Полупроводниковые квантово-размерные гетероструктуры InGaAs/GaAs/AlGaAs для инжекционных лазеров спектрального диапазона 1000-1100 нм тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.21, кандидат физико-математических наук Петровский, Александр Владимирович

• Петровский, Александр Владимирович
• кандидат физико-математических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Петровский, Александр Владимирович

Оглавление.

Принятые обозначения и сокращения.

Введение.

Глава 1. Современные квантово-размерные гетероструктуры 1пСаА$/(А1)СаА8 и тенденции в создании инжекционных лазеров спектрального диапазона 1000-1100 нм на их основе.•.

1.1. Конструктивные и физико-химические особенности гетероструктур 1пОаАз/(А1)ОаА5.

1.2. Актуальность и способы повышения эффективности полупроводниковых лазеров.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Полупроводниковые квантово-размерные гетероструктуры InGaAs/GaAs/AlGaAs для инжекционных лазеров спектрального диапазона 1000-1100 нм»

Актуальность проблемы

С самого момента появления ИПЛ привлекают к себе большое внимание. Сочетание таких особенностей, как возможность напрямую преобразовывать электрическую энергию в оптическую, миниатюрность, малоинерционность, низкая себестоимость при массовом производстве обеспечили ИПЛ самый широкий круг применений. К наиболее массовым относятся оптические системы хранения информации (CD, DVD, Blue-ray), телекоммуникационные волоконные системы, накачка активных сред, медицина. Существуют и другие важные применения ИПЛ - спектроскопия, стандарты частоты, измерительная интерферометрия, голография, интегральная оптика и т.д.

У ИПЛ исследуемого в работе спектрального диапазона 1000-1100 нм существует ряд специфических применений. Зачастую они используются для замещения более дорогостоящих твердотельных и волоконных лазеров. В составе мощных импульсных лазерных систем они выступают в качестве задающих генераторов. ИПЛ исследуемого спектрального диапазона широко применяются в открытых линиях связи и лидарах, поскольку обеспечивают низкий уровень потерь на поглощение и рассеяние излучения. Использование схем с оптическим удвоением или утроением частоты позволяет создавать источники видимого лазерного излучения.

Для создания современных надежных ИПЛ, работающих в спектральном диапазоне 1000-1100 нм, необходим учет ряда специфических особенностей исходных лазерных ГС InGaAs/(Al)GaAs. В частности, это высокий уровень механических напряжений и возможность образования кристаллических дефектов в активной области. Размытие номинального концентрационного профиля кваитово-размерных слоев InGaAs в активной области оказывает существенное влияние на рабочие характеристики лазеров.

К моменту начала работы в литературе существовали качественные модели, описывающие наблюдаемые особенности. Однако их точность недостаточна для практических применений. В связи с этим необходимо проведение дополнительных исследований особенностей напряженных квантово-размерных ГС InGaAs/(Al)GaAs. Также эти особенности должны учитываться при разработке лазерных ГС спектрального диапазона 1000-1100 нм.

Целый ряд параметров исходных лазерных ГС и активного элемента неоднозначно влияют на рабочие характеристики ИПЛ. Улучшая одни характеристики, одна и та же модификация ИПЛ может вызывать ухудшение других. Выбор оптимальной конфигурации ИПЛ, как правило, определяется областью применения разрабатываемых приборов. К настоящему моменту опубликовано большое количество работ, где основным критерием выступали условия снижения порогового тока или увеличения мощности, яркости излучения.

• Исследование влияния условий роста гетероструктур 1пОаАз/(А1)ОаА5 на сегрегационное размытие концентрационных профилей квантово-размерных слоев ГпОаАэ, выращиваемых методом МОС-гидридной эпитаксии.

• Разработка методики расчета концентрационных профилей гетероструктур с одной и несколькими напряженными квантовыми ямами ¡пОаАэ/СаАз.

• Определение условий начала активного дефектообразования в напряженных квантово-размерных гетероструктурах 1пОаАз/(А1)ОаА5.

• Исследование влияния сегрегационного размытия концентрационных профилей квантово-размерных слоев ЬЮаАэ на спектральные свойства лазерных гетероструктур ЬЮаАз/ (А1)ОаАз и лазеров на их основе.

