автореферат диссертации по электронике, 05.27.03, диссертация на тему:Эпитаксиальные гетероструктуры AlGaAs/GaAs и мощные лазерные излучатели (λ=808 НМ) на их основе

На правах рукописи

Яроцкая Ирина Валентиновна

ЭПИТАКСИАЛЬНЫЕ ГЕТЕРОСТРУКТУРЫ AlGaAs/GaAs И МОЩНЫЕ ЛАЗЕРНЫЕ ИЗЛУЧАТЕЛИ (к= 808 ИМ) НА ИХ ОСНОВЕ

Специальность 05.27.03 - Квантовая электроника

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005538285

Москва-2013

005538285

Работа выполнена в открытом акционерном обществе «Научно-исследовательский институт «Полюс» имени М.Ф. Стельмаха»

Научный руководитель: д. т. н., профессор

Мармалюк Александр Анатольевич

Официальные оппоненты: д.ф.-м.н., профессор

Якубович Сергей Дмитриевич, ООО "Оптомодуль", ведущий научный сотрудник

к.ф.-м.н.

Безотосный Виктор Владимирович, Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН, ведущий научный сотрудник

Ведущая организация:

ОАО «Научно-производственное предприятие «Инжект»

Защита состоится 3 декабря 2013 г. в 15.00 на заседании диссертационного совета Д.409.003.01 при ОАО «НИИ «Полюс» имени М.Ф. Стельмаха» по адресу: 117342, г. Москва, ул. Введенского, д. 3, корп.1

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОАО «НИИ «Полюс» имени М.Ф. Стельмаха»

Автореферат разослан 31 октября 2013 г.

Автореферат размещен на сайте института ОАО НИИ «Полюс» http://www.polys.info/ и сайте ВАК http://vak.ed.gov.ru.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу: 117342, г. Москва, ул. Введенского, д. 3, корп. 1, ОАО «НИИ «Полюс» имени М.Ф. Стельмаха», ученому секретарю диссертационного совета Д.409.003.01.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат физико-математических наук, доцент

Общая характеристика работы

Актуальность темы

Полупроводниковые гетероструктуры (ГС) нашли широкое распространение в современной лазерной технике. Лазерные диоды (ЛД), линейки и решетки лазерных диодов (ЛЛД и РЛД) на основе ГС АЮаАз/ваАз с длиной волны излучения 800-810 нм используются в качестве источников излучения в современных оптико-электронных системах, в первую очередь, в системах накачки твердотельных лазеров на основе УАО^с13+. К диодным источникам накачки предъявляются высокие требования по выходной мощности, эффективности и температурной стабильности. Для достижения максимальных выходных характеристик лазерных излучателей необходимо создание ГС высокого качества и с оптимальной геометрией.

Данная работа посвящена изучению различных подходов, применяемых для совершенствования конструкции ГС и повышения выходной оптической мощности лазерных излучателей.

Использование ЛЛД и РЛД в системах накачки твердотельных лазеров диктует повышенные требования к температурной стабильности излучателей. Это связано с необходимостью поддержания заданной длины волны генерации, совпадающей с полосой поглощения активируемой примеси. Одним из возможных путей решения этой задачи является изменение геометрии активной области лазерной ГС, направленное на повышение локализации электронов в квантовой яме (КЯ). Так в [1] показано повышение характеристической температуры Т0 ЛД, излучающих в диапазоне 1,06 мкм. В связи с этим, существует необходимость развития данного подхода для ЛД с Я,=808 нм.

Система материалов А1Лз-СаА5 широко используется благодаря согласованности параметров решетки подложки и эпитаксиальных слоев, что является залогом высокого кристаллического совершенства ГС. Однако несмотря на отсутствие дислокаций несоответствия, в таких ГС присутствуют остаточные механические напряжения, которые могут приводить к изгибу

пластины с ГС, особенно после ее утонения в планарном цикле изготовления ЛД. Изгиб ЛЛД, так называемый «смайл», усложняет процесс монтажа линеек, увеличивает тепловое сопротивление приборов и ухудшает фокусировку лазерных пучков [2]. Важной задачей на пути создания лазерных ГС высокого кристаллического совершенства является снижение уровня механических напряжений. Это достигается путем контроля периодов решетки отдельных слоев, составляющих ГС, как это осуществляется в структурах на основе ЛЮаГпРЛЗаАз, Оа1пРА5ЯпР, АЮаПгАэЛпР и др. [3]. Одним из способов такого контроля в ГС АЮаАэ/ОаАз представляется введение фосфора в состав твердого раствора слоев АЮаАв.

Для увеличения выходной мощности лазерных излучателей, как правило, используют вертикальную интеграцию ЛЛД, создавая РЛД. Перспективным способом интеграции является формирование нескольких ГС в одном процессе эпитаксиального роста. По сравнению с традиционным способом соединения ЛД через припойные контакты он обладает рядом преимуществ, таких как низкое последовательное сопротивление и строгая параллельность излучаемых пучков. Благодаря близкому расположению излучающих областей такой подход позволяет значительно уменьшить размеры прибора при сохранении мощностных характеристик. Указанный подход хорошо зарекомендовал себя при создании интегрированных ЛД с длиной волны генерации 0,9-1,06 мкм [4]. Представляется перспективным развитие данных исследований для создания интегрированных ЛД и ЛЛД в спектральном диапазоне 800-810 нм.

Помимо важного свойства повышения выходной мощности, другим существенным преимуществом эпитаксиальной интеграции является возможность независимого управления длинами волн отдельных излучающих областей. Это обусловлено выбором такой конструкции ГС, при которой активные области будут оптически не связаны друг с другом. Такая возможность позволяет создавать монолитные излучатели, работающие на нескольких различных длинах волн [5, 6]. В данной работе рассмотрена

возможность создания «двухволнового» эпитаксиально-интегрированного ЛД, излучающего в районе 808 нм.

Цели и задачи

Целью работы являлось изучение способов модификации геометрии активной области лазерных ГС AlGaAs/GaAs, возможности снижения механических напряжений в выращиваемых ГС и создание мощных ЛД и ЛЛД на основе одиночных и эпитаксиально-интегрированных структур с длиной волны излучения Х.=800-810 нм.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Исследование влияния геометрии активной области ГС AlGaAs/GaAs, в том числе ширины волноводов и высоты барьеров КЯ, на выходные параметры и температурные характеристики ЛД и ЛЛД, излучающих в спектральном диапазоне 800-810 нм.

2. Исследование возможности управления параметрами кристаллической решетки эпитаксиальных слоев лазерной ГС с целью снижения механических напряжений в ГС и уменьшения кривизны ЛЛД.

