ВЕРТИКАЛЬНО ИЗЛУЧАЮЩЕЕ ЛАЗЕРНОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2024 года по МПК H01S5/10 

Настоящее изобретение относится к вертикально-излучающим лазерным устройствам на основе гетероструктур, работающим в инфракрасном диапазоне. Современные варианты конструкций вертикально излучающих лазеров основаны на использовании вертикальных оптических микрорезонаторов с зеркалами в виде распределенных Брэгговских отражателей (РБО) на основе чередующихся четвертьволновых слоев полупроводниковых материалов различного состава или в виде высококонтрастных решеток.

Известен вертикально излучающий лазер с РБО и внутрирезонаторными металлическими контактами (см. RU 2554302, МПК H01S 3/00, H01S 5/12, опубл. 27.06.2015), в котором внутрь резонатора, между РБО и активной областью, вводятся металлические слои, которые одновременно являются контактами и элементами резонатора, формирующими собственную моду электромагнитного поля. Толщина слоев РБО, примыкающего к металлическому слою, отличается от остальных слоев РБО, что обеспечивает такую пространственную структуру собственной моды электромагнитного поля, используемой для лазерной генерации, что узлы электрического поля совпадают по положению с металлическими слоями, что значительно уменьшает поглощение света металлическими слоями, при этом обеспечивается максимальное перекрытие электрического поля собственной моды лазера и активной области.

Недостатком известного вертикально-излучающего лазера является невозможность на его основе реализовать мультиспектральные источники лазерного излучения при использовании технологии гетерогенной интеграции, когда одно из зеркал резонатора вертикально-излучающего лазера формируют в рамках одного кремниевого чипа, поскольку ширина спектрального диапазона РБО конечна и нет возможности изготовить несколько разных РБО на одном кремниевом чипе.

Известно вертикально излучающее лазерное устройство (см. WO 2010138524, МПК H01S 5/183, H01S 5/42, опубл. 02.12.2010), включающее подложку, выполненную из Si или из InP, или из GaAs, или из GaN, или из сапфира, поверх которой последовательно выполнено зеркальная конструкция в виде высококонтрастной решетки, окруженной материалом с низким показателем преломления, активная область, имеющая множество квантовых ям, выполненных с возможностью генерации лазерного излучения и выходное зеркало в виде РБО.

Недостатками известного вертикально излучающего лазерного устройства являются недостаточно высокий коэффициент отражения из-за отсутствия воздуха под высококонтрастной решеткой, вследствие чего имеет место паразитные потери мощности и более низкая излучательная эффективность.

Известно вертикально излучающее лазерное устройство (см. WO 2019217444, МПК H01S 5/183, H01S 5/343, H01S 5/10, опубл. 14.11.2019), включающее подложку, на которой последовательно сформированы зеркальный отражатель в виде РБО, активная область и выходное зеркало в виде высококонтрастной решетки. Вокруг высококонтрастной решетки выполнен воздушный зазор, а сама решетка расположена на микроэлектромеханической системе.

Недостатком известного вертикально излучающего лазерного устройства является отсутствие возможности технологического управления спектральными характеристиками высококонтрастной решетки, а конструкция высококонтрастной решетки не основана на простой и доступной технологии кремния на изоляторе.

Известно вертикально излучающее лазерное устройство (см. WO 2019217794, МПК H01S 5/183, опубл. 14.11.2019), включающее активную область, расположенную между нижним отражателем, выполненным в виде РБО и верхним отражателем, выполненными из высококонтрастной решетки, содержащей оксид с низким показателем преломления, образованный из разделительного слоя, при этом решетка имеет высокий показатель преломления. Устройство содержит слой оксидной апертуры, расположенный выше активной области и ниже верхнего отражателя.

Недостатками известного вертикально излучающего лазерного устройства являются недостаточно высокий коэффициент отражения высококонтрастной решетки из-за наличия воздушного зазора только с одной стороны решетки, а также отсутствие возможности технологического управления спектральными характеристиками высококонтрастной решетки по причине того, что конструкция высококонтрастной решетки не основана на простой и доступной технологии кремния на изоляторе.

