Функциональная электроника (стр. 3 из 3)

Совершенствование технологии создания ППЛ позволило значительно снизить пороговые токи при одновременном повышении дифференциального КПД ηдиф, определяемого тангенсом угла наклона ватт-амперной характеристики. Так, для типичного гомолазера Jпор

104-105А/см2, ηдиф 10% (приводятся усредненные значения, поскольку Jпор и ηдиф зависят от температуры, толщины активного слоя и уровня легирования). Однако уже для первых образцов гетеролазеров с односторонним ограничением, появившихся в 1969г. и содержащих один гетеропереход, удалось снизить Jпор до величины порядка 103А/см2 и повысить ηдиф до 40%. Несмотря на это, такие лазеры не способны работать в непрерывном режиме. При комнатной температуре может быть реализован импульсный режим работы с РИ = 10 - 30 Вт, f 25 кГц, τ 100 нс.

В том же году Ж.И. Алфёровым были созданы более эффективные ППЛ на основе двойных гетероструктур с Jпор

400 - 800 А/см2 и ηдиф > 55%, способные генерировать в непрерывном режиме при комнатной температуре.

Современная технология позволяет создавать гетеролазеры с контролируемым модовым составом излучения при Jпор

100 А/см2, генерирующим в диапазоне длин волн от 0,3 до 32 мкм. Активный слой изготавливают из легированных соответствующим образом трех - или четырехкомпонентных полупроводниковых соединений, выращенных методом газофазной, жидкофазной или молекулярно-лучевой эпитаксии на основе GaAs - или GaP-подложки. Высокой эффективностью вследствие малого рассогласования периодов кристаллических решеток отличаются гетероструктуры типа GaAs/GaAlAs, InP/GalnAsP, InP/AlGaAsSb, CdTe/CdHgTe и др.

Рис.3.1

На рис.3.1. приведены наиболее распространенные конструкции инжекционных ППЛ. Импульсные лазеры имеют обычно широкие контакты, плоский или гофрированный активный слой (рис.3.1, а, б). Для большинства непрерывных лазеров, работающих при комнатной температуре, характерна полосковая геометрия с резонатором, образованным зеркальными сколами торцевых поверхностей кристалла. Полосковый контакт (рис.3.1, в) обеспечивает уменьшение ширины активного слоя W до величины 3-25 мкм и резкое снижение порогового тока. На практике применяют различные методы формирования полосковых структур – с использованием окисной изоляции (рис.3.1, в), мезаструктур, создание высокоомных областей, окружающих активный слой с боковых сторон, и др. При W < 10 мкм удается устранить возникновение в пределах активного слоя нескольких областей с высокой интенсивностью излучения (так называемых световых "шнуров"), которые можно трактовать как поперечные моды. На рис.3.2. показана структура таких мод при различной ширине активного слоя W. Видно, что при W = 10 мкм излучается одна мода, характеризуемая гауссовским распределением интенсивности.

Рис.3.2

Гетероструктура с канавкой, которую формируют перед выращиванием эпитаксиальных слоев (рис.3.1, г), обеспечивает одномодовую генерацию. Иногда толщину слоев гетероструктуры делают переменной, а сами слои располагают наклонно, как, например, в ППЛ «террасного» типа (рис.3.1, д). Минимальный по ширине пучок излучения характерен для ППЛ с «зарощенной» мезаполосковой структурой (рис.3.1, е), с V-образной структурой (рис.3.1, ж) и с поперечным p-n-переходом (рис.3.1, з).

Наилучшими характеристиками обладают инжекционные ППЛ с «зарощенной» мезаполосковой гетероструктурой, в которых активная область имеет форму полоски прямоугольного сечения площадью dW < 1 мкм2, погруженной в среду с меньшим показателем преломления и более широкой запрещенной зоной. Эффективная электрическая изоляция вне активной области и малый объем активной области позволяют снизить пороговые токи до нескольких миллиампер, а потребляемую электрическую мощность – до нескольких десятков милливатт. Такие ППЛ имеют достаточно высокий КПД, могут излучать в одномодовом и даже одночастотном режиме мощность до 5 мВт, обладают хорошими модуляционными характеристиками (fмод > 2 ГГц). Срок их службы превышает 10 000 ч.

При необходимости увеличить мощность излучения используют ППЛ с дополнительными волноводными слоями, называемыми BOG-Lasers (лазеры с «большим» оптическим резонатором). Такие лазеры при длине резонатора 300 мкм, ширине 2-4 мкм и толщине активного слоя 0,1 мкм стабильно генерируют в одномодовом режиме мощности более 10 мВт (с защитными покрытиями на зеркалах до 30 мВт) при КПД выше 30%. Типичные значения Jпор составляют 1,4-1,8 кА/см2, минимальный пороговый ток в непрерывном режиме 9 мА.

В настоящее время ведутся работы по совершенствованию инжекционных ППЛ, направленные на увеличение срока их службы, КПД, мощности излучения, расширение диапазона длин волн генерируемого излучения, создание перестраиваемых лазеров. Одна из наиболее актуальных задач, особенно для непрерывных лазеров, - увеличение гарантийного срока службы до 100 000 ч, характерного для других элементов электронной техники. В связи с этим тщательно исследуются механизмы деградации инжекционных ППЛ, связанные с длительным протеканием электрического тока большой плотности и "старением" полупроводникового материала.

В зависимости от характера проявления и скорости развития выделяют три группы деградационных процессов: 1) катастрофическая деградация; 2) образование дефектов темных линий; 3) медленная деградация.

При катастрофической деградации происходит разрушение зеркал резонатора (Ркр

1,5-106 Вт/см2), появление трещин или оплавлений вблизи активного слоя при недостаточном теплоотводе и т.д. Эффективное средство борьбы с такими процессами – улучшение качества контактов и теплоотвода, введение технологических тренировок и отбраковок.

Дефекты темных линий представляют собой трехмерную сетку дислокаций, которая формируется в процессе работы ППЛ и внедряется внутрь резонатора. Развитие дефектов ускоряется под действием механических напряжений. В области таких дефектов скорость безызлучательной рекомбинации высока, следовательно, велики потери генерируемого излучения, а это приводит к увеличению Iпор. Для уменьшения вероятности образования дефектов темных линий необходимо использовать совершенные эпитаксиальные структуры с низкой плотностью дислокаций и малыми механическими напряжениями.

Если устранить причины, вызывающие катастрофическую деградацию из-за дефектов темных линий, ППЛ могут непрерывно работать в течение многих лет с относительно медленной деградацией свойств, обусловленной миграцией неконтролируемых примесей в активную область и постепенным увеличением там концентрации безызлучательных центров, ростом теплового сопротивления, а также последовательного сопротивления слоев и т.д. При этом наблюдается однозначная связь: чем меньше значение Iпор, тем выше долговечность ППЛ.

Отметим одну особенность инжекционных ППЛ, которую необходимо учитывать при их использовании, а именно: большую угловую расходимость излучения. Она различна в плоскости активного слоя (θII

10°) и в перпендикулярном направлении (θ┴ 35-60°) (рис.3.4). Другими словами, степень пространственной когерентности инжекционных ППЛ невелика.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Технологические лазеры. Справочник: 2 том. Под ред.В.Г. Гонтарь, А.А. Колпаков, М., - 1991г.

2. Н.М. Тугов, Б.А. Глебов. Полупроводниковые приборы. М., - 1990г.

3. А.Г. Смирнов. Квантовая электроника и оптоэлектроника. М., - 1987г.

4. В.В. Пасынков, Л.К. Чиркин. Полупроводниковые приборы. М., - 1978г.