Главная | Обратная связь

МОЩНЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ЛАЗЕРЫ

В последнее время полупроводниковые лазеры с вертикальным резонатором (другое название вертикально - излучающие лазеры – ВИЛ) находят широкое применение в быстродействующих системах волоконно-оптической связи, оптических сенсорах и устройствах обработки информации. В этих лазерах используется тот же метод квантовых точек, что и в рассмотренной в главе 2 транзисторе на квантовых точках вертикального типа. Основные преимущества вертикально - излучающего лазера по сравнению с традиционными инжекционными лазерами полосковой конструкции – малая угловая расходимость и симметричная диаграмма направленности выходного оптического излучения, групповая технология изготовления и возможность тестирования приборов непосредственно на пластине. Планарная технология вертикально - излучающего лазера позволяет формировать двумерные матрицы с большим числом излучателей индивидуальной адресации. Такие матричные излучатели рассматриваются в качестве наиболее перспективных источников для реализации оптической коммутации электронных модулей в будущих высокопроизводительных вычислительных системах, создания оптических векторных процессоров и быстродействующих многоканальных коммутаторов для нейронных сетей.

В качестве зеркал вертикально – излучающего лазера, ограничивающих вертикальный микрорезонатор Фабри-Перо, используются распределенные брэгговские отражатели (РБО). Наиболее широко распространена конструкция с легированными полупроводниковыми распределенными брэгговскими отражателями на основе чередующихся четвертьволновых слоев Al_xGa_1-xAs различного состава (рис.5.1).

Рисунок 5.1 Схема ПЛВР:

- 1,7 – контакты;

- 2,5 – брэгговские зеркала;

- 3 – активный слой, состоящий из нескольких квантовых ям;

- 4 – А-слой;

- 6 – подложка.

В таких приборах инжекция носителей заряда в активную область обеспечивается за счет протекания тока непосредственно через зеркала. При этом для пространственного ограничения активной области вертикально - излучающего лазера в латеральном направлении применяются изолирующая имплантация протонов или селективное окисление скрытых слоев AlGaAs (формирование апертуры). Однако реализация легированных распределенных брэгговских отражателей с низким сопротивлением требует использования сложных профилей легирования и состава на границах слоев, которые надо контролировать с высокой точностью. Кроме того, в конструкциях с легированными зеркалами сравнительно трудно получить малые значения паразитной емкости, что может ограничивать частотный диапазон приборов, а большая толщина легированных распределенных брэгговских отражателей ухудшает отвод тепла от активной области прибора и усложняет процедуру травления изолирующей мезы.

В последние годы активно разрабатываются конструкции вертикально –

излучающего лазера с непроводящими зеркалами, в которых один или оба контакта выполнены к проводящим слоям, непосредственно примыкающим к активной (излучающей) области вертикально - излучающего лазера (intracavity-contacted VCSELs – ICVCSELs). В частности, такой подход был успешно использован при создании вертикально - излучающего лазера с активной областью на основе массивов самоорганизующихся квантовых точек, когда требуется обеспечить минимально возможный уровень оптических потерь в микрорезонаторе. Кроме того, поскольку в данном случае обе контактные площадки располагаются на лицевой стороне структуры, ICVCSELs идеально подходят для монтажа методом перевернутого кристалла (flip-chip) с выводом излучения через подложку, широко используемого при интеграции матричных излучателей на основе вертикально - излучающего лазера и цифровых кремниевых интегральных схем. Однако успешная реализация вертикально - излучающего лазера с непроводящими эпитаксиальными зеркалами возможна только при прецизионном травлении глубоких многоступенчатых меза-структур.

Новой интересной возможностью в технологии ICVCSELs является использование зеркал на основе AlGaО/GaAs, формируемых путем латерально селективного окисления в парах Н₂О слоев Al_xGa_1-xAs с высоким содержанием AlAs х. Значительное различие коэффициентов преломления материалов для распределенного брэгговского отражателя с окисленными слоями позволяет обеспечить необходимый уровень отражения в широком диапазоне длин волн при существенно меньшем числе пар четвертьволновых слоев. В то же время необходима тщательная калибровка состава слоев эпитаксиальной структуры для обеспечения заданных скоростей окисления. Это особенно критично в случае формирования окисленных зеркал и токовых апертур в одном процессе, а также при реализации матриц вертикально - излучающего лазера, когда необходимо обеспечить 100-процентный выход годных приборов в пределах кристалла матрицы. Другая серьезная проблема при конструировании матричных излучателей – обеспечение возможности монтажа методом перевернутого кристалла, для чего желательно выполнить металлизацию всех контактных площадок на одном уровне по высоте. Это обусловливает повышенные требования к механической надежности зеркал с окисленными слоями.

