автореферат диссертации по электронике, 05.27.03, диссертация на тему:Эпитаксиальные гетероструктуры AlGaInAs/InP для мощных импульсных лазерных излучателей спектрального диапазона 1.5-1.6 мкм.

Эпнтаксиальиые гетероструктуры АГСаГпА&ТпР для мощных импульсных лазерных излучателей спектрального диапазона 1.5-1.6 мкм.

Специальность 05.27.03 - Квантовая электроника

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 8 НОЯ 2013

Москва-2013

005540506

Работа выполнена в открытом акционерном обществе "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф.Стельмаха".

Научный руководитель: доктор технических наук

Александр Анатольевич Мармалюк

Официальные оппоненты: Геворк Татевосович Микаелян,

доктор физико-математических наук, ОАО "НЛП "Инжект", генеральный директор

Евгений Тихонович Неделин,

кандидат технических наук,

ЗАО "Нолатех", технический директор

Ведущая организация: МГТУ МИРЭА

Защита состоится 19 декабря 2013 г. в 15:00 на заседании диссертационного совета Д.409.003.01 при ОАО "НИИ "Полюс" им. М.Ф.Стельмаха" по адресу: 117342, г. Москва, ул. Введенского, д.З, корп.1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОАО "НИИ "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха".

Автореферат разослан 18 ноября 2013 г.

Отзывы на автореферат просим направлять по адресу: 117342, г. Москва, ул. Введенского, д.З, корп.1, ОАО "НИИ "Полюс" им. М.Ф.Стельмаха", ученому секретарю диссертационного совета Д.409.003.01. /. )

Ученый секретарь диссертационного совета Кандидат физико-математических наук, доцент

Л/у Кротов Ю.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

В современной науке и технике полупроводниковые лазеры находят широчайшее применение, а их характеристики совершенствуются с каждым годом. Задача квантовой электроники заключается в конструировании и создании приборов с новыми свойствами и повышенной оптической мощностью. Получение полупроводниковых эпитаксиальных гетероструктур (ГС) является важнейшим этапом изготовления полупроводниковых лазеров, определяющим их ключевые параметры.

Важнейшей характеристикой лазерных излучателей для многих применений является их оптическая мощность. Спектр ближнего ИК-излучения охватывается полупроводниковыми лазерами на основе ГС с квантовыми ямами (КЯ) 1пОаАз/АЮаА8/ваАв, ^ОзАвРЛЗаАз (0.8-1.1 мкм) и 1пОаА5Р/1пР, АЮаЬ^ЛпР (1.31.8 мкм). В то время как для более коротковолновой области ИК-спектра получены мощности импульсного излучения решеток лазерных диодов (РЛД) с апертурой 1 мм2, зачастую превышающие 1 кВт, в спектральном диапазоне 1.5-1.6 мкм, ввиду фундаментальных и технологических ограничений, максимально достигнутая оптическая мощность существенно ниже.

Повышение выходной оптической мощности таких излучателей возможно путем выбора системы материалов и оптимизации геометрии ГС. Известно, что ГС АЮа1пАз/1пР характеризуется повышенным ограничением электронов в КЯ по сравнению с ГС ЫЗэАбРЛпР и способна обеспечить стабильность наклона ватт-амперной характеристики (ВтАХ) при высоких токах накачки [1,2]. Увеличение глубины КЯ возможно при использовании в качестве волноводного слоя АЮаХпАв с увеличенной шириной запрещенной зоны. Расширение волновода обеспечивает снижение внутренних оптических потерь и представляет возможность дополнительного повышения выходной мощности излучения лазерных диодов (ЛД) [3]. Учитывая эти факторы, в данной работе проведено исследование влияния конструкции ГС на выходные параметры получаемых приборов.

Мощность лазерного излучателя может быть дополнительно увеличена при переходе от одиночного лазерного диода к сборке из нескольких излучающих

3

элементов. Такие излучатели представляют собой линейки лазерных диодов (ЛЛД) и РЛД, а их выходная импульсная мощность увеличивается пропорционально количеству элементов [4].

Перспективным является подход интеграции излучающих областей в процессе эпитаксии посредством совмещения лазерных секций ГС через туннельный переход [5]. При таком подходе возможно получение излучателя с эффективностью, кратной числу секций ГС, и незначительным увеличением размеров апертуры. Применение туннельного перехода требует разработки его геометрии и технологических условий получения, поскольку сильнолегированные слои в процессе выращивания и последующих технологических операциях подвергаются диффузионному размытию, которое вызывает снижение максимальных концентраций и компенсацию примесей в области р-п-перехода, уменьшая напряженность электрического поля. Широко применяемый для легирования в данной системе материалов цинк обладает большим коэффициентом диффузии [6], поэтому для предотвращения размытия концентрационного профиля необходимо разработать подходы легирования туннельного перехода и условия его формирования, а также исследовать возможность использования альтернативных примесей р-типа проводимости, которые характеризуются более низким коэффициентом диффузии.

Таким образом, создание полупроводниковых излучателей повышенной мощности в диапазоне 1.5-1.6 мкм является актуальной и сложной задачей современной науки и технологии.

Целью работы являлось получение квантоворазмерных ГС раздельного ограничения АЮаЬгАя/ГпР, в том числе эпитаксиалыго-интегрированных, и мощных лазерных излучателей спектрального диапазона 1.5-1.6 мкм на их основе.

Задачи:

1. Исследование подходов по выбору геометрии активной области ГС АЮа1пА8/1пР, обеспечивающей повышение импульсной выходной оптической мощности ЛД.

2. Разработка эпитакснально-интегрированной ГС АЮаЬъ^ЛпР с лазерными секциями, соединенными туннельным переходом на основе эпитаксиальных слоев р4-1пОаА5/п+-1пОаА5.

3. Получение ГС АЮаГпАз/ГпР для импульсных лазерных излучателей повышенной мощности и исследование характеристик.

4. Создание эпитаксиалыю-интегрированных ГС АЮаГпАзЯпР для импульсных излучателей и исследование их характеристик.

Научная новизна результатов работы состоит в следующем:

1. Предложены конструкции и получены ГС АЮа1пАзЯпР с повышенным электронным ограничением в КЯ, позволяющие создавать на их основе мощные ЛД спектрального диапазона 1.5-1.6 мкм.

