Полупроводниковые лазеры среднего инфракрасного диапазона, работающие на модах шепчущей галереи

Кислякова, Анна Юрьевна

Полупроводниковые лазеры среднего инфракрасного диапазона, работающие на модах шепчущей галереи тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

Кислякова, Анна Юрьевна АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Санкт-Петербург МЕСТО ЗАЩИТЫ

2008 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.10 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Полупроводниковые лазеры среднего инфракрасного диапазона, работающие на модах шепчущей галереи»

Автореферат диссертации на тему "Полупроводниковые лазеры среднего инфракрасного диапазона, работающие на модах шепчущей галереи"

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

КИСЛЯКОВА Анна Юрьевна

Полупроводниковые лазеры среднего инфракрасного диапазона, работающие на модах шепчущей галереи

/01.04.10- физика полупроводников/

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург 2008

003458178

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

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор

Никита Сергеевич Аверкиев

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

старший научный сотрудник Сергей Юрьевич Вербин

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Григорий Семенович Соколовский

Ведущая организация: Институт Аналитического приборостроения РАН

Защита состоится «.<....»

Шск 2008 г. в часов на заседании совета Д 212.232.33 по защите докторских и кандидатских диссертаций при Санкт-Петербургском государственном университете по адресу: 198504, Санкт-Петербург, Пстродворец, ул. Ульяновская, 1, НИИФ СПбГУ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного университета.

Автореферат разослан «.'...

М 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета проф., д.ф.-м.н.

Лезов А.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИС ТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Возрастающий в последнее десятилетие интерес к генерации лазерного излучения в среднем инфракрасном (ИК) диапазоне требует разработки лазеров нового типа для спектрального интервала 2-5 мкм. В данных границах находятся характеристические линии поглощения значительного числа летучих органических веществ, промышленных и природных газов, таких как метан, ацетилен, аммиак, ацетон, окислы азота и ссры, углекислый газ и многие другие. Наиболее высока потребность детектирования различных органических и неорганических веществ в условиях обычной температуры производственных помещений. В связи с этим актуальны научные исследования и разработка новых конструкций лазеров для среднего ИК диапазона, которые могут работать при температурах, приближающихся к комнатной.

Однако, до настоящего времени так и не создан лазер среднего ИК диапазона, работающий при температуре 300 К, малогабаритный и пригодный для массового производства. Это связано с тем, что уровень оптических потерь, обусловленных оже-процессами в этом спектральном диапазоне, довольно высок. Одним из способов обойти эту проблему является увеличение добротности резонатора, что, например, используется в поверхностно-излучающих лазерах с вертикальным резонатором (УСЗВЬ- англ.). Но их основным недостатком, таким же, как и у разработанных к настоящему времени квантово-каскадных лазеров ((^(Х- англ.), является сложность изготовления таких приборов. Для решения проблемы высоких оптических потерь необходимы комплексные, теоретические и экспериментальные научные исследования, являющиеся основой новых физических и технологических подходов к разработке и созданию лазеров среднего ИК диапазона.

Перспективным является исследование и разработка конструкции лазера с кольцевым резонатором в виде диска, рабочая мода которого получила название «мода шепчущей галереи», а тип лазерного устройства - лазер, работающий на модах шепчущей галереи. Схематическое изображение дискового лазера приведено на рис. 1. В отличие от по-лосковых лазеров, в дисковых волна распространяется по периметру круглой мезы в узкой активной области (толщина активной области- 0,5 мкм). Общая высота мезы без учета подложки составляет 5-8 мкм. Излучение выходит из резонатора за счет неоднородностей поверхности. Дисковые лазеры, работающие на модах шепчущей галереи, являются устройствами с существенно более высокой добротностью по сравнению с обычиыми полос-ковыми лазерами среднего ИК диапазона. Следовательно, существует потенциальная возможность разработки лазера для среднего ИК диапазона, работающего при температу-

ре, близкой к комнатной, отличающегося от традиционно используемых полосковых лазеров конструктивным устройством - дисковым резонатором.

Рис. 1 Схематическое изображение дискового лазера, 1,- кольцевой контакт, 2., 4,-эмигтерные слои двойной гетероструктуры (высота каждого слоя около 3 мкм), 3.- активная область (высота 0,5-0,7 мкм), 4,- подложка.

Цель диссертационной работы - создание и комплексное исследование лазеров, работающих на модах шепчущей галереи, излучающих в среднем ИК диапазоне. Основные задачи:

1) С применением методов математического моделирования механизмов генерации ИК излучения, провести теоретический анализ взаимосвязей между оптическими, электрофизическими и конструктивными характеристиками лазеров, работающих на модах шепчущей галереи.

2) Разработать конструкцию и технологию изготовления дисковых лазеров, излучающих в среднем ИК диапазоне.

3) На основе комплексного исследования выяснить особенности оптических, электрофизических, температурных характеристик лазеров, работающих на модах шепчущей галереи, различающихся конструктивными параметрами.

Научная новизна и практическая значимость работы.

Научные выводы диссертации и результаты теоретического исследования вносят существенный вклад в понимание механизмов генерации лазерного излучения в лазерах, работающих на модах шепчущей галереи, зависимости пространственного распределения

плотности тока от размера мезы и расположения контакта. Это позволяет значительно облегчить и ускорить разработку модификаций таких лазеров.

На основе комплексного теоретического и экспериментального исследования выработаны оптимальные конструктивные требования (круглая меза диаметром от 75 до 400 мкм, расположение кольцевого контакта шириной 30 мкм на верхней плоскости мезы) и технологические требования (двойные гетероструктуры ТпАвЛпАзБЬР, электрохимическое травление) и изготовлены серии опытных образцов лазеров, работающих на модах шепчущей галереи, излучающих на длинах волн 2 и 3 мкм. Получены опытные образцы дисковых лазеров, излучающих в среднем ИК диапазоне при комнатной температуре.

Разработанные лазеры отличаются относительно простой конструкцией, существует доступная технология их изготовления. Это служит основой для практического их применения в промышленном, технологическом, экологическом контроле и медицинской диагностике.

