ВЕРТИКАЛЬНО-ИЗЛУЧАЮЩИЙ ЛАЗЕР С ВНУТРИРЕЗОНАТОРНЫМИ КОНТАКТАМИ И ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ЗЕРКАЛОМ Российский патент 2019 года по МПК H01S5/183 B82Y20/00 

Изобретение относится к электронной технике, а более конкретно, к полупроводниковым лазерам с лучеиспускающей поверхностью (se-лазеры) и преимущественно к лазерам с вертикальным резонатором (vcse-лазеры), и может быть использовано для создания полупроводниковых вертикально-излучающих лазеров, работающих в ближнем ИК-диапазоне.

Полупроводниковые вертикально-излучающие лазеры ближнего ИК-диапазона (780-1100 нм) широко используют для сверхскоростного меж- и внутрисистемного обмена данными в локальных сетях и информационно-вычислительных системах, для создания датчиков различного типа (таких, как датчики перемещения, атомные часы, магнитометрические датчики, дальномеры), а также датчиков для области спектрометрии (газовые сенсоры). Конструктивно вертикально-излучающий лазер представляет собой полупроводниковый вертикальный оптический микрорезонатор с квантово-размерной активной областью, помещенный между двумя высокодобротными распределенными брэгговскими отражателями (РБО). Инжекцию носителей в активную область осуществляют либо через полупроводниковые РБО, либо через полупроводниковые внутрирезонаторные контакты. В настоящее время для синтеза эпитаксиальной структуры вертикально-излучающих лазеров широко применяют молекулярно-пучковую эпитаксию и газофазную эпитаксию из металлоорганических соединений, а для изготовления приборов применяют планарную технологию производства полупроводниковых приборов. Выращивание токопроводящих РБО методом молекулярно-пучковой эпитаксии, обладающих одновременно низкими внутренними потерями и малым электрическим сопротивлением, сопряжено с рядом технологических трудностей, обуславливающих необходимость применения сложных профилей легирования и изменения состава на гетерограницах. Частичное решение задачи связано с применением геометрии лазера с внутрирезонаторными контактами, однако проблема снижения последовательного сопротивления лазеров при обеспечении низкого порогового тока и высокой дифференциальной эффективности до сих пор актуальна. В первую очередь, это обусловлено сложностью получения омического контакта к слоям р-типа при сохранении низких внутренних оптических потерь в легированных слоях p-типа. Во-вторых, в конструкции лазера с внутрирезонаторными контактами достаточно сложно обеспечить однородную инжекцию носителей в активную область, что негативно сказывается на пороговом токе, динамических характеристиках и сроке службы лазера.

Известен вертикально-излучающий лазер с внутрирезонаторными контактами (см. патент US 7801198, МПК H01S 5/00, опубликован 21.09.2010), содержащий полуизолирующую подложку, нижний полупроводниковый РБО на основе слоев AlAs/GaAs, внутрирезонаторный контактный слой n-типа, электрический контакт n-типа, оптический резонатор, содержащий активную область на основе квантовых ям InGaAsN и оксидную апертуру, внутрирезонаторный контактный слой p-типа, электрический контакт p-типа и верхний диэлектрический РБО на основе слоев SiO₂/SiN или SiO₂/Si.

Недостатком известного вертикально-излучающего лазера с внутрирезонаторными контактами является отсутствие эффективного растекания тока в пределах площади токовой апертуры, приводящее к росту плотности тока на краях токовой апертуры, что, в свою очередь, обуславливает рост порогового тока и тенденцию к многомодовой генерации через моды высшего порядка. Кроме того, применение квантовых ям InGaAsN в качестве активной области, использование бинарного раствора GaAs (поглощение света при длинах волне менее 900 нм) и диэлектрических слоев Si в РБО (поглощение света при длинах волн менее 1100 нм) в конструкции лазера не позволяет реализовать лазерную генерацию в диапазоне длин волн 780-1000 нм. Более того, относительно небольшой контраст показателей преломления диэлектриков, с учетом реальной шероховатости поверхности диэлектрика, требует большего количества пар в верхнем РБО.

Известен вертикально-излучающий лазер с внутрирезонаторными контактами (см. патент US 5245622, МПК H01S 3/19, опубликован 14.09.1993), содержащий подложку (например, GaAs), нижний полупроводниковый РБО, внутрирезонаторный контактный слой n-типа, электрический контакт n-типа, оптический резонатор, содержащий активную область на основе квантовых ям, внутрирезонаторный контактный слой p-типа, содержащий ионно-имплантированную токовую апертуру, электрический контакт p-типа и верхний РБО. Внутрирезонаторные контактные слои содержат последовательность из чередующихся слоев с низким (до 10¹⁸ см^-3) уровнем легирования и толщиной не менее λ/4n, и высоким (до 10²⁰ см^-3) уровнем легирования и толщиной не более λ/4n, где n - показатель преломления соответствующего слоя, λ - резонансная длина вертикального оптического резонатора). Более того, чередующиеся слои внутрирезонаторного контактного слоя p-типа могут иметь разную ширину запрещенной зоны. Верхний РБО может быть реализован как на основе полупроводниковых слоев, например, твердого раствора AlGaAs, так и на основе диэлектрических слоев, например, SiO₂ и TiO₂.

Недостатком известного вертикально-излучающего лазера с внутрирезонаторными контактами является неоптимальная схема легирования внутрирезонаторных контактных слоев, а именно использование относительно толстых слоев с высоким уровнем легирования вблизи резонатора, что обуславливает рост порогового тока и падение дифференциальной эффективности лазера вследствие высокого уровня поглощения на свободных носителях. Более того, предложенные конструкции внутрирезонаторных контактных слоев не обеспечивают эффективное растекание носителей заряда обоих типов по площади токовой апертуры, а также снижения высоты потенциальных барьеров и, как следствие, снижения сопротивления и рабочего напряжения лазеров. Кроме того, легирование акцепторами твердых растворов AlGaAs до уровня 10²⁰ см^-3 в ряде случаев (например, примесью углерода) сопряжено с деформацией корругацией поверхности, тогда как легирование донорами на такой уровень технически сложно (для части примесей, например, для кремния, невозможно). Другим недостатком известного лазера является применение метода ионной имплантации для формирования токовой апертуры, что сопряжено с ростом безызлучательной рекомбинации на радиационных дефектах вблизи апертуры и невозможностью создания эффективных лазеров с размером апертуры менее 10 мкм. Кроме того, ионно-имплантированная токовая апертура обеспечивает лишь электронное ограничение, а модовый состав излучения таких лазеров нестабилен и зависит от тепловых эффектов, эффектов спектрального и пространственного выжигание дыр.

Известен вертикально-излучающий лазер с внутрирезонаторными контактами (см. патент ЕР 0926786, МПК H01S 5/183, опубликован 08.06.2005), содержащий подложку (например, GaAs), нижний полупроводниковый РБО, внутрирезонаторный контактный слой n-типа, электрический контакт n-типа, оптический резонатор, содержащий активную область на основе квантовых ям (например, InGaAs), внутрирезонаторный контактный слой p-типа, содержащий ионно-имплантированную токовую апертуру, электрический контакт p-типа, оптическую апертуру и верхний диэлектрический РБО на основе слоев MgF₂-CaF₂ и ZnS. Для улучшения контактного сопротивления к слою p-типа внутрирезонаторный контактный слой p-типа содержит от одного до трех тонких (около 10-30 нм) сильнолегированных слоев p-типа (до 10²⁰ см^-3), которые располагают в минимумах электромагнитного поля оптической моды резонатора. Внешний диаметр оптической апертуры должен быть больше внутреннего диаметра токовой апертуры.

