ЛАЗЕРНАЯ ГЕТЕРОСТРУКТУРА РАЗДЕЛЬНОГО ОГРАНИЧЕНИЯ Российский патент 2023 года по МПК H01S5/323 

Изобретение относится к полупроводниковой технике, в частности к планарным лазерным гетероструктурам, используемым для изготовления лазерных диодов с высокой выходной оптической мощностью.

Известна лазерная гетероструктура, описанная в патенте на изобретение US №6996149, опубл. 07.02.2006., под названием «Полупроводниковый лазер и полупроводниковый лазерный модуль». Гетероструктура содержит активную область, включающую как минимум одну квантовую яму. Слои ограничения носителей заряда расположены по обе стороны от активной области. Слои оптического ограничения имеют варизонную структуру и расположены по обе стороны от активной области. Разница в показателях преломления слоя активной области и слоев ограничения носителей заряда составляет не более 0,02.

К недостаткам технического решения следует отнести:

- недостаточное ограничение светового излучения и увеличение эффективной ширины мод, обусловленное малой разницей между показателями преломления слоя активной области и слоев ограничения носителей заряда (не более 0,02), ухудшающее характеристики получаемых лазерных диодов по следующим причинам:

- увеличение глубины проникновения излучения в легированные слои, что увеличивает внутренние оптические потери;

- уменьшение фактора оптического ограничения генерируемых мод, что приводит к росту порогового тока и снижению КПД лазерных диодов.

Известна лазерная гетероструктура, описанная в патенте на изобретение US №9042416, МПК H01S 5/00, H01S 5/34, опубл. 26.05.2015 г., под названием «Мощный GRINSCH лазер с низкими потерями», являющаяся варизонной гетероструктурой раздельного ограничения, состоящая из активной области, слоев n- и p-контактов, n и p-эмиттерных слоев, многослойных секций n- и p-типов легирования, примыкающих непосредственно к активной области, n и p-субэмиттерных слоев.

К недостаткам технического решения следует отнести:

- сниженные значения КПД лазерных диодов вследствие высоких значений порогового тока и сниженной дифференциальной эффективности, обусловленные тем, что слои, прилегающие к активной области, являются легированными. Так как легирование различается по типу, как минимум один из двух прилегающих слоев в данной гетероструктуре является намеренно легированным, в то время как добавочное легирование в слоях, выполняющих функции волновода, увеличивает внутренние потери лазерного диода.

Наиболее близким и выбранным в качестве прототипа является конструкция лазерной гетероструктуры раздельного ограничения, описанная в патенте RU №2309501, МПК H01S 5/32, опубл. 27.10.2007 г. под названием «Инжекционный полупроводниковый лазер», включающая квантово-размерную активную область, волноводные слои, выполненные из твердого раствора Al_xGa_1-xAs, эмиттерные слои n- и p-проводимости, примыкающие к волноводным слоям и выполненные из твердого раствора Al_x⋅Ga_1-x⋅As.

К недостаткам технического решения следует отнести:

- концентрация Al в представленном решении соответствует непрямозонным слоям, в которых имеет место фононная рекомбинация, являющаяся причиной выделения дополнительного тепла и снижению КПД изготавливаемых лазерных диодов;

- симметричность структуры, обуславливающая уменьшение селекции мод высших порядков и, в свою очередь, снижение мощности излучения и КПД лазерных диодов на основе представленной гетероструктуры.

Задачей заявляемого изобретения является улучшение основных характеристик изготавливаемых лазерных диодов, а именно снижение порогового тока, увеличение выходной оптической мощности излучения и КПД лазерных диодов, изготавливаемых на базе конструкции лазерной гетероструктуры.

Технический результат, который позволяет решить поставленную задачу, заключается в усовершенствовании конструкции лазерной гетероструктуры за счет ее асимметрии и наличия варизонной структуры волноводных слоев, а также создания дополнительного оптического ограничения между эмиттерными и волноводными слоями.