Научные положения, выносимые па защиту:

1. В дисковых лазерах с активной областью на основе двойных гетероструктур ¡пАзЛпАбЭЬР происходит генерация ИК излучения на длинах волн около 3 мкм в режиме мод шепчущей галереи, что подтверждается расчетами меж-модового расстояния и распределением электрического тока, зависящими от диаметра структуры.

2. Дисковые лазеры среднего ИК диапазона с активной областью на основе 1пА5/1пАз8ЬР, работающие на модах шепчущей галереи, обладают значительно более низкими пороговыми токами за счет высокой добротности цилиндрических резонаторов и более широким диапазоном рабочих токов по сравнению с полупроводниковыми лазерами среднего ИК диапазона с резонатором Фабри-Перо (вплоть до стократного превышения значения порогового тока).

3. В дисковых лазерах диаметром 200 мкм на основе кванговоразмерных гетероструктур Оа1пАз5Ь/АЮаА58Ь, созданных методом молекулярно-пучковой эпитаксии, достигается генерация ИК излучения в режиме мод шепчущей галереи на длине волны 2 мкм при комнатной температуре.

Апробация работы.

Результаты работы докладывались на семинарах Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе РАН, па Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов (Россия, Санкт-Петербург, 2004), Международной школе-

семинаре по фундаментальной физике для молодых ученых «Квантовые измерения и физика мезоскопических систем» (Россия, Владимир-Суздаль, 2005), на XVI Уральской международной зимней школе по физике полупроводников (Россия, Екатеринбург, 2006), на Международном симпозиуме по квантовой теории и симметрии (Испания, Ваньядолид, 2006), Международной зимней школе по физике полупроводников (Россия, Санкт-Петербург, 2007), Международной школе «2nd International School on Nanophotonics» (Италия, Маратея, 2007), на 9-ой Международной конференции «Mid-Infrared Optoelectronics: Materials and Devices» (MIOMD-IX, Германия, Оренбург, 2008).

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 11 научных работ, из них 4 - в реферируемых журналах. Список работ приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из Введения, четырех глав и Заключения. Она содержит 116 страниц, в том числе 86 страниц основного текста, 30 рисунков, список литературы, включающий 59 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель и задачи исследования, научная новизна и практическая значимость результатов выполненной работы, перечислены научные положения, выносимые на защиту.

Первая глава представляет собой обзор современных представлений о свойствах лазерного излучения и механизмах его генерации. Представлена сравнительная характеристика известных типов и конструкций полупроводниковых лазеров. Наиболее широко применяемыми и изученными вариантами конструкций лазеров среднего ИК диапазона являются квантово-каскадные лазеры и поверхностно-излучающие лазеры с вертикальным резонатором. Активной областью таких лазеров обычно является узкозонный полупроводник с характерной шириной запрещенной зоны 0,3- 0,4 эВ. Известно, что в таких полупроводниках, по сравнению с более широкозонными, наблюдаются интенсивные процессы безызлучательной рекомбинации, в первую очередь оже-процессы. Для преодоления возникающих при этом оптических потерь обычно используют увеличение коэффициента усиления (в квантово-каскадных лазерах), либо повышение добротности оптического резонатора (в поверхностно-излучающих лазерах с вертикальным резонатором).

Для структур с дисковым резонатором получено значение однопроходного коэффициента усиления, равное 1,4 на оптической длине 100 мкм. Такое значение не достаточно для перехода традиционных полосковых лазеров с длиной резонатора 100 мкм в

режим генерации при комнатной температуре. Таким образом, чрезвычайно актуальной является задача повышения добротности резонатора, которая может быть решена за счет использования дискового резонатора.

В этой главе рассматривается роль оптического резонатора и одна из основных его характеристик - добротность. Описываются теоретические основы используемых способов создания инверсной заселенности в полупроводниках, а также основные электрические свойства полупроводникового лазера. Обзор литературных материалов завершается оценкой достоинств и недостатков существующих полупроводниковых лазеров, предлагаются возможные пути их совершенствования.

Во второй главе описываются результаты теоретического анализа структур с дисковым резонатором с применением методов математического моделирования механизмов генерации ИК излучения. Основная цель теоретических исследований заключалась в выяснении оптимальных параметров конструкции и требований к технологии изготовления лазерных структур, излучающих на модах шепчущей галереи в среднем ИК диапазоне.

Для идентификации принадлежности лазерного излучения к излучению на модах шепчущей галереи важнейшей характеристикой оптического излучения лазера является расстояние между спектральными линиями (модами). Межмодовое расстояние можно оценить исходя из следующих простых соображений. Рассмотрим замкнутый луч, отражающийся от стенок по законам геометрической оптики. Длина этого луча должна быть кратна длине волны излучения в веществе. Если отражений много, то длина луча примерно равна длине окружности резонатора, откуда

2 лКп

2яКп=Лт „ Л =--п)

где Я- радиус резонатора, п- коэффициент преломления, т- целое число длин волн, Х- длина волны излучения. Тогда межмодовое расстояние определяется следующей разностью:

_ 2яЯп 2лКп Л2

^мшг ~ ~Т ~ ~ 0 , при т»1. (2)

т т +1 2 7гк п * v '

Для диска диаметром 200 мкм, длина волны 2-3 мкм и показатель преломления п=3, значение т оказывается порядка нескольких со1ен.

Для оценки межмодового расстояния в случае радиальной моды (лазер Фабри-Перо), распространяющейся вдоль диаметра, напишем условие, аналогичное условию (1):

2 / п = Л т (3)

где 1- диаметр окружности, т- целое число длин волн, укладывающееся в длину /.

Выражая и через т и т+1, учитывая, что т» I и 1= 2К получим для радиальной моды:

Уравнение (4) аналогично уравнению (2) для моды шепчущей галереи, однако, сравнивая полученные значения видно, что межмодовое расстояние в случае радиальной моды превосходит значение межмодового расстояния лазера, работающего на модах шепчущей галереи.