3. Создание эпитаксиально-интегрированных ГС с двумя активными областями и ЛЛД на их основе с длиной волны излучения 800-810 нм.

4. Создание «двухволновых» эпитаксиально-интегированных ГС и ЛД на их основе.

Научная новизна

1. Продемонстрировано, что для создания мощных ЛЛД, излучающих на длине волны 808 нм, наиболее предпочтительной является геометрия ГС с узким симметричным волноводом и увеличенной высотой барьеров для носителей заряда в КЯ.

2. Предложена и практически реализована возможность управления механическими напряжениями и кривизной лазерной ГС путем введения фосфора в состав твердого раствора эпитаксиальных слоев AlGaAs.

3. Показана возможность интеграции ЛД в едином процессе эпитаксиального роста и создания ЛЛД, излучающих на длине волны 808 нм, на основе эпитаксиально-интегрированных ГС с повышенной квантовой эффективностью.

4. Созданы эпитаксиально-интегрированные ЛД с двумя активными областями, излучающими на различных длинах волн в спектральном диапазоне 800-810 нм, и изучены их характеристики.

Достоверность научных выводов

Основные научные положения и выводы подтверждаются использованием современных методов исследования, публикациями в рецензируемых журналах и обсуждениями на международных конференциях.

Практическая значимость

1. В результате проведенной работы предложена геометрия ГС для создания мощных ЛЛД с учетом особенностей метода МОС-гидридной эпитаксии. Разработана методика получения ГС модифицированной конструкции, позволившая создать мощные ЛЛД длиной 4 мм и мощностью до 200 Вт, РЛД размером 5x5 мм с выходной мощностью 1500 Вт и РЛД 5x10 мм с выходной мощностью 2600 Вт в квазинепрерывном режиме при токе накачки 150 А.

2. Благодаря представленному способу управления механическими напряжениями в ГС, выращены лазерные структуры с радиусом кривизны сопоставимым с радиусом кривизны исходной подложки, что позволило создать ЛЛД практически без «смайла» с повышенной на 10-15% квантовой эффективностью.

3. Предложен подход к созданию эпитаксиально-интегрированных ГС AlGaAs/GaAs с двумя активными областями и на их основе созданы ЛЛД, излучающие на длине волны 808 нм и демонстрирующие увеличение наклона ватт-амперной характеристики (ВтАХ) в 1,8-2 раза по сравнению с традиционными одиночными ЛЛД.

4. Получены интегрированные ГС с двумя активными областями, излучающими на различных длинах волн в диапазоне 800-815 нм, созданы ЛД на их основе и исследованы их спектральные характеристики. Формирование подобных многоспектральных ЛД, ЛЛД, РЛД может позволить создать источники диодной накачки для твердотельных лазеров, работающие без принудительной термостабилизации.

Положения, выносимые на защиту

1. Для создания ЛЛД и РЛД, используемых для накачки твердотельных лазеров (УАО:Мс1) и работающих в условиях затрудненного теплоотвода, оптимальной является геометрия ГС АЮаАзЛЗаАз с узким симметричным волноводом (~0,4 мкм) и высоким барьером для электронов в КЯ (>200 мэВ).

2. Механические напряжения в ГС на основе АЮаАз/ОаАв приводят к образованию изгиба в ЛЛД. Путем введения фосфора в состав твердого раствора АЮаАэ возможно управлять параметрами кристаллической решетки отдельных слоев ГС и получать лазерные структуры и ЛЛД с минимальным значением кривизны.

3. Монолитная интеграция эпитаксиальных ГС АЮаЛз/СаАз в одном процессе роста позволяет получить ЛД (>.=800-810 нм) с большей выходной мощностью без изменения массогабаритных характеристик прибора.

4. Используя эпитаксиальную интеграцию возможно задавать длину волны излучения каждой активной области независимо от другой и создавать двух- и многоспектральные («многоволновые») ЛД. Это открывает путь к точному соответствию длины волны излучения диодного источника накачки полосе поглощения активируемой примеси твердотельного лазера в различных температурных условиях.

Личный вклад автора

Постановка задачи исследования совместно с научным руководителем, конструирование и получение эпитаксиальных ГС, исследование их параметров, анализ приборных характеристик ЛД, ЛЛД и РЛД.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались на конференциях:

II Симпозиум по когерентному оптическому излучению полупроводниковых соединений и структур (16-18 ноября 2009, Звенигород, Россия); XIV Национальная конференция по росту кристаллов (6-10 декабря 2010, Москва, Россия); III International Conference on Crystal Materials (May 31-June 3, 2010, Kharkov, Ukraine); 14-th International Conference on Laser Optics (28 June - 2 July 2010, St. Petersburg, Russia); XIV European Workshop on Metalorganic Vapor Phase Epitaxy (5-8 June, 2011, Wroclaw, Poland); 15th International Conference "Laser Optics 2012" (25-29 June 2012, St.Petersburg, Russia); 3-й Российский симпозиум «Полупроводниковые лазеры: физика и технология» (13-16 ноября 2012, Санкт-Петербург, Россия); 15th European Workshop on Metalorganic Vapor Phase Epitaxy (2-5 June 2013, Aachen, Germany).

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 15 работ. Из них 5 в журналах из списка ВАК и 10 в сборниках конференций.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы из 86 наименований. Объем работы составляет 117 страниц, в том числе 73 иллюстрации и 3 таблицы.

Основное содержания работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы основные цели и задачи, представлены практическая

значимость и научная новизна работы, сформулированы научные положения, выносимые на защиту.

В первой главе представлен обзор научно-технической литературы по теме диссертации.

Проведен анализ результатов работ по модификации геометрии ГС для лазерных применений. Рассмотрены концепции узкого и широкого волноводов в лазерных структурах и приведены их основные достоинства и недостатки.

Изучены работы по распределению механических напряжений в многослойных эпитаксиальных ГС на основе различных систем материалов. Показано, что даже в хорошо согласованной системе АЮаАз/ОаАэ остаточные механические напряжения приводят к изгибу ГС и появлению «смайла» в ЛЛД. Представлены существующие способы снижения механических напряжений в растущих слоях.

Показаны основные способы повышения выходных характеристик одиночных излучателей и ЛЛД. Особое внимание уделено одному из перспективных способов повышения оптической мощности лазерных структур - эпитаксиальной интеграции.

Рассмотрены работы, посвященные созданию эпитаксиально-интегрированных структур с различными активными областями, так называемых «двухволновых» ЛД. Такая возможность позволяет создавать монолитные излучатели, работающие одновременно на нескольких различных длинах волн.

Во второй главе описывается процесс получения лазерных ГС методом МОС-гидридной эпитаксии, особенности получения лазерных структур в условиях данного метода, технологическое оборудование и используемые реагенты. Приведены методы исследования, использованные для определения параметров выращиваемых ГС.

