Перестраиваемые ИК-лазеры на основе InAs и его твердых растворов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ имени А.Ф. ИОФФЕ

На правах рукописи

РЕМЁННЫЙ МАКСИМ АНАТОЛЬЕВИЧ

ПЕРЕСТРАИВАЕМЫЕ ИК-ЛАЗЕРЫ НА ОСНОВЕ 1пА8 И ЕГО ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ.

(01.04.10 - Физика полупроводников и диэлектриков)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель кандидат физико-математических наук Зотова Нонна Вячеславовна

Санкт-Петербург 1008

ча-

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

Введение. 4 Елава 1. Принципы работы и основные свойства инжекционных лазеров.

Введение. 8

1.1. Достижения в создании полупроводниковых лазеров

инфракрасного диапазона. 8

1.2. Применение диодных лазеров излучающих в спектральной

области 3-ь4 мкм. 10

1.3. Оптическая модель. 11

1.4. Коэффициент усиления, пороговый ток и внутренние потери. 13

1.5. Излучательные характеристики лазеров.

1.5.1. Излучение в дальней зоне. 18

1.5.2. Спектры излучения. 20

1.5.3. Перестройка длины волны излучения. 21

1.5.4. Поляризация лазерного излучения. 22

1.6. Особенности п/п лазеров с квантово-размерными слоями. 24

1.7. Легирование активной области лазеров редкоземельными элементами. 26

1.8. Постановка задачи исследования. 26 Елава 2. Методика изготовления диодных лазеров

и измерения их характеристик.

2.1. Методика изготовления меза-полосковых лазеров. 28

2.2. Методики измерения фото-, электро- люминесценции и

токовой перестройки длины волны. 30

2.3. Методики измерения ватт-амперных и вольт-амперных характеристик. 34

2.4. Методика измерения температурной зависимости лазерных параметров. 35

2.5. Методика измерения диаграммы направленности излучения. 35

2.6. Методика измерения поляризации излучения. 35

2.7. Методики измерения и расчета коэффициента усиления. 36

2.8. Методика расчета энергетических параметров структур. 39 Глава 3. Исследование меза полосковых диодных лазеров на основе

ДГС 1пА58ЬР/1пОаА58Ь(Сс1) излучающих в диапазоне 3-3.6 мкм. 41

3.1. Исследование излучательных и пороговых характеристик лазеров.

3.1.1. Картина дальнего поля. 42

3.1.2. Спектры излучения. 48

3.1.3. Токовая перестройка длины волны. 49

3.1.4. Ширина лазерной линии. 51

3.1.5. Пороговый тока, длина волны генерации, внутренние потери. 57

3.1.6. Температурные зависимости лазерных параметров

и поляризация излучения. 60

3.2. Исследование влияния легирования ДГС гадолинием (Ос!)

на их свойства. 70

3.3. Вольт-амперные характеристики. 71 Глава 4. Механизмы излучательной рекомбинации и

внутренние параметры лазеров.

4.1. Расчет энергетической зонной диаграммы ДГС 1пАзБЬРЛпОаАзЗЬ. 75

4.2. Механизмы излучательной рекомбинации в ДГС МАзЗЬРЛпОаАзЗЬ. 76

4.3. Коэффициент усиления и внутренние потери. 81

4.4. Внутризонное поглощение и его влияние на параметры лазеров. 82 Глава 5. Опыты с использованием лазеров на основе ДГС Тп Оа А б 8Ь/ 1п Аб 8ЬР.

5.1. Спектры пропускания метана. 87

5.2. Влияние анти-отражающего покрытия на характеристики лазеров. 87

5.3. Опыты по работе лазера с обратной связью. 87 Заключение. 91 Литература. 96

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы.

Актуальность создания и исследования лазеров на основе твердых растворов ЬпАэ связана с тем, что в диапазоне длин волн Зч-4 мкм лежат полосы поглощения многих промышленных и природных газов. Наибольший интерес представляет спектроскопия метана (СЕЦ) и формальдегида (Н2СО), которые имеют в этом диапазоне наиболее сильные полосы поглощения. Кроме того, оптические потери в волокнах на основе халькогенидных и флюоритных стекол в этом спектральном диапазоне уменьшаются на порядок по сравнению с волокнами из кварца, что делает эти лазеры перспективными для применения в волоконно-оптических линиях связи.

Мйтсрййлы

на основе твердых растворов А В обладают лучшими теплопроводны ми и металлургически ми свойствами по сравнению с материалами А2В6 и А4В6, более доступными оказываются подложки хорошего качества. Приборы на их основе менее склонны к деградации. Поэтому, выбор твердых растворов А3В3, в частности твердых растворов 1пАб, для создания лазеров в этом спектральном диапазоне является, по-видимому, наиболее перспективным.