Недостатком известного вертикально-излучающего лазера с внутрирезонаторными контактами является раздельное применение ионно-имплантированной токовой апертуры для электронного ограничения и оптической апертуры в виде локального латерального волновода для оптического ограничения, что не позволяет реализовать одномодовые эффективные лазеры, так как размеры токовой апертуры меньше размера оптической апертуры. Более того, применение ионной имплантации для формирования токовой апертуры сопряжено с ростом внутренних оптических потерь на радиационных дефектах, а использование высокотемпературного отжига (~500°С) для удаления мелких ловушек сопряжено с нежелательным эффектом диффузии In в квантовой яме. Другим важным недостатком является предложенная схема инжекции носителей заряда в активную область, ведущая к эффекту концентрирования тока вблизи внешних краев токовой апертуры, что, в свою очередь, негативно сказывается на пороговом токе и модовом составе лазера. Кроме того, применение сильнолегированных слоев p-типа вблизи оптического резонатора обуславливает дополнительные внутренние оптические потери и рост порового тока лазера. Более того, многослойные РБО на основе MgF₂-CaF₂/ZnS подвержены механическому разрушению из-за высоких растягивающих напряжений в диэлектрических слоях MgF₂, а также оптически неоднородны из-за пол и кристалличности MgF₂.

Известен вертикально-излучающий лазер с внутрирезонаторными контактами (см. заявка WO 2003084005, МПК H01S 3/08, опубликована 09.10.2003), содержащий подложку (например, GaAs), нижний полупроводниковый нелегированный РБО (например, на основе GaAs и AlAs), внутрирезонаторный контактный слой n-типа, электрический контакт n-типа, оптический резонатор, содержащий активную область на основе квантовых ям и оксидную апертуру, внутрирезонаторный контактный слой p-типа, фазокорректирующий диэлектрический слой и верхний диэлектрический РБО. Внутрирезонаторные контактные слои выполнены из бинарного соединения GaAs и в среднем легированы акцепторами на уровень 5⋅10¹⁶ см^-3-1⋅10¹⁸ см^-3 и донорами на уровень 5⋅10¹⁷ см^-3-3⋅10¹⁸ см^-3, при этом с периодичностью λ/2n содержит сильнолегированные вставки толщиной до 30 нм, где уровень легирования увеличивается до 2⋅10¹⁹-2⋅10²⁰ см^-3 для слоев p-типа и до 5⋅10¹⁸-1⋅10¹⁹ см^-3 для слоев n-типа. Электрический контакт p-типа формируют непосредственно на сильнолегированной вставке p-типа, а фазокорректирующий диэлектрический слой согласует набег фазы полупроводниковой части лазера с диэлектрической. Диэлектрическое РБО может быть сформировано из SiO₂/SiN, MgO/MgF₂, SiO₂/TiO₂.

Недостатком известного вертикально-излучающего лазера с внутрирезонаторными контактами является неоднородная инжекция носителей тока в активную область по площади апертуры вследствие конструктивного недочета в конструкциях внутрирезонаторных слоев. Кроме того, применение относительно толстых сильнолегированных вставок вблизи резонатора ведет к росту уровня внутренних оптических потерь из-за поглощения на свободных носителях, несмотря на их расположение в минимумах электромагнитного поля оптической моды резонатора. Еще одним недостатком известного лазера является предлагаемые системы материалов для формирования диэлектрического РБО, поскольку для пленок MgF₂ характерны высокие растягивающие напряжения и неоднородность по толщине, для пленок MgO - низкая стабильность и деградация поверхности во внешней среде, для пленок TiO₂ - поликристалличность, а для пленок SiN - относительно низкий показатель преломления. Кроме того, известная конструкция не позволяет реализовать лазер с длиной волны излучения менее 900 нм вследствие применения бинарных слоев GaAs (оптически-непрозрачен в данном спектральном диапазоне).

Наиболее близким к настоящему техническому решению по совокупности существенных признаков является вертикально-излучающий лазер с внутрирезонаторными контактами и диэлектрическим зеркалом (см. патент US 6906353, МПК H01L 33/00, H01S 3/08, опубликован 14.06.2005), принятый за прототип. Лазер-прототип содержит полуизолирующую подложку GaAs, нижний нелегированный полупроводниковый РБО, внутрирезонаторный контактный слой из AlGaAs n-типа, электрический контакт n-типа, оптический резонатор из AlGaAs, содержащий активную область на основе квантовых ям InGaAlAs и ионно-имплантированную токовую апертуру, композиционную решетку p-типа, внутрирезонаторный контактный слой из AlGaAs p-типа, электрический контакт p-типа и верхний диэлектрический РБО. Нелегированный полупроводниковый РБО сформирован из слоев AlGaAs с разным составом по Al. Композиционная решетка p-типа содержит несколько пар чередующихся слоев AlGaAs p-типа с низким и высоким составом по Al для уменьшения глубины и контроля профиля имплантации ионов при формировании токовой апертуры. Диэлектрическое зеркало в виде РБО может быть сформировано из слоев SiO₂/TiO₂ или MgF₂/ZnSe.

Недостатком известного вертикально-излучающего лазера-прототипа является неоптимальная схема инжекции электронов в активную область, которая не обеспечивает эффективное растекание электронов по площади апертуры, что ведет к неоднородной прокачке активной области и, совместно с эффектом выжигания дыр, способствует появлению нестабильности модового состава лазера и связанных с ним негативных эффектов. Кроме того, конструкция внутрирезонаторных контактных слоев не способствует снижению уровня поглощения на свободных носителях и одновременному достижению низких пороговых токов при высокой дифференциальной эффективности. Более того, применение ионно-имплантированной токовой апертуры сопряжено усугубляет ситуацию за счет появления большого количества радиационных дефектов, что, с учетом отсутствия сильного оптического ограничения, ведет к нежелательной генерации через моды высшего порядка и стремительному росту порогового тока при уменьшении размера токовой апертуры (менее 10 мкм). В результате, реализация низкопорогового и высокоэффективного вертикально-излучающего лазера с малым потреблением электрической мощности невозможна. Другим важным недостатком лазера-прототипа является предложения конструкция диэлектрического РБО, поскольку для слоев MgF₂ и TiO₂ характерны высокие растягивающие напряжения и поликристалличность, что обуславливает плохую механическая стабильность и низкую оптическую однородность зеркал. Кроме того, показатель преломления слоев TiO₂ сильно зависит от технологических режимов осаждения.

Задачей настоящего решения является создание вертикально-излучающего лазера с внутрирезонаторными контактами и диэлектрическим зеркалом ближнего ИК-диапазона (длина волны генерации в диапазоне 780-1100 нм) который бы одновременно обеспечивал низкий пороговый ток, высокую дифференциальную эффективность и малое электрическое сопротивление приборов при малых латеральных размерах токовой апертуры (менее 10 мкм).

Поставленная задача достигается тем, что вертикально-излучающий лазер с внутрирезонаторными контактами и диэлектрическим зеркалом содержит полуизолирующую подложку GaAs, нижний нелегированный РБО, внутрирезонаторный контактный слой n-типа, композиционную решетку n-типа, оптический резонатор, содержащий активную область на основе по меньшей мере трех слоев In(Al)GaAs квантовых ям, композиционную решетку p-типа, содержащую по меньшей мере одну оксидную токовую апертуру, внутрирезонаторный контактный слой p-типа, сильнолегированный фазокорректирующий контактный слой p-типа и верхний диэлектрический РБО на основе SiO₂/Ta₂O₅.