Известно вертикально излучающее лазерное устройство (см. CN 113708214, МПК H01S 5/10, H01S 5/183, H01S 5/34, опубл. 11.07.2023), включающее подложку из GaAs, на которой последовательно сформированы глухое зеркало в виде РБО, активная область и выходное зеркало из высококонтрастной решетки.

Из-за окружения невоздушными слоями высококонтрастной решетки выходного зеркала коэффициент отражения оказывается недостаточно высокий, что приводит к значительным потерям выходного излучения, к повышению порогового тока и ухудшению излучательной эффективности, а также к снижению температурной стабильности.

Известно вертикально излучающее лазерное устройство (см. US 20110280269, МПК H01S 5/026, опубл. 17.11.2011), включающее первое зеркало, выполненное в виде РБО, активную область, содержащую множество квантовых ям и волноводные слои, туннельный переход поверх слоя активной области, полость вертикального резонатора, высококонтрастную решетку, работающую в качестве второго зеркала, расположенного в воздухе над вертикальной резонаторной полостью.

Недостатком известного вертикально излучающего лазерного устройства является отсутствие возможности технологического управления спектральными характеристиками высококонтрастной решетки по причине того, что конструкция высококонтрастной решетки не основана на простой и доступной технологии кремния на изоляторе.

Известно вертикально излучающее лазерное устройство (см. ЕР 3130045, МПК H01S 5/183, H01S 5/026, H01S 5/10, опубл. 15.02.2017), включающее подложку кремний на изоляторе, на которой последовательно сформированы глухое зеркало из РБО, активная область и выходное зеркало в виде высококонтрастной решетки, с одной стороны которого воздушный зазор, а с другой стороны - InP.

Недостатком известного вертикально излучающего лазерного устройства является малый коэффициент отражения выходного зеркала, приводящий к ухудшению излучательной эффективности, а также к снижению температурной стабильности.

Известно вертикально излучающее лазерное устройство (см. WO 2013110004, МПК H01S 5/183, опубл. 25.07.2013), включающее подложку, выполненную из Si или из кремний на изоляторе, или из нитрида алюминия, или из нитрида галлия, или из сапфира, или из полупроводниковых материалов А3Б5, поверх которой последовательно выполнено глухое зеркало в виде высококонтрастной решетки, у которой только нижняя часть воздушная, активная область, выходное зеркало в виде высококонтрастной решетки, окруженной воздухом. В вертикально излучающем лазерном устройстве выходное зеркало может быть открыто и расположено на расстоянии от лазерной полости через воздушный зазор, который может быть изменен.

В известном вертикально излучающем лазерном устройстве из-за недостаточно высокого коэффициента отражения глухого зеркала на основе высококонтрастной решетки имеют место паразитные потери мощности и более низкая излучательная эффективность.

Известно вертикально излучающее лазерное устройство (см. ЕР 3785339, МПК H01S 5/183, H01S 5/022, H01S 5/024, H01S 5/187, опубл. 03.03.2021), содержащее подложку, обеспечивающую прохождение через нее света, выполненную из Si или из кремний на изоляторе, или из твердого раствора кремния и германия, или из фосфида индия, или из сапфира, или из полупроводниковых материалов А3Б5, поверх которой последовательно выполнено выходное зеркало в виде РБО, активная область, глухое зеркало, включающее РБО, высококонтрастную решетку и металлическое зеркало.

Недостатками известного вертикально излучающего лазерного устройства является наличие паразитных отражений от поверхностей подложки.

Известно вертикально излучающее лазерное устройство (см. WO 2012149497, МПК H01S 5/183, опубл. 01.11.2012), совпадающее с настоящим техническим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятое за прототип. Вертикально излучающее лазерное устройство-прототип включает подложку кремний на изоляторе, к которой прикреплена лазерная гетероструктура в виде верхней половины вертикально излучающего лазера, содержащей активную область, расположенную между нижним и верхним эмиттерными слоями, и верхнее зеркало, расположенное над верхним эмиттерным слоем, а в верхнем кремниевом слое подложки сформировано нижнее зеркало в виде высококонтрастной решетки.

