Патент на изобретение №2176842

(54) СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ДИАПАЗОНА РАБОЧИХ ЧАСТОТ ЛАЗЕРНОЙ МОДУЛЯЦИИ

(57) Реферат:

Изобретение относится к способам, обеспечивающим регулирование полосы лазерной модуляции эффективных высокомощных полупроводниковых инжекционных лазеров, в том числе с одномодовым, одночастотным излучением. Способ включает создание гетероструктуры с активным слоем и прилегающими к нему с двух сторон ограничительными слоями, включающими с каждой стороны по крайней мере по одному ограничительному подслою наибольшего оптического ограничения, имеющих противоположные типы электропроводности. При этом между ограничительными легированными подслоями наибольшего оптического ограничения, ближайшими к активному слою, в том числе в активном слое, обеспечивают уровень фоновой примеси, ограничительные легированные подслои наибольшего оптического ограничения, ближайшие к активному слою, легируют так, чтобы регулируемое отношение концентрации дырок Р в подслое наибольшего оптического ограничения р-типа электропроводности со стороны р-типа к концентрации электронов N в подслое наибольшего оптического ограничения n-типа электропроводности со стороны n-типа P/N было более единицы. Причем изменяют соотношение P/N, выбирая концентрации Р в диапазоне от 410¹⁷ см^-3 до 110¹⁹ см^-3, а концентрации N в диапазоне от 210¹⁷ см^-3 до 210¹⁸ см^-3. При этом обеспечивают расположение границ объемного заряда p-i-n гетероперехода в ограничительных легированных подслоях наибольшего оптического ограничения. В результате такого выполнения обеспечивается стабилизация работы лазера в определенном спектральном диапазоне, повышается надежность работы лазера. 23 з.п. ф-лы, 1 табл., 8 ил.

Изобретение относится к квантовой электронной технике, а именно к способам, обеспечивающим регулирование полосы лазерной модуляции эффективных высокомощных полупроводниковых инжекционных лазеров, в том числе с одномодовым, одночастотным излучением.

Предшествующий уровень техники
Одной из важнейших проблем является получение инжекционных лазеров (далее “Лазер”) с расширенной полосой частот лазерной модуляции как с широкой излучающей областью, так и узкополосных, работающих в одночастотном, одномодовом режимах.

Для получения высокой мощности, излучаемой в одну продольную моду, необходимо изготовить высокоэффективный излучатель с низкой плотностью порогового тока и высокой дифференциальной квантовой эффективностью. Кроме того, такой излучатель должен обеспечивать эффективное подавление соседних продольных мод.

Для улучшения модового состава излучения разработаны различные типы Лазеров: Лазеры с полосковой активной областью генерации и выводом излучения через зеркало оптического резонатора [1 – 4], Лазеры с распределенной обратной связью [5], Лазеры с зеркалами Брегга [6]. Известные Лазеры позволяют получить одномодовое, одночастотное излучение.

Лазеры с одночастотным и одномодовым излучением могут быть выполнены на различных гетероструктурах (см. , например, [7]). В настоящее время наибольшее распространение получили гетероструктуры типа РОДГС с квантовыми ямами (т. е. с квантово- размерными активными слоями и квантово-размерными барьерными слоями между ними). Весьма актуальным является разработка способов получения гетероструктур для изготовления из них в дальнейшем высокомощных Лазеров с расширенной полосой лазерной модуляции, в том числе работающих на одной продольной моде.

Наиболее близким является способ увеличения диапазона рабочих частот лазерной модуляции [8], который включает создание гетероструктуры с активным слоем и прилегающими к нему с двух сторон ограничительными слоями, включающими с каждой стороны по крайней мере по одному ограничительному подслою наибольшего оптического ограничения (далее “HOOгр”), имеющих противоположные типы электропроводности.

В известном способе, описанном в [8], для увеличения диапазона рабочих частот лазерной модуляции при выращивании гетероструктуры весьма высоко легируют активную область – по крайней мере около 2,510¹⁸ см^-3, при выборе активного слоя преимущественно состава Ga_0,27In_0,73As_0,59P_0,41. Получено улучшение частотных характеристик Лазеров.

Авторами [8] не были исследованы инжекционные лазеры с узкополосными областями усиления.

Раскрытие изобретения
В основу изобретения поставлена задача создания способа регулирования диапазона рабочих частот лазерной модуляции, который обеспечивает при высокочастотной модуляции сужение спектра генерации широкополосного Лазера и стабилизацию длины волны одночастотного Лазера, работающих при повышенных выходных мощностях излучения.

В соответствии с изобретением поставленная задача решается тем, что предложен способ регулирования диапазона рабочих частот лазерной модуляции, включающий создание гетероструктуры с активным слоем и прилегающими к нему с двух сторон ограничительными слоями, включающими с каждой стороны по крайней мере по одному ограничительному подслою наибольшего оптического ограничения (далее “HOOгр”), имеющих противоположные типы электропроводности, причем между ограничительными легированными подслоями HOOгр, ближайшими к активному слою, в том числе в активном слое, обеспечивают уровень фоновой примеси, ограничительные легированные подслои HOOгр, ближайшие к активному слою, легируют так, чтобы отношение концентрации дырок P в подслое HOOгр p-типа электропроводности со стороны p-типа к концентрации электронов N в подслое HOOгр n-типа электропроводности со стороны n-типа P/N было более единицы, причем изменяют соотношение P/N, выбирая концентрации P в диапазоне от 410¹⁷ см^-3 до 110¹⁹ см^-3, а концентрации N в диапазоне от 210¹⁷ см^-3 до 210¹⁸ см^-3 при этом обеспечивают расположение границ объемного заряда p-i-n гетероперехода в ограничительных легированных подслоях HOOгр.