Новым в вертикально-излучающем лазере с внутрирезонаторными контактами и диэлектрическим зеркалом является применение легированных композиционных решеток, наличие сильнолегированного фазокорректирующего контактного слоя p-типа непосредственно над периферийной частью токовой апертуры и применение системы материалов SiO₂/Ta₂O₅ в диэлектрическом РБО.

Использование схемы инжекции носителей заряда в активную область через внутрирезонаторные контакты и композиционные решетки позволяет обеспечить эффективное растекание как дырок, так и электронов по площади токовой апертуры за счет применения тонких вставок с повышенным легированием в контактных слоях и наличия дополнительных потенциальных барьеров для вертикального транспорта носителей на гетерограницах композиционных решеток, а также снизить уровень поглощения на свободных носителях в легированных слоях (особенно в слоях p-типа) за счет уменьшение доли электромагнитного поля оптической моды резонатора в контактных слоях. Использование сильнолегированного фазокорректирующего контактного слоя p-типа только над периферийной частью токовой апертуры способствует не только снижению электрического сопротивления лазера за счет формирования омических контактов с низким контактным сопротивлением, но сохранить низкий уровень внутренних оптических потерь за счет отсутствия этого слоя в светоизлучающей части вертикального резонатора. Применение диэлектрических слоев SiO₂ и Ta₂O₅ позволяет сформировать верхнее РБО с высокой отражательной способностью при меньшем количестве пар, снизить оптические потери на шероховатостях интерфейсов и оптических неоднородностях слоев, повысить температурную и механическую стабильность зеркала, а также использовать взрывную технологию локального формирования диэлектрического зеркала.

В вертикально-излучающем лазере с внутрирезонаторными контактами и диэлектрическим зеркалом нижний нелегированный РБО может содержать не менее 30 пар чередующихся полупроводниковых слоев с разными показателями преломления. В качестве полупроводниковых слоев с разными показателями преломления могут быть использованы, например, слои твердого раствора Al_xGa_1-xAs и Al_yGa_1-yAs, где 0,85≤x≤0,95 и у не более 0,3, при этом каждый слой может иметь толщину λ/4n, где n - показатель преломления соответствующего слоя, λ - резонансная длина вертикального оптического резонатора. Такое выполнение позволяет избежать поглощения на свободных носителях в легированных слоях, а также обеспечить высокую отражательную способность и теплопроводность нижнего РБО (т.к. наличие градиентов по составу ведет к падению вертикальной компоненты коэффициента теплопроводности и снижению коэффициента отражения зеркала).

В вертикально-излучающем лазере с внутрирезонаторными контактами и диэлектрическим зеркалом внутрирезонаторный контактный слой n-типа может быть выполнен из твердого раствора Al_yGa_1-yAs, где у не более 0,3, и иметь толщину (2k-1)λ/4n, где 3≤k≤6 - натуральное число. Внутрирезонаторный контактный слой n-типа может быть в среднем легирован донорами на уровень (8⋅10¹⁷-2⋅10¹⁸) см^-3, но с периодичностью кратной λ/2n в середине каждого периода уровень легирования увеличивается в (2-3) раза на протяжении 10-20 нм. Такое выполнение способствует получению омического контакта n-типа с низкими удельным и погонным контактными сопротивлениями при относительно малом уровне внутренних оптических потерь, обусловленных поглощением света на свободных носителях в легированных слоях.

На внутри резонаторном контактном слое n-типа может быть сформирован электрический контакт n-типа.

В вертикально-излучающем лазере с внутрирезонаторными контактами и диэлектрическим зеркалом композиционная решетка n-типа может содержать 2-5 пар чередующихся легированных полупроводниковых слоев твердого раствора Al_xGa_1-xAs и Al_yGa_1-yAs, где 0,85≤x≤0,95 и у не более 0,3. В композиционной решетке n-типа на гетерограницах может быть использовано градиентное изменение состава по линейному или би-параболическому закону. В композиционной решетке n-типа каждая пара чередующихся слоев может иметь общую толщину, равную λ/2n^*, где n^* - усредненное значение показателя преломления для слоев композиционной решетки n-типа. Композиционная решетка n-типа может быть в среднем легирована донорами на уровень (1-2)⋅10¹⁸ см^-3, но на гетерограницах, где с возрастает мольная доля Al (в направлении от подложки), и которые находятся в минимумах электромагнитного поля оптической моды резонатора, легирование увеличено в (2-3) раза. Такое выполнение позволяет улучшить латеральное растекание электронов по площади токовой апертуры и снизить последовательное сопротивление при сохранении низких внутренних оптических потерь.

В вертикально-излучающем лазере с внутрирезонаторными контактами и диэлектрическим зеркалом оптический резонатор может быть выполнен из Al_yGa_1-yAs, где у не более 0,4, и иметь толщину kλ/n^**, где 3≤k≤6 - натуральное число, n^** - усредненное значение показателя преломления для слоев оптического резонатора. В центре оптического резонатора располагается активная область.

Активная область может содержать по меньшей мере три слоя квантовых ям из Al_xGa_1-xAs, где x не более 0,15, толщиной 7-10 нм, которые могут быть разделены друг от друга слоями из Al_yGa_1-yAs, где 0,25≤y≤0,4, толщиной 7-12 нм. Активная область может содержать по меньшей мере три слоя квантовых ям из In_xGa_1-xAs, где 0,05≤x≤0,20, толщиной 3-15 нм, которые могут быть разделены друг от друга слоями из Al_yGa_1-yAs, где у не более 0,4, толщиной 5-12 нм. Такое выполнение оптического резонатора позволяет активной области перекрыть спектральный диапазон от 780 нм до 1100 нм, а также повысить фактор оптического ограничения (долю электромагнитным полем оптической моды резонатора, приходящаяся на активную область) и подавить термический выброс носителей из квантовых ям.

В вертикально-излучающем лазере с внутрирезонаторными контактами и диэлектрическим зеркалом композиционная решетка p-типа может содержать 3-8 пар чередующихся легированных полупроводниковых слоев твердого раствора Al_xGa_1-xAs и Al_yGa_1-yAs, где 0,85≤x≤0,95 и у не более 0,3. В композиционной решетке p-типа на гетерограницах может быть использовано градиентное изменение состава по линейному или би-параболическому закону. В композиционной решетке p-типа каждая пара чередующихся слоев может иметь общую толщину, равную λ/2n^***, где n^*** - усредненное значение показателя преломления для слоев композиционной решетки p-типа. Композиционная решетка p-типа может быть в среднем легирована акцепторами на уровень (1-3)⋅10¹⁸ см^-3, но на гетерограницах, где понижена мольная доля Al (в направлении от подложки), которые находятся в минимумах электромагнитного поля оптической моды резонатора, легирование увеличено в (2-3) раза.

В композиционной решетке p-типа по меньшей мере один слой из Al_xGa_1-xAs p-типа может быть использован для формирования оксидной токовой апертурой, которая в латеральном направлении состоит из центральной части, выполненной из Al_xGa_1-xAs, где 0,97≤x≤1,0, и периферийной части, выполненной из Al₂O₃. Такое выполнение позволяет улучшить латеральное растекание дырок по площади токовой апертуры, снизить последовательное сопротивление, а также сформировать эффективное электронное и оптическое ограничение при сохранении низких внутренних оптических потерь.

