Полупроводниковые вертикально-излучающие лазеры на основе самоорганизующихся квантоворазмерных гетероструктур в системе материалов InGaAs-AlGaAs

Кузьменков, Александр Георгиевич

Полупроводниковые вертикально-излучающие лазеры на основе самоорганизующихся квантоворазмерных гетероструктур в системе материалов InGaAs-AlGaAs тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

Кузьменков, Александр Георгиевич АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Санкт-Петербург МЕСТО ЗАЩИТЫ

2008 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.10 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Полупроводниковые вертикально-излучающие лазеры на основе самоорганизующихся квантоворазмерных гетероструктур в системе материалов InGaAs-AlGaAs»

Автореферат диссертации на тему "Полупроводниковые вертикально-излучающие лазеры на основе самоорганизующихся квантоворазмерных гетероструктур в системе материалов InGaAs-AlGaAs"

Учреждение Российской академии наук Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН

На правах рукописи

Кузьменков Александр Георгиевич

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ВЕРТИКАЛЬНО-ИЗЛУЧАЮЩИЕ ЛАЗЕРЫ НА ОСНОВЕ САМООРГАНИЗУЮЩИХСЯ КВАНТОВОРАЗМЕРНЫХ ГЕТЕРОСТРУКТУР В СИСТЕМЕ МАТЕРИАЛОВ ЬваАв-АЮаАв

Специальность: 01.04.10 - Физика полупроводников

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

-"^'юо 163

Санкт-Петербург 2008 г.

003458163

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе РАН

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, чл.-кор. РАН, профессор В.М.Устинов

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Л.Е. Воробьёв

доктор физико-математических наук, доцент В.И. Зубков

Ведущая организация:

Учреждение Российской академии наук Институт аналитического приборостроения РАН

Защита состоится " 24 " декабря 2008 г. в 12 часов на заседании Диссертационного Совета Д 002.205.02 при Учреждении Российской академии наук Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе РАН по адресу: 194021, г. Санкт-Петербург, ул. Политехническая, д. 26.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Учреждения Российской академии наук Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе РАН.

Автореферат разослан

Ъ 2008 г.

Ученый секретарь Диссертационного Совета д.ф.-м.н., с.н.с.

Сорокин JLM.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Полупроводниковые лазерные диоды (ЛД) традиционной полосковой конструкции в настоящее время активно и успешно используются для самого широкого спектра практических приложений: волоконно-оптических линиях связи (BOJ1C), оптических системах записи и хранения информации, оптических датчиках и сенсорах, устройствах накачки твердотельных лазеров, медицинской аппаратуре, контрольно-измерительной аппаратуре, оптических системах обработки информации и др. [1]. Однако существует несколько принципиальных недостатков традиционной полосковой конструкции ЛД, к числу которых относятся:

- невозможность адекватного тестирования приборных структур на пластине (подложке) до их разделения на индивидуальные кристаллы и монтажа на кри-сталлодержатель;

- несимметричная диаграмма выходного излучения ЛД и ее достаточно высокая угловая расходимость, что затрудняет ввод излучения в оптическое волокно и требует использования прецизионной сборки для модулей излучателей ВОЛС;

- достаточно сильная температурная зависимость длины волны лазерного излучения для наиболее простой в реализации конструкции ЛД (лазеры с резонатором Фабри-Перо без дополнительных мер по стабилизации длины волны);

- как правило, заметное возрастание порогового тока ЛД с ростом температуры;

- необходимость применения весьма сложных конструкций приборов для обеспечения высокого быстродействия (10 Гбит/с и выше) при использовании наиболее простого и удобного метода прямой токовой модуляции.

ВИЛ основаны на использовании вертикальных оптических микрорезонаторов с зеркалами в виде распределенных брэгговских отражателей (РБО) [2-4]. При этом в качестве активной области используются одна или несколько квантовых ям (КЯ), помещенных вблизи пучностей оптического поля. Активная область прибора (область протекания тока и излучательной рекомбинации носителей) ограничивается с помощью селективного окисления апертурных слоев АЮаАэ или с помощью имплантации протонов. К числу основных преимуществ ВИЛ по сравнению с традиционными инжекционными лазерами полосковой конструкции относятся малая угловая расходимость и симметричная диаграмма направленности выходного оптического излучения, возможность обеспечения субмиллиамперных пороговых токов, повышенная температурная и радиационная стабильность, групповая технология изготовления и возможность тестирования приборов непосредственно на пластине. Планарная технология ВИЛ позволяет формировать двумерные матрицы с большим числом индивидуально адресуемых излучателей. В последние годы полупроводниковые вертикально-излучающие лазеры находят все более широкое применение в быстродействующих оптоволоконных системах передачи и обработки информации, датчиках и сенсорах различного типа, высокопроизводительных компьютерных системах [5-7]. Другое активно развивающееся направление исследований связано с созданием матричных излучателей на основе ВИЛ с большим количеством индивидуально адресуемых элементов. Гибридная интеграция таких матричных излучателей с кремниевыми интегральными схемами (81 ИС) открывает новые возможности для построения высокопроизводительных вычислительных систем и устройств обработки информации [8], а также совершенствования бортовых комплексов с активными фазированными антенными решетками за счет решения проблемы электрических межсоединений, лимитирующей сегодня их развитие [9].

дания датчиков различного типа, а также внутрисистемных оптических межсоединений. Практическая реализация таких приборов требует уменьшения размеров токовой апертуры ВИЛ до единиц мкм. Возможности использования традиционных структур с КЯ активной областью ограничены латеральным растеканием носителей заряда и ростом внутренних потерь при существенном снижении размеров апертуры [3]. В то же время, использование массивов самоорганизующихся квантовых точек (КТ) потенциально позволяет создавать приборы с субмикронной апертурой без существенной деградации плотности порогового тока [10-12]. Это не только открывает возможность для снижения рабочего тока и потребляемой мощности ВИЛ, что особенно актуально для реализации оптических коммуникаций между отдельными компонентами вычислительных устройств, но и может быть положено в основу создания источников одиночных фотонов. Однако следует отметить, что практическая реализация ВИЛ на основе массивов КТ с малым размером апертуры требует серьезных исследований в направлении оптимизации свойств реальных массивов самоорганизующихся КТ в сочетании с оптимизацией конструкции приборных структур.

Еще одна проблема в технологии ВИЛ связана с поиском новых полупроводниковых материалов, пригодных для создания приборов, работающих в основных спектральных диапазонах современных систем волоконно-оптической связи (1300 и 1550 нм). Несмотря на успешное развитие промышленной технологии ВИЛ для спектральных диапазонов 650, 850 и 980 нм, создание аналогичных приборов для диапазонов длин волн 1300 и 1550 нм требует решения ряда принципиальных проблем [3]. Основные ограничения при использовании традиционной системы материалов ¡пОаАэРЛпР связанны с относительно плохими характеристиками РБО. Это обусловлено меньшей (по сравнению с используемой в коротковолновой спектральной области системой материалов АЮаАз/СаАБ) разницей коэффициентов преломления слоев 1пСаАзР, ГпАЮаАз и 1пР, а также низкой теплопроводностью четверных соединений. Кроме того, для лазерных диодов на подложках 1пР характерна относительно низкая температурная стабильность основных характеристик. В последние годы предложен

ряд новых полупроводниковых гетероструктур, излучающих в диапазоне длин волн 1200-1500 нм, которые могут быть синтезированы на подложках ваАБ [13]. К их числу относятся структуры с квантовыми ямами ЬЮаАэК [14] и ОаАэЗЬ [15], а также структуры с массивами квантовых точек 1п(Са)А5 [16,17]. При этом использование в качестве активной области длинноволновых ВИЛ массивов самоорганизующихся 1пСаАБ КТ на подложках СаАэ является одним из наиболее перспективных направлений [11]. Однако практическая реализация длинноволновых ВИЛ на основе массивов КТ возможна только при тщательной оптимизации параметров и технологии формирования активной области, оптимальном выборе конструкции вертикального оптического микрорезонатора и тщательной отработки технологии создания приборных структур.

Наконец, общей задачей современной технологии ВИЛ является снижение пороговой плотности тока, повышение дифференциальной эффективности и достижении максимальной выходной мощности в пространственно-одномодовом режиме в сочетании с высоким быстродействием в режиме прямой токовой модуляции. Специфические подходы к формированию массивов самоорганизующихся КТ 1пОаАз позволяют успешно продвинутся в указанном направлении [18].

На основании вышеизложенного следует, что создание вертикально-излучающих лазеров с активной областью на основе гетероструктур с самоорганизующимися квантовыми точками является актуальной задачей современной физики и техники полупроводников, решение которой позволит преодолеть ряд ограничений существующей технологии ВИЛ.

Целью настоящей работы является: Исследования физических процессов, разработка конструкции и технологии изготовления полупроводниковых вертикально-излучающих лазеров на основе гетероструктур с самоорганизующимися квантовыми точками в системе материалов АЮаАз-ТпОаАБ-ОаАБ

Для достижения поставленной цели в ходе работы решались следующие основные задачи:

1. Разработка методов получения и исследование характеристик самоорганизующихся квантоворазмерных гетероструктур с квантовыми точками в системе материалов АЮаАБ-ГпСаАБ-СаАз для их использования в качестве активных областей полупроводниковых вертикально-излучающих лазеров.

2. Развитие технологии молекулярно-пучковой эпитаксии для получения эпитаксиальных гетероструктур вертикально-излучающих лазеров.

3. Расширение рабочего спектрального диапазона длин волн вертикально-излучающих лазеров на подложках арсенида галлия

4. Реализация пространственно-одномодовых приборов с субмиллиампер-ными пороговыми токами

5. Разработка базовых элементов технологии вертикально-излучающих лазеров с внутрирезонаторными контактами, селективно-окисленными апертурами и различными вариантами используемых РБО

6. Проведение математического моделирования и расчет вариантов конструкции эпитаксиальных гетероструктур вертикально-излучающих лазеров с квантоворазмерными активными областями в системе материалов АЮаАз-¡пОаАБ-ОаАз, позволяющих минимизировать внутренние оптические потери, улучшить однородность распределения тока в активной области и оптимизировать распределение оптического поля в вертикальном микрорезонаторе.

7. Разработка конструкции и технологии изготовления матричных излучателей вертикально-излучающих лазеров с индивидуальной адресацией активных элементов, пригодных для гибридной интеграции и монтажа методом перевернутого кристалла.

8. Экспериментальные исследования и анализ характеристик созданных вертикально-излучающих лазеров и матричных излучателей на их основе.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Самоорганизующиеся квантоворазмерные гетероструктуры в системе материалов АЮаАз-ТгЮаАз позволяют реализовать вертикально-излучающие лазеры спектрального диапазона от 960 до 1300 нм на подложках арсенида галлия.

2. Формирование распределенных брэгговских отражателей и токовой апертуры микрорезонатора вертикально-излучающего лазера в едином процессе селективного окисления возможно при условии выбора оптимального сочетания скоростей селективного окисления отдельных слоев эпитаксиальной ге-тероструктуры.

