RU189724U1

RU189724U1 - HETEROSTRUCTURE OF VERTICAL-RADIATING LASER

Info

Publication number: RU189724U1
Application number: RU2018145471U
Authority: RU
Inventors: Андрей Владимирович Бабичев; Владислав Евгеньевич Бугров; Антон Юрьевич Егоров; Станислав Станиславович Рочас; Леонид Яковлевич Карачинский; Иннокентий Игоревич Новиков; Андрей Геннадьевич Гладышев
Priority date: 2018-12-21
Filing date: 2018-12-21
Publication date: 2019-05-31

Abstract

Полезная модель относится к оптоэлектронной технике. Гетероструктура вертикально-излучающего лазера содержит подложку InP, нижний и верхний распределенный Брэгговский отражатели, слои нижней и верхней обкладок волновода на основе слоя InGaAlAs с контактными слоями на основе InGaAsP и активную область. Нижний распределенный Брэгговский отражатель выполнен из пар слоев InGaAlAs/InAlAs. Верхний распределенный Брэгговский отражатель выполнен из пар легированных слоев InGaAlAs/InAlAs. Активная область выполнена в виде одного полупроводникового каскада из полупроводниковых слоев, представляющих собой квантовые ямы InGaAs и барьеры InGaAlAs. В двух ближайших к обкладкам волновода парах нижнего и верхнего Брэгговских отражателей расположены по пять дополнительных полупроводниковых слоев. Дополнительные полупроводниковые слои представляют собой квантовые ямы из InGaAs, идентичные по спектру усиления квантовым ямам InGaAs в активной области. Технический результат заключается в повышении оптического усиления монолитной полупроводниковой гетеростуктуры вертикально-излучающего лазера, что приводит к повышению быстродействия. 1 ил.The invention relates to optoelectronic technology. The heterostructure of a vertically emitting laser contains an InP substrate, lower and upper distributed Bragg reflectors, layers of the lower and upper plates of the waveguide based on an InGaAlAs layer with InGaAsP based contact layers and an active region. The lower distributed Bragg reflector is made of pairs of InGaAlAs / InAlAs layers. The upper distributed Bragg reflector is made of pairs of InGaAlAs / InAlAs doped layers. The active region is made as a single semiconductor cascade of semiconductor layers, which are InGaAs quantum wells and InGaAlAs barriers. In the two pairs of the lower and upper Bragg reflectors nearest to the waveguide plates there are five additional semiconductor layers. Additional semiconductor layers are InGaAs quantum wells, which are identical in amplification spectrum to InGaAs quantum wells in the active region. The technical result consists in increasing the optical amplification of the monolithic semiconductor heterostructure of a vertically emitting laser, which leads to an increase in speed. 1 il.

Description

Полезная модель относится к оптоэлектронной технике и может быть использована для изготовления гетероструктур вертикально-излучающих лазеров на подложках из фосфида индия, работающих в спектральном диапазоне 1530 - 1565 нм.The invention relates to an optoelectronic technique and can be used to manufacture heterostructures of vertically emitting lasers on indium phosphide substrates operating in the spectral range 1530 - 1565 nm.

Для формирования гетероструктур вертикально-излучающего лазераFor the formation of heterostructures of a vertically emitting laser

используются два основных подхода. Первый подход основан на использовании технологии двойного спекания гетероструктуры активной области, выращенной на подложке фосфида индия, с гетероструктурами распределенных Брэгговских отражателей, выращенных на подложках GaAs [Sirbu, Alexei, Vladimir Iakovlev, Alok Rudra, and Elyahou Kapon. "Vertical cavity surface emitting laser and a method of fabrication thereof." U.S. Patent 6,542,531, issued April 1, 2003.]. Основное преимущество метода состоит в использовании распределенных Брэгговских отражателей, выращенных на подложках GaAs, демонстрирующих высокий коэффициент отражения. Второй подход состоит в формировании гетероструктуры активной области вертикально-излучающих лазеров, выращенной на подложке InP в комбинации с диэлектрическими распределенными Брэгговскими отражателями [Ortsiefer, М., Shau, R.,