Недостатками известного вертикально излучающего лазерного устройства является недостаточно высокий коэффициент отражения зеркала на основе высококонтрастной решетки, паразитные потери мощности и более низкая излучательная эффективность.

Задачей настоящего изобретения является разработка вертикально излучающего лазерного устройства, которое бы имело повышенную излучательную эффективность и сниженные паразитные потери мощности, и которое бы могло послужить основой для создания системы мультиспектральных источников на базе одного кремниевого чипа.

Поставленная задача решается тем, что вертикально излучающее лазерное устройство включает подложку кремний на изоляторе, к которой прикреплена лазерная гетероструктура в виде верхней половины вертикально излучающего лазера, содержащей активную область, расположенную между верхним и нижним эмиттерными слоями, и верхнее зеркало, расположенное над верхним эмиттерным слоем, а в верхнем кремниевом слое подложки сформировано нижнее зеркало. Новым в вертикально излучающем лазерном устройстве является то, что между подложкой и нижним эмиттерным слоем расположен по меньшей мере один неметаллический слой, по обе стороны от нижнего зеркала соответственно в подложке и по меньшей мере в одном неметаллическом слое выполнены соосные отверстия, а слои между нижним и верхним эмиттерными слоями окружены воздушным зазором, соосным с отверстием в подложке.

Верхнее зеркало может быть выполнено в виде РБО, например, на основе пар слоев AlGaInAs/AlInAs или AlGaInAs/InP, или в виде высококонтрастной решетки, например, на основе кремния.

Нижнее зеркало в кремниевом слое подложки может быть выполнено в виде высококонтрастной решетки путем травления параллельных сквозных штрихов в кремниевом слое подложки.

Неметаллический слой может быть выполнен из диэлектрика, например, из диоксида кремния.

Неметаллический слой может быть выполнен из полимера, например, из дивинилсилоксан-бис-бензоциклобутена.

Неметаллический слой может быть выполнен из полупроводника, например, из InP.

Активная область и подложка могут быть соответственно выполнены: активная область из AIGaInAs или GaInAsP, а подложка из InP.

Активная область и подложка могут быть соответственно выполнены: активная область из InGaAs, InGaP, InGaAsSb, GaAsSb, GaInNAs, GaInNAsSb или из InAs, а подложка из GaAs.

Эмиттерные слои могут быть выполнены из InP, или из твердого раствора, в состав которого могут входить элементы Al, Ga, In, As, Р, или из твердого раствора, в состав которого могут входить элементы Ga, In, N, As, Sb.

В результате кремниевые сегменты высококонтрастной решетки, сформированные в кремниевом слое подложки кремний на изоляторе, полностью окружены воздухом, и решетка будет обладать максимальным коэффициентом отражения, что повысит излучательную эффективность, снизит пороговый ток и увеличит температурную стабильность вертикально излучающего лазерного устройства. При использовании технологии гетерогенной интеграции обе половины вертикально излучающего лазерного устройства объединяют в единое целое. Мультиспектральность в рамках одного кремниевого чипа будет достигнута путем формирования высококонтрастных решеток, различающихся периодом и коэффициентом заполнения кремниевыми сегментами.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где схематически изображена в разрезе структура вертикально излучающего лазерного устройства.

