ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ИНЖЕКЦИОННЫЙ ЛАЗЕР Российский патент 2007 года по МПК H01S5/30 

Изобретение относится к полупроводниковым приборам, а более конкретно к лазерам на основе многопроходных p-n-гетероструктур.

Известны [1] лазеры, которые имеют пороговую плотность тока менее 200 А/см², а рабочие токи лазера могут составлять несколько миллиампер. Это лазеры с узкозонной активной областью, толщиной в несколько десятков ангстрем (квантовая яма) внутри волноводного широкозонного слоя. Ширина (толщина) волноводного слоя составляет несколько десятых долей микрона и соизмерима с длиной волны лазерного излучения внутри кристалла. Так, в лазерах на основе GaAs-GaAlAs, где показатель преломления n≈3,2÷3,6, эта длина волны может быть 0,25÷0,3 микрона. Внутри волноводного слоя могут находиться несколько квантовых ям [2], которые позволяют улучшать некоторые параметры лазеров, например увеличить мощность излучения, сузить диаграмму направленности излучения в плоскости, перпендикулярной плоскости p-n-перехода.

Известны [3] лазеры на основе многопроходных p-n-гетероструктур с повышенным внешним квантовым выходом, пониженными пороговыми токами, широким диапазоном рабочих токов. Указанные улучшения параметров лазеров достигаются за счет преобразования спонтанного излучения в лазерное. Это достигнуто в p-n-гетероструктуре, в которой наименьшую ширину запрещенной зоны имеет активная область лазера. Сама гетероструктура состоит из широкозонных эмиттеров носителей заряда n- и p-типов проводимости, между которыми расположена узкозонная активная область, имеющая за счет соответствующего легирования высокий внутренний квантовый выход для спонтанного излучения. Контактные площадки в виде полосок, перпендикулярных к резонаторам (зеркальным) граням (сколам) кристалла, занимают часть поверхности граней n- и p-типов. Спонтанное излучение, многократно проходя между гранями кристалла в результате его отражения от свободных от контактных покрытий поверхности этих граней, в активной области испытывает поглощение с образованием в ней электронно-дырочных пар. Эти электронно-дырочные пары создают дополнительную концентрацию носителей по сравнению с той, которая обусловлена инжекцией через p-n-переход. Рожденные фотоносители заново могут участвовать в процессе излучательной рекомбинации. Увеличение концентрации за счет переизлучения может происходить в 3-5 и более раз [3, 4]. Это приводит к понижению порогового тока лазера в такое же количество раз, а также к увеличению мощности лазера, увеличению внешнего и дифференциального квантового выходов, улучшению теплоотвода за счет рассеивания подводимой электрической мощности в виде полезного излучения лазера, выводимого наружу за пределы кристалла. Возрастает динамический диапазон по рабочим токам по сравнению с таким же лазером, но без явлений многократного прохождения излучения внутри кристалла и его переизлучения в активной области.

Описанные процессы переизлучения могут происходить интенсивно в активной области, толщина которой не менее 0,1-0,5 мкм (чтобы обеспечить заметное поглощение спонтанного излучения). Это ограничивает возможности понижения пороговой плотности тока лазера (активная область толщиной ˜1 мкм имеет в не многопроходном лазере пороговую плотность тока ˜5-8 кА/см²). Это означает, что получение пороговых плотностей тока менее 200 А/см² за счет использования многопроходности и переизлучения практически невозможно. Максимальная толщина активной области в структурах с переизлучением ограничивалась несколькими диффузионными длинами неосновных носителей.

Данное техническое решение по технической сущности является наиболее близким к заявляемому и выбирается в качестве прототипа.

Существенным недостатком прототипа является высокая пороговая плотность тока и соответственно большие величины рабочего тока.

Техническим результатом настоящего изобретения является уменьшение пороговой плотности тока и уменьшение рабочих токов.

Другим техническим результатом является увеличение внешнего квантового выхода по сравнению с прототипом.