Отличием предложенного способа регулирования диапазона рабочих частот лазерной модуляции Лазеров является необычный и неочевидный выбор соотношения между концентрациями легирующих примесей (акцепторной и донорной) в легированных ограничительных подслоях HOOгр с двух сторон от активного слоя на границах объемного заряда p-i-n гетероперехода. Другим отличием является то, что объемный заряд p-i-n гетероперехода должен распространяться на весь активный слой и на прилегающие к нему части ограничительных слоев с обеих сторон так, что границы объемного заряда p-i-n гетероперехода расположены обязательно в соответствующих легированных ограничительных подслоях HOOгр, что может быть достигнуто при выполнении условия создания уровня фоновой примеси между указанными соответствующими легированными ограничительными подслоями HOOгр. Под введенным определением ограничительного подслоя как подслоя “наибольшего оптического ограничения” (как было условлено обозначать в дальнейшем “HOOгр”) понимается то, что в этом подслое, ближайшем к активному слою, происходит наибольшее затухание генерируемого излучения, препятствующее распространению излучения вглубь гетероструктуры. Как показало большое число экспериментов, именно указанные отличия предложенного Лазера обеспечили решение поставленной технической задачи. Полная указанная совокупность существенных отличительных признаков нами не была обнаружена на данное время.

При этом определено, что наилучшие результаты могут быть достигнуты в следующих случаях.

Уровень фоновый примеси обеспечивают менее 210¹⁶ см^-3. Низкая концентрация фоновой примеси в активном слое и в прилегающих нелегированных слоях и/или подслоях обеспечивает распространение объемного заряда p-i-n гетероперехода на всю толщину нелегированных слоев и подслоев, причем чем ниже концентрация фоновой примеси, тем толще могут быть выбраны нелегированные слои и подслои.

Величину P/N выбирают в диапазоне от 3 до 20. Экспериментально было получено, что с ростом P/N увеличивается ширина полосы модуляции приборов, т.е. имеется возможность регулировки диапазона рабочих частот лазерной модуляции. При этом сужается спектр генерации, а также стабилизируется длина волны одночастотного Лазера. Кроме того, происходит стабилизация генерации в одночастотном режиме, повышается мощность генерации на одной продольной моде (в одночастотном режиме).

В ограничительном легированном подслое наибольшего оптического ограничения p-типа концентрацию акцепторной примеси выбирают превышающей 210¹⁸ см^-3.

В ограничительном легированном подслое наибольшего оптического ограничения n-типа концентрацию донорной примеси выбирают не менее 210¹⁷ см^-3 и не более 210¹⁸ см^-3.

Увеличение концентрации акцепторной примеси при указанном диапазоне донорной примеси обеспечивает высокие значения отношения P/N, преимущественно P/N > 2.

Кроме того, при преимущественных концентрациях акцепторной примеси повышается внешняя дифференциальная квантовая эффективность приборов, а также улучшается температурная зависимость порогового тока. Это происходит за счет уменьшения утечки электронов из активного слоя в p-типа ограничительные подслои наибольшего оптического ограничения при увеличении концентрации основных носителей в нем. При выбираемых преимущественных значениях концентрации донорной примеси обеспечивается сравнительно низкое сопротивление в ограничительных подслоях HOOгр. Высокие значения отношения P/N > 2 также обеспечивают достаточную контактную разность потенциалов между ограничительными подслоями HOOгр противоположного типа проводимости для получения инверсной населенности в активном слое Лазера при прямом смещении. Эмпирически нами получено, что наилучшие результаты могут быть достигнуты при выполнении указанного диапазона отношения P/N, причем, чем выше это отношение, тем поставленная задача решается с лучшими результатами.

Очень важным моментом является то, что наряду с наличием высокого значения отношения P/N > 1 область объемного заряда должна образовываться именно сильнолегированными ограничительными подслоями HOOгр, т.е. границы области объемного заряда должны лежать в этих подслоях. Это и обеспечивается выбором уровня фоновой примеси (преимущественно указанного выше диапазона) в слоях и/или подслоях между сильнолегированными ограничительными подслоями HOOгр. В известной гетероструктуре, описанной в [8], сильнолегированный подслой HOOгр отделен от активного слоя относительно слаболегированным подслоем HOOгр. В результате сильнолегированный подслой не участвует в образовании объемного заряда p-i-n гетероперехода и эффект, полученный в настоящей работе, в [8] не был получен. Поэтому является важным для реализации способа увеличения диапазона рабочих частот лазерной модуляции, чтобы при выращивании предполагаемой гетероструктуры не было искажений диффузионным размытием или перемещением границ гетеропереходов и границ легирования донорными или акцепторными примесями. Особенно это касается последнего случая, так как акцепторные примеси имеют обычно высокий коэффициент диффузии в полупроводниках A^IIIB^Y. Это приводит к уменьшению размера нелегированной области с уровнем фоновой примеси преимущественно менее 210¹⁶ см^-3 и, следовательно, границы объемного заряда не будут располагаться в сильнолегированных ограничительных подслоях HOOгр.

