Исследование излучательных характеристик гетероструктур InGaAsP/IпР и лазеров на их основе

Основы полупроводниковой оптоэлектроники были заложены в начале 60-х годов созданием спонтанных [63Г1], а затем когерентных источников [62X0 излучения. Следующим этапом в развитии полупроводниковой оптоэлектроники было применение р-п гетеропереходов, позволившее получить непрерывный режим генерации инжекционного гетеролазера при комнатной температуре [70AI]. Перспективность и преимущества использования р-п гетеропереходов перед гомоперехо-дами для получения излучателей и других полупроводниковых приборов было убедительно продемонстрировано Ж. И. Алферовым с сотрудниками на примере системы A6GaAs/CaAs в ФТИ им. А. Ф. Иоффе АН СССР. На основе таких гетероструктур был создан ряд новых приборов оптоэлектроники и усовершенствованы известные приборы, которые создавались на основе гомопереходов [77А2]. Полупроводниковый инжекционный лазер, созданный на основе р-п гетероперехода, работающий при комнатной температуре, является базовым элементом полупроводниковой оптоэлектроники и остается вне конкуренции в областях применений, требующих миниатюрности, экономичности, без-ннерционности и исключающих принудительное охлаждение активного элемента.

Широкое применение первые гетеролазеры на основе системы A? CaAs/CaAs нашли в системах волоконно-оптических линий связи (ВОЛС), действующих на длине волны, А = 0,8 * 0,9 мкм. В последнее время успехи в технологии стекловолокна потребовали создания источников излучения для диапазона я = 1,1 * 1,7 мкм, на который приходятся минимальные оптические потери и нулевая дисперсия в стекловолокне [75PI, 79MI]. Излучатели для этого диапазона могут быть изготовлены на основе системы твердых растворов InGaAsP, совпадающих по параметру решетки с подложкой ItiP. Постоянство параметра решетки в твердых растворах InGaAsP достигается на основе принципа изопериодического замещения [7IAI], позволяющего создавать гетероструктуры с полным совпадением параметров решеток.

К моменту начала выполнения настоящей работы (1978 г.) в литературе были лишь отрывочные сведения о люминесцентных свойствах гетероструктур InGaAsP/InP. Отсутствовали такие важные сведения как влияние несоответствия параметров решетки (НИР) и локализации р-п перехода в гетероструктуре на излучательные характеристики лазеров. Не было методики исследования упругих деформаций и напряжений в готовых лазерах, которая очень важна для прогнозирования их срока службы. Не ясен был вопрос создания одночастотных лазеров непрерывного действия при комнатной температуре. Поэтому решение этих задач и ряда других, полученных в данной работе позволяют считать её актуальной как с научной, так и практической точек зрения.

Поэтому основной целью данной работы было следующее.

Исследование излучательных характеристик двойных гетероструктур (ДГС) InGaAsP/InP для разработки технологии изготовления низкопороговых лазеров с широким контактом и лазеров полосковых конструкций непрерывного действия на длинах волн 1,3 и 1,55 мкм при комнатной температуре, пригодных для использования в системах волоконно-оптических линий связи (ВОЛС). Достижение поставленной цели распадалось на решение следующих основных задач:

1. Разработка оптического метода определения несоответствия параметров решетки (НПР), упругих деформаций и напряжений по люминесценции гетероструктур InGaAsP/InP.

2. Исследование излучательных характеристик лазерных ДГС InGaAsP/IriP с Я — 1,3 и 1,55 мкм с целью оптимизации величины НПР и локализации р-п перехода по отношению к гетерогранице.

3. Исследование излучательных характеристик полосковых лазеров различных конструкций с целью разработки технологии изготовления одномодовых низкопороговых лазеров непрерывного действия при комнатной температуре, пригодных для систем ВОЛС.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения.

Основные результаты данной работы сводятся к следующему.

1. Предложен и реализован оптический метод определения НПР, упругих, деформаций и напряжений в гетероструктурах InGaAsP/InP по спектральным зависимостям степени линейной поляризации фото-и электролюминесценции.

2. Получено аналитическое выражение для спектральной зависимости степени линейной поляризации в п-материале. Определены константы деформационного потенциала в = -1,8, d = -4,9 эВ и п—ХпР и V = -0,55, d' = -1,45 эВ в р-1пР.

3. Исследованы поляризационные свойства рекомбинационного излучения гетероструктур InGaAsP/InP, деформированных из-за несоответствия параметров решеток контактирующих слоев.