Эти технические результаты достигнуты в полупроводниковом инжекционном лазере, состоящем из легированной активной области в виде полупроводникового слоя толщиной от 0,1 мкм до нескольких диффузионных длин неосновных носителей, расположенной между двумя широкозонными слоями n- и p-типов проводимости с омическими контактами к n- и p-слоям, в котором между широкозонными слоями расположен дополнительно, по крайней мере, один слой полупроводникового материала толщиной 20-500 ангстрем (квантовая яма) с шириной запрещенной зоны на 0,1 кТ÷300 MeV меньшей, чем в активной области, а толщина активной области не менее двух длин Дебая.

Отличия полупроводникового инжекционного лазера согласно настоящего изобретения заключаются в том, что его структура дополнительно содержит между широкозонными слоями по крайней мере один слой полупроводникового материала толщиной 20÷500 ангстрем - квантовую яму с шириной запрещенной зоны на 0,1 кТ÷300 MeV меньшей, чем в активной области, а толщина активной области не менее двух длин Дебая.

Изобретение поясняется приведенными чертежами.

На фиг.1 приведен фрагмент конструкции лазера согласно настоящему изобретению.

На фиг.2 приведено схемотехническое изображение энергетической диаграммы лазера, в которой иллюстрируется распределение ширины запрещенной зоны, соответствующее слоям структуры лазера (фиг.1) согласно настоящему изобретению.

Полупроводниковый инжекционный лазер согласно настоящему изобретению включает широкозонный эмиттер 1 p-типа проводимости, выполненный, например, из p-GaAlAs, AlAs-30%; активную область 2, выполненную, например, из n-GaALAs, N˜2·10¹⁷ см^-3, AlAs-8%; квантовую яму 3, расположенную, например, в активной области 2 и выполненную в виде дополнительного слоя полупроводникового материала толщиной 20-500 ангстрем с шириной запрещенной зоны на 0,1 кТ÷300 MeV меньшей, чем в активной области 2; широкозонный эмиттер 4, выполненный, например из n-GaAlAs, N˜5-10¹⁷ см^-3, AlAs-30%; подложку 5, выполненную из n-GaAlAs, AlAs-10-40%; слой SiO₂ 6, металлическое покрытие 7, образующее омические контакты 8 и 9 к слоям 1 и 5 соответственно.

Полупроводниковая p-n-гетероструктура для инжекционного лазера согласно настоящему изобретению может быть изготовлена, например, по технологии молекулярно-лучевой эпитаксии - МЛЭ (molecular-beam epitaxy, МВЕ), либо способом, известным как МОС-гидридная технология (metalorganic vapor phase epitaxy, MOVPE, или MOCVD-metalorganic chemical vapor deposition) [5].

В методе МЛЭ несколько потоков (пучков) атомов или молекул, которые получаются испарением вещества из отдельных нагретых источников, одновременно в высоком вакууме летят на нагретую подложку, на которой происходит эпитаксиальный рост гетероструктуры. Весь процесс нагрева, изменения химического состава пучков атомов, их осаждения и роста структуры управляется компьютером. Метод МЛЭ позволяет выращивать совершенные монокристаллические слои толщиной от нескольких периодов решетки до нескольких микрон и более.

Для роста гетероструктур может быть использована также МОС-гидридная технология. Здесь осуществляется массоперенос в газовом потоке смеси компонентов химической реакции с диффузией в направлении фронта роста гетероструктуры. Эпитаксиальный рост происходит на нагретой до 600-700°С подложке из полупроводникового материала, вблизи поверхности которой в результате реакции пиролиза металлорганических соединений и гидридов в атмосфере молекулярного водорода осуществляется выделение нужных для роста структуры атомов. Все это происходит в реакторе открытого типа при атмосферном или пониженном давлении. Газовая смесь нагревается только около полупроводниковой подложки, тогда как стенки камеры остаются холодными, например за счет водяного охлаждения. Кристаллизация в процессе MOCVD идет в условиях, существенно более близких к термодинамическому равновесию, чем при МЛЭ. Управление газовыми потоками и температурой роста осуществляется также с помощью компьютера. Этим методом могут выращиваться слои толщиной от 10 ангстрем до нескольких микрон.

