Способ изготовления гетероструктуры полупроводникового лазера ближнего инфракрасного диапазона с безалюминиевой активной областью Российский патент 2025 года по МПК H01S5/323 

Изобретение относится к лазерной технике, а именно к способу формирования квантоворазмерной гетероструктуры с безалюминиевой активной областью на основе твердых растворов GaInAsP на подложках GaAs методом МОС-гидридной эпитаксии.

Изобретение может быть применено для изготовления мощных одиночных лазеров, лазерных линеек и решеток ближнего инфракрасного диапазона спектра с длиной волны 730-1100 нм, работающих в импульсном, квазинепрерывном и непрерывном режимах, используемых для накачки твердотельных и волоконных лазеров, применяемых в различных отраслях промышленности для резки, сварки различных материалов, лазерной локации, дальнометрии и трехмерной лазерной печати из металлических порошков.

Формирование структурно совершенных эпитаксиальных гетероструктур с квантовыми ямами (далее по тексту КЯ), обладающих повышенными излучательными и электрофизическими свойствами, необходимо для разработки и изготовления полупроводниковых лазеров, работающих в спектральном диапазоне 730-1100 нм, причем является одной из чрезвычайно сложных конструктивно-технологических задач.

Известно, что традиционно используемые для создания упомянутых полупроводниковых лазеров гетероструктуры AlGaAs/GaAs, без применения специальных дорогостоящих технологических мер по изготовлению активных элементов и обработки поверхностей зеркальных граней кристалла, подвержены быстрой деградации лазерных характеристик ввиду наличия вредных примесных атомов на поверхности сколотой грани и в глубине полупроводника, выступающих в качестве центров безызлучательной рекомбинации. Поэтому наиболее целесообразным способом повышения мощности излучателя является использование гетероструктур на основе материалов с потенциально минимальной концентрацией безызлучательных центров и низкой скоростью поверхностной рекомбинации, например, на основе гетероструктур, свободных от алюминия в волноводных областях и в активной области с одной КЯ, и при наличии большего количества КЯ, в ее барьерных слоях, а именно, для системы GanP-GaInAsP-GaInP.

Известен способ изготовления гетероструктуры полупроводникового лазера ближнего инфракрасного диапазона методом МОС-гидридной эпитаксии [см. Патент US005889805A, МПК G02F3/02, H01L33/00, H01S 5/343, опубл. 30.03.1999], включающий последовательное выращивание изопериодных по параметру кристаллической решетки подложки GaAs n-типа, по меньшей мере, первого обкладочного слоя n-AlGalnP, нелегированных первого волноводного слоя GaInP, активной области, содержащей по крайней мере один слой КЯ GaInAsP, второго волноводного слоя GalnP и второго обкладочного слоя p-AlGaInP.

К недостаткам такого способа выращивания изготовления гетероструктуры можно отнести отклонение от прямоугольного профиля химического состава КЯ, что приводит к смещению положения уровней размерного квантования и увеличению ширины спектра излучения полупроводникового лазера. Также происходит отклонение ее стенок от строго вертикального положения и, как следствие, снижение ограничения носителей заряда в КЯ, приводящее к уменьшению излучательной эффективности и коэффициента полезного действия полупроводникового лазера. Упомянутое отклонение происходит вследствие наличия эффекта перераспределения индия в приповерхностном слое КЯ GalnAsP со стороны подложки GaAs, из-за значительного отличия размеров атомов индия по сравнению с размерами атомов галлия, а также перераспределения фосфора и мышьяка в приповерхностном слое КЯ GalnAsP со стороны подложки GaAs из-за различных коэффициентов встраивания указанных атомов в кристаллическую решетку и динамики их доставки в зону роста. «В процессе роста КЯ InGaAs/(Al)GaAs часть атомов индия не сразу встраивается в кристаллическую решетку ЭС, а накапливается в приповерхностном адсорбционном слое и внедряется в слой позднее. Это приводит к смещению пика профиля распределения индия в сторону растущей поверхности.» [см. «МОС-гидридная эпитаксия в технологии материалов фотоники и электроники» Акчурина Р.Х. и Мармалюка А.А., главу 9.3.2 со с. 336, абзац 2 по с. 343, Москва: ТЕХНОСФЕРА, 2018 (488 с. ISBN 978-5-94836-521-3)].

