Генерационные характеристики лазеров с вертикальным резонатором на основе гетероструктур InGaAs-AlGaAs тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

на правах рукописи

Деребезов Илья Александрович

ГЕНЕРАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛАЗЕРОВ С ВЕРТИКАЛЬНЫМ РЕЗОНАТОРОМ НА ОСНОВЕ ГЕТЕРОСТРУКТУР ХпСаАв-АЮаАв

Специальность (01.04.10) (Физика полупроводников)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

6 ИЮН 2013

Новосибирск - 2013

005060800

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте физики полупроводников им. A.B. Ржанова Сибирского отделения Российской академии наук.

Научный руководитель:

Гайслер Владимир Анатольевич, доктор физико-математических наук, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики полупроводников им. A.B. Ржанова Сибирского отделения Российской академии наук, ведущий научный сотрудник.

Официальные оппоненты:

Кибис Олег Васильевич, доктор физико-математических наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Новосибирский государственный технический университет.

Ткаченко Виталий Анатольевич, кандидат физико-математических наук, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики полупроводников им. A.B. Ржанова Сибирского отделения Российской академии наук, старший научный сотрудник.

Ведущая организация:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук

Защита состоится «18» июня 2013 года в 16-30 часов на заседании диссертационного совета Д 003.037.01 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте физики полупроводников им. A.B. Ржанова Сибирского отделения Российской академии наук по адресу: 630090 Новосибирск, проспект академика Лаврентьева, 13.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института физики полупроводников им. A.B. Ржанова Сибирского отделения Российской академии наук. Автореферат разослан «14» мая 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор физико-математических наук

Артур Григорьевич Логосов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Полупроводниковые лазерные диоды (ЛД) традиционной полосковой конструкции в настоящее время активно и успешно используются для самого широкого спектра практических приложений: в лазерных принтерах, волоконно-оптических линиях связи (ВОЛС), оптических системах записи и хранения информации, оптических датчиках и сенсорах, устройствах накачки твердотельных лазеров, медицинской аппаратуре, контрольно-измерительной аппаратуре, оптических системах обработки информации [С1]. Однако традиционные полосковые лазеры обладают несколькими принципиальными недостатками, обусловленными их конструкцией, к числу которых можно отнести:

- несимметричная диаграмма и большая угловая расходимость выходного излучения ЛД, что приводит к малому коэффициенту ввода света в оптическое волокно;

высокая температурная нестабильность длины волны лазерного излучения (на уровне 0,30,4 нм/градус);

существенная температурная зависимость порогового тока ЛД ;

невозможность тестирования приборных структур на подложке до их разделения на индивидуальные кристаллы и монтажа на радиатор; Все возрастающие требования, предъявляемые к современным лазерам, используемым в системах передачи, обработки и хранения информации, обуславливают необходимость преодоления недостатков традиционных полосковых ЛД, что делает актуальным разработку новых конструкций приборов. На данный момент одним из наиболее перспективных типов полупроводниковых лазеров, лишенных перечисленных выше недостатков, является инжекционный лазер с вертикальным резонатором (ЛВР) [С1 - С5]. Современные варианты конструкции ЛВР основаны на использовании вертикальных оптических высокодобротных микрорезонаторов с зеркалами в виде распределенных брэгговских отражателей (РБО) [С1, С2]. При такой конструкции микрорезонатора излучение распространяется в направлении, перпендикулярном к плоскости эпитаксиальных слоев, образующих лазерную структуру [С6]. В качестве активной области в ЛВР используются квантово-размерные структуры, квантовые ямы (КЯ) или квантовые точки (КТ), помещаемые вблизи пучностей оптического поля микрорезонатора. Брэгговские отражатели обеспечивают эффективную локализацию электромагнитной волны в вертикальном направлении. Оксидные апертуры, получаемые с помощью селективного окисления слоев АЮаАэ с высоким содержанием А1, задают эффективную локализацию электромагнитной волны в латеральном направлении. Оксидные апертуры

обеспечивают также эффективное токовое ограничение. К числу основных преимуществ ЛВР по сравнению с традиционными инжекционными лазерами полосковой конструкции можно отнести: малую угловую расходимость и симметричную диаграмму направленности выходного излучения ЛВР, обусловленную цилиндрической симметрией микрорезонатора;

- существенно меньший объем микрорезонатора (единицы мкм3), обеспечивающий экономичность работы данного типа лазерных излучателей (пороговые и рабочие токи единицы мА и меньше [С7]), а также высокое быстродействие излучателей (частота токовой модуляции достигает десятков ГГц [С8]);

- высокую температурную стабильность длины волны (на уровне 0,05 нм/градус); групповую технологию изготовления, обеспечивающую возможность тестирования ЛВР непосредственно на пластине без разделения на отдельные кристаллы.

В течение последних десяти лет ЛВР все шире используются в телекоммуникационных системах, в частности, в локальных ВОЛС. Однако, и в настоящее время актуальной остается задача исследования физических процессов работы ЛВР, детального исследования их характеристик с целью улучшения их приборных параметров, исходя из требований конкретных новых применений. В частности, весьма актуальной является разработка лазеров с одномодовым режимом излучения, работающих на строго фиксированной длине волны; сверхминиатюрных лазеров с микроамперными пороговыми и рабочими токами, представляющих интерес для создания оптоэлектронных систем нового поколения, таких как системы параллельной передачи и обработки данных, миниатюрных атомных стандартов частоты.

Цель настоящей работы заключается в исследовании физических процессов, разработке конструкции и технологии изготовления полупроводниковых ЛВР на основе гетероструктур ОаА5/АЮаА$ с квантовыми ямами СаАз, ЛЮаАя, ТпАб, представляющих интерес для создания оптоэлектронных устройств нового поколения.

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

1. Проведение математического моделирования конфигурации электромагнитного поля в лазерных микрорезонаторах с использованием одномерной и трехмерной моделей. Исследование модового состава, параметров стабильности одномодового режима генерации. Разработка конструкции ЛВР на основе полученных результатов.

2. Отработка базовых элементов технологии вертикально излучающих лазеров с селективно окисленными апертурами и различными вариантами используемых зеркал. Изготовление экспериментальных образцов ЛВР.

3. Экспериментальное исследование и анализ модового состава ЛВР с ОаАБ КЯ.

4. Реализация и исследование JIBP с микроамперным пороговым током на базе гетероструктур с InGaAs КЯ.

5. Изготовление и исследование характеристик одномодовых J1BP для атомных стандартов частоты с длиной волны генерации 795 нм, соответствующей переходу 5Si/2—>5Pi/2 атомов 87Rb.

Научная новизна работы:

1. Экспериментально исследована и интерпретирована тонкая структура линий излучения основной моды в ЛВР спектрального диапазона 850 нм с GaAs квантовыми ямами.

