СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА КВАНТОВЫХ ТОЧКАХ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2015 года по МПК H01L21/20 H01S5/343 

Изобретение относится к области оптоэлектроники, в частности к способам изготовления светоизлучающих структур на квантовых точках, а более конкретно лазеров, работающих в инфракрасном диапазоне длин волн при комнатной температуре.

Лазеры с квантовыми точками (далее: КТ) представляют большой практический интерес, поскольку они обладают большей эффективностью за счет меньшей пороговой плотности тока и меньших внутренних потерь и более высокой температурной стабильностью по сравнению с другими типами полупроводниковых лазеров.

Инжекционные лазеры с КТ диапазона излучения вблизи 1.3 мкм используют, например, в системах оптической связи. Излучение с длиной волны около 1.06 мкм могут использоваться в качестве задающих лазеров для твердотельных усилителей на основе редкоземельных ионов и других оптоэлектронных устройствах.

Известно большое количество различного типа лазеров на КТ на основе соединений A3B5 [1-2]. Активной зоной таких лазеров является один или чаще несколько слоев КТ.

Известен способ изготовления наноструктур на основе самоорганизующейся КТ, использующей образование трехмерных островков размером 10-50 нм непосредственно в процессе эпитаксиального роста полупроводникового материала, имеющего постоянную решетки, отличающуюся от постоянной решетки подложки [3].

Известен каскадный лазер на основе КТ [4], включающий подложку, снабженную электрическим контактом, один или более слоев КТ, отделенных друг от друга барьерными областями, и расположенный сверху контактный слой, снабженный электрическим контактом. В слое КТ каждая квантовая точка отделена одна от другой барьерными областями.

Известен способ изготовления светоизлучающих структур на КТ и светоизлучающая структура [5], которые являются наиболее близкими по решаемой технической задаче и достигаемому техническому результату к заявляемым способу получения лазерного излучения на квантовых точках и устройству для его реализации и принятый в качестве прототипа. Известный способ [5] включает последовательное выращивание на подложке GaAs молекулярно-пучковой эпитаксией буферного слоя GaAs, нижнего эмиттерного слоя на основе соединения AlGaAs, волноводного слоя GaAs, содержащего активную область на основе КТ, формируемую последовательным осаждением при температуре подложки 460-520 C слоя InAs толщиной 0,6-0,9 нм при скорости его роста 0,01-0,03 нм/с слоя InGaAs с химическим составом 10-35% по индию при отношении потока мышьяка к потоку индия 1,5-3,0 и прикрывающего слоя GaAs, а также верхнего эмиттерного слоя на основе соединения AlGaAs и контактного слоя GaAs. В светоизлучающей структуре нижний эмиттерный слой формируют из чередующихся слоев AlGaAs и GaAs. Техническим результатом известного способа является изготовление структур, излучающих на длине волны 1,3 мкм.

Недостатками известного технического решения [5] являются высокая стоимость и трудоемкость за счет большого числа слоев квантовых точек InAs, что ведет к значительному расходу материала квантовых точек, сложности и трудоемкости изготовления активной области лазерного излучения. Кроме того, известный прототип [5] характеризуется высоким значением плотности порогового тока, что снижает эффективность его работы.

Заявленное изобретение свободно от указанных недостатков.

Техническим результатом заявленного изобретения является повышение эффективности работы, снижение стоимости за счет уменьшения расхода материала квантовых точек, уменьшение трудоемкости за счет создания более эффективного лазерного излучателя и использования одного слоя квантовых точек, соединенных с квантовой ямой наномостиком и миниатюризация устройства. Созданная система имеет пороговую плотность тока в несколько раз ниже, чем в прототипе.

Указанный технический результат достигается заявленным способом получения лазерного излучения на квантовых точках, включающим послойное выращивание на подложке GaAs молекулярно-пучковой эпитаксией буферного слоя GaAs, нижнего слоя сверхрешеток на основе соединений AlGaAs/GaAs волнового слоя GaAs, содержащего активную область на основе квантовых точек и квантовой ямы (устройство активной области, см.ниже), прикрывающего слоя, верхнего слоя сверхрешеток на основе AlGaAs/GaAs верхнего контактного слоя GaAs

Кроме того, указанный технический результат достигается тем, что активная область формируется последовательным осаждением при температуре подложки 485°C слоя InAs толщиной 0,6 нм при скорости его роста 0,03 нм/с, последующей выдержкой структуры в потоке мышьяка в течение 1 мин для увеличения равномерности по размерам КТ, промежуточного слоя GaAs толщиной 3-10 нм, слоя InGaAs квантовой ямы с химическим составом 12-15% по индию при отношении потока мышьяка к потоку индия 10.0-12.0

Технический результат в заявленном изобретении реализован изготовлением структуры, активная область которой при оптимизированных технологических параметрах состоит из квантовых точек и квантовой ямы, соединенных наномостиками, и созданием способа получения лазерного излучения с использованием одного слоя КТ InAs, отделенных от КЯ зарощенным промежутком GaAs и связанных с КЯ перемычками (наномостиками), и созданием светоизлучающего (лазерного) устройства на его основе.

