автореферат диссертации по электронике, 05.27.03, диссертация на тему:Активный элемент одномодового полупроводникового лазера повышенной мощности

Введение.

Глава 1 Конструкции полуроводниковых лазеров (ППЛ).

§1.1 Этапы развития, технологические особенности и достигнутые параметры.

§1.2 Лазер с гребневидным волноводом.

§1.3 Технология изготовления элемента с гребневидным 23 волноводом.

1.3.1 Методы формирования мезы.

1.3.2 Последующие технологические операции.

Глава 2 Исследование ключевых технологических процессов изготовления одномодовых полупроводниковых лазеров.

§2.1 Исследование процесса ионно-химического травления.

§2.2 Влияние ионно-химической обработки на фотолюминесценцию.

§2.3 Оптимизация технологических процессов изготовления активного элемента с гребневидным волноводом.

§2.4 Исследование механических напряжений, возникающих в процессе изготовления активного элемента ППЛ.

Глава 3 Примеры практического использования исследованного технологического комплекса. АяЮ,98 мкм.

§3.1 Исследование параметров лазерных диодов на =0,98 мкм, изготовленных по оптимизированному технологическому маршруту.

§3.2 Возможные пути повышения мощности лазерных диодов в одномодовом режиме генерации.

§3.3 Промышленное использование.

В настоящее время одномодовые лазеры (БМ-лазеры) занимают заметную «нишу» на быстрорастущем рынке полупроводниковых излучателей. Если в 1980-95 гг. одномодовые лазеры в основном использовались для считывания и записи оптической информации, то в последние годы в фокусе внимания мощные БМ-лазеры для космической связи (1=0,81 - 0,85 ц) и накачки волоконно-оптических усилителей (А.=0,97 - 1,06ц). Это объясняется практической важностью этих областей. Вместе с тем, к таким лазерам предъявляются чрезвычайно высокие требования как по мощности (150-250 мВт и выше), так и по долговечности (106ч.). При мощности Рсч'=200 мВт и размерах излучающей площадки 1x3 мкм плотность мощности на зеркале достигает величины N = 6*10бВт/см5 а плотность инжекционной накачки >1,2*104 А/см2. Поскольку эти величины близки к экстремальным для полупроводниковых лазеров, то технологические приёмы, обеспечивающие длительную и стабильную работу БМ-лазеров, определяют и передовой технологический уровень для остальных типов излучателей. В отличие от мощных ММ-лазеров с широкой областью свечения (50-200 ц), где прогресс был достигнут, главным образом, в результате освоения структур с квантовыми ямами, параметры БМ-лазеров в равной степени зависят от конструкции и технологии, как эпитаксиальной структуры, так и активного лазерного элемента. Популярные ранее эпитаксиальные конструкции типа «канала» в подложке, «террасы» и «канала с блокирующим слоем» и их разновидности оказались не в состоянии контролировать основную моду при мощности выше 30-40 мВт. Более перспективной оказалась конструкция с так называемым «гребневидным волноводом», которая к тому же превосходила конкурентов, как по эффективности, так и по технологичности. Хотя сам термин «гребневидный волновод» вошёл в обиход в середине 90-х годов, эта конструкция под другими наименованиями исследовалась уже в 80-х годах. В частности, в НИИ «ПОЛЮС» конструкция активного элемента с «высокой мезой», сформированной ионно-химическим травлением впервые была реализована ещё в 1981г. при создании первого в СССР лазера для считывания оптической информации. В 1983-86 гг. она использовалась при разработке излучателей специального применения. С тех пор она непрерывно совершенствовалась по результатам теоретических расчётов [1] и новых технологических возможностей, в первую очередь за счёт освоения новых эпитаксиальных структур с квантово-размерной активной областью и широким волноводом [2]. В настоящее время качественно новый уровень требований к излучателям потребовал дополнительных исследований основных технологических операций изготовления активного элемента. Модернизация затронула и его конструкцию, которая должна была быть согласована с конструкцией эпитаксиальной структуры. Только взаимная их «подгонка» в состоянии обеспечить достижение требуемых экстремальных параметров. Настоящая диссертация посвящена детальному исследованию этих вопросов.

Актуальность темы

Возрастающий спрос на одномодовые полупроводниковые лазеры повышенной мощности (Р>150 мВт), сопровождающийся постоянно растущими требованиями по их надёжности и долговечности, требует непрерывного совершенствования их конструкции и технологического уровня на всех стадиях изготовления. Лазерно-ионная технология изготовления активных элементов с гребневидным волноводом играет важную роль в этой цепочке. Поэтому ожидалось, что её усовершенствование позволит повысить уровень мощности лазеров.

