RU2168249C1

RU2168249C1 - Injection laser

Info

Publication number: RU2168249C1
Application number: RU2000122574A
Authority: RU
Inventors: А.А. Чельный; М.Ш. Кобякова; В.А. Симаков; П.Г. Елисеев
Original assignee: Федеральное государственное унитарное предприятие Научно-исследовательский институт "Полюс"; Чельный Александр Александрович; Кобякова Марина Шалвовна; Симаков Владимир Александрович; Елисеев Петр Георгиевич
Priority date: 2000-08-30
Filing date: 2000-08-30
Publication date: 2001-05-27
Also published as: WO2002019479A2; AU2001276805A1; WO2002019479A3

Abstract

FIELD: quantum electronics; semiconductor injection sources with single-mode and single-frequency radiation. SUBSTANCE: proposed injection laser has heterostructure with preset level of background dope between limiting doped sublayers of higher optical limitation closest to active layer; ratio of hole concentration P on p-side to electron concentration N on n-side in same limiting sublayers, namely, P/N ratio, is chosen higher than unity. Volume charge boundaries of p-i-n heterojunction are located in mentioned limiting sublayers. Such design provides for raising radiation power of single-frequency radiators and for stabilizing temperature characteristics. EFFECT: enhanced efficiency and reliability. 24 cl, 7 dwg, 1 tbl

Description

Настоящее изобретение относится к квантовой электронной технике, а именно к эффективным, высокомощным полупроводниковым инжекционным источникам, в том числе с одномодовым, одночастотным излучением. The present invention relates to quantum electronic technology, namely to efficient, high-power semiconductor injection sources, including single-mode, single-frequency radiation.

Для получения высокой мощности, излучаемой в одну продольную моду, необходимо изготовить высокоэффективный излучатель с низкой плотностью порогового тока и высокой дифференциальной квантовой эффективностью. Кроме того, такой излучатель должен обеспечивать эффективное подавление соседних продольных мод. To obtain high power emitted in one longitudinal mode, it is necessary to manufacture a highly efficient radiator with a low threshold current density and high differential quantum efficiency. In addition, such an emitter should provide effective suppression of adjacent longitudinal modes.

Для улучшения модового состава излучения разработаны различные типы инжекционных лазеров (далее "лазер"): лазеры с полосковой активной областью генерации и выводом излучения через зеркало оптического резонатора [1, 2], лазеры с распределенной обратной связью [3], лазеры с зеркалами Брегга [4]. Известные лазеры позволяют получить одномодовое, одночастотное излучение. To improve the mode composition of the radiation, various types of injection lasers have been developed (hereinafter referred to as the “laser”): lasers with a strip active generation region and radiation output through an optical cavity mirror [1, 2], distributed feedback lasers [3], lasers with Bragg mirrors [ 4]. Known lasers make it possible to obtain single-mode, single-frequency radiation.

Лазеры с полосковой активной областью генерации дают возможность локализовать излучение в узкой области и создать тем самым благоприятные условия для индуцированного излучения и генерации. Разработаны различные методы формирования полосковой активной области генерации [1]. Последняя может быть создана путем бокового оптического ограничения, а именно увеличением показателя преломления активной области по сравнению с областями, примыкающими к ней в плоскости p-i-n перехода. Это лазеры со встроенным волноводом типа заращенной гетероструктуры (см., например, [1]). Другим видом являются лазеры с направляющим эффектом усиления. Здесь локализация поля осуществляется только за счет изменения усиления в направлении, перпендикулярном направлению распространения излучения. Токовое ограничение может быть осуществлено путем выполнения узкого полоскового контакта [5]. В лазерах при формировании мезаполосковой области [6] наблюдается ограничение в боковом направлении совместным эффектом от пространственных распределений показателя преломления и от усиления. Lasers with a strip active generation region make it possible to localize radiation in a narrow region and thereby create favorable conditions for induced radiation and generation. Various methods have been developed for the formation of a strip active generation region [1]. The latter can be created by lateral optical restriction, namely, an increase in the refractive index of the active region as compared with the regions adjacent to it in the plane of the p-i-n junction. These are lasers with an integrated waveguide such as an overgrown heterostructure (see, for example, [1]). Another type is lasers with a guiding effect of amplification. Here, the field is localized only by changing the gain in the direction perpendicular to the direction of radiation propagation. Current limitation can be implemented by performing a narrow strip contact [5]. In lasers, during the formation of the messtrip region [6], there is a lateral limitation by the combined effect of the spatial distributions of the refractive index and the gain.

Лазеры с одночастотным и одномодовым излучением могут быть выполнены на различных гетероструктурах. В настоящее время наибольшее распространение получили гетероструктуры типа РОДГС с квантовыми ямами (т.е. с квантово-размерными активными слоями и квантово-размерными барьерными слоями между ними), позволяющие получить высокоэффективные лазеры с высокой мощностью излучения. Lasers with single-frequency and single-mode radiation can be performed on various heterostructures. At present, the most widely used are heterostructures of the RODGS type with quantum wells (i.e., with quantum-well active layers and quantum-well barrier layers between them), which make it possible to obtain highly efficient lasers with high radiation power.

Однако дальнейшему расширению применений таких лазеров препятствуют недостаточно высокие мощности излучения при одномодовом и одночастотном режимах генерации, а также недостаточные стабильность указанных режимов, эффективность и надежность работы в широком диапазоне изменения выходных мощностей излучения. However, the further expansion of the applications of such lasers is hindered by insufficiently high radiation powers for single-mode and single-frequency generation modes, as well as insufficient stability of these modes, the efficiency and reliability of operation in a wide range of output radiation powers.

Наиболее близким является лазер, описанный в [7], выполненный из гетероструктуры, содержащей активный слой и с двух его сторон ограничительные слои, включающие с каждой стороны по крайней мере по одному ограничительному легированному подслою наибольшего оптического ограничения (далее "НООгр"), имеющих противоположные типы электропроводности. Данный лазер включает лазерную гетероструктуру (далее "гетероструктура"), содержащую активный слой, состоящий из одного слоя состава InGaAsP. Активный слой помещен между двух ограничительных слоев НООгр из InP, имеющих противоположные типы электропроводности. Со стороны n-типа ограничительный слой легирован преимущественно до концентрации около 2•10¹⁸ см^-3. Со стороны p-типа ограничительный слой НООгр одного состава сформирован из двух подслоев НООгр, имеющих различную степень легирования. Прилегающий к активному слою ограничительный подслой НООгр легирован цинком, преимущественно от 2•10¹⁷ см^-3 до 8•10¹⁷ см^-3. Следующий за ним ограничительный подслой НООгр легирован цинком, преимущественно от 1,5•10¹⁸ см^-3 до 10•10¹⁸ см^-3. В такой гетероструктуре сильнолегированный подслой НООгр отделен от активного слоя относительно слаболегированным подслоем НООгр. В результате сильнолегированный подслой не участвует в образовании объемного заряда p-n гетероперехода. Авторами [7] указано, что активный слой преднамеренно не легировали при проведении процесса выращивания гетероструктуры. Однако из полученных результатов (см. фиг. 4 в [7]) можно сделать вывод, что в процессе роста происходило легирование активного слоя до порядка 10¹⁷ см^-3.The closest is the laser described in [7], made of a heterostructure containing the active layer and on both sides of the boundary layers, including on each side at least one restrictive doped sublayer of the highest optical restriction (hereinafter “NOOgr”), having opposite types of electrical conductivity. This laser includes a laser heterostructure (hereinafter referred to as “heterostructure”) containing an active layer consisting of a single layer of InGaAsP composition. The active layer is placed between the two InP limiting layers of NOOgr having opposite types of electrical conductivity. On the n-type side, the boundary layer is doped mainly to a concentration of about 2 • 10 ¹⁸ cm ^-3 . On the p-type side, a BOOgr boundary layer of the same composition is formed from two BOOgr sublayers with different degrees of doping. The restrictive sublayer of NOOg adjacent to the active layer is doped with zinc, mainly from 2 • 10 ¹⁷ cm ^-3 to 8 • 10 ¹⁷ cm ^-3 . The next limiting sublayer of NOOgr is doped with zinc, mainly from 1.5 • 10 ¹⁸ cm ^-3 to 10 • 10 ¹⁸ cm ^-3 . In such a heterostructure, the heavily doped sublayer of HOOgr is separated from the active layer by the relatively weakly doped sublayer of HOOgr. As a result, the heavily doped sublayer is not involved in the formation of the space charge pn of the heterojunction. The authors of [7] indicated that the active layer was deliberately not doped during the process of growing a heterostructure. However, from the results obtained (see Fig. 4 in [7]), it can be concluded that during the growth process, the active layer was doped to about 10 ¹⁷ cm ^–3 .