4. Впервые получены экспериментальные зависимости пороговой плотности тока, дифференциальной квантовой эффективности и внешнего квантового выхода в лазерных ДГС InGaAsP/InP от НПР. При этом показано, что для получения низкопороговых гетероструктур с Я=г1,3 и 1,55 мкм с максимальной ^ необходимо выполнить условие совпадения НПР при температуре эпитаксии, тогда при комнатной температуре в таких ДГС за счет разницы в КТР InP и InGaAsP НПР составляет ~ 0,05 $ для д 1,3 мкм и ^ 0,1 $ для, А — 1,55 мкм.

5. Показано, что локализация р-п перехода в лазерных ДГС InGaAsP/InP оказывает сильное влияние на ПОр и fyd. Минимальными <£/ПОр и максимальной /до обладают структуры, у которых р-п переход и гетерограница совпадают. Для совмещения р-п перехода и гетерограницы необходимо после узкозонной активной области наращивать промежуточный слой нелегированного широкозонного эмиттера п-типа, а затем слой р-типа.

6. Исследование излучательных характеристик ДГС InGaAsP/InP от технологических факторов позволило оптимизировать технологические условия для получения лазеров с VПОр = 1,0 — 1,5 кА/см, как для А~1,3 мкм, так и для я^ 1,55 мкм и впервые в СССР реализовать непрерывный режим генерации при комнатной температуре на длине волны Я -1,3 мкм.

7. Для достижения непрерывного режима генерации при комнатной температуре разработано несколько конструкций полосковых лазеров: имплантационные, зарощенные мезаполосковые и мезаполосковые. При разработке имплантационных полосковых лазеров установлено, что они обладают более высокой радиационной стойквстью, чем лазеры на основе AtCaAs/GaAs. Технологически наиболее простая конструкция полосковых лазеров — мезаполосковая.

8. В мезаполосковых лазерах получен непрерывный режим генерации при комнатной температуре, при пороговых токах 1ПОр= 15 мА и мощностью излучения Р = 15 мВт в одномодовом режиме I = 3*1ДОр.

9. Разработан макет многоканальной дуплексной ВОЛС с использованием имплантационных полосковых лазеров с Л =1,3 мкм. Энергетический потенциал ВОЛС составлял 50 дБ. Это обеспечивало передачу информации на расстояние 10 км при потерях в волокне 2дБ/км.

ОСНОВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ.

1. Ж. И. Алферов, А. Т. Гореленок, В. И. Колышкин, П. С. Копьев, В. Н. Мдивани, И. С. Тарасов, В. К. Тибилов. «Гетеролазеры непрерывного действия в системе InSaAsP/lnP». Тезисы докладов IX Всесоюзной конференции по когерентной и нелинейной оптике, 1978 г., часть I, г. Ленинград.

2. Ж. И. Алферов, А. Т. Гореленок, В. И. Колышкин, П. С. Копьев, И. С. Тарасов, В. Н. Мдивани, В. К. Тибилов. «Инжекционные гетеролазеры в системе InGaAsP с длиной волны излучения 1,3 — 1,55 мкм». Письма в ЖТФ, 1978 г., т.4, в.22, стр.1329−1333.

3. А. Т. Гореленок, П. С. Копьев, И. С. Тарасов, В. К. Тибилов. «Люминесцентные свойства твердых растворов InGaAsP и гетероструктур на их основе». Материалы П Всесоюзной конференции «Физические процессы в полупроводниковых гетероструктурах». 1978 г., т.2, стр. Ш-ПЗ, г. Ашхабад.

4. Ж. И. Алферов, А. Т. Гореленок, В. И. Колышкин, П. С. Копьев, В. Н. Мдивани, И. С. Тарасов, В. К. Тибилов. «Гетеролазеры непрерывного действия в системе InGaAsP». Известия Ак. Наук СССР, серия физическая, 1979 г., т.43, № 7, стр.1448−1450.

5. М. И. Беловолов, А. Т. Гореленок, Е. М. Дианов, А. А. Кузнецов, И. С. Тарасов. «Макет волоконно-оптической линии: связи со спектральным уплотнением в области 1,3 мкм». Квантовая электроника, 1979 г., т.6, № II, стр.2487−2490.

6. А. Т. Гореленок, И. С. Тарасов, А. С. Усиков. «Обнаружение поляризации электролюминесценции Л = 1,3 мкм в гетероструктурах InGaAsPДпР, обусловленной внутренней деформацией». Письма в ЖТФ, 1981 г., т.7, в.8, стр.452−456.