2. Показана возможность применения подхода эпитаксиальной интеграции для создания методом МОС-гидридной эпитаксии ГС АЮаТпАяЛпР с двумя излучающими областями, соединенными посредством туннельного перехода р+-1пОаА8/п+-1пОаА5.

3.На основе предложенных ГС АГСаЬАяЛпР созданы полупроводниковые лазерные излучатели спектрального диапазона 1.5-1.6 мкм, импульсная мощность которых превышает 100 Вт при токе накачки -55 А.

4. Созданы ГС АЮаГпАзЛпР с двумя лазерными секциями. На их основе изготовлены импульсные ЛЛД, демонстрирующие увеличенный в 1.6-1.8 раз наклон ВтАХ.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Увеличение энергетической глубины КЯ ЫСаАв/АЮаТпАв до -220 мэВ в конструкции ГС с расширенным волноводом позволяет повысить наклон ВтАХ ЛД спектрального диапазона 1.5-1.6 мкм.

2. Легирование эпитаксиальных слоев МаЛв кремнием и магнием позволяет создать высокоэффективный туннельный переход р4-1пОаАз/п+-1пОаА5.

3. Использование конструкции ГС AlGalnAs/InP с расширенным волноводом и глубокой КЯ позволяет создавать на ее основе лазерные излучатели спектрального диапазона 1.5-1.6 мкм с импульсной выходной мощностью более 100 Вт.

4. Эпитаксиальная интеграция двух активных областей в ГС AlGalnAs/InP обеспечивает увеличение наклона ВтАХ ЛЛД спектрального диапазона 1.5-1.6 мкм в 1.6-1.8 раз.

Практическая значимость.

1. Реализована концепция расширенного волновода с повышенным электронным ограничением, которая позволила создать в условиях МОС-гидридной эпитаксии ГС AIGalnAs/InP для мощных импульсных излучателей спектрального диапазона 1.5-1.6 мкм.

2. Развит подход эпитаксиальной интеграции ГС посредством туннельного перехода на основе p+-InGaAs/n+-InGaAs, обеспечивающего низкое последовательное сопротивление.

3. Разработана конструкция и получены ГС AlGalnAs/InP, на основе которых созданы излучатели, достигающие в спектральном диапазоне 1.5-1.6 мкм импульсной мощности излучения свыше 100 Вт с площади менее 1 мм2.

4. Получены эпитаксиально-интегрированные ГС, на основе которых изготовлены импульсные ЛЛД с наклоном ВтАХ, превышающим наклон характеристики для ЛЛД на основе "одиночной" ГС в 1.6-1.8 раза.

Апробация результатов работы.

Результаты работы докладывались и обсуждались на X Юбилейной Международной научной конференции «Химия твердого тела: наноматериалы, нанотехнологии» (Ставрополь, Россия, 2010), XVI Международном симпозиуме «Нанофизика и наноэлектроника» (Нижний Новгород, Россия, 2012), XV International Conference «Laser optics» (Санкт-Петербург, Россия, 2012), XIV Международной конференции «Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы» (Ульяновск, Россия, 2012), XV European Workshop on MOVPE (Аахен, Германия, 2013), IX Белорусско-Российском семинаре «Полупроводниковые лазеры и системы

б

на их основе» (Минск, Беларусь, 2013), XI Российской конференции по физике полупроводников (Санкт-Петербург, Россия, 2013).

Достоверность результатов. Основные научные положения и выводы подтверждаются использованием современных методов исследования ГС и анализа приборных характеристик, публикациями в рецензируемых журналах и обсуждениями на международных конференциях.

Личный вклад автора.

Изложены результаты работ, выполненных автором лично и в соавторстве. Автором предложены варианты геометрии ГС с увеличенной глубиной КЯ, геометрии туннельного перехода и их реализация в условиях МОС-гидридной эпитаксии. Автором лично разработана и реализована технология получения эпитаксиально-интегрированных ГС, проведен анализ полученных характеристик излучателей, созданных на основе предложенных ГС.

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 10 работ, из которых 2 в рецензируемых журналах и 8 в сборниках материалов и трудов конференций.

Структура и объем.

Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов, списка литературы и приложения. Работа содержит 116 страниц, включая 61 рисунок, 5 таблиц, список литературы из 102 позиций.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение работы дает обоснование актуальности темы диссертации, устанавливает ее цели и задачи. Во введении показаны научная новизна и практическая значимость результатов диссертации и представлены научные положения, выносимые на защиту.

В первой главе представлен анализ современных достижений в мировой практике создания мощных полупроводниковых излучателей в спектральном диапазоне 1.5-1.6 мкм, а так же проблематики дальнейшего повышения выходной мощности. Обсуждены проблемы ограничения мощности ЛД в импульсном режиме в данном диапазоне длин волн. В режиме импульсной генерации основными причинами низкой эффективности лазерных излучателей являются процессы безызлучателыюй рекомбинации и выброс носителей заряда. Снижение вероятности выброса носителей заряда может быть достигнуто посредством оптимизации конструкции и выбора оптимальных условий роста ГС [7].

Приведены возможные подходы к повышению выходной оптической мощности лазерных излучателей. Известно, что распространенной системой материалов в данном диапазоне длин волн является система ГпСаАэР. Однако для мощных приборов более предпочтительной является система материалов АЮаГпАз благодаря повышенному разрыву зоны проводимости на границе с КЯ (ЫпАб. Применение системы материалов с увеличенным электронным ограничением позволяет уменьшить токи утечки и тем самым, повысить дифференциальную квантовую эффективность при больших токах накачки.

Приведены характерные параметры системы материалов АЮаЬгАвЛйР, на основе которых возможна оценка эффективности конструкции ГС. Показано, что использование в качестве волноводных слоев твердых растворов АЮаГпАэ с высоким содержанием алюминия требует дополнительного исследования методов повышения структурного совершенства и их реализации.

Рассмотрены варианты интеграции излучающих областей посредством туннельного перехода в едином процессе выращивания эпитаксиальной ГС. В настоящее время данный подход, применяемый для получения мощных импульсных излучателей в спектральном диапазоне 1.5-1.6 мкм, практически не исследован.