Авторами [7] отмечено, что получено повышение мощности излучения, но не большое и ими не были исследованы инжекционные лазеры с узкополосными областями усиления и их частотные характеристики. The authors of [7] noted that an increase in the radiation power was obtained, but not much, and they did not study injection lasers with narrow-band amplification regions and their frequency characteristics.

Раскрытие изобретения
В основу изобретения поставлена задача создания лазера с увеличенной выходной мощностью излучения в одномодовом и одночастотном режимах стабилизацией указанных режимов при повышенных эффективности, температурной стабильности и надежности работы лазера.Disclosure of Invention
The basis of the invention is the task of creating a laser with increased output radiation power in single-mode and single-frequency modes by stabilizing these modes with increased efficiency, temperature stability and reliability of the laser.

В соответствии с изобретением поставленная задача решается тем, что предложен инжекционный лазер, выполненный из гетероструктуры, содержащей активный слой и с двух его сторон ограничительные слои, включающие с каждой стороны по крайней мере по одному ограничительному легированному подслою наибольшего оптического ограничения, имеющих противоположные типы электропроводности, причем между ограничительными легированными подслоями наибольшего оптического ограничения, ближайшими к активному слою, в том числе в активном слое задан уровень фоновой примеси, а отношение концентрации дырок P в указанном подслое наибольшего оптического ограничения p-типа электропроводности со стороны p-типа к концентрации электронов N в указанном подслое наибольшего оптического ограничения n-типа электропроводности со стороны n-типа, P/N выбрано более единицы, в том числе на границах объемного заряда p-i-n гетероперехода, расположенных в ограничительных легированных подслоях наибольшего оптического ограничения. In accordance with the invention, the problem is solved by the fact that an injection laser is made of a heterostructure containing an active layer and on both sides of the boundary layers, including on each side of at least one restrictive doped sublayer of the greatest optical limitation having opposite types of electrical conductivity, moreover, between the bounding doped sublayers of the greatest optical restriction closest to the active layer, including in the active layer, the level l is the background impurity, and the ratio of the hole concentration P in the indicated sublayer of the greatest optical limitation of p-type electrical conductivity from the p-type side to the electron concentration N in the indicated sublayer of the largest optical limitation of n-type electrical conductivity from the n-type side, P / N is selected to be more than unity , including at the boundaries of the space charge of the heterojunction pin located in the bounding doped sublayers of the greatest optical limitation.

Отличием предложенных лазеров является необычный и неочевидный выбор соотношения между концентрациями легирующих примесей (акцепторной и донорной) в ограничительных слоях НООгр с двух сторон от активного слоя на границах объемного заряда p-i-n гетероперехода. Другим отличием является то, что объемный заряд p-i-n гетероперехода должен распространяться на весь активный слой и на прилегающие к нему части ограничительных слоев с обеих сторон так, что границы объемного заряда р-i-n гетероперехода расположены обязательно в соответствующих легированных ограничительных подслоях НООгр, что может быть достигнуто при выполнении условия создания уровня фоновой примеси между указанными соответствующими легированными ограничительными подслоями НООгр. Под введенным определением ограничительного подслоя как подслоя "наибольшего оптического ограничения" (как было условленно обозначать в дальнейшем "НООгр") понимается то, что в этом подслое, ближайшем к активному слою, происходит наибольшее затухание генерируемого излучения, препятствующее распространению излучения вглубь гетероструктуры. Как показало большое число экспериментов, именно указанные отличия предложенного лазера обеспечили решение поставленной технической задачи. Полная указанная совокупность существенных отличительных признаков нами не была обнаружена на данное время. The difference between the proposed lasers is an unusual and non-obvious choice of the ratio between the concentrations of doping impurities (acceptor and donor) in the BOOg restrictive layers on both sides of the active layer at the boundaries of the space charge p-i-n heterojunction. Another difference is that the space charge of the pin heterojunction should extend to the entire active layer and to the adjacent parts of the boundary layers on both sides so that the boundaries of the space charge p-in of the heterojunction are necessarily located in the corresponding doped restrictive sublayers of the NOGR, which can be achieved when the conditions for the creation of a background impurity level between the indicated corresponding doped restrictive sublayers of NOGR are fulfilled. By the introduced definition of a restrictive sublayer as a sublayer of the “greatest optical limitation” (as it was conventionally referred to hereinafter as “NOOgr”), it is understood that in this sublayer closest to the active layer, the greatest attenuation of the generated radiation occurs, preventing radiation from propagating deep into the heterostructure. As a large number of experiments showed, it is precisely these differences in the proposed laser that provided a solution to the formulated technical problem. The complete indicated combination of essential distinguishing features was not found by us at this time.

При этом определено, что наилучшие результаты могут быть достигнуты в следующих случаях. It was determined that the best results can be achieved in the following cases.

Уровень фоновой примеси соответствует концентрации менее 2•10¹⁶ см^-3. Низкая концентрация фоновой примеси в активном слое и в прилегающих нелегированных слоях и/или подслоях обеспечивает распространение объемного заряда p-i-n гетероперехода на всю толщину нелегированных слоев и подслоев, причем чем ниже концентрация фоновой примеси, тем толще могут быть выбраны нелегированные слои и подслои.The level of background impurity corresponds to a concentration of less than 2 • 10 ¹⁶ cm ^-3 . The low concentration of the background impurity in the active layer and in adjacent unalloyed layers and / or sublayers allows the space charge pin of the heterojunction to spread over the entire thickness of the undoped layers and sublayers, the lower the concentration of the background impurity, the thicker the undoped layers and sublayers can be selected.

Величину P/N выбирают в диапазоне от 3 до 20. При этом происходит стабилизация генерации в одночастотном режиме, повышается мощность генерации на одной продольной моде (в одночастотном режиме). The P / N value is selected in the range from 3 to 20. In this case, the lasing is stabilized in the single-frequency mode, the lasing power in one longitudinal mode (in the single-frequency mode) is increased.

В ограничительном легированном подслое наибольшего оптического ограничения p-типа концентрацию акцепторной примеси выбирают превышающей 2•10¹⁸ см^-3. При этом повышается внешняя дифференциальная квантовая эффективность приборов, а также улучшается температурная зависимость порогового тока. Это происходит за счет уменьшения утечки электронов из активного слоя в p-типа ограничительные подслои наибольшего оптического ограничения при увеличении концентрации основных носителей в нем.In the restrictive doped sublayer of the greatest optical p-type limitation, the concentration of the acceptor impurity is chosen to exceed 2 • 10 ¹⁸ cm ^-3 . At the same time, the external differential quantum efficiency of the devices increases, and the temperature dependence of the threshold current improves. This occurs due to a decrease in the leakage of electrons from the active layer into the p-type restrictive sublayers of the greatest optical restriction with increasing concentration of the main carriers in it.

В ограничительном легированном подслое наибольшего оптического ограничения n-типа концентрацию донорной примеси выбирают не менее 2•10¹⁷ см^-3 и не более 2•10¹⁸ см^-3. Такой диапазон концентраций обеспечивает сравнительно низкое сопротивление в ограничительных подслоях НООгр.In the restrictive doped sublayer of the greatest n-type optical limitation, the concentration of the donor impurity is chosen not less than 2 • 10 ¹⁷ cm ^-3 and not more than 2 • 10 ¹⁸ cm ^-3 . This range of concentrations provides a relatively low resistance in the restrictive sublayers of NOOgr.

Кроме того, такой выбор концентраций в p- и n-подслоях НООгр позволяет получать высокие значения P/N > 2, которые обеспечивают достаточную контактную разность потенциалов между ограничительными подслоями НООгр противоположного типа проводимости для получения инверсной населенности в активном слое лазера при прямом смещении. Эмпирически нами получено, что наилучшие результаты могут быть достигнуты при выполнении указанного диапазона отношения P/N, причем, чем выше это отношение, тем поставленная задача решается с лучшими результатами. In addition, such a choice of concentrations in the p- and n-sublayers of НОгр allows obtaining high values of P / N> 2, which provide a sufficient contact potential difference between the limiting sublayers of НОгр of the opposite conductivity type to obtain an inverse population in the active layer of the laser under forward bias. Empirically, we have obtained that the best results can be achieved by fulfilling the indicated range of the P / N ratio, and the higher this ratio, the problem is solved with the best results.