Совпадение полученного экспериментально межмодового расстояния с его теоретическими оценкам по формулам (2) и (4) может показать, является ли рабочей модой ди-кового лазера мода шепчущей галереи. Значения межмодового расстояния, вычисленные по формуле (2), впоследствии достаточно хорошо подтвердились экспериментальными результатами, приведенными в четвертой главе диссертационной работы. Это показывает, что рабочей модой прибора действительно является мода шепчущей галереи.

Точный теоретический анализ модовой структуры может быть выполнен на основе теории диэлектрических волноводов. Для цилиндрического волновода с резкими границами показателя преломления можно получить точные решения уравнений Максвелла. При подстановке в них параметров, близких к реальным, получаем, что положения мод определяются корнями следующих уравнений:

^(аЯ)=0, (5)

где Зт - функция Бесселя первого рода, т - индекс функции Бесселя, Л - радиус

структуры. Параметр а определяется как а ~ п , 0)т - частота излучения, у -номер

корня функции Бесселя с индексом т, п- коэффициент преломления, с- скорость света.

Тогда для резонансной длины волны получаем решение уравнения (5): д, _ 2тгЯ П

Поле, распределение которого описывается функцией Бесселя с большими значениями параметра т, оказывается сосредоточено вблизи границ цилиндра. Модам шепчущей галереи соответствуют именно случаи большого значения индекса функции Бесселя т п 10. Тогда корень функции Бесселя х'т приблизительно равен индексу т. Длина волны в этом случае определяется уравнением (1).

Воспользовавшись асимптотическим выражением для корней функции Бесселя с большим значением индекса т и выразив т через А, получаем уравнение, аналогичное полученному выше уравнению (2).

Интенсивность и спектральные характеристики лазерног о излучения определяются особенностями электрофизических процессов, протекающих в лазерах. Важной особенностью структуры с дисковым резонатором является неравномерное распределение плотности тока в ней. В связи с этим в настоящей работе разработана и исследована трехмерная математическая модель распределения плотности тока в структурах с дисковым резонатором, имеющих различные размеры и конструктивные особенности. Для расчета распределения тока необходимо решить уравнения неразрывности для стационарного случая:

с граничными условиями равенства нулю нормальной компоненты плотности тока на границе образца и:

где а- проводимость, различная для различных областей, I- полный ток проходящий

через прибор, /„- плотность тока, 5- площадь сечения. Интегрирование ведется по любому

срезу, рассекающему образец на две части, и проходящему параллельно контактам.

В качестве параметров выбирались толщины слоев и подложки, значения их прово-димостей, размер и положение контакта.

Результаты расчетов показывают, что у исследованных конструкций лазеров, отличающихся по диаметру мезы и расположению контакта, мода шепчущей галереи располагается по периметру дисковой структуры в узкой кольцевой области, ширина которой составляет около 5-10-ти длин волн в материале активной области. Типичный вид рассчитанного ради&чьного распределения плотности тока в поперечном сечении образца приведен на рис.2. Согласно результатам расчетов, распределение плотности тока существенно неоднородно и достигает своих максимальных значений как раз там, где локализована мода шепчущей галереи.

В результате проведенного теоретического исследования выяснено, что наиболее значимой особенностью структур с дисковым резонатором является неоднородное распределение плотности тока. В связи с эгим был рассмотрен вариант конструкции лазера с кольцевым контактом, располагающимся на верхней плоскости мезы. Проведен числен-

(7)

ЗП

(8)

ный анализ влияния положения кольцевого контакта относительно края мезы и диаметра круглой мезы на характер протекания тока через структуру.

ПЛОТНОСТЬ

тока, отн.ед.

А 0.8"

0.4"

край ^ Мезы

0.2--

100

радиус мезы, мкм

Рис.2. Распределение плотности тока и распределение интенсивности моды шепчущей галереи в дисковом лазере.

Теоретически выработаны оптимальные требования к конструктивным характеристикам мезы и контакта. Сущность этих требований заключается в следующем: ширина контакта должна составлять около 30 мкм, положение контакта на верхней плоскости мезы должно удовлетворять требованию удаленности от края мезы на 10 мкм.

Полученные результаты использованы при разработке технологии изготовления опытных образцов лазеров, работающих на модах шепчущей галереи.

Третья глава посвящена описанию методики экспериментальных исследований дисковых лазеров различных конструкций. В данной главе содержатся также сведения о новых методиках, конструктивных решениях, использованных при изготовлении опытных образцов лазеров, а также описание измерительной установки, применявшейся для изучения спектральных характеристик лазеров.

В работе выработана оптимальная технология изготовления лазеров с требуемыми характеристиками, процесс создания которых состоит из следующих основных частей: рост лазерной гетероструктуры, изготовление круглой мезы на этой структуре, нанесение контактов и монтаж лазера.

Наиболее полные результаты получены для лазерных гетсроструктур с активной областью на основе ¡пАвЛпАзЗЬР, выращенных методом газофазной эпитаксии из метал-лоорганических соединений в Физико-техническом институте им А.Ф.Иоффе РАН. Толщина активной области такой двойной гетероструктуры составом 1пАз составляла порядка 0,5 мкм. Активная область заключалась между п- и р-типами ГпАэЯЬР. Также были получены результаты для структур с квантовыми ямами шириной 100 А в активной области на основе Оа1пА55Ь/АЮаА58Ь, полученных методом молекулярно-пучковой эпитаксии (данные гетероструктуры были предоставлены сотрудниками Университета г. Монпелье, Франция).

Лазеры изготавливались с использованием стандартной фотолитографии и электрохимического травления с использованием трави теня состава НСЮ4/СН3СООН для получения вертикального профиля боковых стенок круглой мезы. Диаметр мезы варьировался от 75 до 400 мкм.

В главе описана установка, использовавшаяся для регистрации спектральных зависимостей излучения лазеров. Для получения спектральной характеристики па исследуемый лазер подается импульс заданной длительности, частоты и амплитуды. При импульсном режиме длительность импульсов задается в диапазоне от 50 не до 20 мке, частота следования - от 1 до 32 кГц. Поданный импульс регистрируется осциллографом. Излучаемый свет лазера, помещенного в криостат с сапфировым окном, собирается параболическим отражателем и затем с помощью системы флюоритовых линз направляется на щель монохроматора.