2. Разработаны и исследованы ЛВР на основе одиночных Ino^Gao.sAs КЯ с высокодобротными микрорезонаторами, обеспечивающими сверхнизкие пороговые и рабочие токи излучателей.

3. Разработан и апробирован метод стабилизации поляризации лазерного излучения с использованием омического контакта асимметричной формы.

4. Разработаны и исследованы одномодовые ЛВР на основе Al0.07Ga0.93As КЯ с перестраиваемой длиной волны вблизи 795 нм, пригодные для использования в миниатюрных атомных стандартах частоты работающих на переходах 5S|/2—>5Рю атомов 87Rb.

Практическая значимость результатов заключается в следующем:

Разработаны экспериментальные образцы ЛВР с различными вариантами активных областей и

микрорезонаторов. Полученные решения могут быть использованы при создании ЛВР,

характеристики которых отвечают требованиям конкретным применений, таких как локальные

ВОЛС, атомные стандарты частоты.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

Положение 1

В ЛВР одновременная генерация близких по частоте фундаментальных мод с взаимно перпендикулярной поляризацией излучения, обусловлена встроенными электрическими полями на границах гетероструктуры, образующей ЛВР. Положение 2

При разработке одномодовых ЛВР с прецизионной длиной волны генерации необходимо учитывать уменьшение длины волны генерации ЛВР при уменьшении размера оксидной апертуры ЛВР. Положение 3

Микрорезонаторы на основе полупроводниковых и гибридных брэгговских зеркал GaAs/AlGaO с малыми оптическими потерями и высокой добротностью пригодны для создания сверхминиатюрных ЛВР с низкими пороговыми и рабочими токами на уровне десятков мкА.

Положение 4

Ассиметричная инжекция тока в брэгговский микрорезонатор ЛВР является эффективным способом стабилизации направления поляризации лазерного излучения.

Достоверность и надежность представленных в диссертационной работе результатов обеспечиваются применением современных методов исследования, воспроизводимостью результатов, совпадением экспериментальных и расчетных результатов, а так же реализацией на их основе действующих макетов ЛВР.

Личный вклад соискателя в диссертационную работу заключается в активном участии в постановке задач и определении способов их решения, проведении экспериментов, анализе и интерпретации полученных данных, проведении модельных расчетов. Автор участвовал в обсуждении полученных результатов, подготовке докладов и публикаций. Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на:

• Совещание: «Актуальные проблемы полупроводниковой фотоэлектроники», Новосибирск 2003, Россия;

• «VI Российская конференция по физике полупроводников», Санкт - Петербург 2003, Россия;

• «VI Всероссийская молодежная конференция по физике полупроводников и полупроводниковой опто - и наноэлектронике», Санкт - Петербург 2004, Россия;

• «6th International Siberian Workshop and Tutorial EDM'2005», Эрлагол 2005, Россия;

• «2nd International Conference on Advanced Optoelectronics and Lasers», Ялта 2005, Украина;

• «VII Российская конференция по физике полупроводников», Москва 2005, Россия;

• «7th International Siberian Workshop and Tutorial EDM'2006», Эрлагол 2006, Россия;

• «81Ь International Siberian Workshop and Tutorial EDM'2007», Эрлагол 2007, Россия;

• «10th International Siberian Workshop and Tutorial EDM'2009», Эрлагол 2009, Россия;

• «IX Конференция по физике полупроводников», Новосибирск 2009, Россия;

• «Нанофизика и Наноэлектроника, XIV международный симпозиум», Нижний Новгород 2010, Россия;

а также на научных семинарах лаборатории № 37 ИФП СО РАН.

Публикации. Основные результаты работы опубликованы в 17 печатных работах, в том числе 5 в научных статьях и 11 в материалах конференций, получен 1 патент РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения. Общий объем диссертации 148 страниц машинописного текста, в том числе 59 рисунков 4 таблиц и списока литературы из 72 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель работы, указана её научная новизна, изложены основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава носит обзорный характер в ней представлен литературный обзор современных работ, посвященных лазерам с вертикальным резонатором. Рассматривается принцип работы, основные особенности и достоинства ЛВР. Представлены конструкции современных ЛВР и характеристики данного типа излучателей. Отдельный параграф посвящен лазерам с низким пороговым током, приводятся литературные данные по достигнутым к настоящему времени минимальным значениям пороговых токов ЛВР. Рассматриваются конструктивные особенности излучателей с низким пороговым током. В заключительном параграфе данной главы описан миниатюрный атомный стандарт частоты на основе ЛВР. Описан принцип действия данного миниатюрного стандарта и его преимущества по сравнению с традиционно используемыми эталонами частоты, базирующимися на температурно-компенсированном кварцевом генераторе. Определяются основные требования, предъявляемые к ЛВР для миниатюрного атомного стандарта частоты. Основываясь на литературных данных [С9], выбрана оптимальная рабочая длина волны лазера с вертикальным резонатором, которая составляет 795 нм.

Вторая глава посвящена методам расчета характеристик лазерных микрорезонаторов с брэгговскими зеркалами.

В первом параграфе рассматривается одномерная модель расчета параметров ЛВР структур, основанная на использовании метода характеристических матриц [СЮ]. Данная модель применима для расчета распределения электромагнитного поля с учетом оптического поглощения в слоистых структурах с произвольным числом слоев, в том числе в полупроводниковых многослойных ЛВР структурах, а так же для расчета спектров отражения и пропускания, как полных лазерных Структур, так и её основных элементов.

Второй параграф посвящен рассмотрению расчета характеристик полной ЛВР структуры на основе трехмерной модели собственных мод (программный пакет САМРЯ [С11]). В этой модели полная лазерная структура разделяется на части с постоянным показателем преломления, в каждой из этих частей находятся собственные моды. Сшивка собственных мод каждого слоя на границе слоев производится с использованием граничных условий. Данная модель позволяет рассчитать модовый состав лазерного излучения и пороговое усиление для каждой моды.

В третьей главе описаны технологические процессы изготовления полупроводниковых лазеров с микрорезонаторами. Описаны методики, применявшиеся для изучения свойств гетероструктур и ЛВР на их основе: спектроскопии фотолюминесценции и оптического

отражения; методики исследования генерационных (спектральных, вольт-амперных, ватг-амперных) характеристик ЛВР, а также картин ближнего поля излучения лазерных диодов в широком диапазоне температур.

Четвертая глава посвящена исследованию лазеров с вертикальным резонатором на основе ОаЛз квантовых ям в качестве активной области. Конструкция этого типа лазеров близка к традиционной схеме, используемой в производстве коммерческих ЛВР для локальных ВОЛС с длиной волны 850 нм.