Первый параграф третьей главы посвящен исследованию и выбору оптимальной геометрии активной области ЛД, предназначенных для накачки

твердотельных лазеров на основе УАС:К'<± Рассмотрена возможность улучшения температурной стабильности ЛД путем повышения локализации электронов в КЯ.

Хорошо зарекомендовавшим себя путем совершенствования выходных характеристик рассматриваемых ЛД является снижение внутренних оптических потерь благодаря использованию расширенных волноводов.

Для изучения влияния геометрии активной области на выходные параметры были рассчитаны, получены и исследованы пять лазерных ГС А1С1аАя/ОаЛ8 двух типов: с узким симметричным и расширенным асимметричным волноводом. Дополнительно, в рамках каждого типа ГС, варьировалась высота барьера КЯ.

ВтАХ ЛЛД на основе ГС первого типа: с узким волноводом (~0,4 мкм) и с постепенным увеличением барьера для носителей в КЯ (от 139 до 213 мэВ) представлены на рис. 1.

I, А

Рис. 1. ВтАХ ЛЛД на основе ГС с узким волноводом: 1 - на основе ГС стандартной геометрии; 2, 3 — с увеличенной высотой барьера

Значения пороговых токов для всех образцов данного типа находились в диапазоне 10-12 А. Наклон кривой ВтАХ при повышении барьера для носителей заряда в КЯ вырос с 0,9 Вт/А до 0,96 Вт/А и 1,05 Вт/А соответственно. Исследования температурной стабильности показали увеличение То с 95 К до 110 К и 120 К при увеличении высоты барьера КЯ.

Вторая серия экспериментов заключалась в исследовании ЛЛД на основе ГС с расширенным асимметричным волноводом (~1,5 мкм). ВтАХ этих линеек представлены на рис. 2.

I. А

Рис. 2. ВтАХ ЛЛД на основе ГС с расширенным волноводом: 4- на основе стандартной ГС; 5 — с увеличенной высотой барьера

Увеличение толщины волноводных слоев закономерно привело к росту порогового тока, что обусловлено снижением фактора оптического ограничения в активной области. Пороговый ток для обеих линеек составил 17 А. Однако наклон кривой уменьшился с повышением высоты барьерного слоя с 1,06 Вт/А до 0,96 Вт/А. Характеристическая температура для данных образцов варьировалась в пределах 105-110 К.

Показано, что повышение барьера для носителей благоприятно сказывается на выходных параметрах ЛЛД в случае ГС с узким симметричным волноводом, наклон ВтАХ для этих структур вырос с 0,9 Вт/А до 1,05 Вт/А. Однако в ряде образцов с широким асимметричным волноводом ожидаемого улучшения не наблюдалось. Причиной этому могут быть дополнительные последовательное и тепловое сопротивление, обусловленные увеличением толщины ГС. Вследствие чего, наиболее целесообразной конструкцией ГС AlGaAs/GaAs для данного применения является геометрия с узким волноводом и высоким барьером в КЯ (>200 мэВ). На основе данных ГС изготовлены РЛД с выходной мощностью 1500 Вт (решетка 5x5 мм) и 2600 Вт (решетка 5x10 мм) в квазинепрерывном режиме накачки при токе 150 А.

Во втором параграфе третьей главы исследуются механические напряжения в лазерных структурах. Показано, что даже в хорошо согласованной системе материалов AlAs-GaAs присутствуют механические напряжения, обусловленные разницей параметров решетки подложки и эпитаксиальных слоев. Несмотря на то, что их величина не превышает порога образования дислокаций несоответствия, наличие таких напряжений отрицательно сказывается на качестве выращиваемых структур. Указанные механические напряжения приводят к изгибу пластины с ГС, особенно после ее утонения в планарном цикле изготовления ЛД, что приводит к появлению «смайла».

Предлагается способ снижения напряжений в формируемой ГС путем введение фосфора в состав твердого раствора AlGaAs для компенсации разницы периодов решетки осаждаемых слоев и подложки. Рассмотрены различные варианты добавления фосфора и рассчитаны критические толщины слоев для каждого из вариантов. По результатам расчетов делается вывод о возможности введения фосфора только в эмиттерные слои ГС и определяется необходимая концентрация атомов Р в твердом растворе AlGaAsP. Для исследования данного подхода были выращены две лазерные ГС с раздельным

ограничением: одна традиционная (АЮаАзЛЗаАз), а другая с компенсацией механических напряжений (ЛЮаРАБЯЗаАз). Эмиттерные слои в первом случае имели состав А^оСао^оАэ, во втором - А10,боОао,4оРо,озА5о,97-

Структуры исследовались методами рентгеновской дифрактометрии и оптической рефлектометрии. Значение кривизны, полученное для компенсированной ГС, составило 0,015 м"1 и практически совпало с кривизной исходной подложки (0,014 м"1). Таким образом, продемонстрировано, что введение в ГС АЮаАз/СаАз слоев, содержащих фосфор, способствует снижению механических напряжений и препятствует изгибу многослойных ГС.

Из выращенных ГС были изготовлены ЛЛД. Измерения ВтАХ данных ЛЛД (рис. 3) показали, что при высоких токах накачки (свыше 10 А) для компенсированной ГС наблюдается сохранение наклона кривой ВтАХ на первоначальном уровне 1,07 Вт/А, тогда как стандартный образец ЛЛД демонстрирует снижение до 0,95 Вт/А. Этот факт объясняется тем, что линейки на основе ГС, скомпенсированных фосфором, меньше искривлены и имеют лучший контакт с теплоотводом по всей своей длине.

16 1 . | . | . | . 1 ' 1 ' 1 1 1 ■ 1 у 2 / /

14 - / / '

12 - 1,07 Вт/А // // 1

10 - //

8 - 0,95 Вт/А

6 - 1,07 Вт/А / :

4 - :

2 - / 1,03 Вт/А ;

п < . X 1 1 1 1 . 1 . 1 . 1

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 I, А

Рис. 3. ВтАХ ЛЛД: 1 - без добавления фосфора; 2-е добавлением фосфора

Компенсация механических напряжений в ГС, в данном случае, позволяет уменьшить тепловой изгиб ВтАХ. Таким образом, ЛЛД на основе фосфорсодержащей структуры демонстрируют более стабильную работу при повышенных токах накачки, что указывает на необходимость и полезность реализации рассмотренного подхода.

Первый параграф четвертой главы посвящен описанию процесса создания эпитаксиально-интегрированных ЛД, излучающих в спектральном диапазоне 800-810 нм.

