Асимметричные гетероструктуры со сверхтолстым волноводом и мощные полупроводниковые лазеры с малыми внутренними потерями на их основе

Слипченко, Сергей Олегович

Асимметричные гетероструктуры со сверхтолстым волноводом и мощные полупроводниковые лазеры с малыми внутренними потерями на их основе тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

Слипченко, Сергей Олегович АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Санкт-Петербург МЕСТО ЗАЩИТЫ

2004 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.10 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Асимметричные гетероструктуры со сверхтолстым волноводом и мощные полупроводниковые лазеры с малыми внутренними потерями на их основе»

Автореферат диссертации на тему "Асимметричные гетероструктуры со сверхтолстым волноводом и мощные полупроводниковые лазеры с малыми внутренними потерями на их основе"

ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ИМА.Ф.ИОФФЕ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

На правах рукописи. СЛИПЧЕНКО Сергей Олегович

Асимметричные гетероструктуры со сверхтолстым волноводом и мощные полупроводниковые лазеры с малыми внутренними потерями на их основе

01.04.10 - физика полупроводников

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург 2004

Работа выполнена в Физико-техническом институте имАФ.Иоффе РАН.

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук,

ведущий научный сотрудник

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук,

профессор

доктор физико-математических наук, профессор

И. С. Тарасов.

В.М. Устинов,

Л.Е. Воробьев.

Ведущая организация: Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина)

Защита состоится "_"_2004 г. в "_" часов на

заседании специализированного совета К-002.205.02 при Физико-техническом институте им.А.Ф.Иоффе РАН по адресу: 194021, Санкт-Петербург, ул.Политехническая, д.26.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Физико-технического института имАФ.Иоффе РАН.

Автореферат разослан "_"_2004 г.

Ученый секретарь ,

диссертационного совета К-002.205.02"^~\ 1 Д

Куликов.

Актуальность темы

Мощные полупроводниковые лазеры прошли долгий путь развития от момента получения первой генерации в непрерывном режиме при комнатной температуре в 1970 г до создания лазерных диодов с мощностями излучения более 10 Вт в 1998 г. В основе прогресса мощных лазеров лежали как усовершенствование технологии изготовления, так и появление новых научных подходов к разработке гетероструктур. Если первые лазерные диоды на основе двойных гетероструктур, созданные методом жидкофазной эпитаксии, имели внутренние оптические потери более 10 см'1, то современные эпитаксиальные технологии, такие как МОС-гидридная и молекулярно-пучковая, позволили создать на основе квантово-размерных двойных гетероструктур раздельного ограничения с расширенным волноводом лазерные диоды с внутренними оптическими потерями менее 1 см'1. Снижение величины внутренних оптических потерь дало возможность существенно повысить выходные мощности непрерывного излучения и КПД приборов. В настоящее время мощные лазерные диоды активно используются для накачки волоконных усилителей, твердотельных и волоконных лазеров. Таким образом, работы, направленные на разработку гетероструктур и создание лазерных диодов со сверхнизкими внутренними потерями на их основе, являются актуальной задачей, как с научной, так и с практической точек зрения. Основная цель работы заключалась в разработке и исследовании электрических и оптических свойств AlGaAs/GaAsAnGaAs квантово-размерных асимметричных гетероструктур раздельного ограничения со сверхтолстым волноводом (т.е структур, активная область в которых расположена в многомодовом волноводе толщиной более 1 мкм и смещена относительно его центра) и создании на их основе мощных полупроводниковых гетеролазеров со сверхнизкими внутренними оптическими потерями и узкой диаграммой направленности излучения в плоскости, перпендикулярной р-п-переходу.

Для достижения поставленной цели решался следующий комплекс задач.

1. Построение модели подавления поперечных мод высшего порядка в сверхтолстом многомодовом волноводе квантово-размерной асимметричной гетероструктуры раздельного ограничения.

2. Разработка AЮaAs/GaAs/InGaAs квантово-размерной гетероструктуры раздельного ограничения со сверхнизкими внутренними оптическими потерями и узкой диаграммой направленности излучения в плоскости, перпендикулярной р-п-переходу.

3 (ЮС. НАЦИОНАЛЬНА*

«ММИОТККА

¡ГЗЩ..

3. Исследование электрических и оптических характеристик AlGaAs/GaAs/InGaAs квантово-размерных асимметричных гетероструктур раздельного ограничения со сверхтолстым волноводом.

4. Создание и исследование свойств мощных многомодовых полупроводниковых лазеров на основе AlGaAs/GaAsAnGaAs квантово-размерных асимметричных гетероструктур раздельного ограничения со сверхтолстым волноводом.

Представляемые к защите научные положения и результаты

Положения.

1. Прецизионное смещение активной области в двойной гетероструктуре раздельного ограничения обеспечивает подавление генерации мод высших порядков в сверхтолстых многомодовых волноводах.

2. Расширение волноводного слоя более 1 мкм при прецизионном смещении активной области в двойной гетероструктуре раздельного ограничения снижает величину внутренних оптических потерь.

3. Нижним пределом внутренних оптических потерь являются потери на поглощение на свободных носителях заряда в активной области квантово-размерной двойной гетероструктуры раздельного ограничения.

Результаты.

1. Построена модель подавления мод высшего порядка в асимметричной гетероструктуре раздельного ограничения со сверхтолстым волноводом посредством вариации усиления мод.

2. Разработана и создана лазерная квантово-размерная AlGaAs/GaAs/ InGaAs гетероструктура раздельного ограничения со сверхтолстым многомодовым волноводом, обеспечивающая устойчивую генерацию основной фундаментальной моды.

3. В лазерах на базе квантово-размерной AlGaAs/GaAs/InGaAs гетероструктуры раздельного ограничения со сверхтолстым волноводом достигнуты внутренние оптические потери 0,34 см"1 и расходимость излучения 15° - 20° в плоскости, перпендикулярной р-п-переходу.

4. В системе твердых растворов AlGaAs/GaAs/InGaAs созданы многомодовые полупроводниковые лазеры со сверхтолстым волноводом, излучающие на длине волны 1080 нм оптическую мощность 16 Вт, и с максимальным КПД, 74 %, в непрерывном режиме генерации.

Научная новизна

1. Предложен метод подавления мод высшего порядка в сверхтолстом многомодовом волноводе квантово-размерной гетероструктуры раздельного ограничения посредством вариации усиления отдельных мод.

2. Экспериментально показано, что в асимметричной квантово-размерной двойной гетероструктуре раздельного ограничения со сверхтолстым многомодовым волноводом удается подавить генерацию всех мод, кроме нулевой.

3. Показано, что нижним фундаментальным пределом величины внутренних оптических потерь в квантово-размерной двойной гетероструктуре раздельного ограничения являются оптические потери на поглощение на свободных носителях заряда в активной области при пороговой концентрации прозрачности.

4. Экспериментально показано, что в полупроводниковых лазерах на основе асимметричных гетероструктур со сверхтолстым волноводом практически достигнут нижний фундаментальный предел внутренних оптических потерь.

Практическая ценность

1. В лазерах на базе квантово-размерных асимметричных гетероструктур раздельного ограничения со сверхтолстым волноводом внутренние оптические потери снижены до 0,34 см*1.

2. Созданы мощные (16 Вт) полупроводниковые лазеры на базе квантово-размерных асимметричных гетероструктур раздельного ограничения со сверхтолстым волноводом в системе твердых растворов АваА/ваАзАпваАз.

3. В лазерах на базе квантово-размерных асимметричных гетероструктур раздельного ограничения со сверхтолстым волноводом достигнуто максимальное значение коэффициента полезного действия, 74 %.

4. В лазерах на базе квантово-размерных асимметричных гетероструктур раздельного ограничения со сверхтолстым волноводом расходимость излучения в плоскости, перпендикулярной р-п-переходу, снижена до 15° - 20°.

Приоритет результатов. В диссертации впервые представлена модель подавления мод высших порядков в сверхтолстых многомодовых волноводах. Достигнутые выходные оптические характеристики (величина непрерывной мощности 16 Вт и КПД 74 %) лазерных диодов, изготовленных на базе разработанных асимметричных

гетероструктур со сверхтолстым волноводом (к = 1080 нм) являются рекордными значениями в мире на момент написания работы. Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на 12 -ой Международной конференции «International Symposium Nanostructures: Physics and Technology», 2004, июнь, С.-Петербург; на 19-ой Международной конференции «Semiconductor Laser Conference», 2004, сентябрь, Матсуэ-ши, Япония. Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 9 работ, список которых приведен в конце автореферата. Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка цитированной литературы. Общий

объем диссертации составляет: количество страниц_, в том числе

страниц основного текста_,_рисунков на_страницах и _

таблицы. Список цитированной литературы включает в себя _

наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована основная цель работы, показаны ее научная новизна, практическая ценность и приоритет результатов, приведены выносимые на защиту научные положения.

В первой главе дан обзор литературных данных, посвященных мощным многомодовым полупроводниковым гетеролазерам, выращенным на подложке GaAs.