Цель работы

Создание активного элемента одномодового полупроводникового лазера с уровнем мощности 150-200 мВт за счёт разработки малодефектной технологии его изготовления.

Научная новизна

1. Впервые реализованы одномодовые лазерные элементы гребневидной конструкции с мощностью до 200 мВт, сформированные низкоэнергетичным ионно-химическим травлением в источнике трансформаторно-связанной плазмы.

2. Исследовано влияние размеров мезаструктур на стабильность основной моды в диапазоне от 10 до 210-230 мВт. Получено хорошее совпадение экспериментальных результатов с расчётной моделью для «низкоэнергетичной» формы мезапсшоска При этом показано, что верхний предел мощности лимитируется разрушением выходного зеркала.

3. Исследовано изменение интенсивности фотолюминесценции из активной области квантово-размерной структуры по мере приближения стравливаемой поверхности волноводного слоя к активной области. В отличие от высокоэнергетичного (>500 эВ) травления, при низкоэнергетичной обработке интенсивность фотолюминесценции сохраняется на постоянном уровне 80-82 % во всём исследованном диапазоне от 1500 А до 150 А. При последующем заращивании травленой поверхности плёнкой ZnSe наблюдается восстановление фотолюминесценции до исходного уровня, что указывает на поверхностный характер нарушений.

4. Показано, что механические напряжения при изготовлении лазерного элемента меньше 1*106 Па, что значительно меньше напряжении в эпитаксиальных структурах GaAs/AlGaAs. Более того, обнаруженный эффект взаимокомпенсации напряжений сжатия, вносимых плёнкой ZnSe, и напряжений растяжения, вызываемых плёнками Au, позволяет в известных пределах снижать напряжения в исходных пластинах.

Практическая ценность

Исследованный процесс изготовления активного элемента с использованием источника трансформаторно-связанной плазмы внедрён в мелкосерийное производство в НИИ «Полюс».

Апробация работы

Результаты диссертационной работы обсуждались на Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов 2004» в МГУ им. Ломоносова (2004), научно-технических семинарах отдела 340 ФГУП «НИИ»Полюс»» (2000-2003 гг.)

Защищаемые положения

1. Лазерные элементы с узким гребневидным волноводом, изготовленные по модернизированной технологии, обеспечивают работу на основной моде при выходной мощности не менее Р=200 мВт. Дальнейшее повышение мощности зависит от волноводных свойств эпитаксиальной структуры и лимитируется разрушением выходного зеркала.

2. Достигнутый при использовании источника трансформаторно-связанной плазмы высокий выход годных одномодовых приборов (более 70% по уровню Р= 150-200 мВт) обеспечивается хорошей воспроизводимостью формы и размеров мезаполосков во всей зоне обработки (0=150 мм).

3. Реализованный на основных технологических операциях практически бездефектный уровень позволяет изготавливать конструкции гребневидных волноводов с любой остаточной толщиной эмиттера и прогнозируемым увеличением ресурса стабильной мощности. Подтверждённый ресурс при мощности Р=160 мВт превышает 12,5 тыс. час.

Публикации

Основные результаты опубликованы в следующих работах:

1. Зубанов A.B., Мармалюк A.A., Успенский М.Б., Шишкин В.А. Исследование влияния ионной обработки на фотолюминесценцию структур GaAs-AlGaAs. -Лазерные новости, М, ЦНИИ «Электроника», №1/2,2002, с.65-68

2. Зубанов A.B., Павлов В.Ф., Успенский М.Б., Шишкин В.А. Исследование механических напряжений в структурах при формировании лазерных элементов с гребневидным волноводом. - Лазерные новости, М., ЦНИИ «Электроника», №1/2, 2002, с. 69-74

3. Давыдова Е.И„ Зубанов А.В., Мармалюк А.А., Успенский М.Б., Шишкин В.А. Одномодовые лазеры с гребневидным элементом, сформированные в источнике трансформаторно-связанной плазмы. - Квантовая электроника, том 3, №9, 2004, с. 805-808

4. Зубанов А.В. Влияния ионной обработки на фотолюминесценцию структур СаАэ-АЬСтаьхАз. - сборник тезисов международной конференции студентов, аспирантов и молодых учёных по фундаментальным наукам «Ломоносов 2004», секция физика, Физический Факультет МГУ, 2004, с.273-274

5. Давыдова ЕЖ, Залевский И.Д., Зубанов А.В., Мармалюк А.А., Шишкин В.А., Успенский М.Б. Инжекционный лазер. - Бюллетень изобретений №16 от 10.06.04. Заявка 2002109840 - патент 2230411.

Структура диссертации

Работа состоит из оглавления, введения, трёх глав, основных результатов и выводов, списка используемой литературы. Основной материал изложен на 102 страницах текста, включая 43 рисунка, 7 таблиц, и дополнен списком литературы из 69 наименований.