Это достигается тем, что лазерная гетероструктура раздельного ограничения, включающая квантово-размерную активную область, волноводные слои, выполненные из твердого раствора Al_xGa_1-xAs, эмиттерные слои n- и p-проводимости, примыкающие к волноводным слоям и выполненные из твердого раствора Al_x⋅Ga_1-x⋅As, согласно изобретению, снабжена контактными слоями n- и p-проводимости, примыкающими к соответствующим эмиттерным слоям n- и p-проводимости, волноводные слои контактируют непосредственно с квантово-размерной активной областью и эмиттерными слоями n- и p-проводимости и выполнены разнотолщинными со стороны эмиттерных слоев n- и p-проводимости и составляют 2у и у соответственно, где у находится в пределах от 0,75 до 0,85 мкм, мольная доля алюминия х твердого раствора Al_xGa_1-xAs в волноводных слоях на границах с эмиттерными слоями составляет 0,8х' и линейно уменьшается до 0,5х' на границах с квантово-размерной активной областью, а в эмиттерных слоях мольная доля алюминия х' твердого раствора Al_x⋅Ga_1-x⋅As находится в пределах от 0,4 до 0,45.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения, а определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволил выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию «новизна» по действующему законодательству.

Для проверки соответствия заявленного изобретения условию изобретательского уровня заявитель провел дополнительный поиск известных решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного изобретения, результаты которого показывают, что заявленное изобретение не следует для специалиста явным образом из известного технического уровня техники.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию «изобретательский уровень».

Изобретение проиллюстрировано следующим чертежом, где представлена конструкция лазерной гетероструктуры раздельного ограничения.

На чертеже введены следующие позиции:

1 - квантово-размерная активная область;

2, 3 - волноводные слои;

4 - эмиттерный слой n-проводимости;

5 - эмиттерный слой p-проводимости;

6 - контактный слой n-проводимости;

7 - контактный слой p-проводимости.

Лазерная гетероструктура раздельного ограничения, выращенная на подложке GaAs (100) n-проводимости, включает квантово-размерную активную область 1, волноводные слои 2 и 3, выполненные из твердого раствора Al_xGa_1-xAs, эмиттерные слои n-проводимости 4 и p-проводимости 5, примыкающие к волноводным слоям 2 и 3 и выполненные из твердого раствора Al_x⋅Ga_1-xAs. Лазерная гетероструктура раздельного ограничения снабжена контактными слоями n-проводимости 6 и р-проводимости 7, примыкающими к соответствующим эмиттерным слоям n-проводимости 4 и p-проводимости 5, волноводные слои 2 и 3 контактируют непосредственно с квантово-размерной активной областью 1 и эмиттерными слоями n-проводимости 4 и p-проводимости 5. Лазерная гетероструктура раздельного ограничения выполнена асимметричной, поскольку волноводные слои 2 и 3 выполнены разнотолщинными со стороны эмиттерных слоев n-проводимости 4 и p-проводимости 5 и составляют 2у^⋅ и у соответственно, где у находится в пределах от 0,75 до 0,85 мкм. Структура волноводных слоев 2 и 3 выполнена варизонной, поскольку мольная доля алюминия x твердого раствора Al_xGa_1-xAs в волноводных слоях 2 и 3 на границах с эмиттерными слоями n-проводимости 4 и p-проводимости 5 составляет 0,8x' и линейно уменьшается до 0,5х' на границах с квантово-размерной активной областью 1. В эмиттерных слоях n-проводимости 4 и p-проводимости 5 мольная доля алюминия х' твердого раствора Al_x⋅Ga_1-x⋅As находится в пределах от 0,4 до 0,45.

Указанные составы твердых растворов Al_x⋅Ga_1-x⋅As и Al_xGa_1-xAs из которых выполнены эмиттерные слои n-проводимости 4 и p-проводимости 5 и волноводные слои 2 и 3 соответственно, позволяют достичь разности показателей преломления Δn=0,03-0,09 на границах между эмиттерными слоями n-проводимости 4 и p-проводимости 5 и волноводными слоями 2 и 3, что создает дополнительное оптическое ограничение, обеспечивающее эффективный возврат оптических мод, рефрагирующих из волноводных слоев 2 и 3 в эмиттерные слои n-проводимости 4 и p-проводимости 5.