Сущность заявленного способа получения лазерного излучения на КТ иллюстрируется Фиг. 1 - 5.

На Фиг. 1 представлена схема расположения слоев КТ, КЯ, СЗ и слоев GaAs в лазерной структуре.

На Фиг. 2 представлен график зависимости интенсивности излучения на длине волны 1.04 мкм от плотности тока.

На Фиг. 3 представлен спектр электролюминесценции до (кривая 1) и после возникновения лазерного излучения.

На Фиг. 4 представлено изображение активного участка лазерной структуры, полученное с помощью просвечивающего электронного микроскопа, где QW - квантовая яма, QT - квантовая точка (стрелками показан наномостик).

На Фиг. 5 показан общий вид лазерного излучателя в корпусе.

Для решения задачи в части способа получения проводится послойное напыление слоев различного состава методом молекулярно-пучковой эпитаксии (на Фиг. 1 показана схема расположения слоев). Светоизлучающая структура на основе инвертированной туннельно-инжекционной наноструктуры состоит из КТ в нижнем слое, КЯ в верхнем слое и барьерного слоя с наномостиками между ними.

Устройство для реализации способа получения лазерного излучения на квантовых точках состоит из последовательных слоев, и изготовление светоизлучающей структуры (Фиг.1) включает последовательное выращивание молекулярно-пучковой эпитаксией на легированной подложке GaAs: (1) легированного буферного слоя GaAs, (2) нижней ограничивающей сверхрешетки на основе нанослоев AlGaAs/GaAs, (3) области электронного ограничения, включающей активную область (5), заключенную между нижней (4) и верхней (6) обкладками нелегированного GaAs, (7) верхней ограничивающей сверхрешетки на основе нанослоев AlGaAs/GaAs, (8) покровного легированного слоя GaAs.

Активная область формируется последовательным осаждением: (5) слоя КТ InAs толщиной 0,6 нм при температуре 485°C и скорости роста 0,03 нм/с 1-минутной выдержкой в потоке мышьяка для выравнивания КТ по размерам; (9) барьерного слоя GaAs толщиной от 3,5 до 6,0 нм; (6) слоя КЯ InGaAs с химическим составом 15% по индию при отношении потока мышьяка к потоку индия 10,0-12,0.

В отличие от прототипа активная область содержит один слой КТ InAs, отделенный от КЯ слоем GaAs, содержащим наномостики. КТ в отличие от прототипа выдерживаются 1 минуту при температуре 485°C для выравнивания их по размеру. Лазерная генерация возникает в данной структуре при плотности тока 15 А/см², что значительно ниже, чем в прототипе (70 A/см²).

Устройство для получения лазерного излучения включает подложку GaAs, на которую методом эпитаксии напылен легированный буферный слой GaAs, включающий нижний слой ограничивающих сверхрешеток на основе AlGaAs/GaAs, волноводный слой GaAs с активной областью КТ InAs, верхний слой сверхрешеток на основе AlGaAs/GaAs, контактный слой GaAs.

Активная зона лазерного устройства содержит один слой КТ InAs. Они прогреты в течение 1 минуты при температуре 485°C для создания однородности размера. Слой КТ отделен от квантовой ямы слоем GaAs толщиной 3,5-6 нм. КТ связаны с КЯ наномостиками, расположенными у вершины КТ. Для получения лазерного излучения эпитаксиальные структуры были снабжены контактами Ge:Au и включены в цепь постоянного тока.

Заявленный способ был апробирован в Санкт-Петербургском государственном университете в режиме реального времени.

Результаты испытаний отражены на чертежах в виде соответствующих зависимостей.

Как видно из Фиг.2, на которой представлена зависимость интенсивности электролюминесценции из КТ от плотности тока, при значении плотности тока больше 10 А/см² резко меняется наклон кривой.

Из представленного на Фиг.3 вида спектра электролюминесценции эпитаксиальной структуры при плотности тока 10 А/см² (кривая 1) и 15 А/см² (кривая 2) отчетливо видно возникновение узкой линии при длине волны 1,0 мкм на кривой 2. При этом ширина полосы излучения КТ на половине высоты уменьшилась с 600 до 90. Оба эти факта - сверхлинейный рост интенсивности люминесценции КТ и спектральное обужение линии излучения - однозначно свидетельствуют о возникновении лазерного излучения. Эффект возникновения лазерного излучения был подтвержден на том же образце при оптической накачке импульсным лазером.