В вертикально-излучающем лазере с внутрирезонаторными контактами и диэлектрическим зеркалом внутрирезонаторный контактный слой p-типа может быть выполнен из твердого раствора Al_yGa_1-yAs, где у не более 0,3, и иметь толщину (2k-1)κ/4n, где 3≤k≤6 - натуральное число. Внутрирезонаторный контактный слой p-типа может быть в среднем легирован акцепторами на уровень (8⋅10¹⁷-3⋅10¹⁸) см^-3, но с периодичностью кратной λ/2n в середине каждого периода уровень легирования увеличивается (2-3) раза на протяжении 10-20 нм. Такое выполнение позволяет одновременно снизить последовательное сопротивление прибора и уровень поглощения света на свободных носителях в легированных областях p-типа.

В вертикально-излучающем лазере с внутрирезонаторными контактами и диэлектрическим зеркалом сильнолегированный фазокорректирующий контактный слой p-типа может содержать нижний субслой, выполняющий роль стоп-слоя при селективном травлении, и сильнолегированный верхний субслой, на котором формируют электрический контакт p-типа. Сильнолегированный фазокорректирующий контактный слой p-типа может иметь общую толщину не менее λ/4n. Нижний субслой может быть выполнен из твердого раствора Al_xGa_1-xAs p-типа, где 0,85≤x≤0,95, толщиной 3-5 нм и уровнем легирования акцепторами (1-4)⋅10¹⁸ см^-3. Верхний субслой может быть выполнен из GaAs p-типа с уровнем легирования акцепторами (2⋅10¹⁹-1⋅10²⁰) см^-3. Сильнолегированный фазокорректирующий контактный слой p-типа может располагаться только над периферийной частью оксидной токовой апертуры.

Такое выполнение способствует получению омического контакта p-типа с удельным контактным сопротивлением менее 1⋅10^-5 Ом⋅см^-2 и эффективным растеканием тока без внесения дополнительных оптических потерь в сильнолегированных слоях.

На сильнолегированном фазокорректирующем контактном слое p-типа может быть сформирован электрический контакт p-типа.

В вертикально-излучающем лазере с внутрирезонаторными контактами и диэлектрическим зеркалом верхний диэлектрический РБО может располагаться непосредственно на поверхности внутрирезонаторного контактного слоя p-типа над центральной частью оксидной токовой апертуры. Верхний диэлектрический РБО может содержать не менее 5 пар чередующихся диэлектрических слоев с низким показателем преломления из SiO₂ и высоким показателем преломления из Ta₂O₅, где каждый слой имеет толщину λ/4n.

Такое выполнение позволяет повысить контраст показателей преломления слоев РБО при сохранении низкого уровня оптических потерь в заданном спектральном диапазоне, снизить рассеяние на оптических неоднородностях и шероховатостях границ слоев, и обеспечить высокую отражательную способность верхнего РБО.

Настоящее техническое решение поясняется чертежом, где:

на фиг. 1 приведено схематичное изображение поперечного сечения настоящего вертикально-излучающего лазера с внутрирезонаторными контактами и диэлектрическим зеркалом;

на фиг. 2 приведены вольт-амперные (слева) и ватт-амперные (справа) характеристики вертикально-излучающего лазера с внутрирезонаторными контактами и диэлектрическим зеркалом спектрального диапазона 850-900 нм (ВИЛ-1) по настоящему изобретению с различной площадью токовой апертуры при комнатной температуре;

на фиг. 3 приведены спектры лазерной генерации для вертикально-излучающего лазера с внутрирезонаторными контактами и диэлектрическим зеркалом спектрального диапазон 850-900 нм (ВИЛ-1) по настоящему изобретению при разных токах с фиксированной площадью токовой апертуры при комнатной температуре;

на фиг. 4 приведены вольт-амперные (слева) и ватт-амперные (справа) характеристики вертикально-излучающего лазера с внутрирезонаторными контактами и диэлектрическим зеркалом спектрального диапазона 950-990 нм (ВИЛ-2) по настоящему изобретению при комнатной температуре;

на фиг. 5 приведены спектры лазерной генерации для вертикально-излучающего лазера с внутрирезонаторными контактами и диэлектрическим зеркалом спектрального диапазона 950-990 нм (ВИЛ-2) по настоящему изобретению при разных токах с фиксированной площадью токовой апертуры при комнатной температуре.

Настоящий вертикально-излучающий лазер с внутрирезонаторными контактами и диэлектрическим зеркалом показан на фиг 1. Лазер содержит полуизолирующую подложку 1 из GaAs, нижний нелегированный РБО 2, внутрирезонаторный контактный слой 3 n-типа, электрический контакт 4 n-типа, композиционную решетку 5 n-типа, оптический резонатор 6, содержащий активную область 7 на основе по меньшей мере трех слоев 8 квантовых ям из In(Al)GaAs, композиционную решетку p-типа 9, содержащую по меньшей мере одну оксидную токовую апертуру 10, внутрирезонаторный контактный слой 11 p-типа, сильнолегированный фазокорректирующий контактный слой 12 p-типа, электрический контакт 13 p-типа и верхний диэлектрический РБО 14.

Нижний нелегированный РБО 2 может содержать по меньшей мере 30 пар чередующихся слоев 15, 16 соответственно из Al_xGa_1-xAs и из Al_yGa_1-yAs, где 0,85≤x≤0,95 и 0≤y≤0.3, а каждый слой 15, 16 имеет толщину λ/4n, где n - показатель преломления соответствующего слоя, λ - резонансная длина волны вертикального оптического резонатора.

Внутрирезонаторный контактный слой 3 n-типа может быть выполнен из Al_yGa_1-yAs, где у не более 0,3, толщиной (2k-1)λ/4n, где 3≤k≤6 - натуральное число, и иметь средний уровень легирования донорами (8⋅10¹⁷-2⋅10¹⁸) см^-3 с периодическим (период λ/2n) увеличением уровеня легирования в (2-3) раза на протяжении 10-20 нм в середине каждого периода. Для инжекции электронов в активную область на внутрирезонаторном контактном слое 3 n-типа сформирован электрический контакт 4 n-типа.

Композиционная решетка 5 n-типа может содержать 2-5 пар чередующихся слоев 17, 18 соответственно из Al_xGa_1-xAs n-типа и из Al_yGa_1-yAs n-типа, где 0,85≤x≤0,95 и у не более 0,3, а каждая пара слоев может иметь общую толщину равной λ/2n^*, где n^* - усредненное значение показателя преломления для слоев композиционной решетки n-типа. На гетерограницах слоев 17 и 18 может изменяться состав по линейному или би-параболическому закону. Композиционная решетка 5 n-типа может иметь средний уровень легирования донорами (1-2)⋅10¹⁸ см^-3 с периодическим (период λ/2n^*) увеличением уровня легирования в (2-3) раза на гетерограницах с возрастанием состава (в направлении от подложки).

Оптический резонатор 6 может быть выполнен толщиной kλ/n^**, где 3≤k≤6 - натуральное число, n^** - усредненное значение показателя преломления для слоев оптического резонатора, и состоять из слоя 19 из Al_yGa_1-yAs, где у не более 0.4, в центре которого расположена активная область 7. Активная область 7 может содержать по меньшей мере три слоя 8 из In(Al)GaAs квантовых ям. Каждый слой 8 из In(Al)GaAs квантовой ямы может состоять из слоя 20 из Al_xGa_1-xAs, где x не более 0,15, толщиной 7-10 нм, и окруженной с обоих сторон слоями 21 из Al_yGa_1-yAs, где 0,25≤y≤0,4, толщиной 7-12 нм. Слой 20 может быть выполнен из In_xGa_1-xAs, где 0,05≤x≤0,2, толщиной 3-15 нм, а слой 21 из Al_yGa_1-yAs, где у не более 0,4, толщиной 5-12 нм.