• Оптимизация конфигурации напряженной квантово-размерной активной области лазерных гетероструктур 1пОаАз/(А1)ОаАз спектрального диапазона 1000-1100 нм для создания высокоэффективных полупроводниковых лазеров.

• Оптимизация геометрии активного элемента гребневого полупроводникового лазера для увеличения его эффективности при сохранении режима одномодовой генерации в широком диапазоне токов накачки (на примере лазеров спектрального диапазона 1060-1070 нм).

• Исследование основных характеристик разработанных высокоэффективных одномодо-вых гребневых полупроводниковых лазеров спектрального диапазона 1060-1070 нм.

Научная новизна

1. Исследовано влияние механических напряжений на поверхности роста па сегрегационное размытие номинальных концентрационных профилей квантово-размерных гетероструктур 1пОаА5/(А1)ОаАй, выращиваемых методом МОС-гидридной эпитаксии.

2. Определены общие условия начала дефектообразования в квантово-размерных гетероструктурах 1пОаАз/(А1)ОаАз с произвольной конфигурацией напряженных слоев, выращиваемых методом МОС-гидридной эпитаксии.

3. Изучены спектральные особенности напряженных квантово-размерных лазерных гетероструктур 1пОаА5/(А1)ОаАз спектрального диапазона 1000-1100 нм и полупроводниковых лазеров на их основе.

4. Впервые в работе исследована возможность повышения эффективности работы полупроводниковых лазеров спектрального диапазона 1000-1100нм за счет оптимизации активной области лазерных гетероструктур с учетом сегрегационного размытия концентрационных профилей квантовых ям 1пОаАзЛЗаЛз.

Достоверность и обоснованность полученных результатов подтверждается:

• соответствием результатов теоретических расчетов и экспериментальных данных, полученных для тестовых напряженных квантово-размерных ГС 1пОаЛз/(А1)ОаА5 при исследовании особенностей используемой системы материалов и оптимизации конфигурации активной области лазерных ГС;

• результатами исследования основных характеристик разработанных высокоэффективных одномодовых гребневых ИПЛ спектрального диапазона 1060-1070 нм.

На защиту выносятся научные положения и результаты

1. Механические напряжения на поверхности роста оказывают существенное влияние на сегрегационное размытие концентрационных профилей квантово-размерных ГС 1пОаАзЛЗаАй.

2. Определение критических условий на образование дислокаций несоответствия в квантово-размерных ГС 1пОаАй/(А1)ОаАй возможно только при учете сегрегационного размытия слоев ¡пОаАэ, снижающего уровень механических напряжений.

3. Наблюдаемое искажение геометрии активной области лазерных квантово-размерных ГС 1пОаАй/(А1)ОаАй приводит к коротковолновому смещению спектра их люминесценции при использовании одной КЯ, а также уширению и расщеплению спектра в случае нескольких ям.

4. Для ИПЛ на основе ГС 1пОаАй/(А1)ОаАй с двумя КЯ в активной области появление дополнительной коротковолновой компоненты в спектре при увеличении тока накачки обусловлено вовлечением в генерацию нижней, более размытой квантовой ямы. Для ИПЛ с одной КЯ может наблюдаться скачкообразное укорочение длины волны, величина которого определяется геометрией ямы.

5. Сегрегационное искажение активной области лазерных ГС 1пОаАз/(А1)ОаАз приводит к необходимости дополнительной оптимизации соотношения параметров КЯ, а также использования номинально неидентичных КЯ для повышения эффективности ИПЛ.

6. Результаты исследования разработанных одномодовых гребневых ИПЛ спектрального диапазона 1060-1070 нм с выходной мощностью до 340 мВт и высокой надежностью.

Практическая ценность работы

ИПЛ спектрального диапазона 1000-1100 нм на основе квантово-размерных ГС 1пОаАз/(А1)ОаАз к настоящему моменту нашли широкое применение. В связи е этим рассматриваемые в настоящей работе вопросы представляют интерес не только с научной, но и с практической точки зрения. Проведенные исследования позволили получить следующие результаты:

1. Определены режимы роста ГС 1пОаАз/(А1)ОаАз методом МОСГЭ, позволяющие снизить сегрегационное размытия концентрационных профилей напряженных квантово-размерных слоев 1пОаАз.