Для большинства спектроскопических применений необходимы стабильный одномодовый режим работы, перестройка длины волны излучения, желательны низкие пороговые токи. Особенностью зонной структуры 1пАя и близких к нему по составу твердых растворов является близость значений ширины запрещенной зоны и энергии спин-орбитального отщепления. Поэтому в лазерах во-первых, генерируемое излучение испытывает поглощение дырками, которые при этом возбуждаются в спин-орбитально отщепленную зону и во-вторых, имеет место сильная Оже-реко м б и на ц и я, определяющая температурную зависимость пороговых токов при Т>77 К. В связи с этим оказывается важным исследование механизмов потерь, необходимое для

создания низкопороговых лазеров. Другим перспективным путем улучшения лазерных параметров является исследование механизмов рекомбинации в гетероструктурах 2-го типа, в которых соответствующим выбором разрывов зон АЕС и ДЕу достигается подавление Оже-рекомбинации по сравнению с аналогичными структурами 1-го типа. Возможности жидкофазной эпитаксиальной технологии (ЖФЭ) в создании эффективных оптоэлектронных приборов, в том числе на основе твердых растворов А"В5, часто ограничиваются присутствием в расплаве остаточных примесей кремния, углерода и кислорода. В связи с этим представляют интерес работы, связанные с получением очистки полупроводниковых материалов при легировании их редкоземельными элементами УЬ, 0(1, 8е, Зт и др. Известно, что легирование редкоземельными элементами Од или УЬ приводит ряду улучшений и злу ч ате л ь н ы х и электрических свойств эпитаксиальных слоев А^В2, однако легирование активных областей лазеров не проводилось. Цель и задачи работы.

Целью работы являлось исследование ДГС 1пОаА88Ь/1пАз8ЬР для создания на их основе низкопороговых, одномодовых, перестраиваемых диодных лазеров, излучающих в диапазоне длин волн /„=3-^4 мкм.

Для достижения этой цели в диссертации были поставлены следующие задачи:

• исследование особенностей механизмов излучательной рекомбинации в лазерах с различными составами активной области и ограничивающих слоев.

• изучение механизмов внутренних потерь.

• исследование излучательных характеристик лазеров различной геометрии.

• исследование влияние легирования активной области редкоземельными элементами (Од) на излучательные характеристики лазеров.

Объекты и методики исследования.

Объектами исследования являлись лазеры меза-полосковой конструкции на основе ДГС 1пА81_х_у8ЬхРу/1п1.уОауА81_%у8Ь%у/1пА81_х_у8ЬхРу (0.05<х<0,1,

0.1.<у<0.18, \<0.1, \¥<0.1), полученных методом жидкофазной эпитаксии на подложках п-ЬАз (111)А (п=1-г2х1016 см"'). Толщины широкозонных слоев составляли 4-^6 мкм, активного слоя: с1=1ч-4 мкм. Лазеры имели глубокую мезо-полосковую конструкцию с шириной полоска \¥=10 и \у=20 мкм, длина резонатора составляла Г=100-к500 мкм.

Использовались методики измерения фото- и электролюминесценции, перестройки лазерной моды, поляризации излучения, ватт-амперных, вольт-амперных характеристик, диаграмм направленности, рентгеноструктурный анализ, расчетные методы.

Научная новизна.

1. Впервые получены и исследованы лазеры меза-полосковой конструкции на основе ДГС 1пСтаАя 8Ь/1 пА з 8Ь Р, выращенных на подложках п-ТпАк (111).

2. Впервые экспериментально оценены внутренние параметры лазеров на основе ДГС I пСт а А 5 8 Ь/Гп Аз 8 ЬР, излучающих в области 3-^4 мкм (внутренние потери и коэффициент внутризонного поглощения).

3. Впервые было выполнено и исследовано легирование активной области лазера редкоземельными элементами (Стс1).

Представляемые к защите научные положения.

1.В мезаполосковых лазерах на основе ДГС ХпОаАзЗЬ/ЬъА^ЬР (А,=3-ь4 мкм) поляризация излучения и температурная зависимость длины волны определяется типом гетероперехода, который определяет особенности механизма излучательной рекомбинации.

2. В мезаполосковых лазерах на основе ДГС МСаАзЗЬЛпАзЗЬР (7^=3-4 мкм) достижение максимальной рабочей температуры и максимальной выходной мощности ограничено внутризонным поглощением в валентной зоне.

3. Легирование активной области лазеров на основе ДГС ТпОаАвЗЬЛпАэЗЬР редкоземельными элементами (Оф приводит к уменьшению плотности порогового тока и увеличению максимальной выходной мощности.