Очень важным моментом является то, что область объемного заряда должна образовываться сильнолегированными подслоями НООгр, т.е. границы области объемного заряда должны лежать в этих подслоях. В гетероструктуре, описанной как прототип [7], сильнолегированный подслой НООгр отделен от активного слоя относительно слаболегированным подслоем НООгр. В результате сильнолегированный подслой не участвует в образовании объемного заряда p-i-n гетероперехода и эффект, полученный в настоящей работе, в прототипе не был получен. Поэтому является важным, чтобы предполагаемая конструкция гетероструктуры не была искажена диффузионным размытием или перемещением границ гетеропереходов и границ легирования донорными или акцепторными примесями. Особенно это касается последнего случая, так как акцепторные примеси имеют обычно высокий коэффициент диффузии в полупроводниках A^IIIB^V.A very important point is that the space charge region should be formed by heavily doped sublayer НОгр, i.e. the boundaries of the space charge region should lie in these sublayers. In the heterostructure described as a prototype [7], the heavily doped sublayer of HOOgr is separated from the active layer by the relatively weakly doped sublayer of HOOgr. As a result, the heavily doped sublayer is not involved in the formation of the space charge of the pin heterojunction, and the effect obtained in this work was not obtained in the prototype. Therefore, it is important that the proposed heterostructure design is not distorted by diffusion blurring or displacement of heterojunction boundaries and doping boundaries by donor or acceptor impurities. This is especially true for the latter case, since acceptor impurities usually have a high diffusion coefficient in A ^III B ^V semiconductors.

Экспериментально подтверждено, что указанные существенные признаки обеспечивают получение высокой выходной мощности излучения и устойчивость одночастотной генерации, а также температурную стабильность, высокую эффективность и надежность. It has been experimentally confirmed that these essential features provide a high output radiation power and the stability of single-frequency generation, as well as temperature stability, high efficiency and reliability.

Предложено для решения поставленной задачи по крайней мере в одном ограничительном слое со стороны активного слоя, примыкая к ограничительному легированному подслою наибольшего оптического ограничения, разместить того же состава ограничительный нелегированный подслой наибольшего оптического ограничения толщиной, превышающей толщину диффузии примеси из ограничительного легированного подслоя наибольшего оптического ограничения, и не более толщины d_нп, равной части толщины области объемного заряда p-i-n гетероперехода, приходящейся на ограничительный нелегированный подслой наибольшего оптического ограничения, т.е. на этот нелегированный подслой должен распространяться объемный заряд p-i-n перехода.It is proposed to solve the problem in at least one restrictive layer on the side of the active layer, adjacent to the restrictive doped sublayer of the greatest optical restriction, to place the same composition restrictive undoped sublayer of the greatest optical restriction with a thickness exceeding the diffusion thickness of the impurity from the restrictive doped sublayer of the greatest optical restriction, and not more than the thickness d _np equal to a part of the thickness of the space charge region of the pin heterojunction per n and the restrictive undoped sublayer of the greatest optical restriction, i.e. this unalloyed sublayer must be extended by the space charge of the pin junction.

В одном случае предложено толщину d_нп выбирать равной толщине D₀₃ области объемного заряда p-i-n гетероперехода за вычетом суммы, составленной из толщины d_N области объемного заряда в ограничительном легированном подслое наибольшего оптического ограничения n-типа, толщины d_p области объемного заряда в ограничительном легированном подслое наибольшего оптического ограничения p-типа, толщины d_AC активного слоя.In one case, it was proposed to choose a thickness d _np equal to the thickness D _{03 of} the space charge region of the pin heterojunction minus the sum made up of the thickness d _{N of} the space charge region in the restrictive doped sublayer of the highest n-type optical restriction and thickness d _{p of} the space charge region in the restrictive doped sublayer the greatest optical p-type limitation, thickness d _{AC of the} active layer.

В другом случае предложено толщину d_нп выбирать равной толщине D₀₃ области объемного заряда p-i-n гетероперехода за вычетом суммы, составленной из толщины d_N области объемного заряда в ограничительном легированном подслое наибольшего оптического ограничения n-типа, толщины d_p области объемного заряда в ограничительном легированном подслое наибольшего оптического ограничения p-типа, толщины d_AC активного слоя и толщины d_ДП дополнительных ограничительных подслоев между активным слоем и ограничительными подслоями наибольшего оптического ограничения.In another case, it was proposed to choose a thickness d _np equal to the thickness D _{03 of} the space charge region of the pin heterojunction minus the sum composed of the thickness d _{N of} the space charge region in the limiting doped sublayer of the highest n-type optical limitation and thickness d _{p of} the space-charge region in the limiting doped sublayer of the greatest optical p-type limitation, thickness d _{AC of the} active layer and thickness d _{DP of} additional restrictive sublayers between the active layer and restrictive sublayers of the largest optical og limits.

Величины D₀₃, d_N, d_P, d_AC, в одном случае, и величины D₀₃, d_N, d_P, d_Ac, d_дп, в другом случае, для каждой конкретной гетероструктуры могут быть рассчитаны по известным соотношениям (см., например, [8 и 9]) и, следовательно, могут быть определены требуемые значения толщины d_НП объемного заряда в ограничительном нелегированном подслое НООгр. Следовательно, для каждой конкретной гетероструктуры можно рассчитать требуемую толщину ограничительного нелегированного подслоя НООгр.The values of D ₀₃ , d _N , d _P , d _AC , in one case, and the values of D ₀₃ , d _N , d _P , d _Ac , d _dp , in the other case, for each specific heterostructure can be calculated according to known relations (see ., for example, [8 and 9]) and, therefore, the required values of the thickness d _{NP of the} space charge in the restrictive undoped sublayer of the NOGR can be determined. Consequently, for each specific heterostructure, the required thickness of the restrictive undoped sublayer of NOGR can be calculated.

Эмперически определено, что выходные параметры лазера (мощность излучения при одномодовом и одночастотном режимах) зависят от величины нелегированного ограничительного подслоя НООгр. Определено, что наилучшие результаты могут быть достигнуты в случае, когда ограничительный нелегированный подслой наибольшего оптического ограничения выполнен толщиной, выбранной в диапазоне от 0,1 мкм до 1,0 мкм и в случае, когда в ограничительном нелегированном подслое выбран уровень фоновой примеси, равный концентрации менее 2•10¹⁶ см^-3.It is empirically determined that the output parameters of the laser (radiation power in single-mode and single-frequency modes) depend on the value of the undoped limiting sublayer of the НОгр. It is determined that the best results can be achieved in the case when the restrictive undoped sublayer of the highest optical restriction is made with a thickness selected in the range from 0.1 μm to 1.0 μm and in the case when the level of background impurity is chosen in the restrictive undoped sublayer equal to the concentration less than 2 • 10 ¹⁶ cm ^-3 .

Экспериментально определено, что ограничительный нелегированный подслой наибольшего оптического ограничения может быть введен только со стороны ограничительного легированного подслоя наибольшего оптического ограничения того же состава p-типа проводимости. It was experimentally determined that the restrictive undoped sublayer of the greatest optical restriction can be introduced only on the side of the restrictive doped sublayer of the greatest optical restriction of the same composition of p-type conductivity.

Предложенный лазер может быть реализован на различных гетероструктурах, в том числе РОДГС, на квантово-размерных. The proposed laser can be implemented on various heterostructures, including RODGS, on quantum-dimensional.

Поставленная задача решается также тем, что по крайней мере в одном ограничительном слое, примыкая к активному слою, размещен волноводный подслой с уровнем фоновой примеси с концентрацией менее 2•10¹⁶ см^-3. С другой стороны, волноводный подслой может граничить с соответствующим ограничительным легированным подслоем НООгр или с соответствующим ограничительным нелегированным подслоем НООгр. При этом получаем РОДГС с волноводной областью, которая включает активный слой и волноводные подслои для преимущественного распространения усиливаемого излучения в гетероструктуре.The problem is also solved by the fact that at least one boundary layer adjacent to the active layer contains a waveguide sublayer with a background impurity level with a concentration of less than 2 • 10 ¹⁶ cm ^-3 . On the other hand, the waveguide sublayer can be adjacent to the corresponding restrictive doped sublayer of NOOgr or to the corresponding restrictive undoped sublayer of NOOgr. In this case, we obtain RODGS with a waveguide region, which includes the active layer and waveguide sublayers for the predominant propagation of amplified radiation in the heterostructure.

Поставленная задача решается также тем, что активный слой сформирован по крайней мере из одного подслоя. The problem is also solved by the fact that the active layer is formed of at least one sublayer.

В одном из случаев активный слой может быть выполнен в виде одного квантово-размерного активного подслоя. In one case, the active layer can be made in the form of a single quantum-dimensional active sublayer.

