ИМПУЛЬСНЫЙ ИНЖЕКЦИОННЫЙ ЛАЗЕР Российский патент 2019 года по МПК H01S5/32 

Изобретение относится к квантовой электронной технике, а точнее - к полупроводниковым лазерам, и может быть использовано при создании мощных импульсных полупроводниковых лазеров для накачки нелинейных кристаллов, волоконных усилителей и твердотельных лазеров.

При выборе конструкции мощных полупроводниковых лазеров существенное внимание уделяется вопросам получения высоких значений выходной оптической мощности, высокой дифференциальной токовой эффективности и спектральной однородности во всех режимах токовой накачки. Такие лазеры могут быть получены только на основе гетероструктур с низкими внутренними оптическими потерями, поэтому минимизация внутренних оптических потерь является важнейшим условием для создания мощных полупроводниковых лазеров. Наиболее перспективными для этой цели оказались квантово-размерные гетероструктуры раздельного ограничения (ДГС РО).

Известен импульсный инжекционный лазер (см. заявка US 20130287057, МПК H01S 5/20, опубликована 31.10.2013), содержащий гетероструктуру раздельного ограничения, состоящую из первого ограничительного слоя n-типа проводимости, первого волноводного слоя n-типа проводимости, прилегающего к первому ограничительному слою, активного слоя, примыкающего к первому волноводному слою, второго волноводного слоя р-типа проводимости, прилегающего к активному слою, второго ограничительного слоя р-типа проводимости, прилегающего ко второму волноводному слою. При этом сумма толщин первого волноводного слоя, активного слоя и второго волноводного слоя больше 1 мкм, а толщина второго волноводного слоя меньше 150 нм. Кроме того, активный слой, первый ограничительный слой, второй ограничительный слой, первый волноводный слой и второй волноводный слой таковы, что максимум интенсивности фундаментальной моды находится в области вне активного слоя, а разница показателей преломления первого волноводного слоя и первого ограничительного слоя лежит в диапазоне между 0,04 и 0,01. Известный инжекционный лазер имеет асимметричный волновод. Основная часть лазерной моды распространяется по первому волноводному слою. Малый контраст показателя преломления между первым ограничительным слоем и первым волноводным слоем обеспечивает утекание мод высокого порядка из волновода и уменьшение их фактора оптического ограничения в активной области, за счет чего 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).

Основным недостатком известного инжекционного лазера являются высокие оптические потери в эмиттерных областях, что существенно ограничивает оптическую эффективность при больших токах накачки.

Известен импульсный инжекционный лазер (см. патент RU 2361343, МПК H01S 5/32, опубликован 10.07.2009) содержащий гетероструктуру раздельного ограничения, включающую многомодовый волновод, ограничительные слои которого одновременно являются эмиттерами р- и n-типа проводимости с одинаковыми показателями преломления, активную область, расположение которой в волноводе и толщина волновода удовлетворяют соотношению - факторы оптического ограничения для активной области нулевой моды и моды m (m=1, 2, 3…) соответственно, оптические грани, омические контакты и оптический резонатор. Активную область образует объемный слой полупроводникового материала -GaAs, ширина запрещенной зоны которого меньше ширины запрещенной зоны волновода -Al_0,3Ga_0,7As, а толщина достигает 1200 . Повышение импульсной оптической мощности импульсного инжекционного лазера достигается за счет увеличения толщины активной области.

Известный импульсный инжекционный лазер не может быть использован с активной областью на основе напряженных квантово-размерных эпитаксиальных слоев. В таких лазерах из-за несоответствия параметров решетки материалов волноводной и активной областей толщина активной области ограничена критической толщиной слоя, не превышающего 100 .