Для сравнения эффективности использования двойных эпитаксиально-интегрированных ЛД в качестве мощных источников лазерного излучения были выращены одиночные и двойные эпитаксиально-интегрированные ГС и на их основе изготовлены ЛЛД.

Спектры излучения линеек на основе двойной эпитаксиально-интегрированной ГС продемонстрировали длинноволновый сдвиг (~8 нм) и имели большую полуширину (3,9 нм) по сравнению с линейками на основе одиночных ГС (2,4 нм). Данные отличия можно объяснить более интенсивным разогревом ГС, так как при том же токе накачки в двойных ЛД выделяется в два раза больше тепла по сравнению с одиночными ЛД. При этом отвод тепла от более удаленной активной области двойной ГС затруднен, что также способствует разогреву ЛД.

На рис. 4 представлены ВтАХ линеек из одиночных и двойных ЛД. Значения пороговых токов линеек составили 13 А и 14,5 А для одиночных и двойных ГС соответственно.

Показано, что подход эпитаксиальной интеграции ЛД позволил добиться ожидаемого повышения выходной мощности линеек по сравнению с линейками на основе традиционных одиночных ЛД. При переходе от линейки одиночных ЛД к линейке двойных ЛД наблюдалось увеличение наклона кривой ВтАХ с 1,16 Вт/А до 2,18 Вт/А. ЛЛД длиной 5 мм на основе двойной эпитаксиально-интегрированной ГС продемонстрировали выходную мощность 100 Вт в

квазинепрерывном режиме при токе накачки 60 А, что в 1,8 раза превышает мощность, полученную при таких же условиях для ЛЛД на основе ГС с одной излучающей областью.

I, А

Рис. 4. ВтАХ ЛЛД: 1- на основе одиночных ГС;

2 — на основе двойных эпитаксиально-интегрированных ГС

Второй параграф четвертой главы посвящен процессу создания и исследования «двухволновых» эпитаксиально-интегрированных ЛД. Возможность монолитной интеграции оптически несвязанных активных областей позволяет независимо управлять длиной волны каждой из них. Для изучения данного подхода была выращена ГС с двумя излучающими областями. Геометрия КЯ для каждой активной области была выбрана таким образом, чтобы обеспечить генерацию в диапазоне 800-815 нм, а расстояние между длинами волн излучения составило 6-8 нм.

На рис. 5 представлены ВтАХ исследованных ЛД. Изготовленные «двухволновые» лазерные элементы имели пороговый ток порядка 1,5 А. Отсутствие изломов ВтАХ свидетельствует о незначительном отличии пороговых токов в двух разных активных областях интегрированного лазера.

Это достигается за счет выбора близкой геометрии активных областей. Типичные значения наклона ВтАХ для «двухволновых» ЛД составляли 2,3 Вт/А.

20

15

™ 10 О."

5

0 2 4 6 8 10

I, А

Рис. 5. ВтАХ: 1 - одиночного ЛД; 2 - «двухволнового» ЛД

Исследование спектральных характеристик ЛД на основе полученных ГС показало достижение генерации на двух различных длинах волн. При увеличении тока накачки наблюдался "красный сдвиг" длин волн обеих излучающих областей ЛД, что связано с их разогревом. Динамика смещения положения спектральных максимумов таких ЛД представлена на рис. 6, где для сравнения приведена аналогичная зависимость для одиночного ЛД. Видно, что «двухволновые» ЛД характеризуются большей чувствительностью к увеличению тока накачки. Это вполне закономерно, так как в «двухволновых» ЛД работают две излучающие области, следовательно, и тепловыделение в таких ЛД в два раза больше. Действительно, зависимость для одиночного ЛД составляет 0,4 нм/А, а для излучающих областей «двухволнового» 0,9 нм/А и

1,0 нм/А. При этом наблюдается сближение спектральных максимумов обеих излучающих секций. Так при увеличении тока накачки с 2 до 7 А расстояние между ними сокращается на 1,3 нм. Данное сближение объясняется тем, что в приборе коротковолновая активная область находится дальше от теплоотвода. Следовательно, при эксплуатации она разогревается сильнее, и наблюдается более выраженный длинноволновый сдвиг соответствующей спектральной характеристики.

815

810

5 х

«Í

805

800

1 2 3 4 5 6 7 8

I, А

Рис. 6. Зависимость длины волны излучения от тока накачки для: 1-длинноволновой области «двухволнового» ЛД; 2 - одиночного ЛД; 3 -коротковолновой области «двухволнового" ЛД

Таким образом, использование эпитаксиальной интеграции в процессе формирования ГС в системе материалов АЮаАзЛЗаАз позволяет получать «двухволновые» ЛД повышенной мощности, излучающие в спектральном диапазоне 800-815 нм. Причем путем подбора геометрии активных областей эпитаксиальной ГС можно независимо управлять спектральными

характеристиками каждой излучающей области.

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы:

1. Исследовано влияние геометрии активной области ГС AlGaAs/GaAs на выходные параметры и температурные характеристики ЛД и ЛЛД, излучающих в спектральном диапазоне 800-810 нм. Продемонстрировано, что для создания мощных ЛЛД, излучающих на длине волны 808 нм, наиболее предпочтительной является геометрия ГС AlGaAs/GaAs с узким симметричным волноводом (~0,4 мкм) и увеличенным барьером для электронов в КЯ (>200 мэВ).

2. На основе ГС исследованной геометрии созданы мощные ЛЛД длиной 4 мм и мощностью до 200 Вт, РЛД размером 5x5 мм с выходной мощностью 1500 Вт и РЛД размером 5x10 мм с выходной мощностью 2600 Вт в квазинепрерывном режиме при токе накачки 150 А.

3. Исследована возможность управления параметрами кристаллической решетки эпитаксиальных слоев лазерной ГС с целью снижения механических напряжений в ГС и уменьшения кривизны ЛЛД. Предложен, проверен расчетом и практически реализован подход по управлению механическими напряжениями и кривизной ГС путем введения фосфора в состав твердого раствора эпитаксиальных слоев AlGaAs.

4. Созданы лазерные структуры с радиусом кривизны, сопоставимым с радиусом кривизны исходной подложки, что позволило создать ЛЛД практически без изгиба и увеличить наклон ВтАХ таких ЛЛД на 10-15%.

5. Показаны преимущества интеграции ЛД в едином процессе эпитаксиального роста и создания ЛЛД, излучающих на длине волны 808 нм, на основе эпитаксиально-интегрированных ГС. Из выращенных ГС созданы ЛЛД длиной 5 мм, излучающие на длине волны 808 нм и демонстрирующие увеличение наклона ВтАХ в 1,8-2 раза по сравнению с одиночными ЛЛД.