Методика измерений позволяет с достаточной точностью оценить основные спектральные параметры лазерного излучения, и, в том числе, важнейшую характеристику лазера, работающего на модах шепчущей галереи - межмодовое расстояние.

В четвертой главе обсуждаются результаты экспериментальных исследований дисковых лазеров, работающих на модах шепчущей галереи. Основная часть исследований проведена на двух группах образцов, различавшихся составом активной области и диаметром мезы. Первая группа представляла собой образцы диаметром 200 и 400 мкм с активной областью па основе 1пАз/1пА58ЬР гетероструктур. Структуры данной группы излучают на длине волны 3 мкм. Вторая- образцы диаметром 75, 100 и 200 мкм с квантовыми ямами в активной области на основе ОаТпАзЗЬ/АЮаАзБЬ. Структуры второй группы излучают на длине волны 2 мкм.

На рис. 3 показан типичный спектр излучения лазера из первой группы исследуемых образцов с диаметром резонатора 200 мкм при температуре жидкого азота.

Видно, что излучение имеет многомодовую структуру, имеющую ряд эквидистантных пиков, причем расстояние между модами составляет приблизительно 40 А, что хорошо согласуется с приведенной выше формулой (2) для межмодового расстояния мод шепчущей галереи, где в нашем случае Я- радиус дискового резонатора, равен 100 мкм, п = 3,5 - коэффициент преломления света в активной области волновода. При подстановке значений этих параметров в уравнение (2) получаем ЛЯ = 40 А.

интенсивность, отн. ед.

Рис. 3 Типичный спектр излучения лазера с диаметром резонатора 200 мкм, работающего на модах шепчущей галереи при температуре жидкого азота.

В результате проведенных токовых и температурных исследований образцов первой группы выяснилось, что генерация лазерного излучения сохраняется вплоть до токов, превышающих пороговый в 100 раз. При этом значения плотности тока, при которой лазер перестает работать для дисковых лазеров также в несколько раз больше, чем для по-лосковых. Увеличение динамического диапазона можно объяснить тем, что в дисковых лазерах существует возможность переключения на другую моду с близкой длиной волны, но расположенную геометрически в другой области резонатора. При этом, поскольку насыщение (т.е. равенство коэффициенов излучателыюй и безызлучательной рекомбинации) для различных мод дисковых лазеров происходит при разных плотностях тока, динамический диапазон расширяется.

Важной особенностью дисковых лазеров первой группы является то, что в отличие о! полупроводниковых лазеров с резонатором Фабри-Перо. созданные лазеры сохраняют

свою работоспособность вплоть до температур в 125 К. toi да как стандартный по.юско-вый лазер, изготовленный из того же материала, прекращает работать при 110 К.

При исследовании пороговых значений токов оказывается, что пороговые токи в дисковых лазерах меньше пороговых токов полосковых структур в 5-10 раз, при этом дисковые лазеры продолжают работать при токах, на два порядка превышающих пороговые. Были получены достаточно низкие значения пороговых токов лазерных диодов первой группы, излучающих на длине волны 3 мкм. Минимально полученное значение тока составляет 25 мА при температуре жидкого азота на структуре диаметром 200 мкм.

Для наглядного сравнения пороговых значений плотности тока дисковых и полосковых лазеров проведен анализ зависимости выходной мощности лазера от плотности тока в активной области. На рис. 4 показаны зависимости для полоскового лазера и для дисковых лазеров диаметром 200 и 400 мкм, сделанных из того же материала. Для расчета плотности тока учитывается его неоднородное распределение.

выходная мощность, отн. ед.

плотность тока, кА/см2

Рис. 4 Зависимость выходной оптической мощности от плотности тока в активной области для полоскового лазера (1) и для дисковых лазеров диаметром 200 мкм (2) и 400 мкм (3).

Из рис. 4 видно, что наклон кривой существенно больше у полоскового лазера, что показывает, что у этого прибора дифференциальная эффективность больше. Малая дифференциальная эффективность дискового лазера, на наш взгляд, объясняется несколькими причинами. Во-первых, поскольку никакого устройства для выведения света из резонато-

ра не использовалось, то соответственно были малы потери на выход свега из резонатора, что привело как к уменьшению значения порогового тока, так и уменьшению дифференциальной эффективности. Во-вторых, скорее всего, измерялась лишь часть выходной оптической мощности, что также привело к занижению дифференциальной эффективности.

Также в четвертой главе приведены исследования второй группы структур, излучающих на длине волны 2 мкм при температуре жидкого азота и выше, вплоть до комнатной температуры. Созданные лазеры работают в непрерывном режиме вплоть до комнатной температуры. Таким образом, на основе выработанной нами методики были созданы дисковые лазеры, излучающие в среднем ИК диапазоне, работающие при комнатной температуре.

Приведенные результаты показывают, что разработанная нами методика позволяет изготавливать лазеры, работающие на модах шепчущей галереи на основе гетероструктур с различными активными областями, выращенными различными методами. Некоторые характеристики таких приборов существенно превосходят аналогичные характеристики традиционных полосковых лазеров.

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы:

1. Показано, что распределение электрического тока в структуре с дисковым резонатором крайне неоднородно, что необходимо учитывать при создании лазеров. Данные теоретических расчетов экспериментально подтверждены- получены образцы двойных гетероструктур с активной областью на основе 1пА5/[пА58ЬР диаметром 200 мкм и кольцевым контактом, которые являются генераторами лазерного ИК излучения. Одним из наиболее характерных показателей, по которому можно идентифицировать излучение моды шепчущей галереи, является межмодовое расстояние. Получено хорошее согласие между теоретически рассчитанными межмодовы-ми расстояниями и их экспериментальными значениями.