Композиционная решетка 9 p-типа может быть выполнена из 3-8 пар чередующихся слоев 22, 23, из Al_xGa_1-xAs p-типа и Al_yGa_1-yAs p-типа, где 0,85≤x≤0,95 и у не более 0,3, а каждая пара слоев 22, 23 может иметь общую толщину равной λ/2n^***, где n^*** - усредненное значение показателя преломления для слоев композиционной решетки p-типа. На гетерограницах слоев 17 и 18 может изменяться состав по линейному или би-параболическому закону. Композиционная решетка p-типа 9 может иметь средний уровень легирования акцепторами (1⋅10¹⁸-3⋅10¹⁸) см^-3 с периодическим (период λ/2n^***) увеличением легирования в (2-3) раза на гетерограницах с понижением состава (в направлении от подложки). При этом в композиционной решетке 9 p-типа по меньшей мере один слой из Al_xGa_1-xAs p-типа может использоваться для формирования оксидной токовой апертурой 10. Оксидная токовая апертура 10 в латеральном направлении может состоять из центральной части 24, выполненной из Al_xGa_1-xAs, где 0,97≤x≤1, и периферийной части 25, выполненной из A₂O₃.

Внутрирезонаторный контактный слой 11 p-типа может быть выполнен из Al_yGa_1-yAs, где у не более 0,3, толщиной (2k-1)λ/4n, где 3≤k≤6 - натуральное число, и иметь средний уровень легирования акцепторами (8⋅10¹⁷-3⋅10¹⁸) см^-3 с периодическим (период λ/2n) увеличением уровеня легирования в (2-3) раза на протяжении 10-20 нм в середине каждого периода.

Сильнолегированный фазокорректирующий контактный слой 12 p-типа может иметь толщину λ/4n и содержать нижний субслой 26 из Al_xGa_1-xAs p-типа, где 0,85≤x≤0,95, с уровнем легирования акцепторами (1-4)⋅10¹⁸ см^-3 и толщиной 3-5 нм, и верхний субслой 27 из GaAs p-типа с уровнем легирования (2⋅10¹⁹-1⋅10²⁰) см^-3. Сильнолегированный фазокорректирующий контактный слой 12 p-типа может быть расположен непосредственно над периферийной частью оксидной токовой апертуры 25. Для инжекции дырок в активную область 7 на сильнолегированном фазокорректирующем контактном 12 слое p-типа сформирован электрический контакт 13 p-типа.

Верхний диэлектрический РБО 14 может примыкать к сильнолегированному фазокорректирующему контактному слою 11 p-типа непосредственно над центральной частью оксидной токовой апертуры 10 и содержать не менее 5 пар чередующихся диэлектрических слоев 28, 29 соответственно из SiO₂ и Ta₂O₅, где каждый слой имеет толщину λ/4n.

Длина волны лазерной генерации в основном определяется спектральным положением резонансной длины волны вертикального оптического резонатора, а параметры активной области 7 подбирают так, чтобы пик основного излучательного перехода квантовой ямы (по спектру фотолюминесценции) был смещен в коротковолновую сторону (в среднем на 10-20 нм) относительно резонансной длины волны вертикального оптического резонатора. Изменяя толщину и состав слоев вертикального оптического резонатора можно варьировать длину волны генерации лазера в спектральном диапазоне 780-1100 нм.

Важным фактором, обуславливающим преимущество вертикально-излучающего лазера с внутрирезонаторными контактами и диэлектрическим зеркалом, является применение схемы инжекции носителей заряда в активную область 7 через внутрирезонаторные контактные слои 3, 11 и композиционные решетки 5, 9. Гетерограницы композиционных решеток 5, 9, с одной стороны, формируют потенциальные барьеры для вертикального транспорта носителей заряда, что способствует более эффективной инжекции носителей заряда по площади апертуры, а с другой стороны, градиентное изменение состава и повышение легирования ведут к снижению высоты потенциальных барьеров, что способствует снижению рабочего напряжения и сопротивления лазера. Кроме того, композиционные решетки 5, 9 перераспределяют электромагнитное поле оптической моды резонатора в структуре и с учетом модулированного профиля легирования внутрирезонаторных контактных слоев 3, 11 позволяет снизить внутренние оптические потери в легированных слоях, что способствует достижению условий лазерной генерации при меньшей плотности носителей. Более того, расположение сильнолегированного фазокорректирующего контактного слоя 12 p-типа только над периферийной частью оксидной токовой апертуры 10 позволяет улучшить латеральное растекание дырок и сформировать эффективный омический контакт к слоям p-типа (особенно в случае, когда применение слоев GaAs во внутрирезонаторных контактных слоях 3, 11 невозможно) без увеличения уровня внутренних оптических потерь в структуре. Сильнолегированный верхний субслой 27 GaAs p-типа является приповерхностных слоем (т.е. расположен непосредственно на поверхности структуры), что позволяет упростить технологию формирования p-контакта в вертикально-излучающих лазеров с внутрирезонаторными контактами, а его последующее селективное удаление над центральной частью 24 оксидной токовой апертуры 10 способствует согласованию набега фазы в полупроводниковой части лазера с диэлектрической частью. Другим важным фактором настоящей конструкции лазера является применение системы материалов SiO₂/Ta₂O₅ в диэлектрическом РБО 14, что позволяет применять «взрывную» технологию локального формирования диэлектрических брэгговских отражателей 14 и обеспечить высокую отражательную способность при низком уровне оптических потерь в зеркале.

Настоящий вертикально-излучающий лазер с внутрирезонаторными контактами и диэлектрическим зеркалом работает следующим образом. При подаче отрицательного напряжения на электрический контакт 4 n-типа и положительного - на электрический контакт 13 p-типа в оптический резонатор 6 происходит инжекция электронов и дырок через внутрирезонаторные контактные слои 3, 11 и композиционные решетки 5, 9. Оксидная токовая апертура 10 служит одновременно для электронного ограничения области инжекции носителей заряда в латеральном направлении (центральная часть 24) и увеличивает плотность тока в активной области 7, поскольку периферийная часть 25 токовой апертуры 10 не проводит ток. Композиционные решетки 5 и 9 обеспечивают эффективное носителей заряда в пределах центральной части 24 оксидной токовой апертуры 10. В результате в активной области 7 одновременно появляются электроны и дырки, которые захватываются в квантовые ямы 8. Слой 19 служит для локализации носителей в активной области 7. Увеличение тока накачки ведет к росту плотности носителей в активной области 7 и возникновению инверсной заселенности, т.е. избыточной концентрации носителей заряда в квантовых ямах 8. При этом процессы излучательной рекомбинации начинают доминировать над процессами безызлучатальной рекомбинации в активной области 7. Нижний нелегированный РБО 2 и верхний диэлектрический РБО 14 формируют положительную обратную связь в вертикальном направлении и способствует запуску процесса лавинного умножения фотонов в режиме вынужденного излучения (т.н. оптическое усиление). Сильнолегированный фазокорректирующий контактный слой 12 p-типа служит не только для формирования электрического контакта 13 p-типа, но и согласовывает набег фазы при распространении света в полупроводниковой части вертикального оптического резонатора лазера с набегом фазы в диэлектрическом РБО 14. В отличие от случая классических Фабри-Перо лазеров, в вертикально-излучающих лазерах реализуется режим микрорезонатора, когда межмодовый интервал для продольных мод больше, чем ширина спектра усиления активной области 7, поэтому толщины и состав слоев 20, 21 выбирают так, чтобы длина волны излучательной рекомбинации через основной переход квантовой ямы 8 была меньше резонансной длины волны оптического резонатора 6 на 10-20 нм. При достижении баланса между оптическим усилением активной области 7 и суммарными оптическими потерями в лазере (внутренние оптические потери и потери на вывод излучения) возникнет лазерная генерация в заданном спектральном диапазоне. Суммарный коэффициент отражения нижнего полупроводникового РБО 2 и композиционной решетки n-типа 5 выше суммарного коэффициента отражения композиционной решетки p-типа 9 и верхнего диэлектрического РБО 14, поэтому лазерное излучение выводится через диэлектрическое зеркало, т.е. реализуется режим генерации с выводом излучения вверх. Большой контраст (~1,3-1,5) в показателях преломления периферийной части 25 оксидной токовой апертуры 10 и центральной части 24 оксидной токовой апертуры 10 обеспечивает сильное оптическое ограничение в плоскости лазера, что фиксирует модовый состав, способствует эффективной локализации поперечных оптических мод резонатора в области возбуждения и, как следствие, снижению порогового тока лазера.