В первом параграфе проведен теоретический анализ модовых характеристик ЛВР с использованием одномерной и трехмерной моделей. При помощи одномерной модели произведен расчет распределения квадрата амплитуды электрического поля в лазерном микрорезонаторе, спектра отражения полной структуры ЛВР. С использованием трехмерной модели произведен расчет генерационной длины волны, порогового усиления для различных лазерных мод, а также параметров модовой стабильности для ЛВР с диаметрами апертур в диапазоне от 1 мкм до 10 мкм. Параметр модовой стабильности (МС) задается следующим соотношением

МС = 100% * в™°' ~ ,

СТЕМХ

где ОгеМ(ю пороговое усиление основной моды (ТЕМоо), ОГШо| пороговое усиление первой поперечной моды (ТЕМ01). Параметр модовой стабильности характеризует возможность генерации лазера в одномодовом режиме, чем больше параметр, тем больше вероятность. На (рис. 1) приведены результаты расчета зависимости МС от диаметра апертуры. Для больших апертур (> 6 мкм) МС составляет единицы процента, в то время как для апертур меньше 3 мкм МС превышает 100%, что обеспечивает одночастотный режим генерации. Полученные экспериментальные данные находятся в хорошем соответствии с результатами расчетов.

Многоиодовый

Диаметр оксидной алврт7ры, и

Рис. 1 Зависимость МБ от диаметра оксидной апертуры ЛВР

Рис. 2 Зависимость генерационной длины волны ЛВР от диаметра оксидной апертуры

■"10-поляризация 0°

-- 40- поляризация 90°

■ деполяризованное излечение

И 0,75

S

-0.75

-1.5

854 20

854 24 854 28 854 32

Длина волны. нм

3 0 3 2 34 3 6 3 0 4 0

Рис. 3 Спектр фундаментальной моды в различных направлениях в ЛВР с диаметром оксидной апертуры 10 мкм.

Рис. 4 Зонная диаграмма части лазерной структуры и рассчитанное внутреннее электрическое поле.

Во втором параграфе приведены результаты исследования основных генерационных характеристик ЛВР на основе GaAs квантовых ям: ватт-амперных зависимостей и спектральных характеристик лазерного излучения. Лазеры демонстрируют пороговый ток, варьирующийся в диапазоне от 0,5 мА до 2 мА и генерационную длину волны в диапазоне от 846 нм до 852 нм в зависимости от диаметра оксидной апертуры ЛВР. По мере уменьшения диаметра оксидной апертуры лазера происходит уменьшение объема моды, что приводит к увеличению частоты излучения лазера. На рисунке 2 точками показана экспериментальная, а сплошной линией теоретическая зависимости, видно, что результаты расчета хорошо согласуются с экспериментальными данными. Исследование спектральных характеристик ЛВР проводилось с разрешением -0,01 нм, благодаря чему была обнаружена тонкая структура линий излучения ЛВР. Данная структура проявляется в виде дублетов, триплетов или более сложной конфигурации пиков в зависимости от апертуры лазера и условий возбуждения, при этом величина расщепления фундаментальной моды составляет -0,03 нм (рис. 3) во всех исследованных лазерных структурах. В третьем параграфе рассматривается аналитическая модель появления тонкой структуры линий излучения ЛВР. Расчеты показывают, что расщепление между фундаментальной и первой поперечной модой для лазера с апертурой 10 мкм составляет -0,3 нм, и оно увеличивается по мере уменьшения размера апертуры ЛВР. Для лазера с апертурой 1 мкм величина расщепления составляет -10 нм. Это означает, что экспериментально обнаруженное расщепление основной моды равное 0,03 нм не может быть интерпретировано как расщепление между фундаментальной и первой поперечной модой. Причиной появления тонкого расщепления линий излучения ЛВР, по нашему мнению является наличие встроенного электрического поля на гетерограницах слоев входящих в состав лазера (рис. 4). Наличие этого поля приводит к электрооптическому эффекту,

который проявляется в незначительном изменении показателей преломления в ортогональных направлениях на гетерогранице слоев.

Пятая глава посвящена исследованию лазеров с вертикальным резонатором на основе 1пОаЛз квантовых ям в качестве активной области. Дизайн этого типа лазеров оптимизирован для достижения минимальных оптических потерь, высокой добротности микрорезонатора и работы при низких температурах (80 К).

В первом параграфе рассматриваются факторы, учет которых принципиален при конструировании ЛВР с высокой добротностью, работающего при низких температурах. Производится теоретическое рассмотрение лазерного микрорезонатора при помощи одномерной и трехмерной моделей. В результате проведенного анализа была выбрана конструкция ЛВР, обеспечивающая малые оптические потери и высокую добротность. Микрорезонатор лазера образован высокоэффективными низколегированными (выходное зеркало) и нелегированными (верхнее зеркало) распределенными брэгговскими отражателями (РБО), что значительно снижает оптические потери на поглощение свободными носителями заряда. С целью уменьшения оптических потерь все без исключения высоколегированные слои (контактные, апертурные, туннельные) располагаются в узлах стоячей волны, положение квантовой ямы совпадает с максимумом стоячей волны. Верхнее зеркало, образованное СаАя/А 1о,95Сао,о50* слоями и слоями ТЧ/Аи, характеризуется очень высоким коэффициентом отражения в широком спектральном диапазоне (700 — 1200 нм), в центре этого диапазона (вблизи рабочей длины волны ЛВР) расчетное значение коэффициента отражения зеркала составляет 0,9999. Выходное (нижнее) СаА5/Л1Аз зеркало также характеризуется высоким значением коэффициента отражения, на рабочей длине волны расчетное значение коэффициента отражения (полученное с учетом поглощения на свободных носителях заряда) составляет 0,9989. Расчетное значение добротности лазерного микрорезонатора составило Q = 2,4-104. При снижении температуры происходит увеличение коэффициента квантового усиления, а также происходит смещение в коротковолновую область положения максимума полосы квантового усиления и положения резонанса лазера. Максимум полосы усиления смещается за счет увеличения ширины запрещенной зоны ¡пваАБ материала, а положение резонанса ЛВР за счет уменьшения значений показателей преломления материалов, образующих лазерный резонатор.

Второй параграф содержит результаты измерений основных генерационных характеристик ЛВР на основе ¡пваАз квантовых ям. При снижении температуры до Т=80 К расчетные значения максимума полосы квантового усиления и резонансной длины волны лазера составляют 916 нм и 918 нм, соответственно. При Т=80 К генерационная длина волны экспериментальных образцов ЛВР составила 918 нм, что очень хорошо согласуется с расчетными значениями. Лазер с

О 25 50 75 100 125 150 175 200 I, мкА

Рис. 5. Ватт-амперная зависимость ЛВР оксидной апертурой 5 мкм при Т=77 К

диаметром оксидной апертуры 8 мкм при Т=80 К продемонстрировал пороговый ток /,й=30 мкА, плотность порогового тока при этом составила 7^=47 А/см2, а дифференциальная внешняя квантовая эффективность ЛВР г]е = 31%. Лазер с диаметром оксидной апертуры 5 мкм продемонстрировал сверхмалый пороговый ток /,/,=15 мкА (рис. 5), дифференциальная внешняя квантовая эффективность ЛВР г/е = 26%. Данный результат находится на уровне лучших мировых достижений.