В заключение обоснована цель работы и сформулированы основные задачи для ее достижения.

Вторая глава дает представление о технологии создания ГС методом МОС-гидридной эпитаксии. Приведено описание установки, на которой осуществлялся эпитаксиальный рост, а так же используемые режимы и процедуры роста слоев ГС.

8

Описано измерительное оборудование, применяемое для характеризации получаемых тестовых образцов и исследования параметров ГС для ЛД.

Третья глава посвящена исследованию способов повышения выходной импульсной мощности ЛД, ЛЛД и РЛД путем оптимизации конструкции энитаксиальных ГС в системе материалов АЮаГпАвЛпР.

Первостепенное значение представляет задача снижения токовых утечек, обусловленных выбросом электронов из КЯ. Одним из возможных подходов к ее решению является увеличение глубины КЯ. Это позволяет повысить электронное ограничение и снизить вероятность выброса электронов из КЯ, что успешно применяется в мощных излучателях спектрального диапазона 0.8-1.1 мкм [7]. В данной работе представлено развитие указанной идеологии применительно к ЛД спектрального диапазона 1.5-1.6 мкм. Увеличение глубины КЯ достигается благодаря применению волноводного слоя с повышенной шириной запрещенной зоны. На рис. 1 представлены зонные диаграммы исследованных в данной работе ГС АКЗа1пА5/1пР с различной шириной запрещенной зоны волновода.

а) б) в)

Рис. 1. Схематические диаграммы зоны проводимости вблизи КЯ в вариантах ГС с различной шириной запрещенной зоны волноводного слоя: а) 1.03 эВ; б) 1.12 эВ; в) 1.20 эВ.

Расчетная оценка вероятности выброса электронов из КЯ показала ее снижение для ГС с повышенным ограничением, что должно отразиться на повышении выходной оптической мощности ЛД. Дополнительную локализацию носителей заряда обеспечило введение барьерных слоев АПпАб на границе волновод-эмиттер.

Хорошо зарекомендовавшим себя путем повышения выходной оптической мощности является оптимизация ширины волноводного слоя. Расширение волновода и смещение активной области из симметричного положения приводит к снижению внутренних оптических потерь совместно с подавлением генерации мод высоких порядков. Предложен вариант практической реализации такой концепции для ЛД с увеличенным ограничением электронов в КЯ.

Для проверки предлагаемых подходов были получены ГС с различной конструкцией волноводной области, и на их основе изготовлены ЛД с длиной резонатора 0.8-2.0 мм и шириной контакта 100 мкм. На торцевые поверхности наносились зеркальные покрытия с коэффициентами отражения 95% и 5%.

Сравнение выходной мощности ЛД, изготовленных из ГС с волноводом 0.3 мкм (образец 1) и 1.5 мкм (образец 2) представлено на рис. 3(а). Характеристики ЛД, полученных на основе предложенных ГС, подтверждают, что расширение волновода позволяет достигнуть максимальной выходной импульсной мощности ЛД в ~3 раза больше, чем для образца 1. На рисунке 3(6) приведено сравнение ЛД, изготовленных | из ГС с различной глубиной КЯ (образец 2 - 0.16 эВ, образец 3 - 0.22 эВ). Увеличение глубины КЯ приводит к росту выходной оптической мощности ЛД в импульсном режиме генерации.

х =100 не

5 10 15 20 25 30 35 1,А а)

Рис. 3. Сравнение ВтАХ для образцов ЛД на основе ГС АЮаХпАБЯпР: а) образцы 1 и 2, б) образцы 2 и 3.

Для ЛД со стандартной конструкцией волновода (образец 1) получена мощность ~2 Вт, тогда как оптимизированная ГС (образец 3) позволила повысить мощность ЛД до 10 Вт.

В ГС 1пОаАз/АЮаАя/Оа Ай и ОаАзР/АГСаГпР/ОаАя изготовление массивов элементов дает возможность поднять мощность в пределах излучающей апертуры 1 мм2. С целью масштабирования мощности одиночного ЛД применен подход изготовления ЛЛД и РЛД. На основе ГС А1Са1пАх/ГпР с расширенным волноводом и глубокими КЯ (образец 3) были изготовлены ЛЛД с количеством элементов до 6 при общей ширине ЛЛД менее 1 мм. Их ВтАХ приведены на рис. 4. Показано достижение мощности свыше 20 Вт при токе накачки ~45 А. В широком интервале токов сохраняется наклон характеристики -0.45 Вт/А.

Рис.4. ВтАХ для 1 - одиночного диода, 2 - линеек из 3 элементов и 3 - линеек из 6

элементов;

Из рассмотренных ЛЛД были изготовлены РЛД с общим числом излучающих элементов до 30. ВтАХ исследованных РЛД показывают наклон порядка 2 Вт/А. Типичная характеристика для РЛД приведена на рис. 5.

со аТ

н

50

0

0 10 20 30 40 50 60 I, А

Рис.5. ВтАХ для РЛД из пяти линеек.

С учетом последовательно-параллельного подключения элементов в решетке ток через каждую излучающую область не превышал 10 А. Сопоставление тока через элемент в решетке с приведенными на рис. 3 значениями токов накачки показывает, что при 10 А характеристика находится на участке, близком к линейному. Поэтому ВтАХ изученной РЛД не показывает существенного изменения наклона вплоть до тока накачки 60 А. Благодаря этому на РЛД данного типа достигнута выходная импульсная мощность 110 Вт при токе накачки ~55 А и предполагается наличие резерва для дальнейшего повышения мощности.

В заключение предложены вариации ГС с легированными барьерными слоями АПпАв, позволяющими повысить ограничение для электронов и волноводом на основе короткопериодной сверхрешетки, что делает возможным дальнейшее повышение электронного ограничения при сохранении оптического ограничения в волноводе.

В четвертой главе исследуется возможность наращивания мощности, получаемой с одного ЛД, путем интеграции лазерных секций ГС АЮа1пА8/1пР в процессе эпитаксиального роста. В ряде работ в спектральном диапазоне 0.8-1.1 мкм получены повышенные характеристики таких излучателей при сохранении их массогабаритных параметров [4].