Ранее были разработаны дискретные вертикально - излучающие лазеры с активной областью на основе квантовых ям (КЯ) InGaAs, нижним полупроводниковым распределенным брэгговским отражателем и верхним распределенным брэгговским отражателем с окисленными слоями, в которых была реализована лазерная генерация в непрерывном режиме при комнатной температуре с пороговыми токами 0.5-1.5 мА, дифференциальной эффективностью до 0.5мВт/мА и максимальной выходной мощностью до 3 мВт. В работе [3] представлены результаты разработки конструкции и технологии изготовления матрицы вертикально - излучающего лазера с непроводящими зеркалами, содержащей 8 х 8 излучателей индивидуальной адресации.

Предложенная конструкция индивидуального лазерного излучателя для матриц вертикально - излучающего лазера схематически представлена на рисунке 5.2.

Рисунок 5.2 Индивидуальный лазерный излучатель

За основу использован предложенный ранее вариант конструкции вертикально - излучающего лазера с нижним нелегированным полупроводниковым распределенным брэгговским отражателем AlGaAs/GaAs и верхним распределенным брэгговским отражателем AlGaО/GaAs. Основное отличие по сравнению с дискретным прибором состоит в размещении площадки р-контакта непосредственно на поверхности распределенного брэгговского отражателя AlGaО/GaAs над активной областью. В случае монтажа методом перевернутого кристалла это должно улучшить отвод тепла от активной области вертикально - излучающего лазера. Кроме того, в предложенной конструкции слои металлизации обеих контактных площадок расположены на одном уровне по высоте, что существенно облегчает монтаж методом перевернутого кристалла. В предлагаемой конструкции отсутствует необходимость в травлении третьей (изолирующей) мезы или проведения изолирующей имплантации.

Структуры вертикально - излучающего лазера с активными слоями на основе квантовых ям InGaAs выращивались методом молекулярно-пучковой эпитаксии (МПЭ) и на полуизолирующих подложках GaAs ориентации (001) с использованием лабораторной установки МПЭ Riber 32Р. Типичная эпитаксиальная структура состоит из верхнего нелегированного распределенного брэгговского отражателя, содержащего 7 пар слоев GaAs/Al_0.97Ga_0.03As, неоднородно-легированного контактного соля р-GaAs, верхнего апертурного слоя р-Al_0.98Ga_0.02As с градиентным изменением состава на границах, нелегированной активной области с 2 квантовыми ямами In_0.15Ga_0.85As в матрице Al_0.15Ga_0.85As, нижнего апертурного слоя n-Al_0.98Ga_0.02As с градиентным изменением состава на границах, контактного слоя n-GaAs и нижнего распределенного брэгговского отражателя, содержащего 19 пар слоев Al_0.9Ga_0.1As/GaAs. Толщины слоев AlGaAs и GaAs в нижнем распределенном брэгговском отражателе, апертурных слоев и слоев GaAs в верхнем распределенном брэгговском отражателе примерно соответствуют ¼ резонансной длины волны λ_Bragg вертикального микрорезонатора. Толщины слоев Al_0.97Ga_0.03As в верхнем распределенном брэгговском отражателе выбираются так, чтобы после окисления их толщина соответствовала ¼λ_Bragg (с учетом изменения показателя преломления и некоторого механического сжатия слоев после окисления). Полная геометрическая толщина резонатора L_cav примерно соответствует 5λ_Bragg. В некоторых структурах между подложкой и нижним полупроводниковым распределенным брэгговским отражателем выращивались дополнительные слои Al_0.9Ga_0.1As и GaAs толщиной ~λ_Bragg, используемые в качестве стоп-слоев при химическом травлении сквозных окон в подложке, предназначенных для вывода излучения.

Основной проблемой при эпитаксиальном выращивании структур вертикально - излучающего лазера является необходимость прецизионного (с точностью не хуже 1%) контроля толщины и состава слоев. Использование предварительных калибровок не всегда обеспечивает необходимую точность из-за возможных флуктуаций скоростей роста и положения держателя подложки, особенно при использовании установок молекулярно-пучковой эпитаксии лабораторного типа. Для воспроизводимого получения заданной резонансной длины волны использовалась предложенная ранее процедура, состоящая в прерывании роста после завершения формирования активной области, измерении спектра отражения от частично сформированной эпитаксиальной структуры в высоковакуумной камере установки молекулярно-пучковой эпитаксии и внесении соответствующих корректировок в режимы выращивания верхнего зеркала.

К числу наиболее критичных операций в технологии вертикально - излучающего лазера относится прецизионное травление многоступенчатых меза-структур и селективное окисление слоев AlGaAs.

Фотография кристаллов матричных излучателей представлена на рис.3.3. Были получены образцы лазерных матриц форматом 8 х 8 со 100 % годных излучателей при шаге между индивидуальными вертикально - излучающими лазерами 750 мкм. Распределение выходной мощности индивидуальных вертикально - излучающих лазеров по площади для одного из изготовленных матричных излучателей представлено на рисунке 3.4.

ЛЕКЦИЯ 6