В шестой главе приведены

результаты исследования полупроводниковых лазеров с вертикальным резонатором на основе АЮаАэ квантовых ям в качестве активной области. Конструкция данного лазера оптимизирована на работу в одномодовом режиме с длиной волны 795 нм, соответствующей переходу 581д—>5Рш атомов 87ЯЬ, что открывает перспективы его использования в миниатюрном атомном стандарте частоты нового поколения.

В первом параграфе при помощи одномерной и трехмерной моделей проведено моделирование конфигурации лазерного микрорезонатора, обеспечивающей одномодовый режим работы лазера. Конфигурация лазерного микрорезонатора включает в себя легированные полупроводниковые четвертьволновые зеркала, между которыми располагается активная область

шириной X, содержащая квантовые ямы, токовое и оптическое ограничение задается оксидной апертурой. Внутренний диаметр оксидной апертуры, при котором еще возможен одномодовый режим работы лазера, не превышает 5 мкм. С целью стабилизации направления поляризации излучения в лазере используется асимметричная инжекция тока, задающаяся специальной формой контакта к верхнему брэгговскому отражателю ЛВР (рис. б), которая в свою очередь задает градиент температуры и механических напряжений

Рис. 6 Контакт специальной формы к верхнему брэгговскому отражателю ЛВР.

вдоль направления [110]. Таким образом,

направления [110] и [ПО] не являются эквивалентными, следовательно, поляризация излучения должна быть ориентирована вдоль одного из них.

Во втором параграфе приведены результаты исследований одномодовых лазеров с вертикальным резонатором на основе AlGaAs квантовых ям. Исследования проводились на ЛВР с апертурами (А) в диапазоне от 2 до 8 мкм с шагом 1 мкм. Все исследованные ЛВР продемонстрировали генерационный режим работы при субмиллиамперном уровне токовой накачки Ith (от 100 до 800 мкА в зависимости от размера токовой апертуры). Выходная мощность ЛВР в исследованном диапазоне токов накачки составила не ниже 200 мкВт. Максимально достигнутое значение выходной мощности (-350 мкВт) исследованном диапазоне токов накачки получено на ЛВР с А=4 мкм. Квантовая эффективность изготовленных ЛВР составляет 0,3-0.4 мкВт/мкА. Исследована зависимость максимальной выходной мощности ЛВР в одномодовом режиме генерации от размера токовой апертуры. Показано, что одномодовая генерация во всем диапазоне рабочих токов наблюдается при сравнительно малых размерах токовой апертуры (А<5 мкм), а максимальная выходная оптическая мощность фундаментальной моды ограничена токовым саморазогревом полной лазерной структуры. Исследование спектральных характеристик показало, что лазеры с А<5 мкм демонстрируют устойчивый одномодовый режим генерации во всем исследованном диапазоне тока накачки (0 - 1,5 мА) (рис. 7), лазеры с А=6 мкм работают в одномодовом режиме лишь при небольшом превышении порогового тока, и наконец, лазеры с большей апертурой при любых уровнях накачки работают только в многомодовом режиме. Полученные экспериментальные данные находятся в хорошем соответствии с проведенными расчетами. Исследование генерационных характеристик одномодовых ЛВР показало, что подход в задании и стабилизации направления поляризации лазерного излучения с использованием асимметричной инжекции тока является эффективным. Поляризация излучения всех исследованных ЛВР, работающих в одномодовом режиме, стабильна и совпадает с кристаллографическим направлением [110].

В третьем параграфе рассматривается возможность точной подстройки длины волны лазерного излучения под резонанс 5Si/2—>5Р|/г атомов S7Rb. Длина волны излучения ЛВР должна составлять ~795 нм, при этом точная подстройка длины волны ЛВР под рабочий переход

Рис. 7 Спектр излучения ЛВР с А=4 мкм при I = 4 Ith Одномодовый режим генерации на длине волны 795.0 нм

Рис. 8 Температурные зависимости длины волны ТЕМоо моды при различных уровнях накачки.

99

93

02

I, мА

Of

1.0

1 2

581/2—>5Р]/2 атомов 87ЯЬ может осуществляться как путем изменения внешней температуры, так и за счет изменения уровня инжекции. Лазер при этом должен работать в одномодовом режиме. Исследования температурных зависимостей характеристик лазерного излучения при различных уровнях инжекции проводились только для лазеров с апертурой А=4 мкм, обеспечивающих одномодовый режим генерации во всем диапазоне рабочих температур (20 + 80 °С).

Влияние температуры на длину волны излучения ЛВР определяется двумя основными факторами. С повышением температуры возрастают значения показателей преломления полупроводниковых материалов, образующих микрорезонатор лазера. Рост температуры приводит, также, к расширению материалов, образующих лазерный микрорезонатор. Оба эти фактора приводят к увеличению резонансной длины волны брэгговского микрорезонатора. Таким образом, с ростом температуры происходит увеличение длины волны ЛВР (рис. 8). Температурный коэффициент изменения длины волны лазерного излучения составляет dA/dT= 0,059 нм/градус, что находится в хорошем соответствии с литературными данными [С2 - С4].

В заключении сформулированы основные результаты и выводы диссертационный работы, которые сводятся к следующему:

1. Проведено математическое моделирование конфигурации электромагнитного поля в лазерных микрорезонаторах с использованием одномерной и трехмерной моделей. На основе полученных данных разработаны конструкции ЛВР: (а) с высокодобротным микрорезонатором, обеспечивающим сверхмалые пороговые и рабочие токи лазера, (б) с длиной волны генерации 795 нм, отвечающей резонансу 5Sin—>5Pi/2 атомов 87Rb.

2. Экспериментально обнаружена и исследована тонкая структура линий излучения основной моды, обусловленная одновременной- генерацией близких по частоте фундаментальных мод с взаимно перпендикулярной поляризацией излучения. Данное расщепление связано с электрооптическим эффектом, обусловленным встроенными электрическими полями на границах гетероструктуры, образующей ЛВР.

3. Теоретически и экспериментально исследован эффект «синего» сдвига генерационной длины волны ЛВР с уменьшением размера оптической апертуры, который обусловлен уменьшением объема моды в латеральном направлении. Данный эффект необходимо

учитывать при разработке JIBP с прецизионной длиной волны генерации для атомных стандартов частоты.

4. Отработаны базовые элементы технологии ДВР, обеспечивающие задание генерационной длины волны с точностью лучше 1%.

5. На основе InGaAs КЯ и высокодобротных микрорезонаторов, содержащих полупроводниковые и гибридные РБО, реализованы сверхминиатюрные J1BP с пороговым током /,/,=15 мкА и плотностью порогового тока j,h=47 А/см2 (Т=80 К).