Из большого числа работ известно, что для подавления эффекта перераспределения индия в слое КЯ между первым волноводным слоем GalnP и слоем КЯ GaInAsP вводят промежуточный слой GaP толщиной 0,15 нм-1,0 нм, как следует из ряда работ, см, например, [«Metalorganic Chemical Vapor Deposition Growth and Characterization of InGaP/GaAs Superlattices», X.B. Zhang, J.H. Ryou at other, Journal of ELECTRONIC MATERIALS, Vol.35, No. 4, 2006, pp.705-710; «Interface control in GaAs/GaInP superlattices grown by OMCVD» R. Bhat, M.A. Koza at other, Journal of Crystal Growth, 124, (1992), pp.576-582; «Formation of interfaces in InGaP/GaAs/InGaP quantum wells», R. Kudela, M. Kucera at other, Journal of Crystal Growth, 212, (2000), pp.21-28; «Optimization of OMVPE-grown GaInP/GaAs quantum well interfaces)), S.W. Chiou, CP. Lee at other, Journal of Crystal Growth, 206, (1999)].

Перераспределение фосфора и мышьяка в приповерхностном слое КЯ GalnAsP со стороны подложки GaAs при простом введении гидрида мышьяка AsH₃ в парогазовую смесь (ПГС), уже содержащую гидрид фосфора РНз, объясняется различными скоростями адсорбции/десорбции атомов фосфора и мышьяка на поверхности роста, осложняется процессами доставки указанных атомов к поверхности роста через газовую фазу в выбранном методе получения МОС-гидридной эпитаксии, при этом, на начальном этапе роста слоя GalnAsP концентрация молекул источника мышьяка в ПГС и, соответственно, концентрация атомов мышьяка в составе слоя GalnAsP со стороны подложки GaAs превышает заданную. Аналогичный процесс происходит и при прекращении подачи арсина в ПГС, когда после КЯ GalnAsP начинают выращивать волноводный слой GalnP, в составе этого слоя наблюдается некоторая концентрация атомов мышьяка, спадающая по мере удаления от КЯ.

Известны предложения по компенсации этого эффекта различными технологическими способами и приемами, например, изложенными в ряде статей.

Так авторами в [«Interface control in GaAs/GaInP superlattices grown by OMCVD», R. Bhat, M.A. Koza at other, Journal of Crystal Growth, 124 (1992), pp.576-582] предложено после выращивания КЯ, в данном случае слоя GaAs, и перед выращиванием второго волноводного слоя GalnP, вводить последовательные остановки роста на 2 с. в атмосфере водорода и на 0,5 с. в атмосфере гидрида фосфора.

Авторы другой работы [«Properties of (In,Ga)(As,P)/GaAs interfaces grown under different metalorganic vapor phase epitaxy conditions)), A. Knauer, P. Krispin at others, Journal of Crystal Growth, 248, (2003), pp.364-368] при осаждении слоя КЯ GaAs на слое GalnP рост прерывали на некоторое время при подаче РН₃, а чтобы начать далее рост КЯ GaAs, выключали РН₃ и далее, после остановки, включали AsH₃.

Наиболее близким является способ изготовления гетероструктуры полупроводникового лазера ближнего инфракрасного диапазона, выбранный в качестве прототипа, изложенный в работе [«Characterization of InGaP/GaAs heterointerfaces grown by metal organic vapour phase epitaxy)), Т.К. Sharma, B.M. Arora at other, Journal of Crystal Growth, 221, (2000), pp.509-514], включающий выращивание методом МОС-гидридной эпитаксии на подложке GaAs n-типа проводимости слоев, изопериодных с ней по параметру кристаллической решетки (за исключением слоя GaP), по меньшей мере первого нелегированного волноводного слоя GalnP, нелегированного промежуточного слоя GaP, КЯ состава GaAs, второго нелегированного волноводного слоя GalnP, при использовании сменяемых в заданном порядке потоков паро- и газообразных источников элементов III группы периодической системы, а именно триметилгаллия, триметилиндия и V группы периодической системы элементов - гидрида фосфора и гидрида мышьяка, при температуре роста 670°С и давлении 100 Торр (в единицах СИ равно 13329 Па), при этом последовательно растили слои InGaP и GaP, прерывали рост на 1 с. в атмосфере РН₃, затем выключали РН₃, подавали AsH₃, и начинали рост КЯ GaAs, далее, после выращивания GaAs требуемой толщины, прекращали рост на 1 с. и заменяли арсин на фосфин, затем начинали рост GalnP.

Недостатками предложенного варианта, как и двух предшествующих, являются недостаточная компенсация различий скорости доставки указанных атомов к поверхности роста через газовую фазу и отсутствие учета разложения поверхности слоя GaP в ходе остановки роста даже в атмосфере гидрида фосфора вследствие очень высокого давления насыщенных паров фосфора при типичных температурах выращивания эпитаксиальных слоев методом МОС-гидридной эпитаксии, что приводит к формированию дефектов кристаллической решетки и неоднородностей состава по площади поверхности гетероструктуры на границе слоя КЯ GalnAsP со слоем GaP. В итоге упомянутые факторы понижают КПД и ресурс работы полупроводникового лазера, изготовленного из выращенной гетероструктуры.