В другом случае активный слой может быть сформирован по крайней мере из трех квантово-размерных подслоев, а именно из по крайней мере двух активных подслоев и по крайней мере одного барьерного подслоя, причем в общем случае при множестве квантово-размерных подслоев каждые два активных квантово-размерных подслоя разделены барьерным квантово-размерным подслоем. In another case, the active layer can be formed from at least three quantum-dimensional sublayers, namely, from at least two active sublayers and at least one barrier sublayer, and in the general case with a plurality of quantum-dimensional sublayers, every two active quantum dimensional sublayer separated by a barrier quantum-dimensional sublayer.

Предложенный лазер может быть реализован в различных модификациях как с широкой излучающей полоской, так и узкой - менее 3 мкм, для получения одномодового и одночастотного режимов работы. The proposed laser can be implemented in various modifications, both with a wide emitting strip and a narrow one - less than 3 microns, to obtain single-mode and single-frequency operating modes.

Поставленная задача решается тем, что область усиления выбрана полосковой. Предложены различные случаи реализации, а именно:
в гетероструктуру введены барьерные области;
указанными барьерными областями образована по крайней мере одна мезаполоска, причем в одном случае барьерные области выполнены на глубину, превышающую глубину расположения активного слоя, в другом случае барьерные области выполнены так, что основание мезаполоски размещено над активным слоем на расстоянии от 0,2 мкм до 0,8 мкм;
по крайней мере один из подслоев ограничительного слоя может быть сформирован с профильной поверхностью и по крайней мере активный слой повторяет данный профиль. В такой гетероструктуре могут быть помещены барьерные области.The problem is solved in that the amplification region is selected as a strip. Various implementation cases are proposed, namely:
barrier regions are introduced into the heterostructure;
at least one mesostrip is formed by said barrier regions, and in one case, the barrier regions are made to a depth exceeding the depth of the active layer, in the other case, the barrier regions are made so that the base of the messtrip is placed above the active layer at a distance of 0.2 μm to 0 8 microns;
at least one of the sublayers of the bounding layer can be formed with a profile surface and at least the active layer repeats this profile. In such a heterostructure, barrier regions can be placed.

Кроме того, для достижения одночастотного и одномодового режимов работы предложено сформировать РОС- структуру либо выполнить в плоскости активного слоя зеркала Брегга. In addition, in order to achieve single-frequency and single-mode operation modes, it was proposed to form a POC structure or to perform in the plane of the active layer of the Bragg mirror.

Во всех предложенных случаях поставленная техническая задача решена, если ограничительный легированный подслой со стороны p-типа проводимости легирован цинком, или магнием, или кадмием, или берилием. In all the proposed cases, the stated technical problem is solved if the restrictive doped sublayer on the p-type side is doped with zinc, or magnesium, or cadmium, or beryllium.

В одной из модификаций лазера для решения поставленной задачи предложена гетероструктура, которая сформирована из
- буферного слоя GaAs, легированного Si с концентрацией N₁, выбранной в диапазоне не менее 2•10¹⁷ см^-3 и не более 2•10¹⁸ см^-3,
- ограничительного легированного подслоя Al_xGa_1-xAs градиентного состава от x₁, выбранного из диапазона более нуля и не более 0,05 до x₂, выбранного из диапазона не менее 0,47 и не более 0,53, толщиной d₂, выбранной до 1 мкм и легированного Si с концентрацией N₂, выбранной в диапазоне не менее 2•10¹⁷ см^-3 и не более 2•10¹⁸ см^-3,
- n-типа ограничительного легированного подслоя наибольшего оптического ограничения Al_x3Ga_1-x3As, при x₃, выбранном из диапазона 0,4...0,53, легированного Si с концентрацией N, выбранной в диапазоне не менее 2•10¹⁷ см^-3 и не более 2•10¹⁸ см^-3 толщиной d₃, выбранной в диапазоне 1,5 мкм ... 3 мкм,
- нелегированных подслоев с уровнем легирования фоновых примесей, выбранных в диапазоне от 2•10¹⁴ см^-3 до 6•10¹⁶ см^-3, включающих
- первый волноводный подслой Al_x4Ga_1-4xAs при x₄ выбранном в диапазоне 0,25...0,35, толщиной d₄, выбранной в диапазоне 0,05 мкм ... 0,2 мкм,
- первый активный подслой GaAs толщиной d₅, выбранной в диапазоне 5 нм . .. 12 нм,
- барьерный подслой Al_x5Ga_1-x5As при x₅, выбранном в диапазоне 0,25... 0,35, толщиной d₆, выбранной в диапазоне 10 нм...15 нм,
- второй активный подслой GaAs идентичен первому активному подслою
- второй волноводный подслой Al_x4Ga_1-x4As идентичен первому волноводному подслою,
- нелегированного ограничительного подслоя наибольшего оптического ограничения состава Al_x3Ga_1-x3As (состава n-типа ограничительного слоя наибольшего оптического ограничения) толщиной d₉, выбранной в диапазоне 0,1 мкм ... 1 мкм,
- легированного ограничительного подслоя наибольшего оптического ограничения состава Al_x3Ga_1-x3As (состава n-типа и нелегированного ограничительных подслоев наибольшего оптического ограничения) акцепторной примесью до концентрации P, выбранной в диапазоне 4•10⁷ см^-3 до 1•10¹⁹ см^-3, толщиной d¹⁰, выбранной в диапазоне 1,5 мкм ... 0,7 мкм,
- контактного слоя p⁺-GaAs с концентрацией P₁, выбранной в диапазоне 5•10¹⁸ см^-3 ... 5•10¹⁹ см^-3 и толщиной d¹⁰, выбранной в диапазоне 0,2 мкм .. . 0.5 мкм.In one of the laser modifications, a heterostructure that is formed from
- a buffer layer of GaAs doped with Si with a concentration of N ₁ , selected in the range of not less than 2 • 10 ¹⁷ cm ^-3 and not more than 2 • 10 ¹⁸ cm ^-3 ,
- restrictive doped sublayer Al _x Ga _1-x As gradient composition from x ₁ selected from a range of more than zero and not more than 0.05 to x ₂ selected from a range of not less than 0.47 and not more than 0.53, thickness d ₂ selected up to 1 μm and doped with Si with a concentration of N ₂ , selected in the range of not less than 2 • 10 ¹⁷ cm ^-3 and not more than 2 • 10 ¹⁸ cm ^-3 ,
- n-type restrictive doped sublayer of the highest optical limit Al _x3 Ga _1-x3 As, at x ₃ selected from the range 0.4 ... 0.53, doped with Si with a concentration N selected in the range of at least 2 • 10 ¹⁷ cm ^-3 and not more than 2 • 10 ¹⁸ cm ^-3 with a thickness of d ₃ , selected in the range of 1.5 μm ... 3 μm,
- undoped sublayers with a level of doping of background impurities, selected in the range from 2 • 10 ¹⁴ cm ^-3 to 6 • 10 ¹⁶ cm ^-3 , including
- the first waveguide sublayer Al _x4 Ga _1-4x As with x ₄ selected in the range of 0.25 ... 0.35, thickness d ₄ , selected in the range of 0.05 μm ... 0.2 μm,
- the first active GaAs sublayer with a thickness of d ₅ selected in the range of 5 nm. .. 12 nm,
- a barrier sublayer Al _x5 Ga _1-x5 As at x ₅ selected in the range of 0.25 ... 0.35, thickness d ₆ , selected in the range of 10 nm ... 15 nm,
- the second active sublayer of GaAs is identical to the first active sublayer
- the second waveguide sublayer Al _x4 Ga _1-x4 As is identical to the first waveguide sublayer,
- undoped restriction sublayer of the greatest optical restriction of the composition Al _x3 Ga _1-x3 As (composition of the n-type restriction layer of the highest optical restriction) of thickness d ₉ , selected in the range of 0.1 μm ... 1 μm,
- a doped restriction sublayer of the greatest optical limitation of the composition Al _x3 Ga _1-x3 As (n-type composition and undoped restriction sublayer of the highest optical restriction) with an acceptor impurity up to a concentration P selected in the range 4 • 10 ⁷ cm ^–3 to 1 • 10 ¹⁹ cm ^-3 , thickness d ¹⁰ , selected in the range of 1.5 μm ... 0.7 μm,
- a p ⁺ -GaAs contact layer with a concentration of P ₁ selected in the range of 5 • 10 ¹⁸ cm ^-3 ... 5 • 10 ¹⁹ cm ^-3 and a thickness of d ¹⁰ selected in the range of 0.2 μm ... 0.5 μm.

Заметим, что наличие градиентного слоя не принципиально. Он может отсутствовать. Кроме того, при увеличении толщины нелегированной части ограничительного подслоя HOOгр может быть соответственно уменьшена толщина легированной части так, чтобы сохранить необходимую общую расчетную толщину ограничительного подслоя HOOгр, толще которой выполнять ограничительные подслои HOOгр не целесообразно. Note that the presence of a gradient layer is not important. He may be absent. In addition, with an increase in the thickness of the unalloyed part of the HOOgr restrictive sublayer, the thickness of the doped part can be correspondingly reduced so as to preserve the required total calculated thickness of the HOOgr restrictive sublayer, which is thicker to carry out the HOOgr restrictive sublayers.