2. Разработана методика расчета концентрационных профилей квантово-размерных ГС ГпОаАзЛЗаАз с произвольной конфигурацией напряженных слоев 1гЮаАз.

3. Определено критическое значение эффективного напряжения сдвига на образование и распространение ДН в напряженных ГС InGaAs/(Al)GaAs. Предложена методика оценки пригодности этих ГС для производства ИПЛ.

4. Разработана методика расчета положения максимума спектра ЭЛ лазерных ГС InGaAs/ (Al)GaAs в зависимости от соотношения мольных расходов МОС атомов индия и галлия для эпитаксиальной установки «СИГМОС-130». Точность расчета улучшена с 20 до 2 нм.

5. Достигнуто уменьшение ширины спектра ЭЛ и увеличение интенсивности в его максимуме на 10-15% для лазерных ГС InGaAs/(Al)GaAs с двумя КЯ в активной области.

6. Создана лазерная ГС InGaAs/(Al)GaAs с оптимизированной конфигурацией квантово-размерной активной области. Определены параметры активного элемента гребневых ИПЛ спектрального диапазона 1060-1070 нм на основе этой ГС, обеспечивающие высокую эффективность в режиме одномодовой генерации.

Использование результатов проведенных исследований позволило разработать одно-модовые гребневые полупроводниковые лазеры с длиной волны 1060-1070 нм, обладающие высокой эффективностью работы. КПД разработанных лазеров увеличен на 15% и достигает уровня 0,55. При этом максимальная мощность в режиме одномодовой генерации составила 340 мВт, а предварительный ресурс работы с выходной мощностью 250 мВт и температурой теплоотвода 20°С - не менее 50000 часов.

Апробация работы

Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на всероссийских и международных конференциях. В частности:

• 9-й Всероссийский симпозиум по прикладной промышленной математике (весенняя сессия), 1-8 мая."2008 г., Кисловодск "(Россия)

• «Тонкие пленки и наноструктуры». 22-26 ноября 2005 г. Москва (Россия)

• E-MRS Symposium. Warsaw, September, 2003

• ICMOVPE XI. Berlin, June 2002

• E-MRS Symposium. Strasbourg, June, 2001

• ICCG-13/ICVGE-11. Kyoto, July, 2001

• 9th Int. Symp. "Nanostructures: Physics and Technology". St Peterburg, June, 2001

Волоконно-оптические модули на основе разработанных ИПЛ демонстрировались на международной выставке «Фотоника 2007» (Москва, 2007).

Публикации

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 24 научных работах, в том числе 12 тезисах в материалах научно-технических конференций.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Работа содержит 115 страниц, включающих 6 таблиц и 64 рисунка.

Заключение диссертации по теме «Лазерная физика», Петровский, Александр Владимирович

Заключение

В настоящей диссертационной работе проводились исследования и разработка полупроводниковых квантово-размерных гетероструктур 1пОаАз/(А1)ОаА8 для инжекционных полупроводниковых лазеров спектрального диапазона 1000-1100 нм. Основные результаты работы сводятся к следующему:

1. Дан обзор литературных данных, посвященных характеристикам современных квантово-размерных лазерных гетербструктур 1пОаАз/(А1)ОаА5, а также тенденций в создании полупроводниковых лазеров.

2. Определены оптимальные условия роста квантово-размерных лазерных гетероструктур 1пОаА5/(А1)ОаА8 методом МОС-гидридной эпитаксии.

3. Разработана методика расчета концентрационных профилей квантово-размерных гетероструктур ЬаОаАэ/ОаАз/АЮаАз, обеспечивающая высокую точность моделирования и малую погрешность определения положения максимума спектра электролюминесценции (не хуже 2 нм).

4. Установлены критические условия на образование и распространение дислокаций песо-ответствия в напряженных квантово-размерных гетероструктурах 1пОаАз/(А1)ОаАз (•т"1е,а = 6-10"3-рОаА5). Предложена методика оценки пригодности гетероструктур для производства полупроводниковых лазеров.