В начале первой главы дана краткая историческая справка по развитию мощных полупроводниковых лазеров. Успехи по достижению рекордных мощностей оптического излучения обусловлены оптимизацией параметров лазерных гетероструктур, таких как пороговая плотность тока, пороговое усиление, дифференциальная квантовая эффективность, внутренние оптические потери, последовательное сопротивление, температурная стабильность [1-4]. Снижение внутренних оптических потерь является решающим фактором, определяющим мощность оптического излучения полупроводникового лазера, и достигается посредством увеличения толщины волноводных слоев. Естественным ограничением толщины волновода симметричной гетероструктуры (гетероструктура, для которой активная область расположена в центре волноводного слоя) является выполнение пороговых условий для волноводных мод высшего порядка. Генерация мод высшего порядка ведет к ухудшению диаграммы направленности в плоскости, перпендикулярной p-n-переходу. Уже предпринимались попытки по сохранению генерации

только основной поперечной моды в лазерах с расширенным до нескольких микрон волноводом [5]. Один из возможных способов, позволяющих избежать генерации мод высших порядков, заключается в увеличении для них потерь, связанных с поглощением излучения [4]. Использование такого приема позволило создать гетероструктуру с шириной волновода 1,3 мкм [4]. Максимальная мощность излучения в непрерывном режиме генерации была 10,9 Вт, а расходимость излучения в дальней зоне в плоскости, перпендикулярной р-п-переходу» и внутренние оптические потери составили 36° и 1 см*1, соответственно

[4].

Далее в главе дается описание основных подходов, использующих асимметричные лазерные гетероструктуры. В работах [6, 7] асимметричные гетероструктуры выполняются только с целью снижения доли фундаментальной оптической моды для поперечного волновода (в направлении, перпендикулярном слоям гетероструктуры), приходящейся на активную область. Также в главе изложены основные факторы, ограничивающие максимальную мощность излучения в непрерывном режиме генерации при постоянной температуре теплоотвода лазерных диодов, созданных на базе In-Al-Ga-As-P/GaAs гетероструктур. Показано, что на момент написания работы выдвигались две основные причины. Первая - это катастрофическая оптическая деградация зеркал резонатора. Этот фактор выходит на первый план в случае использования AIGaAs твердых растворов для формирования активной области или волновода. Вторая причина вызвана температурным разогревом активной области. Перегрев лазерного диода относительно теплоотвода в этом случае обусловлен малой эффективностью отвода тепла из-за высокого температурного сопротивления и низкого значения КПД прибора. Особое внимание уделено верхнему фундаментальному пределу мощности излучения. Приведены параметры, определяющие значение фундаментального предела мощности излучения.

Во второй главе рассмотрена теория асимметричных лазерных гетероструктур со сверхнизкими внутренними оптическими потерями. Проведен теоретический анализ влияния параметров лазерной гетероструктуры на величину внутренних оптических потерь с целью достижения их минимального значения. Для этого на базе экспериментальных данных получена аналитическая зависимость материального усиления от пороговой концентрации носителей в квантовой яме. Также разработан новый метод подавления генерации мод высших порядков в многомодовых волноводах лазерных

гетероструктур со сверхнизкими внутренними оптическими потерями.

В первом параграфе проанализированы пороговые плотности токов и усиления лазерных диодов, изготовленных на базе квантово-размерных двойных гетероструктур раздельного ограничения. Проведен анализ составляющих пороговой плотности тока и показано, что в гетероструктурах с отличным от единицы стимулированным внутренним квантовым выходом излучения (г|,) необходимо учитывать токовые потери Л , которые могут заметно увеличивать пороговую плотность тока.

В излучательную компоненту порогового тока вносят вклад три составляющие: 1о, I,, • 1о - ток прозрачности, при котором g=0, т.е. среда не усиливает и не поглощает. Было показано, что в лазерах с длиной резонатора больше 1,5 мм ток прозрачности дает основной вклад в пороговый ток. Ток прозрачности определяется положением уровней квантования и параметрами зонной структуры напряженного материала активной области. Следующая составляющая пороговой плотности тока I,, компенсирующая рассеяние волноводной моды на свободных носителях тока и макро- и микронеоднородностях лазерной гетероструктуры, начинает оказывать существенный вклад при значениях внутренних оптических потерь а, более 10 см"1. Токовая компенсация потерь на выход (1ей) также приводит к росту пороговой концентрации носителей в активной области лазерной структуры. Снижение потерь на выход происходит с увеличением длины резонатора, и для Ь>1,5 мм вклад компоненты 1ех1 в общий пороговый ток становится несущественным. Продемонстрировано, что усиление с достаточной степенью точности аппроксимируется логарифмической зависимостью от излучательной компоненты порогового тока, а также от концентрации электронов и дырок в квантово-размерной активной области.

Во втором параграфе представлен расчет распределения поля в лазерной гетероструктуре. Приведено решение волнового уравнения для модельной пятислойной структуры. В ходе расчета получено дисперсионное соотношение для рассматриваемой модельной структуры, представляющее трансцендентное уравнение. Параметрами уравнения являются толщина и показатель преломления слоев модельной гетероструктуры. Решение трансцендентного уравнения позволило определить распределение поля в модельных структурах с различными параметрами слоев (толщина и показатель преломления).

В третьем параграфе рассмотрен расчет внутренних оптических потерь лазерной гетероструктуры с асимметричным

сверхтолстым волноводом. Представлен теоретический анализ влияния параметров лазерной гетерострукгуры на величину внутренних оптических потерь (ЯшО- Был проведен (независимый) анализ зависимостей каждой из компонент а^ от параметров квантово-размерной раздельного ограничения двойной гетерострукгуры (КР РО ДГС). Для теоретического анализа использовались КР РО ДГС классической конструкции, состоящие из широкозонных эмиттеров, узкозонного волновода и квантовой ямы, расположенной в центре волновода. Показано, что внутренние оптические потери могут быть представлены в виде суммы потерь в активной области, в волноводе и эмиттерах. Для заданного материала активной области с сечением рассеяния для дырок и электронов внутренние оптические потери на рассеяние в активной области (00^) зависят от фактора оптического ограничения активной области и концентрации

свободных носителей Для уменьшения величины

необходимо, чтобы переменные имели наименьшие

значения. Чтобы продемонстрировать влияние параметров лазерной гетероструктуры на значение каждой из этих переменных были рассмотрены две серии модельных структур. Структуры первой серии состояли из двух широкозонных эмиттеров Alo.6Gao.4As (х = 0,6), волноводного слоя, выполненного из GaAs и InGaAs квантовой ямы толщиной 90 А. Структуры второй серии отличались от первой только тем, что эмиттеры были выполнены на основе твердого раствора Alo.3Gao.7As (х = 0,3). Анализ зависимостей фактора оптического ограничения показал, что повышение эффективности волновода не ведет к существенному росту для структур со сверхтолстыми волноводными слоями.

Показано, что при выполнении неравенства

где -значение материального усиления, когда концентрация насителей заряда в активной области равна концентрации прозрачности, - потери, обусловленные выходом излучения из резонатора, изменение значения практически не влияет на величину

концентрации свободных носителей заряда в активной области. Поэтому, когда неравенство (1) справедливо, увеличение толщины волновода, ведущее к снижению Гд\у, позволяет уменьшить значение а<)\у. Это значит, что расширение волновода является эффективнейшим способом снижения внутренних оптических потерь на рассеяние на свободных носителях в активной области.

Далее представлен анализ зависимости компоненты внутренних оптических потерь в эмиттерах от параметров лазерной гетероструктуры. Проведенные расчеты показали, что эффективность волновода оказывает значительное влияние на величину фактора оптического ограничения широкозонных эмиттеров Гсь- При равных условиях легирования потери в эмиттерах (eta.) будут больше для структур, имеющих меньший скачок показателя преломления на границе волновод - эмиттер. Несмотря на это, расширение волновода позволяет снизить величину Га для обоих типов структур до долей процента, когда глубина проникновения поля моды в эмиттеры снижается до долей микрона. Поэтому оптимизация профиля распределения концентрации свободных носителей заряда в эмиттерных слоях может быть эффективным способом снижения величины Таким образом, используя сверхтолстые волноводы и оптимизированные профили легирования эмиттеров, можно свести к минимуму вклад величины в суммарные внутренние оптические потери независимо от силы волновода.

Далее в параграфе три представлен расчет величины внутренних оптических потерь для рассмотренных модельных гетероструктур. Рассчитанная величина внутренних оптических потерь в волноводных слоях обоих типов гетероструктур составляла порядка 0,03 см"1 при изменении толщины волновода от микрона до четырех. Далее приведен расчет внутренних оптических потерь в двух эмиттерных слоях. В ходе вычисления величины внутренних оптических потерь в активной области определялась пороговая концентрация носителей с

учетом выброса электронов из квантовой ямы. Поэтому при расчете учитывалась концентрация электронов, локализованных в кулоновской квантовой яме. Поскольку величина пороговой концентрации связана не только с внутренними потерями, но и с потерями на выход излучения из резонатора, длина резонатора принималась постоянной и равной 4 мм. На основании проведенных вычислений получены зависимости OQW ОТ толщины волновода в симметричных лазерных гетероструктурах. Показано, что при толщинах волновода более одного микрона в полных потерях большая доля приходится на внутренние потери в активной области поскольку потери в эмиттерах малы, а в волноводе

пренебрежимо малы. Величина практически определяет значение внутренних оптических потерь для лазерных гетероструктур со сверхтолстыми волноводами. Пороговая концентрация носителей заряда в квантовой яме имеет нижний предел, задаваемый концентрациями прозрачности электронов По и дырок р0, значения которых определяются свойствами материала активной области.