Значение результатов.

Созданы одно мо до вые, перестраиваемые, низкопороговые лазеры на основе ДГС 1пСаАзБЬ/Тп А$8ЬР, излучающие в области л=3^-4 мкм, которые могут быть использованы в диодно-лазерной спектроскопии и газовом анализе.

Результаты изучения влияния легирования редкоземельными элементами активной области лазера на излучательные характеристики позволили получить лазеры с пороговыми токами в -3 раза меньшими и максимальными мощностями в 2-4 раза большими, по сравнению с лазерами с нелегированными активными областями.

Развитие представлений об излучательной рекомбинации в лазерах с ГГТ разного типа позволило понять наблюдаемые особенности излучательных характеристик.

Результаты исследования внутренних потерь показывают возможность улучшения лазерных характеристик (уменьшения порогового тока, увеличения дифференциальной квантовой эффективности за счет уменьшения внутризонного поглощения на пороге генерации, и увеличения скорости токовой перестройки в лазерах с короткими резонаторами).

Данная работа выполнена в лаборатории инфракрасной оптоэлектроники (зав. лаб.-доктор физ.-мат. наук Ю.П. Яковлев).

Технология получения ДГС разработана Н.М. Стусем, Г.Н. Талагтакиным и Б.А. Матвеевым, технология формирования меза-полосков разработана Н.Д. Ильинской.

Глава 1. Принципы работы и основные свойства инжекционных ДГС лазеров.

Введение,

Одним из наиболее ярких достижений физики полупроводников является создание полупроводниковых лазеров. Ключевой вклад в развитие этой области полупроводников был сделан Ж.И. Алферовым с сотрудниками. В настоящее время полупроводниковые лазеры находятся в периоде их массового применения. Их преимущества в быстродействии, компактности, экономичности реализуются в спектроскопической диагностике газовых сред, контроле атмосферных загрязнений, волоконно-оптических линиях связи и т.д. [1,2,3,4,5,6,7]. Исследованию полупроводниковых лазеров посвящен ряд монографий [8,9,10,11]. Физика п/п лазеров продолжает обогащаться новыми направлениями и идеями. Большое значение имеют такие аспекты как квантоворазмерные эффекты [12] и нелинейная оптика полупроводниковых активных сред [13].

В данной главе рассматриваются основные понятия физики полупроводниковых лазеров, которым в работе уделено наибольшее внимание, и параметры существующих лазеров с которыми в дальнейшем будут производится сравнения.

1.1 Достижения в создании полупроводниковых лазеров среднего ИК диапазона.

Со времени создания первых полупроводниковых диодных лазеров излучающих в области 3 мкм прошло более 30 лет [14]. С того времени усилия исследователей были направлены на улучшение параметров лазеров (рабочих температур, выходной мощности, пороговых токов и т.д.) для их широкого применения [15]. Лазеры на основе солей свинца (IV-VI) излучающие в диапазоне длин волн больше 3 мкм комерчески доступны уже в течении ряда

лет. Эти лазеры работают в импульсном режиме до 290 К [16] и в непрерывном до 223 К [17]. Однако данные лазеры являются маломощными из-за низкой теплопроводности твердых растворов IV-VI и их склонности к деградации. Для узкозонных полупроводников II-VI, таких как ЩСс1Те приводятся сообщения о диодных лазерах излучающих до 90 К на 2.86 мкм. Материалы на основе твердых растворов ТТТ-Л^ обладают лучшими теплопроводными и металургическими свойствами, кроме того более доступными являются подложки хорошего качества. Поэтому разработка лазеров на основе п/п III-V является, по-видимому, наиболее перспективной.

В лазерах на основе материалов ПТ-У и структур 1 -го типа был достигну определенный успех [18,19,20,21,22,23], а в диапазоне длин волн <2.8 мкм был реализован режим работы при комнатной температуре [24]. В районе 3 мкм максимальная рабочая температура диодного лазра сообщается в работе [25]. Здесь, лазер на основе сверхрешетки 2-го типа ЬтА^ЯпОаЗЬ имел максимальную рабочую температуру 255 К (Х=3.2 мкм). Считается, что работа лазеров с длиной волны >3 мкм ограничена со стороны больших темератур безызлучательной Оже-рекомбинацией. Расчеты предсказывают [26,27], что в структурах 2-го типа возможно значительное подавление Оже-рекомбинации по сравнению с аналогичыми структурами 1-го типа. Исследованию лазерных структур 2-го типа посвящен ряд работ [28,29,30]. В частности, в работе [31] сообщается о создании лазера с оптической накачкой на основе структуры квантовых ям 2-го типа ХпАз-МОаАз-ЪтАз-АШЬ. Лазер имел следующие параметры: Максимальная рабочая температура 300 К, характеристическая температура Т(,=61.6 К, диапазон длин волн 3.84-й.48 (Т=50ч-300 К, импульсный режим т=650 не, /=2 кГц), поглощаемая пороговая мощность 0.7 мВт (220 К) и 2.7 мВт (300 К). При работе в непрерывном режиме дифференциальная квантовая эффективность составила 54 % с двух граней.