3. Создание низкопороговых эффективных вертикально-излучающих лазеров спектрального диапазона 1300 нм на основе массивов самоорганизующихся квантовых точек ГпАБ/ШОаАБ, обладающих низким оптическим усилением, возможно при использовании оптических микрорезонаторов с нелегированными полупроводниковыми или диэлектрическими распределенными брэгговски-ми зеркалами.

4. В вертикально-излучающих лазерах на основе гетероструктур с субмо-нослойными квантовыми точками ЬЮаАБ, обладающих высоким оптическим усилением, при малых размерах селективно-окисленной апертуры наблюдается ярко выраженная самопульсация, обусловленная формированием насыщающегося поглотителя.

Научная новизна работы состоит в том, что в ней:

1.В результате комплекса теоретических и экспериментальных исследований показана возможность создания ВИЛ с активной областью на основе гетероструктур с самоорганизующимися 1пОаАз КТ на подложках ваАэ, обладающих низким пороговым током и высокой дифференциальной эффективностью в спектральном диапазоне от 960 до 1300 нм.

2. Исследованы ограничения на условия формирования вертикального оптического микрорезонатора при одновременном селективном окислении в парах воды РБО на основе чередующихся слоев ОаАв и АЮаАв и токовых апер-турных слоев на основе АЮаАБ с высоким содержанием А1.

3. Проведены сравнительные экспериментальные исследования вариантов конструкции оптических микрорезонаторов ВИЛ спектрального диапазона 1300 нм на основе массивов самоорганизующихся КТ ГпАз/ГпОаАз

4. Обнаружены и экспериментально исследованы явления самопульсации в ВИЛ на основе массивов субмонослойных КТ 1пОаА5.

Практическая значимость работы состоит в том, что в ней

1. Разработаны и исследованы варианты конструкции и базовые элементы технологии изготовления ВИЛ с электрическими контактами к внутренним слоям вертикального оптического микрорезонатора, РБО различного типа и селективно-окисленными апертурными слоями, позволяющие успешно реализовать ВИЛ с активной областью на основе самоорганизующихся ГпОаАБ КТ и матричные излучатели на их основе.

2. Развит метод изготовления структур с вертикальными оптическими микрорезонаторами с использованием промежуточного контроля спектров отражения в шлюзовой камере установки молекулярно-пучковой эпитаксии с последующей корректировкой толщин слоев, обеспечивающая выращивание структур ВИЛ с отклонением резонансной длины волны от проектного значения не более 1 %.

3. Разработана технология прецизионного глубокого (до 5 мкм) ионно-лучевого травления многослойных структур ВИЛ под маской фоторезиста с контролируемым наклоном стенок меза-струкутр.

4.Предложена методика оптимального выбора состава для обеспечения необходимых размеров токовой апертуры и предотвращения «переокисления» при одновременном селективном окислении в парах воды верхнего РБО на основе чередующихся слоев ОаАэ и АЮаАБ и токовых апертурных слоев на основе АЮэАб с высоким содержанием А1

5. Продемонстрированы высокоэффективные одномодовые ВИЛ спектрального диапазона 980 нм с активной областью на основе субмонослойных КТ 1п-ОаАБ, имеющие пороговый ток 0.3 мА, максимальную выходную мощность более 4 мВт (в одномодовом режиме) и внешнюю дифференциальную эффективность более

мых элементов 8x8, перспективные для использования в оптических коммутаторах и высокопроизводительных вычислительных системах.

Результаты диссертации использованы в ФТИ им. А.Ф.Иоффе РАН, СПБ ФТНОЦ РАН, Минском НИИ радиоматериалов (Республика Беларусь) и Industrial Technology Research Institute (Taiwan) при разработке конструкции и технологии ВИЛ и матричных излучателей на их основе.

Апробация работы

Основные результаты, вошедшие в диссертационную работу, докладывались и обсуждались на следующих российских и международных конференциях:

5-ом Белорусско-Российском семинаре «Полупроводниковые лазеры и системы» (5th Belarussian-Russian Workshop «SEMICONDUCTOR LASERS AND SYSTEMS») (Республика Беларусь, Минск, 2005), 13-й Международной конференции НАНОСТРУКТУРЫ: Физика и Технология (^International Symposium NANOSTRUCTURES: Physics and Technology) (Санкт-Петербург, 2005), 14-й Международной конференции НАНОСТРУКТУРЫ: Физика и Технология (^International Symposium NANOSTRUCTURES: Physics and Technology) (Санкт-Петербург, 2006), VII Международном российско-украинском семинаре «Нанофизика и наноэлектроника» (Санкт-Петербург, 2006), 6-ом Белорусско-Российском семинаре «Полупроводниковые лазеры и системы» (6th Belarussian-Russian Workshop «SEMICONDUCTOR LASERS AND SYSTEMS») (Республика Беларусь, Минск, 2007), Международной конференции по лазерам и электрооптике (Int. Conf. on Lasers and Electro-Optics (CLEO-Europe) (Германия, Мюнхен, 2007).

Публикации

Основные результаты диссертации опубликованы в 15 печатных работах (в том числе 7 в научных журналах и 8 в материалах конференций).

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, одного приложения и заключения. Общий объем диссертации составляет 236 страниц, включая 79 рисунков, Щ таблиц и список цитируемой литературы из 170 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, определен объект исследования, сформулирована цель работы, решаемые задачи, отмечена её научная новизна и практическая значимость, изложены основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава носит обзорный характер. В ней рассматриваются основные достоинства вертикально-излучающих лазеров, история появления ВИЛ, существующие и перспективные области их применения. Описан принцип действия и основные особенности ВИЛ по сравнению с лазерными диодами традиционной конструкции, рассматривается основная базовая конструкция современных вертикально-излучающих лазеров. Рассмотрены элементарные модели ВИЛ, позволяющие сформулировать требования к параметрам вертикального оптического микрорезонатора. Обсуждается необходимость введения понятия эффективной длины вертикального оптического микрорезонатора и использования корректного варианта формулировки порогового условия лазерной генерации. Приводятся основные соотношения, позволяющие оценить величину порогового тока, дифференциальную эффективность и выходную мощность прибора. Рассматривается базовая конструкция ВИЛ спектрального диапазона 850 нм, приводятся примеры её экспериментальной реализации и достигнутые значения рабочих параметров. Описываются проблемы создания длинноволновых ВИЛ, которые не могут быть эффективно решены в рамках традиционно применяемой для данного спектрального диапазона системы материалов ГпОаАзР. Приводятся предлагаемые варианты модернизации традиционного подхода, позволяющие создавать длинноволновые ВИЛ, но существенно усложняющие технологию изготовления. Обозначены перспективы возможного решения данной задачи на базе использования самоорганизующихся наногетероструктур в системе материалов АЮаА5-1пСаА5(Ы)-ОаАз. Отдельный параграф посвящен матричным излучателям на основе ВИЛ. В нём рассмотрены конструктивные особенности и рабочие характеристики ВИЛ, пригодных для использования в качестве единичных элементов матричных излучателей. Обсуждаются возможно-

сти практического применения таких излучателей в качестве элемента быстрой оптической связи между цифровыми интегральными схемами, а также для гибридных цифровых сигнальных процессоров. В конце данной главы рассматриваются современный уровень и актуальные проблемы технологии ВИЛ на основе массивов самоорганизующихся КТ. Приводятся примеры их успешной реализации и обсуждаются проблемы, ограничивающие достигнутый уровень приборных характеристик.

Во второй главе приведено описание методов, используемых в работе для расчёта вариантов конструкции ВИЛ. В начале главы кратко рассматриваются основные явления и физические модели процессов, происходящих во время функционирования ВИЛ. Далее рассмотрены методы моделирования вертикального оптического микрорезонатора, включая расчет распределения электромагнитного поля, зонной диаграммы, растекания тока и отвода выделяемого тепла. Рассмотрен ряд ключевых аспектов проектирование структур ВИЛ (формулировка требований к оптическому микрорезонатору исходя из свойств активной области, расчёт конструкции микрорезонатора, расчёт протекания тока и последовательных сопротивлений, расчёт тепловых режимов).

Третья глава посвящена рассмотрению базовых элементов технологии ВИЛ и матричных излучателей на их основе, в том числе: получение гетерост-руктур вертикальных оптических микрорезонаторов методом молекулярно-пучковой эпитаксии с промежуточным контролем спектров отражения в высоковакуумной камере, технология селективного окисления слоев АЮаАэ для формирования токовых апертур и распределенных брэгговских отражателей, особенности построения технологического процесса изготовления ВИЛ с внут-рирезонаторной инжекцией носителей, технология глубокого травления многоступенчатых меза-структур. Приведены экспериментальные результаты, подтверждающие эффективность предложенных конструктивно-технологических решений. В качестве демонстрации возможностей разработанных технологий приводятся результаты создания матричных излучателей на основе ВИЛ, содержащих 8x8 индивидуально-адресуемых излучателя и пригодных для монта-

жа методом «перевернутого кристалла». Для всех элементов матрицы выходная оптическая мощность превышала 1 мВт, а пороговый ток не превышал 1.5 мА. Ширина диаграммы направленности по уровню половины максимальной мощности не превышала 12°.

В четвертой главе рассмотрены результаты исследований по созданию вертикально-излучающих лазеров спектрального диапазона 1300 нм на подложках ваАз, имеющих активную область на основе массивов самоорганизующихся квантовых точек 1пАз/1пОаА5. Рассматриваются особенности технологии и оптические характеристики активной области на основе массивов КТ ¡пАбЛпОэАб, получаемых методом молекулярно-пучковой эпитаксии. Проводится анализ вариантов конструкции длинноволновых ВИЛ на подложках ОаАэ и обосновывается выбор конструкции длинноволновых ВИЛ с электрическими контактами к внутренним слоям вертикального оптического микрорезонатора. Приводятся результаты экспериментальной реализации низкопороговых эффективных вертикально-излучающих лазеров спектрального диапазона 1300 нм на основе массивов самоорганизующихся квантовых точек ШАзЛпОаА. На рис.1 представлены варианты конструкции реализованных ВИЛ, а в табл.1 приведены их основные приборные характеристики.

Верхчки АЮаА&СаАз РБО

Рис.1. Схематическое изображение двух реализованных конструкций длинноволновых ВИЛ на основе массивов КТ ЬгАз/ЬЮаАэ: а) конструкция с двумя АЮаО/ОаЛз РБО, однородно легированными контактными слоями; б) конструкция с двумя АЮаА.я/ОаАз РБО, неоднородно легированными контактными слоями.

Таблица 1. Сравнительные характеристики реализованных конструкций длинноволновых ВИЛ на основе массивов КТ ТпАйЛпСаАз.

