RU172195U1 - Гетероструктура полупроводникового лазера - Google Patents

Гетероструктура полупроводникового лазера Download PDF

Info

Publication number
RU172195U1
RU172195U1 RU2016146037U RU2016146037U RU172195U1 RU 172195 U1 RU172195 U1 RU 172195U1 RU 2016146037 U RU2016146037 U RU 2016146037U RU 2016146037 U RU2016146037 U RU 2016146037U RU 172195 U1 RU172195 U1 RU 172195U1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
waveguide
layer
doped
quantum well
type
Prior art date
Application number
RU2016146037U
Other languages
English (en)
Inventor
Антон Юрьевич Егоров
Леонид Яковлевич Карачинский
Иннокентий Игоревич Новиков
Александр Сергеевич Курочкин
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "Коннектор Оптикс" (ООО "Коннектор Оптикс")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью "Коннектор Оптикс" (ООО "Коннектор Оптикс") filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "Коннектор Оптикс" (ООО "Коннектор Оптикс")
Priority to RU2016146037U priority Critical patent/RU172195U1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU172195U1 publication Critical patent/RU172195U1/ru

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/02Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
    • H01L33/14Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a carrier transport control structure, e.g. highly-doped semiconductor layer or current-blocking structure
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/04Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/18Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic Table or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
    • H01L21/20Deposition of semiconductor materials on a substrate, e.g. epitaxial growth solid phase epitaxy
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00Semiconductor lasers
    • H01S5/30Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
    • H01S5/34Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers
    • H01S5/343Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Semiconductor Lasers (AREA)

Abstract

Использование: для изготовления полупроводниковых инжекционных лазеров ближнего инфракрасного диапазона. Сущность полезной модели заключается в том, что гетероструктура полупроводникового лазера состоит из последовательно расположенных на подложке InP первого эмиттерного слоя, выполненного из InAlAs, волноводного слоя, выполненного из AlInGaAs и содержащего квантовые ямы, выполненные из InGaAs, второго эмиттерного слоя, выполненного из InAlAs, перед каждой квантовой ямой в нелегированном волноводном слое со стороны обкладки волновода из материала, легированного примесью n-типа, дополнительно расположен дельта-легированный слой n-типа, создающий дополнительный потенциальный барьер для дырок, а после квантовой ямы со стороны обкладки волновода из материала, легированного примесью p-типа, дополнительно расположен дельта-легированный слой p-типа, создающий дополнительный потенциальный барьер для электронов. Технический результат: обеспечение возможности подавления паразитной рекомбинации носителей заряда и увеличения поверхностной плотности носителей заряда в квантовой яме. 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