Техническим результатом, на достижение которого направлен заявляемый способ изготовления гетероструктуры полупроводникового лазера ближнего инфракрасного диапазона, является повышение коэффициента полезного действия полупроводниковых лазеров непрерывного режима работы, изготавливаемых из гетероструктуры, полученной предложенным способом, до 65% при стабилизации данного результата и увеличение их ресурса работы в 20 раз.

Технический результат достигается тем, что предложен способ изготовления гетероструктуры полупроводникового лазера ближнего инфракрасного диапазона, включающий выращивание методом МОС-гидридной эпитаксии на подложке GaAs n-типа проводимости, по меньшей мере первого нелегированного волноводного слоя GalnP, нелегированного промежуточного слоя GaP, нелегированной активной области, включающей по меньшей мере одну квантовую яму, второго нелегированного волноводного слоя GalnP, при использовании сменяемых в заданном порядке потоков паро-и газообразных источников металлорганических соединений, включающих элементы III группы периодической системы, а также гидридов фосфора и мышьяка, включающих элементы V группы периодической системы, при температуре роста 670°С и давлении 13329 Па, при этом отличием от известного решения является то, что все слои гетероструктуры выращивают в диапазоне температур от 580°С до менее 670°С и от более 670°С до 720°С, и давлений от 3000 до менее 10000 Па, выбирают квантовую яму состава GalnAsP, кроме того упомянутые слои гетероструктуры, содержащие в качестве элемента V группы периодической системы только фосфор, выращивают из двух потоков источников гидрида фосфора с мольными расходами n1_PH3 и n_2PH3 и после выращивания нелегированного промежуточного слоя GaP при переходе к выращиванию слоя упомянутой квантовой ямы GalnAsP прекращают подачу потока источника гидрида фосфора с мольным расходом n2_PH3 и одновременно начинают подачу потока источника гидрида мышьяка с мольным расходом n_AsH3, а при переходе к выращиванию слоя GalnP производят обратное переключение, прекращая подачу потока гидрида мышьяка с мольным расходом n_AsH3 и одновременно вместо него начиная подачу потока гидрида фосфора с мольным расходом n_2PH3, причем значения мольных расходов n1_PH3, n2_PH3, n_AsH3 потоков источников определяют из системы формул:

где

- константы в выражениях зависимости значений динамической вязкости газообразных источников элементов V группы периодической системы от температуры, которые вычисляют эмпирическим путем, at- температура газообразных источников элементов V группы периодической системы;

где

Σn_ш- сумма мольных расходов потоков источников элементов III группы периодической системы, используемых при выращивании слоя квантовой ямы GalnAsP, и определяемая эмпирически для слоя заданного состава и скорости выращивания,

С - соотношение сумм мольных расходов потоков источников элементов V и III групп периодической системы, используемых при выращивании слоя квантовой ямы GalnAsP, соответствующее максимальному значению интенсивности фотолюминесценции квантовой ямы GalnAsP и определяемое эмпирическим путем; и

где

у - атомная доля мышьяка в слое квантовой ямы GalnAsP,

К - коэффициент вхождения элементов V группы периодической системы из газовой фазы в твердую, определяемый эмпирическим путем для заданной температуры выращивания.

Кроме того, заявленный технический результат также достигается тем, что металлорганическими соединениями могут быть выбраны либо триметилгаллий и триметилиндий, либо триэтилгаллий и триэтилиндий, либо триметилгаллий и триэтилиндий, либо триэтилгаллий и триметилиндий.

Предложенная совокупность существенных признаков позволила полностью реализовать заявленный технический результат: повышение коэффициента полезного действия лазерных излучателей непрерывного режима работы, изготавливаемых из гетероструктуры, полученной предложенным способом, до 65% при стабилизации данного результата и увеличение их ресурса работы в 20 раз.

Выбранные диапазоны температур и давлений в реакторе эпитаксиальной установки, времена выращивания при известности диапазонов толщин слоев, а также значения соответствующих мольных расходов потоков источников элементов III и V групп периодической системы, определяемые предложенными математическими формулами, и порядок их коммутации для каждого из выращиваемых слоев гетероструктуры, особенно для промежуточного слоя GaP и квантовой ямы GalnAsP, приводят к получению резких гетерограниц между слоями и к повышению однородности состава и толщины квантовой ямы GalnAsP по площади гетероструктуры. Это обеспечило высокое кристаллическое совершенство и хорошие электрофизические параметры выращенной гетероструктуры, высокие фото-и электролюминесцентные характеристики слоя квантовой ямы GalnAsP.