Известен импульсный инжекционный лазер (см. патент RU 2259620, МПК H01S 5/32, опубликован 27.08.2005), совпадающий с настоящим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Лазер-прототип содержит гетероструктуру раздельного ограничения, включающую многомодовый волновод, ограничительные слои которого одновременно являются эмиттерами р- и n-типа проводимости с одинаковыми показателями преломления, активную область, состоящую, по меньшей мере, из одного квантово-размерного активного слоя, расположение которой в волноводе и толщина волновода удовлетворяют соотношению

где - факторы оптического ограничения для активной области нулевой моды и моды m (m=1, 2, 3…) соответственно,

оптические грани, омические контакты и оптический резонатор. Активная область размещена в дополнительном слое, показатель преломления которого больше показателя преломления волновода, а толщина и расположение в волноводе определяются из условия выполнения упомянутого соотношения. Волноводная область со стороны эмиттера n-типа проводимости выполнена толщиной d_общ≤L_n, где L_n - длина диффузии электронов, мкм, а расстояние от активной области до эмиттера р-типа проводимости не превышают длину диффузии дырок в волноводе. Эмиттерные области являются эффективными инжекторами неравновесных носителей заряда в активную область и одновременно оптическими ограничителями лазерного излучения в волноводных областях. Основная функция слоев оптических ограничителей - удерживать лазерное излучение в волноводных областях. За счет увеличения толщины волновода, при сохранении разности между показателями преломления волновода и эмиттеров, и благодаря ассиметричному положению активной области в волноводе, при условии , при котором моды высших порядков подавлены, а пороговое условие выполняется только для нулевой моды, внутренние оптические потери достигают низких значений, что приводит к росту оптической мощности лазерного излучения.

В импульсных режимах генерации инжекционного лазера-прототипа, в отсутствии эффектов тепловой деградации, токовая зависимость генерируемой мощности сопровождается насыщением интенсивности на основной длине волны излучения и расширением спектра в коротковолновую область.

Задачей настоящего изобретения являлась разработка импульсного инжекционного лазера, который бы имел увеличенную максимальную пиковую мощность при одновременном снижении ширины спектра лазерного излучения.

Поставленная задача решается тем, что импульсный инжекционный лазер содержит гетероструктуру раздельного ограничения, включающую асимметричный многомодовый волновод, ограничительные слои которого одновременно являются эмиттерами р- и n- типа проводимости с одинаковыми показателями преломления, активную область, состоящую, по меньшей мере, из одного квантово-размерного активного слоя, оптические грани, омические контакты и оптический резонатор. Волноводная область со стороны эмиттера n-типа проводимости выполнена толщиной d_общ≤L_n, где L_n - диффузионная длина электронов, мкм, а расположение активной области в волноводе и толщина волновода удовлетворяют соотношению:

где - факторы оптического ограничения для активной области нулевой моды и моды т (m=1, 2, 3…) соответственно. Волноводная область со стороны эмиттера n-типа проводимости состоит из двух слоев полупроводникового материала, имеющих одинаковый показатель преломления, при этом, первый слой, примыкающий к активной области, имеет уровень легирования N₁, см^-3, и толщину d₁, мкм, удовлетворяющие соотношениям:

где ε_s - диэлектрическая проницаемость полупроводникового материала волноводной области, Ф⋅см^-1;

Δф - понижение барьера изотипного гетероперехода с учетом электрического поля объемного заряда положительно заряженных доноров на интерфейсной границе, В;

q - заряд электрона, Кл;

V_bi - величина потенциального барьера изотипного гетероперехода, В;

d_общ - общая толщина волноводной области со стороны эмиттера n-типа проводимости, мкм;

а второй слой, примыкающий к эмиттеру, имеет уровень легирования не более фонового уровня легирования и толщину d₂ = (d_общ-d₁).

В настоящем техническом решении увеличение максимальной пиковой мощности при одновременном снижении ширины спектра лазерного излучения в импульсном режиме генерации стало возможным благодаря понижению потенциального барьера на интерфейсной границе волновод-активная область за счет электрического поля объемного заряда положительно заряженных доноров.

Зависимость высоты энергетического барьера от электрического поля известна и описывается эффектом Шоттки (см. С.Зи. - Физика полупроводниковых приборов. - Т. 1, Москва, "Мир", с. 262-266, 1984).

Понижение барьера на величину Δф и расстояние x_m, на котором величина потенциала достигает максимума, определяются соотношениями:

где Е - величина электрического поля, В/см;

Величина электрического поля объемного заряда положительно заряженных доноров может быть вычислена, для случая резкого изменения концентрации примесей на интерфейсной границе, как:

где V_bi-величина потенциального барьера изотипного гетероперехода, В;

W - толщина слоя объемного заряда, см.