С целью проверки применимости подхода эпитаксиальной интеграции в спектральном диапазоне 1.5-1.6 мкм была изготовлена ГС, состоявшая из двух идентичных секций с расширенным асимметричным волноводом и глубокими КЯ.

Проанализированы различные варианты соединения излучающих секций и установлено, что наиболее технологичным является переход р+-1пОаАк/п+-1п(]аА8. Показано, что распространенная примесь р-типа - цинк - имеет ограничения в применении для легирования слоев ЬЮаАв туннельного перехода ввиду высокого коэффициента диффузии, поскольку время и температура роста второй секции значительны для процесса диффузионного размытия. Резкость профиля достигалась подбором примеси и режимов эпитаксиалышго роста. В качестве примесей использованы кремний и магний, обладающие низкими коэффициентами диффузии.

Из полученных интегрированных ГС были изготовлены ЛЛД шириной 1 мм с длиной резонатора 2 мм. Для сравнения изготавливались ЛЛД на основе "одиночной" ГС с той же конструкцией излучателя. Их характеристики приведены на рис. 6. Типичные напряжения отсечки для ЛЛД на основе "одиночных" и интегрированных ГС составили 0.8 В и 1.67 В соответственно.

а) б)

Рис.6.а) Вольт-амперные характеристики для линеек, изготовленных из ГС: 1 — "одиночной" и 2 - интегрированной; б) ВтАХ для ЛЛД, изготовленных из ГС: 1— "одиночной" и 2 - интегрированной.

Порог генерации для типичных ЛЛД на основе "одиночных" ГС составил 3.8-4.4 А, а для "двойных" - 5-7 А. Увеличение порогового тока для ЛЛД на основе "двойной" может быть обусловлено различиями в формировании активных

13

излучающих областей. Большая толщина "двойной" ГС в системе АЮэЫАбЯпР может приводить к накоплению упругих напряжений в процессе роста, модифицирующих номинальный профиль КЯ и искажающих их зонную структуру. Таким образом, последовательно сформированные активные области могут отличаться, что и приводит к наблюдаемому повышению порога лазерной генерации.

Выше порога генерации интегрированные ЛЛД показали наклон характеристики в 1.8 раза больше, чем для "одиночных" ЛЛД. Наклон характеристики для ЛЛД на основе "одиночных" составил 0.36 Вт/А, а для "двойных" - 0.69 Вт/А. Полученные максимальные уровни мощности составили 20 Вт для "одиночных" и 36 Вт для ЛЛД на основе "двойных" ГС при токе накачки 60 А. При этом не наблюдалось теплового загиба ВтАХ в исследованном диапазоне токов накачки, что позволяет надеяться на дальнейшее продвижение в область повышения выходной мощности.

Таким образом, показано успешное развитие подхода эпитаксиальной интеграции "для создания излучателей спектрального диапазона 1.5-1.6 мкм повышенной мощности. Получены "двойные" эпитаксиально-интегрированные ГС и излучатели на их основе. Импульсная мощность "двойных" ЛЛД повысилась в 1.8 раз.

В заключении кратко описаны результаты работы и приведены выводы.

Приложение содержит акты внедрения результатов работы.

Основные результаты работы.

В ходе работы были проведены оценочные расчеты и комплекс экспериментов, направленных на повышение выходной мощности полупроводниковых излучателей спектрального диапазона 1.5-1.6 мкм. При этом были получены следующие результаты:

1. Разработан процесс получения методом МОС-гидридной эпитаксии ГС ЛЮа1пАз/1пР для создания мощных импульсных лазерных излучателей спектрального диапазона 1.5-1.6 мкм.

2. Исследованы подходы по выбору геометрии активной области ГС АКМпАяЛпР, обеспечивающей повышение выходной оптической мощности ЛД. Показано, что применение расширенного до 1.5 мкм волновода позволяет повысить

предельную импульсную мощность в -3 раза по сравнению с ЛД на основе ГС с узким волноводом.

3. Получено повышение выходной оптической мощности ЛД при использовании ГС AIGalnAs/InP с глубиной КЯ ~ 220 мэВ в ~1.5 раза по сравнению со стандартной КЯ.

4. Разработана конструкция эпитаксиалыю-интегрированной ГС AlGalnAs/InP с лазерными секциями, соединенными туннельным переходом на основе эпитаксиальных слоев p+-InGaAs/n+-InGaAs. В качестве примеси р-типа проводимости для обеспечения резкого высоколегированного перехода предложеЕю использование магния.

5. На основе ГС AIGalnAs/InP изготовлены ЛЛД и РЛД повышенной мощности и исследованы их излучательные характеристики. Показано, что в пределах апертуры 1 мм2 возможно существенное увеличение выходной мощности. Достигнуты значения выходной мощности ~20 Вт для ЛЛД и более 100 Вт для РЛД при длительности импульсов 100 не и частоте повторения 5 кГц.

6. Созданы ЛЛД и РЛД на основе эпитаксиально-интегрированных ГС AIGalnAs/InP и исследованы их рабочие характеристики. Для ЛЛД получен наклон ВтАХ в 1.8 выше, чем для ЛЛД на основе "одиночной" ГС. РЛД на основе "двойной" ГС AIGalnAs/InP характеризовались более высокой стабильностью наклона ВтАХ по сравнению с РЛД на основе "одиночной" ГС.

7. Получена выходная оптическая мощность ~36 Вт для ЛЛД на основе эпитаксиально-интегрированных ГС в импульсном режиме генерации с длительностью импульса 100 не и частотой повторения 5 кГц при сохранении размеров излучающей области.

Список цитируемой литературы

1. Ohnoki N., Okazaki G., Koyama F.-, Iga K. Record high characteristic temperature (T0=122K) of 1.55 pm strain-compensated AlGalnAs/AlGalnAs MQW lasers with AlAs/AlInAs multiquantum barrier// Electron. Lett. - 1999. - Vol.35. - No.l. - p.51-52.

2. Слипченко C.O., Лютецкий A.B., Пихтин H.A., Фетисова Н.В., Лешко А.Ю., Рябоштан Ю.Л., Голикова Е.Г., Тарасов И.С. Низкопороговые лазерные диоды

15

на основе AlInGaAs/InP гетероструктур (>.=1.2-1.5 pm) // Письма в ЖТФ. - 2003. -Том 29. - Вып. 3. - с.65-73.