Конструкция Рабочая длина волны, нм Пороговый ток, мА Дифференциальная эффективность, мВт/мА Макс, выходная оптическая мощность, мВт

Внутрирезонаторные контакты и АКЖгаАз РБО 1298 1.2 0.4 1.0

Внутрирезонаторные контакты и ЛЮаЛз/ОаАэ РБО 1301 2.2 0.41 2.0

Питая глава посвящена экспериментальным результатам, полученным для вертикально-излучающих лазеров на основе субмонослойных квантовых точек 1пСаАз. Приводятся экспериментальные результаты по созданию высокоэффективных одномодовых ВИЛ спектрального диапазона 980 нм с активной областью на основе субмонослойных КТ ГпваАз, имеющих пороговый ток менее 1 мА, максимальную выходную мощность более 4 мВт (в одномодовом режиме) и внешнюю дифференциальную эффективность более 56 % (рис.2).

н о

л ш

Оптическая мощность, (. к к к £ к 1 = 9 мА . мг тцлц 964 966 968 970 Длина волны, нм

ш 2 г

4 6

Ток, мА

Рис.2 Вольт-амперная и ватт-амперная характеристики СМЛ КТ ВИЛ с диаметром токовой апертуры 3.5 мкм, а также спектр излучения при токе 9 мА.

Рассматриваются явления самопульсации, обнаруженные для ВИЛ на основе субмонослойных квантовых точек ¡пваАБ при малых размерах селективно-окисленной апертуры (рис.3). Обсуждается возможная модель механизма возникновения самопульсаций, в основе которой лежит формирование насыщающегося поглотителя в переферийных областях по периметру токовой апертуры.

m 2

2.5'

2.0-

3 о г

о к л х

X 2 00

1.5-

1.0-

0.5

0 1,и X 0) 5 ч0-5 X 4) ® - 1 i 0.0 MAAA /

jf § 1.0 !*" i gO.O 140 145 150 J Время, не У* I i

140 145 150 1 Время, не [¿г

0.5

1.0

1.5 2.0 Ток, мА

2.5

0.6

0.4

0.2

3.0

Рис.3. Ватт-амперная характеристика СМЛ КТ ВИЛ с токовой апертурой менее 1,5мкм, осциллограммы детектированных световых импульсов при двух токах накачки и зависимость частоты самопульсаций от тока накачки.

В заключении приводятся основные результаты и выводы диссертационной работы, представлен список используемой литературы.

ОСНОВНЫЕ ИТОГИ И ВЫВОДЫ РАБОТЫ В результате выполнения настоящей работы получены следующие основные результаты:

1.Теоретическим и экспериментально исследована возможность создания ВИЛ спектрального диапазона от 960 до 1300 нм с активной областью на основе гете-роструктур с самоорганизующимися МЗаАБ КТ на подложках ОаАБ. Исследовано влияние характеристик массива самоорганизующихся КТ на требования к оптическому микрорезонатору ВИЛ, реализованы варианты конструкций и технологические методы, позволяющие обеспечить создание низкопороговых пространственно одномодовых приборов

2. Разработан метод изготовления структур с вертикальными оптическими микрорезонаторами с использованием промежуточного контроля спектров отражения в шлюзовой камере установки молекулярно-пучковой эпитаксии, обеспечиваю-

щий выращивание структур ВИЛ с отклонением резонансной длины волны от проектного значения не более 1 %.

3. Исследованы ограничения на условия формирования вертикального оптического микрорезонатора при одновременном селективном окислении в парах воды РБО на основе чередующихся слоев ваАз и АЮаАэ и токовых апертурных слоев на основе АЮаАэ с высоким содержанием А1 и предложена методика оптимального выбора состава этих слоев.

4. Разработана технология прецизионного глубокого (до 5 мкм) ионно-лучевого травления многослойных структур ВИЛ под маской фоторезиста с контролируемым наклоном стенок меза-струкутр.

5. Проведены сравнительные расчетные и экспериментальные исследования вариантов конструкции оптических микрорезонаторов ВИЛ спектрального диапазона 1300 нм на основе массивов самоорганизующихся КТ 1пА5/1пОаАз. Показано, что использование оптических микрорезонаторов с нелегированными полупроводниковыми или диэлектрическими распределенными брэгговскими зеркалами позволяет на основе массивов самоорганизующихся квантовых точек 1пА5/1пСаАз создавать низкопороговые (пороговые токи 1-2 мА) вертикально-излучающих лазеры спектрального диапазона 1300 нм с выходной мощностью 1-2 мВт.

6. Предложена и экспериментально реализована конструкция матричного излучателя на основе ВИЛ с числом индивидуально адресуемых излучателей 8x8, оптимизированная для монтажа методом перевернутого кристалла.

7. На основе активной области с массивом субмонослойных КТ ЫваАв реализованы одномодовые ВИЛ спектрального диапазона 980 нм с пороговым током менее 1 мА и максимальной выходной мощностью более 4 мВт.

8. Для ВИЛ на основе обладающих высоким оптическим усилением массивов субмонослойных КТ ЬваАв при малых размерах токовой апертуры обнаружен эффект самопульсации и проведены экспериментальные исследования его зависимости от параметров конструкции и режима работы приборов. Предложено объяснение причин возникновения самопульсации на базе формирования на-

сыщающегося поглотителя в переферийных областях прибора, окружающих

токовую апертуру.

Основные результаты диссертации отражены в следующих публикациях:

1. H.A. Малеев, А.Г. Кузьменков, А.Е. Жуков, А.П. Васильев, A.C. Шуленков, С.В. Чумак, Е.В. Никитина, С.А. Блохин, М.М. Кулагина, Е.С. Семенова, Д.А. Лившиц, М.В. Максимов, В.М. Устинов, «Конструкция и технология изготовления матриц вертикально- излучающих лазеров», ФТП, 2005 Т.39, вып.4, сс. 487-491.

2. N. A. Maleev, A. G. Kuzmenkov, А. Е. Zhukov, A. R. Kovsh, А. P. Vasil'ev, S. A. Blokhin, М. М. Kulagina, A. S. Shulenkov, S. V. Chumak, М. V. Maximov, V. М. Ustinov, «Intracavity-contacted quantum well and quantum dot VCSELs with AlGaO/GaAs and AlGaAs/GaAs DBRs», 5th Belarussian-Russian Workshop "SEMICONDUCTOR LASERS AND SYSTEMS", 1-5 June 2005, Minsk, Belarus (Proceedings, p. 164)

3. S.V. Chumak, N.A. Maleev, A.G. Kuzmenkov, A.S. Shulenkov, A.E. Zhukov, A.P. Vasil'ev, S.A. Blokhin, M.M. Kulagina, M.V. Maximov, V.M. Ustinov, «Matrix of vertical-cavity surface-emitting lasers with combined AlGaO/GaAs-AlGaAs/GaAs DBRs», 13th International Symposium NANOSTRUCTURES: Physics and Technology, Russia, St Petersburg, June 20—25, 2005, p.100

4. S.A. Blokhin, A.N. Smirnov, A.G. Gladdyshev, N.V. Kryzhanovskaya, N.A. Maleev, A.A. Zhukov, A.G. Kuzmenkov, A.P. Vasil'ev, E.S. Semenova, E.V. Nikitina, M.V. Maximov, N.N. Ledentsov and V.M. Ustinov. «Mechanical stress in selective oxidized GaAs/(AlGa)xAsy structures», 13dl International Symposium NANOSTRUCTURES: Physics and Technology (Russia, St Petersburg, June 2025,2005) p.312.

5. С.А. Блохин, A.B. Сахаров, H.A. Малеев, А.Г. Кузьменков, И.И. Новиков, Н.Ю. Гордеев, Ю.М. Шерняков, М.В. Максимов, H.H. Леденцов, В.М. Устинов, А.Р.Ковш, С.С. Михрин, G. Lee, J.Y.Chi, «Экспериментальное исследование температурной зависимости пороговых характеристик в полупровод-

никовых вертикально излучающих лазерах на основе субмонослойных InGaAs-квантовых точек», ФТП, 2006, Т.40, вып. 10, сс.1264-1269.

6. С.А. Блохин, Н.А. Малеев, А.Г. Кузьменков, Ю.М. Шерняков, И.И. Новиков, Н.Ю. Гордеев, В.В. Дюделев, Г.С. Соколовский, В.И. Кучинский, М.М. Кулагина, М.В. Максимов, В.М. Устинов, А.Р. Ковш, С.С. Михрин, Н.Н. Леденцов, «Вертикально-излучающие лазеры на основе массивов субмонослойных квантовых точек InGaAs», ФТП, 2006, Т.40, вып.5, сс. 633-638.

7. S.A.Blokhin, N.A.Maleev, A.G.Kuzmenkov, A.V.Sakharov, M.M.Kulagina, Yu.M.Shemyakov, I.I.Novikov, M.V.Maximov, V.M.Ustinov, A.R.Kovsh, S.S.Mikhrin, N.N.Ledentsov, G.Lin, J.Y.Chi, «Vertical-cavity surface-emitting lasers based on submonolayer InGaAs quantum dots», IEEE J. Quantum Electron., 2006, V.42, No.9-10, pp. 851-858.

8. A.G. Kuzmenkov, S.A. Blokhin, N.A. Maleev, A.P.Vasil'ev, A.E.Zhukov, V.M. Ustinov, «Optimal composition of microcavity structures with selectively oxidized apertures and DBRs», 14th International Symposium NANOSTRUCTURES: Physics and Technology (Russia, St Petersburg, June 26-30,2006) p. 105

9. S.A. Blokhin, N.A. Maleev, A.G. Kuzmenkov, A.V. Sakharov, M.M. Kulagina, Yu.M. Shemyakov, I.I. Novikov, M.V. Maximov, V.M. Ustinov, A.R. Kovsh, S.S Mikhrin, N.N. Ledentsov, G. Lin and J.Y. Chi. «High-performance vertical-cavity surface-emitting lasers based on sub-monolayer InGaAs quantum dots», 14th International Symposium NANOSTRUCTURES: Physics and Technology (Russia, St Petersburg, June 26-30,2006) p.9

10.А.Г.Кузьменков, Н.А.Малеев, С.А.Блохин, М.В.Максимов, В.М.Устинов, «Вертикально-излучающие лазеры на основе полупроводниковых гетерост-руктур с квантовыми точками», Материалы VII Международного российско-украинского семинара «Нанофизика и наноэлектроника», 1-4 октября 2006 г, Санкт-Петербург, сс.44-45

11.S.A.Blokhin, A.V.Sakharov, N.A.Maleev, M.M.Kulagina, Yu.M.Shemyakov, I.I.Novikov, N.Y.Gordeev, M.V.Maximov, A.G.Kuzmenkov, V.M.Ustinov, N.N.Ledentsov, A.R.Kovsh, S.S.Mikhrin, G.Lin, J.Y.Chi, «The impact of thermal

effects on the performance of vertical-cavity surface-emitting lasers based on sub-monolayer InGaAs quantum dots», Semicond. Sci. Technol., 2007, V.22, No.3 ArtNo: #005.

12.А.Г. Кузьменков, C.A. Блохин, H.A. Малеев, A.B. Сахаров, В.Г. Тихомиров, M.B. Максимов, В.М. Устинов, А.Р. Ковш, С.С. Михрин, Н.Н. Леденцов, H.P.D. Yang, G. Lin, R.S. Hsiao, J.Y.Chi, «Использование пространственно упорядоченных массивов травленых отверстий для создания одномодовых вертикально излучающих лазеров на основе субмонослойных InGaAs-квантовыхточек», ФТП, 2007, т.41, вып.Ю, сс.1241-1246.