Настоящее вертикально излучающее лазерное устройство содержит подложку 1 из кремний на изоляторе, включающую последовательно расположенные слои: основание 2 из кремния, средний слой 3 из диэлектрика, выполненного, например, из диоксида кремния SiO₂ и верхний слой 4 из кремния Si. На подложке 1 через по меньшей мере один неметаллический слой 5, задающий длину воздушной полости внутри резонатора лазерного устройства, а также служащий для адгезии при гетерогенной интеграции, выполненный, например, либо из полимера, например, из дивинилсилоксан-бис-бензоциклобутена, либо из диэлектрика, например, из диоксида кремния SIO₂, либо из полупроводника, например, из InP, прикреплена лазерная гетероструктура 6 в виде верхней половины вертикально излучающего лазера, включающей активную область 7, расположенную между верхним эмиттерным слоем 8, выполненным, например, из InP, или из твердого раствора, в состав которого могут входить элементы Al, Ga, In, As, Р, или из твердого раствора, в состав которого могут входить элементы Ga, In, N, As, Sb, n-типа или р-типа проводимости, и нижним эмиттерным слоем 9, выполненным, например, из или InP, или из твердого раствора, в состав которого могут входить элементы Al, Ga, In, As, Р, или из твердого раствора, в состав которого могут входить элементы Ga, In, N, As, Sb, n-типа или р-типа проводимости, и верхнее зеркало 10, которое может быть выполнено в виде РБО, например, на основе пар слоев AlGaInAs/AlInAs или AlGaInAs/InP, или в виде высококонтрастной решетки, например, на основе кремния Si. Активная область 7 включает волноводные слои (на чертеже не показаны) и может включать набор слоев 11, образующий туннельный переход, служащий для того, чтобы в случае, когда анодный (положительный) контакт лежит на верхнем эмиттерном слое 8 n-типа проводимости, при работе лазерного устройства из верхнего эмиттерного слоя 8 в активную область 7 инжектировались дырки, а из нижнего эмиттерного слоя 9 с катодным (отрицательным) контактом инжектировались электроны, что упрощает технологию изготовления лазерного устройства за счет формирования унифицированной контактной композиции к эмиттерным слоям 8 и 9, если слои 8 и 9 выполнены из одинакового материала, а выбор материала с высокой подвижностью для эмиттерных слоев 8 и 9 позволяет снизить сопротивление лазерного устройства и улучшить его выходные характеристики. В верхнем слое 4 из кремния сформировано нижнее зеркало 12 в виде высококонтрастной решетки путем травления параллельных сквозных штрихов в кремниевом слое 4 подложки 1. По обе стороны от нижнего зеркала 12 в слоях 2, 3 и 5 выполнены соосные отверстия 13, 14 и 15, а слои активной области 7, набор слоев 11 и верхний эмиттерный слой 8 окружены кольцевым воздушным зазором 16, соосным с отверстиями 13-15, внутренний диаметр которого, наряду с оптическими свойствами слоев активной области 7, определяет форму оптической моды в резонаторе лазерного устройства. Верхнее зеркало 10 покрыто отражающим слоем 17, например, из золота, поверх которого сформирован один из электродов 18 лазерного устройства (например, положительный), закрепленный на нижнем эмиттерном слое 9 через диэлектрик 19, например из Si₃N₄. Второй электрод 20 лазерного устройства (например, отрицательный) соединен с нижним эмиттерным слоем 9 и частично изолирован диэлектриком 19, например из Si3N₄, для уменьшения площади контакта электрода 20 с нижним эмиттерным слоем 9, что упрощает технологию изготовления лазерного устройства.