Краткое содержание

Во введении обоснованна актуальность темы, сформулирована основная цель работы, изложена структура изложения материала.

Основные результаты и выводы

В ходе аналитических и экспериментальных исследований, выполненных в данной диссертационной работе, получены следующие результаты:

1. Созданы одномодовые лазерные элементы с уровнем мощности Р=150-200 мВт, изготовленные по модернизированной технологии.

2. Исследовано влияние размеров мезаструктуры на стабильность основной моды в диапазоне Р=210-230 мВт. Получено хорошее совпадение экспериментальных результатов с расчётной моделью для «низкоэнергетичной» формы мезаполоска. При этом показано, что верхний предел мощности, зависящий от волноводных свойств структуры в перпендикулярном направлении, лимитируется разрушением выходного зеркала.

3. Достигнутый при использовании источника трансформаторно-связанной плазмы высокий выход одномодовых приборов (более 70 % по уровню 150-200 мВт) обеспечивается хорошей воспроизводимостью формы и размеров мезы во всей зоне обработки 0=150 мм с требуемой для контроля бокового оптического ограничения точностью.

4. Реализованный на основных технологических операциях по формированию гребневидного волновода практически бездефектный уровень позволяет изготавливать конструкции гребневидных лазеров с любой остаточной толщиной эмиттера. С учётом уменьшения механических напряжений в элементе до уровня <1*106 Па прогнозируется увеличение ресурса стабильной работы. Подтверждённый испытаниями в НИОКР «Твердотел» ресурс при Р=160 мВт превышает 12,5 тыс. часов.

5. Исследованный технологический комплекс внедрён в мелкосерийное производство НИИ «Полюс» и используется при изготовлении суперлюминесцентных лазерных диодов и одномодовых лазерных диодов для поставок по отечественным и зарубежным контрактам.

В завершение работы я хочу выразить благодарность моему руководителю Шишкину В. А. за помощь в подборке и анализе материала для выполнения намеченных исследований, Успенскому М.Б. и Давыдовой Е.И за содействие в проведении экспериментов и квалифицированную консультацию, сотрудникам лаборатории 343 за проявленное участие и помощь в проведении исследований.

Отдельное спасибо Лобачёву Ю.С за проведённые измерения с использованием СЭМ, Мармалюку А. А. за помощь в проведении исследований фотолюминесценции, Павлову В.Ф (ГИРЕДМЕТ), Миронову Б.Н. за измерение радиуса изгиба экспериментальных образцов при исследовании механических напряжений, Берлину Е.В. (НПП «ТИРС») за консультации по освоению источника ТСП.

1. Давыдова Е.И., Дракин А.Е., Елисеев П.Г. Излучательные характеристики и диаграмма направленности квантово-размерного инжекционного лазера в спектральной области 780 нм. - Квантовая электроника, 19, №10, 1992, с. 1024

2. Елисеев П.Г. Полупроводниковые лазеры от гомолазеров до квантовых точек. Кв. электроника, 32, №12, 2002, с. 1085

3. Dan Botez. Лазеры на гетеропереходах с линзевидной активной областью. IEEE. J.Q.E. vol.QE-17, 12, 1981, р.2290

4. Киреев В.Ю., Данилин Б.С., Кузнецов В.И. Электроника. Плазмохимическое и ионно-химическое травление микроструктур. М., РАДИО И СВЯЗЬ, Вып.36, 1983

5. Ивановский Г.Ф., Петров В.И. Ионно-плазменная обработка материалов. М., РАДИО И СВЯЗЬ, 1986

6. Intrator Т., Menard J. Modelling and optimization of inductively coupled loop antenna plasma sources. Plasma Sources Sci.Technol. №5 (1996), p.371

7. Kirkby P.A., Selway P.R., Westerbrook L.D. Photoelastic waveguides and their effect on stripe geometry GaAs/Ga,.xAlxAs. J. Appl. Phis., Vol.50, №7, 1979, p.4572

8. Звелто О. Принципы лазеров. М, МИР, 1990

9. Алфёров Ж.И. Гетеропереходы в полупроводниках и приборы на их основе. Наука и человечество. 1976.Международный ежегодник. М., Знание, 1975, с.276

10. Елисеев П.Г., Введение в физику инжекционных лазеров. М., НАУКА, Главная редакция физико-математической литературы, 1983

11. Молекулярно-лучевая эпитаксия и гетероструктуры. Под ред. Л.Ченга и К.Плога, пер.с англ. М„ МИР, 1989, с.9

12. Акчурин Р.Х. МОС-гидридная эпитаксия:современное состояние и основные тенденции развития. М., Материалы электронной техники, 2, 1999, с.4

13. Кейси X., Паниш М. Лазеры на гетеросгруктурах. М, МИР, 1981, т. 1,2, с.250,239

14. Вагнер Н.А., Горбылёв В.А., Давыдова Е.И. Полупроводниковый лазер/конструкция и технология. Авторское свидетельство СССР №220.251. Приоритет 16.07.1984г.