Нами определено, что предложенный лазер может быть реализован не только в описанной модификации, но также на других полупроводниковых материалах для различных диапазонов длин волн излучения. We determined that the proposed laser can be implemented not only in the described modification, but also on other semiconductor materials for different ranges of radiation wavelengths.

Существом настоящего изобретения является оригинальный выбор отличительных существенных признаков, которые не являются очевидными. The essence of the present invention is an original selection of distinctive essential features that are not obvious.

Неочевидность состоит в необычном выявленном соотношении концентраций P/N легирующих примесей в легированных ограничительных подслоях HOOгр противоположного типа проводимости, а также в требовании распространения области объемного заряда на всю ширину слоев и подслоев между ограничительными легированными подслоями HOOгр, ближайшими к активному слою так, чтобы границы объемного заряда находились в ограничительных легированных подслоях HOOгр. Неочевидность также состоит в том, что введен нелегированный ограничительный подслой HOOгр (примыкающий к легированному ограничительному подслою HOOгр) толщиной, равной части толщины области объемного заряда, равной d_нп. Определена их связь с выходными параметрами лазера.Non-obviousness lies in the unusual revealed ratio of P / N concentrations of dopants in doped HOOg confinement sublayers of the opposite type of conductivity, as well as in the requirement that the space charge region extend over the entire layer width and sublayers between the restrictive doped subunits of HOOgr nearest to the active layer so that the boundaries of the bulk charges were in the restrictive doped sublayers of HOOgr. It is also non-obvious that an unalloyed confinement sublayer HOOg (adjacent to the doped confinement sublayer HOOgr) with a thickness equal to a portion of the thickness of the space charge region equal to d _{np was introduced} . Their relationship with the output parameters of the laser is determined.

Совокупность существенных отличительных признаков предложенных лазеров в соответствии с формулой изобретения определила их основные достоинства. Значительно увеличена выходная мощность излучения в одномодовом и одночастотном режимах при повышенных эффективности, температурной стабилизации и надежности работы лазера, Иначе говоря, стабилизировано одномодовое и одночастотное излучение в более широком диапазоне значений выходной мощности, чем известно в настоящее время на аналогичных структурах. The set of essential distinguishing features of the proposed lasers in accordance with the claims determined their main advantages. Significantly increased output radiation power in single-mode and single-frequency modes with increased efficiency, temperature stabilization and reliability of the laser, in other words, stabilized single-mode and single-frequency radiation in a wider range of output powers than is currently known on similar structures.

Техническая реализация изобретения основана на известных базовых технологических процессах, которые к настоящему времени хорошо разработаны и широко применяются при изготовлении лазеров. The technical implementation of the invention is based on well-known basic technological processes that are currently well developed and widely used in the manufacture of lasers.

Предложенные настоящим изобретением лазеры применимы по крайней мере для всех известных в настоящее время диапазонов длин волн лазерного излучения и гетероструктурных систем. The lasers proposed by the present invention are applicable to at least all currently known wavelength ranges of laser radiation and heterostructure systems.

Краткое описание чертежей
Настоящее изобретение поясняется чертежами, изображенными на фиг. 1 - 7.Brief Description of the Drawings
The present invention is illustrated by the drawings depicted in FIG. 1 - 7.

На фиг. 1 схематично изображено продольное сечение лазера с полосковой областью генерации излучения, выполненной в виде мезаструктуры. In FIG. 1 schematically shows a longitudinal section of a laser with a strip region of radiation generation made in the form of a mesastructure.

На фиг. 2 схематично изображено продольное сечение конкретной гетероструктуры. In FIG. 2 schematically shows a longitudinal section of a specific heterostructure.

На фиг. 3 изображен график распределения акцепторной примеси в указанной конкретной гетероструктуре. In FIG. 3 is a graph of the distribution of acceptor impurities in said specific heterostructure.

На фиг. 4 изображена ватт-амперная характеристика лазера. In FIG. 4 shows the watt-ampere characteristic of a laser.

На фиг. 5 изображена диаграмма направленности лазера в плоскости, параллельной плоскости p-i-n гетероперехода при разных уровнях выходной мощности. In FIG. 5 shows a laser radiation pattern in a plane parallel to the p-i-n heterojunction plane at different output power levels.

На фиг. 6 изображен спектр излучения лазера при разных уровнях выходной мощности. In FIG. 6 shows a laser emission spectrum at different output power levels.

На фиг. 7 изображен график зависимости предельной мощности в одночастотном режиме от концентрации дырок в ограничительных подслоях наибольшего оптического ограничения, легированных акцепторной примесью, при концентрации электронов N = 10¹⁸ см^-3 в ограничительных подслоях наибольшего оптического ограничения, легированных донорной примесью.In FIG. Figure 7 shows a graph of the dependence of the limiting power in the single-frequency regime on the concentration of holes in the limiting sublayers of the highest optical limitation doped with an acceptor impurity at an electron concentration N = 10 ¹⁸ cm ^-3 in the limiting sublayers of the highest optical limitation doped with a donor impurity.

Варианты осуществления изобретения
В дальнейшем изобретение поясняется описанием конкретных исполнений со ссылками на прилагаемые чертежи 1 - 7. Приведенные примеры не являются единственными.Embodiments of the invention
The invention is further explained in the description of specific designs with reference to the accompanying drawings 1 to 7. The above examples are not unique.

Одна из модификаций предлагаемого лазера 1 схематично изображена на фиг. 1, в котором сформирована мезаполосковая область (мезаполоска) 2. One of the modifications of the proposed laser 1 is shown schematically in FIG. 1, in which a messtrip region (mesostrip) 2 is formed.

Данная модификация лазера 1 выполнена из гетероструктуры 3 типа РОДГС с двумя квантовыми ямами (схематично изображена на фиг. 1 и 2), которые изготавливали МОС-гидридным методом. This modification of laser 1 is made of an RODGS type 3 heterostructure with two quantum wells (shown schematically in Figs. 1 and 2), which were fabricated by the MOS hydride method.

В качестве подложек 4 использовали пластины арсенида галлия, выращенного методом горизонтальной направленной кристаллизации, с концентрацией носителей n = 2•10¹⁸ см^-3.As substrates 4, we used gallium arsenide plates grown by the method of horizontal directed crystallization with a carrier concentration of n = 2 • 10 ¹⁸ cm ^-3 .

В гетероструктуре 3 были выполнены p-типа ограничительные подслои НООгр 5 с различной концентрацией носителей Р в диапазоне от 4•10¹⁷ см^-3 до 1•10¹⁹ см^-3. Конкретные значения концентрации носителей P для примеров 1 - 6 указаны в таблице. На подложке 4 была выращена следующая последовательность слоев: буферный слой 6 GaAs:Si с концентрацией носителей N, равной 2•10¹⁸ cм^-3, ограничительный подслой 7 Al_xGa_1-xAs градиентного состава по x, изменяемого в диапазоне от 0,05 до 0,47, толщиной d, равной 0,5 мкм, n-типа ограничительный подслой НООгр 8 Al_0,47Ga_0,53As:Si с концентрацией носителей N, равной 1•10¹⁸ см^-3 толщиной d, равной 2,5 мкм, первый волноводный подслой 9 Al_0,3Ga_0,7As толщиной d, равной 0,15 мкм, активный слой 10, состоящий из следующих подслоев (подслои активного слоя 10 на фигурах не показаны): первый активный подслой GaAs толщиной d, равной 8 нм, барьерный подслой Al_0,30Ga_0,7As толщиной d, равной 15 нм, второй активный подслой GaAs толщиной d, равной 8 нм; после активного слоя 10 выращивали второй волноводный подслой 11 Al_0,3Ga_0,7As толщиной d, равной 0,15 мкм, нелегированный ограничительный подслой НООгр 12 Al_0,47Ga_0,53As:Zn толщиной d, равной 0,3 мкм, p-типа ограничительный подслой НООгр 5 Al_0,47Ga_0,53As:Zn толщиной d, равной 1,7 мкм, контактный слой 13 p*-GaAs с концентрацией носителей Р, равной 2•10¹⁹ см^-3, толщиной d, равной 0,5 мкм. Концентрации носителей в слоях гетероструктуры, а также состав пленок контролировали на CV- профайлере Polaron 4200. Толщины слоев контролировали с помощью оптического и сканирующего электронного микроскопа.In heterostructure 3, p-type restriction sublayers of НОгр 5 with different carrier concentrations P in the range from 4 • 10 ¹⁷ cm ^–3 to 1 • 10 ¹⁹ cm ^{–3 were made} . Specific carrier concentration values P for Examples 1-6 are shown in the table. The following sequence of layers was grown on substrate 4: a 6 GaAs: Si buffer layer with a carrier concentration of N equal to 2 _× 10 ¹⁸ cm ^-3 , a restrictive sublayer of 7 Al _x Ga _1-x As gradient composition with respect to x, varying from 0, 05 to 0.47, thickness d, equal to 0.5 μm, n-type restrictive sublayer НОгр 8 Al _0.47 Ga _0.53 As: Si with a carrier concentration N equal to 1 • 10 ¹⁸ cm ^-3 thickness d equal to 2.5 μm, the first waveguide sublayer 9 Al _0.3 Ga _0.7 As with a thickness d of 0.15 μm, the active layer 10, consisting of the following sublayers (sublayers of the active layer 10 are not shown in the figures): first asset a GaAs sublayer with a thickness d of 8 nm; an Al _0.30 Ga _0.7 As barrier sublayer with a thickness of d of 15 nm; a second active GaAs sublayer with a thickness of d of 8 nm; after the active layer 10, a second waveguide sublayer 11 Al _0.3 Ga _0.7 As of thickness d equal to 0.15 μm was grown, an undoped limiting sublayer of OHOO 12 Al _0.47 Ga _0.53 As: Zn of thickness d equal to 0.3 μm, p-type restriction sublayer НОгр 5 Al _0.47 Ga _0.53 As: Zn with a thickness d of 1.7 μm, a contact layer of 13 p * -GaAs with a carrier concentration P equal to 2 • 10 ¹⁹ cm ^-3 , thickness d, equal to 0.5 microns. The carrier concentrations in the heterostructure layers, as well as the composition of the films were monitored on a Polaron 4200 CV profiler. The layer thicknesses were monitored using an optical and scanning electron microscope.