Разница между пороговыми концентрациями и концентрацией прозрачности определяется как суммарными оптическими потерями, так и зависимостью gpQw>FQw)- Показано, что большую часть пороговой концентрации в полученных зависимостях составляет концентрация прозрачности. Таким образом, вычисленные минимальные значения внутренних оптических потерь практически представляют нижний фундаментальный предел для лазерных гетероструктур с активной областью, состоящей из ¡пОаЛБ квантовой ямы с длиной волны излучения порядка 1 мкм.

В четвертом параграфе рассмотрены асимметричные лазерные гетероструктуры и метод селекции мод высших порядков в многомодовых сверхтолстых волноводах. Неизбежным следствием увеличения толщины волновода лазерной двойной гетероструктуры является выполнение пороговых условий для мод высшего порядка наряду с фундаментальной модой [4]. Известно два подхода, позволяющих селектировать моды высшего порядка. Первый связан с увеличением потерь на поглощение мод высшего порядка в сильнолегированных эмиттерных слоях [4]. Во втором подходе селекция мод высшего порядка осуществляется за счет разницы потерь, связанных с выходом излучения из резонатора через просветленную грань зеркала [8].

Из условия порога генерации показано, что повлиять на выполнение пороговых условий можно, варьируя величину пороговой концентрации свободных носителей заряда, фактора оптического ограничения для соответствующей моды или изменяя баланс полных оптических потерь между фундаментальной модой и модами высшего порядка. Результаты расчетов пороговых концентраций для симметричной лазерной гетероструктуры с ОаЛя волноводом и эмиттерами из твердого раствора Ab.3Gao.7As показали, что разнила между пороговыми концентрациями фундаментальной моды и мод высшего порядка в зависимости от толщины волновода не превышала 1,8 - 6,4 %. В лазерных диодах такое незначительное отличие пороговых концентраций фундаментальной моды и мод высшего порядка приводит к одновременному выполнению пороговых условий для всех мод. Это происходит за счет флуктуации концентрации носителей заряда в квантовой яме и в результате некоторого увеличения пороговой концентрации после достижения порога генерации. Как уже отмечалось, в симметричных сверхтолстых волноводах существует несколько поперечных мод. В качестве примера была рассмотрена гетероструктура с GaЛs волноводом толщиной 1,7 мкм и эмиттерами из твердого раствора Ao.3Gaa7Лs. В этом случае волновое уравнение имеет

три решения, которым соответствуют три устойчивые конфигурации поля. В то же время значение фактора оптического ограничения активной области зависит от ее положения в волноводном слое для разных мод по-разному. Было показано, что существуют такие положения активной области в волноводе, при которых фактор оптического ограничения в активной области у

фундаментальной моды больше, чем у мод высших порядков (Гдчу я)-Если отношение Г<2\у о/Г(}\у N обеспечивает достаточную разницу пороговых концентраций фундаментальной моды и моды высшего порядка, то пороговые условия для N моды выполнены не будут.

Для оценки эффективности селекции мод высшего порядка проводился расчет пороговых концентраций для симметричной и асимметричной структур с толщинами волноводов 1,7 мкм и 2,8 мкм. Учитывалось, что активная область смещена в одно из оптимальных положений. В асимметричной структуре значение пороговой концентрации моды высшего порядка превышает пороговую концентрацию для фундаментальной моды на 19,4 % и 8,5 % при толщине волновода 1,7 мкм и 2,8 мкм, соответственно. Проведенные эксперименты, показали, что такого превышения концентрации достаточно для селекции мод высшего порядка. В то же время в симметричной структуре различия в пороговых концентрациях фундаментальной моды и моды высшего порядка не превышают 6 %.

Третья глава посвящена созданию мощных многомодовых лазерных диодов на базе асимметричных лазерных гетероструктур со сверхтолстым волноводом и экспериментальному исследованию их излучательных характеристик.

В первом параграфе дан краткий обзор технологии МОС-гидридной эпитаксии, использованной для изготовления исследуемых гетероструктур. В этом параграфе также рассмотрена методика постростовой технологии изготовления мощных многомодовых лазерных диодов конструкции «мелкая меза».

Во втором параграфе проведен анализ ватт- и вольт- амперных характеристик лазерных диодов, изготовленных на базе асимметричных гетероструктур со сверхтолстым волноводом. Из полученных лазерных гетероструктур изготавливались многомодовые лазеры с шириной активного контакта 100 мкм и различной длиной резонатора. Для проведения измерений лазерные диоды монтировались на медные теплоотводы полоском вниз. Постоянная температура теплоотвода или лазерного чипа поддерживалась с помощью системы термостабилизации с элементом Пельтье. Для измерения значений мощности в непрерывном режиме излучения использовался

калиброванный болометр марки Ophir 10 А. Это позволило с минимальной погрешностью фиксировать мощность излучения. На рис. представлена ватт-амперная характеристика лазерного диода, изготовленного на базе асимметричных гетероструктур со сверхтолстым волноводом. На грани резонатора были нанесены диэлектрические просветляющие ^ = 5 %) и отражающие ^ = 95 %) покрытия. Длина оптического резонатора составляла 3 мм.. Значение мощности излучения такого лазерного диода в непрерывном режиме генерации при постоянной температуре теплоотвода 20 °С достигало 16 Вт. Это значение является максимальным, достигнутым для полупроводниковых лазеров на момент публикации данного результата. Показано, что максимальная мощность ограничена эффектом насыщения ватт-амперной характеристики, который не связан с

перегревом активной области. Необходимо отметить, что катастрофической оптической деградации зеркал (КОДЗ) для исследуемых лазерных диодах не наблюдалось. Таким образом, для данной конструкции гетероструктуры не КОДЗ является фактором, ограничивающим максимальную мощность излучения.

В третьем параграфе исследовались внутренние оптические потери и внутренняя дифференциальная квантовая эффективность стимулированного излучения лазерных диодов на базе асимметричных лазерных гетероструктур со сверхтолстым волноводом. На основании проведенных исследований свет-токовых характеристик построена экспериментальная зависимость величины обратной внешней дифференциальной квантовой эффективности от длины резонатора лазерного диода. Из полученной зависимости найдено, что внутренние оптические потери в исследуемой лазерной гетероструктуре составляют величину 0,34 см"1, а внутренний квантовый выход стимулированного

излучения 99 %. Достижение таких характеристик лазерных гетероструктур позволило создавать лазерные диоды с длинами резонатора до 4 мм без заметного падения внешней дифференциальной квантовой эффективности, что является принципиальным для получения мощных высокоэффективных лазеров.

В четвертом параграфе проведен анализ порогового тока лазерных диодов, изготовленных на базе асимметричных гетероструктур со сверхтолстым волноводом. Внесение асимметрии в конструкцию лазерной гетероструктуры не привело к росту пороговой плотности тока, хотя фактор оптического ограничения активной области в асимметричной структуре имел некоторое снижение. Напротив, в лазерах с длиной резонатора более 2 мм наблюдается уменьшение пороговой плотности тока по сравнению с лазерными диодами на базе классических КР РО ДГС.

В пятом параграфе проанализирован коэффициент полезного действия лазерных диодов, изготовленных на базе асимметричных гетероструктур со сверхтолстым волноводом. Показано, что КПД полупроводникового лазера является интегральным параметром, характеризующим эффективность данного прибора. На величину КПД оказывает влияние множество параметров, определяющих качество не только созданной лазерной гетероструктуры, но и лазерного диода, как готового прибора. Это - внутренние оптические потери, внутренний квантовый выход стимулированного излучения, последовательное сопротивление, напряжение отсечки, плотность тока прозрачности, просветляющие и отражающие покрытия. Только одновременная минимизация всех этих параметров позволит достичь величины КПД, максимально близкой к 100 %. Предложенная конструкция асимметричной лазерной гетероструктуры со сверхтолстым волноводом позволила достичь величины КПД = 74 %. Это значение является максимальным из всех опубликованных на данный момент. Также в параграфе показано, что благодаря снижению величины внутренних оптических потерь до значения 0,34 см"1 стало возможным создавать лазерные диоды с длинами резонатора до 4 мм, для которых КПД ~ 70 % при непрерывной мощности излучения ~ 4 Вт.