3. Винокуров Д.А., Зорина С.А., Капитонов В.А., Мурашова A.B., Николаев Д.Н., Станкевич A.JL, Хомылев М.А., Шамахов В.В., Лешко А.Ю., Лютецкий A.B., Налет Т.А., Пихтин H.A., Слипченко С.О., Соколова З.Н., Фетисова Н.В., Тарасов И.С. Мощные полупроводниковые лазеры на основе асимметричных гетероструктур раздельпого ограничения // Физика и техника полупроводников. - 2005. - Том 39. -Вып. 3. - с.388-392.

4. Ладугин М.А., Коваль Ю.П., Мармалюк A.A., Петровский В.А., Багасв Т.А., Андреев А.Ю., Падалица A.A., Симаков В.А. Мощные импульсные лазерные излучате&т спектрального диапазона 850 - 870 нм на основе гетероструктур с узкими и широкими волноводами // Квантовая электроника. - 2013. - Том 43. - № 5. - с.407-409.

5. Зверков М.В., Коняев В.П., Кричевский В.В., Ладугин М.А., Мармалюк A.A., Падалица A.A., Симаков В.А., Сухарев A.B. Двойные интегрированные наноструктуры для импульсных лазерных диодов, излучающих на длине волны 0.9 мкм // Квантовая Электроника. - 2008. - Том 38. - № 11. - с.989-992.

6. Ettenberg М.Н., Lange M.J., Sugg A.R., Cohen M. J., Olsen G.H. Zinc Diffusion in InAsP/InGaAs Heterostructures // Journal of Electronic Materials. - 1999. - Vol.28. -No.12. -p.1433-1439.

7. Шашкин И.С., Винокуров Д.А., Лютецкий A.B., Николаев Д.Н., Пихтин H.A., 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. - Том 46. - Вып. 9. - с. 1230-1233.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Горлачук П.В., Рябоштан Ю.Л., Мармалюк A.A. Короткопериодные сверхрешетки InGaAs/InAlAs, полученные методом МОС-гидридной эпитаксии // Материалы X Юбилейной Международной научной конференции «Химия твердого

тела: наноматериалы, напотехнологии». - Ставрополь, Россия. - 2010. - 17-22 сентября. - С. 135.

2. Горлачук П.В., Мармалюк A.A., Рябоштан ЮЛ., Ладугин М.А. Полупроводниковые сверхрешетки с субнанометровыми слоями в условиях МОС-гидридной эпитаксии // Труды XVI Международного симпозиума «Нанофизика и паноэлектроника». - Нижний Новгород (Россия). - 2012. - 12-16 марта. - Том.1. - С. 310-311.

3. Gorlachuk P.V., Marmalyuk A.A., Ryaboshtan Yu.L., Avdoshina D.V., Bakhvalov K.V., Slipchenko S.O., Pikhtin N.A., Tarasov I.S. High Power InGaAsP- and AlGalnAs-Based >.=1480 nm Laser Diodes // Technical Program 15-th International Conference on Laser Optics. - St. Petersburg, Russia. - 2012. - June 25-29. - P. 54.

4. Горлачук П.В., Рябоштан Ю.Л., Мармалюк A.A. Моделирование активной области со сверхрешеточными барьерами для лазеров AlInGaAs/InP с длиной волны 1.55 мкм. // Международная конференция «Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы». - Ульяновск, Россия. - 2012.-4-7 сентября. - С. 227.

5. Мармалюк A.A., Багасв Т.А., Горлачук П.В., Ладугин М.А., Мешков A.C., Рябоштан Ю.Л., Данилов А.И., Лебедева Е.И., Сапожников С.М., Романцевич В.И., Курносов В.Д., Иванов A.B., Кричевский В.В., Зверков М.В., Коняев В.П., Симаков

B.А. Функционально-интегрированные полупроводниковые излучатели // Сборник статей 9-го Белорусско-Российского семинара «Полупроводниковые лазеры и системы на их основе». - Минск, Беларусь. - 2013. - 28-31 мая. - С. 17.

6. Gorlachuk Р., Marmalyuk А., Ryaboshtan Yu., Kurnosov V., Kurnosov К., Zhuravleva О., Romantsevich V., Chernov R., Ivanov A., Simakov V. MOCVD grown AlGalnAs/InP heterostructures for the 1500-1600 nm high power laser diodes // Extended abstracts of XV European Workshop on Metalorganic Vapor Phase Epitaxy. - Aachen, Germany. - 2013. - June 1-6. - P.129.

7. Горлачук П.В., Рябоштан Ю.Л., Ладугин M.A., Падалица A.A., Мармалюк A.A., Курносов В.Д., Курносов К.В., Журавлева О.В., Романцевич В.И., Чернов Р.В., Иванов A.B., Симаков В.А. Мощные импульсные лазерные диоды спектрального диапазона 1.5 - 1.6 мкм // Квантовая Электроника. - 2013. - Том 43. - Вып. 9. -

C. 819-821.

8. Горлачук П.В., Рябоштан Ю.Л., Ладугип М.А., Падалица A.A., Марматок A.A., Курносое В.Д., Курносов К.В., Журавлева О.В., Романцевич В.И., Чернов Р.В., Иванов A.B., Симаков В.А. Линейки импульсных лазерных диодов спектрального диапазона 1.5 - 1.6 мкм на основе эпитаксиалыю-интсгрированных гетероструктур AlGalnAs/InP // Квантовая Электроника. - 2013. - Том 43. - Вып. 9. - С. 822-823.

9. Багаев Т.А., Горлачук П.В., Данилов А.И., Зверков М.В., Иванов A.B., Коняев В.П., Кричевский В.В., Курносов В.Д., Ладугин М.А., Лебедева Е.И., Мармалюк

A.A., Мешков A.C., Романцевич В.И., Рябоштан Ю.Л., Сапожников С.М., Симаков

B.А. Интегрированные полупроводниковые лазерные излучатели // Тезисы докладов XI Российской конференции по физике полупроводников. - Санкт-Петербург, Россия. - 2013. - 16-20 сентября. - С. 68.