Мезаполоску 2 одномодового лазера 1 изготавливали методом ионно-химического травления. Ширина мезаполоски 2 в области контактного слоя 13 составляла 3 мкм. Для получения устойчивой генерации на основной моде расстояние от активного слоя 10 до нижнего края мезаполоски 2 задавали 0,2-0,3 мкм. Таким образом, глубина травления мезаполоски 2 была чуть более 2 мкм. Токовое и оптическое ограничение создавали в соответствии с [10] заращиванием мезаполоски 2 слоем 14 высокоомного ZnSe. На поверхность заращенной таким образом гетероструктуры 3 наносили (по [10)) омические контакты 15 Ti/Ni/Au и гальванические подушки 16 золота для планаризации поверхности. После утонения на пластину со стороны подложки 4 наносили омические контакты 17 Ge/Au. Далее пластину скалывали на кристаллы с длиной резонатора от 200 до 1000 мкм, которые паяли на медный теплоотвод (на фигурах не показано) с помощью индиевого припоя для получения лазерных диодов (далее "ЛД"). Перед монтажом на теплоотвод на грани ЛД в специальных случаях также напыляли диэлектрические многослойные покрытия (на фигурах не показано) с коэффициентами отражения 7... 10% и 95% для передней и задней граней соответственно. The flash strip 2 of a single-mode laser 1 was produced by ion-chemical etching. The width of the mesa strip 2 in the region of the contact layer 13 was 3 μm. To obtain stable generation in the main mode, the distance from the active layer 10 to the lower edge of the mesa strip 2 was set to 0.2-0.3 μm. Thus, the etch depth of the mesa strip 2 was slightly more than 2 μm. Current and optical limitation was created in accordance with [10] by overgrowing the mesa strip 2 with layer 14 of high-resistance ZnSe. Ohm contacts 15 Ti / Ni / Au and galvanic cushions 16 gold for planarization of the surface were deposited (according to [10) onto the surface of heterostructure 3 thus grown. After thinning, ohmic contacts 17 Ge / Au were applied to the plate from the side of substrate 4. Further, the plate was chipped onto crystals with a cavity length of 200 to 1000 μm, which were soldered to a copper heat sink (not shown in the figures) using indium solder to obtain laser diodes (hereinafter referred to as “LD”). Before mounting on a heat sink on the edge of the LD, in special cases dielectric multilayer coatings (not shown in the figures) were also sprayed with reflection coefficients of 7 ... 10% and 95% for the front and rear faces, respectively.

В таблице представлены основные характеристики гетероструктур 3 для шести примеров исполнения (столбцы 1 и 2), а также результаты исследований гетероструктур (столбцы 3-5) и ЛД (столбцы 6 - 10). Концентрация акцепторной примеси P, см^-3, в p-типа ограничительном подслое HOOгр 5 записана в столбце 3 таблицы. Концентрация донорной примеси N, см^-3, в n-типа ограничительном подслое HOOгр 8 записана в столбце 4 таблицы. Значения отношений P/N для указанных партий гетероструктур записаны в столбце 5. Все гетероструктуры имели одинаковый волновод, характеризуемый одинаковыми оптическими потерями α (см. Таблицу, столбец 6). Наибольшая величина выходной мощности, до которой наблюдалась одночастотная генерация, названа предельной Р_пред, мВт (см. столбец 7). Значения дифференциальной квантовой эффективности 2 η, Вт/А записаны в столбце 8, в столбце 9 - значения Т_O - характеристической температуры порогового тока, град К, и в столбце 10 - значения η_o - внутреннего квантового выхода стимулированного излучения,%.The table shows the main characteristics of heterostructures 3 for six performance examples (columns 1 and 2), as well as the results of studies of heterostructures (columns 3-5) and LD (columns 6-10). The concentration of the acceptor impurity P, cm ^-3 , in the p-type restrictive sublayer HOOg 5 is recorded in column 3 of the table. The concentration of the donor impurity N, cm ^-3 , in the n-type restrictive sublayer HOOg 8 is recorded in column 4 of the table. The P / N ratios for the indicated batches of heterostructures are recorded in column 5. All heterostructures had the same waveguide, characterized by the same optical loss α (see Table, column 6). The largest output power to which single-frequency generation was observed is called the limiting P _before , mW (see column 7). The values of the differential quantum efficiency 2 η, W / A are recorded in column 8, in column 9 - the values of T _O - characteristic temperature of the threshold current, degrees K, and in column 10 - the values of η _o - internal quantum yield of stimulated radiation,%.

Распределение акцепторной примеси в данных гетероструктурах 3 показано на примере гетероструктуры партии 541 (см. пример 5 таблицы и фиг. 3). Наблюдаются четкие границы изменения степени концентрации акцепторной примеси P, см^-3. Полученный уровень легирования фоновыми примесями пленок GaAs составлял N, равную 2•10¹⁵ см^-3, а пленок AlGaAs-N, равную 6•10¹⁵ см^-3. Следовательно, в данных гетероструктурах объемный заряд p-i-n гетероперехода формировался сильнолегированными подслоями НООгр 8 и 5 n- и p-типа проводимости соответственно.The distribution of the acceptor impurity in these heterostructures 3 is shown by the example of the heterostructure of batch 541 (see table example 5 and FIG. 3). There are clear boundaries for changing the degree of concentration of the acceptor impurity P, cm ^-3 . The obtained level of doping with background impurities of GaAs films was N equal to 2 • 10 ¹⁵ cm ^-3 , and AlGaAs-N films equal to 6 • 10 ¹⁵ cm ^-3 . Consequently, in these heterostructures, the space charge of the pin heterojunction was formed by heavily doped 8 and 5 n-and p-type NOOg sublayers, respectively.

Все ЛД излучали на длине волны 850±10 нм и имели одинаковую геометрию резонатора при длине резонатора L, равной 600 мкм. All LDs emitted at a wavelength of 850 ± 10 nm and had the same cavity geometry with a cavity length L of 600 μm.

Наилучшие результаты наблюдали в лазерах 1 примера 5 (партия 541)
На фиг. 4 представлена ватт-амперная характеристика (далее "ВАХ")в непрерывном режиме ЛД, изготовленного из партии 541. лазер 1 имел коэффициенты отражения 7% и 95% на передней и задней грани соответственно. Наблюдали, что линейность ВАХ сохраняется до уровня мощности 180 мВт. Необходимо отметить, что время службы ЛД при уровне мощности выше излома ВАХ обычно не превышало 2 часов, в то время как для уровней мощности ниже излома ЛД работали более 500 час без значительной деградации.The best results were observed in lasers 1 of example 5 (batch 541)
In FIG. Figure 4 shows the watt-ampere characteristic (hereinafter referred to as "I-V characteristic") in the continuous mode of an LD made from batch 541. Laser 1 had reflection coefficients of 7% and 95% on the front and back faces, respectively. It was observed that the I – V characteristic linearity is maintained up to a power level of 180 mW. It should be noted that the operating time of an LD at a power level above a kink of the I – V characteristic usually did not exceed 2 hours, while for power levels below a kink, an LD operated for more than 500 hours without significant degradation.