5. Показано, что спектральные особенности квантово-размерных лазерных гетероструктур, связанные с коротковолновым смещением и уширением (расщеплением) спектра электролюминесценции, обусловлены сегрегационным искажением активной области.

6. Показано, что использование гетероструктур 1пСтаАз/(А1)ОаАз с двумя квантовыми ямами в активной области позволяет избежать коротковолнового переключения в спектре генерации полупроводниковых лазеров.

7. Установлены оптимальные соотношения параметров для активной области лазерных гетероструктур с двумя квантовыми ямами 1пОаАз/(А1)СтаА8, обеспечивающие высокую эффективность работы полупроводниковых лазеров спектрального диапазона 10001100 нм.

8. Проведен расчет оптимальной геометрии активного элемента высокоэффективных одно-модовых гребневых полупроводниковых лазеров.

9. По результатам диссертационной работы созданы и исследованы одномодовые гребневые полупроводниковые лазеры спектрального диапазона 1000-1100 нм со следующими параметрами:

• максимальное значение полного КПД 55%;

• максимальная мощность излучения в одномодовом режиме 340 мВт;

• прогнозируемый ресурс работы не менее 50 ООО часов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Петровский, Александр Владимирович, 2009 год

1. X. Кейси, М. Паниш, Лазеры на гетероструктурах, Москва, «Мир», 1981

2. М. Kanskar, М. Nesnidal, S. Meassick, A. Goulakov, Е. Stiers, Zheng Dai, Т.Е. Earles, D. Forbes, D. Hansen, P. Corbett, Ling Zhang, T. Goodnough, L. LeClair, N. Holehouse, D. Botez, L.J. Mawst, Proc. SPffi, v.4995,2003, p. 196

3. R. Williamson, M. Kanskar, Compound Semiconductor, v.7,2004, p. 137

4. Quantum well lasers, ed. by P.S. Zory, Jr., Academic Press, San Diego, 1993

5. M. Fukuda, Optical Semiconductor Devices, Wiley-IEEE, New York, 1999

6. R. Dingle, C.H. Henry, U.S. Patent 3982207, September 21, 1976

7. T. Numai, Fundamentals of semiconductor lasers, Springer, New York, 2004

8. Патент РФ 2168249 (ФГУП НИИ «Полюс»; А. А. Чельный, М.Ш. Кобякова, В.А. Симаков, П.Г. Елисеев), 27.05.01, Н 01 S 5/00

9. Физика полупроводниковых лазеров. Под редакцией X. Такумы, Москва, «Мир», 1989

10. Н. Kobayashi, Н. Iwamura, Т. Saku, К. Otsuka, Electron. Lett., v. 19, 1983, p. 166

11. H. Iwamura, T. Saku, H. Kobayashi, Y. Horikoshi, J. Appl. Phys., v.54, 1983, p.2692

12. I-H. Tan, G.L. Snider, L.D. Chang, E.L. Hu, J. Appl. Phys., v.68, 1990, p.4071

13. D.W. Winston, R.E. Hayes, Proc. Intern. Symp. on Compound Semic., San-Diego CA, 1994, p.747

14. J.W. Matthews, A.E. Blakeslee, J. Cryst. Growth, v.27, 1974, p.l 18

15. M.G.A. Bernard, G. Duraffourg, Phys. Status. Solidi, v.l, 1961, p.699

16. K.J. Beernik, P.K. York, J.J. Coleman, Appl. Phys. Lett., v.55, 1989, p.2585

17. K.J. Beernik, P.K. York, J.J. Coleman, R.G. Waters, J. Kim, C.M. Wayman, Appl. Phys. Lett., v.55, 1989, p.2167

18. P.K. York, S.M. Langsjoen, L.M. Miller, K.J. Beernik, J.J. Alwan, J.J. Coleman, Appl. Phys. Lett., v.57, 1990, p.843

19. J.M. Moisson, C. Guille, F. Barthe, M. Van Rompay, Phys. Rev. B, v.40, 1989, p.6149

20. J.M. Moisson, F. Houzay, F. Barthe, J.M. Gerard, B. Jusserand, J. Massies, F.S. Turco-Sandroff, J. Cryst. Growth, v.l 11, 1991, p. 141