В шестом параграфе рассматривались температурные зависимости пороговой плотности тока лазерных диодов, изготовленных на базе асимметричных гетероструктур со сверхтолстым волноводом. Для исследования температурных характеристик лазерных диодов, изготовленных на базе асимметричных гетероструктур со сверхтолстым волноводом, использовалась методика, позволяющая устранить перегрев активной области. В этой методике для накачки

лазерного диода применялся импульсный источник тока. Длительность импульса выбиралась такой, чтобы вблизи порога генерации перегрев активной области был минимален. В нашем случае это ~ 1 мкс. Полученные экспериментальным путем зависимости пороговой плотности тока от температуры в диапазоне 0 - 100 °С позволили сделать заключение, что увеличение толщины волновода не сказалось отрицательно на температурной чувствительности порогового тока. Величина характеристического параметра То составила 100 - 120 К, что не отличается от лазерных гетероструктур с обычным волноводом и с аналогичными составами слоев.

В седьмом параграфе исследовались картины излучения в дальней зоне лазерных диодов, изготовленных на базе асимметричных гетероструктур со сверхтолстым волноводом. Были исследованы картины излучения в дальней зоне в плоскости, перпендикулярной р-п-переходу, при различных значениях непрерывного тока накачки лазерных диодов. Показано, что с ростом тока накачки величина и форма линий практически не меняются. Такое стабильное поведение диаграммы направленности говорит об одномодовом характере излучения лазерного диода в плоскости, перпендикулярной р-п-переходу. При этом форма поля соответствовала нулевой поперечной моде. Ширина поля на уровне половины интенсивности составляла 30°.

Также экспериментально показано, что расширение волновода до 4 мкм позволяет снизить расходимость излучения в плоскости, перпендикулярной р-п-переходу, до 16° и сохранить генерацию только на фундаментальной моде.

В восьмом параграфе рассматриваются особенности спектральных характеристик лазерных диодов, изготовленных на базе асимметричных гетероструктур со сверхтолстым волноводом. Исследования показали уширение спектров излучения с ростом тока накачки лазерных диодов, изготовленных на базе асимметричных гетероструктур со сверхтолстым волноводом. На основе полученных результатов были рассчитаны тепловые сопротивления полупроводниковых лазеров с различной длиной резонатора. Тепловое сопротивление полупроводниковых лазеров имело резкую зависимость от длины резонатора и при длине 5 мм составляло величину

2-2,5°С/Вт.

В девятом параграфе исследовались деградационные характеристики лазерных диодов, изготовленных на базе асимметричных гетероструктур со сверхтолстым волноводом. Исследования деградационных характеристик проводились при повышенной температуре (65 °С) и различных мощностях

непрерывного излучения (от 1 до 2 Вт). Измерения показали, что за 1000 часов мощность излучения снижалась на величину ~ 3 %. Это соответствовало времени наработки при температуре 20°С-10000 часов.

В заключении диссертации приведены основные результаты исследований.

1. Построена модель подавления мод высшего порядка при использовании асимметричной гетероструктуры раздельного ограничения со сверхтолстым волноводом посредством вариации усиления мод.

2. Показано, что нижним фундаментальным пределом величины внутренних оптических потерь в квантово-размерной двойной гетероструктуре раздельного ограничения являются оптические потери на поглощение на свободных носителях заряда в активной области при пороговой концентрации прозрачности.

3. Экспериментально показано, что в полупроводниковых лазерах на основе асимметричных гетероструктур со сверхтолстым волноводом практически достигнут нижний фундаментальный предел внутренних оптических потерь.

4. Разработана и создана лазерная квантово-размерная АСаА/ваАзИпСаА-геТеросТруКТура раздельного ограничения со сверхтолстым многомодовым волноводом, обеспечивающая устойчивую генерацию основной фундаментальной моды.

5. В лазерах на базе квантово-размерной АваА/ваАДпваА-гетероструктуры раздельного ограничения со сверхтолстым волноводом достигнуты внутренние оптические потери 0,34 см"1 и расходимость излучения 15° - 20° в плоскости, перпендикулярной р-п-переходу.

6. В системе твердых растворов АваА/ваАДпваА созданы многомодовые полупроводниковые лазеры со сверхтолстым волноводом, излучающие на длине волны 1080 нм оптическую мощность 16 Вт и с максимальным КПД, 74 %, в непрерывном режиме генерации.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. НА Пихтин, СО. Слипченко, З.Н. Соколова, И.С. Тарасов, «Анализ пороговой плотности тока и усиления в квантово-размернЫх лазерах на основе твердых растворов InGaAsP», ФТП, 2002, т. 36, вып. 3, с. 364-374.

2. СО. Слипченко, НА Пихтин, Н.В. Фетисова, М.А Хомылев, АА Мармалюк, Д.Б. Никитин, АА Падалица, П.В. Булаев, И.Д. Залевский, И.С Тарасов, «Лазерные диоды (к = 0,98 мкм) с узкой диаграммой направленности в вертикальной плоскости и низкими внутренними оптическими потерями», Письма в ЖТФ,

2003,т.29,вып.23,с.26-34.

3. S.O. Slipchenko, V.A. Kapitonov, M.A Khomylev, A.Yu. Leshko, A.L. Stankevich, D.A Vnokurov, N.A Pikhtin,and I.S. Tarasoy, «High power lasers based on QW asymmetric heterostructures with lowest internal loss», Proceedings of 12th International Symposium, «Nanostructures: Physics and Technology», St Petersburg, Russia, June,

2004, p. 97-98.

4. I.S. Tarasov, N.A. Pikhtin, Z.N. Sokolova, S.O. Slipchenko, and D.A Vinokurov, «The lower fundamental limit of internal optical loss in quantum-well heterolasers», Proceedings of 12th International Symposium, «Nanostructures: Physics and Technology», St. Petersburg, Russia, June, 2004, p. 101 -102.

5. CO. Слипченко, Д.А Винокуров, НА Пихтин, З.Н. Соколова, АЛ. Станкевич, И.С Тарасов, Ж.И. Алферов, «Сверхнизкие внутренние оптические потери в квантово-размерных лазерных гетероструктурах раздельного ограничения», ФТП, 2004, т. 38, вып. 12, с. 1477-1486.

6. Д.А Винокуров, С.А Зорина, ВА Капитонов, А.В. Мурашова, Д.Н. Николаев, АЛ. Станкевич, М.А Хомылев, В.В. Шамахов, АЮ.Лешко, А.ВЛютецкий, Т.А Налет, НА Пихтин, СО. Слипченко, З.Н. Соколова, Н.В. Фетисова, И.С Тарасов, «Мощные полупроводниковые лазеры с асимметричной гетероструктурой раздельного ограничения», ФТП, 2005.

7. I.S. Tarasov, N.A. Pikhtin, S.O. Slipchenko, Z.N. Sokolova, D.A Vinokurov, «16 W CW output power from 100-um aperture laser based on quantum well asymmetric heterostructure with lowest internal loss», Proceedings of the 2004 IEEE 19th International Semiconductor Laser Conference, Matsue-shi, Japan, September, 2004, p. 37 - 38.

8. N.A. Pikhtin, S.O. Slipchenko, Z.N. Sokolova, A.L. Stankevich, DA Vinokurov, I.S. Tarasov,and Zh.I. Alferov, «16 W continuous-wave

output power from 100-^-aperture laser with quantum well asymmetric heterostructure», Electron. Lett., 2004, vol. 40, No. 22, p. 1413 - 1414.

9. Заявка на патент №2004-123-062 от 27 июля 2004 г.

Цитируемая литература

1. Д.А. Лившиц, А.Ю. Егоров, И.В. Кочнев, В.А. Капитонов, В.М. Лантратов, Н.Н. Леденцов, Т.А. Налет, И.С. Тарасов, «Рекордные мощностные характеристики лазеров на основе InGaAs/AlGaAs/GaAs-гетероструктур », ФТП, 2001, т. 35, вып. 3, с. 380-384.

2. СО. Слипченко, Н.А. Пихтин, Н.В. Фетисова, М.А. Хомылев, А.А. Мармалюк, Д.Б. Никитин, А.А. Падалица, П.В. Булаев, И.Д. Залевский, И.С. Тарасов, «Лазерные диоды (X = 0.98 мкм) с узкой диаграммой направленностью в вертикальной плоскости и низкими внутренними оптическими потерями», Письма в ЖТФ, 2003, т. 29, вып. 23 , с. 26 - 34.

3. Н.А. Пихтин, СО. Слипченко, З.Н. Соколова, И.С Тарасов, «Внутренние оптические потери в полупроводниковых лазерах», ФТП, 2004, т. 38, вып. 3 , с. 374 - 381.

4. A.Al-Muhanna, LJ. Mawst, D. Botez, D.Z. Garbuzov, R.U. Martinelly, J.С Conolly, «High-power (>10 W) continuous-wave operation from 100 цт-aperture 0.97 Jim-emitting Al-free diode lasers», Appl. Phys. Lett., 1998, vol. 73, No. 9, p. 1182-1184.

5. В.И. Швейкин, В.А. Геловани, «Новые диодные лазеры с вытекающим излучением в оптическом резонаторе», Квантовая электроника, 2002, т. 32, вып. 8, с. 683 - 688.

6. J.J. Lee, L.J. Mawst, D. Botez, «Asymmetric Broad Waveguide Diode Lasers (A,= 980 nm) of Large Equivalent Transverse Spot Size and Low Temperature Sensitivity», IEEE Photonics Thech. Lett, 2002, vol. 14, No. 8, p. 1046-1048.