10. Горлачук П.В., Журавлева О.В., Иванов A.B., Курносов В.Д., Курносов К.В., Мармалюк A.A., Симаков В.А., Романцевич В.И., Рябоштан Ю.Л., Чернов Р.В. Мощные полупроводниковые лазеры спектрального диапазона 1,5-1,6 мкм // Тезисы докладов XI Российской конференции по физике полупроводников. - Санкт-Петербург, Россия. - 2013. - 16-20 сентября. - С. 70.

Подписано в печать:

14.11.2013

Заказ № 9111 Тираж - 100 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www. autoreferat. ru

ОТКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО "НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ "ПОЛЮС

Горлачук Павел Владимирович

Эпитаксиальные гетероструктуры АЮа1пА8/1пР для мощных импульсных лазерных излучателей спектрального диапазона 1.5-1.6 мкм.

Специальность: 05.27.03 - "Квантовая электроника"

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

научный руководитель: доктор технических наук, А.А. Мармалюк

Москва - 2013

Содержание

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

Глава 1. Мощные полупроводниковые лазерные излучатели спектрального диапазона 1.5-1.6 мкм.....................................................................................................4

1.1 .Выбор системы материалов для волноводного слоя ГС.....................................11

1.2.Причины ограничения мощности ЛД спектрального диапазона 1.5-1.6 мкм ..18

1.3.Особенности конструкции ГС АЮа1пА8/1пР и импульсных излучателей повышенной мощности на их основе..........................................................................23

1.4.Эпитаксиальная интеграция лазерных секций излучателей спектрального диапазона 1.5-1.6 мкм...................................................................................................29

Глава 2. Описание экспериментальных методик.......................................................39

2.1. Аппаратное оформление процесса получения ГС..............................................44

2.2.Методы контроля параметров ГС..........................................................................46

Глава 3. ГС АЮа1пА8/1пР и излучатели на их основе...............................................52

3.1.Факторы, определяющие выходную мощность ЛД............................................53

3.2. Оптимизация ростовых условий и исследование ГС методом фотолюминесценции.....................................................................................................70

3.3.Анализ характеристик ЛД на основе ГС АЮа1пА8/1пР......................................72

3.4.Анализ характеристик ЛЛД и РЛД на основе ГС АЮаЫАзЯпР........................75

3.5.Перспективные направления развития конструкции ГС АЮаЪтАзЛпР............78

Глава 4. Эпитаксиально-интегрированные ГС для мощных лазерных излучателей....................................................................................................................83

4.1.Выбор примеси для обеспечения вырожденного легирования областей и резкого перехода............................................................................................................85

4.2.Создание туннельного перехода для ГС АЮа1пАз/1пР......................................87

4.3.Создание эпитаксиально-интегрированной ГС...................................................92

4.^Характеристики излучателей, полученных на основе «двойной» ГС...............97

Заключение..................................................................................................................101

Список литературы.....................................................................................................103

Введение

В современной науке и технике полупроводниковые лазеры находят широчайшее применение, а их характеристики совершенствуются с каждым годом. Задача квантовой электроники заключается в конструировании и создании приборов с новыми свойствами и повышенной оптической мощностью. Получение полупроводниковых эпитаксиальных гетероструктур (ГС) является важнейшим этапом изготовления полупроводниковых лазеров, определяющим их ключевые параметры.

Важнейшей характеристикой лазерных излучателей для многих применений является их оптическая мощность. Спектр ближнего ИК-излучения охватывается полупроводниковыми лазерами на основе ГС с квантовыми ямами (КЯ) МгаАз/АЮаАз/ОаАя, ЫваАзР/СаАБ (0.8-1.1 мкм) и МаЛвР/Ш», АЮа1пАБ/1пР (1.3-1.8 мкм). В то время как для более коротковолновой области ИК-спектра получены мощности импульсного излучения решеток лазерных диодов (РЛД), зачастую превышающие 1 кВт с апертурой 1 мм , в спектральном диапазоне 1.51.6 мкм, ввиду фундаментальных и технологических ограничений, максимально достигнутая оптическая мощность существенно ниже. Повышение выходной оптической мощности таких излучателей возможно путем выбора системы материалов и оптимизации геометрии ГС. Известно, что ГС АЮа1пА5/1пР характеризуется повышенным ограничением электронов в КЯ по сравнению с ГС 1пСаАБР/1пР и способна обеспечить стабильность наклона ватт-амперной характеристики (ВтАХ) при высоких токах накачки [1,2].

Увеличение глубины КЯ возможно при использовании в качестве волноводного слоя АЮаГпАБ с увеличенной шириной запрещенной зоны. Расширение волновода обеспечивает снижение внутренних оптических потерь и представляет возможность дополнительного повышения выходной мощности излучения лазерных диодов (ЛД) [3]. Учитывая эти факторы, в данной работе проведено исследование влияния конструкции ГС на выходные параметры получаемых приборов.

Мощность лазерного излучателя может быть дополнительно увеличена при переходе от одиночного лазерного диода к сборке из нескольких излучающих элементов. Такие излучатели представляют собой линейки лазерных диодов (ЛЛД) и РЛД, а их выходная импульсная мощность увеличивается пропорционально количеству элементов [4].

Перспективным является подход интеграции излучающих областей в процессе эпитаксии посредством совмещения лазерных секций ГС через туннельный переход [5]. При таком подходе возможно получение излучателя с эффективностью, кратной числу секций ГС, и незначительным увеличением размеров апертуры. Применение туннельного перехода требует разработки его геометрии и технологических условий получения, поскольку сильнолегированные слои в процессе выращивания и последующих технологических операциях подвергаются диффузионному размытию, которое вызывает снижение максимальных концентраций и компенсацию примесей в области р-п-перехода, уменьшая напряженность электрического поля. Широко применяемый для легирования в данной системе материалов цинк обладает большим коэффициентом диффузии [6], поэтому для предотвращения размытия концентрационного профиля необходимо разработать подходы легирования туннельного перехода и условия его формирования, а также исследовать возможность использования альтернативных примесей р-типа проводимости, которые характеризуются более низким коэффициентом диффузии.