2. Обнаружено, что дисковые лазеры с активной областью на основе 1пА8/1пА58ЬР работающие в среднем ИК диапазоне на модах шепчущей галереи, обладают значительно более низкими пороговыми токами за счет высокой добротности цилиндрических резонаторов и более широким диапазоном рабочих токов по сравнению с полупроводниковыми лазерами с резонаторами Фабри-Перо (вплоть до стократного превышения значения порогового тока). Таким образом, динамический диапазон дисковых лазеров больше, чем у стандартных полосковых, сделанных из того же материала. Экспериментально получено значение порогового тока, составляющее 25 мА при температуре жидкого азота для лазера, работающего на модах шеп-

чущей галереи на длине волны 3 мкм, диаметром 200 мкм с активной областью на основе InAs/InAsSbP гетероструктуры.

3. Экспериментально обнаружена генерация лазерного И К излучения в режиме мод шепчущей галереи при комнатной температуре в лазерах, активная область которых представляла собой гетероструктуру GalnAsSb/AlGaAsSb с квантовыми ямами.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. А.Ю. Кислякова, Н.С. Аверкиев. Дисковые полупроводниковые лазеры. Тезисы докладов Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов, г. Санкт-Петербург, декабрь 2004 г., ч. IV, с. 172.

2. В.В Шерстнев, A.M. Монахов, А.П. Астахова, А.Ю. Кислякова, Ю.П. Яковлев, Н.С. Аверкиев, G. Hill, A. Krier. Полупроводниковые WGM лазеры среднего инфракрасного диапазона. Физика и техника полупроводников, 39(9), с. 1122 (2005).

3. А.Ю. Кислякова, В.В Шерстнев, A.M. Монахов, Ю.П. Яковлев, Н.С. Аверкиев. Эффект WGM в полупроводниковых лазерах. Тезисы докладов Международной школы-семинара по фундаментальной физике для молодых ученых «Квантовые измерения и физика мезоскопических систем», г. Владимир-г. Суздаль, с. 36 (2005).

4. В.В Шерстнев, A.M. Монахов, А.Ю. Кислякова, Ю.П. Яковлев, Н.С. Аверкиев. Эффект WGM в полупроводниковых лазерах. Известия РАН. Серия Физическая, 70(3), с. 364 (2006).

5. Н.С.Аверкиев, В.В. Шерстнев, А.М.Монахов, Е.А. Гребенщикова, А.Ю.Кислякова, Ю.П. Яковлев, A.Krier, D.A.Wright, Физические принципы работы полупроводниковых дисковых лазеров. Физика низких температур, 33(2-3), с. 378387 (2007).

6. Н.С.Аверкиев, В.В. Шерстнев, А.М.Монахов, А.Ю. Кислякова, Ю.П. Яковлев, А. Krier. Полупроводниковые WGM лазеры, приглашенный доклад. XVI Уральская международная зимняя школа по физике полупроводников. Екатеринбург, Россия, 27 февраля- 4 марта, 2006 г. Программа и тезисы докладов, стр. 40.

7. А.Ю. Кислякова. Полупроводниковые WGM лазеры среднего инфракрасного диапазона, тезисы на Международную зимнюю школу по физике полупроводников , Сессия молодых ученых, г. Санкт-Петербург- Зеленогорск 28 февраля- 3 марта 2007 г., стр. 20.

8. A.Yu. Kislyakova. Mid-infrared whispering gallery mode lasers. Abstracts of 5th International Symposium on Quantum Theory and Symmetries (QTS5). University of Vallado-lid, Spain, July 22-28, 2007, p. 347

9. A.Yu. Kislyakova. Mid-infrared whispering gallery mode lasers. Abstracts of International School of Nanophotonics. Maratea, Italy, Septemberl4-22, 2007, p 17.

10. Н.С.Аверкиев, А.П.Астахова, Е.А.Гребенщикова, H Д.Ильинская, С.С.Кижаев, А.Ю.Кислякова, А.М.Монахов, В.В.Шерстнев, Ю.П.Яковлев. Дисковые WGM лазеры (X,- 3.0 цт) на основе InAs/lnAsSbP гетероструктур, работающие в непрерывном режиме. ФТП, 43(1), стр. 124 (2009).

11. A.M.Monakhov, J.V. Alekseenko, А.P. Astakhova, N.S. Averkiev, A.N. Baranov, G.Boissier, E.A.Grebenshchikova, A.Yu. Kislyakova, S.S. Kizhaev, V.V.Sherstnev, R.Teissier and Yu.P.Yakovlev. MIR whispering gallery mode lasers. Abstracts of Mid-Infrared Optoelectronics: Material and Devices (MIOMD-IX), Germany, Freiburg, September 7-11, 2008, p. 57.

Лицензия ЛР № 020593 от 07.08.97

Подписано в печать 11.11.2008. Формат 60x84/16. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,0. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100. Заказ 3679Ь.

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в Цифровом типографском центре Издательства Политехнического университета. 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29. Тел.:(812)550-40-14 Тел./факс: (812) 297-57-76

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Кислякова, Анна Юрьевна

Введение

Содержание

ГЛАВА 1. Современные представления о свойствах и механизмах генерации лазерного излучения

Раздел 1.1 Общие принципы действия лазеров

1.1.1 Свойства лазерного излучения.

1.1.2 Роль оптического резонатора.

1.1.3 Основные механизмы генерации оптического излучения лазером.

1.1.4 Добротность оптического резонатора.

Раздел 1.2 Полупроводниковые лазеры и светодиоды.

1.2.1 Источники вынужденного излучения.

1.2.2 Условие наличия инверсии заселенностей.

1.2.3 Методы создания инверсной заселенности в полупроводниках.

1.2.4 Выходная мощность и коэффициент усиления полупроводникового лазера.

Раздел 1.3 Электрические свойства полупроводникового лазера

1.3.1 Зависимость постоянного тока через полупроводниковый диод от напряжения.

1.3.2 Прямая ветвь вольтамперной характеристики.

1.3.3 Обратная ветвь вольтамперной характеристики.

Раздел 1.4 Достоинства и недостатки существующих конструкций лазеров среднего ИК диапазона

1.4.1 Достоинства полупроводниковых лазеров.

1.4.2 Конструкции лазеров среднего ИК диапазона. Лазеры, работающие на модах шепчущей галереи.