7. M. Buda, T.G. van der Roer, L.M.F. Kaufrnann, Gh. Iordache, D. Cengher, D. Diaconescu, I.B. Petrescu-Prahova, J.E.M. Haverkort, W. van der Vleuten, J.H. Wolter, «Analysis of 6-nm AlGaAs SQW Low-Confinement Laser. Structures for Very High-Power Operation», IEEE J. Quantum Electron., 1997, vol. 3, No. 2, p. 173 - 179.

8. И.А. Костко, В.П. Евтихиев, Е.Ю. Котельников, Г.Г. Зегря, «Повышение мощности лазеров с широким волноводом посредством дополнительной селекции поперечных мод», ФТП, 1999, т. 33, вып. 6, с. 752-758.

Отпечатано в типографии ПИЯФ РАН

188300, Гатчина Ленинградской обл, Орлова роща Зак. 377, тир. 100, уч-изд. л. 1; 27.10.2004 г.

125434

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Слипченко, Сергей Олегович

Введение.

Глава 1 Обзор литературы. Мощные полупроводниковые лазеры на основе квантово-размерных гетероструктур раздельного ограничения А1-1п

Ga-As-P/GaAs.

§1.1 Мощные лазеры с InGaAs активной областью.

§1.2. Внутренние потери в симметричных гетероструктурах с расширенным волноводом.

§1.3 Асимметричные лазерные гетероструктуры.

§1.4 Эффекты, ограничивающие максимальную мощность излучения лазерного диода.

§1.5 Фундаментальный предел мощности излучения полупроводниковых лазеров.

§1.6 Выводы по обзору литературы.

Глава 2 Теория асимметричных лазерных гетероструктур со сверхнизкими внутренними оптическими потерями.

§2.1 Анализ пороговой плотности тока и усиления в квантоворазмерных лазерах с активными областями на основе твердых растворов In-Ga-As.

§2.2 Модель пятислойного плоского диэлектрического волновода.

2.2.1 Уравнения Максвелла и волновое уравнение.

2.2.2 Решения волнового уравнения для ТЕ-мод в пятислойной структуре.

2.2.3 Дисперсионное уравнение и его решение.

§2.3 Внутренние оптические потери в лазерной гетероструктуре со сверхтолстым волноводом.

2.3.1 Основные определения.

2.3.2 Оптические потери в активной области.

2.3.3 Внутренние оптические потери на рассеяние в волноводе и эмиттерах.

2.3.4 Расчет внутренних оптических потерь.

§2.4 Асимметричные лазерные гетероструктуры. Селекция мод высших порядков в многомодовых сверхтолстых волноводах.

Глава 3 Разработка и исследование излучательных и электрических характеристик полупроводниковых лазеров на основе асимметричных гетероструктур со сверхтолстым волноводом.

§3.1 Эпитаксиальные и постростовые технологии лазерных гетероструктур.

§3.2 Анализ ватт-амперных характеристик лазерных диодов, изготовленных на основе асимметричных гетероструктур со сверхтолстым волноводом.

§3.3 Внутренние оптические потери и внутренняя дифференциальная квантовая эффективность стимулированного излучения лазерных диодов на основе асимметричных лазерных гетероструктур со сверхтолстым волноводом.

§3.4 Анализ порогового тока лазерных диодов, изготовленных на основе асимметричных гетероструктур со сверхтолстым волноводом.

§3.5 Коэффициент полезного действия лазерных диодов, изготовленных на основе асимметричных гетероструктур со сверхтолстым волноводом

§3.6 Исследование температурной зависимости пороговой плотности тока лазерных диодов, изготовленных на основе асимметричных гетероструктур со сверхтолстым волноводом.

§3.7 Исследование диаграммы направленности излучения в дальней зоне от тока накачки лазерных диодов, изготовленных на основе асимметричных гетероструктур со сверхтолстым волноводом.

3.7.1 Диаграмма направленности излучения в дальней зоне лазерных диодов, изготовленных на основе асимметричных гетероструктур с толщиной щ волновода 1.7 мкм.

3.7.2 Моделирование асимметричных гетероструктур со сверхтолстым волноводом, обладающих повышенной способностью селекции мод высших порядков.

3.7.3 Излучательные характеристики лазерных диодов, изготовленных на основе асимметричных гетероструктур со сверхтолстым волноводом, обладающих повышенной способностью селекции мод высших порядков.

§3.8 Исследование спектральных характеристик лазерных диодов, изготовленных на основе асимметричных гетероструктур со сверхтолстым волноводом.

§3.9 Исследование срока службы лазерных диодов, изготовленных на основе асимметричных гетероструктур со сверхтолстым волноводом.

Введение диссертация по физике, на тему "Асимметричные гетероструктуры со сверхтолстым волноводом и мощные полупроводниковые лазеры с малыми внутренними потерями на их основе"

Мощные полупроводниковые лазеры прошли долгий путь развития от момента получения первой генерации1 в непрерывном режиме при комнатной температуре в 1970 г до создания лазерных диодов с мощностями излучения более 10 Вт в 1998 г. В основе прогресса мощных лазеров лежали как усовершенствование технологии изготовления, так и появление новых научных подходов к разработке гетероструктур. Если первые лазерные диоды на основе двойных гетероструктур, созданные методом жидкофазной эпитаксии, имели внутренние оптические потери более 10 см'1, то современные эпитаксиальные технологии, такие как МОС-гидридная и молекулярно пучковая, позволили создать на основе квантово-размерных двойных гетероструктур раздельного ограничения с расширенным волноводом лазерные диоды с внутренними оптическими потерями менее 1 см"1. Снижение величины внутренних оптических потерь дало возможность существенно повысить выходные мощности непрерывного излучения и КПД приборов. В настоящее время мощные лазерные диоды активно используются для накачки волоконных усилителей, твердотельных и волоконных лазеров. Таким образом, работы, направленные на разработку гетероструктур и создание лазерных диодов со сверхнизкими внутренними потерями на их основе являются актуальной задачей, как с научной, так и с практической точек зрения.

Основная цель работы заключалась в разработке и исследовании электрических и оптических свойств AlGaAs/GaAs/InGaAs квантово-размерных асимметричных гетероструктур раздельного ограничения со сверхтолстым волноводом (т.е структур, активная область в которых расположена в многомодовом волноводе толщиной более 1 мкм и смещена относительно его центра), и создании на их основе мощных полупроводниковых гетеролазеров со сверхнизкими внутренними оптическими потерями и узкой диаграммой направленности излучения в плоскости, перпендикулярной р-п-переходу.

Для достижения поставленной цели решался следующий комплекс задач.

2. Разработка AlGaAs/GaAs/InGaAs квантово-размерной гетероструктуры раздельного ограничения со сверхнизкими внутренними оптическими потерями и узкой диаграммой направленности излучения в плоскости, перпендикулярной р-п-переходу.

4. Создание и исследование свойств мощных многомодовых полупроводниковых лазеров на основе AlGaAs/GaAs/InGaAs квантово-размерных асимметричных гетероструктур раздельного ограничения со сверхтолстым волноводом. Представляемые к защите научные положения и результаты.

Положения.

Результаты.

3. В лазерах на основе квантово-размерной AlGaAs/GaAs/InGaAs гетероструктуры раздельного ограничения со сверхтолстым волноводом достигнуты внутренние оптические потери 0.34 см"1 и расходимость излучения 15° - 20° в плоскости, перпендикулярной р-п-переходу.

4. В системе твердых растворов AlGaAs/GaAs/InGaAs созданы многомодовые полупроводниковые лазеры со сверхтолстым волноводом, излучающие на длине волны 1080 нм оптическую мощность 16 Вт и с максимальным КПД, 74 %, в непрерывном режиме генерации.

Научная новизна.

1. Предложен метод подавления мод высшего порядка в сверхтолстом многомодовом волноводе квантово-размерной гетеро структуры раздельного ограничения посредством вариации усиления отдельных мод.

Практическая ценность.

1. В лазерах на основе квантово-размерных асимметричных гетероструктур раздельного ограничения со сверхтолстым волноводом внутренние оптические потери снижены до 0.34 см"1.

2. Созданы мощные (16 Вт) полупроводниковые лазеры на основе квантово-размерных асимметричных гетероструктур раздельного ограничения со сверхтолстым волноводом в системе твердых растворов AlGaAs/GaAs/InGaAs.

3. В лазерах на основе квантово-размерных асимметричных гетероструктур раздельного ограничения со сверхтолстым волноводом достигнуто максимальное значение коэффициента полезного действия, 74 %.

4. В лазерах на основе квантово-размерных асимметричных гетероструктур раздельного ограничения со сверхтолстым волноводом расходимость излучения в плоскости, перпендикулярной р-п-переходу снижена до15° - 20°.