Экспериментально подтверждено, что при этом наблюдается дальнейшее сужение спектра генерации, а также улучшение стабилизации длины волны одночастотного Лазера при высокой выходной мощности.

Предложено для решения поставленной задачи по крайней мере в одном ограничительном слое со стороны активного слоя разместить примыкающий к ограничительному легированному подслою наибольшего оптического ограничения того же состава ограничительный нелегированный подслой наибольшего оптического ограничения толщиной, превышающей толщину диффузии примеси из ограничительного легированного подслоя наибольшего оптического ограничения, и не более толщины d_НП, равной части толщины области объемного заряда p-i-n гетероперехода, приходящейся на ограничительный нелегированный подслой наибольшего оптического ограничения, т.е. на этот нелегированный подслой должен распространяться объемный заряд p-i-n перехода. В одном случае предложено толщину d_НП выбирать равной толщине D_ОЗ области объемного заряда p-i-n гетероперехода за вычетом суммы, составленной из толщины d_N области объемного заряда в ограничительном легированном подслое наибольшего оптического ограничения n-типа, толщины _P области объемного заряда в ограничительном легированном подслое наибольшего оптического ограничения p-типа, толщины _АС активного слоя.

В другом случае предложено толщину d_НП выбирать равной толщине D_ОЗ области объемного заряда p-i-n гетероперехода за вычетом суммы, составленной из толщины d_N области объемного заряда в ограничительном легированном подслое наибольшего оптического ограничения n-типа, толщины _P области объемного заряда в ограничительном легированном подслое наибольшего оптического ограничения p-типа, толщины _АС активного слоя и толщины d_ДП дополнительных ограничительных подслоев между активным слоем и ограничительными подслоями наибольшего оптического ограничения.

Величины D_ОЗ, d_N, d_P, d_АС в одном случае и величины D_ОЗ, d_N, d_P, d_АС, d_ДП в другом случае для каждой конкретной гетероструктуры могут быть рассчитаны по известным соотношениям (см., например, [9 и 10]) и, следовательно, могут быть определены требуемые значения толщины d_НП объемного заряда в ограничительном нелегированном подслое HOOгр. Следовательно, для каждой конкретной гетероструктуры можно рассчитать требуемую толщину ограничительного нелегированного подслоя HOOгр.

Эмпирически определено, что увеличение диапазона рабочих частот лазерной модуляции зависит не только от отношения P/N, но также и от толщины нелегированного ограничительного подслоя HOOгр. Определено, что наилучшие результаты могут быть достигнуты в случае, когда ограничительный нелегированный подслой наибольшего оптического ограничения выполнен толщиной, выбранной в диапазоне от 0,1 мкм до 1,0 мкм, и в случае, когда в ограничительном нелегированном подслое выбран уровень фоновый примеси, равный концентрации менее 210¹⁶ см^-3.

Поставленная задача решена в случае, если ограничительный нелегированный подслой наибольшего оптического ограничения может быть введен только со стороны ограничительного легированного подслоя наибольшего оптического ограничения того же состава p-типа проводимости, что подтверждено экспериментально.

Предложенный способ может быть реализован при выполнении Лазеров из различных гетероструктур, в том числе РОДГС, квантово-размерных.

Поставленная задача решается также тем, что по крайней мере в одном ограничительном слое размещают примыкающим к активному слою волноводный подслой с уровнем фоновой примеси с концентрацией менее 210¹⁶ см^-3. С другой стороны, волноводный подслой может граничить с соответствующим ограничительным легированным подслоем HOOгр или с соответствующим ограничительным нелегированным подслоем HOOгр. При этом получаем РОДГС с волноводной областью, которая включает активный слой и волноводные подслои для преимущественного распространения усиливаемого излучения в гетероструктуре.

Поставленная задача решается также тем, что активный слой сформирован по крайней мере из одного подслоя.

В одном из случаев активный слой может быть выполнен в виде одного квантово-размерного активного подслоя.

В другом случае активный слой может быть сформирован по крайней мере из трех квантово-размерных подслоев, а именно из по крайней мере двух активных подслоев и по крайней мере одного барьерного подслоя, причем в общем случае при множестве квантово-размерных подслоев каждые два активных квантово-размерных подслоя разделены барьерным квантово-размерным подслоем.

Предложенный способ может быть реализован при изготовлении Лазеров в различных модификациях как с широкой излучающей полоской для получения сужения спектра излучения Лазера, так и узкой, менее 3 мкм, для получения сужения спектра излучения Лазера, так и узкой, менее 3 мкм, для получения одномодового и одночастотного режимов работы и стабилизации длины волны излучения такого Лазера при высокочастотной модуляции.

Поставленная задача решается тем, что область усиления выбрана полосковой. Предложены различные случаи реализации, а именно:
в гетероструктуру введены барьерные области;
в гетероструктуру введены барьерные области, образующие по крайней мере одну мезаполоску, причем в одном случае барьерные области выполнены на глубину, превышающую глубину расположения активного слоя, в другом случае барьерные области выполнены так, что основание мезаполоски размещены над активным слоем на расстоянии от 0,2 мкм до 0,8 мкм;
по крайней мере один из подслоев ограничительного слоя может быть сформирован с профильной поверхностью и по крайней мере активный слой повторяет данный профиль. В такой гетероструктуре могут быть помещены барьерные области.

Кроме того, для достижения одночастотного и одномодового режимов работы предложено сформировать РОС-структуру либо выполнить в плоскости активного слоя зеркала Брегга.