Пример 1. В данном примере приведены результаты экспериментальной апробации настоящего изобретения в спектральном диапазоне 850-900 нм. Эпитаксиальная гетероструктура для вертикально-излучающего лазера с внутрирезонаторными контактами и диэлектрическим зеркалом в соответствии с настоящим изобретением была синтезирована методом молекулярно-пучковой эпитаксии. Эпитаксиальная гетероструктура лазера содержала полуизолирующую подложку GaAs, нижний нелегированный РБО на основе 36 пары чередующихся слоев Al_0.16Ga_0.84As и Al_0.9Ga_0.1As, внутрирезонаторный контактный слой Al_0.16Ga_0.84As n-типа толщиной равной 1,75⋅λ/n, композиционную решетку n-типа на основе 5 пар чередующихся слоев A1_0.16Ga_0.84As и Al_0.9Ga_0.1As p-типа с градиентным изменением состава на гетерограницах по би-параболическому закону протяженностью 19 нм, оптический резонатор Al_0.16Ga_0.84As с активной областью на основе пяти In_0,08Ga_0,92As/Al_0.16Ga_0.84As квантовых ям, композиционную решетку p-типа на основе 6 пар чередующихся слоев Al_0.16Ga_0.84As и Al_0.9Ga_0.1As p-типа с градиентным изменением состава на гетерограницах по би-параболическому закону протяженностью 19 нм и включающий один апертурный слой, внутрирезонаторный контактный слой Al_0.16Ga_0.84As p-типа толщиной равной 1,75⋅λ/n, сильнолегированный фазокорректирующий контактный слой p-типа, включающий нижний субслой Al_0.9Ga_0.1As p-типа 4⋅10¹⁸ см^-3 и толщиной 3 нм, и верхний субслой из GaAs p-типа с уровнем легирования 5⋅10¹⁹ см^-3 и толщиной 56 нм. Контактный слой n-типа (p-типа) в среднем легирован донорами (акцепторами) на уровень соответственно 1,3⋅10¹⁸ см^-3 (2⋅10¹⁸ см^-3) и содержит три вставки толщиной 20 нм и уровнем легирования 4⋅10¹⁸ см^-3 (6⋅10¹⁸ см^-3), которые расположены в минимуме электромагнитного поля оптической моды резонатора. Композиционная решетка n-типа (p-типа) в среднем легирована донорами (акцепторами) на уровень 1,5⋅10¹⁸ см^-3 с двукратным повышением уровня легирования на гетерогранице с возрастанием (понижением) состава. Толщины слоев выбраны так, чтобы получить резонансную длину волны вертикального оптического резонатора вблизи 890 нм, тогда как толщины квантовых ям и потенциальных барьеров выбраны так, чтобы пик спектра фотолюминесценции (соответствует основному переходу ямы и совпадает с максимумом спектра усиления) был смещен в коротковолновую сторону на 10 нм относительно проектного значения резонансной длины (т.е. вблизи 880 нм). Применение металлизации Ti/Pt/Au к слоям GaAs p-типа позволило получить электрический контакт p-типа с удельным контактным сопротивлением ~2⋅10^-6 Ом⋅см^-2 и погонным контактным сопротивлением ~0,13 Ом⋅мм. Для электрических контактов к легированным слоям Al_0.15Ga_0.85As n-типа использовалась металлизация AuGe/Ni/Au (удельное контактное сопротивление ~1⋅10^-6 Ом⋅см^-2 и погонное контактное сопротивление ~0,03 Ом⋅мм). После селективного удаления сильнолегированного фазокорректирующего контактного слоя в светоизлучающей области было осаждено верхнее диэлектрическое РБО на основе четвертьволновых SiO₂ и Ta₂O₅. Апертурный слой был подвергнут селективному окисления в парах воды для получения оптического и токового ограничения. Приборы с площадью оксидной токовой апертуры ~2,3 мкм² (размером апертуры 2,4 мкм) продемонстрировали лазерную генерацию в непрерывном режиме при комнатной температуре с пороговым током менее 0,4 мА и дифференциальной эффективностью более 0,84 Вт/А (фиг. 2). Максимальная выходная оптическая мощность составила 3,2 мВт при токе насыщения 5,7 мА. Дифференциальное сопротивление на линейном участке вольт-амперной характеристики (диапазон токов 1-6 мА) составило 220-250 Ом. Напряжение при пороговом токе, так называемое пороговое напряжение, лежало в диапазоне 1.5-1.6 В. Длина волны излучения лазеров варьировалась в диапазоне длин волн 892-897 нм при изменении рабочего тока (фиг. 3). Тепловое сопротивление прибора составило 6,4 К/мВт. В случае прибора с большей площадью токовой апертуры (~6,5 мкм², размер апертуры 4 мкм) пороговый ток увеличился до 0,4 мА без изменения дифференциальной эффективности, при этом максимальная мощность возросла до 5,3 мВт (при токе 9,2 мА), дифференциальное сопротивление упало до 130-150 Ом, а тепловое сопротивление снизилось до 4.6 К/мВт.