Используемые эмпирически определенные данные в предложенной расчетной модели (например, константы в выражениях зависимости значений динамической вязкости газообразных источников элементов V группы периодической системы элементов от температуры которые вычисляют эмпирическим путем на основе известных традиционных физических методов, и др. (см., например, [Таблицы физических величин. Справочник. Под ред. акад. И.К. Кикоина. М.: Атомиздат, 1976, 1008 с; Физические величины. Справочник. А.П. Бабичев, Н.А. Бабушкина, A.M. Братковский и др., под ред. И.С.Григорьева, Е.З. Мейлихова. М.: Энергоатомиздат, 1991, 1232 с; Голубев И. Ф. Вязкость газов и газовых смесей (Справочное руководство), М.: ГИФМЛ, 1959, 375 с. ]), позволили значительно улучшить воспроизводимость процесса выращивания, что привело в итоге к получению значительно более совершенных гетероструктур для достижения поставленного технического результата.

Вследствие этого увеличено количество качественных лазерных диодов, производимых из одной гетероструктуры, с практически одинаковыми повышенными излучательными и электрофизическими характеристиками по поверхности гетероструктуры и позволило значительно увеличить их ресурс работы - в 20 раз.

Решение оригинально, просто, по существу, легко и стабильно воспроизводимо от процесса к процессу.

Авторами в 2020 году на международной конференции "НАНОФИЗИКА И НАНОЭЛЕКТРОНИКА. Труды XXIV Международного симпозиума 10-13 марта 2020 г., Нижний Новгород" было анонсировано проведение работ в данной области и первые полученные нами результаты (см. [Тезисы «Гетероструктуры GaInP/GaAs с напряженно-растянутыми квантовыми ямами InGaAsP» М.А. Ладугин, А.Ю. Андреев и др., Том 2, Секции 3, 5, с. 643-644.]). Было заявлено, что в ряде случаев возможно получить КПД равным 60%, сведений о ресурсе работы не было. Требовалась доразработка технологии.

По имеющимся у авторов сведениям, совокупность существенных признаков, характеризующих сущность заявляемого изобретения, неизвестна и не следует из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию "Новизна".

По мнению авторов, сущность заявляемого изобретения - предложенная совокупность признаков, не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники, и в публикациях на дату подачи отсутствуют данные о достижении упомянутого полученного технического результата, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию "Изобретательский уровень".

Технологическая реализация изобретения не представляет трудностей, основана на известных базовых технологических процессах, которые к настоящему времени хорошо разработаны и широко применяются при изготовлении гетероструктуры полупроводникового лазера. Предложение удовлетворяет критерию "промышленная применимость".

Настоящее изобретение поясняется фиг. 1-3.

На фиг. 1 схематически изображена последовательность наращивания слоев полученной гетероструктуры.

На фиг. 2 показаны фотографии квантовой ямы GalnAsP на поперечном сколе гетероструктуры, сделанном на просвечивающем электронном микроскопе:

- на фиг. 2а изображен вид квантовой ямы GalnAsP, получаемой при изготовлении гетероструктуры по предлагаемому способу,

- на фиг. 2б изображен вид квантовой ямы GalnAsP, получаемой при изготовлении гетероструктуры способом, аналогичным способу-прототипа.

На фиг. 3 изображены спектры фотолюминесценции гетероструктуры, содержащей квантовую яму GalnAsP, и облучаемой лазером с длиной волны 532 нм:

- на фиг. 3а изображен спектр фотолюминесценции гетероструктуры, полученной по предлагаемому способу,

- на фиг. 3б изображен спектр фотолюминесценции гетероструктуры, полученной способом, аналогичным способу прототипа.

Последовательность обозначений на фиг. 1:

1 - подложка n-GaAs

2 - буферный слой n-GaAs

3 - обкладочный слой состава n-(Al_xGa_1-x)_0,52ln_0,48P

4 - первый волноводный слой состава Ga_0,52In_0,48P, нелегированный

5 - промежуточный слой состава GaP, нелегированный

6 - слой квантовой ямы состава Ga_0,99ln_0,01As_0,9P_0,1, нелегированный

7 - второй волноводный слой состава Ga_0,52ln_0,48P, нелегированный

8 - второй обкладочный слой состава p-(Al_xGa_1-x)_0,52ln_0,48P

9 - контактный слой состава p-GaAs

В дальнейшем изобретение поясняется конкретными вариантами его выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи. Приведенные примеры способа изготовления гетероструктуры (далее ГС) не являются единственными и предполагают наличие других реализаций, особенности которых отражены в совокупности признаков формулы изобретения.