Во всех предложенных случаях поставленная техническая задача решена, если ограничительный легированный подслой со стороны p-типа проводимости легирован цинком, или магнием, или кадмием, или бериллием.

В одной из модификаций реализации способа увеличения диапазона рабочих частот лазерной модуляции для решения поставленной задачи предложена гетероструктура, которая сформирована из
– буферного слоя GaAs, легированного Si с концентрацией N₁, выбранной в диапазоне не менее 210¹⁷ см^-3 и не более 210¹⁸ см^-3,
– ограничительного легированного подслоя Al_xGa_1-xAs градиентного состава от x₁, выбранного из диапазона более нуля и не более 0,05, до x₂, выбранного из диапазона не менее 0,47 и не более 0,53, толщиной d₂, выбранной до 1 мкм и легированного Si с концентрацией N₂, выбранной в диапазоне не менее 210¹⁷ см^-3 и не более 210¹⁸ см^-3,
– n-типа ограничительного легированного подслоя наибольшего оптического ограничения Al_x3Ga_1-x3As, при x₃, выбранном из диапазона 0,4…0,53, легированного Si с концентрацией N, выбранной в диапазоне не менее 210¹⁷ см^-3 и не более 210¹⁸ см^-3, толщиной d₃, выбранной в диапазоне 1,5 мкм … 3 мкм,
– нелегированных подслоев с уровнем легирования фоновых примесей, выбранных в диапазоне от 210¹⁴ см^-3 до 610¹⁶ см^-3, включающих
– первый волноводный подслой Al_x4Ga_1-x4As при x₄, выбранном в диапазоне 0,25…0,35, толщиной d₄, выбранной в диапазоне 0,05 мкм … 0,2 мкм,
– первый активный подслой GaAs толщиной d₅, выбранной в диапазоне 5 нм . .. 12 нм,
– барьерный подслой Al_x5Ga_1-x5As при x₅, выбранном в диапазоне 0,25… 0,35, толщиной d₆, выбранной в диапазоне 10 нм … 15 нм,
– второй активный подслой GaAs идентичен первому активному подслою,
– второй волноводный подслой Al_x4Ga_1-x4As идентичен первому волноводному подслою,
– нелегированного ограничительного подслоя наибольшего оптического ограничения состава Al_x3Ga_1-x3As (состава n-типа ограничительного слоя наибольшего оптического ограничения) толщиной d₉, выбранной в диапазоне 0,1 мкм … 1 мкм,
– легированного ограничительного подслоя наибольшего оптического ограничения состава Al_x3Ga_1-x3As (состава n-типа и нелегированного ограничительных подслоев наибольшего оптического ограничения) акцепторной примесью до концентрации P, выбранной в диапазоне 410¹⁷ см^-3 до 110¹⁹ см^-3, толщиной d₁₀, выбранной в диапазоне 1,5 мкм … 0,7 мкм,
– контактного слоя p⁺-GaAs с концентрацией P₁, выбранной в диапазоне 510¹⁸ см^-3 … 510¹⁹ см^-3, и толщиной d₁₀, выбранной в диапазоне 0,2 мкм . .. 0,5 мкм.

Заметим, что наличие градиентного слоя непринципиально. Он может отсутствовать. Кроме того, при увеличении толщины нелегированной части ограничительного подслоя HOOгр может быть соответственно уменьшена толщина легированной части так, чтобы сохранить необходимую общую расчетную толщину ограничительного подслоя HOOгр, толще которой выполнять ограничительный подслой HOOгр нецелесообразно.

Нами определено, что предложенный способ увеличения диапазона рабочих частот лазерной модуляции может быть реализован не только в описанной модификации, но также на других полупроводниковых материалах, для различных диапазонов длин волн излучения.

Сущностью настоящего изобретения является оригинальный выбор отличительных существенных признаков, которые не являются очевидными.

Неочевидность состоит в необычном выявленном соотношении концентраций P/N легирующих примесей в легированных ограничительных подслоях HOOгр противоположного типа проводимости, а также в требовании распространения области объемного заряда на всю ширину слоев и подслоев между ограничительными легированными подслоями HOOгр, ближайшими к активному слою так, чтобы границы объемного заряда находились в ограничительных легированных подслоях HOOгр. Неочевидность также состоит в том, что введен нелегированный ограничительный подслой HOOгр толщиной, равной части толщины области объемного заряда, равной d_НП. Определено, что путем предложенных изменений конструкции Лазера, соответствующих указанным существенным отличительным признакам способа, можно регулировать ширину полосы рабочих частот лазерной модуляции.

Совокупность существенных отличительных признаков предложенного способа в соответствии с формулой изобретения определила его основные достоинства: обеспечение при высокочастотной модуляции сужения спектра генерации широкополосного Лазера и стабилизации длины волны одночастотного Лазера, работающего при повышенных выходных мощностях излучения.

Техническая реализация изобретения основана на известных базовых технологических процессах, которые к настоящему времени хорошо разработаны и широко применяются при изготовлении Лазеров. Предложенный настоящим изобретением способ применим по крайней мере для всех известных в настоящее время диапазонов длин волн лазерного излучения и гетероструктурных систем.

Краткое описание чертежей
Настоящее изобретение поясняется чертежами, изображенными на фиг. 1 – 8.

На фиг. 1 схематично изображено продольное сечение Лазера с полосковой областью генерации излучения, выполненной в виде мезаструктуры.

На фиг. 2 схематично изображено продольное сечение конкретной гетероструктуры.