6. Показано, что асимметричная инжекция тока в лазерный микрорезонатор является эффективным способом стабилизации направления поляризации лазерного излучения.

7. Разработаны и реализованы J1BP с активной областью на основе AlGaAs КЯ с длиной волны генерации 795 нм, пригодные для использования в миниатюрных атомных стандартах частоты работающих на переходах 5Si/2—>5Р|/г атомов 87Rb. ЛВР с апертурой 4 мкм демонстрируют устойчивый одномодовый режим генерации, что находится в полном соответствии с теоретическими расчетами. Продемонстрирована максимальная выходная мощность одномодовой генерации в непрерывном режиме на уровне 350 мкВт с фактором подавления поперечных мод 30 дБ. Прецизионная подстройка частоты лазера под резонанс 5Si/2—>5Pi/2 атомов 87Rb может осуществляться путем изменения температуры, экспериментально определенный температурный коэффициент составляет dA/dT = 0,059 нм/градус.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

Al. Haisler V. A. Ultralow-threshold cryogenic vertical-cavity surface-emitting laser with AlAs oxide - GaAs distributed Bragg reflectors / V. A. Haisler, I.A. Derebezov, A. I. Toropov, A. K. Bakarov, O. R. Bajutova, A. K. Kalagin, M. M. Kachanova, N. B. Kuzmin, A. S. Medvedev and A. S. Suranov // Journal of Applied Physics - 2004. - Vol. 96 - P. 1289 - 1292.

A2. Гайслер B.A. Исследование генерационных характеристик лазеров с вертикальным резонатором на основе In0.2Ga0.8As квантовых ям / В.А. Гайслер, И.А. Деребезов, А.И. Торопов, А.К. Бакаров, O.P. Баютова, А.К. Калагин, М.М. Качалова, A.C. Медведева, Л.А. Ненашева, A.C. Суранов // Известия Академии Наук (Серия Физическая) - 2004. -Т. 68, № 18.-С. 18-20.

A3. Деребезов И.А. Одномодовые лазеры с вертикальным резонатором для миниатюрных атомных стандартов частоты / И.А. Деребезов, В.А. Гайслер, А.К. Бакаров, А.К. Калагин, А.И. Торопов, М.М. Качанова, Т.А. Гаврилова, A.C. Медведев, Л.А. Ненашева,

В.М. Шаяхметов, О.И. Семенова, К.В. Грачев, В.К. Сандырев, Д.Б. Третьяков, И.И Бетеров, В.М. Энтин, В.М. Энтин // Автометрия. - 2009. - Т. 45, № 4. - С. 95 - 102.

А4. Деребезов И.А. Одномодовые лазеры с вертикальным резонатором для миниатюрного атомного эталона частоты на основе атомов Rb87 / И.А. Деребезов, В.А. Гайслер, А.К. Бакаров, А.К. Калагин, А.И. Торопов, М.М. Качанова, Т.А. Гаврилова, О.И. Семенова, Д.Б. Третьяков, И.И Бетеров, В.М. Энтин, И.И. Рябцев // Физика и техника полупроводников. - 2010. - Т.44, №11. - С. 1470 - 1474.

А5. Гайслер В.А. Излучатели на основе полупроводниковых брэгговских микрорезонаторов» / В.А. Гайслер, И.А. Деребезов, А.И. Торопов, И.И. Рябцев // Автометрия. - 2011.-Т.47, №5.-С. 25-32.

А6. Патент на полезную модель № 91782 РФ. Лазер с вертикальным резонатором с длиной волны 795нм / Гайслер В.А., Деребезов И.А., Торопов А.И., Бакаров А.К. // Бюл. -2010,-№6.

А7. Гайслер В.А. Низкопороговые полупроводниковые лазеры с вертикальным резонатором на основе АЮ — GaAs брэгговских зеркал / В.А. Гайслер, И.А. Деребезов, А.И. Торопов, А.К. Бакаров, О.Р. Баютова, А.К. Калагин, М.М. Качалова, А.С. Медведева, Л.А. Ненашева, А.С. Суранов // Труды Совещания актуальные проблемы полупроводниковой фотоэлектроники Фотоника -2003 (Новосибирск, Россия, 28-31 августа 2003). С.45.

А8. Гайслер В.А. Низкопороговые полупроводниковые лазеры с вертикальным резонатором на основе InO.2GaO.8As квантовых ям / В.А. Гайслер, И.А. Деребезов, А.И. Торопов, А.К. Бакаров, О.Р. Баютова, А.К. Калагин, М.М. Качалова, А.С. Медведева, Л.А. Ненашева, А.С. Суранов II Труды VI Российской конференции по физике полупроводников (Санкт — Петербург, Россия, 27-31 октября 2003). С. 496.

А9. Гайслер В.А. Исследование генерационных характеристик лазеров с вертикальным резонатором на основе GaAs и InGaAs квантовых ям / В.А. Гайслер, И.А. Деребезов // Труды VI Всероссийской молодежной конференции по физике полупроводников и полупроводниковой опто - и наноэлектронике (Санкт - Петербург, Россия, 6-9 декабря 2004), С. 114.

АЮ. Haisler V.A. basing characteristics of vertical - cavity surface - emitting lasers based on GaAs and InGaAs quantum wells / V.A. Haisler, I.A. Derebezov // Proceedings of 6th International Siberian Workshop and Tutorial EDM-2005 (Erlagol, Russia, 1- 5 July 2005).- P. 30.

All. Haisler V.A. Mode characteristics of vertical-cavity surface-emitting lasers based on GaAs quantum wells / V.A. Haisler, I.A. Derebezov // Proceedings of 2nd International Conference

on Advanced Optoelectronics and Lasers (Yalta, Crimea, Ukraine, 12 -17 September 2005). -P. 237.

A12. Гайслер B.A. Исследование модовых характеристик микрорезонаторов на основе GaAs/AlGaAs и GaAs/AlO брэгговских зеркал / В.А. Гайслер, И.А. Деребезов // Труды VII Российской конференции по физике полупроводников (Москва, Россия, 18-23 сентября 2005). - С. 90.

А13. Derebezov I.A. Fine Structure of basing Modes Vertical Cavity Surface Emitting Laser Based on GaAs Quantum Well / LA. Derebezov // 7th International Siberian Workshop and Tutorial EDM - 2006 (Erlagol, Russia, 1- 5 July 2006). P. - 95.

A14. Derebezov I.A. Linear electro-optic effect in vertical-cavity surface emitting lasers based on GaAs quantum well / I.A. Derebezov // 8th International Siberian Workshop and Tutorial EDM - 2007 (Erlagol, Russia, 1-5 July 2007). P. - 115.