ГЛАВА 2. Теоретический анализ взаимосвязей между электрофизическими, оптическими и конструктивными характеристиками лазеров, работающих на модах шепчущей галереи.

Раздел 2.1 Теория цилиндрических волноводов. Анализ модовой структуры излучения лазера.

Раздел 2.2 Анализ электрических характеристик лазеров, работающих на модах шепчущей галереи, на основе математической модели.

Раздел 2.3 Анализ влияния размера мезы на характер протекания тока через структуры с дисковым резонатором.

ГЛАВА 3. Конструкция дисковых лазеров и методика эксперимента.

Раздел 3.1 Конструкция лазеров, работающих на модах шепчущей галереи.

Раздел 3.2 Изготовление образцов

3.2.1 Процесс эпитаксиального роста лазерных гетероструктур ЫАз/ЫАзБЪР.

3.2.2 Формирование дискового резонатора для полупроводниковых лазеров на основе гетероструктур 1пАб (8Ь)/1пАз8ЪР.

3.2.3 Формирование омических контактов на поверхности дисковой структуры.

Раздел 3.3 Методика экспериментальных исследований дисковых лазеров.

ГЛАВА 4. Результаты эксперимента и их обсуждение.

Раздел 4.1 Исследуемые группы дисковых лазеров.

Раздел 4.2 Анализ электрических свойств дисковых лазеров.

Раздел 4.3 Спектральные зависимости излучения дисковых лазеров с активной областью на основе ЫАз/МАбБЬР гетероструктур, выращенных методом МОГФЭ.

Раздел 4.4 Спектральные зависимости излучения дисковых лазеров с активной областью на основе ЬгАяБЬ гетероструктур, выращенных методом жидкофазной эпитаксии.

Раздел 4.5 Температурные и токовые зависимости излучения лазеров, работающих на модах шепчущей галереи.

Раздел 4.6 Пороговые характеристики лазеров, работающих на модах шепчущей галереи, с активной областью на основе ЫАб/ЫАбЗЪР гетероструктур.

Раздел 4.7 Анализ зависимости выходной мощности дискового лазера от плотности тока в активной области.

Раздел 4.8 Спектральные зависимости излучения дисковых лазеров с квантовыми ямами в активной области на основе Са1пАя5Ь/АIОаАзБЬ, полученные методом молекулярно пучковой эпитаксии.

Введение диссертация по физике, на тему "Полупроводниковые лазеры среднего инфракрасного диапазона, работающие на модах шепчущей галереи"

Общая характеристика проблемы. Возрастающий в последнее десятилетие интерес к исследованиям механизмов генерации лазерного излучения в среднем инфракрасном (ИК) диапазоне обусловлен высокой востребованностью разработки лазеров для диапазона 2-5 мкм, в котором находятся характеристические линии поглощения значительного числа широко используемых промышленных и природных газов таких как метан, углекислый газ, окислы азота и др. [1]. В связи с этим весьма актуальны комплексные научные исследования и разработка новых конструкций лазеров для среднего ИК диапазона, которые могут работать при температурах, приближающихся к комнатным.

К настоящему времени не создан лазер среднего ИК диапазона, работающий при комнатной температуре, малогабаритный и пригодный для массового производства. Это связано с тем, что уровень оптических потерь, обусловленных оже-процессами в этом спектральном диапазоне, довольно высок. Одним из способов обойти эту проблему является увеличение добротности резонатора, что, например, используется в поверхностно-излучающих лазерах с вертикальным резонатором (УС8ЕЬ- англ.)[2-6]. Но их основным недостатком, таким же, как и у разработанных к настоящему времени квантово-каскадных лазеров (С^СЬ- англ.), является сложность изготовления таких приборов [7-10]. Для решения проблемы высоких оптических потерь необходимы комплексные, теоретические и экспериментальные научные исследования, являющиеся основой новых физических и технологических подходов к разработке и созданию лазеров среднего ИК диапазона.

Нами была предложена конструкция лазера, принципиальной особенностью которого является использование кольцевого резонатора в виде диска, рабочей модой которого является так называемая «мода шепчущей галереи» [11, 12]. В отличие от полосковых конструкций лазеров в лазерах, работающих на модах шепчущей галереи, в дисковых структурах волна распространяется по периметру круглой мезы в узкой активной области (толщина активной области- 0,5 мкм). Излучение выходит из резонатора за счет неоднородностей поверхности. Теоретические и экспериментальные исследования дисковых лазеров показали, что они являются устройствами с существенно более высокой добротностью, до 106, по сравнению с обычными лазерами среднего ИК диапазона [13].

Актуальность темы обусловлена широкими практическими потребностями в разработке средств контроля содержания множества жидких и газообразных веществ, имеющих линии поглощения в среднем ИК диапазоне. Основным недостатком разработанных к настоящему времени квантово-каскадных и полупроводниковых лазеров на вертикальных резонаторах является сложность технологии их изготовления [4-6]. Предложенный нами принцип конструкции лазера для среднего ИК диапазона позволяет существенно снизить требования к чистоте поверхности лазерной структуры и использовать для обработки поверхности мезы методы стандартной литографии [11].

Целью настоящей работы явилось создание и комплексное исследование лазеров, работающих на модах шепчущей галереи, излучающих в среднем ИК диапазоне.

Основные задачи:

2) Разработать конструкцию и технологию изготовления дисковых лазеров, излучающих в среднем ИК диапазоне.

Научная новизна и практическая значимость работы. Научные выводы диссертации и результаты теоретического исследования вносят существенный вклад в понимание механизмов генерации лазерного излучения в лазерах, работающих на модах шепчущей галереи, зависимости пространственного распределения плотности тока от размера мезы и расположения контакта. Это позволяет значительно облегчить и ускорить разработку модификаций таких лазеров.