Пример 2. Был изготовлен опытный образец полупроводникового вертикально-излучающего лазера с внутрирезонаторными контактами спектрального диапазона 950-990 нм в соответствии с настоящим изобретением. Эпитаксиальная гетероструктура лазера была изготовлена методом молекулярно-пучковой эпитаксии и включала в себя полуизолирующую подложку GaAs, нижний нелегированный РБО на основе 31 пары чередующихся слоев GaAs и Al_0.9Ga_0.1As, внутрирезонаторный контактный слой GaAs n-типа толщиной равной 1,75⋅λ/n, композиционную решетку n-типа на основе 5 пар чередующихся слоев GaAs и Al_0.9Ga_0.1As p-типа с градиентным изменением состава на гетерограницах по би-параболическому закону протяженностью 22 нм, оптический резонатор Al_0,15Ga_0,85As с активной областью на основе трех In_0,18Ga_0,82As/GaAs квантовых ям, композиционную решетку p-типа на основе 6 пар чередующихся слоев GaAs и Al_0.9Ga_0.1As p-типа с градиентным изменением состава на гетерограницах по би-параболическому закону протяженностью 22 нм и включающий один апертурный слой, внутрирезонаторный контактный слой GaAs p-типа толщиной равной 1,75⋅λ/n, сильнолегированный фазокорректирующий контактный слой p-типа, включающий нижний субслой Al_0.9Ga_0.1As p-типа 4⋅10¹⁸ см^-3 и толщиной 3 нм, и верхний субслой из GaAs p-типа с уровнем легирования 5⋅10¹⁹ см^-3 и толщиной 68 нм. Контактный слой n-типа (p-типа) в среднем легирован донорами (акцепторами) на уровень 1,3⋅10¹⁸ см^-3 (1⋅10¹⁸ см^-3) и содержит три вставки толщиной 20 нм и уровнем легирования соответственно 4⋅10¹⁸ см^-3 (6⋅10¹⁸ см^-3), которые расположены в минимуме электромагнитного поля оптической моды резонатора. Композиционная решетка n-типа (p-типа) в среднем легирована донорами (акцепторами) на уровень 1.5⋅10¹⁸ см^-3 с двукратным повышением уровня легирования на гетерогранице с возрастанием (понижением) состава. Толщины квантовых ям и барьеров выбраны для получения длины волны основного перехода квантовой ямы вблизи 970 нм, тогда как остальные толщины выбраны так, чтобы резонансная длины волны вертикального оптического резонатора была смещена в длинноволновую сторону на 10 нм (то есть вблизи 980 нм). Для формирования оптического и токового ограничения апертурный слой композиционной решетки p-типа был селективно окислен. Использована металлизация AuGe/Ni/Au и Ti/Pt/Au для формирования электрических контактов n-типа (удельное контактное сопротивление ~1,5⋅10^-6 Ом⋅см^-2 и погонное контактное сопротивление ~0,03 Ом⋅мм) и p-типа (удельное контактное сопротивление ~2⋅10^-6 Ом⋅см^-2 и погонное контактное сопротивление ~0,1 Ом⋅мм), соответственно. Верхнее диэлектрическое РБО было сформировано с помощью магнетронного напыления 5 пар чередующихся слоев SiO₂ и Ta₂O₅, каждый толщиной равной λ/4n. Приборы с площадью оксидной токовой апертуры ~4 мкм² (размером апертуры 3 мкм) продемонстрировали лазерную генерацию в непрерывном режиме при комнатной температуре с пороговым током менее 0,25 мА и дифференциальной эффективностью более 0,82 Вт/А (фиг. 4). Максимальная выходная оптическая мощность составила 3,6 мВт при токе насыщения 6,5 мА. Дифференциальное сопротивление на линейном участке вольт-амперной характеристики (диапазон токов 2,5-7 мА) составило 200-230 Ом. Напряжение при пороговом токе, так называемое пороговое напряжение, лежит в диапазоне 1.4-1,5 В. Длина волны излучения лазеров варьировалась в диапазоне длин волн 982-985 нм при изменении рабочего тока (фиг. 5). Одномодовый режим генерации с фактором подавления мод более 30 дБ реализуется вплоть до 4,5 мА.

Для сравнения технического уровня настоящего решения были выбраны вертикально-излучающий лазеры двух спектральных диапазонов 850-900 нм (далее ВИЛ-1) и 950-990 нм (далее ВИЛ-2). В данных ВИЛ применена классическая геометрия оптического резонатора с инжекцией носителей через легированные брэгговские отражатели. Поскольку латеральный профиль оксидной апертуры может различаться (благодаря сильной композиционной зависимости скорости окисления, анизотропии окисления и влияния технологических режимов на процесс окисления), то для адекватного сравнения лазеров анализировались приборы с идентичной площадью токовой апертуры.

Эпитаксиальная структура ВИЛ-1 выращена методом молекулярно-пучковой эпитаксии на полуизолирующей подложке GaAs и включает в себя нижний легированный РБО n-типа на основе 38.5 пар Al_0.2Ga_0.8As/Al_0.9Ga_0.1As, AlGaAs оптический резонатор с активной областью на основе трех InGaAs/Al_0.27Ga_0.73As квантовых ям (состав по In ~4-6%), верхний легированный РБО p-типа на основе 28 пар Al_0.2Ga_0.8As/Al_0.9Ga_0.1As, включающий в себя один апертурный слой и контактный слой GaAs p-типа (A. Al-Samaneh, «VCSELs for Cesium-Based Miniaturized Atomic Clocks», Books On Demand, 216 (2015)). В приборной конструкции ВИЛ-1 для формирования омического контакта к слоям n-GaAs и p-GaAs использована металлизация AuGe/Ni/Au и Ti/Pt/Au, соответственно. Приборы с площадью токовой апертуры ~6,1 мкм² (диаметр апертуры 2,8 мкм) при комнатной температуре обладают следующими статическими характеристиками: длина волны генерации 893-897 нм, пороговый ток 0,3 мА, дифференциальная эффективность 0,5 Вт/А, максимальная выходная мощность ~2 мВт при токе насыщения 5.8 мА, дифференциальное сопротивление 380 Ом при токе 0,6-0.8 от тока насыщения (саморазогрев лазера ярко выражен), тепловое сопротивление ~5,5 К/мВт.

Эпитаксиальная структура ВИЛ-2 выращена методом молекулярно-пучковой эпитаксии на легированной подложке GaAs n-типа и включает в себя нижний легированный РБО n-типа на основе 33 пар GaAs/Al_0.9Ga_0.1As, AlGaAs оптический резонатор с активной областью на основе трех слоев квантовых ям InGaAs/GaAs (синтез в субмонослойном режиме), верхний легированный РБО p-типа на основе 20 пар GaAs/Al_0.9Ga_0.1As (A. Mutig, «High Speed VCSELs for Optical Interconnects», Springer Theses XIV, 169 (2011)). В приборной конструкции ВИЛ-2 для токового и оптического ограничения использована одна оксидная апертура, а также применена металлизация AuGe/Ni/Au и Ti/Pt/Au для формирования омического контакта к слоям n-GaAs и p-GaAs, соответственно. Приборы с площадью токовой апертуры ~3 мкм² (диаметр апертуры 2 мкм) при комнатной температуре обладают следующими статическими характеристиками: длина волны генерации 985-990 нм, пороговый ток 0.26 мА, дифференциальная эффективность 0,63 Вт/А, максимальная выходная мощность ~2 мВт при токе насыщения 5 мА, дифференциальное сопротивление 380 Ом при токе 0.6-0,8 от тока насыщения (когда проявляется сильный саморазогрев лазера), тепловое сопротивление ~5 К/мВт.

Необходимо отметить, что повышение дифференциальной эффективности сопряжено с ростом порогового тока, поскольку дифференциальная эффективность взаимосвязана с величиной порогового тока через потери на вывод излучения. Кроме того, повышение выходной мощности при фиксированной дифференциальной эффективности требует понижения электрического и теплового сопротивлений прибора, так как саморазогрев прибора током насыщения ограничивает ток насыщения. Тем не менее, разработанный вертикально-излучающий лазер с внутрирезонаторными контактами и диэлектрическим зеркалом в соответствии с настоящим изобретением обладает меньшим значением электрического и теплового сопротивлений, более высокой дифференциальной эффективностью при низком пороговом токе. Следует отметить, что достигнутые параметры не только не уступают, но и по ряду позиций превосходят статические характеристики вертикально-излучающих лазеров в классической конструкции, синтезированных методом газофазной эпитаксии из паров металлорганических соединений на промышленном оборудовании, при идентичных размерах площади токовой апертуры (P. Moser et al., «Energy Efficiency of Directly Modulated Oxide-Confined High Bit Rate 850-nm VCSELs for Optical Interconnects», IEEE J. Sel. Topics Quantum Electron. 19 (4), 1702212 (2013); H. Li et al., «Temperature-Stable, Energy-Efficient, and High-Bit Rate Oxide-Confined 980-nm VCSELs for Optical Interconnects», IEEE J. Sel. Topics Quantum Electron. 21 (6), 1700409, 2015).