На фиг. 5 представлена диаграмма направленности этого ЛД в плоскости, параллельной p-i-n гетеропереходу при различных уровнях мощности: 18 - при 50 мВт, 19 - при 100 мВт и 20 - при 150 мВт. Видно, что ЛД излучает на основной пространственной моде до мощности более 150 мВт. In FIG. Figure 5 shows the directivity diagram of this LD in a plane parallel to the p-i-n heterojunction at various power levels: 18 at 50 mW, 19 at 100 mW, and 20 at 150 mW. It can be seen that the LD emits at the main spatial mode up to a power of more than 150 mW.

Спектры излучения полученного ЛД (пример 5) при разных уровнях выходной мощности, а именно: 21 - при 2 мВт, 22 - при 70 мВт и 23 - при 175 мВт, изображены на графике на фиг. 6, из которого видно, что в диапазоне мощностей от 2 до 180 мВт спектр является одночастотным, т.е. прибор излучал на одной продольной моде. По достижении 180 мВт на ВАХ (см. фиг. 4) наблюдался излом и появлялась мода более высокого порядка. При этом в спектре излучения появлялись дополнительные максимумы интенсивности. Вышеизложенные факты позволяют говорить, что появление нелинейности ВАХ обусловлено эффектом пространственного выжигания дырки. The emission spectra of the obtained LD (example 5) at different levels of output power, namely: 21 - at 2 mW, 22 - at 70 mW and 23 - at 175 mW, are shown in the graph in FIG. 6, from which it can be seen that in the power range from 2 to 180 mW, the spectrum is single-frequency, i.e. the device radiated in one longitudinal mode. Upon reaching 180 mW, a kink was observed in the I – V characteristic (see Fig. 4) and a higher-order mode appeared. In this case, additional intensity maxima appeared in the emission spectrum. The above facts allow us to say that the appearance of non-linearity of the I – V characteristic is due to the effect of spatial hole burning.

Выходная мощность, при которой появляется нелинейность в ВАХ (см. фиг. 4), как определено ранее, является предельной выходной мощностью P_пред, мВт (см. таблицу, столбец 7). На фиг. 7 изображена зависимость P_пред от отношения P/N, т.е. от отношения концентрации дырок P в p-типа ограничительном подслое наибольшего оптического ограничения для гетероструктур 3 примеров 1 - 5 к концентрации электронов N в n-типа ограничительном подслое наибольшего оптического ограничения - N, равной 1•10¹⁸ см^-3. Видно, что с ростом отношения P/N предельная мощность увеличивается. При этом ЛД имели расходимость θ_⊥ ≈ 40^o, т.е. достаточно сильное ограничение световой волны в волноводе. Это было сделано намеренно, чтобы показать, что именно увеличение отношения P/N приводит к увеличению P_пред. В тоже время (см. таблицу, пример 6) на ЛД с гетероструктурой 756, которая имела высокую концентрацию дырок P в p-типа ограничительном подслое наибольшего оптического ограничения P, равную 3•10¹⁸ см^-3, но такую же высокую и концентрацию электронов N в n-типа ограничительном подслое наибольшего оптического ограничения N, равную 3•10¹⁸ см^-3, т. е. имела отношение P/N, равное 1, была получена примерно такая же p_пред, что и на ЛД с гетероструктурой 254, т.е. с отношением P/N, равным 1.The output power at which non-linearity appears in the I – V characteristic (see FIG. 4), as previously defined, is the ultimate output power P _before , mW (see table, column 7). In FIG. 7 shows the dependence of P _pre on the ratio P / N, i.e. from the ratio of the concentration of holes P in the p-type restrictive sublayer of the greatest optical restriction for heterostructures 3 of examples 1–5 to the concentration of electrons N in the n-type restrictive sublayer of the highest optical restriction — N equal to 1 • 10 ¹⁸ cm ^-3 . It can be seen that with an increase in the P / N ratio, the ultimate power increases. In this case, the LDs had a divergence θ _⊥ ≈ 40 ^o , i.e. a sufficiently strong limitation of the light wave in the waveguide. This was done intentionally to show that it is an increase in the P / N ratio that leads to an increase in P _pre . At the same time (see table, example 6) on an LD with a heterostructure 756, which had a high concentration of holes P in the p-type confining sublayer of the highest optical limit P equal to 3 • 10 ¹⁸ cm ^-3 , but the same high electron concentration N in the n-type restrictive sublayer of the greatest optical restriction N, equal to 3 • 10 ¹⁸ cm ^-3 , that is, had a P / N ratio of 1, approximately the same p _pre was obtained as on an LD with a heterostructure of 254, those. with a P / N ratio of 1.

Мы наблюдали, что с ростом отношения P/N увеличиваются внешняя дифференциальная квантовая эффективность 2 η и характеристическая температура порогового тока T₀, что говорит о снижении токовых утечек из активной области (см. таблицу). Также увеличивается внутренний квантовый выход η стимулированного излучения с ростом отношения P/N.We observed that with an increase in the P / N ratio, the external differential quantum efficiency 2 η and the characteristic temperature of the threshold current T ₀ increase, which indicates a decrease in current leakage from the active region (see table). The internal quantum yield η of stimulated emission also increases with increasing P / N ratio.

В следующих примерах были исследованы также частотные характеристики ЛД. На гетероструктурах 3 примеров 1 - 6 были изготовлены ЛД с длиной резонатора 400 мкм с естественными гранями. Измерения проводили в стандартном корпусе диаметром 9 мм типа SOT-148. Специальных мероприятий по снижению емкости и индуктивности не проводилось. Выяснено, что увеличение отношения P/N приводит к увеличению полосы модуляции ЛД. In the following examples, the frequency characteristics of the LD were also investigated. On heterostructures 3 of examples 1 to 6, LDs with a cavity length of 400 μm with natural faces were made. The measurements were carried out in a standard case with a diameter of 9 mm type SOT-148. No special measures to reduce capacitance and inductance were carried out. It was found that an increase in the P / N ratio leads to an increase in the LD modulation band.

В другом примере были изготовлены гетероструктуры 3 с теми же параметрами, но отсутствует нелегированный подслой НООгр 12. In another example, heterostructures 3 with the same parameters were fabricated, but there was no undoped sublayer NOOg 12.

Анализ методом вторичной масс-спектроскопии выполненной гетероструктуры 3 показал, что при выращивании гетероструктуры 3 имела место диффузия акцепторной примеси из p-типа ограничивающего сильнолегированного подслоя НООгр 5 в прилегающий выращиваемый нелегированным волноводный подслой 11. An analysis of the performed heterostructure 3 by the method of secondary mass spectroscopy showed that during the growth of heterostructure 3, there was a diffusion of the acceptor impurity from the p-type confining heavily doped sublayer HOOg 5 into the adjacent grown undoped waveguide sublayer 11.

В лазерах с такой гетероструктурой объемный заряд p-i-n гетероперехода формировался между n-типа ограничительным подслоем НООгр 8 и p-типа волноводным подслоем 11, что привело к значительному ухудшению излучательных характеристик лазера 1. Нами получено, что ЛД сохраняли одночастотный характер спектра генерации до более чем в три раза меньших значений предельной выходной мощности излучения P_пред -до 50-60 мВт. Снижалась внешняя дифференциальная квантовая эффективность 2 η - до 0,43, ухудшались температурные характеристики лазеров - T₀ порядка 115К.In lasers with such a heterostructure, the space charge of the pin heterojunction was formed between the n-type confinement sublayer HOOgr 8 and the p-type waveguide sublayer 11, which led to a significant deterioration in the radiation characteristics of laser 1. We found that the LDs retained the single-frequency character of the lasing spectrum to more than three times lower values of the maximum output radiation power P _pre- up to 50-60 mW. The external differential quantum efficiency 2 η decreased to 0.43, and the temperature characteristics of the lasers deteriorated - T _{0 of the} order of 115K.

Таким образом, в предложенных лазерах значительно увеличена выходная мощность лазерного излучения в одномодовом и одночастотном режимах, стабилизированы указанные режимы действия лазера. Стабилизирована его температурная зависимость То. Предложены высокоэффективные лазеры повышенной надежности. Thus, in the proposed lasers, the output power of the laser radiation in the single-mode and single-frequency modes is significantly increased, and the indicated laser operation modes are stabilized. Its temperature dependence of To is stabilized. High-performance lasers of enhanced reliability are proposed.