На фиг. 3 изображен график распределения акцепторной примеси в указанной конкретной гетероструктуре.

На фиг. 4 изображены графики зависимости ширины полосы модуляции по уровню -3 дБ от излучаемой мощности для Лазеров, изготовленных из гетероструктур, характеризуемых различными отношениями P/N.

На фиг. 5 изображена ватт-амперная характеристика Лазера.

На фиг. 6 изображен график зависимости предельной мощности в одночастотном режиме от концентрации дырок в ограничительных подслоях наибольшего оптического ограничения, легированных акцепторной примесью, при концентрации электронов N = 10¹⁸ см^-3 в ограничительных подслоях наибольшего оптического ограничения, легированных донорной примесью.

На фиг. 7 изображена диаграмма направленности Лазера в плоскости, параллельной плоскости p-i-n гетероперехода при разных уровнях выходной мощности.

На фиг. 8 изображен спектр излучения Лазера при разных уровнях выходной мощности.

Варианты осуществления изобретения
В дальнейшем изобретение поясняется описанием конкретных исполнений со ссылками на прилагаемые чертежи и графики на фиг. 1 – 8. Приведенные примеры не являются единственными.

Одна из модификаций реализации предлагаемого способа увеличения диапазона рабочих частот лазерной модуляции представляет собой Лазер 1, схематично изображенный на фиг. 1, в котором сформирована мезаполосковая область (мезаполоска) 2.

Данная модификация Лазера 1 выполнена из гетероструктуры 3 типа РОДГС с двумя квантовыми ямами (схематично изображена на фиг. 1 и 2), которые изготавливали МОС-гидридным методом.

Данная модификация Лазера 1 выполнена из гетероструктуры 3 типа РОДГС с двумя квантовыми ямами (схематично изображена на фиг. 1 и 2), которые изготавливали МОС-гидридным методом.

В качестве подложек 4 использовали пластины арсенида галлия, выращенного методом горизонтальной направленной кристаллизации, с концентрацией носителей n = 210¹⁸ см^-3.

В гетероструктуре 3 были выполнены p-типа ограничительные подслои HOOгр 5 с различной концентрацией носителей P в диапазоне от 410¹⁷ см^-3 до 110¹⁹ см^-3. Конкретные значения концентрации носителей P для примеров 1 – 6 указаны в таблице. На подложке 4 была выращена следующая последовательность слоев: буферный слой 6 GaAs:Si с концентрацией носителей N, равной 210¹⁸ см^-3, ограничительный подслой 7 Al_xGa_1-xAs градиентного состава по x, изменяемого в диапазоне 0,05 … 0,47, толщиной d, равной 0,5 мкм, n-типа ограничительный подслой HOOгр 8 Al_0,47Ga_0,53As:Si с концентрацией носителей N, равной I10¹⁸ см^-3 толщиной d, равной 2,5 мкм, первый волноводный подслой 9 Al_0,3Ga_0,7As толщиной d, равной 0,15 мкм, активный слой 10, состоящий из следующих подслоев (подслои активного слоя 10 на фигурах не показаны): первый активный подслой GaAs толщиной d, равной 8 нм; барьерный подслой Al_0,30Ga_0,7As толщиной d, равной 15 нм, второй активный подслой GaAs толщиной d, равной 8 нм, после активного слоя 10 выращивали второй волноводный подслой 11 Al_0,3Ga_0,7As толщиной d, равной 0,15 мкм, нелегированный ограничительный подслой HOOгр 12 Al_0,47Ga_0,53As:Zn толщиной d, равной 0,3 мкм, p-типа ограничительный подслой HOOгр 5 Al_0,47Ga_0,53As:Zn толщиной d, равной 1,7 мкм, контактный слой 13 p⁺-GaAs с концентрацией носителей P, равной 210¹⁹ см^-3, толщиной d, равной 0,5 мкм. Концентрацию носителей в слоях гетероструктуры, а также состав пленок контролировали на CV-профайлере Polaron 4200. Толщины слоев контролировали с помощью оптического и сканирующего электронного микроскопа.

Мезаполоску 2 одномодового Лазера 1 изготавливали методом ионно-химического травления. Ширина мезаполоски 2 в области контактного слоя 13 составляла 3 мкм. Для получения устойчивой генерации на основной моде расстояние от активного слоя 10 до нижнего края мезаполоски 2 задавали 0,2-0,3 мкм. Такими образом глубина травления мезаполоски 2 была чуть более 2 мкм. Токовое и оптическое ограничение создавалось заращиванием мезаполоски 2 слоем 14 высокоомного ZnSe [11]. На поверхность заращенной таким образом гетероструктуры 3 наносили омические контакты 15 Ti/Ni/Au и гальванические подушки 16 золота для планаризации поверхности [11] . После утонения на пластину со стороны подложки 4 наносились омические контакты 17 Ge/Au. Далее пластину скалывали на кристаллы с длиной резонатора от 200 до 1000 мкм, которые паяли на медный теплоотвод (на фигурах не показано) с помощью индиевого припоя для получения лазерных диодов (далее “ЛД”). Перед монтажем на теплоотвод на грани ЛД в специальных случаях также напыляли диэлектрические многослойные покрытия (на фигурах не показано) с коэффициентами отражения 7…10% и 95% для передней и задней граней соответственно.