На основе комплексного теоретического и экспериментального исследования выработаны оптимальные конструктивные требования (круглая меза диаметром от 75 до 400 мкм, расположение кольцевого контакта шириной 30 мкм на верхней плоскости мезы) и технологические требования (двойные гетероструктуры ¡пАб/ЫАзБЬР, электрохимическое травление). Изготовлены серии опытных образцов лазеров, работающих на модах шепчущей галереи, излучающих на длинах волн 2 и 3 мкм. Получены опытные образцы дисковых лазеров, излучающих в среднем ИК диапазоне при комнатной температуре.

Диссертационная работа содержит введение, четыре главы, заключение, список цитируемой литературы. Первая глава представляет собой обзор современных представлений о свойствах лазерного излучения и механизмах его генерации. Представлена сравнительная характеристика известных типов и конструкций полупроводниковых лазеров. Во второй главе описываются результаты теоретического анализа структур с дисковым резонатором с применением методов математического моделирования механизмов генерации

Заключение диссертации по теме "Физика полупроводников"

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. А.Ю. Кислякова, Н.С. Аверкиев. Дисковые полупроводниковые лазеры. Тезисы докладов Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов, Санкт-Петербург, ч. IV, с. 172, 2004.

4. В.В Шерстнев, A.M. Монахов, А.Ю. Кислякова, Ю.П. Яковлев, Н.С. Аверкиев. Эффект WGM в полупроводниковых лазерах. Известия РАН. Серия Физическая. Том 70 №3, 2006, стр. 364.

6. Н.С.Аверкиев, В.В. Шерстнев, А.М.Монахов, А.Ю. Кислякова, Ю.П. Яковлев, A. Krier. Полупроводниковые WGM лазеры, приглашенный доклад. XVI Уральская международная зимняя школа по физике полупроводников. Екатеринбург, Россия, 27 февраля- 4 марта, 2006 г. Программа и тезисы докладов, стр. 40.

7. А.Ю. Кислякова. Полупроводниковые WGM лазеры среднего инфракрасного диапазона. Международная зимняя школа по физике полупроводников 2007, Россия, г. Санкт-Петербург. Программа и тезисы, стр. 20.

8. А. Ю. Кислякова. WGM лазеры среднего ИК диапазона. 5ый Международный симпозиум по квантовой теории и симметрии. Испания, Валлидолид, 21-29 июля, 2007 г.

9. А. Ю. Кислякова. WGM лазеры среднего ИК диапазона. Международная школа по нанофотонике. Италия, Маратеа, 14-22 сентября, 2007 г.

В заключении я считаю своим долгом выразить глубокую благодарность за руководство и помощь на всех этапах работы моему научному руководителю профессору, доктору физико-математических наук Никите Сергеевичу Аверкиеву.

Я хочу поблагодарить заведующего лабораторией Физической и функциональной микроэлектроники Рубена Павловича Сейсяна за постоянный интерес и помощь в создании этой работы.

Особую благодарность хочу принести заведующему лабораторией Инфракрасной Оптоэлектроники Юрию Павловичу Яковлеву за сотрудничество, помощь и поддержку на всех этапах работы.

Также выражаю глубокую благодарность Андрею Марковичу Монахову за помощь на всех этапах работы, постоянное внимание и поддержку.

Я рада выразить признательность моим коллегам в лице Анастасии Павловны Астаховой, Елены Александровны Гребенщиковой, Сергея Сергеевича Кижаева, Виктора Вениаминовича Шерстнева за постоянное внимание, плодотворные дискуссии и помощь в работе.

Заключение.

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Кислякова, Анна Юрьевна, Санкт-Петербург

1. J.H.Park, L.S.Rothman, C.P.Rinsland, H.M.Pickett, D.J.Richardson and J.S.Nankung «Atlas of Absorption Lines From 0 to 17900cm"1», NASA Reference Publication, (1987).

2. A.I.Nadezhdinskii «New generation of tunable diode laser based systems», Infrared Physics and Technology, 37(1), p. 99-104, (1996).

3. A.F.J.Levi, RJE.Slusher, S.L.McCall, S.J.Pearton, and W.S.Hobson «Room-temperature lasing action in Ino.51Gao.49P/Ino.2Gao.8As microcylinder laser diodes», Appl. Phys. Lett., 62, 2021, (1993).

4. A.A.Allerman «Ю-stage cascaded InAsSb quantum well laser at 3.9», Electron. Lett., 34, p. 369, (1998).

5. Z.Feit et al. «МВЕ grown buried heterostructure separate confinement quantum well PbEuSeTe/PbSnTe tunable diode lasers», Spectrohim.Acta A, 52, p. 851, (1996).

6. F.Capasso et al. «Quantum cascade lasers», Electron, lett., 30, p. 865, (1994).

7. S.Anders, W.Schrenk, E.Gornik, and G.Strasser «Room-temperature operation of electrically pumped quantum-cascade microcylinder lasers», Appl. Phys. Lett., 80, 4094, (2002).

8. Б. Миллиган «Лазеры VCSEL открывают новые возможности», Сети и системы связи, вып. 5, (2005).

9. J. Faist et al. «Quantum cascade lasers», Science, 264, p. 553, (1994).

10. C.Sirtori, H.Page, C.Becker «GaAs-based quantum cascade lasers», Philos. Trans. R.Soc., 359, p. 505, (2001).

11. V.V.Sherstnev, A.Krier, A.M.Monakhov, G.Hill «Mid-infrared ring laser», Electron. Lett., 39, 916, (2003).

12. V.V.Sherstnev, A.M.Monakhov, A.Krier and D.A.Wright «InAs whispering gallery mode lasers for the mid-infrared spectral range», IEEProc. Optoelectronic, 152 (1), 1, (2005).

13. D.A. Cohen, M. Hossein-Zadeh, A.F.J. Levi «Microphotonic modulator for microwave receiver», Electron. Lett. 37, 300, (2001).

14. К.С. Уиллетт Справочник по лазерам / Под. ред. A.M. Прохорова.-М.: Сов. Радио, 1978, Т.1

15. Мосс, Т. Полупроводниковая оптоэлектроника. Пер. с англ. / Т. Мосс, Г. Баррел, Б. Эллис. Под ред. С.А. Медведева — м.: Мир, 1976

16. Мотт Ю.И. Оптические свойства полупроводников. ЗУГ.: Наука,1977.