Для доказательства достижения технического результата нами были проведены сравнительные выращивания рассматриваемой ГС предложенным нами способом и одним из известных методов, аналогичным выбранному прототипу [«Characterization of InGaP/GaAs heterointerfaces grown by metal organic vapour phase epitaxy», Т.К. Sharma, B.M. Arora at other, Journal of Crystal Growth, 221, (2000), pp.509-514].

Следует отметить, что конструкция рассматриваемой ГС известна и опубликована (см., например, [«Al Free Active Region High Power Laser Diode Array on Misoriented Wafers», Donghwan Kim, In-Sung Cho et al., FC3, CLEO, Pacific Rim '99, p.1095-1096]).

Пример №1.

В данном случае, следуя предложенному способу, ГС, изображенную на фиг. 1, полупроводникового лазера (далее ПЛ) ближнего инфракрасного диапазона с безалюминиевой активной областью, являющейся квантовой ямой (далее КЯ) 6, выращивали методом МОС-гидридной эпитаксии на подложке 1 n-GaAs<Si>(100), с разориентацией 10° к<111>, при давлении в реакторе 3000 Па и температуре подложкодержателей 660°С для всех слоев, кроме контактного слоя 9 p-GaAs, и температуре подложкодержателей 580°С для контактного слоя 9 p-GaAs. Рост проводили из паро- и газообразных потоков источников элементов III и V групп периодической системы триметилалюминия, триметилгаллия, триметилиндия, гидридов мышьяка (AsH₃) и фосфора (РН₃), моносилана, разбавленного водородом до концентрации 1000 объемных долей на миллион, для слоев n-типа проводимости и диэтилцинка (ДЭЦ) для слоев р-типа проводимости. Температуру источников элементов V группы периодической системы поддерживали равной 25°С.

При этом последовательно на подложке 1 n-GaAs наращивали:

буферный слой 2 состава n-GaAs (из источника галлия, гидрида мышьяка и моносилана, разбавленного водородом);

первый обкладочный слой 3 состава n-(Al_xGa_1-x)_0,52ln_0,48P, где х=0,5 (из источников алюминия, галлия, индия, гидрида фосфора и моносилана, разбавленного водородом);

первый волноводный слой 4 состава Ga_0,52ln_0,48P (из источников галлия, индия, гидрида фосфора);

промежуточный слой 5 состава GaP, в течение 1,0 секунды (из источника галлия, гидрида фосфора);

слой КЯ 6 состава Ga_0,99In_0,01As_0,9P_0,1 (из источников галлия, индия, гидрида мышьяка, гидрида фосфора);

второй волноводный слой 7 состава Ga_0,52ln_0,48P (из источников галлия, индия, гидрида фосфора);

второй обкладочный слой 8 состава p-(Al_xGa_1-x)_0,52ln_0,48P, где х=0,5 (из источников алюминия, галлия, индия, гидрида фосфора и диэтилцинка);

контактный слой 9 состава p-GaAs (из источника галлия, гидрида мышьяка и диэтилцинка).

При этом все фосфорсодержащие слои 3,4,5,7 и 8 за исключением КЯ 6 выращивали из двух потоков источников гидрида фосфора с мольными расходами n1_PH3, n2_PH3, а при выращивании слоя КЯ 6 прекращали подачу потока гидрида фосфора с мольным расходом n2_PH3 и одновременно вместо него начинали подачу потока гидрида мышьяка с мольным расходом n_AsH3, а при переходе к выращиванию второго волноводного слоя 7 состава Ga_0,52ln_0,48P производили обратное переключение: прекращали подачу потока гидрида мышьяка с мольным расходом n_AsH3 и одновременно вместо него начинали подачу потока гидрида фосфора с мольным расходом n2_PH3. Значения данных мольных расходов потоков гидридных газов рассчитывали в соответствии с решением предложенной системы уравнений:

где

- константы в выражениях зависимости значений динамической вязкости газообразных источников элементов V группы периодической системы от температуры, которые вычисляли эмпирическим путем, a t - температура газообразных источников элементов V группы периодической системы;

где

Σn_III - сумма мольных расходов потоков источников элементов III группы периодической системы, используемых при выращивании слоя квантовой ямы, и определяемая эмпирически для слоя заданного состава и скорости выращивания,

С - соотношение сумм мольных расходов потоков источников элементов V и III групп периодической системы, используемых при выращивании слоя квантовой ямы, соответствующее максимальному значению интенсивности фотолюминесценции квантовой ямы и определяемое эмпирическим путем; и

где

у - атомная доля мышьяка в слое квантовой ямы GalnAsP,

К - коэффициент вхождения элементов V группы периодической системы из газовой фазы в твердую, определяемый эмпирическим путем для заданной температуры выращивания.