A15. Derebezov I.A. Single mode vertical cavity surface emitting laser for chip-scale atomic clock based on Rb87 / I.A. Derebezov, V.A. Haisler, A.K. Bakarov, A.I. Toropov, M.M. Kachanova, V.M. Entin, I.I. Ryabtsev // 10th International Siberian Workshop and Tutorial EDM - 2010 (Erlagol, Russia, 1- 5 July 2010). P. - 100.

A16. Деребезов И.А. Одномодовый лазер с вертикальным резонатором для миниатюрного атомного стандарта частоты / И.А. Деребезов, В.А. Гайслер, А.К. Бакаров, А.И. Торопов, М.М. Качанова, В.М. Энтин, И.И. Рябцев // Труды IX Конференции по физике полупроводников (Новосибирск - Томск, Россия, 28 сентября — 3 октября 2009). С. 301.

А17. Деребезов И.А. Лазер с вертикальным резонатором для миниатюрного атомного эталона частоты на основе Rb87 / И.А. Деребезов, В.А. Гайслер //Труды XIV международного симпозиума «Нанофизика и Нанофотоника» (Нижний Новгород, Россия, 15-19 марта 2009). С. 437.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

С1. Coldren L.A. Diode lasers and photonic integrated circuits / L.A. Coldren, and S.W. Corzine // New York, Wiley, 1995. - 594 p.

C2. J. Cheng Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers: Technology and Applications / Cheng J. and Dutta N.K. // Amsterdam, Gordon and Breach Science Publishers, 2000. - 323 p.

C3. Т.Е. Sale Vertical Cavity Surface Emitting Lasers / Sale Т.Е.// New York, Wiley , 1995. -312 p.

C4. C.W. Wilsmen Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers: Design, Fabrication, Characterization and Application / Wilsmen C.W., Temkin H. and Coldren L.// Cambridge University Press, 1999.-474 p.

С5. Н.Е. Li Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers Devices / Li H.E. and Iga K. // Berlin Heidelberg, Springer- Verlag, 2002. - 386 p.

Сб. H. Soda GalnAsP/InP surface emitting injection lasers / Soda H., Iga K., Kitahara C., Suematsu Y. // Jpn. Appl. Phys. - 1979. - Vol. 18. - P. 2329 - 2330.

C7. G.M. Yang Ultralow threshold current vertical-cavity surface-emitting lasers obtained with selective oxidation / Yang G.M., MacDougal M.H. and Dapkus P.D.// Electronics Letters. -1995. - Vol.3l.N.l 1. - P. 886-888.

C8. S. A. Blokhin Oxide-confined 850 nm VCSELs operating at bit rates up to 40 Gbit/s / Blokhin S. A., Lott J. A., Mutig A., Fiol G., Ledentsov N. N., Maximiv M. V., Nadtochiy A. M., Shchukin V. A., BimbergD. //Electronics Letters. -2009. - Vol.45.N.10. - P. 501 -503.

C9. M. Stàhler Coherent population trapping resonances in thermal 85Rb vapor: D1 versus D2 line excitation / Stahler M., Wynands R., Knappe S., Kitching J., Hollberg L., Taichenachev A., Yudin V. // Optics Letters - 2002 - Vol.27.N. 16. - P. 1472 - 1474.

CIO. M. Борн Основы оптики / Борн M., Вольф Э. // Издательство «Наука» главная редакция физико - математической литературы, Москва, 1973. - 720 с.

СП. P. Bienstman Rigorous and efficient modeling of wavelength scale photonic components / Bienstman P. // dissertation, Gent University, Faculty for information technologies, 2001. -213 p.

Подписано в печать 07.05.2013 г. Печать цифровая. Бумага офсетная. Формат 60x84/16. Усл. печ. л. 2 Тираж 100 экз. Заказ № 160.

Отпечатано в типографии «Срочная полиграфия» ИП Малыгин Алексей Михайлович 630090, Новосибирск, пр-т Академика Лаврентьева, 6/1, оф.104 Тел. (383) 217-43-46, 8-913-922-19-07

СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ ИНСТИТУТ ФИЗИКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВ им. А.В. РЖАНОВА

На правах рукописи

04?ГИ 1ЧЯ9І1

Деребезов Илья Александрович

ГЕНЕРАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛАЗЕРОВ С ВЕРТИКАЛЬНЫМ РЕЗОНАТОРОМ НА ОСНОВЕ ГЕТЕРОСТРУКТУР ІпСаАз-АЮаАз.

/ 01.04.10-Физика полупроводников

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: Доктор физико-математических наук

В.А. Гайслер

Новосибирск 2013

Список основных сокращений J1BP - лазер с вертикальным резонатором КЯ - квантовая яма КТ - квантовая точка

РБО - распределенный брэгговский отражатель

BOJIC — волоконно-оптические линии связи

МС - параметр модовой стабильности

ФШ - фотошаблон

ЛД - лазерный диод

CAMFR - СAvity Modelling Framework

А - диаметр оксидной апертуры

КПН — когерентное пленение населенностей

СЭМ - сканирующий электронный микроскоп

Содержание

Содержание З

Введение 5

Глава 1. Лазеры с вертикальным резонатором 11

1.1 Принцип работы и структура мод J1BP 11

1.2 Лазеры с низким порогом 19

1.3 Миниатюрный атомный стандарт частоты на основе ЛВР 20 Глава 2. Методы расчета характеристик микрорезонаторов 24

2.1. Модель характеристических матриц 24

2.2. Модель собственных мод 28 Глава 3. Экспериментальное оборудование и методики 34

3.1. Методики измерения характеристик ЛВР и тестовых образцов 34

3.2. Изготовление ЛВР 42 Глава 4. Исследование характеристик ЛВР с длиной волны генерации 850 нм

на основе GaAs квантовых ям 52

4.1. Дизайн структуры и расчет характеристик лазера с вертикальным резонатором на основе GaAs квантовых ям 52

4.2. Исследование генерационных характеристик ЛВР на основе

GaAs квантовых ям 60

4.3. Модель тонкой структуры линий излучения основной моды ЛВР 74 Глава 5. Разработка и исследование характеристик ЛВР

основе InGaAs квантовых ям 79

5.1. Разработка ЛВР с малыми оптическими потерями 79

5.2. Исследование спектральных и генерационных характеристик лазеров с

вертикальным резонатором на основе InGaAs квантовой ямы 90

Глава 6. Исследование характеристик ЛВР с длинной волны генерации 795 нм

на основе АЮаАэ квантовых ям 96

6.1. Миниатюрный атомный стандарт частоты на основе ЛВР 96

6.2. Оптимизация режимов роста ЛВР с целью получения резонансной

длины волны микрорезонатора с точностью ±1 нм 101

6.3. Исследование спектральных и генерационных характеристик

лазеров с вертикальным резонатором 108

6.4. Анализ температурных зависимостей длины волны лазерного излучения в диапазоне температур 20 -г- 80 ° С 123