13.A.G.Kuzmenkov, V.M.Ustinov, G.S.Sokolovskii, N.A.Maleev, S.A.Blokhin, A.G.Deryagin, S.V.Chumak, A.S.Shulenkov, S.S.Mikhrin, A.R.Kovsh,

A.D.McRobbie, W.Sibbett, M.A.Cataluna, E.U.Rafailov, «Self-sustained pulsation in the oxide-confined vertical-cavity surface-emitting lasers based on submonolayer InGaAs quantum dots», Appl. Phys. Lett., 2007, V.91, No.12, ArtNo: #121106.

14.А.Г.Кузьменков, Н.А.Малеев, Г.С.Соколовский, С.А.Блохин, Е.В.Никитина, М.М.Кулагина, А.С.Шуленков, С.В.Чумак, С.С.Михрин, А.Р.Ковш,

B.М.Устинов, «Самопульсация в вертикально-излучающих лазерах на основе субмонослойных InGaAs квантовых точек», 6th Belarussian-Russian Workshop «SEMICONDUCTOR LASERS AND SYSTEMS», 4-8 June 2007, Minsk, Belarus, Book of papers, pp.20-22

15.G.S.Sokolovskii, N.A.Maleev, A.G.Kuzmenkov, S.A.Blokhin, A.D.McRobbie, M.A.Cataluna, A.G.Deryagin, S.V.Chumak, A.S.Shulenkov, S.S.Mikhrin, A.R.Kovsh, V.I.Kuchinskii, V.M.Ustinov, W.Sibbett, E.U.Rafailov, «Self-sustained pulsation and signal peaking in the oxide-confined VCSELs based on submonolayer InGaAs quantum dots», CB7-6-WED, Int. Conf. on Lasers and Electro-Optics (CLEO-Europe), Munich, Germany, 17-22 June 2007

Цитированная литература

[1] L.A.Coldren, and S.W.Corzine, «Diode lasers and photonic integrated circuits», Wiley, New York (1995)

[2] K.D.Choquette and H.Q.Hou, «Vertical cavity surface emitting lasers: Moving from research to manufacturing», Г roc. IEEE, 85, 1730 (1997)

[3] Ed. L.A.Coldren, H.Temkin and C.W.Wilmsen, « Vertical cavity surface emitting lasers» Cambridg Univ. Press (1999)

[4] E. Towe, R. F. Leheny, and A. Yang, «А Historical perspective of the development of the vertical-cavity surface-emitting laser», IEEE J. Selected Topics in Quantum Electron. 6, 14581464 (2000).

[5] J. S. Harris, Jr., «Tunable long-wavelength vertical-cavity lasers: the engine of next generation optical networks?», IEEE J. Selected Topics in Quantum Electron., 6, 1145-1160 (2000).

[6] K.M. Geib et al., «Fabrication and performance of two-dimensional matrix addressable arrays of integrated vertical-cavity lasers and resonant cavity photodetectors», IEEE J. Select. Topics Quantum Electron., vol.8, pp.943-947 (2002)

[7] D.V. Plant et al., «256-channel bi-directional optical interconnect using VCSELs and photodiodes on CMOS», J. Lightwave Techn., vol.19, pp.1093-1103 (2001)

[8] «IBM and Agilent start optical interconnect program», Compound Semiconductor, 11 September (2003)

[9] A.Chrvyakov, Y.Bely «Radar phased arrays for fighters», Military Parade, Sept. 2002

[10] V.M.Ustinov, A.E.Zhukov, A.Y.Egorov and N.A.Maleev, «Quantum dot lasers», Oxford University Press (2003)

[11] V. M.Ustinov, N. A.Maleev, A. R.Kovsh, and A. E.Zhukov, «Quantum dot VCSELs», Phys. Stat. Sol. (a), 202, 396 (2005)

[12] J.K. Kim, R.L. Naone, L.A. Coldren, «Lateral carrier confinement in miniature lasers using quantum dots», IEEE J. Selected Topics in Quantum Electron., 6, 504 (2000)

[13] V.M.Ustinov, A.E.Zhukov, «GaAs-based long-wavelength lasers, Semicond», Semicon. Sci. TechnoL, 15, R41 (2000)

[14] K. Nakahara, M. Kondow, T. Kitatani, M.C. Larson and K. Uomi, «1.3-цт continuous-wave lasing operation in GalnNAs quantum-well lasers», IEEE Photon. Technol. Lett. 10, 487 (1998)

[15] T. Anan, K. Nishi, S. Sugou, M. Yamada, K. Tokutome, and A. Gomyo, «GaAsSb: A novel material for 1.3 цт VCSELs», Electron. Lett., 34 , 2127 (1998)

[16] D.L. Huffaker, G. Park, Z. Zhou, O.B. Shchekin and D.G. Deppe, «1.3 цт Room Temperature GaAs-Based Quantum Dot Laser», Appl. Phys. Lett. 73, 2564 (1998)

[17] V.M. Ustinov, N.A. Maleev, A.E. Zhukov, A.R. Kovsh, A.Yu. Egorov, A.V. Lunev, B.V. Vo-lovik, I.L. Krestnikov, Yu.G. Musikhin, N.A. Bert, P.S. Kop'ev, Zh.I. Alferov, N.N. Ledent-sov and D. Bimberg, «InAs/InGaAs quantum dot structures on GaAs substrates emitting at 1.3 цт», Appl. Phys. Lett. 74,2815 (1999)

[18] Блохин С.А., Малеев H.A., Кузьменков А.Г., Шерняков Ю.М., Новиков И.И., Гордеев Н.Ю., Дюделев В.В., Соколовский Г.С., Кучииский В.И., Кулагина М.М., Максимов М.В., Устинов В.М., Ковш А.Р., Михрин С.С., Леденцов Н.Н. «Вертикально-излучающие лазеры на основе массивов субмонослойных квантовых точек InGaAs» ФТП, Т.40, вып.5, сс. 633-638 (2006).

Лицензия ЛР № 020593 от 07.08.97

Подписано в печать 10.11.2008. Формат 60x84/16. Усл. печ. л. 1,25. Уч.-изд. л. 1,25. Тираж 100. Заказ 190.

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором в типографии Издательства Политехнического университета. 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29.

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Кузьменков, Александр Георгиевич

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА. 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1. Полупроводниковые ВИЛ — современное состояние

1.2. Принцип действия и основные особенности ВИЛ

1.3. Элементарная модель функционирования ВИЛ

1.4. Базовая конструкция ВИЛ спектрального диапазона 850 нм

1.5. Проблемы создания длинноволновых ВИЛ.

1.6. Матричные излучатели на основе ВИЛ.

1.7. Вертикально-излучающие лазеры на основе квантовых точек

ГЛАВА.2. ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ВИЛ

2.1. Проектирование ВИЛ

2.2. Моделирование растекания тепла

2.3. Моделирование оптического микрорезонатора

2.4. Транспорт носителей к активной области

2.5. Моделирование растекания тока для ВИЛ с внутрирезонаторными контактами

ГЛАВА.З. РАЗВИТИЕ БАЗОВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ТЕХНОЛОГИИ ВИЛ

3.1. Получение структур ВИЛ методом молекулярно-пучковой эпитаксии

3.2. Оптимизация технология селективного окисления структур ВИЛ

3.3. Технология ВИЛ с внутрирезонаторной инжекцией носителей

3.4. Матричные излучатели на основе ВИЛ

ГЛАВА.4. ВИЛ СПЕКТРАЛЬНОГО ДИАПАЗОНА 1.3 МКМ НА ОСНОВЕ КВАНТОВЫХ ТОЧЕК InAs/InGaAs 145 4.1. Активная область на основе массивов самоорганизующихся

КТ InAs/InGaAs для излучателей спектрального диапазона

1.3 мкм на подложках GaAs

4.2. Выбор конструкции КТ ВИЛ

4.3. Результаты экспериментальной реализации КТ ВИЛ

ГЛАВА.5. ВИЛ НА ОСНОВЕ СУБМОНОСЛОЙНЫХ КТ InGaAs

5.1. Изготовление и исследование ВИЛ на основе субмонослойных InGaAs КТ

5.2. Явления самопульсации в ВИЛ на основе СМЛ КТ InAs/InGaAs 185 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 199 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 206 Приложение

Введение диссертация по физике, на тему "Полупроводниковые вертикально-излучающие лазеры на основе самоорганизующихся квантоворазмерных гетероструктур в системе материалов InGaAs-AlGaAs"

Полупроводниковые лазерные диоды (ЛД) традиционной полосковой конструкции в настоящее время широко и успешно используются для самого широкого спектра практических приложений: волоконно-оптических линиях связи (BOJIC), оптических системах записи и хранения информации, оптических датчиках и сенсорах, устройствах накачки твердотельных лазеров, медицинской аппаратуре, контрольно-измерительной аппаратуре, оптических системах обработки информации и др [1]. Однако существует несколько принципиальных недостатков традиционной полосковой конструкции ЛД, к числу которых относятся:

- невозможность адекватного тестирования приборных структур на пластине (подложке) до их разделения на индивидуальные кристаллы и монтажа на кристаллодержатель;

- несимметричная диаграмма выходного излучения ЛД и ее достаточно высокая расходимость, что затрудняет ввод излучения в оптическое волокно и требует использования прецизионной сборки для модулей излучателей ВОЛС;

- как правило, заметное возрастание порогового тока ЛД с ростом температуры;

- необходимость применения весьма сложных конструкций приборов для обеспечения высокого быстродействия (10 Гбит/с и выше) в случае использовании наиболее простого и удобного метода прямой токовой модуляции.

Попытки преодолеть указанные недостатки стимулировали поиск альтернативных вариантов конструкций ЛД, к числу которых относятся полупроводниковые инжекционные лазеры с вертикальным оптическим микрорезонатором (далее — полупроводниковые вертикально-излучающие лазеры (ВИЛ), vertical cavity surface emitting lasers (VCSELs). Современные варианты конструкции ВИЛ основаны на использовании вертикальных оптических микрорезонаторов с зеркалами в виде распределенных брэгговских отражателей (РБО) ( в англоязычной литературе аббревиатура DBR-distributed Bragg reflector) [2-4]. При этом в качестве активной области используются одна или несколько квантовых ям (КЯ), помещенных вблизи пучностей оптического поля. Активная область прибора (область протекания тока и излучательной рекомбинации носителей) ограничивается с помощью селективно-окисленных апертурных слоев AlGaAs или с помощью имплантации протонов. К числу основных преимуществ ВИЛ по сравнению с традиционными инжекционными лазерами полосковой конструкции относятся малая угловая расходимость и симметричная диаграмма направленности выходного оптического излучения, возможность обеспечения субмиллиамперных пороговых токов, повышенная температурная и радиационная стабильность, групповая технология изготовления и возможность тестирования приборов непосредственно на пластине. Планарная технология ВИЛ позволяет формировать двумерные матрицы с большим числом индивидуально адресуемых излучателей. В последние годы полупроводниковые вертикально-излучающие лазеры находят все более широкое применение в быстродействующих оптоволоконных системах передачи и обработки информации, датчиках и сенсорах различного типа, высокопроизводительных компьютерных системах [5-7]. Другое активно развивающееся направление исследований связано с созданием матричных излучателей на основе ВИЛ с большим количеством индивидуально адресуемых элементов. Гибридная интеграция таких матричных излучателей с кремниевыми интегральными схемами (Si ИС) открывает новые возможности для построения высокопроизводительных вычислительных систем и устройств обработки информации [8], а также совершенствования бортовых комплексов с активными фазированными антенными решетками за счет решения проблемы электрических межсоединений, лимитирующей сегодня их развитие [9].