Исходя из экспериментально определенных для заданной скорости роста слоя КЯ 6, равной 40 нм/мин, значений суммы мольных расходов потоков источников галлия и индия Σn_III=2,44⋅10^-4 моль/мин, значений констант в расчетных формулах: С=134, и известных значений атомной доли мышьяка в материале слоя квантовой ямы у=0,9 и температуры газообразных источников элементов V группы периодической системы t=25°С получили:

Вычисленные решением предложенной системы уравнений мольные расходы потоков n_AsH3=1,040⋅10^-2 моль/мин, n1_PH3=2,230⋅10^-2 моль/мин, n2_PH3=1,425⋅10^-2 моль/мин.

Далее приведены примеры предложенного способа выращивания ГС при вариации значений существенных признаков в пределах, установленных нами при исследованиях и отраженные в формуле изобретения. Введенные вариации подчеркнуты.

Пример № 2.

В данном варианте гетероструктуру полупроводникового лазера с безалюминиевой активной областью выращивали аналогично способу, изложенному в примере № 1, отличия состояли в том, что выращивание производили при давлении в реакторе 10000 Па и температуре подложкодержателей 720°С для всех слоев, кроме контактного слоя 9 состава p-GaAs, и температуре подложкодержателей 610°С для контактного слоя 9 состава p-GaAs, а в качестве источников галлия и индия использовали триэтилгаллий, триэтилиндий.

Вычисленные решением предложенной системы уравнений мольные расходы потоков n_AsH3=1,040⋅10^-2 моль/мин, n1_PH3=2,230⋅10^-2 моль/мин, n2_PH3=1,425⋅10^-2 моль/мин.

Пример № 3.

В данном варианте гетероструктуру полупроводникового лазера с безалюминиевой активной областью выращивали аналогично способу, изложенному в примере № 1, отличия состояли в том, что в качестве источника индия использовали триэтилиндий.

Вычисленные решением предложенной системы уравнений мольные расходы потоков n_AsH3=1,040⋅10^-2 моль/мин, n1_PH3=2,230⋅10^-2 моль/мин, n2_РН3=1,425-10^-2 моль/мин.

Пример № 4.

В данном варианте гетероструктуру полупроводникового лазера с безалюминиевой активной областью выращивали аналогично способу, изложенному в примере №1, отличия состояли в том, что в качестве источника галлия использовали триэтилгаллий.

Вычисленные решением предложенной системы уравнений мольные расходы потоков n_AsH3=1,040⋅10^-2 моль/мин, n1_PH3=2,230⋅10^-2 моль/мин, n_2PH3=1,425 10^-2 моль/мин.

Пример № 5

В следующем случае гетероструктуру полупроводникового лазера с безалюминиевой активной областью выращивали методом МОС-гидридной эпитаксии способом, аналогичным способу прототипа, [«Characterization of InGaP/GaAs heterointerfaces grown by metal organic vapour phase epitaxy», Т.К. Sharma, B.M. Arora at other, Journal of Crystal Growth, 221, (2000), pp.509-514], но при выборе гетероструктуры, аналогичной рассмотренной в примере № 1 и изображенной на фиг. 1 при составе квантовой ямы аналогичной ее составу в примере № 1 - КЯ 6 Ga_0,99ln_0,01As_0,9P_0,1.

Отличие данного способа-прототипа от способа, рассмотренного ранее в примере № 1, состояло в том, что при выращивании всех фосфорсодержащих слоев была использована только одна линия подачи потока гидрида фосфора с мольным расходом n1_PH3 такой величины, которая равна сумме величин мольных расходов n1_PH3 и n2_PH3 из примера №1, а величина мольного расхода n_AsH3 была выбрана так, чтобы обеспечить состав квантовой ямы, аналогичный примеру № 1.

Также отличия заключались в том, что:

после выращивания промежуточного слоя 5 состава GaP производили остановку длительностью в 1 секунду с прекращением подачи источника галлия, в течение которой через 0,5 секунды начинали подачу потока гидрида мышьяка с мольным расходом n_ASH3, а

после выращивания слоя КЯ 6 состава Ga_0,99ln_0,01As_0,9P_0,1 того же, что в примере № 1 производили остановку длительностью в одну секунду с прекращением подачи источников галлия и индия, в течение которой через 0,5 секунды прекращали подачу потока гидрида мышьяка с мольным расходом n_AsH3 и выращивали из источников галлия, индия, гидрида фосфора второй волноводный слой 7 состава Ga_0,52ln_0,48P, аналогично примеру № 1.