6. Получены интегрированные ГС с двумя активными областями, излучающими на различных длинах волн в диапазоне 800-815 нм, изготовлены ЛД на их основе и исследованы их спектральные характеристики. Получение подобных многоспектральных ЛД, ЛЛД, РЛД может позволить создавать источники диодной накачки для твердотельных лазеров, работающие без принудительной термостабилизации.

Список публикаций

1. Мармалюк A.A., Давыдова Е.И., Зверков М.В., Коняев В.П., Кричевский В.В., Ладугин М.А., Лебедева Е.И., Сапожников С.М., Симаков

B.А., Успенский М.Б., Яроцкая И.В. Мощные лазерные диоды с несколькими излучающими областями на основе эпитаксиально—интегрированных гетероструктур // II Симпозиум по когерентному оптическому излучению полупроводниковых соединений и структур. Звенигород, Россия, 16-18 ноября 2009: сборник трудов. - С.24-28.

2. Давыдова Е.И., Коняев В.П., Ладугин М.А., Лебедева Е.И., Мармалюк A.A., Падалица A.A., Петров C.B., Сапожников С.М., Симаков В.А., Успенский М.Б., Яроцкая И.В. Линейки лазерных диодов с длиной волны излучения >*=808 нм на основе двойных эпитаксиально-интегрированных гетероструктур // Квантовая Электроника. - 2010. - Т. 40. - №8. - С.682-684.

3. Давыдова Е. И., Коняев В. П., Ладугин М. А., Лебедева Е. И., Мармалюк А. А., Падалица А. А., Петров С. В., Сапожников С. М., Симаков В. А., Успенский М. Б., Яроцкая И. В. Двухволновые лазерные диоды на основе эпитаксиально-интегрированных гетероструктур // Квантовая Электроника. -2010. - Т. 40. - №8. - С.697-699.

4. Яроцкая И.В., Андреев А.Ю., Ладугин М.А., Мармалюк A.A., Телегин К.Ю. Управление механическими напряжениями в многослойных гетероструктурах AlGaAs/GaAs // XIV Национальная конференция по росту кристаллов. Москва, Россия, 6-10 декабря 2010: тезисы докладов. - Т. 2. -

C.97.

5. Marmalyuk A.A., Andreev A.Yu., Ladugin M.A., Padalitsa A.A., Ryaboshtan Yu.L., Telegin K.Yu., Volkov N.A., Yarotskaya I.V. MOVPE Grown III-V Heterostructures for Optoelectronic Applications // Program and Abstracts Book III—d International Conference on Crystal Materials. Kharkov, Ukraine, May 31 - June 3 2010,-P.51.

6. Marmalyuk A.A., Davydova E.I., Konyaev V.P., Krichevsky V.V., Ladugin M.A., Lebedeva E.I., Sapozhnikov S.M., Simakov V.A., Uspenskiy M.B., Zverkov M.V., Yarotskaya I.V., Vinokurov D.A., Pikhtin N.A., Tarasov I.S. High Power Pulsed Laser Diodes (>.=800-1060 nm) Based on MOVPE Grown Double and Triple Integrated Heterostructures // Technical Program 14-th International Conference on Laser Optics. St. Petersburg, Russia, 28 June - 2 July 2010. — P. 70.

7. Ladugin M.A., Davydova E.I., Konyaev V.P., Krichevsky V.V., Lebedeva E.I., Marmalyuk A.A., Sapozhnikov S.M., Simakov V.A., Uspenskiy M.B., Zverkov M.V., Yarotskaya I.V. High—power epitaxial integrated dual-wavelength laser diodes // Technical Program 14—th International Conference on Laser Optics. St. Petersburg, Russia, 28 June - 2 July 2010. - P.70.

8. Мармалюк A.A., Давыдова Е.И., Зверков M.B., Коняев В.П., Кричевский В.В., Ладугин М.А., Лебедева Е.И., Петров С.В., Сапожников С.М., Симаков В.А., Успенский М.Б., Яроцкая И.В., Пихтин H.A., Тарасов И.С. Лазерные диоды с несколькими излучающими областями (Х=800—1100 нм) на основе эпитаксиально-интегрированных гетероструктур // Физика и техника полупроводников. - 2011. - Т. 45. -№ 4. - С.528-534.

9. Ladugin М.А., Marmalyuk A.A., Yarotskaya I.V., Krichevskiy V.V., Solov'eva A.V., Zverkov M.V., Konyaev V.P., Simakov V.A. Continuous-wave room temperature operation of epitaxially—integrated laser diodes based on InGaAs/AlGaAs/GaAs heterostructures grown by MOVPE // Extended abstracts of XIV European Workshop on Metalorganic Vapor Phase Epitaxy (EW-MOVPE 2011). Wroclaw, Poland, 5-8 June 2011. - P. 111-113.

10. Marmalyuk A.A., Ladugin M.A., Yarotskaya I.V., Davydova E.I., Uspenskiy M.B., Krichevskiy V.V., Zverkov M.V., Konyaev V.P., Lebedeva E.I., Petrov S.V., Sapozhnikov S.M., Simakov V.A., Pikhtin N.A., Tarasov I.S. High power laser diodes with several emitting regions (X,=800—1100 nm) based on epitaxially-integrated heterostructures grown by MOVPE // Extended abstracts of XIV European Workshop on Metalorganic Vapor Phase Epitaxy (EW MOVPE 2011). Wroclaw, Poland, 5-8 June 2011. -P.l 19-122.

11. Мармалюк А. А., Ладугин M. А., Яроцкая И. В., Панарин В. А., Микаелян Г.Т. Линейки лазерных диодов на основе гетероструктур AlGaPAs/GaAs с компенсацией механических напряжений // Квантовая Электроника. - 2012. - Т. 42. - №1. - С. 15-17.

12. Marmalyuk A.A., Andreev A.Y., Ladugin М.А., Lebedeva E.I., Sapozhnikov S.M., Simakov V.A., Yarotskaya I.V. 808 nm laser bars for solid state lasers pumping // 15th International Conference "Laser Optics 2012". St.Petersburg, Russia, 25 - 29 Jun 2012. - P.54.

13. Мармалюк A.A., Андреев A.A., Коняев В.П., Ладугин М.А., Лебедева Е.И., Мешков A.C., Морозюк А.Н., Сапожников С.М., Симаков В.А., Телегин К.Ю., Яроцкая И.В. Линейки лазерных диодов (1=808 нм) на основе гетероструктур AlGaAs/GaAs // Материалы 3-го симпозиума «Полупроводниковые лазеры: физика и технология». Санкт-Петербург, Россия, 13-16 ноября 2012.-С.13.