В таблице представлены основные характеристики гетероструктур 3 для шести примеров исполнения (столбцы 1 и 2), а также результаты исследований гетероструктур (столбцы 3-5) и ЛД (столбцы 6 – 11). Концентрация акцепторной примеси P, см^-3, в p-типа ограничительном подслое HOOгр 5 записана в столбце 3 таблицы. Концентрация донорной примеси N, см^-3, в n-типа ограничительном подслое HOOгр 8 записана в столбце 4 таблицы. Значения отношений P/N для указанных партий гетероструктур записаны в столбце 5. Все гетероструктуры 3 имели одинаковый волновод, характеризуемый одинаковыми оптическими потерями , см^-3 (см. таблицу, столбец 6). Наибольшая величина выходной мощности, до которой наблюдалась одночастотная генерация, названа предельной P_пред, мВт (см. столбец 7). Значения дифференциальной квантовой эффективности 2 , Вт/А, записаны в столбце 8, в столбце 9 – значения T₀, град K – характеристической температуры порогового тока, в столбце 10 – значения ₀ – внутреннего квантового выхода стимулированного излучения и в столбце 11 – значения , сммкм/А – постоянной усиления.

Распределение акцепторной примеси в данных гетероструктурах 3 показано на примере гетероструктуры партии 541 (см. пример 5 таблицы и фиг. 3). Наблюдаются четкие границы изменения степени концентрации акцепторной примеси P, см^-3. Полученный уровень легирования фоновыми примесями пленок GaAs составлял N, равную 210¹⁵ см^-3, а пленок AlGaAs – N, равную 610¹⁵ см^-3. Следовательно, в данных гетероструктурах 3 объемный заряд p-i-n гетероперехода формировался сильнолегированными подслоями HOOгр 8 и 5 n- и p-типа проводимости соответственно.

Все ЛД излучали на длине волны 85010 нм и имели одинаковую геометрию резонатора.

Наилучшие результаты наблюдали в Лазерах 1 примера 5 (партия 541).

Частотные характеристики ЛД были исследованы на гетероструктурах 3 примеров 1-6. ЛД были изготовлены с естественными гранями и длиной резонатора L, равной 400 мкм. Измерения проводили в стандартном корпусе диаметром 9 мм типа SOT-148. Специальных мероприятий по снижению емкости и индуктивности не проводилось. На графике видно, что для зависимости “18”, т.е. Лазера 1 из гетероструктуры 3 партии 541 – P/N равно 6,5, для зависимости “19”, т.е. Лазера 1 из гетероструктуры 3 партии 253 – P/N равно 0,4. Следовательно, увеличение отношения P/N приводит к увеличению полосы модуляции ЛД. Наблюдали сужение спектра генерации при высокочастотной модуляции на широкополосных излучателях и стабилизацию длины волны одночастотного излучения при высокочастотной модуляции для узкополосных ЛД. Для зависимости “20”, т.е. Лазера 1 из гетероструктуры 3 партии 756 – P/N равно 1. Партия 756 имела высокую концентрацию дырок P в p-типа ограничительном подслое наибольшего оптического ограничения P, равную 310¹⁸ см^-3, но такую же высокую и концентрацию электронов N в n-типа ограничительном подслое наибольшего оптического ограничения N, равную 310¹⁸ см^-3, т.е. имела отношение P/N, равным 1. При этом была получена примерно такая же ширина полосы модуляции, что и на ЛД с гетероструктурой 253, т.е. с отношением P/N, равным 0,4.

Как известно, ширина полосы модуляции определяется выражением:
BW = ( P/L)^0,5,
где – постоянная усиления, сммкм/А,
P – мощность излучения, мВт,
L – длина резонатора, мкм.

Как видно из таблицы (см. столбцы 5 и 11), увеличение отношения P/N приводит к росту постоянной усиления от 2,110^-2 сммкм/А (партия 253) до 12,1 сммкм/А (партия 541), следствием чего является увеличение ширины полосы модуляции BW. В гетероструктуре партия 756 (пример 6), несмотря на высокий уровень легирования p-типа ограничительного подслоя наибольшего оптического ограничения до P, равной 310¹⁸ см^-3, отношение P/N, равное 1. Поэтому относительно невелико и ширина полосы модуляции BW также невелика.

На фиг. 5 – 8 и в таблице приведены результаты исследований параметров Лазеров без воздействия на них высокочастотной модуляции.

На фиг. 5 представлена ватт-амперная характеристика (далее “ВАХ”) в непрерывном режиме ЛД, изготовленного из партии 541. Лазер 1 имел коэффициенты отражения 7% и 95% на передней и задней грани, соответственно, и длину резонатора L, равную 600 мкм. Наблюдали, что линейность ВАХ сохраняется до уровня мощности 180 мВт. Необходимо отметить, что время службы ЛД при уровне мощности выше излома ВАХ обычно не превышало 2 часов, в то время как для уровней мощности ниже излома ЛД работали более 500 час без значительной деградации.