Приоритет результатов. В диссертации впервые представлена модель подавления мод высотах порядков в сверхтолстых многомодовых волноводах. Достигнутые выходные оптические характеристики (величина непрерывной мощности 16 Вт и КПД, 74 %) лазерных диодов, изготовленных на основе разработанных асимметричных гетероструктур со сверхтолстым волноводом (к = 1080 нм) являются рекордными значениями в мире на момент написания работы.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на 12 -ой Международной конференции «International Symposium Nanostructures: Physics and Technology», 2004, июнь, С.-Петербург; на 19-ой Международной конференции «Semiconductor Laser Conference», 2004, сентябрь, Матсуэ-ши, Япония.

Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 9 работ, список которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка цитированной литературы.

Заключение диссертации по теме "Физика полупроводников"

Основные результаты диссертационной работы сводятся к следующему.

4. Разработана и создана лазерная квантово-размерная AlGaAs/GaAs/InGaAs гетероструктура раздельного ограничения со сверхтолстым многомодовым волноводом, обеспечивающая устойчивую генерацию только основной фундаментальной моды.

5. В лазерах на основе квантово-размерной AlGaAs/GaAs/InGaAs гетероструктуры раздельного ограничения со сверхтолстым волноводом достигнуты внутренние оптические потери 0,34 см"1 и расходимость излучения 15° - 20° в плоскости, перпендикулярной р-п-переходу.

6. В системе твердых растворов AlGaAs/GaAs/InGaAs созданы многомодовые полупроводниковые лазеры со сверхтолстым волноводом, излучающие на длине волны 1080 нм оптическую мощность 16 Вт и с максимальным КПД, 74 %, в непрерывном режиме генерации при комнатной температуре.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Н.А. Пихтин, С.О. Слипченко, З.Н. Соколова, И.С. Тарасов, «Анализ пороговой плотности тока и усиления в квантово-размерных лазерах на основе твердых растворов InGaAsP», ФТП, т. 36, с. 364 - 374 (2002).

2. С.О. Слипченко, Н.А. Пихтин, Н.В. Фетисова, М.А. Хомылев, А.А. Мармалюк, Д.Б. Никитин, А.А. Падалица, П.В. Булаев, И.Д. Залевский, И.С. Тарасов, «Лазерные диоды (к= 0,98 мкм) с узкой диаграммой направленности в вертикальной плоскости и низкими внутренними оптическими потерями», Письма в ЖТФ, т. 29, с.26 - 34 (2003).

3. S.O. Slipchenko, V.A. Kapitonov, М.А. Khomylev, A.Yu. Leshko, A.L. Stankevich, D.A. Vinokurov, N.A. Pikhtin and I.S. Tarasov «High power lasers based on QW asymmetric heterostructures with lowest internal loss», Proceedings of 12th International Symposium, «Nanostructures: Physics and Technology», St Petersburg, Russia, June, p. 97 - 98 (2004).

4. I.S. Tarasov, N.A. Pikhtin, Z.N. Sokolova, S.O. Slipchenko, and D.A. Vinokurov, «The lower fundamental limit of internal optical loss in quantum-well heterolasers», Proceedings of 12th International Symposium, «Nanostructures: Physics and Technology», St Petersburg, Russia, June, p. 101 - 102 (2004).

5. C.O. Слипченко, Д.А. Винокуров, H.A. Пихтин , З.Н. Соколова, A.JI. Станкевич, И.С. Тарасов, Ж.И. Алферов «Сверхнизкие внутренние оптические потери в квантово-размерных лазерных гетероструктурах раздельного ограничения», ФТП, т. 38, с. 1477-1486(2004).

6. Д.А. Винокуров, С.А. Зорина, В.А. Капитонов, А.В. Мурашова, Д.Н. Николаев, A.J1. Станкевич, М.А. Хомылев, В.В. Шамахов, А.Ю.Лешко, А.В.Лютецкий, Т.А. Налет, Н.А. Пихтин, С.О. Слипченко, З.Н. Соколова, Н.В. Фетисова, И.С. Тарасов, «Мощные полупроводниковые лазеры с асимметричной гетероструктурой раздельного ограничения», ФТП (2005).

7. I.S. Tarasov, N.A. Pikhtin, S.O. Slipchenko, Z.N. Sokolova, D.A. Vinokurov, «16 W CW output power from 100-цш aperture laser based on quantum well asymmetric heterostructure with lowest internal loss», Proceedings of the 2004 IEEE 19th International Semiconductor Laser Conference, Matsue-shi, Japan, September, p. 37-38 (2004).

8. N.A. Pikhtin, S.O. Slipchenko, Z.N. Sokolova, A.L. Stankevich, D.A. Vinokurov, I.S. Tarasov and Zh.I. Alferov, «16 W continuous-wave output power from ЮО-цт-aperture laser with quantum well asymmetric heterostructure», Electron. Lett., vol. 40, p. 1413 -1414 (2004).

9. Заявка на патент №2004-123-062 от 27 июля 2004 г.

В заключение автор выражает глубокую благодарность научному руководителю И.С.Тарасову за повседневное руководство, и полезное обсуждение результатов работы; З.Н.Соколовой за внимание и помощь в проведении теоретических расчетов; Н.А.Пихтину за плодотворные дискуссии; сотрудникам А.В.Лютецкому, Н.В.Фетисовой, М.А.Хомылеву, В.А.Капитонову, при непосредственном участии и помощи которых были выполнены исследования; сотрудникам технологических групп Д.А.Винокурову, А.Л.Станкевичу, А.Ю.Лешко, Т.А.Налет, Н.А.Рудовой за огромную работу по изготовлению гетероструктур и всем сотрудникам лаборатории за всестороннюю поддержку.

Заключение

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Слипченко, Сергей Олегович, Санкт-Петербург

1. Н.Г. Басов, Б.М. Вул, Ю.М. Попов, «Квантовомеханические полупроводниковые генераторы и усилители электромагнитных колебаний», ЖЭТФ, т.37, с. 587 (1959).

2. Н.Г. Басов, О.Н. Крохин, Ю.М. Попов, «Получение состояний с отрицательной температурой в р-n переходах вырожденных полупроводников», ЖТЭФ, т. 40, с. 1879 -1880(1961).

3. M.G.A. Bernard, G. Duraffourg, «Laser condition in semiconductors», Phys. Stat. Solidi., vol. l,p. 699-703 (1961).

4. Д.Р. Наследов, A.A. Рогачев, C.M. Рывкин, Б.В. Царенков, «Рекомбинационное излучение арсенида галлия», Ф7Т, т. 4, с. 1062 1065 (1962).

5. R. N. Hall, G. Е. Fenner, J. D. Kingsley, Т. J. Soltys, and R. O. Carlson, «Coherent Light Emission From GaAs Junctions», Phys. Rev. Lett., vol. 9, p. 366-368 (1962).

6. N.Jr. Holonyak, S.F. Bevaqua, «Coherent (visible) light emission from GaAsP junction», Appl. Phys. Lett, vol. 1, p. 82 83 (1962).

7. W.L. Bond, B.G. Cohen, R.C.C. Leite, and A. Yariv «Observation of the dielectric-waveguide mode of light propagation in p-n junction», Appl. Phys. Lett., vol. 2, p. 57 59 (1963).

8. Ж.И. Алферов, Р.Ф. Казаринов, Авт. Свид. СССР №28448,1963

9. Н. Kroemer, «А proposed class of heterojunction injection lasers», Proc. IEEE, vol. 51, p. 1782 (1963).

10. Ж.И. Алферов, B.M. Андреев, B.M. Корольков, Д.Н Третьяков, B.M. Тучкевич, «Высоковольтные р-п-переходы в кристаллах GaAlAs», ФТП, т. 1, с. 1579 1581 (1967).

11. Н. Rupprecht, J.M. Woodall, G.D. Pettit, «Efficient visible electroluminescence at 300 К from GaAlAs p-n junctions grown by liquid-phase epitaxy», Appl. Phys. Lett., vol. 11, p. 81 -83 (1967).

12. Ж.И. Алферов, B.M. Андреев, В.И. Корольков, E.JI. Портной, Д.Н. Третьяков, «Инжекционные свойства гетеропереходов n AlGaAs-p GaAs», ФТП, т. 2, с. 1016-1017 (1968).

13. Ж.И. Алферов, В.М. Андреев, E.JI. Портной, М.К. Трукан, «Инжекционные лазеры на основе гетеропереходов в системе AlAs-GaAs с низким порогом генерации при комнатной температуре», ФТП, т. 3, с. 1328 1332 (1969).

14. Ж.И. Алферов, В.М. Андреев, Д.З. Гарбузов, Ю.В. Жиляев, E.JI. Портной, Е.П. Морозов, В.Г. Трофим, «Исследование влияния параметров гетероструктуры в системе

15. AlAs-GaAs на пороговый ток лазеров в получениннепрерывного режима генерации при комнатной температуре», ФТП, т. 4, с. 1826 1829 (1970).

16. Thompson G.H.B., Kirkby P.A., «(GaAl)As lasers with a heterostructure for optical confinement and additional heterojunctions for extreme carrier confinement», IEEE J. Quant. Electron., vol. 9, p. 311 318 (1973).

17. Panish M.B., Casey H.C., Jr., Sumski S., Foy P.W., «Reduction of threshold current density in GaAs-AlxGai-xAs heterostructure lasers by separate optical and carrier confinement», Appl. Phys. Lett., vol. 22, p. 590 591 (1973).