14. Ladugin М., Marmalyuk A., Padalitsa А., Andreev A., Gorlachuk Р., Telegin К., Yarotskaya I., Bagaev Т., Meshkov A., Volkov N., Konyaev V., Sapozhnikov S., Simakov V. Optimization of GaAsP, AlGaAs and InGaAs quantum wells for 770-1100 nm high-power laser diodes // 15th European Workshop on Metalorganic Vapour Phase Epitaxy. Aachen, Germany, 2-5 June 2013. - P. 143.

15. Мармалюк A.A., Ладугин M.A., Андреев А.Ю., Телегин К.Ю., Яроцкая И.В., Мешков A.C., Коняев В.П., Сапожников С.М., Лебедева Е.И., Симаков В. А. Линейки лазерных диодов (А,=808 нм) с повышенной

температурной стабильностью на основе гетероструктур AlGaAs/GaAs // Квантовая электроника. - 2013. - Т. 43. - №10. - С. 895-897.

Список цитированной литературы

1. Шашкин И.С., Винокуров Д.А., Лютецкий А.В., Николаев Д.Н., Пихтин Н.А., Растегаева М.Г., Соколова З.Н., Слипченко С.О., Станкевич А.Л., Шамахов В.В., Веселов Д.А., Бондарев А.Д., Тарасов И.С. Температурная делокализация носителей заряда в полупроводниковых лазерах (1=1010-1070 нм) // Физика и техника полупроводников. - 2012. — Т. 46. — № 9. - С. 1230-1233.

2. Wang J., Zhang Y., Yuan Z., Kang L., Yang K., Liu X. Study of the Mechanism of "Smile" in High Power Diode Laser Arrays and Strategies in Improving Near-Field Linearity // Proc. of 59th Electronic Components and Technology Conference. - 26-29 May 2009. - San Diego, USA. - P. 837-842.

3. Quantum Well Lasers/ Edited by Peter S. Zory, Jr. Boston// Academic Press.-1993.-504 p.

4. Зверков M.B., Коняев В.П., Кричевский B.B., Ладугин М.А., Мармалюк А.А., Падалица А.А., Симаков В.А., Сухарев А.В. Двойные интегрированные наноструктуры для импульсных лазерных диодов, излучающих на длине волны 0,9 мкм // Квантовая электроника. - 2008. - Т. 38. -№11.-С. 989-992.

5. Guo W., Shen G., Li J., Wang Т., Gao G., Zou D. Dual-wavelength 650-780 nm laser diodes // Proceedings of SPIE. - 2005. - V.5624. - P. 217-220.

6. Винокуров Д.А., Ладугин M.A., Лютецкий A.B., Мармалюк А.А., Петрунов А.Н., Пихтин Н.А., Слипченко С.О., Соколова З.Н., Станкевич А.Л., Фетисова Н.В., Шашкин И.С., Аверкиев Н.С., Тарасов И.С. Двухполосная генерация в эпитаксиально интегрированных туннельно-связанных полупроводниковых лазерах // Физика и техника полупроводников. — 2010. - Т. 44,-№6.-С. 833-836.

Подписано в печать 29.10.2013 г. Печать лазерная цифровая Тираж 100 экз.

Типография Aegis-Print 115230, Москва, Варшавское шоссе, д. 42 Тел.: 8 (495) 785-00-38 www.autoref.ae-print.ru

Открытое акционерное общество «Научно-исследовательский институт «Полюс» имени М.Ф. Стельмаха»

На правах рукописи

Яроцкая Ирина Валентиновна

ЭПИТАКСИАЛЬНЫЕ ГЕТЕРОСТРУКТУРЫ AlGaAs/GaAs И МОЩНЫЕ ЛАЗЕРНЫЕ ИЗЛУЧАТЕЛИ (I = 808 НМ) НА ИХ ОСНОВЕ

Специальность 05.27.03 - Квантовая электроника

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук Мармалюк А.А.

Москва-2013

Оглавление

Введение......................................................................................................................4

Глава 1. Эпитаксиальные гетер о структуры для мощных лазерных излучателей спектрального диапазона 808 им..........................................10

1.1 Конструкции гетероструктур для создания мощных лазерных диодов.................................................................................................................12

1.2. Влияние механических напряжений на качество гетероструктур и параметры излучателей....................................................................................23

1.3. Формирование линеек и решеток лазерных диодов и эпитаксиальная интеграция как способы соединения одиночных излучателей........................................................................................................31

Глава 2. Методика получения эпитаксиальных гетероструктур AIGaAs/GaAs.....................................................................................................51

2.1. Получение гетероструктур методом МОС-гидридной эпитаксии........51

2.2. Используемое измерительное оборудование..........................................55

Глава 3. Разработка гетероструктуры для линеек и решеток лазерных

диодов спектрального диапазона 800-810 им............................................62

3.1. Влияние геометрии активной области гетероструктуры на выходные характеристики лазерных излучателей........................................62

3.2. Управление механическими напряжениями в гетероструктурах AIGaAs/GaAs......................................................................................................74

Глава 4. Создание эпитаксиалыю-интегрированных гетероструктур и излучателей на их основе...............................................................................89

4.1. Лазерные излучатели на основе интегрированных гетероструктур.....89

4.2. «Двухволновые» эпитаксиально-интегрированные лазерные диоды .. 97

Заключение.............................................................................................................104

Список использованной литературы................................................................106

Список использованных сокращений

ГС - гетероструктура

ЛД - лазерный диод

ЛЛД - линейка лазерных диодов

РЛД - решетка лазерных диодов

АО - активная область

КЯ - квантовая яма

КПД - коэффициент полезного действия ВтАХ - ватт-амперная характеристика МОС - металлоорганическое соединение РРГ - регулятор расхода газа РД - регулятор давления

Введение

Полупроводниковые гетероструктуры (ГС) нашли широкое распространение в современной лазерной технике. Лазерные диоды (ЛД), линейки и решетки лазерных диодов (ЛЛД и РЛД) па основе ГС AlGaAs/GaAs с длиной волны излучения 800 - 810 нм используются в качестве источников излучения в современных оптико-электронных системах, в первую очередь, в системах накачки твердотельных лазеров на основе YAG:Nd3+ [1]. К диодным источникам накачки предъявляются высокие требования по выходной мощности, эффективности и температурной стабильности. Для достижения максимальных выходных характеристик лазерных излучателей необходимо создание ГС высокого качества и с оптимальной геометрией.

Данная работа посвящена изучению различных подходов, применяемых для совершенствования конструкции ГС и повышения выходной оптической мощности лазерных излучателей.