G.,

F., and Amann, M.-C. (2000), Low-threshold index-guided 1.5 μm long-wavelength vertical-cavity surface-emitting laser with high efficiency. Applied Physics Letters, 76, 2179-2181. doi: 10.1063/1.126290]. Высокий контраст показателя преломления диэлектрических зеркал на основе пар СаF₂/аморфный кремний или CaF₂/ZnS позволяет сократить число пар, что наряду с напылением толстого слоя гальванического золота частично позволяет решить проблему отвода тепла через гибридное глухое зеркало на основе диэлектрического распределенного Брэгговского отражателя/золота. Оба описанных подхода имеют недостатки, обусловленные, в первую очередь, многостадийной технологией изготовления гетероструктур вертикально-излучающих лазеров. В частности первый подход требует использования сложной технологии двойного спекания гетероструктур активной области и распределенных Брэгговских отражателей наряду с отработкой двухстадийной эпитаксии для формирования захороненного туннельного перехода. Для устранения описанных недостатков требуется разработка подхода по изготовлению гетероструктур вертикально-излучающих лазеров на подложках InP за один эпитаксиальный процесс (по изготовлению монолитной гетероструктуры), демонстрирующих высокую выходную оптическую мощность излучения и быстродействие.Two main approaches are used. The first approach is based on the use of double sintering of the heterostructure of an active region grown on an indium phosphide substrate with heterostructures of distributed Bragg reflectors grown on GaAs substrates [Sirbu, Alexei, Vladimir Iakovlev, Alok Rudra, and Elyahou Kapon. "Vertical cavity surface emitting laser and a method of fabrication thereof." US Patent 6,542,531, issued April 1, 2003.]. The main advantage of the method is the use of distributed Bragg reflectors grown on GaAs substrates, showing a high reflectance. The second approach consists in the formation of a heterostructure of the active region of vertical-emitting lasers grown on an InP substrate in combination with dielectric distributed Bragg reflectors [Ortsiefer, M., Shau, R.,

G.,

F., and Amann, M.-C. (2000) Low-threshold index-guided 1.5 μm long-wavelength vertical-cavity surface-emitting laser with high efficiency. Applied Physics Letters, 76, 2179-2181. doi: 10.1063 / 1.126290]. The high contrast of the refractive index of dielectric mirrors based on CaF ₂ / amorphous silicon or CaF ₂ / ZnS pairs reduces the number of pairs, which, along with the deposition of a thick layer of electroplating gold, partially solves the problem of heat removal through a hybrid dummy mirror based on a dielectric distributed Bragg reflector / gold . Both of the described approaches have drawbacks, primarily due to the multistage technology of manufacturing heterostructures of vertically emitting lasers. In particular, the first approach requires the use of a complex technology of double sintering of heterostructures of the active region and distributed Bragg reflectors, along with the development of a two-stage epitaxy for the formation of a buried tunnel junction. To eliminate the described drawbacks, it is necessary to develop an approach for the fabrication of heterostructures of vertically emitting lasers on InP substrates for one epitaxial process (for the fabrication of a monolithic heterostructure), demonstrating high output optical power and speed.

Наиболее близкой к предлагаемой полезной модели является гетероструктура вертикально-излучающего лазера, содержащая подложку из InP, нижний распределенный Брэгговский отражатель из пар слоев InGa(Al) As/InAlAs, нижнюю обкладку волновода на основе слоя InGa(Al)As, с контактными слоями на основе InGaAs(P), активную область из трех полупроводниковых каскадов, каждый из которых представляет собой квантовые ямы InAlGaAs и барьеры InGaAlAs, верхнюю обкладку волновода на основе слоя InGa(Al)As, с контактными слоями на основе InGaAs(P), и верхний распределенный Брэгговский отражатель из пар слоев InGa(Al)As/InAlAs [J. К. Kim, et. al. "Near-room-temperature continuous-wave operation of multiple-active-region 1.55 μm vertical-cavity lasers with high differential efficiency," Applied Physics Letters, vol. 77, no. 10, pp. 3137-3139. doi:10.1063/1.1325400]. Основным недостатком такой конструкции гетероструктуры вертикально-излучающего лазера является большая длина микрорезонатора из-за использования многокаскадной структуры активной области, что приводит к росту времени жизни фотона и уменьшению быстродействия вертикально-излучающего лазера. Кроме того, многокаскадная геометрия также приводит к уменьшению однородности электрической накачки и повышению рабочего напряжения вертикально-излучающего лазера.The closest to the proposed utility model is a heterostructure of a vertically emitting laser containing an InP substrate, a lower distributed Bragg reflector from pairs of InGa (Al) As / InAlAs layers, a lower waveguide plate based on an InGa (Al) As layer, with contact layers based on InGaAs (P), the active region of three semiconductor cascades, each of which consists of InAlGaAs quantum wells and InGaAlAs barriers, the upper face of a waveguide based on InGa (Al) As, with contact layers based on InGaAs (P), and the upper Bragg distributed reflects atelier of pairs of layers InGa (Al) As / InAlAs [J. K. Kim, et. al. "Near-room temperature continuous-wavelength-of-region-region-1.55 μm vertical-cavity lasers with high differential efficiency," Applied Physics Letters, vol. 77, no. 10, pp. 3137-3139. doi: 10.1063 / 1.1325400]. The main disadvantage of such a heterostructure design of a vertically emitting laser is the large length of a microcavity due to the use of the multi-stage structure of the active region, which leads to an increase in the photon lifetime and a decrease in the response speed of the vertically emitting laser. In addition, the multi-stage geometry also leads to a decrease in the electrical pumping uniformity and an increase in the operating voltage of the vertical-emitting laser.