Таким образом, создание полупроводниковых излучателей повышенной мощности в диапазоне 1.5-1.6 мкм является актуальной и сложной задачей современной науки и технологии.

Целью работы являлось получение квантоворазмерных ГС раздельного ограничения АЮа1пАз/1пР, в том числе эпитаксиально-интегрированных, и мощных лазерных излучателей спектрального диапазона 1.5-1.6 мкм на их основе.

Задачи:

1 .Исследование подходов по выбору геометрии активной области ГС АЮа1пАБ/1пР, обеспечивающей повышение импульсной выходной оптической мощности ЛД.

2.Разработка эпитаксиально-интегрированной ГС АЮаЪтАзЛпР с лазерными секциями, соединенными туннельным переходом на основе эпитаксиальных слоев р+-1пОаА8/п+-1пОаАз.

3.Получение ГС АЮаЬхАзЛпР для импульсных лазерных излучателей повышенной мощности и исследование характеристик.

4. Создание эпитаксиально-интегрированных ГС АЮа1пАзЛпР для импульсных излучателей и исследование их характеристик.

Научная новизна результатов работы состоит в следующем:

¡.Предложены конструкции и получены ГС АЮа1пАзЛпР с повышенным электронным ограничением в КЯ, позволяющие создавать на их основе мощные ЛД спектрального диапазона 1.5-1.6 мкм.

2.Показана возможность применения подхода эпитаксиальной интеграции для создания методом МОС-гидридной эпитаксии ГС АЮа1пАзЛпР с двумя излучающими областями, соединенными посредством туннельного перехода р+-1пОаА8/п+-1пОаА8.

3.На основе предложенных ГС АЮа1пА8/1пР созданы полупроводниковые лазерные излучатели спектрального диапазона 1.5-1.6 мкм, импульсная мощность которых превышает 100 Вт при токе накачки -55 А.

4.Созданы ГС АЮа1пА8/1пР с двумя лазерными секциями. На их основе изготовлены импульсные ЛЛД, демонстрирующие увеличенный в 1.6-1.8 раз наклон ВтАХ.

Основные положения, выносимые на защиту:

1.Увеличение энергетической глубины КЯ 1пОаА8/АЮа1пА8 до -220 мэВ в конструкции ГС с расширенным волноводом позволяет повысить наклон ВтАХ ЛД спектрального диапазона 1.5-1.6 мкм.

2.Легирование эпитаксиальных слоев 1пОаАз кремнием и магнием позволяет создать высокоэффективный туннельный переход р+-1пОаА8/п+-1пОаА8.

3.Использование конструкции ГС АЮа1пА8/1пР с расширенным волноводом и глубокой КЯ позволяет создавать на ее основе лазерные излучатели спектрального диапазона 1.5-1.6 мкм с импульсной выходной мощностью более 100 Вт.

4.Эпитаксиальная интеграция двух активных областей в ГС АЮаЫАзЛпР обеспечивает увеличение наклона ВтАХ ЛЛД спектрального диапазона 1.5-1.6 мкм в 1.6-1.8 раз.

Практическая значимость.

1 .Реализована концепция расширенного волновода с повышенным электронным ограничением, которая позволила создать в условиях МОС-гидридной эпитаксии ГС АЮа1пА8/1пР для мощных импульсных излучателей спектрального диапазона 1.5-1.6 мкм.

2.Развит подход эпитаксиальной интеграции посредством туннельного перехода на основе р+-1пОаА8/п+-1пОаА8, обеспечивающего низкое последовательное сопротивление.

3.Разработана конструкция и получены ГС АЮа1пА8/1пР, на основе которых созданы излучатели, достигающие в спектральном диапазоне 1.5-1.6 мкм импульсной мощности излучения свыше 100 Вт с площади менее 1 мм .

4.Получены эпитаксиально-интегрированные ГС, на основе которых изготовлены импульсные ЛЛД с наклоном ВтАХ, превышающим наклон характеристики для ЛЛД на основе "одиночной" ГС в 1.6-1.8 раза.

Апробация результатов работы.

Результаты работы докладывались и обсуждались на X Юбилейной Международной научной конференции «Химия твердого тела: наноматериалы, нанотехнологии» (Ставрополь, Россия, 2010), XVI Международном симпозиуме «Нанофизика и наноэлектроника» (Нижний Новгород, Россия, 2012), XV International Conference «Laser optics» (Санкт-Петербург, Россия, 2012), XIV Международной конференции «Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы» (Ульяновск, Россия, 2012), XV European Workshop on MOVPE (Аахен, Германия, 2013), IX Белорусско-Российском семинаре «Полупроводниковые лазеры и системы на их основе» (Минск, Беларусь, 2013), XI Российской конференции по физике полупроводников (Санкт-Петербург, Россия, 2013).

Достоверность результатов. Основные научные положения и выводы подтверждаются использованием современных методов исследования ГС и анализа приборных характеристик, публикациями в рецензируемых журналах и обсуждениями на международных конференциях.

Личный вклад автора.

Изложены результаты работ, выполненных автором лично и в соавторстве. Автором предложены варианты геометрии ГС с увеличенной глубиной КЯ, геометрии туннельного перехода и их реализация в условиях МОС-гидридной эпитаксии. Автором лично разработана и реализована технология получения эпитаксиально-интегрированных ГС, проведен анализ полученных характеристик излучателей, созданных на основе предложенных ГС.

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 10 работ, из которых 2 в рецензируемых журналах и 8 в сборниках материалов и трудов конференций.

Структура и объем.

Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов, списка литературы и приложения. Работа содержит 116 страниц, включая 61 рисунок, 5 таблиц, список литературы из 102 позиций.

Глава 1. Мощные полупроводниковые лазерные излучатели спектрального

диапазона 1.5-1.6 мкм

Полупроводниковые лазерные излучатели спектрального диапазона 1.5-1.6 мкм имеют многочисленные применения в современной науке и технике. Их основные преимущества связаны с наличием окна прозрачности 1.5-1.8 мкм, что позволяет передавать сигнал в атмосфере на значительные расстояния (рис. 1). Кроме того, вследствие низкой энергии импульса данные излучатели безопасны для человеческого зрения и могут быть применены в областях, в которых возможен непосредственный контакт глаза с излучением [7].