С использованием зависимостей (4), (6) и (7) была определена нижняя граница концентрации доноров При определении верхней границы концентрации доноров учитывали технологические возможности максимального уровня легирования квантово-размерных слоев -5⋅10¹⁸ см^-3. Вне определенного выше интервала концентраций доноров понижение потенциального барьера является незначительным, что приводит к отсутствию положительного эффекта.

С использованием зависимостей (4) и (5) была определена нижняя граница толщины d₁ первого слоя, примыкающего к активной области:

Максимальная толщина d₁ слоя ограничена величиной 0,03⋅d_общ, при которой удается сохранить внутренние оптические потери на уровне 1 см^-1. Дальнейшее увеличение толщины d₁ нецелесообразно, так как это ведет к резкому росту внутренних оптических потерь и, соответственно, к падению мощности выходящего излучения.

Настоящее изобретение поясняется чертежом, где:

на фиг. 1 схематически показан в разрезе настоящий импульсный инжекционный лазер;

на фиг. 2 приведена энергетическая диаграмма зоны проводимости (E_c^em - ширина запрещенной зоны эмиттера n-типа проводимости, эВ; E_C^OCL - ширина запрещенной зоны волноводной области, эВ; E_C^QW - ширина запрещенной зоны активной области, эВ);

на фиг. 3 показан профиль легирования интерфейсной границы волноводной области со стороны широкозонного эмиттера n-типа проводимости и активной области импульсного полупроводникового лазера (N - величина легирования, см^-3; d^QW - толщина активной области, мкм.).

Импульсный инжекционный лазер (см. фиг. 1) в общем случае включает в себя следующие элементы: подложку 1 n-типа электропроводности, с одной стороны расположен омический контакт 2, а с другой стороны подложки сформирована гетероструктура, включающая: легированный примесью n-типа слой 3 оптического ограничения (широкозонный эмиттер n-типа проводимости), преднамеренно не легированный слой 4 толщиной d₂ волноводной области, примыкающий к слою 3 эмиттера n-типа проводимости, слой 5 толщиной d₁ легирован до уровня N1, квантово-размерный преднамеренно не легированный слой активной области 6, преднамеренно не легированный слой 7 волноводной области, примыкающей к эмиттеру 8 p-типа проводимости (слой оптического ограничения), легированный примесью p-типа, контактный слой 9, легированный примесью p-типа, омический контакт 10. На сколотую грань 11 нанесены просветляющие (коэффициент отражения R=5%) диэлектрические покрытия 12, на сколотую грань 13 нанесены отражающие (R=95%) диэлектрические покрытия 14. Грани 11 и 13 образуют резонатор Фабри-Перо.

Импульсный инжекционный лазер работает следующим образом. Через омические контакты 2 и 10 пропускают импульсный электрический ток, причем режим работы инжекционного лазера (лазерного диода) соответствует прямому смещению р-n перехода. Для подавления перегрева активной области длительность импульса менее 100 нс, а частота менее 10 кГц. При превышении порогового значения тока, пропускаемого через инжекционный лазер, через просветляющее покрытие 12, нанесенное на грань 11, выходит лазерное излучение. Мощность выходящего излучения, помимо параметров структуры, зависит от величины пропускаемого через лазерную гетероструктуру тока.