18. Thompson G.H.B., Kirkby P.A., «Low threshold-current density in 5-layer-heterostructure (GaAl)As/GaAs localised-gain-region injection lasers», Electron. Lett., vol. 9, p. 295-296(1973).

19. Casey H.C., Jr., Panish M.B., Schlosser W.O., Paoli T.L., «GaAs-AlxGa,.xAs heterostructure laser with separate optical and carrier confinement», J. Appl. Phys., vol. 45, pp. 322-333 (1974).

20. Д.З. Гарбузов, В.П. Евтихиев, С.Ю. Карпов, З.Н. Соколова, В.Б. Халфин, «Расчет пороговых токов для InGaAsP/GaAs ДГС лазеров с раздельным ограничением», ФТП, т. 19, с. 449-455 (1985).

21. В.П. Евтихиев, Д.З. Гарбузов, З.Н. Соколова, И. С. Тарасов, В.Б. Халфин, В.П. Чалый, А.В. Чудинов, «Особенности пороговых характеристик РО InGaAsP/InP ДГ лазеров (А.=1.3 мкм) с супертонкими активными областями», ФТП, т. 19, с. 1420 1423 (1985).

22. И.С. Тарасов, Д.З. Гарбузов, В.П. Евтихиев, А.В. Овчинников, З.Н. Соколова, А.В. Чудинов, «Особенности температурной зависимости порогов в РО InGaAsP/InP ДГ лазеров с тонкой активной областью», ФТП, т. 19, с. 1496 1498 (1985).

23. Adams A.R., «Band structure engineering for low threshold high efficiency semiconductor lasers», Electron. Lett., vol. 22, p. 249-250 (1986).

24. Yablonovitch E., Kane E.O., «Reduction of the lasing threshold current density by lowering the valence band ejjective mass», J. Lightwave Technol., V.LT-4, №5, pp.504^-506; (1986); также "Correction", J. Lightwave Technol., vol. 4, p. 961 (1986).

25. Yablonovitch E., Kane E.O., «Band structure engineering of semiconductor lasers for aptical communication», J. Lightwave Technol., vol. 6, p. 1292 1299 (1988).

26. Mattehws J.W., Blakeslee A.E., «Defects in epitaxial multilayers», J. Crystal Growth, vol. 27, p. 118-125(1974).

27. D.Z. Garbuzov, N.Y. Antonishkis, A.D. Bondarev, A.B. Gulakov, S.N. Zhigulin, N.I. Katsavets, A.V. Kochergin and E.U. Rafailov, «High-power 0.8 цт InGaAsP/GaAs SCH SQW lasers», IEEE J. Quantum Electron., vol. 27, p. 1531-1536 (1991).

28. D.Z. Garbuzov, N.Y. Antonishkis, A.D. Bondarev, A.B. Gulakov, S.N. Zhigulin, N.I. Katsavets, A.V. Kochergin and E.U. Rafailov, «High-power 0.8 цт InGaAsP/GaAs SCH SQW lasers», IEEEJ. Quantum Electron., vol. 27, p. 1531-1536 (1991).

29. D.Z. Garbuzov, N.Ju. Antonishkis, S.N. Zhigulin, N.D. Il'inskaya, A.V. Kochergin, D.A. Lifshitz, E.U. Rafailov, and M.V. Fuksman «High-power buried InGaAsP/GaAs (X = 0.8 цт) laser diodes», Appl. Phys. Lett., vol. 62, p. 1062-1064 (1993).

30. S.L. Yellen, A.H. Shepard, C.M. Harding, J.A. Baumann, R.G. Waters, D.Z. Garbuzov, V. Pyataev, V. Kochergin and P.S. Zory, «Dark-line-resistant, aluminum-free diode laser at 0.8 jim», IEEE Photon. Technol. Lett., vol.4, p.1328-1330 (1992).

31. L.J. Mawst, A. Bhattacharya, M. Nesdial, J. Lopez, D. Botez, J.A. Morris and P. Zory, «High CW output power and 'wallplug' efficiency Al-free InGaAs/InGaAsP/InGaP double quantum well diode lasers», Electron. Lett., vol. 31, p. 153-1154 (1995).

32. D.Z. Garbuzov, L. Xu, S.R. Forrest, R. Martinelli and J.C. Conolli «1.5 цт wavelength , SCH-MQW broadened-waveguide laser diodes with low internal loss and high output power», Electron. Lett., vol. 32, p. 1717-1718 (1996).

33. N.I.Katsavets, D.A.Livshits, I.S.Tarasov «Study of optical mirror facet strength of CW operated separate confinement heterostructure laser diodes» Proceeding of SPIE's on International Symp. 96, San Jose 1996.

34. A. Al-Muhanna, L. Mawst, D. Botez, D. Garbuzov, R. Martinelli, J. Connolly, «High power (>10W) continuous-wave operation from 100-(om-apeiture 0.97-цш-emitting Al-free diode lasers», Appl. Phys. Lett. vol. 73, p. 1182-1184, (1998).

35. D.A. Livshits, I.V. Kochnev, V.M. Lantratov, N.N. Ledentsov, T.A. Nalyot, I.S. Tarasov and Zh.I. Alferov, «High Catastrophic Optical Mirror Damage Level in InGaAs/AlGaAs Laser Diodes», Electron. Lett., vol. 36, p. 1848-1849, (2000).

36. F. Bugge, G. Erbert, J. Fricke, S. Gramlich, R. Staske, H. Wenzel, U. Zeimer, and M. Weyers, «12 W continuous-wave diode lasers at 1120 nm with InGaAs quantum wells», Appl. Phys. Lett., vol. 79, p. 1965-1967 (1998).

37. V. Rossin, E. Zucker, M. Peters, M. Everett, B. Acklin, «High-Power High-Efficiency 910-980nm Broad Area Laser Diodes», Proc. SP1E Int. Soc. Opt. Eng., vol. 5336, p. 196-202 (2004).

38. Н.А.Пихтин , С.О.Слипченко, З.Н.Соколова, И.С.Тарасов, «Внутренние оптические потери в полупроводниковых лазерах», ФТП, т. 38, с. 374-381 (2004).

39. А.Ю.Лешко, А.В.Лютецкий, Н.А.Пихтин, Г.В.Скрынников, З.Н.Соколова, И.С.Тарасов, Н.В.Фетисова, «О внутреннем квантовом выходе и выбросе носителей в квантово-размерных лазерах на основе InGaAsP / 1пР», ФТП, т. 34, с. 1457-1461 (2000).

40. Д.З.Гарбузов, А.В.Овчинников, Н.А.Пихтин, З.Н.Соколова, И.С.Тарасов, В.Б.Халфин, «Экспериментальное и теоретическое исследование особенностей пороговых и мощностных характеристик РО ДГС InGaAsP/InP лазеров (Х=1.3мкм)», ФТП, т. 25, с. 928-933 (1991).

41. Н.А.Пихтин, С.О.Слипченко, З.Н.Соколова, И.С.Тарасов, «Анализ пороговой плотности тока и усиления в квантово-размерных лазерах на основе твердых растворов InGaAsP», ФТП, т. 36, с. 364-374 (2002).

42. J.J. Lee, L.J. Mawst, D. Botez, «Asymmetric broad waveguide diode lasers (A,=980nm) of large equivalent transverse spot size and low temperature sensitivity», IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 14, p. 1046 1048 (2002).

43. D. Botez, «Design considerations and analytical approximations for high continuous-wave power, broad-waveguide diode lasers», Appl. Phys. Lett., vol. 74, p. 3102-3104 (1999).

44. С. H. Henry, P. M. Petroff, R. A. Logan, and F. R. Merritt, «Catastrophic damage of Al*Gai*As double-heterostructure laser material», J. Appl. Phys. vol. 50, p. 3721-3732 (1979).

45. P. W. Epperlein, P. Buchmann, and A. Jakubowicz, «Lattice disorder, facet heating and catastrophic optical mirror damage of AlGaAs quantum well lasers», Appl. Phys. Lett. vol. 62, p. 455-457 (1993).

46. A. Moser, and E.E. Latta, «Arrhenius parameters for the rate process leading to catastrophic damage of AlGaAs-GaAs laser facets», J. Appl. Phys., vol. 71, p. 4848-4853 (1992).

47. A. Moser, A. Oosenbrug, Е. Е. Latta, Th. Forster, and M. Gasser, «High-power operation of strained InGaAs/AiGaAs single quantum well lasers», Appl. Phys. Lett, vol. 59, p. 2642-2644(1991).

48. S.L. Yellen, A.H. Shepard, C.M. Harding, J.A. Baumann, R.G. Waters, D.Z. Garbuzov, V. Pjataev, V. Kochergin, P.S. Zory, «Dark-line-resistant, aluminum-free diode laser at 0.8 цш», IEEE Photon. Technol. Lett, vol. 4, p. 1328 1330 (1992).

49. R.E. Mallard and R. Clayton, «ЕВ1С and ТЕМ analysis of catastrophic optical damage in high-power GaAlAs/GalnAs lasers», Proc. SPIE, vol. 3004, p. 145-151 (1997).

