Цель исследования

Исследование фундаментальных и технологических причин, огра-ничивающих максимальную выходную оптическую мощность полупроводниковых лазеров, излучающих в спектральном диапазоне 900–1200 нм.

Наименование разрабатываемой научной продукции

Экспериментальные образцы лазерных гетероструктур для мощных полупроводниковых лазеров, выращенные методом МОС — гидридной эпитаксии на установке «EMCORE GS/3100» на подложках GaAs, излучающие в диапазоне длин волн 900–1200 нм.

Основные конструктивно–технологические параметры, влияющие на максимальную выходную оптическую мощность полупроводниковых лазеров.

Методики управления конструктивно-технологическими параметрами, позволяющие расширить диапазон оптической мощности излучения полупроводниковых лазеров на основе гетероструктур на подложках GaAs.

Характеристика выполненных на этапе работ по созданию продукции.

• 2.1. Были достигнуты следующие научные результаты:

  • Была изготовлена и исследована серия лабораторных образцов мощных полупроводниковых лазеров с различным составом твердого раствора волноводного слоя лазерной гетероструктуры раздельного ограничения.

  • Были определены зависимости мощностных характеристик полупроводниковых лазеров от состава твердого раствора волноводного слоя лазерной гетероструктуры.

  • Были определено влияние скорости захвата носителей заряда на зависимости следующих характеристик лазера от плотности тока накачки: выходной оптической мощности (ВтАХ), внутренней квантовой эффективности стимулированного излучения, тока стимулированной рекомбинации в КЯ и концентрации носителей заряда в слое оптического ограничения.

  • Была определена зависимость внутренних оптических потерь в мощных полупроводниковых лазерах от температуры и состава твердого раствора волноводного слоя.

  • Были определены методики оптимизации лазерной гетероструктуры по конструктивно-технологическим параметрам температурной стабильности (Т0≥180К, Т1≥400К) и мощностных характеристик полупроводниковых лазеров (сохранение линейности ВтАХ при непрерывной мощности излучения не менее 10 Вт).

• 2.2. Была изготовлена и исследована серия лабораторных образцов мощных полупроводниковых лазеров с различным составом твердого раствора волноводного слоя лазерной гетероструктуры раздельного ограничения.

  Были определены зависимости мощностных характеристик полупроводниковых лазеров от состава твердого раствора волноводного слоя лазерной гетероструктуры. Исследовано влияние состава волноводного слоя и количества сильно напряженных квантовых ям In_xGa_1-xAs (х = 0.35) в качестве активной области асимметричной лазерной гетероструктуры раздельного ограничения с расширенным волноводом на основные лазерные характеристики. Показано, что с увеличением глубины активной области лазерной гетероструктуры при фиксированном составе твердого раствора In_хGa_1-хAs наблюдалось улучшение таких характеристик как пороговый ток, температурная чувствительность пороговой плотности тока, стимулированный квантовый выход и дифференциальная квантовая эффективность линейность ватт-амперной характеристики возрастала.

• 2.3. Было определено влияние скорости захвата носителей заряда на зависимости следующих характеристик лазера от плотности тока накачки: выходной оптической мощности (ВтАХ), внутренней квантовой эффективности стимулированного излучения, тока стимулированной рекомбинации в КЯ и концентрации носителей заряда в слое оптического ограничения. Показано, что в зависимости от параметров КЯ и вариантов накачки гетероструктуры, вероятность захвата носителей в КЯ меняется в широких пределах. Максимальная скорость захвата обеспечивается соотношением толщины и энергетической глубины квантовой ямы активной области. Поляризационное взаимодействие максимально для малых волновых векторов фонона. Поэтому коэффициент захвата имеет максимум, если в КЯ есть уровень размерного квантования, отстоящий от уровня энергии налетающего электрона (т.е. фактически от границы сплошного спектра) на энергию ħɷ0(ħɷ0  – энергия оптического фонона с нулевым импульсом).

• 2.4. Была определена зависимость внутренних оптических потерь в мощных полупроводниковых лазерах от температуры и состава твердого раствора волноводного слоя. Экспериментально установлено, что в диапазоне температур 20–140°C величина стимулированного квантового выхода остается неизменной. Показано, что температурная делокализация носителей заряда ведет к росту концентрации носителей заряда в волноводных слоях лазерной гетероструктуры. Суммарный рост внутренних оптических потерь на рассеяние на свободных носителях заряда в слоях активной области и волноводных слоях лазерной гетероструктуры ведет к снижению дифференциальной квантовой эффективности и к насыщению ватт-амперной характеристики полупроводни-ковых лазеров в непрерывном режиме генерации. Снижение концентрации носителей заряда в активной области лазерной структуры при повышенной температуре ведет к снижению доли внутренних оптически потерь в активной области лазерной структуры. Как следствие снижаются суммарные внутренние потери, ватт-амперная характеристика не насыщается и выходная оптическая мощность увеличивается.

• 2.5. Были определены методики оптимизации лазерной гетероструктуры по конструктивно-технологическим параметрам температурной стабильности (Т0≥180К, Т1≥400К) и мощностных характеристик полупроводниковых лазеров (сохранение линейности ВтАХ при непрерывной мощности излучения не менее 10 Вт). Было установлено, что для полупроводникового лазера существует набор конструктивно–технологических требований для создания активного элемента (постростовые технологии). Конструктивные приемы, без применения которых нельзя достоверно установить фундаментальные причины ограничения излучаемой оптической мощности. В активном элементе должен быть исключен срыв генерации моды Фабри–Перо замкнутой кольцевой модой. Конструкция полоскового лазера должна обеспечивать ограничение области протекания тока под полосковым контактом без увеличения области свечения с ростом тока накачки. Конструкция должна исключать расширение диаграммы направленности излучения с ростом тока накачки как в плоскости параллельной, так и перпендикулярной эпитаксиальным слоям лазерной структуры. Конструкция должна обеспечивать низкое значение последовательного сопротивления и теплового сопротивления после монтажа активного элемента на теплоотвод.

• 2.6. На основании полученных экспериментальных данных были изготовлены лазерные гетероструктуры с различной энергетической глубиной квантовых ям в активной области. Были исследованы излучательные характеристики и их температурные зависимости полупроводниковых лазеров на основе асимметричных гетероструктур раздельного ограничения. Продемонстрировано увеличение температурной стабильности (Т0≥180К, Т1≥400К) и мощностных характеристик полупроводниковых лазеров (сохранение линейности ВтАХ при непрерывной мощности излучения не менее 10 Вт).

• 2.7. Результаты исследований опубликованы в двух статьях в журналах ВАК.