21. K. Muraki, S. Fukatsu, Y. Shiraki, R. Ito, Appl. Phys. Lett., v.61, 1992, p.557

22. R. Kaspi, K.R. Evans, Appl. Phys. Lett., v.67, 1995, p.819

23. K. Chattopadhyay, J. Aubel, S. Sundaram, J.E. Ehret, R. Kaspi, K.R. Kaspi, J. Appl. Phys., v.81, 1997, p.3601

24. P.X. Акчурин. Изв. вузов. Материалы электронной техники, №3, 2004, с.48

25. G.B. Stringfellow, Organometallic Vapour Phase Epitaxy. Theory and Practice. Second Edition. Academic Press, New York, 1999

26. F. Bugge, U. Zeimer, M. Sato, M. Weyers, G. Tränkle, J. of Crystal Growth, v. 183, 1998, p.511

27. K.A. Kaduki, A. Ghiti, W. Batty, D.W.E. Allsopp, Phys. Scr., v.67, 2003, p.68

28. R.Kh. Akchurin, A.Y. Andreev, O.I. Govorkov, A.A. Marmalyuk, A.V. Petrovskiy, Appl. Surf. Sei., v.188, 2002, p. 209

29. Ю.Б. Болохвитянов, О.П. Пчеляков, С.И. Чикичев, Успехи физических наук, т.171, 2001, с.689

30. D.C. Houghton, М. Davies, М. Dion, Appl. Phys. Lett., v.64, 1994, p.505

31. Diode Laser Arrays, Ed. D. Botez, D.R. Scifres, Cambridge University Press, 1994

32. G. Bai, M.-A. Nicolet, C.H. Chern, K.L. Wang, J. Appl. Phys, v.75, 1994, p.4475

33. R. People, J.C. Bean, Appl. Phys. Lett., v.47, 1985, p.322

34. D. Schlenker, T. Migamoto, Z. Chen, F. Koyama, K. Iga, J. Cryst. Growth, v.209, 2000, p.27

35. B.W. Dodson, J.Y. Tsao, Appl. Phys. Lett., v.51, 1987, p. 1325

36. B.W. Dodson, J.Y. Tsao, Appl. Phys. Lett., v.52, 1988, p.852

37. R. Hull, J.C. Bean, Appl. Phys. Lett., v.54, 1989, p.925

38. A. Fisher, Appl. Phys. Lett., v.64, 1994, p.1218

39. R. Hull, J.C. Bean, Appl. Phys. Lett., v.54, 1989, p.925

40. B.A. Fox, W.A. Jesser, J. Appl. Phys., v.68, 1990, p.2801

41. K.J. Beernik, J.J. Alwan, J.J. Coleman, J. Appl. Phys., v.69, 1991, p.56

42. W. Streifer, R.D. Burnham, D.R. Scifres, IEEE J. Quantum Electron., QE-18, 1982, p.856

43. T.Paoli, IEEE J. Quantum Electron., QE-13,1977, p.662

44. P. Kirkby, A. Goodwin, G. Thompson, P. Selway, IEEE J. Quantum Electron., QE-13, 1977, p.705

45. M.D. Camras, J.M. Brown, N.Jr. Holonyak, M.A. Nixon, R.W. Kaliski, M.J. Ludowise, W.T. Dietze, C.R. Lewis, J. Appl.Phys., v.54, 1983, p.6183

46. W.D. Laiding, Y.F. Lin, P.J. Caldwell, J. Appl. Phys., v.57, 1985, p.33

47. W. Stutius, P. Gavrilovic, J.E. Williams, K. Meehan, J.H. Zarrabi, v.24, 1988, p.1494

48. S.E. Fischer, R.G. Waters, D. Fekete, J.M. Ballantyne, Appl. Phys. Lett., v.54, 1989, p. 1861

49. D.P. Bour, D.B. Gilbert, K.D. Fabian, J.P. Bednarz, M. Ettenberg, IEEE Photon. Tech. Lett., v.2, 1990, p. 173

50. R.G. Waters, D.P. Bour, S.L. Yellen, N.F. Ruggieri, IEEE Photon. Tech. Lett., v.2, 1990, p.531

51. R.G. Waters, P.K. York, K.J. Beernik, J.J. Coleman, J. Appl. Phys., v.67, 1990, p.l 132

52. D.P. Bour, R.U. Martineiii, D.B. Gilbert, L. Elbaum, M.G. Harvey, Appl. Phys. Lett., v.55, 1989, p.1501

53. G. Venus, V. Smirnov, L. Glebov, M. Kanskar, Proceedings of Solid State and Diode Lasers Technical Review, 2004, p. 14