Вертикально излучающее лазерное устройство работает следующим образом. Лазерное устройство подключают к постоянному или переменному электрическому источнику. На электроды 18 и 20 подают разность потенциалов от, например, постоянного источника напряжения так, что положительный потенциал соответствует анодной области (например, эмиттерный слой 8 n-типа проводимости и набор слоев 11, образующий туннельный переход, или, например, эмиттерный слой 8 р-типа проводимости без набора слоев 11, образующих туннельный переход), а отрицательный - катодной области (например, эмиттерный слой 9 n-типа проводимости). При этом лазерное устройство находится в открытом состоянии, если прикладываемая разность потенциалов больше напряжения отсечки лазерного устройства, что обеспечивает протекание тока через лазерное устройство. С целью электрической изоляции контактных площадок электродов 18 и 20 на эмиттерный слой 9 наносят слой 19 из диэлектрика. Пропускаемый ток поставляет носители заряда в активную область 7 лазерной гетероструктуры, лежащей в основе верхней половины 6 лазерного устройства. Активная среда (слои активной области 7, например, квантовые ямы или, например, квантовые точки) и резонатор, образованный зеркалами 10 и 12, обеспечивают лазерную генерацию при пропускаемом токе выше порогового тока. Лазерная генерация проявляется в форме лазерного излучения, выходящего из резонатора, образованного зеркалами 10 и 12. Мощность выходящего лазерного излучения, помимо параметров структуры лазерного устройства, зависит от величины пропускаемого тока. Форма моды в сечении, перпендикулярной оси резонатора, образованного зеркалами 10 и 12, определяется внутренним диаметром кольцевого воздушного зазора 16 и показателями преломления слоев активной области 7. Благодаря тому, что коэффициент отражения нижнего зеркала 12 меньше, чем верхнего зеркала 10, излучение из лазерного устройства будет выводиться через зеркало 12, которое сформировано в слое 4 подложки 1 из кремний на изоляторе. С целью достижения максимального коэффициента отражения зеркала 10 сверху зеркала 10 наносится слой 17, например, из золота. С целью достижения максимального коэффициента отражения зеркала 12 над зеркалом 12 в слоях 5 и под зеркалом 12 в слое 3 формируют воздушные отверстия 14 и 15. При этом важно, чтобы оси отверстий 13, 14, 15 совпадали с осью резонатора лазерного устройства. В слое 2 сформировано воздушное отверстие 13 для предотвращения паразитного эффекта от оптической обратной связи лазерного устройства и слоя 2 подложки 1 из кремний на изоляторе.

Пример. Длина волны генерации лазерного устройства из диапазона 1100-2000 мкм была выбрана равной 1530 нм. Подложка из кремний на изоляторе включала основание из кремния толщиной 300 мкм, средний слой из диоксида кремния толщиной 2 мкм, и верхний слой из кремния толщиной 400 нм, в котором с помощью стандартных литографических методов была изготовлена высококонтрастная решетка с периодом 1055 нм, числом периодов 12, коэффициентом заполнения штрихами решетки 50.4%. В основании из кремния и в среднем слое из диоксида кремния методом реактивного ионного травления были вытравлены отверстия. На подложке через набор слоев, включающих последовательно адгезионный слой (дивинилсилоксан-бис-бензоциклобутен) толщиной 20 нм и слой диоксида кремния толщиной 340 нм, было вытравлено отверстие методом реактивного ионного травления, гетерогенно была интегрирована посредством адгезионного слоя из набора слоев лазерная гетероструктура, эпитаксиально выращенная с помощью метода молекулярно-пучковой эпитаксии, в виде верхней половины вертикально излучающего лазера, включающей активную область, расположенную между верхним эмиттерным слоем, выполненным из InP толщиной 970 нм р-типа проводимости, и нижним эмиттерным слоем, выполненным из InP толщиной 970 нм n-типа проводимости, и верхнее зеркало, которое выполнено в виде РБО на основе 28 пар слоев, каждая из которых содержит слой из AlGalnAs (толщина 115 нм, композиционная длина волны 1 мкм) и слой из AlInAs (толщина 120 нм), и слоя из золота. Слой из золота также покрывал верхний эмиттерный слой. Активная область включала волноводные слои из AlGaInAs (равные толщины по 163 нм, одинаковая композиционная длина волны 1.2 мкм), которые прилегали к эмиттерным слоям, семь слоев с квантовыми ямами из InGaAlAs с толщинами по 7.5 нм, которые разделялись слоями из InGaAlAs (толщины по 13.2 нм, композиционная длина волны 1.2 мкм), причем крайние квантовые ямы прилегали к слоям из InGaAlAs (толщины по 6 нм, композиционная длина волны 1.2 мкм), которые прилегали к волноводным слоям. Внутренний диаметр воздушного кольца, окружающего слои активной области, и соосный с отверстиями, был равен 6 мкм, при этом в резонаторе лазерного устройства возбуждается фундаментальная оптическая мода. Поверх слоя из золота и частично поверх слоя из диоксида кремния был сформирован положительный электрод лазерного устройства. Второй отрицательный электрод лазерного устройства был сформирован частично поверх нижнего эмиттерного слоя и частично поверх слоя из диоксида кремния. Коэффициент отражения от созданного зеркала составлял 99.73%, в то время как при отсутствии воздушного кольца коэффициент отражения был равен 98.5%. Коэффициент отражения является ключевым параметром, характеризующим эффективность работы лазерного устройства. Расчеты показывают, что увеличение коэффициента отражения на 1.23% приводит к снижению пороговой плотности тока в 10 раз (при эффективной длине резонатора лазерного устройства 3 мкм) и достижению большей выходной оптической мощности при одном значении пропускаемого тока. Например, при отличии пороговых плотностей тока в 10 раз и пороговом токе 1 мА лазерного устройства, при пропускаемом токе 11 мА выходная мощность лазерного устройства в 10 раз выше. Также в настоящем устройстве полностью устраняется оптическая обратная связь с внешними по отношению к резонатору, образованного зеркалами, элементами, которая приводит к скачкам на ватт-амперной характеристике лазерного устройства.