Использование ЛЛД и РЛД в системах накачки твердотельных лазеров диктует повышенные требования к температурной стабильности излучателей. Это связано с необходимостью поддержания заданной длины волны генерации, совпадающей с полосой поглощения активируемой примеси. Одним из возможных путей решения этой задачи является изменение геометрии активной области (АО) лазерной ГС, направленное на повышение локализации электронов в квантовой яме (КЯ). Так в [2] показано повышение характеристической температуры То ЛД, излучающих в диапазоне 1,06 мкм. В связи с этим, существует необходимость развития данного подхода для ЛД с А,=808 нм.

Система материалов AlAs-GaAs широко используется благодаря согласованности параметров решетки подложки и эпитаксиальных слоев, что является залогом высокого кристаллического совершенства ГС. Однако, несмотря на отсутствие дислокаций несоответствия, в таких ГС присутствуют остаточные механические напряжения, которые могут приводить к изгибу

пластины с ГС, особенно после ее утонения в планарном цикле изготовления ЛД. Изгиб ЛЛД, так называемый «смайл», усложняет процесс монтажа линеек, увеличивает тепловое сопротивление приборов и ухудшает фокусировку лазерных пучков [3]. Важной задачей на пути создания лазерных ГС высокого кристаллического совершенства является снижение уровня механических напряжений. Это достигается путем контроля периодов решетки отдельных слоев, составляющих ГС, как это осуществляется в структурах на основе АЮаГпР/ОаАБ, Оа1пРА5/1пР, АЮа1пА5/1пР и др. [4]. Одним из способов такого контроля в ГС АЮаАз/СаАэ представляется введение фосфора в состав твердого раствора слоев АЮаАя.

Для увеличения выходной мощности лазерных излучателей, как правило, используют вертикальную интеграцию ЛЛД, создавая РЛД. Перспективным способом интеграции является формирование нескольких ГС в одном процессе эпитаксиального роста. По сравнению с традиционным способом соединения ЛД через припойные контакты он обладает рядом преимуществ, таких как низкое последовательное сопротивление и строгая параллельность излучаемых пучков. Благодаря близкому расположению излучающих областей такой подход позволяет значительно уменьшить размеры прибора при сохранении мощностных характеристик. Указанный подход хорошо зарекомендовал себя при создании интегрированных ЛД с длиной волны генерации 0,9-1,06 мкм [5]. Представляется перспективным развитие данных исследований для создания интегрированных ЛД и ЛЛД в спектральном диапазоне 800-810 нм.

Помимо важного свойства повышения выходной мощности, другим существенным преимуществом эпитаксиальной интеграции является возможность независимого управления длинами волн отдельных излучающих областей. Это обусловлено выбором такой конструкции ГС, при которой АО будут оптически не связаны друг с другом. Такая возможность позволяет создавать монолитные излучатели, работающие на нескольких различных длинах волн [6, 7]. В данной

работе рассмотрена возможность создания «двухволнового» эпитаксиалыю-иитегрированного ЛД, излучающего в районе 808 нм.

Цели и задачи

Целыо работы являлось изучение способов модификации геометрии АО лазерных ГС AlGaAs/GaAs, возможности снижения механических напряжений в выращиваемых ГС и создание мощных ЛД и ЛЛД на основе одиночных и эпитаксиально-интегрированных структур с длиной волны излучения А.=800-810 нм.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Исследование влияния геометрии АО ГС AlGaAs/GaAs, в том числе ширины волноводов и высоты барьеров КЯ, на выходные параметры и температурные характеристики ЛД и ЛЛД, излучающих в спектральном диапазоне 800-810 нм.

2. Исследование возможности управления параметрами кристаллической решетки эпитаксиальных слоев лазерной ГС с целыо снижения механических напряжений в ГС и уменьшения кривизны ЛЛД.

3. Создание эпитаксиально-интегрированных ГС с двумя АО и ЛЛД на их основе с длиной волны излучения 800-810 нм.

4. Создание «двухволновых» эпитаксиально-интегрированных ГС и ЛД на их основе.

Научная новизна

1. Продемонстрировано, что для создания мощных ЛЛД, излучающих на длине волны 808 нм, наиболее предпочтительной является геометрия ГС с узким симметричным волноводом и увеличенной высотой барьеров для носителей заряда в КЯ.

2. Предложена и практически реализована возможность управления механическими напряжениями и кривизной лазерной ГС путем введения фосфора в состав твердого раствора эпитаксиальных слоев AlGaAs.

3. Показана возможность интеграции ЛД в едином процессе эпитаксиального роста и создания ЛЛД, излучающих на длине волны 808 нм, на основе эпитаксиально-интегрированных ГС с повышенной квантовой эффективностью.

4. Созданы эпитаксиально-интегрированные ЛД с двумя АО, излучающими на различных длинах волн в спектральном диапазоне 800-810 нм, и изучены их характеристики.

Достоверность научных выводов

Основные научные положения и выводы подтверждаются использованием современных методов исследования, публикациями в рецензируемых журналах и обсуждениями на международных конференциях.

Практическая значимость

1. В результате проведенной работы предложена геометрия ГС для создания мощных ЛЛД с учетом особенностей метода МОС-гидридной эпитаксии. Разработана методика получения ГС модифицированной конструкции, позволившая создать мощные ЛЛД длиной 4 мм и мощностью до 200 Вт, РЛД размером 5x5 мм с выходной мощностью 1500 Вт и РЛД 5><10 мм с выходной мощностью 2600 Вт в квазинепрерывном режиме при токе накачки 150 А.

2. Благодаря представленному способу управления механическими напряжениями в ГС, выращены лазерные структуры с радиусом кривизны сопоставимым с радиусом кривизны исходной подложки, что позволило создать ЛЛД практически без «смайла» с повышенной на 10-15% квантовой эффективностью.

3. Предложен подход к созданию эпитаксиально-интегрированных ГС AlGaAs/GaAs с двумя АО, и на их основе созданы ЛЛД, излучающие на длине волны 808 нм и демонстрирующие увеличение наклона ватт-амперной характеристики (ВтАХ) в 1,8-2 раза по сравнению с традиционными одиночными ЛЛД.

4. Получены интегрированные ГС с двумя АО, излучающими на различных длинах волн в диапазоне 800-815 нм, созданы ЛД на их основе и исследованы их спектральные характеристики. Формирование подобных многоспектральных ЛД, ЛЛД, РЛД может позволить создать источники диодной накачки для твердотельных лазеров, работающие без принудительной термостабилизации.

Положения, выносимые на защиту

1. Для создания ЛЛД и РЛД, используемых для накачки твердотельных лазеров (УАв^с!) и работающих в условиях затрудненного теплоотвода, оптимальной является геометрия ГС АЮаАБ/ОаАБ с узким симметричным волноводом (-0,4 мкм) и высоким барьером для электронов в КЯ (>200 мэВ).