Промышленная применимость
Предложенные источники излучения используются в волоконно-оптических системах связи и передачи информации, в оптических сверхскоростных вычислительных и коммутационных системах, открытой оптической связи, в системах оптической памяти, спектроскопии, а также для накачки твердотельных и волоконных лазеров, при создании лазерного технологического оборудования, медицинского оборудования, измерительных устройств и т.д.Industrial applicability
The proposed radiation sources are used in fiber-optic communication and information transfer systems, in optical superhigh-speed computing and switching systems, open optical communication, in optical memory systems, spectroscopy, as well as for pumping solid-state and fiber lasers, when creating laser technological equipment, medical equipment measuring devices, etc.

Источники известности
1. Физика полупроводниковых лазеров, п./р. Х.Такумы, М., "Мир", 1989, гл. 6, сс. 18-19.Sources of fame
1. Physics of semiconductor lasers, p / p. H. Takuma, M., "World", 1989, Ch. 6, ss 18-19.

2. S.S. Ou et al., Electronics Letters (1992), v. 28, N. 25, pp. 2345-2346. 2. S.S. Ou et al., Electronics Letters (1992), v. 28, N. 25, pp. 2345-2346.

3. Handbook of Semiconductor Lasers and Photonic integrated circuits, edited by Y.Suematsu and A.R. Adams, "Chapman-Hill", London, 1994, pp. 44-45, 393-417. 3. Handbook of Semiconductor Lasers and Photonic integrated circuits, edited by Y.Suematsu and A.R. Adams, "Chapman-Hill", London, 1994, pp. 44-45, 393-417.

4. Физика полупроводниковых лазеров, п./р. Х.Такумы, М., "Мир", 1989, гл. 6, сс. 145-148. 4. Physics of semiconductor lasers, p / p. H. Takuma, M., "World", 1989, Ch. 6, ss 145-148.

5. Патент США 4,441,187 (Jean-Claude BOULEY, Josette CHARIL, Guy CHAMINANT), 03.04.1984, 372/46, H 01 S 3/19. 5. U.S. Patent 4,441,187 (Jean-Claude BOULEY, Josette CHARIL, Guy CHAMINANT), 04/03/1984, 372/46, H 01 S 3/19.

6. Патент РФ 2035103 (В.А. ШИШКИН, В.И. ШВЕЙКИН), 26.01.93, H 01 S 3/19. 6. RF patent 2035103 (V. A. Shishkin, V. I. Shveikin), 01/26/93, H 01 S 3/19.

7. Патент США 4679199 (GTE LABORTORIES INC.), 07.07.1987, 372/44, H 01 S 3/19. 7. U.S. Patent 4,679,199 (GTE LABORTORIES INC.), 07/07/1987, 372/44, H 01 S 3/19.

8. П. Г. Елисеев "Введение в физику инжекционных лазеров", М. "Наука", 1983, сс. 156-162. 8. P. G. Eliseev "Introduction to the physics of injection lasers", M. "Science", 1983, ss. 156-162.

9. X. Кейси, М. Паниш "Лазеры на гетероструктурах", Мир, Москва, 1981, сс. 228-281. 9. X. Casey, M. Panish, "Lasers on heterostructures", Mir, Moscow, 1981, pp. 228-281.

10. Патент РФ 1831213 (ФГУП НИИ "ПОЛЮС"), 22.08.90, H 01 S 3/19. 10. RF patent 1831213 (FSUE Research Institute "POLYUS"), 08/22/90, H 01 S 3/19.

Claims

1. Injection laser made of a heterostructure containing the active layer and on both sides of the boundary layers, including on each side at least one restrictive doped sublayer of the highest optical restriction having opposite types of electrical conductivity, characterized in that between the restrictive doped sublayers of the greatest optical limits closest to the active layer, including the level of background impurity in the active layer, and the ratio of hole concentration P in the sublayer of the greatest optical limitation of p-type electrical conductivity from the p-type side to the electron concentration N in the indicated sublayer of the largest optical limitation of p-type electrical conductivity from the n-type side, P / N, more than one is selected, including at the space charge boundary pin heterojunction located in restrictive doped sublayers of the greatest optical restriction.

2. The injection laser according to claim 1, characterized in that the level of background impurities has a concentration of less than 2 • 10 ¹⁶ cm ^-3 .

3. The injection laser according to any one of the preceding paragraphs, characterized in that the P / N value is selected in the range from 3 to 20.

4. The injection laser according to any one of the preceding paragraphs, characterized in that in the restrictive doped p-type sublayer, the concentration of the acceptor impurity is chosen to exceed 2 • 10 ¹⁸ cm ^-3 .

5. An injection laser according to any one of the preceding paragraphs, characterized in that in the restrictive doped n-type sublayer, the concentration of donor impurity is selected to be not less than 2 • 10 ¹⁷ cm ^-3 and not more than 2 • 10 ¹⁸ cm ^-3 .

6. Injection laser according to any one of the preceding paragraphs, characterized in that at least one restrictive layer from the side of the active layer adjacent to the restrictive doped sublayer of the greatest optical restriction is placed of the same composition, a restrictive undoped sublayer of the greatest optical restriction with a thickness exceeding the diffusion thickness impurities from the restrictive doped sublayer of the greatest optical restriction and not more than the thickness d _np equal to part of the thickness of the space charge region heterojunction pin attributable to the restrictive undoped sublayer of the greatest optical restriction.

7. The injection laser according to claim 6, characterized in that the thickness d _{np is} chosen to be equal to the thickness D _{oz of} the space charge region of the heterojunction pin minus the sum composed of the thickness d _{N of} the space charge region in the limiting doped sublayer of the greatest n-type optical limit, thickness d _p the space charge region in the restrictive doped sublayer of the highest p-type optical limitation, thickness _{AC of the} active layer.

8. The injection laser according to claim 6, characterized in that the thickness d _{np is} chosen to be equal to the thickness D _{oz of} the space charge region of the heterojunction pin minus the sum composed of the thickness d _{N of} the space charge region in the limiting doped sublayer of the greatest n-type optical limit, thickness d _p of the space charge limited doped sublayer maximum optical confinement p-type _AC thickness d of the active layer thickness d and _DP additional restrictive sublayers between the active layer and restrictive sublayers nai optical confinement Olsha.

9. An injection laser according to any one of claims 6 to 8, characterized in that the restrictive undoped sublayer of the greatest optical restriction is made with a thickness selected in the range from 0.1 to 1.0 μm.

10. An injection laser according to any one of claims 6 to 8, characterized in that the restrictive undoped sublayer of the greatest optical restriction is introduced only from the restrictive doped sublayer of the highest optical restriction of the p-type conductivity.

11. Injection laser according to any one of the preceding paragraphs, characterized in that at least one restrictive layer adjacent to the active layer, a waveguide sublayer is placed.

12. The injection laser according to claim 11, characterized in that the waveguide sublayer, on the other hand, borders on the corresponding restrictive doped sublayer of the greatest optical limitation.

13. The injection laser according to claim 11, characterized in that the waveguide sublayer, on the other hand, borders on the other hand, and borders a non-doped sublayer of the greatest optical limit.

14. An injection laser according to any one of the preceding paragraphs, characterized in that the active layer is formed of at least one sublayer.

15. The injection laser according to any one of the preceding paragraphs, characterized in that the active layer is made in the form of a single quantum-dimensional active sublayer.

16. The injection laser according to claim 14, characterized in that the active layer is formed of at least three quantum-dimensional sublayers, namely at least two active quantum-dimensional sublayers separated by a barrier quantum-dimensional sublayer.

17. The injection laser according to clause 16, wherein each two active quantum-dimensional sublayer is separated by a barrier quantum-dimensional sublayer.

18. The injection laser according to any one of the preceding paragraphs, characterized in that the amplification region is selected as a strip.

19. The injection laser according to claim 18, characterized in that barrier regions are introduced into the heterostructure.

20. The injection laser according to claim 19, characterized in that at least one mesoscale is formed by the barrier regions.

21. The injection laser according to claim 19 or 20, characterized in that the barrier region is made to a depth exceeding the depth of the active layer.

22. The injection laser according to claim 20, characterized in that the barrier regions are configured such that the base of the mesoscale strip is placed placed above the active layer at a distance of 0.2 to 0.8 microns.

23. An injection laser according to claims 18 or 19, characterized in that at least one of the sublayers of the bounding layer is formed with a profile surface and at least the active layer repeats this profile.

24. The injection laser according to any one of the preceding paragraphs, characterized in that the boundary doped layer on the p-type side of the conductivity is doped with zinc, or magnesium, or cadmium, or beryllium.