Благодаря тому, что волноводные слои 2 и 3 выполнены разнотолщинными со стороны эмиттерных слоев n-проводимости 4 и p-проводимости 5 и составляют 2у^⋅ и у соответственно, а также учитывая тот факт, что значение у находится в пределах от 0,75 до 0,85 мкм, обеспечивается оптимальная асимметричность конструкции лазерной гетероструктуры раздельного ограничения, при которой возможна высокая селекция мод высшего порядка.

Увеличение значения толщины у приводит к росту последовательного сопротивления слоев лазерной гетероструктуры раздельного ограничения, что снижает КПД изготавливаемых лазерных диодов. Уменьшение значения толщины у, в свою очередь, приводит к повышению внутренних оптических потерь, а также к усилению утекания излучения из волноводных слоев 2 и 3 в эмиттерные слои n-проводимости 4 и p-проводимости 5 и, как следствие, снижению выходной мощности излучения лазерных диодов на базе предложенной конструкции.

Благодаря тому, что мольная доля алюминия х в волноводных слоях 2 и 3 на границах с эмиттерными слоями n-проводимости 4 и p-проводимости 5 составляет 0,8х' и линейно уменьшается до 0,5х' на границах с квантово-размерной активной областью 1, обеспечивают оптимальный профиль содержания алюминия в твердом растворе, из которого выполнены волноводные слои 2 и 3. Данный профиль устанавливает варизонность конструкции волноводных слоев 2 и 3, необходимую для предотвращения утекания рефрагирующих мод в эмиттерные слои n-проводимости 4 и p-проводимости 5, и, как следствие, для получения увеличенных значений выходной оптической мощности лазерных диодов при заданном токе накачки, а также сниженных значений порогового тока. Кроме того, в совокупности с тем фактом, что в эмиттерных слоях n-проводимости 4 и p-проводимости 5 мольная доля алюминия х' находится в пределах от 0,4 до 0,45, достигается условие дополнительного оптического ограничения за счет разности показателей преломления на границе между эмиттерными слоями n-проводимости 4 и p-проводимости 5 и волноводными слоями 2 и 3, составляющей Δn=0,05-0,09, что также обеспечивает эффективный возврат оптических мод и снижение значений порогового тока лазерной гетероструктуры раздельного ограничения.

Примером конкретного выполнения может являться лазерная гетероструктура раздельного ограничения, выращенная на подложке GaAs (100) n-проводимости, включающая квантово-размерную активную область 1, волноводные слои 2 и 3, выполненные из твердого раствора Al_xGa_1-xAs, эмиттерные слои n-проводимости 4 и p-проводимости 5, примыкающие к волноводным слоям 2 и 3 и выполненные из твердого раствора Al_x⋅Ga_1-x⋅As. Лазерная гетероструктура раздельного ограничения снабжена контактными слоями n- и p-проводимости 6 и 7, примыкающими к соответствующим эмиттерным слоям n-проводимости 4 и p-проводимости 5, волноводные слои 2 и 3 контактируют непосредственно с квантово-размерной активной областью 1 и эмиттерными слоями n-проводимости 4 и p-проводимости 5 и выполнены разнотолщинными со стороны эмиттерных слоев n-проводимости 4 и p-проводимости 5 и составляют 1,5-1,7 мкм и 0,75-0,85 мкм соответственно, мольная доля алюминия х твердого раствора Al_xGa_1-xAs в волноводных слоях 2 и 3 на границах с эмиттерными слоями n-проводимости 4 и p-проводимости 5 составляет 0,32-0,36 и линейно уменьшается до 0,2 на границах с квантово-размерной активной областью 1, а в эмиттерных слоях n-проводимости 4 и p-проводимости 5 мольная доля алюминия х' твердого раствора Al_x⋅Ga_1-x⋅As находится в пределах от 0,4 до 0,45.