Актуальной проблемой современной технологии полупроводниковых ВИЛ является получение приборов с пространственно-одномодовым выходным излучением и субмиллиамперными пороговыми токами, перспективных для создания датчиков различного типа, а также внутрисистемных оптических межсоединений. Практическая реализация таких приборов требует уменьшения размеров токовой апертуры ВИЛ до единиц мкм. Возможности использования традиционных структур с КЯ активной областью ограничены латеральным растеканием носителей заряда и ростом внутренних потерь при существенном снижении размеров апертуры [3]. В то же время, использование массивов самоорганизующихся квантовых точек принципиально позволяет создавать приборы с субмикронной апертурой без существенной деградации плотности порогового тока [10-12].

Еще одна актуальная проблема в технологии ВИЛ связана с поиском новых полупроводниковых материалов, пригодных для создания приборов спектральных диапазонов 1300 и 1550 нм, используемых в современных системах волоконно-оптической связи. Несмотря на успешное развитие промышленной технологии ВИЛ для спектральных диапазонов 650, 850 и 980 нм, создание аналогичных приборов для диапазонов длин волн 1300 и 1550 нм требует решения ряда принципиальных проблем [3]. Основные ограничения прич использовании традиционной для указанных спектральных диапазонов системы материалов InGaAsP/InP связанны с относительно плохими характеристиками РБО. Это обусловлено меньшей (по сравнению с используемой в коротковолновой спектральной области системой материалов AlGaAs/GaAs) разницей коэффициентов преломления слоев InGaAsP, InAlGaAs и InP, а также низкой теплопроводностью четверных соединений. Кроме того, для лазерных диодов на подложках ТпР характерна относительно низкая температурная стабильность основных характеристик. В последние годы предложен ряд новых полупроводниковых гетероструктур, излучающих в диапазоне длин волн 1.2-1.5 мкм, которые могут быть синтезированны на подложках GaAs [13]. К их числу относятся структуры с квантовыми ямами (КЯ) InGaAsN [14] и GaAsSb [15], а также структуры с массивами квантовых точек (КТ) In(Ga)As [16,17]. При этом использование в качестве активной области длинноволновых ВИЛ массивов самоорганизующихся InGaAs КТ на подложках GaAs является одним из наиболее перспективных направлений [11]. Однако практическая реализация длинноволновых ВИЛ на основе массивов КТ возможна только при тщательной оптимизации параметров и технологии формирования активной области, оптимальном выборе конструкции вертикального оптического микрорезонатора и тщательной отработки технологии создания приборных структур.

Наконец, общей задачей современной технологии ВИЛ является снижение пороговой плотности тока, повышение дифференциальной эффективности и достижении максимальной выходной мощности в пространственно-одномодовом режиме в сочетании с высоким быстродействием в режиме прямой токовой модуляции. Специфические подходы к формированию массивов самоорганизующихся КТ InGaAs позволяют успешно продвинутся в указанном направлении [18].

На основание вышеизложенного следует, что создание вертикально-излучающих лазеров с активной областью на основе гетероструктур с самоорганизующимися квантовыми точками является актуальной задачей современной физики и техники полупроводников, решение которой позволит преодолеть ряд ограничений существующей технологии ВИЛ.

Для достижения поставленной целей в ходе работы решались следующие основные задачи:

1. Разработка методов получения и исследование характеристик самоорганизующихся квантоворазмерных гетероструктур с квантовыми точками в системе материалов AlGaAs-InGaAs-GaAs для их использования в качестве активных областей полупроводниковых вертикально-излучающих лазеров.

4. Реализация пространственно-одномодовых приборов с субмиллиамперными пороговыми токами

6. Проведение математического моделирования и расчет вариантов конструкции эпитаксиальных гетероструктур вертикально-излучающих лазеров с квантоворазмерными активными областями в системе материалов AlGaAs-InGaAs-GaAs, позволяющих минимизировать внутренние оптические потери, улучшить однородность распределения тока в активной области и оптимизировать распределение оптического поля в вертикальном микрорезонаторе.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Самоорганизующиеся квантоворазмерные гетероструктуры в системе материалов AlGaAs-InGaAs позволяют реализовать вертикально-излучающие лазеры спектрального диапазона от 960 до 1300 нм на подложках арсенида галлия.

2. Формирование распределенных брэговских отражателей и токовой апертуры микрорезонатора вертикально-излучающего лазера, в едином процессе селективного окисления возможно* при условии выбора оптимального сочетания скоростей селективного окисления отдельных слоев эпитаксиальной гетероструктуры.

3. Создание низкопороговых эффективных вертикально-излучающих лазеров спектрального диапазона 1300 нм на основе массивов самоорганизующихся квантовых точек InAs/lnGaAs, обладающих низким оптическим , усилением, возможно при использовании оптических микрорезонаторов с нелегированными полупроводниковыми или диэлектрическими распределенными брэгговскими зеркалами.

4'. В вертикально-излучающих лазерах на основе гетероструктур с квантовыми точками InGaAs, обладающих высоким оптическим усилением, при малых размерах селективно-окисленной апертуры наблюдается ярко выраженная самопульсация, обусловленная формированием насыщающегося поглотителя.

Научная новизна работы состоит в том, что в ней:

1. В результате комплекса теоретических и экспериментальных исследований показана возможность создания ВИЛ с активной областью на основе гетероструктур с самоорганизующимися InGaAs КТ на подложках GaAs, обладающих низким пороговым током и высокой дифференциальной эффективностью в спектральном диапазоне от 960 до 1300 нм.

2. Исследованы ограничения на условия формирования вертикального оптического микрорезонатора при одновременном селективном окислении в парах воды РБО на основе чередующихся слоев GaAs и AlGaAs и токовых апертурных слоев на основе AlGaAs с высоким содержанием А1.

4. Обнаружены и экспериментально исследованы явления самопульсации в ВИЛ на основе массивов субмонослойных КТ InGaAs.

Практическая значимость работы состоит в том, что в ней

L. Разработаны и исследованы варианты конструкции и базовые элементы технологии изготовления ВИЛ с электрическими контактами к внутренним слоям вертикального оптического микрорезонатора, РБО различного типа и селективно-окисленными апертурными слоями, позволяющие успешно реализовать ВИЛ с активной областью на основе самоорганизующихся InGaAs КТ и матричные излучатели на их основе.

2. Развит метод изготовления структур с вертикальными оптическими микрорезонаторами с использованием промежуточного контроля спектров отражения в шлюзовой камере установки молекулярно-пучковой эпитаксии с последующей корректировкой толщин слоев; обеспечивающая выращивание структур ВИЛ с отклонением резонансной длины волны от проектного значения не более 1 %.

4. Предложена методика оптимального выбора состава для обеспечения необходимых размеров токовой апертуры и предотвращения «переокисления» при одновременном селективном окислении в парах воды верхнего РБО на основе чередующихся слоев GaAs и AlGaAs и токовых апертурных слоев на основе AlGaAs с высоким содержанием А1

5. Продемонстрированы высокоэффективные одномодовые ВИЛ спектрального диапазона 980 нм с активной областью на основе субмонослойных КТ InGaAs, имеющие пороговый ток 0.3 мА, максимальную выходную мощность более 4 мВт (в одномодовом режиме) и внешнюю дифференциальную эффективность более 56%.

6. Разработана конструкция матричного лазерного излучателя диапазона 960-980 нм на основе ВИЛ с расположением контактов в одной плоскости и продемонстрированы матричные излучатели с числом индивидуально адресуемых элементов 8x8, перспективные для использования в оптических коммутаторах и высокопроизводительных вычислительных системах.

Результаты диссертации использованы в СПБ ФТНОЦ РАН, ФТИ им. А.Ф.Иоффе РАН, Минском НИИ радиоматериалов (Республика Беларусь) и Industrial Technology Research Institute (Taiwan) при разработке конструкции и технологии ВИЛ и матричных излучателей на их основе.

11 у

Заключение диссертации по теме "Физика полупроводников"

Основные результаты диссертации отражены в следующих публикациях:

1. Н.А. Малеев, А.Г. Кузьменков, А.Е. Жуков, А.П. Васильев, А.С. Шуленков, С.В. Чумак, Е.В. Никитина, С.А. Блохин, М.М. Кулагина, Е.С. Семенова, Д.А. Лившиц, М.В. Максимов, В.М. Устинов, «Конструкция и технология изготовления матриц вертикально-излучающих лазеров», ФТП, 2005 Т.39, вып.4, сс. 487-491.

4. S.A. Blokhin, A.N. Smirnov, A.G. Gladdyshev, N.V. Kryzhanovskaya, N.A. Maleev, A.A. Zhukov, A.G. Kuzmenkov, A.P. Vasil'ev, E.S. Semenova, E.V. Nikitina, M.V. Maximov, N.N. Ledentsov and V.M. Ustinov. «Mechanical stress in selective oxidized GaAs/(AlGa)xAsy structures», 13th International Symposium NANOSTRUCTURES: Physics and Technology (Russia, St Petersburg, June 20-25, 2005) p.312.

5. С.А. Блохин, A.B. Сахаров, Н.А. Малеев, А.Г. Кузьменков, И.И. Новиков, Н.Ю. Гордеев, Ю.М. Шерняков, М.В. Максимов, Н.Н. Леденцов, В.М. Устинов, А.Р.Ковш, С.С. Михрин, G. Lee, J.Y.Chi, «Экспериментальное исследование температурной зависимости пороговых характеристик в полупроводниковых вертикально излучающих лазерах на основе субмонослойных InGaAs-квантовых точек», ФТП, 2006, Т.40, вып.10, сс.1264-1269.

7. S.A.Blokhin, N.A.Maleev, A.G.Kuzmenkov, A.V.Sakharov, M.M.Kulagina, Yu.M.Shernyakov, I.I.Novikov, M.V.Maximov, V.M.Ustinov, A.R.Kovsh, S.S.Mikhrin, N.N.Ledentsov, G.Lin, J.Y.Chi, «Vertical-cavity surface-emitting lasers based on submonolayer InGaAs quantum dots», IEEE J. Quantum Electron., 2006, V.42, No.9-10, pp. 851-858.