После изготовления полупроводниковой лазерной p-n-гетероструктуры осуществляется изготовление омических контактов к n- и p-поверхностям структуры. На каждую поверхность нами наносился слой диэлектрика в виде окисла SlO₂ (может быть и Si₃N₄ и др.) толщиной ˜0,5÷1 микрон. Методами фотолитографии в слое окисла формировались канавки на всю глубину окисла, параллельные одному из базовых срезов (например, срезу <01>), шириной 3-5 микрон и шагом ˜12-15 микрон. На образовавшуюся после этой операции поверхность напылялись слои контактных металлов свои для n- и p-граней. Эти металлы вжигались в полупроводниковый материал, а граница металл-окисел образовывала зеркало. Таким образом формировались омические контакты.

После изготовления омических контактов лазерные кристаллы получались выкалыванием (либо скрайбированием) из структуры. Выкалывание осуществлялось в направлении контактных полосок (канавок) и перпендикулярно им. Сколы перпендикулярные контактным полосам происходят по кристаллографическим граням структуры. Они образуют ровные поверхности, играющие роль зеркальных резонаторных граней лазера. Полученные кристаллы могли быть любых размеров. Но для исследований мы выкалывали образцы длиной 300÷500 микрон и шириной 200÷300 микрон. Для исследований лазерные кристаллы помещались в держатели с прижимными металлическими контактами к поверхностям n- и p-типов проводимости.

Полученные таким образом в соответствии с настоящим изобретением экспериментальные полупроводниковые лазеры работают следующим образом. После приложения напряжения в прямом направлении через лазерный диод пойдет электрический ток. Этот ток вызывает инжекцию неосновных носителей через p-n-переход в активную область 2. В активной области 2 начинается процесс рекомбинации носителей заряда с испусканием квантов спонтанного излучения. Небольшая часть этого излучения (менее 1,5÷2%) сможет выйти наружу через грани свободные от контактных покрытий. Остальное излучение будет отражено внутрь кристалла. Внутрь кристалла также будет отражено излучение, упавшее на зеркальные покрытия, образовавшиеся между контактным металлическим покрытием и окислом, на сторонах n- и p-типов проводимости. Излучение, упавшее на контактные полоски (граница контактный металл - полупроводник), частично может поглотиться здесь, а частично также рассеяться внутрь кристалла. В результате большая часть излучения, возникшего в активной области 2, отразится внутрь кристалла. Проходя заново через активную область 2, это излучение испытает частичное поглощение в ней (самопоглощение) с образованием электронно-дырочных пар. Следует заметить, что через время жизни неосновных носителей эти электронно-дырочные пары заново рекомбинируют с образованием тех же квантов спонтанного излучения - т.е. произошел процесс переизлучения. Если внутренний квантовый выход в активной области близок к 100%, то процессы самопоглощения и переизлучения могут повторяться многократно. Это фактически увеличивает концентрацию носителей в активной области 2 в несколько раз. В структуре имеется квантовая яма 3 в активной области 2. Поэтому нет необходимости увеличивать ток через лазер до тех пор, пока не начнется лазерная генерация в активной области (т.е. там, где формировалось только что рассмотренное спонтанное излучение и накопление носителей заряда). Часть носителей заряда будет стекать либо "засасываться" в квантовую яму 3. Концентрация неосновных носителей заряда в квантовой яме 3 будет больше, чем в активной области 2, на величину