Пример 1. В качестве базовых (исходя из выбранной длины волны излучения λ=1002 нм) были выбраны следующие составы слоев гетероструктуры активная область была выполнена из слоя In_0,35Ga_0,65As толщиной 100 с шириной запрещенной зоны 1,21 эВ (показатель преломления n=3,64), волноводные слои - из твердого раствора Al₀,₃Ga_0,7As (n=3,419), эмиттерные слои - из твердого раствора Al_0,5Ga_0,5As (n=3,34). Была выбрана предварительная толщина волноводной области 1,7 мкм (на основании требований к волноводу - он должен быть многомодовый на основании решения волнового уравнения). Для Al₀,₃Ga_0,7As волновода с концентрацией электронов n=10¹⁵ см^-3 длина диффузии электронов - L_n=9 мкм и дырок - L_p=2 мкм. Для выбранных значений параметров лазерной гетероструктуры для разных положений активной области в волноводе решалось волновое уравнение. Из найденных решений были получены распределения полей для всех мод. На основании полученных распределений были определены значения факторов оптического ограничения активной области для всех мод в каждом из возможных положений дополнительного слоя. Из полученных зависимостей было определено, что в случае, когда активная область (ее центр) расположена на расстоянии 1,3 мкм от широкозонного эмиттера n-типа и, соответственно, на расстоянии 0,4 мкм от широкозонного эмиттера р-типа электропроводности, неравенство выполняется, и эти расстояния меньше длины диффузии дырок и электронов. Таким образом, имеем следующую конструкцию лазерной гетероструктуры: подложка из GaAs, легированная примесью n-типа, с одной стороны которой расположен легированный кремнием до степени N=10¹⁸ см^-3 n-типа слой оптического ограничения, выполненный из твердого раствора Al_0,5Ga_0,5As толщиной 2 мкм. Далее расположены слои волноводной области, выполненной из Al_0,3Ga_0,7As толщиной d₂=1,3 мкм и d₁=70 с концентрацией легирования N=10¹⁵ см^-3 и N₁=4⋅10¹⁸ см^-3, соответственно, далее располжена активная область, выполненная из In_0,3Ga_0,7As толщиной 100 с концентрацией легирования N=10¹⁵ см^-3, далее расположен слой волноводной области, выполненной из Al_0,3Ga_0,7As толщиной 0,4 мкм с концентрацией легирования N=10¹⁵ см^-3, далее расположены: легированный магнием до степени Р=10¹⁸ см^-3 р-слой оптического ограничения, выполненный из твердого раствора Al_0,3Ga_0,5As толщиной 2 мкм, контактный слой, выполненный из GaAs толщиной 0,2 мкм, легированный магнием до степени Р=10¹⁸ см^-3, и омический контакт. На одну из сколотых граней нанесены просветляющие (слои SiO₂, R=5%) диэлектрические покрытия, на противоположную сколотую грань нанесены отражающие (три пары слоев из SiO₂+Si, R=95%) диэлектрические покрытия. Ширина омических контактов составляет 100 мкм. Длина резонатора Фабри-Перо (расстояние между оптическими гранями) составляет 3 мм. Для такого лазерного диода в импульсном режиме генерации при плотности тока J=50 кА/см² (длительность импульса 100нс, а частота 10кГц) мощность излучения достигает 119 Вт, ширина спектра излучения составляет 10 нм, что свидетельствует о двукратном увеличении абсолютного значения мощности и более чем шестикратном увеличении мощности на основной длине волны излучения по сравнению с лазерами, выполненными на основе конструкции, взятой за прототип.

Пример 2. В качестве базовых (исходя из выбранной длины волны излучения λ=1500 нм) были выбраны следующие составы слоев гетероструктуры: активная область была выполнена из слоя Al_0,2Ga_0,7In_0,1As толщиной 100 с шириной запрещенной зоны 0,830 эВ (n=3,96), волноводные слои - из твердого раствора Al₀,₂Ga_0,35In_0,45As (n=3,72), эмиттерные слои - из твердого раствора InP (n=3,22). Была выбрана предварительная толщина волноводной области 1,7 мкм (на основании требований к волноводу - он должен быть многомодовым на основании решения волнового уравнения). Для выбранных значений параметров лазерной гетероструктуры для разных положений активной области в волноводе решалось волновое уравнение. Из найденных решений были получены распределения полей для всех мод. Из полученных зависимостей было определено, что в случае, когда активная область (ее центр) расположена на расстоянии 1,3 мкм от широкозонного эмиттера n-типа и, соответственно, на расстоянии 0,4 мкм от широкозонного эмиттера р-типа электропроводности, неравенство выполняется, и эти расстояния меньше длины диффузии дырок и электронов. Таким образом, имеем следующую конструкцию лазерной гетероструктуры: подложка из InP, легированная примесью n-типа, на которой последовательно расположены легированный кремнием до степени N=10¹⁸ см^-3 n-типа слой InP оптического ограничения толщиной 2 мкм, далее расположены слои волноводной области, выполненной из раствора Al₀,₂Ga_0,35In_0,45As, толщиной d₂ = 1.3 мкм и d₁ = 100 с концентрацией легирования N=10¹⁵см^-3 и N₁=3⋅10¹⁸ см^-3, соответственно, далее расположена активная область, выполненная из Al_0,2Ga_0,7In_0,1As толщиной 100 с концентрацией N=10¹⁵ см^-3, затем слой волноводной области, примыкающей к эмиттеру р-типа проводимости, выполненной из Al₀,₂Ga_0,35In_0,45As толщиной 0,4 мкм с концентрацией легирования N=10¹⁵ см^-3, далее расположены: легированный цинком до степени Р=10¹⁸ см^-3 р-слой оптического ограничения, выполненный из InP толщиной 2 мкм, контактный слой, выполненный из InGaAs толщиной 0,3 мкм, легированный магнием до степени Р=10¹⁸ см^-3, и омический контакт. На одну из сколотых граней нанесены просветляющие (слои SiO₂, R=5%) диэлектрические покрытия, на противоположную сколотую грань нанесены отражающие (три пары слоев из SiO₂+Si, R=95%) диэлектрические покрытия. Ширина омических контактов составляла 100 мкм. Длина резонатора Фабри-Перо (расстояние между оптическими гранями) составляло 3 мм. Для такого лазерного диода в импульсном режиме генерации при плотности тока J=10 кА/см² (длительность импульса 100 нc, а частота 10 кГц) мощность излучения достигала 20 Вт, ширина спектра излучения составляла 28 нм, что свидетельствует о трехкратном увеличении абсолютного значения мощности и более чем десятикратном увеличении мощности на основной длине волны излучения по сравнению с лазерами, выполненными на основе конструкции, взятой за прототип.