9. S.A. Blokhin, N.A. Maleev, A.G.Kuzmenkov, A.V. Sakharov, M.M. Kulagina, Yu.M. Shernyakov, I.I. Novikov, M.V. Maximov, V.M. Ustinov, A.R. Kovsh, S.S Mikhrin, N.N. Ledentsov, G. Lin and J.Y. Chi. «High-performance vertical-cavity surface-emitting lasers based on sub-monolayer InGaAs quantum dots», 14th International Symposium NANOSTRUCTURES: Physics and Technology (Russia, St Petersburg, June 26-30, 2006) p.9

10.А.Г.Кузьменков, Н.А.Малеев, С.А.Блохин, М.В.Максимов, В.М.Устинов, «Вертикально-излучающие лазеры на основе полупроводниковых гетероструктур с квантовыми точками», Материалы VII Международного российско-украинского семинара «Нанофизика и нанозлектроника», 1-4 октября 2006 г, Санкт-Петербург, сс.44-45

11.S.A.Blokhin, A.V.Sakharov, N.A.Maleev, M.M.Kulagina, Yu.M.Shernyakov, I.I.Novikov, N.Y.Gordeev, M.V.Maximov, A.G.Kuzmenkov, V.M.Ustinov, N.N.Ledentsov, A.R.Kovsh, S.S.Mikhrin, G.Lin, J.Y.Chi, «The impact of thermal effects on the performance of vertical-cavity surface-emitting lasers based on sub-monolayer InGaAs quantum dots», Semicond. Sci. Technol., 2007, V.22, No.3 ArtNo: #005.

12.А.Г. Кузьменков, C.A. Блохин, H.A. Малеев, A.B. Сахаров, В.Г. Тихомиров, M.B. Максимов, В.М. Устинов, А.Р. Ковш, С.С. Михрин, Н.Н. Леденцов, H.P.D. Yang, G. Lin, R.S. Hsiao, J.Y.Chi, «Использование пространственно упорядоченных массивов травленых отверстий, для создания одномодовых вертикально излучающих лазеров на основе субмонослойных InGaAs-квантовых точек», ФТП, 2007, т.41, вып. 10, сс.1241-1246.

13.A.G.Kuzmenkov, V.M.Ustinov, G.S.Sokolovskii, N.A.Maleev, S.A.Blokhin, A.G.Deryagin, S.V.Chumak, A.S.Shulenkov, S.S.Mikhrin, A.R.Kovsh, A.D.McRobbie, W.Sibbett, M.A.Cataluna, E.U.Rafailov, «Self-sustained pulsation in the oxide-confined vertical-cavity surface-emitting lasers based on submonolayer InGaAs quantum dots», Appl: Phys. Lett., 2007, V.91, No. 12, ArtNo: #121106.

14. А.Г.Кузьменков, Н.А.Малеев, Г.С.Соколовский, С.А.Блохин, Е.В.Никитина, М.М.Кулагина, А.С.Шуленков, С.В.Чумак, С.С.Михрин, А.Р.Ковш, В.М.Устинов, «Самопульсация в вертикально-излучающих лазерах на основе субмонослойных InGaAs квантовых точек», 6th Belarussian-Russian Workshop- «SEMICONDUCTOR LASERS AND SYSTEMS», 4-8 June 2007, Minsk, Belarus, Book of papers, pp.20-22

15.G.S.Sokolovskii, N.A.Maleev, A.G.Kuzmenkov, S.A.Blokhin, A.D.McRobbie, M.A.Cataluna, A.G.Deryagin, S.V.Chumak, A.S.Shulenkov, S.S.Mikhrin, A.R.Kovsh, V.I.Kuchinskii, • V.M.Ustinov, W.Sibbett, E.U.Rafailov, «Self-sustained pulsation and signal peaking in'the oxide-confined VCSELs based on submonolayer InGaAs quantum dots», CB7-6-WED, Int. Conf. on Lasers and Electro-Optics (CLEO-Europe), Munich, Germany, 17-22 June 2007

Заключение

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Кузьменков, Александр Георгиевич, Санкт-Петербург

1. L.A.Coldren and S.W.Corzine, «Diode lasers and photonic integrated circuits», Wiley, New York (1995)

2. K.D.Choquette and H.Q.Hou, «Vertical cavity surface emitting lasers: Moving from research to manufacturing»,Proc. IEEE, 85, 1730 (1997)

3. C. Wilmsen, H.Temkin and L.A.Coldren eds., «Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers», Cambridge University Press, 1999

4. E. Towe, R. F. Leheny, and A. Yang, «А Historical perspective of the development of the vertical-cavity surface-emitting laser», IEEE J. Selected Topics in Quantum Electron, 6, 1458 (2000)

5. J. S. Harris, Jr., «Tunable long-wavelength vertical-cavity lasers: the engine of next generation optical networks?», IEEE J. Selected Topics in Quantum Electron., 6, 1145 (2000)

6. A.Chrvyakov, Y.Bely, «Radar phased arrays for fighters», Military Parade, Sept. (2002)

7. V.M.Ustinov, A.E.Zhukov, A.Y.Egorov and N.A.Maleev, «Quantum dot lasers», Oxford University Press, (2003)

8. V. M.Ustinov, N. A.Maleev, A. R.Kovsh, and A. E.Zhukov, «Quantum dot VCSELs», Phys. Stat. Sol (a), 202, 396 (2005)

9. K. Nakahara, M. Kondow, T. Kitatani, M.C. Larson and K. Uomi, «1.3-jim continuous-wave lasing operation in GalnNAs quantum-well lasers», IEEE Photon. Technol Lett. 10, 487 (1998)

10. T. Anan, K. Nishi, S. Sugou, M. Yamada, K. Tokutome, and A. Gomyo, «GaAsSb: A novel material for 1.3 jim VCSELs», Electron. Lett., 34 , 2127 (1998)

11. D.L. Huffaker, G. Park, Z. Zhou, O.B. Shchekin and D.G. Deppe, «1.3 цт Room Temperature GaAs-Based Quantum Dot Laser», Appl. Phys. Lett. 73, 2564(1998)

12. M.S.Unlu, and S.Strite, «Resonant cavity enhanced photonic devices», J. Appl. Phys. 78, 607 (1995)

13. Ian O'Connor, «Optical Solutions for SystemLevel Interconnect», Proceedings of the «2004 International workshop on System level interconnect prediction», February 14-15, 79, Paris, France (2004)

14. R.Szweda, «VCSEL applications diversify as technology matures», III-Vs Review, 19, (1), 34, February (2006)

15. H.Soda, K.Iga,, C.Katahara, and Y.Suematsu, «Surface-emitting injection lasers», Jpn. J. Appl. Phys. 18, 2329 (1979)

16. J.Jewell, K.Haung, K.Tai, Y.Lee, R.Fisher, S.McCall, and A.Y.Cho, , «Vertical-cavity single quantum-well lasers» Appl. Phys. Lett. 55, 424 (1989)

17. C.Douglas, L.Neinyi, «Optical mouse using VCSELs», United States Patent 20080030472

18. O. Conradi, S. Helfert, and R. Pregla, «Comprehensive Modeling of Vertical-Cavity Laser-Diodes by the Method of Lines», IEEE J. Quantum Electron,37, (7), 928 (2001)

19. J.A. Vukusic, H.Martinsson, J.S.Gustavsson, and A.Larsson, «Numerical Optimization of the Single Fundamental Mode Output from a Surface Modified Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser», IEEE J. Quantum Electron,Ъ1) (1), 108 (2001)

20. R. Ram, D. Babic, R. York, and J. Bowers «Spontaneous emission in microcavities with distributed mirrors», IEEE J. Quantum Electron, 31, 399 (1995)

21. J. W. Scott, R. S. Geels, S. W. Corzine, and L. A. Coldren, «Modeling temperature effects and spatial hole burning to optimize vertical-cavity surface-emitting laser performance», IEEE J. Quantum Electron. 29, 1295 (1993)

22. G. P. Agrawal and N. K. Dutta, «Semiconductor Lasers», 2nd ed., Van Nostrad Reinhold, New York, (1993)

23. T. A. DeTemple and С. M. Herzinger, «On the semiconductor laser logarithmic gain-current density relation», IEEE J. Quantum Electron. 29, 1246(1993)

24. A. Knigge, R.Franke, S.Knigge, B.Sumpf, K.Vogel, M.Zorn, M.Weyers, G.Trankle, «650-nm vertical-cavity surface-emitting lasers: laser properties and reliability investigations», IEEE Photonics Technol. Lett., 14, (10), 1385 (2002)

25. D.L. Huffaker, L.A. Graham, H. Deng, and D.G. Deppe, «Sub-40 цА continuous-wave lasing in an oxidized vertical-cavity surface emitting laser with dielectric mirrors», IEEE Photon. Technol. Lett., 8, 974 (1996)

26. Y.C. Chang, C.S. Wang and L.A. Coldren, «High-efficiency, high-speed VCSELs with 35 Gbit/s error-free operation», Electron. Lett, 43, (19), 1022 (2007)

27. M.Michael, G.Martin, J.Roland, K.Max, M.Felix, E.Karl J., «kW/cm2 VCSEL arrays for high-power applications», Proc. SPIE Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers IV, 3946, 198 (2000)

28. J. Tatum, «Vertical cavity lasers for telecom, recent research and their role in the marketplace», presented at the ECOC 2004, Stockholm, Sweden, Sep.2004, Paper Mo3.2; VERTILAS GmbH, Communications VCSEL Product Catalog, Rev. 5.0, 18.05.2007

29. A. Ramakrishnan, G. Steinle, D. Supper, C. Degen, and G. Ebbinghaus, «Electrically pumped 10 Gbit/s MOVPE-grown monolithic 1.3um VCSEL with GalnNAs active region», Elec .Lett. 38, 322 (2002)

30. R. Shau, M. Ortsiefer, J. Rosskopf, G. Bohm, F. Kohler, and M. C. Amann, «Vertical-cavity surface-emitting laser diodes at 1.55 |im with large output power and high operation temperature», Electron. Lett., 37, (21), 1295, Oct. (2001)

31. V. Jayaraman, M. Mehta, A.W. Jackson, S.Wu, Y. Okuno, J. Piprek, and J. E. Bowers, «High power 1320 nm wafer-bonded VCSELs with tunnel junctions», IEEE Photon. Technol. Lett, 15, (11), 1495 (2003)

32. J. Cheng, C.L. Shieh, X. Huang, G. Liu, M. V. R. Murty, С. C. Lin, and D. X. Xu, «Efficient CW Lasing and High-Speed Modulation of 1.3-|jm AlGalnAs VCSELs With Good High Temperature Lasing Performance», IEEE PTL, 17, 7 (2005)

33. F. Quochi, D. C. Kilper, J. E. Cunningham, M. Dinu, and J. Shah, «Continuous-wave operation of a 1.3 jam GaAsSb/GaAs quantum-wellvertical-cavity surface-emitting laser at room temperature», IEEE Photon. Technol. Lett., 13, 921, Sept. (2001)