Использование данного изобретения показывает, что конструкция лазерной гетероструктуры раздельного ограничения со сформированным дополнительным ограничением между волноводными и эмиттерными слоями n- и p-проводимости приводит к снижению величины порогового тока лазерных диодов на 20-40% для разных длин резонатора, по сравнению со структурой, имеющей однородный асимметричный волновод. Снижение порогового тока можно объяснить увеличением фактора оптического ограничения в волноводных слоях гетероструктуры, которое, в свою очередь, объясняется увеличением мольной доли алюминия в эмиттерных слоях, обуславливающим скачок показателя преломления на границе эмиттерного и волноводного слоев.

Снижение порогового тока позволяет на 20-40% повысить максимальный рабочий ток лазерных диодов и, как следствие, увеличить их максимальную выходную оптическую мощность по сравнению с лазерными диодами, изготовленными из гетероструктуры с однородным волноводом. Кроме того, варизонный волновод обеспечивает повышение выходной мощности излучения на 10-15% по сравнению со структурой, имеющей однородный асимметричный волновод, так как волновод данного типа способствует возврату рефрагирующих мод из волновода в эмиттерные слои. В целом, снижение порогового тока и рост выходной мощности излучения способствует увеличению КПД лазерных диодов.

Для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных конструктивных решений и способность обеспечения достижения указанного технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «промышленная применимость».

Изобретение относится к полупроводниковой технике, к планарным лазерным гетероструктурам. Лазерная гетероструктура раздельного ограничения, выращенная на подложке GaAs n-проводимости, включает квантово-размерную активную область, волноводные слои, выполненные из твердого раствора Al_xGa_1-xAs, эмиттерные слои n-проводимости и p-проводимости, примыкающие к волноводным слоям и выполненные из твердого раствора Al_x⋅Ga_1-x⋅As. Гетероструктура снабжена контактными слоями n-проводимости и p-проводимости, примыкающими к соответствующим эмиттерным слоям n-проводимости и p-проводимости, волноводные слои контактируют непосредственно с квантово-размерной активной областью и эмиттерными слоями n-проводимости и p-проводимости и выполнены разнотолщинными и составляют 2у и y соответственно, где у находится в пределах от 0,75 до 0,85 мкм, мольная доля алюминия x твердого раствора Al_xGa_1-xAs в волноводных слоях на границах с эмиттерными слоями составляет 0,8х' и линейно уменьшается до 0,5x' на границах с квантово-размерной активной областью, а в эмиттерных слоях мольная доля алюминия x' твердого раствора Al_x⋅Ga_1-x⋅As находится в пределах от 0,4 до 0,45. Технический результат - усовершенствование конструкции лазерной гетероструктуры, создание дополнительного оптического ограничения между эмиттерными и волноводными слоями. 1 ил.

Лазерная гетероструктура раздельного ограничения, включающая квантово-размерную активную область, волноводные слои, выполненные из твердого раствора Al_xGa_1-xAs, эмиттерные слои n- и p-проводимости, примыкающие к волноводным слоям и выполненные из твердого раствора Al_x⋅Ga_1-x⋅As, отличающаяся тем, что она снабжена контактными слоями n- и p-проводимости, примыкающими к соответствующим эмиттерным слоям n- и p-проводимости, волноводные слои контактируют непосредственно с квантово-размерной активной областью и эмиттерными слоями n- и p-проводимости и выполнены разнотолщинными со стороны эмиттерных слоев n- и p-проводимости и составляют 2у и y соответственно, где у находится в пределах от 0,75 до 0,85 мкм, мольная доля алюминия x твердого раствора Al_xGa_1-xAs в волноводных слоях на границах с эмиттерными слоями составляет 0,8х' и линейно уменьшается до 0,5x' на границах с квантово-размерной активной областью, а в эмиттерных слоях мольная доля алюминия x' твердого раствора Al_x⋅Ga_1-x⋅As находится в пределах от 0,4 до 0,45.