Заключение 128

Список литературы 133

Приложение А. Структура ЛВР на основе ОаАэ квантовых ям 142

Приложение Б. Структура ЛВР на основе ІпЄаАз квантовых ям 144

Приложение В. Структура ЛВР на основе АЮаАэ квантовых ям 145

Приложение Д. Тестовая структура для образцов №1, №2, №3 147

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы

Полупроводниковые лазерные диоды (ЛД) традиционной полосковой конструкции в настоящее время активно и успешно используются для самого широкого спектра практических приложений: в лазерных принтерах, волоконно-оптических линиях связи (ВОЛС), оптических системах записи и хранения информации, оптических датчиках и сенсорах, устройствах накачки твердотельных лазеров, медицинской аппаратуре, контрольно-измерительной аппаратуре, оптических системах обработки информации [С1]. Однако традиционные полосковые лазеры обладают несколькими принципиальными недостатками, обусловленными их конструкцией, к числу которых можно отнести:

несимметричная диаграмма выходного излучения ЛД и её большая угловая расходимость, что приводит к малому коэффициенту ввода света в оптическое волокно;

высокая температурная нестабильность длины волны лазерного излучения (на уровне 0,35-0,4 нм/градус);

существенная температурная зависимость порогового тока ЛД;

невозможность тестирования приборных структур на подложке до их разделения

на индивидуальные кристаллы и монтажа на радиатор;

Все возрастающие требования, предъявляемые к современным лазерам, используемым в системах передачи, обработки и хранения информации, обуславливают необходимость преодоления недостатков традиционных полосковых ЛД, что делает актуальным разработку новых конструкций приборов. На данный момент одним из наиболее перспективных типов полупроводниковых лазеров, лишенных перечисленных выше недостатков, является инжекционный лазер с вертикальным резонатором (ЛВР) [С1 - С5]. Современные варианты конструкции ЛВР основаны на использовании вертикальных оптических высокодобротных микрорезонаторов с зеркалами в виде распределенных

брэгговских отражателей (РБО) [С1, С2]. При такой конструкции микрорезонатора оптическая волна распространяется в направлении, перпендикулярном к плоскости эпитаксиальных слоев, образующих лазерную структуру [С6], в качестве активной области в ЛВР используются квантово-размерные структуры, квантовые ямы (КЯ) или квантовые точки (КТ), помещаемые вблизи пучностей оптического поля микрорезонатора. Брэгговские отражатели обеспечивают эффективную локализацию электромагнитной волны в вертикальном направлении. Оксидные апертуры, получаемые с помощью селективного окисления слоев А1хОа1_хАз с высоким содержанием А1, задают эффективную локализацию электромагнитной волны в латеральном направлении. Оксидные апертуры обеспечивают также эффективное токовое ограничение. К числу основных преимуществ ЛВР по сравнению с традиционными инжекционными лазерами полосковой конструкции можно отнести:

малую угловую расходимость (единицы градусов) и симметричную диаграмму направленности выходного излучения ЛВР, обусловленную цилиндрической симметрией микрорезонатора;

существенно меньший объем микрорезонатора (единицы мкм), что задает экономичность работы данного типа лазерных излучателей (пороговые и рабочие токи единицы мА и меньше [С7]), а также обеспечивает высокое быстродействие излучателей (частота токовой модуляции достигает десятков ГГц [С8]); высокую температурную стабильность длины волны (на уровне 0,05 нм/градус); групповую технологию изготовления, обеспечивающую возможность тестирования ЛВР непосредственно на пластине без разделения на отдельные кристаллы.

В течение последних десяти лет ЛВР все шире используются в телекоммуникационных системах, в частности в локальных ВОЛС. Однако, и в настоящее время актуальной остается задача исследования физических процессов работы ЛВР, детального исследования их характеристик и улучшения их приборных параметров,

исходя из требований конкретных новых применений. В частности весьма актуальной является разработка лазеров с одномодовым режимом излучения, работающих на строго фиксированной длине волны, сверхминиатюрных лазеров с микроамперными пороговыми и рабочими токами, которые представляют интерес для создания оптоэлектронных систем нового поколения, таких как системы параллельной передачи и обработки данных, миниатюрных атомных стандартов частоты.

Цель настоящей работы заключается в исследовании физических процессов, разработки конструкции и технологии изготовления полупроводниковых JIBP на основе гетероструктур с квантовыми ямами GaAs, AlGaAs, InGaAs, представляющих интерес для создания оптоэлектронных устройств нового поколения.

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

1. Проведение математического моделирования конфигурации электромагнитного поля в лазерных микрорезонаторах с использованием одномерных и трехмерных моделей. Исследование модового состава, параметров стабильности одномодового режима генерации. Разработка конструкции JIBP на основе полученных результатов.

2. Отработка базовых элементов технологии вертикально излучающих лазеров с селективно окисленными апертурами и различными вариантами используемых зеркал. Изготовление экспериментальных образцов JIBP.

3. Экспериментальное исследование и анализ модового состава JIBP с GaAs КЯ.

4. Реализация и исследование JIBP с микроамперным пороговым током на базе гетероструктур с InGaAs КЯ.

5. Изготовление и исследование характеристик одномодовых ЛВР для атомных стандартов частоты с длиной волны генерации 795 нм, соответствующей переходу 5si/2-»5pi/2 атомов 87Rb.

Научная новизна работы:

1. Экспериментально исследована и интерпретирована тонкая структура линий излучения основной моды в JIBP спектрального диапазона 850 нм с GaAs квантовыми ямами.

2. Разработаны и исследованы J1BP на основе одиночных Ino^Gao^As КЯ с высокодобротными микрорезонаторами, обеспечивающими сверхнизкие пороговые и рабочие токи излучателей.

3. Разработан и апробирован метод стабилизации поляризации лазерного излучения с использованием омического контакта асимметричной формы.

4. Разработаны и исследованы одномодовые ДВР на основе Alo,o7Gao,93As КЯ с перестраиваемой длиной волны вблизи 795 нм, пригодные для использования в миниатюрных атомных стандартах частоты на основе переходов 5Si/2—»5Pm

о7

атомов Rb.

Практическая значимость результатов заключается в следующем:

Разработаны экспериментальные образцы JIBP с различными вариантами активных областей и микрорезонаторов. Полученные решения могут быть использованы при создании JIBP, характеристики которых отвечают требованиям конкретных применений, таких как локальные BOJIC, атомные стандарты частоты. Основные научные положения, выносимые на защиту:

Положение 1

В J1BP одновременная генерация близких по частоте фундаментальных мод с взаимно перпендикулярной поляризацией излучения, обусловлена встроенными электрическими полями на границах гетероструктуры, образующей J1BP. Положение 2

При разработке одномодовых J1BP с прецизионной длиной волны генерации необходимо учитывать уменьшение длины волны генерации JIBP при уменьшении размера оксидной апертуры JIBP.