34. J.A. Lott, N.N. Ledentsov, V.M. Ustinov, N.A. Maleev, A.E. Zhukov, A.R. Kovsh, M.V. Maximov, B.V. Volovik, Zh.I. Alferov, D. Bimberg, «InAs-InGaAs Quantum Dot VCSELs on GaAs Substrates Emitting at 1.3 цт», Electron. Letts., 36, (16), 1384 (2000)

35. A. Coldren, E. Hall and S. Nakagawa, «Advances in Long-Wavelength Single-Mode VCSELs and Packaging Approaches for Single-Mode Fiber Applications», Electronic Components and Technology Conference, Orlando, FL USA, 51, 858 (2001)

36. M.Mehta, «High-Power, High-Bandwidth, High-Temperature Long-Wavelength Vertical-Cavity Surface- Emitting Lasers», PhD dissertation, University of California Santa Barbara, (2006)

37. K. Mukai, Y. Nakata, K. Otsubo, M. Sugawara, N. Yokoyama and H. Ishikawa «1.3-цт CW lasing characteristics of self-assembled InGaAs-GaAs quantum dots», IEEE J. Quantum. Electron. 36, (4), 472 (2000)

38. G. Steinle, F. Mederer, M. Kicherer, R. Michalzik, G. Kristen, A. Y. Egorov, H. Riechert, H. D. Wolf, and K. J. Ebeling, «Data transmission up to 10 Gbit/s with 1.3 pm wavelength InGaAsN VCSELs», Electron. Lett., 37, 632 (2001)

39. O. Kibar, D.A.Van Blerkom, Chi Fan; S.C.Esener, «Power minimization and technology comparisons for digital free-space optoelectronic interconnections», J. Lightwave Techn., 17, (4), 546 (1999)

40. G.J. Simonis, L. Jiang, B. Koley, M. Dagenais, J. Mait, P. Newman, B. Lawler, «Research- on VCSEL interconnects and OE processing at Army Research Laboratory in Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers» IV, Proc. SPIE, 3946, 172, (2000)

41. S. Kawai et al. «Skew-free optical interconnections using fiber image guides for petabit-per-second computer networks», Jpn. J. Appl. Phys., 37, 3754, (1998)

42. D. Bimberg, M.Grundman, and N.N.Ledentsov, «Quantum dot heterostructures», Wiley, New York (1999)

43. Y. Arakawa and H. Sakaki, «Multidimensional quantum well laser and temperature dependence of its threshold current», Appl. Phys. Lett. 40, 939 (1982)

44. N. N. Ledentsov, «Quantum dot lasers: The birth and future trends», Semiconductors 33, 946 (1999)

45. L. Goldstein, F. Glas, J. Y. Marzin, M. N. Charasse, and" G. Le Roux, «Growth by molecular beam epitaxy and characterization of InAs/GaAs strained-layer superlattices», Appl. Phys. Lett., 47, 1099 (1985)

46. G. T. Liu, A. Stinz, H. Li, K. J. Malloy, and L. F. Lester, «Extremely low room-temperature threshold current density diode lasers using InAs dots in InoisGaogsAs quantum well», Electron. Lett. 35,(14), 1163 (1999)

47. J. M. Jerard, O. Carbol, and B. Sermage «InAs quantum boxes: highly efficient radiative traps for light emitting devices on Si», Appl. Phys. Lett. 68,3123 (1996)

48. Н.А.Малеев, А.Ю.Егоров, А.Е.Жуков, А.Р.Ковш, А.П.Васильев,В .М.Устинов, Н.Н.Леденцов, Ж.И.Алферов, «Сравнительный анализ длинноволновых (1.3 мкм) вертикально-излучающих лазеров на подложках арсенида галлия», ФТП, 35, (7), 881 (2001)

49. J. A. Lott, N. N. Ledentsov, V. М. Ustinov, A. Yu. Egorov, А. Е. Zhukov, P. S. Kop'ev, Zh. I. Alferov, and D. Bimberg, «Vertical cavity lasers based on vertically coupled quantum dots», Electron. Lett., 33, 1150 (1997)

50. D. L. Huffaker, H. Deng, and D. G. Deppe, «1.15-pm wavelength oxide-confmed quantum-dot vertical-cavity surface-emitting laser», IEEE Photonics Technol. Lett., 10, 185 (1998)

51. H. Saito, К. Nishi, I. Ogura, S. Sugou, and Y. Sugimoto, «Room-temperature lasing operation of a quantum dot vertical-cavity surface-emitting laser», Appl. Phys. Lett. 69, 3140 (1996)

52. D. Bimberg, N. N. Ledentsov, and J. A. Lott, «Quantum-dot vertical-cavity surface-emitting lasers», MRS Bulletin, 27, 531 (2002)

53. G.R.Hardley, «Effective index model for vertical-cavity surface-emitting lasers», Opt. Lett., 20, 1483 (1995)

54. Gunnar Backstorm, «Fields of Physics by Finite Element Analysis Electricity, Magnetism, and Heat in 2D and 3D Using FlexPDE Version 4», GB Publishing® and Gunnar Backstrom, Malmo, Sweden, (2004)

55. J.P. Holman, «Heat Transfer», 6th ed., McGraw-Hill, New York, (1986)

56. M. Pesare, A.Giorgio and A.G.Perri, «An analytical method for the thermal layout optimization of multilayer structure solid-state devices», Solid-State Electronics 45, (3), 511(2001)

57. Toshihiko Ouchi, «Thermal Analysis of Thin-Film Vertical-Cavity Surface-Emitting,Lasers Using Finite Element Method», Jpn. J. Appl Phys., 41, Part 1,(8), 5181, August (2002)

58. J. Piprek, T. Troger, B. Schroter, J*. Kolodzey, and C. S. Ih, «Thermal Conductivity Reduction in GaAs-AlAs Distributed Bragg Reflectors», Photon. Technol. Lett., 10, (1), January (1998)

59. P.Blood, «On the dimensionality of optical absorption, gain, and recombination in quantum-confined structures», IEEE J. Quantum Electron., 36, (3), 354 (2000)

60. M. Born and E. Wolf, «Principles of Optics», Cambridge University Press, 51, Cambridge (1998)

61. Э.Розеншер, Б.Винтер, «Оптоэлектроника», Техносфера, Москва (2004)

62. С. В.Поршнев, «MATLAB 7. Основы работы и программирования», Бином-Пресс, Москва (2006)

63. M.A.Afromowitz, «Solid State Communications», Pergamon Press, 15, 59 (1974)

64. E.R. Hegblom, D.I. Babic, B.J. Thibeault, L.A. Coldren, «Estimation of scaterring losses in dielectricalyl appertured vertical cavity lasers», Appl. Phys. Lett. 68 (13), p, 1757 (1996)

65. А. Снайдер, Дж. Лав. «Теория оптических волноводов», Радио и связь, С.500 Москва (1987)

66. G. Keiser, «Optical fiber communications», McGraw-Hill, Inc., New York, (1983)

67. В.В.Никольский «Электродинамика и распространение радиоволн»,Наука, Москва, с.524, (1978)

68. И.Н.Бронштейн, К.А. Семендяев, «Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов» С.412, Наука, Москва (1981)

69. А. Я. Архангельский, «Программирование в Delphi. Учебник по классическим версиям Delphi», Бином-Пресс, Москва (2006)

70. Т. Тамир, «Волноводная оптоэлектроника», Мир, Москва (1991)

71. G. Reiner, E. Zeeb, В. Mo"ller, M. Ries, and K. J. Ebeling, « Optimization of planar be-doped InGaAs VCSEL's with two-sided output», Photonics Technol. Lett., 7, (7), 730 (1995)

72. E. F. Schubert, L. W. Tu, G. J. Zydzik, R. F. Kopf, A. Benvenuti, and M. R. Pinto, « Elimination of Heterojunction Band Discontinuities by Modulation Doping », Appl. Phys. Lett, 60, (4), 466 (1992)

73. K. L. Lear and R. P. Schneider Jr., «Uniparabolic mirror grading for vertical cavity surface emitting lasers»: Appl. Phys. Lett., 68, (5), 29 January (1996)

74. D.W.Winston, R.E.Hayes, «Optoelectronic device simulation of Bragg reflectors and theirinfluence on surface-emitting laser characteristics», IEEE J. Quantum Electron. 34 (4), 707, (1998)

75. H. H. Berger, «Models for contacts to planar devices», Solid-State Electron., 15, 145 (1972)

76. M.H. MacDougal, J.Geske, C.-K. Lin, A.E. Bond, P.D. Dapkus, «Thermal. Impedance of VCSEL's with A10x-GaAs DBR's», IEEE Phot. Technol. Lett., 10,(1), 9 (1998)

77. G. Miiller ed., J-J. Metois, P. Rudolph, «Crystal growth from fundamentals to technology», Elsever (2004)

78. A.W.Jackson, P.R.Pinsukanjana, A.C.Gossard, L.A.Coldren, «In situ monitoring and control for MBE growth of optoelectronicdevices», Selected Topics in Quantum Electronics, IEEE Journal, 3, (3), 836, Jun (1997)

79. X. Liu, E. Ranalli, D. L. Sato, Y. Li, and H. P. Lee, «In-situ pyrometric interferometry monitoring and control of III—V layered structures during molecular-beam epitaxy growth», J. Vac. Sci. Technol. B, 13, 742 (1995)

80. M. Mizutani, F. Teramae, O. Kobayashi, S. Naritsuka, T. Maruyama, «Precise control of growth of DBR by MBE using in-situ reflectance monitoring system», Physica status solidi,3, (3), 659 (2006)

81. K.D.Choquette, K.M.Geib, H.Q.Hou, D.Mathes, R.Hull, «The technology and applications of selective oxidation of AlGaAs», Semiconducting and Insulating Materials, (SIMC-X) Proceedings of the 10th Conference, 209, (1998)

82. G. M. Yang, M. H. MacDougal, and P. D. Dapkus, «Ultralow threshold current vertical-cavity surface emitting lasers obtained with selective oxidation», Electron. Lett., 31, 886 (1995)

83. M. H. MacDougal, P. D. Dapkus, V. Pudikov, H. Zhao, and G. M. Yang, «Ultralow threshold current vertical-cavity surface emitting lasers with AlAs oxide-GaAs distributed Bragg reflectors», IEEE Photon. Technol. Lett., 7, 229, (1995)

84. A.Bek, A.Aydinli, J.G.Champlain, R.Naone, N.Dagli, «А study of wet oxidized AlxGaixAs for integrated optics», IEEE Photon. Technol. Lett., 11, 436(1999)

85. T.Takamori, K.Takemasa, T.Kamijoh, «Interface structure of selectively oxidized AlAs/GaAs», Appl. Phys. Lett., 69, 659 (1996)

86. R.D.Twesten, D.M.Follstaedt, K.D.Choquette, R.P.Schneider, «Microstructure of laterally oxidized AlxGaixAs layers in vertical-cavity lasers», Appl. Phys. Lett., 69, 19 (1996)

87. F.Sfigakis, P.Paddon, V.Pacradouni, M.Adamcyk, C.Nicoll, A.R.Cowan, T.Tiedje, J.F.Young, «Near-infrared refractive index of thick, laterally oxidized AlGaAs cladding layers», IEEE Light. Technol., 18, 199 (2000)