50. H.H. Lee, L. Figucrua, «А relationship between segregated arsenic in GaAs and photoluminescence and kinetics of arsenic segregation at room temperature», J. Electrochem. Soc. Vol. 135, p.496 (1988).

51. C.D. Thurmond, G.P. Schwartz, G.W. Kammlott, and B. Schwarz, «GaAs Oxidation and the Ga-As-0 equilibrium phase diagram», J. Electrochem. Soc. Vol. 127, p. 1366 (1980).

52. H. Kawanishi, H. Ohno, T. Morimoto, S. Kaneiva, N. Miyauchi, H. Huyashi, T. Akagi, Y. Nakajima, and T. Hijikata, «Effekt of (NH^S treatment on characteristics of AiGaAs laser diodes», Proc. 21st Conf. Solid State Devices Materials, p. 337 (1989).

53. J.S. Yoo, H.H. Lee, P. Zory, «Enhancement of output intensity limit of semiconductor lasers by chemical passivation of mirror facets», IEEE Photon. Technol. Lett, vol. 3 , p. 202 -203 (1991).

54. J.S. Yoo, H.H. Lee, P.S. Zory, «On surface recombination velocity and output intensity limit of pulsed semiconductor lasers», IEEE Photon. Technol. Lett,vol. 3 , p. 594 596 (1991).

55. J. Hashimoto, I. Yoshida, M. Murata, T. Katsuyama, «Aging time dependence of catastrophic optical damage (COD) failure of а 0.98-цш GalnAs-GalnP strained quantum-well laser», IEEE J. Quantum Electron, vol. 33, p. 66 70 (1997).

56. D.Z. Garbuzov, M.R. Gokhale, J.C. Dries, P. Studenkov, R.U. Martinelli, J.C. Connolly, S.R. Forrest, «13.3 W quasi-continuous operation of 0.99 |лт wavelength SCH-QW

57. GaAs/GaAs/lnGaP broadened waveguide lasers», Electron. Lett., vol. 33, p. 1462-1464, (1997).

58. L. J. Mawst, A. Bhattacharya, M. Nesnidal, J. Lopez, D. Botez, J. A. Morris, P. Zory, «High continuous wave output power InGaAs/InGaAsP/InGaP diode lasers: Effect of substrate misorientation», Appl. Phys. Lett. vol. 67, p. 2901-2903 (1995).

59. A.H. Пихтин «Оптическая и квантовая электроника», Москва, Высшая школа, 2001

60. Р.Ф.Казаринов, О.В.Константинов, В.И.Перель, А.Л.Эфрос, «К электромагнитной теории инжекционного лазера» ФТТ, т. 7, с. 1506 1526 (1965).

61. F.Stern, «Gain-current relation for GaAs lasers with n-type and undoped active layers», IEEE J. Quant. Electron., vol. 9, p. 290-294 (1973).

62. Д.З.Гарбузов, А.В.Тикунов, С.Н.Жигулин, З.Н.Соколова, В.Б.Халфин, «Влияние насыщения усиления на пороговые характеристики квантоворазмерных InGaAsP/GaAs гетеролазеров», ФТП, т. 22, с. 1035 1039 (1988).

63. P.W.A. Mcllroy, A. Kurobe, Y. Uematsu, «Analysis and application of theoretical gain curves to the design of multi-quantum-well lasers», IEEE J. Quant. Electron., vol. 21, pp. 19581963 (1985).

64. J.Z. Wilcox, G.L. Peterson, S. Ou, J.J. Yang, M. Jansen, «Gain- and threshold-current dependence for multiple-quantum-well lasers», J. Appl. Phys., vol. 64, pp. 6564-6567 (1988).

65. S.Y. Hu, S.W. Corzine, K.K. Law, D.B. Young, A.C. Gossard, L.A. Coldren, J.L. Merz, «Lateral carrier diffusion and surface recombination in InGaAs/AlGaAs quantum-well ridge-waveguide lasers», J. Appl. Phys., vol. 76, pp. 4479-4478 (1994)

66. T. Makino, «Analytical formulas for the optical gain of quantum wells», IEEE J. Quant. Electron., vol. 32, pp. 493-501 (1996).

67. Д.З.Гарбузов, В.В.Агаев, З.Н.Соколова, В.Б.Халфин, В.П.Чалый, «Рекомбинационные процессы в InGaAsP/InP ДГС с Х=1 1.5 мкм», ФТП, т. 18, с. 1069 - 1076 (1984)

68. З.Н.Соколова, В.Б.Халфин, «Расчеты вероятностей излучательных переходов и времен жизни в квантово-размерных структурах», ФТП, т. 23, с. 1806 1812 (1989).

69. L.V. Asryan, N.A. Gunko, A.S. Polkovnikov, G.G. Zegrya, R.A. Suris, P.K. Lau, T. Makino, «Threshold characteristics of InGaAsP/InP multiple quantum well lasers», Semicortd. Sci. Technol, vol. 15, p. 1131-1140(2000).

70. Ковш А.Р., Жуков А.Е., Егоров А.Ю., Устинов В.М., Леденцов Н.Н., Максимов М.В., Цацульников А.Ф., Копьев П.С., «Особенности усиления в инжекционных лазерах на основе самоорганизующихся квантовых точек», ФТП, т. 33, с. 215-2231999).

71. Г.Г. Зегря, Г.В. Н.А.Пихтин, Г.В.Скрынников, С.О.Слипченко, И.С. Тарасов, «Исследование пороговых характеристик InGaAsPAnP-reTepo лазеров (Х=1.55 мкм)»,ФТП, т. 35, с. 1001-1008 (2001)

72. Х.Кейси, М. Паниш, «Лазеры на гетеропереходах», т.1, «Мир», М. (1981).

73. К.Зеегер, «Физика полупроводников», «Мир», М. (1977).

74. В.И.Фистуль, «Введение в физику полупроводников», «Мир», М. (1975).

75. Е. Pinkas, B.I. Miller, I. Kayashi, P.W. Foy, «Additional data on the effect of doping on the lasing characteristics of GaAs AlxGal-xAs double-heterostructure lasers», IEEE J.Quantum Electron., vol. 9, p. 281-282 (1973).

76. И.А. Костко, В.П. Евтихиев, ЕЮ. Котельников, Г.Г. Зегря, «Повышение мощности лазеров с широким волноводом посредством дополнительной селекции поперечных мод», ФТП, т. 33, с. 752-758 (1999).

77. Т. Ikegami, «Reflectivity of mode at facet and oscillation mode in double-heterostructure injection lasers», IEEE J. Quantum Electron., vol. 8, p. 470-476 (1972)

78. C.M. Herzinger, C.C. Lu, T.A. DeTemple, W.C. Chew, «The semiconductor waveguide facet reflectivity problem», IEEE J. Quantum Electron., vol. 29, p. 2273-2281 (1993).

79. Д.З.Гарбузов, А.В. Овчинников, A.H. Пихтин, З.Н. Соколова, И.С. Тарасов, В.Б.

80. Халфин, «Экспериментальное и теоритическое исследование особенностей пороговых и мощностных характеристик РО ДГС InGaAsP/InP-лазеров (Х,=1.3 мкм)», ФТП, т. 25, с. 928-933 (1991).

81. Е.Г. Голикова, В.А. Курешов, А.Ю. Лешко, А.В. Лютецкий, Н.А. Пихтин, Ю.А. Рябоштан, Г.А. Скрынников, И.С. Тарасов^Ж.И. Алферов, «Свойства гетеролазеров на основе InGaAsP/InP с широким мезаполосковым контактом», ФТП, т. 34, с. 886 8902000).

82. Y. Nishimura, «Spectral hole-burning and nonlinear-gain decrease in a band-to-level transition semiconductor laser», IEEE J. Quantum Electron., vol. 9, p. 1011- 1019 (1973).

83. B. Zee, «Broadening mechanism in semiconductor (GaAs) lasers: Limitations to single mode power emission», IEEEJ. Quantum Electron., vol. 14, p. 727- 736 (1978).

84. M. Asada, Y. Suematsu, «Density-matrix theory of semiconductor lasers with relaxation broadening model-gain and gain-suppression in semiconductor lasers», IEEE J. Quantum Electron., Vol. 21, p. 434- 442 (1985).

85. J. Manning, R. Olshansky, D.M. Fye, W. Powazinik, Proc. 9th Int. Semicond. Laser Conf., p. 150 (1984).

86. T. Hone, J. Zavadil, «On the hot-carrier effects in 1.3 цт InGaAsP diodes», J. Appl. Phys., vol. 73, p. 7978-7980 (1993)

87. Morris P. Kesler, Christoph S. Harder, and Eberhard E. Latta, «Carrier heating in AlGaAs single quantum well laser diodes», Appl. Phys. Lett., vol 59, p. 2775-2777 (1991).

88. Н.А. Пихтин, И.С. Тарасов, M.A. Иванов, «Особенности спектральных характеристик мощных инжекционных гетеролазеров на основе четверных твердых растворов InGaAsP», ФТП, т. 28, с. 1983 1990 (1994).