15. Дракин А.Е. Оптические свойства мезаполосковых гетеролазеров на основе твёрдого раствора АШВ\ Диссертация, М., 1996

16. Shi-Yun Cho, Jong-In Shin. Dependence of Output Properties on Ridge Structuures and Asymetric Faset Reflectivity in 0.98ц InGaAs-InGaAsP SQW FP-Ld's IEEE., J.Q.E., vol.34, 11, November, 1998

17. Govind P.Agrawal. Lateral Análisis of Quasy-Index-Guided Injection Lasers: Transition from Gain to Index Guiding. Journal of Lightwave Technology, vol. LT-2, №4, Auguest 1984, p. 537

18. Achtengen M., Hardy A. Lateral current spreading in ridge waveguide laser diodes. Applied Phisics Letters, vol.74, №10, 8 march 1999, p. 136419. НТО по НИР "Луч, 1981г

19. Создание и исследование низкопорогового излучателя с малыми размерами тела свечения -тех. Отчёт о НИР "Каскадёр" номер roc per Ф18936, 1983

20. Huber А.Е., Yeoh T.S., Swint R.B. Novel design for high power single lateral mode lasers. -Department of Electrical and Computer Engineering, University of Illinois,208. MONDAY MORNING, CLEO, 7 May 2001

21. Iwai N., Mukaihara Т., Itoh M, Yamanaka N., Arakawa S., Shimizu H., Kasukawa A. 1,3 цш GalnAsP SL-QW Al-oxide confined inner stripe lasers on P-InP substrate with AlInAs-oxide confinement layer. ELECTRONICS LETTERS, Vol.34, 14, Ф July, 1998

22. Jakubowics A., Oosenburg A. and Th.Forster. Appl.Phis.Lett., 63, 1993, p.l 185

23. Fundamental Mode Laser Diode with Real Index Self Aligned Structure at 940 nm. German BMBF. p.47

24. Kiyoshi Asakawa, Takashi Yoshikawa, Shigeru Kohmoto. Chlorine-Based Dry Etching of III/V Compound Semiconductors for Optoelectronic Application. Jpn. J. Appl. Phys., Vol.37, 1998, p.373

25. Hiraoka H., Pakansky J. UV hardening of photo and electron beam resist patterns. American Vacuum Society, 1981, p.l 132

26. Li J.Z., Adesida I., and Wolf E.D. Evidence of crystallographic etching in (100)GaAs using SiCU reactive ion etching. J. Vac. Sci. Technol. В 3(1), Jan/Feb 1985, p.406

27. Vettiger P., Benedict M.K., Gian-Luca Bona. Full-Wafer Technology A New Approach to Large-Scale Laser Fabrication and Integration. - IEEE., J.Q. E., vol.27, 6, June, 1991, p.1319

28. Vawter A.G., Coldren L.A., Merz J.L., Ни E.L. Nonselective etching of GaAs/AlGaAs double heterostructure laser fasets by Ch reactive ion etching in a load-locked system. Appl.Phis. Lett., 51(10), 7, September, 1987,p.719

29. Gromova T.I., Davydova E.I, Uspenskii M.B., Shishkin V.A. SEM evidence for near-surface carrier passivation by hydrogen in CH4/H2 reactive ion etched p-InP. Semicond. Aci. Technol., 10, 1995, p.536

30. Данилин B.C., Киреев В.Ю. Электроника. Ионное травление микроструктур. М., РАДИО И СВЯЗЬ, Вып.21,1979

31. Создание базовых технологий для производства одночастотных лазеров и приборов на их основе. НТО по НИР "Лотос" М„ Полюс, 1996

32. Pearton S.J., Hobson W.S. Electron Cyclotron Resonance Microwave Plasma etching of Lio,2Gao,gAs-GaAs Quantum well laser structures. Semicond. Sci. Technol., 6, 1991, p.948

33. Kondo N., Nanishi Y. Low-Temperature Surface Cleaning of GaAs by Electron Cyclotron Resonance (ECR) Plasma. Japanese Journal of Appl. Phys. Lett., vol. 28, 1, January, 1989, p.L7

34. Stevens J.E., Sowa M.J., Cecchi J.L. Uniformity of radio frequenccy bias voltages along conducting surfaces in a plasma. J.Vac.Sci.Technol.A №14(1), Jan/Feb 1996, p.13936.