,

где ΔЕ - глубина залегания уровня в квантовой яме 3, через который идет рекомбинация носителей в квантовой яме, L - диффузионная длина носителей, ξ- величина порядка длины Дебая (длины свободного пробега носителей). Следует заметить, что "засасывание" носителей в квантовую яму 3 происходит из приграничных частей активной области 2 протяженностью ξ. Если толщина активной области d>2ξ, то в части активной области протяженностью d-2 ξ за пределами приграничных с квантовой ямой 3 частей происходят обычные диффузионные процессы, и не нарушается эффект накопления носителей в ней. Поскольку концентрация носителей в квантовой яме оказывается в А раз больше, чем в активной области (области спонтанной рекомбинации и накопления носителей), то лазерная генерация в квантовой яме должна начаться при токе в А раз меньшем, чем в активной области. Однако с учетом многократного прохождения спонтанного излучения внутри кристалла лазера и процессов самопоглощения и переизлучения в активной области концентрация носителей повышается в несколько раз. Это приводит к тому, что пороговый ток возникновения лазерного излучения в квантовой яме уменьшится в те же самые несколько раз. Понижение порогового тока автоматически приводит к повышению внешнего квантового выхода и улучшению других параметров лазера.

Для снижения рабочих токов лазер может иметь форму, например, полосковой мезаструктуры, как это было показано в [3]. Мезаструктуры могут быть как со стороны n-, так и p-поверхностей, либо с обеих сторон. Мезаструктуры можно сделать с помощью, например, химического травления в виде канавок, параллельных полосковым контактам и перпендикулярных к резонаторным граням.

Литература

1. Laser a semiconducteur muni de moyens de reinjection de l'emission spontanee dans la couche active. Sermage Bernard, Brilloues. Заявка 2575870, Франц. заявл. 10.01.85, № 8500307. Опубл. 11.07.86, МКМ Н01S 3/18. Рж опт. эл. приб. № 7, 1987, реф. 3 107. Заявка 0247267, ЕВП. Заявл. 26.05.86. № 86401106, 9, опубл.02.12.87. МКМ Н01S 3/19.

2. Ultrahight-Power Semiconductor Diode Laser Arrays. Peter S. Cross. Gary L. Harnagel, William Streifer, Donald R.Scifres, David F. Welch. Science, Vol.237, II September, 1987, p.1305-1309.

3. Бекирев У.А., Бондарь С.А., Галченков Д.В., Сурис Р.А., Гранкин М.А., Ершова Г.В., Инкин В.Н., Малышкин М.А. Решетка лазеров на основе многопроходной p-n-гетероструктуры. Письма в ЖТФ, 1988, том 14, вып.23. С.2140-2144.

Изобретение относится к полупроводниковым приборам, к лазерам на основе многопроходных p-n гетероструктур. Лазер состоит из легированной активной области в виде полупроводникового слоя толщиной от 0,1 мкм до нескольких диффузионных длин не основных носителей. Активная область расположена между двумя широкозонными слоями n- и p-типов проводимости с омическими контактами. Между широкозонными слоями выращивается дополнительно слой полупроводникового материала толщиной 20÷500 ангстрем (квантовая яма) с шириной запрещенной зоны на 0,1 кТ÷300 MeV меньшей, чем в активной области, а толщина активной области не менее двух длин Дебая. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Полупроводниковый инжекционный лазер, состоящий из легированной активной области в виде полупроводникового слоя толщиной от 0,1 мкм до нескольких диффузионных длин неосновных носителей, расположенной между двумя широкозонными слоями n- и p-типов проводимости, с омическими контактами, отличающийся тем, что между широкозонными слоями выращивается дополнительно, по крайней мере, один слой полупроводникового материала толщиной 20÷500 ангстрем (квантовая яма) с шириной запрещенной зоны на 0,1 кТ÷300 MeV меньшей, чем в активной области, а толщина активной области не менее двух длин Дебая.2. Лазер по п.1, отличающийся тем, что активная область имеет ширину не менее 4 длин Дебая, если квантовая яма полностью расположена внутри активной области.3. Лазер по п.1 или 2, отличающийся тем, что боковые грани кристалла лазера, по крайней мере, с одной из сторон (либо с p-поверхности, либо с n-поверхности), образуют мезаструктуры.