Выходная мощность, при которой появляется нелинейность в ВАХ (см. фиг. 4), как определено ранее является предельной выходной мощностью P_пред (см. таблицу, столбец 7). На фиг. 6 изображена зависимость _пред от отношения P/N, т.е. от отношения концентрации дырок P в p-типа ограничительном подслое наибольшего оптического ограничения для гетероструктур 3 примеров 1-5 к концентрации электронов N в n-типа ограничительном подслое наибольшего оптического ограничения – N, равной 110¹⁸ см^-3. Видно, что с ростом отношения P/N предельная мощность увеличивается. При этом ЛД имели расходимость 40^{, т. е. достаточно сильное ограничение световой волны в волноводе. Это было сделано намеренно, чтобы показать, что именно увеличение отношения P/N приводит к увеличению P_пред. В то же время (см. таблицу 1, пример 6) на ЛД с гетероструктурой 756, которая имела высокую концентрацию дырок P в p-типа ограничительном подслое наибольшего оптического ограничения P, равную 31018 см-3, но такую же высокую и концентрацию электронов N в n-типа ограничительном подслое наибольшего оптического ограничения N, равную 31018 см-3, т. е. имела отношение P/N, равным 1, была получена примерно такая же P_пред, что и на ЛД с гетероструктурой 254, т.е. с отношением P/N, равным 1.}

На фиг. 7 представлена диаграмма направленности этого ЛД в плоскости параллельной p-i-n гетеропереходу при различных уровнях мощности: 21 – при 50 мВт, 22 – при 100 мВт и 23 – при 150 мВт. Видно, что ЛД излучает на основной пространственной моде до мощности более 150 мВт.

Спектры излучения полученного ЛД (пример 5) при разных уровнях выходной мощности, а именно: 24 – при 2 мВт, 25 – при 70 мВт и 26 – при 175 мВт, изображены на фиг. 8, из которого видно, что в диапазоне мощностей от 2 до 180 мВт спектр является одночастотным, т.е. прибор излучал на одной продольной моде. По достижении 180 мВт на ВАХ (см. фиг. 4) наблюдался излом и появлялась мода более высокого порядка. При этом в спектре излучения появлялись дополнительные максимумы интенсивности. Вышеизложенные факты позволяют говорить, что появление нелинейности ВАХ обусловлено эффектом пространственного выжигания дырки.

Кроме того, с ростом отношения P/N увеличиваются внешняя дифференциальная квантовая эффективность 2 и характеристическая температура порогового тока T₀, что говорит о снижении токовых утечек из активной области (см. таблицу, столбцы 8 и 9). Также увеличивается внутренний квантовый выход стимулированного излучения с ростом отношения P/N (см. таблицу, столбец 10).

В другом примере были изготовлены гетероструктуры 3 с теми же параметрами, но отсутствовал нелегированный подслой HOOгр 12.

Анализ методом вторичной масс-спектроскопии выполненной гетероструктуры 3 показал, что при выращивании гетероструктуры 3 имела место диффузия акцепторной примеси из p-типа ограничивающего сильнолегированного подслоя HOOгр 5 в прилегающий выращиваемый нелегированным волноводный подслой 11.

В Лазерах с такой гетероструктурой объемный заряд p-i-n гетероперехода формировался между n-типа ограничительным подслоем HOOгр 8 и p-типа волноводным подслоем 11, что привело к значительному ухудшению частотных характеристик Лазера 1. Также не наблюдалось сужения спектра при высокочастотной модуляции. Получено, что ЛД сохраняли одночастотный характер спектра генерации до более чем в три раза меньших значений предельной выходной мощности излучения P_пред – до 50-60 мВт. При этом не было стабилизации длины волны одночастотного излучения при высокочастотной модуляции. Кроме того, снижалась внешняя дифференциальная квантовая эффективность 2 – до 0,43 Вт/А, ухудшались температурные характеристики лазеров – T₀ до порядка 115К.

Таким образом, предложенным способом увеличения диапазона рабочих частот лазерной модуляции получено сужение спектра генерации Лазеров и стабилизирована длина волны лазерного излучения в одномодовом и одночастотном режимах при высокочастотной модуляции.

Промышленная применимость
Предложенные источники излучения используются в волоконно-оптических системах связи и передачи информации, в оптических сверхскоростных вычислительных и коммутационных системах, открытой оптической связи, в системах оптической памяти, спектроскопии, а также для накачки твердотельных и волоконных лазеров, при создании лазерного технологического оборудования, медицинского оборудования, измерительных устройств и т.д.

Литература
1. Физика полупроводниковых лазеров, п./р. Х.Такумы, М., “Мир”, 1989, гл. 6, сс. 18-19.

2. S. S. Ou et al., Electronics Letters (1992), v. 28, N 25, pp. 2345-2346.

3. Handbook of Semiconductor Lasers and Photonic integrated circuits, edited by Y.Suematsu and A.R. Adams, “Chapman-Hill”, London, 1994, pp. 44-45, 393-417.

4. Физика полупроводниковых лазеров, п./р. Х.Такумы, М., “Мир”, 1989, гл. 6, сс. 145-148.

5. Патент США 4,441,187 (Jean-Claude BOULEY, Josette CHARIL, Guy CHAMINANT), 03.04.1984, 372/46, H 01 S 3/19.

7. Патент США 4679199 (GTE LABORTORIES INC.), 07.07.1987, 372/44, H 01 S 3/19.

8. Патент США 4706253 (GTE LABORTORIES INC.), 10.11.1987, 372/44, H 01 S 3/19.

9. П. Г. Елисеев “Введение в физику инжекционных лазеров”, Москва, “Наука”, 1983, сс. 156-162.

10. Х. Кейси, М. Паниш “Лазеры на гетероструктурах”, Мир, Москва, 1981, сс. 228-281.

11. Патент РФ 1831213 (ФГУП НИИ “ПОЛЮС”), 22.08.90, H 01 S 3/19.