2. Механические напряжения в ГС на основе АЮаАзЛЗаАз приводят к образованию изгиба в ЛЛД. Путем введения фосфора в состав твердого раствора АЮаАБ возможно управлять параметрами кристаллической решетки отдельных слоев ГС и получать лазерные структуры и ЛЛД с минимальным значением кривизны.

3. Монолитная интеграция эпитаксиальных ГС АЮаАзЛЗаАБ в одном процессе роста позволяет получить ЛД (А,=800-810 нм) с большей выходной мощностью без изменения массогабаритных характеристик прибора.

Используя эпитаксиальную интеграцию возможно задавать длину волны излучения каждой АО независимо от другой и создавать двух- и многоспектральные («многоволновые») ЛД. Это открывает путь к точному соответствию длины волны излучения диодного источника накачки полосе поглощения активируемой примеси твердотельного лазера в различных температурных условиях.

Личный вклад автора

Постановка задачи исследования совместно с научным руководителем, конструирование и получение эпитаксиальных ГС, исследование их параметров, анализ приборных характеристик ЛД, ЛЛД и РЛД.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались на конференциях:

II Симпозиум по когерентному оптическому излучению полупроводниковых соединений и структур (16-18 ноября 2009, Звенигород, Россия); XIV Национальная конференция по росту кристаллов (6-10 декабря 2010, Москва, Россия); III International Conference on Crystal Materials (May 31-June 3, 2010, Kharkov, Ukraine); 14-th International Conference on Laser Optics (28 June-2 July 2010, St. Petersburg, Russia); XIV European Workshop on Metalorganic Vapor Phase Epitaxy (5-8 June, 2011, Wroclaw, Poland); 15th International Conference "Laser Optics 2012" (25-29 June 2012, St.Petersburg, Russia); 3-й Российский симпозиум «Полупроводниковые лазеры: физика и технология» (13-16 ноября 2012, Санкт-Петербург, Россия); 15th European Workshop on Metalorganic Vapor Phase Epitaxy (2-5 June 2013, Aachen, Germany).

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 15 работ. Из них 5 в журналах из списка ВАК и 10 в сборниках конференций.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы из 86 наименований. Объем работы составляет 117 страниц, в том числе 73 иллюстрации и 3 таблицы.

Глава 1. Эпитаксиальные гетероструктуры для мощных лазерных излучателей спектрального диапазона 808 им

Полупроводниковые лазеры являются неотъемлемой составляющей промышленной, научно-исследовательской и бытовой электроники. Их преимуществами по сравнению с лазерами на других средах (кристаллы, газы, жидкости) являются компактность, надежность и высокий коэффициент усиления электромагнитного излучения. За свою полувековую историю технология полупроводниковых лазеров прошла путь от гомопереходов до ГС с квантовой размерностью. В настоящий момент полупроводниковые лазеры на основе различных систем материалов перекрывают широкий спектральный диапазон от -0,3 мкм до -50 мкм [8].

С момента создания первых гомопереходов на арсениде галлия этот материал и сейчас является наиболее широко используемым из всех бинарных полупроводниковых соединений. Удачная комбинация ряда таких свойств, как прямозонность, малые эффективные массы и большая ширина запрещенной зоны, эффективная излучательная рекомбинация и резкий край оптического поглощения обеспечивают для GaAs достойное место в физике полупроводников и электронике.

В отличие от р-п-гомоперехода, образуемого в полупроводнике за счет искусственно созданного распределения донорных и акцепторных примесей, гетеропереход представляет собой контакт двух различных по химическому составу полупроводников. Таким образом, на границе р-п-гетероперехода меняется не только тип проводимости, но и ширина запрещенной зоны, показатель преломления и другие важнейшие характеристики полупроводника. «Идеальной» парой для арсенида галлия стал арсенид алюминия, являющийся более широкозонным материалом и имеющий близкий параметр решетки, что дало возможность выращивать ГС, состоящие из слоев AlxGai.xAs различного состава.

Использование ГС па основе системы материалов ваАз-А^Б позволило достичь непрерывного режима генерации при комнатной температуре благодаря оптическому ограничению для излучения и электронному для носителей заряда

[9].

В настоящее время ЛД на основе ГС АЮаАэ/ОаАз широко используются в качестве источников излучения в современных оптико-электронных системах и, в первую очередь, системах накачки твердотельных лазеров. Преимуществами диодных источников накачки по сравнению с традиционными ламповыми являются:

• миниатюрность;

• монохроматичность спектра излучения;

• высокий коэффициент полезного действия (КПД) полупроводниковых лазеров;

• большой ресурс работы ЛД.

Для возбуждения верхнего энергетического уровня активной среды в твердотельных лазерах на основе УАО:Нс13+ применяют ЛД с длиной волны излучения ~808 им, которая соответствует наиболее интенсивной полосе поглощения ионов неодима. На рис. 1.1 представлена зависимость коэффициента поглощения ионов неодима в иттрий-алюминиевом гранате от длины волны.

Необходимая оптическая мощность блока накачки обычно достигается за счет сборки одиночных ЛД в линейки и РЛД.

Постоянно возрастающие требования к качеству и выходным характеристикам ЛД приводят к необходимости совершенствования исходных эпитаксиальных ГС, оптимизации геометрии их АО и повышению качества постростовых операций.

Длина волны [нм]

Рис. 1.1. Коэффициент поглощения ионов Ш3+ в иттрий-алюминиевом гранате в

зависимости от длины волны [10]

1.1 Конструкции гетероструктур для создания мощных лазерных

диодов

Хорошо зарекомендовавшим себя путем увеличения выходной мощности, получаемой с одиночного лазерного излучателя, является использование широких волноводов и асимметричное положение АО в волноводном слое [11 - 16].

В работе [11] для лазерных ГС с длиной волны излучения 2 мкм на основе системы АЮаАБЗЬЛпОаАБЗЬ/ОаЗЬ было рассчитано и экспериментально подтверждено, что увеличение толщины волноводных слоев способствует снижению внутренних оптических потерь (рис. 1.2).

Е

о

£ 10 О)

о.

X

со

Л I I

-| _I___I_I_I_I_I_I—I—I—.

0.0 0.2 0Л 0.6 0.8 6 МКМ

1.0

Рис. 1.2. Зависимость внутренних оптических потерь от толщины волновода: • - экспериментальные и □ - расчетные значения [11]

В работе [12] продемонстрировано, что увеличение толщины волноводных слоев свыше 1 мкм способствует возникновению мод высших порядков. Однако, показано, что значение фактора оптического ограничения ГАо для фундаментальной моды и мод высших порядков зависит от положения АО в волноводном слое для разных мод по-разному (рис. 1.3). Таким образом, существуют такие положения АО в волноводе, при которых происходит селекция