В ходе апробации заявленного изобретения было подтверждено существование наномостиков исследованиями на просвечивающем электронном микроскопе (Фиг 4.); на Фиг.5 показан общий вид лазерного излучателя.

Заявленное изобретение представляет собой одномодовый миниатюрный лазерный излучатель с длиной волны 1.04 мкм. Излучающая поверхность имеет диаметр 1 мм. Сам излучатель находится в стандартном корпусе, диаметр которого 8 мм.

Лазерный излучатель имеет всего один слой КТ, что отличает его от многослойных излучателей и способствует экономии материала InAs.

В отличие от прототипа заявленное изобретение имеет более высокую эффективность за счет получения пороговой плотности тока на менее чем в четыре раза ниже, чем в прототипе.

Техническо-экономическая эффективность изобретения состоит в повышении эффективности, снижении стоимости светоизлучающей структуры, уменьшении пороговой плотности тока, а также миниатюризации и уменьшении трудоемкости ее создания, что реализовано за счет использования одного слоя квантовых точек, соединенных с квантовой ямой наномостиком, и способа получения лазерного излучения с использованием одного слоя КТ InAs, отделенных от КЯ заращенным промежутком GaAs и связанных с КЯ перемычками, и позволяет использовать его в оптоэлектронике, в частности в лазерах, работающих в инфракрасном диапазоне длин волн при комнатной температуре

Источники информации

1. Н.Н. Леденцов и др. Физика и техника полупроводников (ФТП); 1998, N4, с.32.

2. D. Bimberg, М. Grudmann, N. Ledencov, Quantum Dot Heterostrutcheres 1999.

3. Патент США 56144 35 МПК: H01S 03/19. Опубликован 25.03 1997.

4. Патент США 59635571 МПК: H01S 03/19. Опубликован 05.10.1999.

5. Патент РФ №2205468 «Способ изготовления светоизлучающей структуры на квантовых точках и светоизлучающая структура»; МПК: H01L 21/20; H01S 05/343 (прототип).

Использование: для изготовления светоизлучающих структур на квантовых точках. Сущность изобретения заключается в послойном выращивании на подложке GaAs молекулярно-пучковой эпитаксией буферного слоя GaAs, нижнего слоя сверхрешеток на основе соединений AlGaAs/GaAs, волноводного слоя GaAs, содержащего активную область на основе квантовых точек InAs и квантовой ямы InAs, прикрывающего слоя GaAs, верхнего слоя сверхрешеток на основе AlGaAs/GaAs и верхнего контактного слоя GaAs, в активной области слой квантовых точек выращивают со скоростью, не превышающей 0,03 нм/с, в потоках мышьяка и индия с соотношением плотности потоков (10-12):1 и последующей выдержкой слоя квантовых точек в потоке чистого мышьяка в течение 1 мин для увеличения равномерности квантовых точек по высоте. Технический результат: обеспечение возможности повышения эффективности работы, создания более эффективного лазерного излучателя и использования одного слоя квантовых точек. 2 н.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ получения лазерного излучения на квантовых точках, заключающийся в послойном выращивании на подложке GaAs молекулярно-пучковой эпитаксией буферного слоя GaAs, нижнего слоя сверхрешеток на основе соединений AlGaAs/GaAs, волноводного слоя GaAs, содержащего активную область на основе квантовых точек InAs и квантовой ямы InAs, прикрывающего слоя GaAs, верхнего слоя сверхрешеток на основе AlGaAs/GaAs и верхнего контактного слоя GaAs, отличающийся тем, что в активной области слой квантовых точек выращивают со скоростью, не превышающей 0,03 нм/с, в потоках мышьяка и индия с соотношением плотности потоков (10-12):1 и последующей выдержкой слоя квантовых точек в потоке чистого мышьяка в течение 1 мин для увеличения равномерности квантовых точек по высоте.

2. Устройство для получения лазерного излучения на квантовых точках, включающее легированную подложку GaAs, на которой выращены молекулярно-пучковой эпитаксией слои в последовательности, при которой за легированным буферным слоем GaAs следует нижняя ограничивающая сверхрешетка AlGaAs/GaAs, волноводный слой нелегированного GaAs с активной областью, состоящей из слоя квантовых точек и квантовой ямы на основе системы InGaAs, верхняя сверхрешетка AlGaAs/GaAs и контактный слой легированного GaAs, отличающееся тем, что в активной области слой квантовой ямы выращен поверх слоя квантовых точек с зазором между ними в виде барьерной прослойки из GaAs толщиной, не превышающей 6 нм, и с наномостиками из InAs, сформированными между вершинами квантовых точек и дном квантовой ямы.