Изобретение относится к технике полупроводников. Полупроводниковый вертикально-излучающий лазер с внутрирезонаторными контактами содержит полуизолирующую подложку (1) из GaAs, нижний нелегированный РБО (2), внутрирезонаторный контактный слой (3) n-типа, композиционную решетку (5) n-типа, оптический резонатор (6), содержащий активную область (7) на основе по меньшей мере трех слоев In(Al)GaAs квантовых ям (8), композиционную решетку (9) p-типа, содержащую по меньшей мере одну оксидную токовую апертуру (10), внутрирезонаторный контактный слой (11) p-типа, сильнолегированный фазокорректирующий контактный слой (12) p-типа и верхний диэлектрический РБО (14) на основе SiO₂/Ta₂O₅. Технический результат заключается в снижении электрического сопротивления и порогового тока при повышении дифференциальной эффективности. 13 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Вертикально-излучающий лазер с внутрирезонаторными контактами и диэлектрическим зеркалом, включающий полуизолирующую подложку GaAs, нижний нелегированный распределенный брэгговский отражатель (РБО), внутрирезонаторный контактный слой n-типа, композиционную решетку n-типа, оптический резонатор, содержащий активную область на основе по меньшей мере трех слоев In(Al)GaAs квантовых ям, композиционную решетку p-типа, содержащую по меньшей мере одну оксидную токовую апертуру, внутрирезонаторный контактный слой p-типа, сильнолегированный фазокорректирующий контактный слой p-типа и верхний диэлектрический РБО на основе SiO₂/Ta₂O₅.

2. Лазер по п. 1, отличающийся тем, что нижний нелегированный РБО содержит по меньшей мере 30 пар чередующихся слоев соответственно из Al_xGa_1-xAs и Al_yGa_1-yAs, где 0,85≤x≤0,95 и у не более 0,3, каждый слой имеет толщину λ/4n, где n - показатель преломления соответствующего слоя, λ - резонансная длина вертикального оптического резонатора.

3. Лазер по п. 1, отличающийся тем, что внутрирезонаторный контактный слой n-типа выполнен толщиной (2k-1)λ/4n, где 3≤k≤6 - натуральное число, состоит из Al_yGa_1-yAs n-типа, где у не более 0,3, и имеет периодический профиль легирования донорами по толщине слоя с периодом, равным λ/2n, когда в середине каждого периода на протяжении 10-20 нм уровень легирования увеличивается в (2-3) раза при среднем уровне легирования (8⋅10¹⁷-2⋅10¹⁸) см^-3.

4. Лазер по п. 1, отличающийся тем, что на внутрирезонаторном контактном слое n-типа сформирован электрический контакт n-типа.

5. Лазер по п. 1, отличающийся тем, что композиционная решетка n-типа содержит 2-5 пар чередующихся слоев соответственно из Al_xGa_1-xAs n-типа и Al_yGa_1-yAs n-типа, где 0,85≤x≤0,95 и у не более 0,3, с градиентным изменением состава на гетерограницах по линейному или би-параболическому закону, с периодическим профилем легирования донорами по толщине слоя с периодом легирования, равным λ/2n^*, при среднем уровне легирования (1-2)⋅10¹⁸ см^-3, а на гетерограницах с возрастанием мольной доли Al (в направлении от подложки) легирование увеличено в (2-3) раза, при этом каждая пара слоев выполнена общей толщиной, равной λ/2n^*, где n^* - усредненное значение показателя преломления слоев композиционной решетки n-типа.

6. Лазер по п. 1, отличающийся тем, что оптический резонатор выполнен толщиной kλ/n^*, где 3≤k≤6 - натуральное число, и состоит из слоя из Al_yGa_1-yAs, где у не более 0,4, в центре которого расположена активная область.

7. Лазер по п. 6, отличающийся тем, что активная область содержит по меньшей мере три слоя квантовых ям из Al_xGa_1-xAs, где x не более 0,15, толщиной 7-10 нм, и отделенных друг от друга слоями из Al_yGa_1-yAs, где 0,25≤y≤0,4, толщиной 7-12 нм.

8. Лазер по п. 6, отличающийся тем, что активная область содержит по меньшей мере три слоя квантовых ям из In_xGa_1-xAs, где 0,05≤x≤0,2, толщиной 3-15 нм, и отделенных друг от друга слоями из Al_yGa_1-yAs, где у не более 0,4, толщиной 5-12 нм.

9. Лазер по п. 1, отличающийся тем, что композиционная решетка p-типа выполнена из 3-8 пар чередующихся слоев соответственно из Al_xGa_1-xAs p-типа и Al_yGa_1-yAs p-типа, где 0,85≤x≤0,95 и у не более 0,3, с градиентным изменением состава на гетерограницах по линейному или би-параболическому закону, с периодическим профилем легирования акцепторами по толщине слоя с периодом легирования, равным λ/2n^**, при среднем уровне легирования (1-3)⋅10¹⁸ см^-3, а на гетерограницах с понижением мольной доли Al (в направлении от подложки) легирование увеличено в (2-3) раза, при этом каждая пара слоев выполнена общей толщиной, равной λ/2n^**, где n^** - усредненное значение показателя преломления слоев композиционной решетки p-типа.

10. Лазер по п. 9, отличающийся тем, что в композиционной решетке p-типа по меньшей мере один слой из Al_xGa_1-xAs p-типа является оксидной токовой апертурой и в латеральном направлении состоит из центральной части, выполненной из Al_xGa_1-xAs, где 0,97≤x≤1, и периферийной части, выполненной из Al₂O₃.

11. Лазер по п. 1, отличающийся тем, что внутрирезонаторный контактный слой p-типа выполнен толщиной (2k-1)λ/4, где 3≤k≤6 - натуральное число, и состоит из Al_yGa_1-yAs p-типа, где у не более 0,3, и имеет периодический профиль легирования акцепторами по толщине слоя с периодом, равным λ/2n, когда в середине каждого периода на протяжении 10-20 нм уровень легирования увеличивается в (2-3) раза при среднем уровне легирования (8⋅10¹⁷-3⋅10¹⁸) см^-3.

12. Лазер по п. 1, отличающийся тем, что сильнолегированный фазокорректирующий контактный слой p-типа содержит нижний субслой из Al_xGa_1-xAs p-типа, где 0,85≤x≤0,95, с уровнем легирования (1⋅10¹⁸-4⋅10¹⁸) см^-3 толщиной 3-5 нм, и верхний субслой из GaAs p-типа с уровнем легирования (2⋅10¹⁹-1⋅10²⁰) см^-3 и толщиной λ/4n, расположенный над периферийной частью оксидной токовой апертуры.

13. Лазер по п. 1, отличающийся тем, что на сильнолегированном фазокорректирующем контактном слое p-типа сформирован электрический контакт p-типа.

14. Лазер по п. 1, отличающийся тем, что верхний диэлектрический РБО примыкает к внутри резонаторному контактному слою p-типа непосредственно над центральной частью оксидной токовой апертуры и содержит не менее 5 пар чередующихся диэлектрических слоев соответственно из SiO₂ и из Ta₂O₅, при этом каждый слой имеет толщину λ/4n.