1.0

0.8

* 0.6

(и

ас

5 0.4

»4

у

0.2

0.9 1.2 1.5 1.8

X, мкм

Рис. 1. Спектр поглощения атмосферы в диапазоне 0.9-2.7 мкм.

Отдельной обширной областью применения излучателей диапазона 1.5-1.6 мкм является волоконная оптика. Поскольку широко распространенные волокна Б^БЮг характеризуются низкими потерями в данном спектральном диапазоне, сигнал высокой частоты может быть передан на значительные расстояния без использования усилителей [8,9]. Детектирование сигнала может быть осуществлено низкошумящими высокочастотными фотоприемниками на основе

1пОаАз.

Для многих практических применений в диапазоне 1.5-1.6 мкм востребованы излучатели повышенной мощности. Однако достижение высокой мощности излучения в данном спектральном диапазоне является сложной задачей [10-14]. Факторы, такие как оже-рекомбинация и выброс носителей заряда из КЯ, снижают выходную мощность и ограничивают применение излучателей в данном спектральном диапазоне [12-21]. В ряде случаев более привлекательным представляется использование ЛД спектрального диапазона 0.9-1.1 мкм, которые характеризуются значительно более высоким уровнем достижимой мощности, но их излучение представляет опасность для зрения человека [7]. Таким образом, для повышения конкурентной способности излучателей диапазона 1.5-1.6 мкм требуется решения задачи повышения выходной оптической мощности.

1.1. Выбор системы материалов для волноводного слоя ГС

Существует несколько подходов для решения задачи создания излучателей повышенной мощности. Поскольку одной из главных причин ограничения мощности является выброс носителей заряда из КЯ, необходимо исследовать возможности повышения ограничения электронов [12,18]. Это позволит локализовать носители заряда в КЯ и повысить вероятность рекомбинации. Исследование возможности снижения выброса электронов из КЯ следует начать с выбора системы материалов, которая бы обеспечила повышенное ограничение для электронов за счет большего разрыва зоны проводимости.

Наибольшее распространение в данном спектральном диапазоне получили системы материалов АЮаГпАБ и Оа1пАзР. В табл. 1 приведены основные характеристики этих систем материалов при согласовании их параметров решетки с подложкой 1пР. Эффективные массы электронов и дырок для рассматриваемых твердых растворов довольно близки и имеют максимум для Ino.53Gao.47As.

Таблица 1.

Основные параметры систем материалов АЮа1пАз и Оа1пА8Р [24-26].

Параметр Оа1пАзР АЮ^пАв

Её(комн), эВ 0.75-1.34 0.75-1.45

т/то 0.041-0.08 0.041-0.083

т/т0 0.47-0.85 0.47-0.87

/ле, см /В-с 13000-6000 13000-4600

АЕС/Её 0.45 0.72

П1.55 3.58-3.172 3.58-3.205

Основное различие систем материалов заключается в разрывах зон гетеропереходов Gao.47Ino.53As/InP и Gao.47Ino.53As/Alo.48lno.52As. Из литературных источников известно, что разрывы зоны проводимости составляют 45% и 72%, соответственно (рис. 2) [22]. Это принципиальное различие делает систему АЮа1пАз привлекательной для создания ГС для лазерных излучателей.

В работе [23] приведены экспериментальные зависимости ширины запрещенной зоны для ряда твердых растворов, входящих в ГС АЮа1пАз/1пР. Остальные важные для оценочных расчетов ГС параметры твердых растворов и соединений (диэлектрическая проницаемость, параметры Латтинжера, коэффициенты термического расширения, подвижность носителей заряда и т.д.), входящих в ГС АЮаТпАзЛпР, могут быть найдены в [24-26].

1п0.53&о0-67А5

1п0.5Эе°0-67А5

Рис. 2. Разрывы зон материалов, согласованных по параметру решетки с

подложкой 1пР [22].

Некоторые важные для формирования ГС для лазерных применений электрофизические характеристики рассматриваемого твердого раствора АЮаЬхАз исследованы в [22, 27]. Фоновый уровень и подвижность электронов исследовались с помощью эффекта Холла при комнатной температуре на образцах, полученных методом молекулярно-лучевой эпитаксии. Авторами отмечено, что во всем интервале составов твердый раствор (Оао 471П0.53А8)2(А1о.4в1по.52Аб) 1 характеризуются фоновой проводимостью п-типа с

низкой концентрацией собственных дефектов (1014-5-1015 см"3). Подвижность

2 2 электронов составила 11000 см /В с для Gao.47Ino.53As (г = 0) и 1200 см /В с для

Alo.48lno.52As (г - 1) и имеет минимум при ъ — 0.90. Этот минимум подвижности

может быть связан с рассеянием электронов на узлах кристаллической решетки

четырехкомпонентного твердого раствора, которое превосходит по величине

рассеяние в трехкомпонентном твердом растворе Alo.4sIno.52As. Рис. 3. показывает

зависимость холловской подвижности от состава (выражен в ширине

запрещенной зоны твердого раствора).

X, мкм

1.5

1.0

Т=300К

I

♦1_.РЕ.(ВепсЫто1 а1 1983) -

Са1п АэР

о О.5.М.В.Е. (Ние1 1.алпЬег1 1986)

А1Са1пА5

• М.В.Е.иЫз \л/огк) ДМ.В.Е. (Оепоуа е! а1 1987)

100

J_I__I

0.75 0.8

1 1.2 1А5

Е (АЮа1пА8)

ё

Рис. 3. Зависимость холловской подвижности от состава твердого раствора

АЮа1пАз, выращенного методом молекулярно-лучевой эпитаксии [27].

Для сравнения приведены результаты подвижности Са1пАзР, выращенного методами жидкофазной эпитаксии и молекулярно-лучевой эпитаксии. Оба материала характеризуются схожей зависимостью от состава в интервале 0.75 -1.05 эВ, лишь при переходе к более широкозонным составам подвижность АЮа1пАз ухудшается. Таким образом, электрофизические характеристики твердого раствора АЮа1пА8 позволяют эффективно применять его для решения задач микро- и оптоэл