При этом значения Σn_III для слоя КЯ были выбраны такими же, как в примере № 1 - Σn_III=2,44⋅10^-4 моль/мин, а рассчитанные значения мольных расходов потоков гидридов мышьяка и фосфора составили n_ASH3=1,705⋅10^-2 моль/мин, n1_PH3=3,655⋅10^-2 моль/мин.

Далее нами были исследованы полученные ГС, в частности поперечные сколы КЯ 6 (см. фиг. 2), полученных предлагаемым способом по примеру № 1 (см. фиг. 2а) и способом по примеру № 5 (см. фиг. 2б).

Разброс толщины слоя КЯ 6 по площади ГС, выращенной по предлагаемому способу в примере № 1 (см. фиг. 2а), на порядок величины меньше, чем у КЯ 6 гетероструктуры, выращенной по способу, аналогичному способу прототипа из примера № 5 (фиг. 2б).

Также нами были получены спектры фотолюминесценции ГС, содержащей КЯ 6 и облучаемой лазером с длиной волны 532 нм (см. фиг. 3).

Данные, характеризующие спектр фотолюминесценции гетероструктуры, выращенной по способу в примере 1 указаны на фиг. 3а: длины волн, соответствующие половине максимальной интенсивности, составили 748,6 нм и 780,2 нм, ширина спектра фотолюминесценции на половине максимальной интенсивности составила 31,6 нм, и максимальная интенсивность на длине волны 766,6 нм составила 1,140 относительных единиц.

Данные, характеризующие спектр фотолюминесценции гетероструктуры, выращенной по способу прототипа в примере 5, указаны на фиг. 3б: длины волн, соответствующие половине максимальной интенсивности, составили 731,4 нм и 792,1 нм, ширина спектра фотолюминесценции на половине максимальной интенсивности составила 60,7 нм, и максимальная интенсивность на длине волны 768,8 нм составила 0,160 относительных единиц.

Полученная нами ширина спектра фотолюминесценции на половине максимальной интенсивности для гетероструктуры, выращенной по предлагаемому способу в примере № 1 (см. фиг. 3а) оказалась в 1,92 раза меньше, чем у гетероструктуры, выращенной по способу прототипа из примера №5 (см. фиг. 3б), а максимальная интенсивность фотолюминесценции для гетероструктуры, выращенной по предлагаемому способу в примере № 1 (см. фиг. 3а) в 7,125 раза больше, чем у гетероструктуры, выращенной по способу прототипа из примера № 5 (см. фиг. 3б).

Далее нами были проведены аналогичные исследования ГС по примерам № 2, 3, 4 - соответствующего поперечного скола КЯ, получены спектры фотолюминесценции соответствующей ГС, содержащей КЯ, и облучаемой лазером с длиной волны 532 нм. Выяснено, что полученные вариации значений разброса толщин слоя КЯ по площади соответствующих ГС и значения интенсивности максимума и ширины спектров фотолюминесценции на половине интенсивности максимума для соответствующих ГС практически не отличались от значений, полученных для ГС примера № 1.

Из полученных ГС были изготовлены и исследованы в непрерывном режиме работы мезаполосковые полупроводниковые лазеры с длиной резонатора 1000 мкм и шириной полоска 100 мкм.

Коэффициент полезного действия полупроводниковых лазеров непрерывного режима работы, изготовленных из ГС, произведенной предложенным способом, изложенным в Примерах № 1, 3, 4 составил 65%, изготовленных из ГС, произведенной предложенным способом, изложенным в Примере № 2, составил 60%, а изготовленных из ГС, произведенной предложенным способом-прототипом, приведенным в Примере № 5, составил 50%.

Заявленный нами и достигнутый технический результат - повышение КПД полупроводниковых лазеров, полученных из выращенных гетероструктур, до 65% при стабилизации данного результата и увеличение ресурса работы лазерных излучателей. Ресурс работы лазерных излучателей, изготовленных из структур, выращенных в соответствии с предложенным способом по примерам № 1, 2, 3, 4, в 20 раз превысил ресурс работы лазерных излучателей, изготовленных из гетероструктур, выращенных способом, аналогичным способу прототипа по примеру № 5.