54. S. Hofmann, Surf. Interf. Anal., v.21, 1994, p.673

55. K. Radhakrishnan, S.F. Yoon, R. Gopalakrishnan, K.L. Tan, J. Vac. Sei. Technol., A12, 1994, p.1124

56. N. Chand, S.N. George Chu, N.K. Dutta, J. Lopata, M. Geva, A.V. Syrbu, A.Z. Mereutza, V.P. Yakovlev, IEEE J. Quantum Electron., v.30, 1994, p.424 K. Nakajima, J. Cryst. Growth, v. 126, 1993, p.511 Z.S. Li, J. Piprek, Laser Focus World, №1, 2000, p.225

57. C.G. Van de Walle, Phys. Rev. B, v.39, 1989 p.1871 M.P.C.M. Krijn, Semicond. Sei. Technol., v.6, 1991, p.27

58. E.H. Li, Physica E, v.5, 2000, p.215

59. Vurgaftman, J.R. Meyer, L.R. Ram-Mohan, J. Appl. Phys., v.89, 2001, p.5815

60. J.N. Schulman, Y.-C. Chang, Phys. Rev. B, v.33, 1986, p.2594

61. J.P. Loehr, Physics of Strained Quantum Well Lasers, Academic, New York, 1997

62. M.L. Cohen, J.R. Chelikowsky, Electronic Structure and Optical Properties of Semiconductors,

63. Springer Series in Solid-State Sciences, Springer, Berlin, 1988

64. D. Schlenker, T. Miyamoto, Z. Chen, F. Koyama, K. Iga, J. Cryst. Growth, v.209, 2000, p.27 П.Г. Елисеев, И.В. Акимова, Квантовая электроника, т.25, 1998, с.206

65. W.T. Tsang, Appl. Phys. Lett., v.39, 1981, p.786

66. E. Yablonovitch, E.O. Kane, J. Lightwave Technol., LT-4, 1986, p.504

67. Г.В. Скрынников, Г.Г. Зегря, H.A. Пихтин, С.О. Слипченко, В.В. Шахматов, И.С. Тарасов, ФТП, т.37, 2003, с.243

68. H.A. Пихтин, С.А. Слипченко, З.Н. Соколова, И.С. Тарасов, ФТП, т.38, 2004, с.374 H.A. Пихтин, С.О. Слипченко, З.Н. Соколова, И.С. Тарасов, ФТП, т.36, 2002, с.364

69. С.А. Плисюк, Д.В. Батрак, А.Е. Дракин, А.П. Богатое, Квантовая электроника, т.36, 2006, с. 1058

70. A. Shimizu, Т. Нага, IEEE J. of Quantum Electron., v.23, 1987, p.293

71. Д.А. Лившиц, А.Ю. Егоров, И.В. Кочнев, В.А. Капитонов, В.М. Лантратов, H.H. Леденцов, Т.А. Налет, И.С. Тарасов, ФТП, т.35, 2001, с.380

72. П.Г. Елисеев, Г. Бейстер, А.Е. Дракин, И.В. Акимова, Г. Эрберт, Ю. Mere, Ю. Себастиан, Квант, электроника, т.22, 1995, с.309

73. П.В. Булаев, О.И. Говорков, И.Д. Залевский, В.Г. Кригель, A.A. Мармалюк, Д.Б. Никитин, A.A. Падалица, A.B. Петровский, Квантовая электроника, т.32, 2002, с.216.

74. D.R. Pendse, A.K. Chin, D. Bull; J. Maider, Proc. SPIE, v.4285, 2001, p. 1