17. Федотов Я.А., Основы физики полупроводниковых приборов, «Советское радио», М., 1969.

18. Ханин Я.И. Основы динамики лазеров / Я.И. Ханин.- М.: Наука. Физматлит, 1999,

19. Карлов Н.В. Лекции по квантовой электронике. М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1983, 320 с. Иоффе А.Ф. Физика полупроводников, Изд-во АН СССР, 1957. Пекар С.И. Исследования по электронной теории кристаллов, М., 1951.

20. КиреевП.С. Физика полупроводников. М.: Высш. шк., 1975. Бонч-Бруевич B.JL, Калашников С.Г. Физика полупроводников. М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1977. Шалимова К.В. Физика полупроводников. М.: Энергоатомиздат, 1985.

21. Мотт Н., Дэвис Э. Электронные процессы в некристаллических веществах. М.: Мир, 1982.

22. Зи С.М. Физика полупроводниковых приборов. М., «Энергия», 1973.

23. Займан Дж. Принципы теории твердого тела. М.: Мир, 1966. Ансельм А.И. Введение в физику полупроводников. М., Наука,1978.

24. Викулин И.М., Стафеев В.И. Физика полупроводниковых приборов. М.: Сов. радио, 1980.

25. Стафеев В.И. Некоторые проблемы микроэлектроники/ Под ред. Ф.В. Лукина. М.: Сов. радио, 1967, вып. 1, с.5

26. Rayleigh J.W.S. The Theory of Sound, 1887. Reprinted by Dover in 1945 (New York: Dover)

27. Rayleigh J.W.S. The problem of the whispering gallery, 1910. Phil. Mag 20 1001-4.

28. Л.Е.Воробьев, С.Н.Данилов, Ю.В.Кочегаров, В.Н.Тулупенко, Д.А.Фирсов «Характеристики лазера дальнего инфракрасного диапазона на горячих дырках в германии в конфигурациях полей Фогта и Фарадея», ФТП, 31(12), (1997).

29. Ю.А.Морозов, И.С.Нефедов, В.Я.Алешкин «Нелинейное преобразование частоты в лазере с двойным вертикальным резонатором», ФТП, 38(11), (2004).

30. Шерстнев В.В., Монахов A.M., Кислякова А.Ю., Яковлев Ю.П., Аверкиев Н.С. «Полупроводниковые WGM лазеры», Известия РАН, серия физическая, 70(3), с. 364 (2006).

31. А.П.Астахова, Н.Д.Ильинская, А.Н.Именков, С.С.Кижаев, С.С.Молчанов, Ю.П.Яковлев, Физика и техника полупроводников, 39 (4), 497, (2005).

32. Т.И.Воронина, Т.С.Лагунова, С.С.Кижаев, С.С.Молчанов, Б.В.Пушный, Ю.П.Яковлев «Выращивание и легирование магнием слоев InAs методом газофазной эпитаксии из металлорганических соединений», ФТП, 38(5), (2004)

33. Е.А.Гребенщикова, Н.В.Зотова, С.С.Кижаев, С.С.Молчанов, Ю.П.Яковлев «InAs/InAsSbP светоизлучающие структуры, выращенные методом газофазной эпитаксии», ЖТФ, 71(9), (2001). Y.P.Yakovlev, K.D.Moiseev, M.P.Mikhailova, A.M.Monakhov,

34. A.Astakhova, V.V.Sherstnev «High-power mid-infrared lasers based on type-II heterostructures with asymmetric band offset confinement» Proc. SPIE 3947, 144, (2000).

35. Шерстнев В.В., Монахов A.M., Кислякова А.Ю., Яковлев Ю.П., Аверкиев Н.С., «Полупроводниковые WGM лазеры» Известия РАН, серия физическая, 70 (3), с.364 (2006)

36. N.S.Averkiev, V.V.Sherstnev, A.M.Monakhov, E.A.Grebenshikova,

37. A.Yu.Kislyakova, Yu.P.Yakovlev, A.Krier, and D.A.Wright. Low Temperature Physycs, 33 (2-3), 283 (2007)

38. Гребенщикова E.A., Литвак A.M., Шерстнев B.B., Яковлев Ю.П./ Письма в ЖТФ. 1998. Т. 24. В. 15. С. 27-33.

39. Astakhova А.Р., Imenkov A.N., Danilova T.N., Sherstnev V.V., Yakovlev Yu.P.// Spectrochimica Acta. Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy. V.66. Iss. 4-5. April 2007. p.824-831.

40. Стоянов Н.Д., Журтанов Б.Е., Астахова А.П., Именков А.Н., Яковлев Ю.П.// ФТП. 2003. Т.37, в. 8, стр. 996-1009.

41. Гребенщикова Е.А., Шерстнев В.В., Кижаев С.С., Яковлев Ю.П./ Письма в ЖТФ. 2008, том 34, вып. 8, стр. 54-58.

42. Зегря Г.Г., Михайлова М.П., Данилова Т.Н., Именков А.Н., Моисеев К.Д., Шерстнев В.В., Яковлев Ю.П.//ФТП, 1999,Т.ЗЗ, В.З, С.351-256

43. С.С.Кижаев, М.П.Михайлова, С.С.Молчанов, Н.Д.Стоянов, Ю.П.Яковлев Выращивание InAs фотодиодных структур из металлорганических соединений. ПЖТФ, 1998,том 24, выпуск 7.

44. Астахова А.П. Перестраиваемые лазеры на основе гетероструктур InAsSb/TnAsSbP работающие в спектральном диапазоне 3-4 мкм.

45. S.Kim, M.Erdtmann, D.Wu, E.Kass, H.Yi, J.Diaz, and M.Razeghi, Appl. Phys. Lett., 69(11), 1614 (1996).

46. С.С.Кижаев, М.П.Михайлова, С.С.Молчанов, Н.Д.Стоянов, Ю.П.Яковлев, «Выращивание InAs фотодиодных структур из металлорганических соединений», ПЖТФ, 24(7), (1998).