниковых инжекционных источников излучения, используемых в волоконно-оптических системах связи и передачи информации, в оптических сверхскоростных вычислительных и коммутационных системах, открытой оптической связи, в системах оптической памяти, спектроскопии, а также для накачки твердотельных и волоконных лазеров, при создании лазерного технологического оборудования, медицинского оборудования, измерительных устройств и т.д.

Источники информации
1. Физика полупроводниковых лазеров, п./р. Х.Такумы, М, "Мир", 1989, с. 18.

2. S. S. Ou et al., Electronics Letters (1992), v. 28, N 25, pp. 2345-2346.

3. Handbook of Semiconductor Lasers and Photonic integrated circuits, edited by Y.Suematsu and A.R. Adams, "Chapman-Hill", London, 1994, pp. 44-45, 393-417.

4. Физика полупроводниковых лазеров, п./р. Х.Такумы, М., "Мир", 1989, гл. 6, сс. 145-148.

5. Патент США 4,441,187 (Jean-Claude BOULEY, Josette CHARIL, Guy CHAMINANT), 03.04.1984, 372/46, H 01 S 3/19.

6. Патент РФ 2035103 (В.А. ШИШКИН, В.И. ШВЕЙКИН), 26.01.93, H 01 S 3/19.

7. Патент США 4679199 (GTE LABORTORIES INC.), 07.07.1987, 372/44.

8. П. Г. Елисеев "Введение в физику инжекционных лазеров", М., "Наука", 1983, сс. 156-162.

9. Х. Кейси, М. Паниш "Лазеры на гетероструктурах", М., "Мир", 1981, сс. 228-281.

10. Патент РФ 1831213 (ФГУП НИИ "ПОЛЮС"), 22.08.90, H 01 S 3/19.

Изобретение относится к способам изготовления инжекционных лазеров на основе гетероструктур. Способ включает выращивание первого ограничительного слоя, содержащего легированный подслой первого типа электропроводности и состава, обеспечивающего наибольшее оптическое ограничение излучения, активного слоя, второго ограничительного слоя, содержащего легированный подслой второго типа электропроводности и состава, обеспечивающего наибольшее оптическое ограничение излучения. При этом ограничительные легированные подслои наибольшего оптического ограничения, ближайшие к активному слою, легируют так, чтобы обеспечить отношение концентрации дырок Р в подслое наибольшего оптического ограничения р-типа электропроводности со стороны р-типа к концентрации электронов N в подслое наибольшего оптического ограничения n-типа электропроводности со стороны n-типа P/N более единицы. Между легированными ограничительными подслоями наибольшего оптического ограничения, в том числе в активном слое, обеспечивают уровень фоновой примеси. При этом границы объемного заряда p-i-n гетероперехода располагаются в ограничительных легированных подслоях наибольшего оптического ограничения. В результате такого выполнения получается лазер с увеличенной выходной мощностью излучения в одномодовом и одночастотном режимах. Обеспечивается стабилизация указанных режимов при повышении температурной стабильности, повышается надежность работы лазера. 25 з.п. ф-лы, 7 ил., 1 табл.