Изобретение относится к вертикально-излучающим лазерным устройствам на основе гетероструктур, работающим в инфракрасном диапазоне. Вертикально излучающее лазерное устройство включает подложку кремний на изоляторе, к которой прикреплена лазерная гетероструктура в виде верхней половины вертикально излучающего лазера, содержащей активную область, расположенную между нижним и верхним эмиттерными слоями, и верхнее зеркало, расположенное над верхним эмиттерным слоем, а в верхнем кремниевом слое подложки сформировано нижнее зеркало в виде высококонтрастной дифракционной решетки. Между подложкой и нижним эмиттерным слоем расположен по меньшей мере один неметаллический слой. По обе стороны от нижнего зеркала соответственно в подложке и по меньшей мере в одном неметаллическом слое выполнены соосные отверстия, а слои между верхним и нижним эмиттерными слоями окружены кольцевым воздушным зазором, соосным с отверстием в подложке. Технический результат - повышение излучательной эффективности и снижение паразитных потерь мощности. 6 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Вертикально излучающее лазерное устройство, включающее подложку кремний на изоляторе, к которой прикреплена лазерная гетероструктура в виде верхней половины вертикально излучающего лазера, содержащей активную область, расположенную между нижним и верхним эмиттерными слоями, и верхнее зеркало, расположенное над верхним эмиттерным слоем, а в верхнем кремниевом слое подложки сформировано нижнее зеркало, отличающееся тем, что между подложкой и нижним эмиттерным слоем расположен по меньшей мере один неметаллический слой, по обе стороны от нижнего зеркала соответственно в подложке и по меньшей мере в одном неметаллическом слое выполнены соосные отверстия, а слои между нижним и верхним эмиттерными слоями окружены воздушным зазором, соосным с отверстием в подложке.

2. Лазерное устройство по п. 1, отличающееся тем, что верхнее зеркало выполнено в виде распределенного Брэгговского отражателя.

3. Лазерное устройство по п. 1, отличающееся тем, что верхнее зеркало выполнено в виде высококонтрастной решетки.

4. Лазерное устройство по п. 1, отличающееся тем, что нижнее зеркало выполнено в виде высококонтрастной решетки.

5. Лазерное устройство по п. 1, отличающееся тем, что неметаллический слой выполнен из диэлектрика.

6. Лазерное устройство по п. 5, отличающееся тем, что неметаллический слой выполнен из полимера.

7. Лазерное устройство по п. 1, отличающееся тем, что неметаллический слой выполнен из полупроводника.