Задачей предлагаемой полезной модели является повышение быстродействия вертикально-излучающего лазера, выращенного на подложке InP.The objective of the proposed utility model is to increase the speed of a vertical-emitting laser grown on an InP substrate.

Техническим результатом, позволяющим выполнить поставленную задачу, является повышение оптического усиления монолитной полупроводниковой гетероструктуры вертикально-излучающего лазера. Результат достигается путем формирования гибридной накачки, за счет создания гетероструктуры, включающей дополнительные полупроводниковые слои, представляющие собой квантовые ямы InGaAs, обладающие спектром усиления идентичным спектру усиления квантовых ям в активной области вертикально-излучающего лазера, и выполняющие функцию обеспечения дополнительного оптического усиления. Дополнительные полупроводниковые слои размещаются в максимумах интенсивности электрического поля, в двух ближайших к активной области парах верхнего и нижнего распределенных Брэгговских отражателей, сформированных на основе InGaAlAs/InAlAs. При этом общая длина микрорезонатора вертикально-излучающего лазера не увеличивается, что не приводит к росту времени жизни фотона и увеличивает быстродействие вертикально-излучающего лазераThe technical result that allows you to perform the task, is to increase the optical gain of the monolithic semiconductor heterostructure of a vertical-emitting laser. The result is achieved by forming a hybrid pumping by creating a heterostructure including additional semiconductor layers, which are InGaAs quantum wells, which have an amplification spectrum identical to the amplification spectrum of quantum wells in the active region of a vertically emitting laser, and perform the function of providing additional optical amplification. Additional semiconductor layers are placed in the maxima of the intensity of the electric field, in the pair of upper and lower distributed Bragg reflectors formed on the basis of InGaAlAs / InAlAs closest to the active region. In this case, the total length of a microcavity of a vertically emitting laser does not increase, which does not lead to an increase in the photon lifetime and increases the speed of the vertically emitting laser

На фиг. показано схематическое изображение активной области гетероструктуры вертикально-излучающего лазера и двух ближайших к активной области пар распределенных Брэгговских отражателей. Приведен профиль показателя преломления (сплошная линия, правая ось Y) и профиль распределения интенсивности световой волны (пунктирная линия, левая ось Y). Расчет профиля пространственного распределения световой волны выполнен для длины волны 1550 нм.FIG. A schematic representation of the active region of the heterostructure of a vertically emitting laser and the pairs of Bragg reflectors nearest to the active region are shown. The refractive index profile (solid line, right Y axis) and the intensity distribution profile of the light wave (dashed line, left Y axis) are shown. The calculation of the spatial distribution profile of the light wave is made for a wavelength of 1550 nm.

В предложенной гетероструктуре области 1 являются дополнительными полупроводниковыми слоями, которые представляют собой квантовые ямы, расположенные в двух ближайших к активной области парах распределенных Брэгговских отражателей, и за счет которых осуществляется гибридная накачка. Область 2 является активной областью, области 3 - две ближайшие к активной области пары распределенных Брэгговских отражателей, области 4 - волноводные слои, расположенные между распределенными Брэгговскими отражателями и активной областью.In the proposed heterostructure, regions 1 are additional semiconductor layers, which are quantum wells located in two pairs of distributed Bragg reflectors closest to the active region, and due to which hybrid pumping is carried out. Region 2 is the active region, region 3 is the two pairs of distributed Bragg reflectors closest to the active region, region 4 is the waveguide layers located between the distributed Bragg reflectors and the active region.