Импульсный инжекционный лазер содержит гетероструктуру раздельного ограничения, включающую асимметричный многомодовый волновод, ограничительные слои (3), (8) которого одновременно являются эмиттерами n- и р-типа проводимости с одинаковыми показателями преломления, активную область (6), состоящую, по меньшей мере, из одного квантово-размерного активного слоя, оптические грани (11), (13), омические контакты (2), (10) и оптический резонатор, образованный оптическими гранями (11), (13). Волноводная область со стороны эмиттера (3) n-типа проводимости состоит из двух слоев (4), (5) полупроводникового материала, имеющих одинаковый показатель преломления. Первый слой (5), примыкающий к активной области (6), имеет уровень легирования N₁ см^-3, и толщину d₁, мкм, удовлетворяющие определенным соотношениям. Второй слой (4), примыкающий к эмиттеру (3) n-типа проводимости, имеет уровень легирования не более фонового уровня легирования и толщину d₂ = (d_общ-d₁). Технический результат заключается в обеспечении возможности увеличения максимальной пиковой мощности при одновременном снижении ширины спектра излучения. 3 ил.

Импульсный инжекционный лазер, содержащий гетероструктуру раздельного ограничения, включающую асимметричный многомодовый волновод, ограничительные слои которого одновременно являются эмиттерами p- и n-типа проводимости с одинаковыми показателями преломления, активную область, состоящую, по меньшей мере, из одного квантово-размерного активного слоя, оптические грани, омические контакты и оптический резонатор, при этом волноводная область со стороны эмиттера n-типа проводимости выполнена толщиной d_общ≤L_n, где L_n - диффузионная длина электронов, мкм, а расположение активной области в волноводе и толщина волновода удовлетворяют соотношению:

где - факторы оптического ограничения для активной области нулевой моды и моды m (m =1, 2, 3 …) соответственно,

отличающийся тем, что волноводная область со стороны эмиттера n-типа проводимости состоит из двух слоев полупроводникового материала, имеющих одинаковый показатель преломления, при этом первый слой, примыкающий к активной области, имеет уровень легирования N_l, см^-3, и толщину d_l, мкм, удовлетворяющие соотношениям:

(2ε_s⋅V_bi/q⋅N1)^1/2≤d_l≤0,03 d_общ;

где ε_s - диэлектрическая проницаемость полупроводникового материала волноводной области, Ф⋅см^-1;

Δφ - понижение барьера изотипного гетероперехода с учетом электрического поля объемного заряда положительно заряженных доноров на интерфейсной границе, В;

q - заряд электрона, Кл;

V_bi - величина потенциального барьера изотипного гетероперехода, В;

а второй слой, примыкающий к эмиттеру, имеет уровень легирования не более фонового уровня легирования и толщину d₂=(d_oбщ-d₁).