1. Способ изготовления инжекционного лазера, включающий выращивание первого ограничительного слоя, содержащего легированный подслой первого типа электропроводности и состава, обеспечивающего наибольшее оптическое ограничение излучения, активного слоя, второго ограничительного слоя, содержащего легированный подслой второго типа электропроводности и состава, обеспечивающего наибольшее оптическое ограничение излучения, отличающийся тем, что ограничительные легированные подслои наибольшего оптического ограничения, ближайшие к активному слою, легируют так, чтобы обеспечить отношение концентрации дырок Р в подслое наибольшего оптического ограничения р-типа электропроводности со стороны р-типа к концентрации электронов N в подслое наибольшего оптического ограничения n-типа электропроводности со стороны n-типа P/N более единицы, а между легированными ограничительными подслоями наибольшего оптического ограничения, в том числе в активном слое, обеспечивают уровень фоновой примеси, при этом границы объемного заряда p-i-n гетероперехода располагаются в ограничительных легированных подслоях наибольшего оптического ограничения. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что уровень фоновый примеси обеспечивают менее 2•10¹⁶ см^-3. 3. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что величину P/N выбирают в диапазоне от 3 до 20. 4. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что в ограничительном легированном подслое р-типа концентрацию акцепторной примеси выбирают превышающей 2•10¹⁸ см^-3. 5. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что в ограничительном легированном подслое n-типа концентрацию донорной примеси выбирают не менее 2•10¹⁷ см^-3 и не более 2•10 см^-3. 6. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что по крайней мере в одном ограничительном слое со стороны активного слоя выращивают примыкающим к ограничительному легированному подслою наибольшего оптического ограничения того же состава ограничительный нелегированный подслой наибольшего оптического ограничения, толщиной, превышающей толщину диффузии примеси из ограничительного легированного подслоя наибольшего оптического ограничения, и не более толщины d_НП, равной части толщины области объемного заряда p-i-n гетероперехода, приходящейся на ограничительный нелегированный подслой наибольшего оптического ограничения. 7. Способ по п.6, отличающийся тем, что толщину d_НП выбирают равной толщине D_ОЗ области объемного заряда p-i-n гетероперехода за вычетом суммы, составленной из толщины d_N области объемного заряда в ограничительном легированном подслое наибольшего оптического ограничения n-типа, толщины d_Р области объемного заряда в ограничительном легированном подслое наибольшего оптического ограничения р-типа, толщины d_АС активного слоя. 8. Способ по п.6, отличающийся тем, что толщину d_НП выбирают равной толщине D_ОЗ области объемного заряда p-i-n гетероперехода за вычетом суммы, составленной из толщины d_N области объемного заряда в ограничительном легированном подслое наибольшего оптического ограничения n-типа, толщины d_P области объемного заряда в ограничительном легированном подслое наибольшего оптического ограничения р-типа, толщины d_AC активного слоя и толщины d_ДП дополнительных ограничительных подслоев между активным слоем и ограничительными подслоями наибольшего оптического ограничения. 9. Способ по любому из пп.6-8, отличающийся тем, что ограничительный нелегированный подслой наибольшего оптического ограничения выполняют толщиной, выбранной в диапазоне от 0,1 до 1,0 мкм. 10. Способ по любому из пп.6-9, отличающийся тем, что при выращивании ограничительных подслоев наибольшего оптического ограничения на активном слое или на волноводном подслое вначале выращивают ограничительный нелегированный подслой наибольшего оптического ограничения толщиной, равной d_НП, а после того начинают вводить легирующую примесь и выращивают ограничительный легированный подслой наибольшего оптического ограничения. 11. Способ по любому из пп.6-9, отличающийся тем, что при выращивании ограничительных подслоев наибольшего оптического ограничения до активного слоя или до волноводного слоя вначале выращивают легированный подслой наибольшего оптического ограничения требуемой толщины, а после того прекращают вводить легирующую примесь и выращивают ограничительный нелегированный подслой наибольшего оптического ограничения. 12. Способ по любому из пп.6-10, отличающийся тем, что ограничительный нелегированный подслой наибольшего оптического ограничения выращивают только со стороны ограничительного легированного подслоя наибольшего оптического ограничения р-типа проводимости. 13. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что по крайней мере в одном ограничительном слое выращивают примыкающим к активному слою волноводный подслой. 14. Способ по п.13, отличающийся тем, что волноводный подслой с другой стороны граничит с ограничительным легированным подслоем наибольшего оптического ограничения. 15. Способ по п.13, отличающийся тем, что волноводный подслой с другой стороны граничит с ограничительным нелегированным подслоем наибольшего оптического ограничения. 16. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что активный слой выращивают по крайней мере из одного подслоя. 17. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что активный слой выполняют в виде одного квантово-размерного активного подслоя. 18. Способ по п.16, отличающийся тем, что активный слой выращивают по крайней мере из трех квантово-размерных подслоев, а именно, из по крайней мере двух активных квантово-размерных подслоев, разделенных барьерным квантово-размерным подслоем. 19. Способ по п.18, отличающийся тем, что между каждыми двумя активными квантово-размерными подслоями выращивают барьерный квантово-размерный подслой. 20. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что область усиления формируют полосковой. 21. Способ по п.20, отличающийся тем, что в гетероструктуре выполняют барьерные области. 22. Способ по п.21, отличающийся тем, что с помощью барьерных областей формируют по крайней мере одну мезаполоску. 23. Способ по п.21 или 22, отличающийся тем, что барьерные области выполняют на глубину, превышающую глубину расположения активного слоя. 24. Способ по п.22, отличающийся тем, что основание мезаполоски размещают над активным слоем на расстоянии от 0,2 до 0,8 мкм. 25. Способ по пп.20 или 21, отличающийся тем, что по крайней мере один из подслоев ограничительного слоя формируют с профильной поверхностью и по крайней мере активный слой выращивают повторяющим данный профиль. 26. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что ограничительный легированный слой со стороны р-типа проводимости легируют цинком, или магнием, или кадмием, или бериллием.