Предложенная гетероструктура вертикально-излучающего лазера сформирована на подложке InP. Слои нижнего распределенного Брэгговского отражателя сформированы на основе чередующихся пар слоев InGaAlAs/InAlAs, согласованных по постоянной кристаллической решетки с материалом подложки. Две ближайшие к активной области пары нижнего распределенного Брэгговского отражателя отличаются от предыдущих пар нижнего распределенного Брэгговского отражателя за счет вставки в слои InGaAlAs пяти дополнительных полупроводниковых слоев, представляющих собой квантовые ямы InGaAs (области 1), которые идентичны по спектру усиления квантовым ямам в активной области. Нижняя обкладка волновода сформирована на основе слоя InGaAlAs. Толщина слоя нижней обкладки составляет 500-550 нм. Обкладка включает контактные слои на основе InGaAsP, расположенные в минимуме интенсивности оптической волны. Активная область формируется за счет применения полупроводникового каскада из десяти полупроводниковых слоев, представляющих собой квантовые ямы InGaAs и барьеры InGaAlAs (область 2). Верхняя обкладка волновода сформирована на основе слоя InGaAlAs. Толщина слоя верхней обкладки составляет 500-550 нм. Обкладка включает контактные слои на основе InGaAsP, расположенные в минимуме интенсивности оптической волны. Верхний распределенный Брэгговский отражатель сформирован на основе чередующихся пар слоев InGaAlAs/InAlAs, согласованных по постоянной кристаллической решетки с материалом подложки. Две пары верхнего распределенного Брэгговского отражателя, ближайшие к активной области, отличаются от последующих пар верхнего распределенного Брэгговского отражателя за счет вставки в слои InGaAlAs пяти дополнительных полупроводниковых слоев, представляющих собой квантовые ямы InGaAs (области 1), которые идентичны по спектру усиления квантовым ямам в активной области.The proposed heterostructure of a vertically emitting laser is formed on an InP substrate. The layers of the lower distributed Bragg reflector are formed on the basis of alternating pairs of InGaAlAs / InAlAs layers matched in a lattice constant with the substrate material. The two pairs of the lower distributed Bragg reflector closest to the active region differ from the previous pairs of the lower distributed Bragg reflector by inserting into the InGaAlAs layers five additional semiconductor layers, which are InGaAs quantum wells (regions 1), which are identical in the gain spectrum to the quantum wells in the active region. The bottom plate of the waveguide is formed on the basis of the InGaAlAs layer. The thickness of the bottom layer is 500-550 nm. The lining includes contact layers based on InGaAsP located at the minimum of the intensity of the optical wave. The active region is formed by the use of a semiconductor cascade of ten semiconductor layers, which are InGaAs quantum wells and InGaAlAs barriers (region 2). The upper plate of the waveguide is formed on the basis of the InGaAlAs layer. The thickness of the upper facing layer is 500-550 nm. The lining includes contact layers based on InGaAsP located at the minimum of the intensity of the optical wave. The upper distributed Bragg reflector is formed on the basis of alternating pairs of InGaAlAs / InAlAs layers matched in a lattice constant with the substrate material. The two pairs of the upper distributed Bragg reflector, closest to the active region, differ from the subsequent pairs of the upper distributed Bragg reflector by inserting into the InGaAlAs layers five additional semiconductor layers, which are InGaAs quantum wells (regions 1), which are identical in the amplification spectrum to the quantum wells in the active areas.

Предложенная полезная модель гетероструктуры вертикально-излучающего лазера, обладает гибридной накачкой (электрической накачкой активной области и оптической накачкой активной области, связанной с оптической накачкой дополнительных полупроводниковых слоев, представляющих собой квантовые ямы InGaAs, которые расположены в двух ближайших к активной области парах распределенного Брэгговского отражателя), что позволяет повысить оптическое усиление в гетероструктуре. Длина микрорезонатора вертикально-излучающего лазера, за счет вставки дополнительных полупроводниковых слоев, представляющих собой квантовые ямы, в слои распределенного Брэгговского отражателя, не изменится. Предложенный подход позволяет уменьшить время жизни фотона в резонаторе и увеличить быстродействие вертикально-излучающего лазера. Также рост оптического усиления приводит к падению порогового тока вертикально-излучающего лазера, что позволяет достичь высокой квантовой эффективности.The proposed utility model of a vertically emitting laser heterostructure possesses hybrid pumping (electrical pumping of the active region and optical pumping of the active region associated with optical pumping of additional semiconductor layers, which are InGaAs quantum wells located in two pairs of the distributed Bragg reflector closest to the active region) , which allows to increase the optical gain in the heterostructure. The length of a microresonator of a vertically emitting laser, due to the insertion of additional semiconductor layers, which are quantum wells, into the layers of a distributed Bragg reflector, will not change. The proposed approach allows one to reduce the photon lifetime in the resonator and to increase the speed of a vertical-emitting laser. The growth of optical amplification also leads to a drop in the threshold current of a vertically emitting laser, which makes it possible to achieve high quantum efficiency.

Claims

Hetero-emitting laser containing InP substrate, lower distributed Bragg reflector from InGaAlAs / InAlAs layer pairs, InGaAlAs based on InGaAlAs base layer of the waveguide with InGaAsP contact layers, Al active region, layers of the upper waveguide based on InGa layer Al. As with contact layers based on InGaAsP and an upper distributed Bragg reflector made of pairs of doped InGaAlAs / InAlAs layers, characterized in that the active region is made as a single semiconductor cascade of semiconductor layers, n InGaAs quantum wells and InGaAlAs barriers, in the two pairs of the lower and upper distributed Bragg reflectors closest to the waveguide plates, there are five additional semiconductor layers, which are InGaAs quantum wells, which are identical in the gain spectrum to InGaAs quantum wells in the active region.