88. A.R.Sugg, N.Holonyak, J.E.Baker, F.A.Kish, J.M.Dallesasse, «Native oxide stabilization of AIAs-GaAs heterostructures», Appll. Phys. Lett., 58, 1199 (1991)

89. C.I.H.Ashby, J:P.Sullivan, K.D.Choquette, K.M.Geib, H.Q.Hou, «Wet oxidation of AlGaAs: The role of hydrogen», J. Appl. Phys., 82, 3134, (1997)

90. Kent D. Choquette, K.M.Geib, C.LH.Ashby, R.D.Twesten, O.Blum, H.Q.Hou, D.M.Follstaedt, B.E.Hammons,D. Mathes, and R. Hull, «Advances in Selective Wet Oxidation», IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron., 3, (3), 916 (1997)

91. D.L.Huffaker, C.C.Lin, J.Shin, D.G.Deppe, «Resonant cavity light emitting diode with an ЛЩ/GaAs reflector», Appl. Phys. Lett., 66, 3096 (1995)

92. M.Ochiai, G.E.Giudice, H.Temkin, J.W.Scott, T.M.Cockerill, «Kinetics of thermal oxidation of AlAs in water vapor», Appl. Phys.Lett., 68, 1898 (1996)

93. C.LH.Ashby, M.M.Bridges, A.A.Allerman, B.E.Hammons, H.Q.Hou, «Origin of the time dependence of wet oxidation of AlGaAs», Appl. Phys. Lett., 75, 73 (1999)

94. G.M.Yang, D.H.Lim, J.H.Kim, K.Y.Lim, H.J.Lee, «Selective oxidation of AlGaAs/GaAs structure and its application to vertical cavity lasers», Jpn. J. Appl. Phys., 37, 1391 (1998)

95. M.Osinski, T.Svimonishvili, G.A.Smolyakov, V.A.Smagley, P.Mac'kowiak, and W.Nakwaski, «Temperature and Thickness Dependence of Steam Oxidation of AlAs in Cylindrical Mesa Structures», IEEE Photon. Technol. Lett., 13, (7), 687 (2001)

96. С.А.Блохин, «Микролазеры на основе гетероструктур с InGaAs квантовыми точками с резонаторами, сформированными селективным окислением слоёв AlGaAs», диссертация на соискание учёной степени к.ф.м.н., ФТИ им. А.Ф.Иоффе РАН, С-Петербург (2006)

97. H.Q.Jia, H.Chen, W.C.Wang, W.X.Wang, W.Li, Q.Huang, J.Zhou, «Study of thermal stability during wet oxidation of AlAs», J. Crystal Growth, 223, 484 (2001)

98. D.L. Huffaker, D.G. Deppe, « Intracavity contacts for low-threshold oxide-confined vertical-cavity surface-emitting lasers», IEEE Phot. Technol. Lett., 11,(8), 934(1999)

99. FlipChip R. Pu, C. Duan, C.W. Wilmsen, «Hybrid integration of VCSEL's. to CMOS integrated circuits», IEEE J. Selected Topics Quant. Electron., 5, 201 (1999)

100. J. Kaindl, S. Stoier, «Dry Etching of III/V-Semiconductors: Fine Tuning of Pattern Transfer and Process Control», G. Franz. J. Electrochem. Soc., 142, 2418(1995)

101. A.F.Benner, M.Ignatowski, J.A.Kash, D.M.Kuchta and M.B.Ritter, «Exploitation of optical interconnects in future server architectures», IBM J. Res. Dev., 49, (4/5), 755 (2005)

102. G. Steinle, A.Yu. Egorov, H. Riechert, « Monolithic VCSEL with InGaAsN active region emitting at 1.28 jim and CW output power exceeding 500 |aW at room temperature», Electron. Lett., Ъ1, 93 (2001)

103. E. Herrmann, P.M. Smowton, H.D. Summers, J.D. Thomson, and M. Hopkinson, «Modal gain and internal optical mode loss of a quantum dot laser», Appl. Phys. Lett. 77, 163-165 (2000)

104. G. M. Yang, M. H. MacDougal, V. Pudikov, P. D. Dapkus, «Influence of mirror reflectivity on laser performance of very-low-threshold vertical-cavity surface-emitting lasers», IEEE Photonics Technol. Lett. 7, 1228 (1995)

105. D. I. Babic, J. Piprek, K. Streubel, R. P. Mirin, N. M. Margalit, D. E. Mars, J. E. Bowers, and E. L. Hu, «Design and analysis of double-fused 1.55-mm vertical-cavity lasers», IEEE J. Quantum. Electron. 33, 1369 (1997)

106. S. Mogg, F. Salomonsson, C. Asplund, G. Plaine, N. Chitica, and M. Hammar, «п-type doping induced losses in 1.3/1.55 |im distributed Bragg reflector», Proc. Int. Conf. Indium Phosphide and Related Materials, Williamsburg, USA, 388 (2000)

107. S. Mogg, «Long-Wavelength Vertical-Cavity Lasers:Materials and Device Analysis», Doctoral Dissertation, Royal Institute of Technology (KTH), Department of Microelectronics and Information Technology, Stockholm (2003)

108. M. H. MacDougal, P. D. Dapkus, A. E. Bond, C.-K. Lin, and J. Geske, «Design and Fabrication of VCSEL's with AlxOy-GaAs DBR's», IEEE J. Seleced. Topics in Quantum Electron. 3, 905 (1997)

109. A. Yariv, «Quantum Electronics», 3rd ed., Wiley, New York (1989)

110. M. H. MacDougal, J. Geske, C.-K. Lin, A. E. Bond; and P. D. Dapkus, «Low resistance intracavity-contacted oxide-aperture VCSELs», IEEE

111. Photonics Technol. Lett., 10, 9 (1998)

112. J.A.Lott, N.N.Ledentsov, A.R.Kovsh, V.M.Ustinov and D.Bimberg, «Multiple stake of InAs/InGaAs quantum dots for GaAs based 1.3 |im vertical cavity surface emitting lasers», LEOS 2003, IEEE Annual Meeting Conf. Proc, 499 (2003)

113. S.S. Mikhrin, A.R. Kovsh, A.E. Zhukov, D.A. Livshits, N.A. Maleev, A.P. Vasil'ev, Yu.M. Shernyakov, M.V. Maximov, N.A. Pikhtin, I.S. Tarasov,

114. V.M. Ustinov, N.N. Ledentsov, D. Bimberg, Zh.I. Alferov«0.94 (im diode lasers based on Stranski-Krastanowand submonolayer quantum dots», 26th Int. Conf. Phys. Semicond., Edinburgh, UK, paper L2.3 (2002)

115. S. Riyopoulos and D. Dialetis, «Radiation scattering by apertures in vertical-cavity surface-emitting laser cavities and its effects on mode structure», J. Opt. Soc. Am. В 18, 1497 (2001)

116. М. Osinski and W. Nakwaski, «Thermal effects in vertical-cavity surface-emitting lasers», Int. J. High Speed Electron. Syst., 5, 667 (1994)

117. P.D. Floyd, B.J. Thibeault, E.R. Hegblom, J. Ко, L.A. Coldren, J.L. Merz., «Comparison of optical losses in dielectric-apertured vertical-cavity lasers», IEEE Photon. Technol. Lett., 5, 590 (1996)

118. X. Кейси, М. Паниш, «Лазеры на гетероструктурах», Мир, Москва (1981)

119. М. Борн, Э. Вольф, «Основы оптики», Наука, Москва (1970)

120. М. Jungo, F.M. di Sopra, D. Erni, W. Baechtold, « Scaling effects on vertical-cavity surface-emitting lasers static and dynamic behavior», J. Appl. Phys., 91, (9), 5550 (2002)

121. N.N. Ledentsov, D.Bimberg, V.M.Ustinov, M.V.Maximov, Zh.I.Alferov, V.P.Kalosha and J.A.Lott, «Interconnection between gain spectrum and cavity mode in a quantum-dot vertical-cavity laser», Semicond. Sci. Technol. 14, 99 (1999)

122. N. G. Basov, «Dynamics of injection lasers», IEEE J. Quantum Electron. QE-4, 855 (1968)

123. R.W. Dixon and W.B. Joyce, «А possible model for sustained oscillations (pulsations) in (Al,Ga)As double-heterostructure laser », IEEE J. Quantum Electron., QE-15, 470 (1979)

124. C. R. Mirasso, G.H.M. van Tartwijk, E. Hernandez-Garcia, D. Lenstra, S. Lynch, P. Landais, P. Phelan, J.O'Gorman, M. San Miguel, and W. ElsaBer, «Self-pulsating semiconductor lasers: theory and experiment», IEEE J. Quantum Electron., 35, 764 (1999)

125. E. A. Viktorov, M. A. Cataluna, L. O'Faolain, T. F. Krauss, W. Sibbett, E.U. Rafailov, and P. Mandel, «Dynamics of a two-state quantum dot laser with saturable absorber», Appl. Phys. Lett., 90, 121113 (2007)

126. P. Rees, P. McEvoy, A. Valle, J.O'Gorman, S. Lynch, P. Landais, L. Pesquera and J. Hegasky, «А theoretical analysis of optical clock extraction using a self-pulsating laser diode», IEEE J. Quantum Electron., 35, 221 (1999)

127. C. Juang, Т. M. Hwang, J. Juang and W.W. Lin, «А synchronization scheme using self-pulsating laser diodes in optical chaotic communication», IEEE J. Quantum Electron., 36, 300, 2000

128. M. Yamada and Т. Higashi, IEEE J, «Mechanism of the noise reduction method by superposition of high-frequency current for semiconductor injection lasers», Quantum Electron., 27, 380 (1991)

129. M. Yamada, «А theoretical analysis of self-sustained pulsation phenomena in narrow-stripe semiconductor lasers», IEEE J. Quantum Electron., 29, 1330(1993)

130. A. Scire, J. Mulet, C. R. Mirasso, and M. San Miguel, «Intensity and polarization self-pulsations in vertical-cavity surface-emitting lasers», Opt. Lett. 27, 391 (2002)

131. M. B. Willemsen, A. S. van de Nes, M. P. van Exter, J. P. Woerdman, M.Brunner, and R. Hovel, « Self-pulsations in vertical-cavity semiconductor lasers», Appl. Phys. Lett, 77, 3514 (2000)

132. A.Fiore, M.Rossetti, B.Alloing, C.Paranthoen, J.X.Chen, L.Geelhaar, H.Riechert, «Carrier diffusion in low-dimensional semiconductors: A comparison of quantum wells, disordered quantum wells, and quantum dots», Phys.Rev.В., 70, 205311 (2004)

133. H.Kuwahara, «Simulation on Intensity Self-Pulsation in cw Semiconductor Lasers», Appl.Phys. 20, 67-73, (1979)

134. P. W. Smith, Y. Silberberg, and D. A. B. Miller, «Mode locking of semiconductor diode lasers using saturable excitonic nonlinearities », J. Opt. Soc. Am. B, 2 (7), 1228(1985)