Положение 3

Микрорезонаторы на основе полупроводниковых и гибридных брэгговских зеркал GaAs/AlGaO с малыми оптическими потерями и высокой добротностью пригодны для создания сверхминиатюрных JIBP с низкими пороговыми и рабочими токами на уровне десятков мкА. Положение 4

Ассиметричная инжекция тока в брэгговский микрорезонатор JTBP является эффективным способом стабилизации направления поляризации лазерного излучения.

Достоверность и надежность представленных в диссертационной работе результатов обеспечиваются применением современных методов исследований, воспроизводимостью результатов, совпадением экспериментальных и расчетных результатов и реализацией на их основе действующих макетов J1BP.

Личный вклад соискателя в диссертационную работу заключается в активном участии в постановке задач и определении способов их решения, проведении экспериментов, анализе и интерпретации полученных данных, проведении модельных расчетов. Автор участвовал в обсуждении полученных результатов, подготовке докладов и публикаций.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на:

• «Совещание актуальные проблемы полупроводниковой фотоэлектроники», Новосибирск 2003, Россия.

• «VI Российская конференция по физике полупроводников», Санкт - Петербург 2003, Россия

• «VI Всероссийская молодежная конференция по физике полупроводников и полупроводниковой опто - и наноэлектронике», Санкт - Петербург 2004, Россия

• «6th International Siberian Workshop and Tutorial EDM'2005», Эрлагол 2005, Россия

• «2nd International Conference on Advanced Optoelectronics and Lasers», Ялта 2005, Украина

• «VII Российская конференция по физике полупроводников», Москва 2005, Россия

• «7th International Siberian Workshop and Tutorial EDM'2006», Эрлагол 2006, Россия

• «8th International Siberian Workshop and Tutorial EDM'2007», Эрлагол 2007, Россия

• «10th International Siberian Workshop and Tutorial EDM'2009», Эрлагол 2009, Россия

• «IX Конференция по физике полупроводников», Новосибирск 2009, Россия

• «Нанофизика и Наноэлектроника, XIV международный симпозиум», Нижний Новгород 2010, Россия

а также на научных семинарах лаборатории № 37 ИФП СО РАН.

Публикации. Основные результаты работы опубликованы в 17 печатных работах, в том числе 5 в научных статьях и 11 в материалах конференций, получен 1 патент РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения изложенных на 148 страницах машинописного текста. Диссертация включает в себя 59 рисунков 4 таблицы и списка литературы из 77 наименований. Общий объем диссертации 148 страниц.

Глава.1. Лазеры с вертикальным резонатором.

§ 1.1. Принцип работы и структура мод JIBP

Принцип работы полупроводниковых J1BP тот же, что и у обычных полосковых полупроводниковых лазеров: в обоих типах лазеров используется резонатор Фабри-Перо и квантовое усиление в активной области достигается за счет инжекции и рекомбинации электронов и дырок. Принципиальное отличие этих лазеров заключается в способе формирования лазерного резонатора. Полупроводниковый полосковый лазер содержит резонатор Фабри-Перо, образованный двумя зеркалами, получаемыми путем скола полупроводниковой пластины вдоль кристаллографических направлений [110]. Таким образом, ось резонатора лежит в плоскости полупроводниковой пластины и излучение лазера также параллельно плоскости исходной пластины. В полупроводниковом JIBP резонатор Фабри-Перо образован двумя брэгговскими зеркалами (распределенными брэгговскими отражателями (РБО)), которые формируются в едином технологическом процессе роста лазерной структуры или же в пост-ростовых технологических процессах. Слои брэгговских зеркал расположены параллельно исходной подложке, а ось резонатора и направление излучения перпендикулярны (вертикальны) по отношению к плоскости полупроводниковой пластины, что и определяет название лазеров - лазер с вертикальным резонатором. В англоязычной литературе наиболее распространены два варианта названия лазеров данного типа: vertical-cavity surface-emitting laser или vertical-cavity laser, общепринятые аббревиатуры, соответственно: VCSEL или VCL [С1,С2,С5, С9 - СЮ ].

К настоящему времени разработано большое многообразие J1BP, в которых используются различные типы активных областей, различные варианты брэгговских зеркал, различные схемы инжекции носителей заряда в активную область [С1,С2,С5, С9 -СЮ]. Общая схема J1BP представлена на рис. 1.1.1. Два брэгговских зеркала образуют резонатор лазера. Эти брэгговские зеркала, как правило, образованы полупроводниковыми четвертьволновыми слоями с чередующимися показателями

преломления (например, Л/4 слоями ваАв и Л/4 слоями АЮаАБ). Зеркала могут состоять и из диэлектрических Л/4 слоев, они могут быть образованы и Л/4 чередующимися слоями полупроводник — диэлектрик (например, Л/4 слоями ОаАэ и Л/4 слоями АЮаО).

Между брэгговскими зеркалами лазера расположены полупроводниковые слои, содержащие активную область лазера. Активная область ЛВР содержит, как правило, одну или несколько полупроводниковых квантовых ям или один или несколько слоев полупроводниковых квантовых точек.

С целью достижения высокой внутренней квантовой эффективности, активные области не легируются. В случае, если в лазере используются полупроводниковые брэгговские зеркала, инжекция носителей заряда в активную область может осуществляться непосредственно через зеркала, для чего в одном из зеркал (как правило, верхнем) используется р-тш1 легирования , в другом (нижнем) - «-тип легирования, и в целом лазер представляет собой рч-п структуру. Если в лазере используются диэлектрические брэгговские зеркала, то в этом случае инжекция носителей заряда осуществляется «под зеркало» с использованием дополнительных контактных слоев. Такой вариант инжекции называется внутрирезонаторная инжекция.

Расстояние между брэгговскими зеркалами в ЛВР составляет обычно несколько Л/2, в лазерах (в частности, в коммерческих ЛВР), где осуществляется инжекция носителей заряда через полупроводниковые зеркала, расстояние между зеркалами обычно составляет Л. В лазерах с внутрирезонаторной инжекцией это расстояние приходится увеличивать до 2Л, 2.5Л,, ЗЛ... с той целью, чтобы добиться приемлемых значений омического сопротивления контактных слоев.

Для большинства лазеров, в том числе полосковых полупроводниковых лазеров, длина резонатора определяется как расстояние между зеркалами.

Брэгговское зеркало

А А. А.

і I I Излучение

11 I

Апертура

-*—Активная область

і і I

ЛІ Излучение

Брэгговское зеркало *

Подложка

Рис. 1.1.1 Общая схема лазера с вертикальным резонатором.

Для лазеров с вертикальным резонатором, где расстояние между зеркалами (несколько А/2), как правило, меньше толщины брэгговских зеркал, образующих резонатор, вводится понятие эффективной длины резонатора. Эффективная длина резонатора определяется как некоторый участок резонатора, в котором локализована большая часть энергии моды. За счет проникновения световой волны в зеркала, этот участок превышает расстояние между зеркалами, и эффективная длина резонатора