Изобретение относится к лазерной технике, а именно к способу формирования квантоворазмерной гетероструктуры с безалюминиевой активной областью на основе твердых растворов GaInAsP на подложках GaAs методом МОС-гидридной эпитаксии, и может быть применено для изготовления мощных одиночных лазеров, лазерных линеек и решеток ближнего инфракрасного диапазона спектра с длиной волны 730-1100 нм, работающих в импульсном, квазинепрерывном и непрерывном режимах, используемых для накачки твердотельных и волоконных лазеров, в различных отраслях промышленности для резки, сварки различных материалов, лазерной локации, дальнометрии и трехмерной лазерной печати из металлических порошков. В предложенном способе изготовления гетероструктуры полупроводникового лазера ближнего инфракрасного диапазона с безалюминиевой активной областью GaInP/GaP/GaInAsP/GaInP введен режим переключения газообразных источников элементов V группы периодической системы, при котором слои, содержащие только фосфор, выращивают из двух источников гидрида фосфора, в начале роста мышьяксодержащего слоя прекращают подачу одного из источников гидрида фосфора и одновременно начинают подачу источника гидрида мышьяка, при окончании роста мышьяксодержащего слоя происходит обратное переключение, при этом мольные расходы переключаемых потоков источников гидридов фосфора и мышьяка связаны определенной системой соотношений. Данный способ изготовления гетероструктуры полупроводникового лазера ближнего инфракрасного диапазона позволил повысить коэффициент полезного действия полупроводниковых лазеров непрерывного режима работы до 65% при стабилизации данного результата и увеличить их ресурс работы в 20 раз. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ изготовления гетероструктуры полупроводникового лазера ближнего инфракрасного диапазона, включающий выращивание методом МОС-гидридной эпитаксии на подложке GaAs n-типа проводимости по меньшей мере первого нелегированного волноводного слоя GaInP, нелегированного промежуточного слоя GaP, нелегированной активной области, включающей по меньшей мере одну квантовую яму, второго нелегированного волноводного слоя GaInP при использовании сменяемых в заданном порядке потоков паро- и газообразных источников металлорганических соединений, включающих элементы III группы периодической системы, а также гидридов фосфора и мышьяка, включающих элементы V группы периодической системы, при температуре роста 670°С и давлении 13329 Па, отличающийся тем, что все слои гетероструктуры выращивают в диапазоне температур от 580 до менее 670°С и от более 670 до 720°С и давлений от 3000 до менее 10000 Па, выбирают квантовую яму составом GaInAsP, кроме того, упомянутые слои гетероструктуры, содержащие в качестве элемента V группы периодической системы только фосфор, выращивают из двух потоков источников гидрида фосфора с мольными расходами n1_PH3 и n2_PH3 и после выращивания нелегированного промежуточного слоя GaP при переходе к выращиванию слоя упомянутой квантовой ямы GaInAsP прекращают подачу потока источника гидрида фосфора с мольным расходом n2_PH3 и одновременно начинают подачу потока источника гидрида мышьяка с мольным расходом n_AsH3, а при переходе к выращиванию слоя GaInP производят обратное переключение, прекращая подачу потока гидрида мышьяка с мольным расходом n_AsH3, и одновременно вместо него начиная подачу потока гидрида фосфора с мольным расходом n2_PH3, причем значения мольных расходов n1_PH3, n2_PH3, n_AsH3 потоков источников определяют из системы формул:

- константы в выражениях зависимости значений динамической вязкости газообразных источников элементов V группы периодической системы от температуры, которые вычисляют эмпирическим путем, а t - температура газообразных источников элементов V группы периодической системы;

где Σn_III - сумма мольных расходов потоков источников элементов III группы периодической системы, используемых при выращивании слоя квантовой ямы, и определяемая эмпирически для слоя заданного состава и скорости выращивания,

С - соотношение сумм мольных расходов потоков источников элементов V и III групп периодической системы элементов, используемых при выращивании слоя квантовой ямы, соответствующее максимальному значению интенсивности фотолюминесценции квантовой ямы и определяемое эмпирическим путем; и

где у - атомная доля мышьяка в слое квантовой ямы GaInAsP,

К - коэффициент вхождения элементов V группы периодической системы из газовой фазы в твердую, определяемый эмпирическим путем для заданной температуры выращивания.

2. Способ изготовления гетероструктуры полупроводникового лазера ближнего инфракрасного диапазона по п. 1, отличающийся тем, что металлорганическими соединениями выбраны триметилгаллий и триметилиндий.

3. Способ изготовления гетероструктуры полупроводникового лазера ближнего инфракрасного диапазона по п. 1, отличающийся тем, что металлорганическими соединениями выбраны триэтилгаллий и триэтилиндий.

4. Способ изготовления гетероструктуры полупроводникового лазера ближнего инфракрасного диапазона по п. 1, отличающийся тем, что металлорганическими соединениями выбраны триметилгаллий и триэтилиндий.

5. Способ изготовления гетероструктуры полупроводникового лазера ближнего инфракрасного диапазона по п. 1, отличающийся тем, что металлорганическими соединениями выбраны триэтилгаллий и триметилиндий.