Формула изобретения

1. Способ регулирования диапазона рабочих частот лазерной модуляции, включающий создание гетероструктуры с активным слоем и прилегающими к нему с двух сторон ограничительными слоями, включающими с каждой стороны по крайней мере по одному ограничительному подслою наибольшего оптического ограничения, имеющих противоположные типы электропроводности, отличающийся тем, что между ограничительными легированными подслоями наибольшего оптического ограничения, ближайшими к активному слою, в том числе в активном слое обеспечивают уровень фоновой примеси, ограничительные легированные подслои наибольшего оптического ограничения, ближайшие к активному слою, легируют так, чтобы регулируемое отношение концентрации дырок Р в подслое наибольшего оптического ограничения р-типа электропроводности со стороны р-типа к концентрации электронов N в подслое наибольшего оптического ограничения n-типа электропроводности со стороны n-типа P/N было более единицы, причем изменяют соотношение P/N, выбирая концентрации Р в диапазоне от 410¹⁷ см^-3 до 110¹⁹ см^-3, а концентрации N в диапазоне от 210¹⁷ см^-3 до 210¹⁸ см-³, при этом обеспечивают расположение границ объемного заряда p-i-n гетероперехода в ограничительных легированных подслоях наибольшего оптического ограничения.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что уровень фоновый примеси обеспечивают менее 210¹⁶ см^-3.

3. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что величину P/N выбирают в диапазоне от 3 до 20.

4. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что в ограничительном легированном подслое р-типа концентрацию акцепторной примеси выбирают превышающей 210¹⁸ см^-3.

5. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что в ограничительном легированном подслое n-типа концентрация донорной примеси выбрана не менее 210¹⁷ см^-3 и не более 210¹⁸ см^-3.

6. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что по крайней мере в одном ограничительном слое со стороны активного слоя выращивают примыкающим к ограничительному легированному подслою наибольшего оптического ограничения того же состава ограничительный нелегированный подслой наибольшего оптического ограничения, толщиной, превышающей толщину диффузии примеси из ограничительного легированного подслоя наибольшего оптического ограничения, и не более толщины d_НП, равной части толщины области объемного заряда p-i-n гетероперехода, приходящейся на ограничительный нелегированный подслой наибольшего оптического ограничения.

7. Способ по п.6, отличающийся тем, что толщину d_НП выбирают равной толщине D_ОЗ области объемного заряда p-i-n гетероперехода за вычетом суммы, составленной из толщины d_N области объемного заряда в ограничительном легированном подслое наибольшего оптического ограничения n-типа, толщины _Р области объемного заряда в ограничительном легированном подслое наибольшего оптического ограничения р-типа, толщины _АС активного слоя.

8. Способ по п.6, отличающийся тем, что толщину d_НП выбирают равной толщине D_ОЗ области объемного заряда p-i-n гетероперехода за вычетом суммы, составленной из толщины d_N области объемного заряда в ограничительном легированном подслое наибольшего оптического ограничения n-типа, толщины _Р области объемного заряда в ограничительном легированном подслое наибольшего оптического ограничения р-типа, толщины _АС активного слоя и толщины d_ДП дополнительных ограничительных подслоев между активным слоем и ограничительными подслоями наибольшего оптического ограничения.

9. Способ по любому из пп.6-8, отличающийся тем, что ограничительный нелегированный подслой наибольшего оптического ограничения выполняют толщиной, выбранной в диапазоне 0,1-1,0 мкм.

10. Способ по любому из пп.6-9, отличающийся тем, что ограничительный нелегированный подслой наибольшего оптического ограничения выращивают только со стороны ограничительного легированного подслоя наибольшего оптического ограничения р-типа проводимости.

11. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что по крайней мере в одном ограничительном слое выращивают примыкающим к активному слою волноводный подслой.

12. Способ по п.11, отличающийся тем, что волноводный подслой с другой стороны граничит с соответствующим ограничительным легированным подслоем наибольшего оптического ограничения.

13. Способ по п.11, отличающийся тем, что волноводный подслой с другой стороны граничит с ограничительным нелегированным подслоем наибольшего оптического ограничения.

14. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что активный слой выращивают по крайней мере из одного подслоя.

15. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что активный слой выполняют в виде одного квантово-размерного активного подслоя.

16. Способ по п.14, отличающийся тем, что активный слой выращивают по крайней мере из трех квантово-размерных подслоев, а именно, из по крайней мере двух активных квантово-размерных подслоев, разделенных барьерным квантово-размерным подслоем.

17. Способ по п.16, отличающийся тем, что между каждыми двумя активными квантово-размерными подслоями выращен барьерный квантово-размерный подслой.

18. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что область усиления формируют полосковой.

19. Способ по п.18, отличающийся тем, что в гетероструктуре выполняют барьерные области.

20. Способ по п.19, отличающийся тем, что с помощью барьерных областей формируют по крайней мере одну мезаполоску.

21. Способ по п.19 или 20, отличающийся тем, что барьерные области выполняют на глубину, превышающую глубину расположения активного слоя.

22. Способ по п.20, отличающийся тем, что основание мезаполоски размещают над активным слоем на расстоянии от 0,2 до 0,8 мкм.

23. Способ по пп.18 или 19, отличающийся тем, что по крайней мере один из подслоев ограничительного слоя формируют с профильной поверхностью и по крайней мере активный слой выращивают повторяющим данный профиль.

24. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что ограничительный легированный слой со стороны р-типа проводимости легируют цинком, или магнием, или кадмием, или бериллием.

РИСУНКИ