Хотя наибольшее внимание получают исследования "современных" направлений физики полупроводниковых лазеров, такие как исследование лазеров с пониженной размерностью (лазеры на сверхрешетках, квантовых точках), квантово-каскадные, вертикальные (УСБЕЬз) и др., неослабевает интерес и к традиционному направлению - лазерам на основе двойных гетероструктур [32,33,34]. Для ДГС лазеров излучающих в области 3-^4 мкм на основе соединений Ш-У сообщаются следующие параметры [35]. Лазер, на основе ДГС 1пА88Ь/1пАз8ЬР, выращенной жидко-фазной эпитаксией, излучал на Х=ЗЛ мкм, работал в непрерывном режиме в интервале температур 77-г110 К, имел пороговый ток 1&=25 мА (77 К), характеристическую температуру То=25 К, максимальную выходную мощность до 1.2 мВт/с грани. Лазер работал в одномодовом режиме в интервале токов 90-ь 180 мА и имел токовую перестройку -1.2 см"1, при скорости перестройки 0.032 см~'/мА.

Как писалось выше, одним из перспективных путей повышения рабочей температуры лазеров является использование гетероструктур 2-го рода, в которых соответствующим выбором разрывов зон АЕС и АЕУ достигается подавление Оже-рекомбинации. В работе [36] было показано, что в системе ЬтАзЯпАзЗЬР в спектральной области около 3 мкм (77 К) в зависмости от состава наблюдается переход от структуры 1 -го типа к структуре 2-го типа, а в [37] сообщается о достижении рабочей температуры 203 К в лазере на основе ДГС ЬъАзЗЬЛпАзЗЬР, в которой на ГП 2-го типа для разрывов зон ДЕС=15 мэВ и ДЕу=52 мэВ выполнялось соотношение ДЕ./ЛЕС~3 .4,

1.2. Применение диодных лазеров излучающих в спектральной области 3^4 мкм.

Свойством диодных лазеров, является возможность плавной перестройки длины волны излучения внешними воздействиями, такими как ток инжекции, температура, давление. Поэтому, как только в середине 60-х годов были

созданы первые перестраиваемые диодные лазеры, они сразу нашли применение в качестве перестраиваемых источников излучения для спектроскопии высокого разрешения (TDLAS). В диапазоне длин волн 3-4 мкм лежат полосы поглощения HCN (2.997 мкм), С2Н2 (3.067 мкм), СНзСЛ (3.289 мкм), СН4 (3.26 мкм), HCl (3.396 мкм), Н2СО (3.596 мкм) и т.д.. Наибольший интерес представляет спектроскопия метана (СН4) и Н2СО, полосы поглощения которых наиболее сильные в этом спектральном диапазоне. В работах [38,39] сообщается об использовании лазеров на основе ДГС InAsSb/InAsSbP для спектроскопии метана и формальдегида, а в работе [40] лазер на основе ДГС InGaAsSb/InAsSbP используется как источник излучения в газовом сенсоре для регистрации метана. Для большинства спектроскопических применений необходим одномодовый режим работы лазера и перестройка длины волны излучения в определенном интервале токов. Выполнение этого требования является возможным путем тщательной селекции образцов или использованием внешнего резонатора, поскольку типичным для данных лазеров является

JL i Г— .. . А

многомодовый режим работы. Выше сообщалось об одномодовом режиме и токовой перестройке лазера на основе ДГС InAsSb/InAsSbP. Применение дифракционной решетки в качестве внешнего резонатора позволило получить плавную перестройку длины волны -10 см"1 и одномодовый режим с выходной мощностью 3 Вт в лазере на основе GaAs [41]. К сожалению, подобных экспериментов с лазерами в диапазоне 3-г4 мкм ранее проведено не было.

1.3. Оптическая модель.

Описание оптических полей и процесс распространения волн в гетероструктурах обычно дается на основе представления лазера как диэлектрического волновода [42], которому мы будем следовать в дальнейшем. Чтобы в трехслойном волноводе волна распространялась главным образом в центральном слое, он должен иметь диэлектрическую проницаемость, более

высокую, чем диэлектрические проницаемости наружных слоев. В ДГС лазерах разница в диэлектрических прон