7. Н. А. Берт, А. Т. Гореленок, А. Г. Дзигасов, С. Г. Конников, В. Н. Мдивани, И. С. Тарасов, А. С. Усиков. «Исследование упругих напряжений, деформаций и несоответствия параметров решетки в гетероструктурах InGaAsP/InP по поляризации люминесценции». Материалы Всесоюзной конференции по физике соединений 1981 г., стр. 68, г. Новосибирск.

8. Н. А. Берт, А. Т. Гореленок, А. Г. Дзигасов, С. Г. Конников, В. Н. Мдивани, И. С. Тарасов, А. С. Усиков. «Определение упругих напряжений и величин несоответствия параметров решеток в гетероструктурах InGaAsP по поляризации люминесценции». Физ. и техн. полупроводников, 1982 г., т.16, № I, стр.60−68.

9. Ж. И. Алферов, М. Г. Васильев, Е. В. Голикова, А. Т. Гореленок, В. П. Дураев, Л. А. Иванютин, Н. Д. Ильинская, Г. С. Синицына, И. С. Тарасов, А. С. Усиков, И. Н. Цыпленков, В. И. Швейкин. «Полосковые зарощенные гетеролазеры непрерывного действия на основе InGaAsP/IriP полученные комбинацией жидкофазной и газофазовой эпитаксией». Письма в ЖТФ, 1982 г., т.8, в. II, стр.680−684.

10. Ж. И. Алферов, М. Г. Васильев, А. Т. Гореленок, В. Г. Груздов, Л. А. Иванютин, Н. Д. Ильинская, И. С. Тарасов, А. С. Усиков, И. Н. Цыпленков, А. А. Шелякин. «Полосковые зарощенные гетеролазеры на основе InGaAsP/IriP л = 1,3 и 1,55 мкм полученные гибридной технологией» .

РЙ.

Материалы Ш Всесоюзной конференции по физическим процессам в полупроводниковых гетероструктурах, 1982 г., т.2, стр.26−28, г. Одесса.

11. М. Г. Васильев, А. А. Гвоздев, А. Т. Гореленок, Ю. В. Гуляев, В. Ф. Дворкин, В. П. Дураев, П. Г. Елисеев, В. В. Кожин, Е. Т. Неделин, Г. А. Синицын, И. С. Тарасов, Д. Н. Телегин, А. С. Усиков, В. И. Швейкин, А. А. Шелякин. «Низкопороговые полосковые зарощенные гетеролазеры на основе InGaAsP/IriP, А = 1,3 мкм полученные гибридной технологлей». Журнал техн.физ., 1983 г., т.5 $ стр.1413−1414.

12. А. Т. Гореленок, В. И. Колышкин, И. С. Тарасов. «Полосковые лазеры на основе ДГС в системе InGaAsP/InP полученные имплантацией ионов кислорода». Журнал техн.физ., 1983 г., т.53, стр.

I973−1978.

13. И. С. Аверкиев, А. Т. Гореленок, И. С. Тарасов. «Особенности поляризации и константа деформационного потенциала в 1пР пи р-типа проводимости». ФТП, 1983 г., т.17, в.6, стр.997−1002.

14. Ж. И. Алферов, М. И. Беловолов, А. Н. Гурьянов, А. Т. Гореленок, Е. М. Дианов, А. А. Кузнецов, А. В. Кузнецов, А. М. Прохоров, И. С. Тарасов. «Многоканальная дуплексная волоконно-оптическая линия связи на длине волны Я =1,3 мкм». Квантовая электроника, 1982 г., т.9,.

В 8, стр.1698−1700.

В заключении приношу глубокую благодарность академику Ж. И. Алферову за постоянное внимание и интерес к работе, моему научному руководителю А. Т. Гореленку за помощь и постоянное внимание к работе.

Я искренне благодарен своим коллегам Н. С. Аверкиеву, А. С. Усикову, В. Г. Груздову, Н. Д. Ильинской, К. А. Гацоеву, В. Н. Мдивани, В. К. Тибилову, М. И. Беловолову, Д. З. Гарбузову, В. И. Колышкину, А. Г. Дзигасову, Н. А. Берту, С. Г. Конникову, П. П. Москвину, В. Е. Евстропову, А. Б. Федорову, В. В. Мамутину и В. И. Ильиной за творческую атмосферу и плодотворные дисскусии, а также всему коллективу сотрудников лаборатории контактных явлений в полупроводниках, деловая атмосфера которого благотворно влияла на автора.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.