Description

Полезная модель относится оптоэлектронной технике и может быть использована для изготовления полупроводниковых инжекционных лазеров ближнего инфракрасного диапазона.
Лазерная промышленность является критически важной для многих областей производства. К отраслям, наиболее нуждающимся в лазерных технологиях, относят следующие: медицина, военно-промышленный комплекс, телекоммуникации, авиакосмическая сфера, металлургия [http://www.photonics-expo.ni/ru/news/index.php?id4=1968].
Из всех типов лазерных излучателей полупроводниковые лазеры считаются наиболее современными и перспективными устройствами для генерации лазерного излучения [Тенденции развития рынка лазерных технологий для решения задач лазерной обработки материалов. / В.С. Казакевич С.И. Яресько, Самарский филиал Федерального государственного бюджетного учреждения науки Физического института им. П.Н. Лебедева РАН. - Самара, 2014]. Отметим следующие их преимущества: накачка происходит электрическим током (то есть происходит прямое преобразование электрической энергии в лазерное излучение), компактность готовых устройств, высокие значения теоретического и практического коэффициента полезного действия, возможность плавной подстройки длины волны (зависимость ширины запрещенной зоны от температуры, давления, магнитного потока), широкий диапазон длин волн генерации, малоинерционность (малые времена релаксации, высокие частоты работы лазеров), совместимость полупроводниковых лазеров с интегральными схемами, устройствами интегральной и волоконной оптики.
Для работы любого лазера необходимо обеспечить выполнение двух основных условий. Во-первых, это необходимость создания состояния инверсной заселенности энергетических уровней, то есть необходимо обеспечить, чтобы на более высоком уровне находилось больше электронов, чем на низком. В состояние теплового равновесия ситуация с распределением электронов по уровням прямо противоположная. Во-вторых, каждому лазеру необходим оптический резонатор, или система зеркал, которая запирает электромагнитное излучение в рабочем объеме и обеспечивает механизм вынужденной рекомбинации электронов при их переходах из зоны проводимости в валентную зону. При вынужденной рекомбинации генерируется фотон, имеющий ту же частоту, частоту, направление распространения и фазу, что и фотон, индуцирующий рекомбинацию. При спонтанной рекомбинации, наоборот, генерируются фотоны, имеющие произвольные направления движения и фазы.
В настоящее время самым распространенным типом полупроводникового лазера является лазер на квантовой яме в виде двойной гетероструктуры, для которой активная область представляет собой тонкий слой узкозонного полупроводника "зажатого" между двумя широкозонными. При достаточно малой толщине активной области она начинает вести себя как квантовая яма и квантование энергетического спектра в ней существенно меняет свойства лазеров. К широкозонным областям присоединяются металлические контакты, через которые электроны могут непрерывно поступать в рабочую область.
Наиболее важной на сегодняшний день целью исследований и разработок в области полупроводниковых лазерных излучателей является снижение плотности порогового тока и достижение температурной стабильности работы таких структур. Одним из основных факторов, определяющих величину и температурную зависимость плотности порогового тока, является паразитная рекомбинация носителей заряда в волноводной области инжекционного лазера. В работе [Лукашин В.М. Увеличение удельной выходной мощности и коэффициента усиления DpHEMT-транзисторов за счет повышения степени локализации горячих электронов в канале: дисс. канд. тех. наук: 05.27.01 - Лукашин Владимир Михайлович. - Фрязино, 2015 - 66 с.] использование подобных дельта-легированных донорными и акцепторными примесями слоев было предложено для увеличения удельной выходной мощности и коэффициента усиления DpHEMT-транзисторов за счет повышения степени локализации горячих электронов в канале приборов.
В работе [Полупроводниковый лазер с ассиметричными барьерными слоями: высокая температурная стабильность. / А.Е. Жуков, Н.В. Крыжановская, М.В. Максимов, А.Ю. Егоров, М.М. Павлов, Ф.И. Зубов, Л.В. Асрян, Академический университет.- Санкт-Петербург, 2010.] для увеличения температурной стабильности предложен способ создания потенциальных барьеров вблизи квантовой ямы путем добавления полупроводниковых слоев с отличным от материала волновода химически составом и энергией запрещенной зоны и гетероструктура полупроводникового лазера с ассиметричными барьерными слоями.
Основным недостатком этих решений является сложность практической реализации таких барьеров, поскольку в распоряжении специалистов по эпитаксии имеется ограниченный набор материалов, которые они могут использовать в конкретной установке, поэтому на практике реализовать гетероструктуру с высокоэффективными барьерными слоями для носителей зарядов весьма сложно.
Задачей полезной модели является улучшение характеристик работы инжекционных лазеров: понижение плотности порогового тока и повышение температурной стабильности работы лазера.
Технический результат заключается в упрощении подавления паразитной рекомбинации носителей заряда в волноводной области структуры и увеличения поверхностной плотности носителей заряда в квантовой яме.
Технический результат достигается тем, что в гетероструктуре полупроводникового лазера, состоящей из последовательно расположенных на подложке первого эмиттерного слоя, волноводного слоя, содержащего квантовые ямы, второго эмиттерного слоя, согласно полезной модели, перед каждой квантовой ямой в нелегированном волноводном слое со стороны обкладки волновода из материала, легированного примесью n-типа, дополнительно расположен дельта-легированный слой n-типа, создающий дополнительный потенциальный барьер для дырок, а после квантовой ямы со стороны обкладки волновода из материала, легированного примесью p-типа дополнительно расположен дельта-легированный слой p-типа, создающий дополнительный потенциальный барьер для электронов.
При этом эммитерные слои выполнены из InAlAs, первый эммитерный слой выполнен на подложке InP. Волноводный слой выполнен из AlInGaAs с с квантовыми ямами, выполненными из InGaAs, и расстояние между дельта-легированным слоем и квантовой ямой составляет 10-30 нм.
На фиг. 1 показано схематическое изображение зонной диаграммы полупроводникового лазера согласно настоящему изобретению.
Лазерная гетероструктура образована двумя эммитерными эпитаксиальными слоями, между которыми расположен эпитаксиальный волноводный слой. Эммитерные слои и волноводный слой выполнены на индиевой подложке из соединений AIIIBV группы таблицы Менделеева и их твердых растворов, например, из InAlAs и AlInGaAs соответственно. В волноводном слое выполнены квантовые ямы, образованные слоем, выполненным на индиевой подложке из соединений АIIIВV группы таблицы Менделеева и их твердых растворов, например, из InGaAs. В волноводном слое в непосредственной близости от квантовых ям дополнительно расположен дельта-легированный слой n- и p-типа, выполняющий роль дополнительных потенциальных барьеров для дырок и электронов. Дельта-легированный слой n-типа расположен перед квантовой ямой в нелегированном волноводном слое со стороны обкладки волновода из материала, легированного примесью n-типа, а дельта-легированный слой p-типа расположен после квантовой ямы со стороны обкладки волновода из материала, легированного примесью p-типа. Расстояние от дельта-легированного слоя до квантовой ямы составляет 10-30 нм.
Предложенная гетероструктура реализована методом молекулярно-пучковой эпитаксии. При дельта-легировании сначала закрывают потоки элементов третьей группы, и эпитаксиальная поверхность остается под воздействием потоков элементов пятой группы. Затем открывается поток легирующей примеси, в качестве которой используется кремний или углерод. Поверхность выдерживают под потоком легирующей примеси и потоком элементов пятой группы, обычно от одной до нескольких минут. Затем поток легирующей примеси закрывают и открывают поток элементов третьей группы.
При малых энергиях локализации электронов в квантовой яме, например менее 3 kТ, наблюдается высокая концентрация электронов и дырок в волноводной области известных из уровня техники лазера. Плотность тока, вызванная паразитной рекомбинацией (на фиг. 1 показано стрелками) вне квантовой ямы, сравнима или выше плотности тока излучательной рекомбинации в квантовой яме. Это приводит к увеличению плотности порогового тока в таких структурах и снижает ее характеристическую температуру в связи с более сильной зависимостью концентрации носителей заряда в объемном материале волновода по сравнению с температурной зависимостью в квантово-размерной активной области. Созданные путем добавления в конструкцию лазера дельта-легированных слоев n- и p-типа потенциальные барьеры для электронов в зоне проводимости и для дырок в валентной зоне достаточно высоки для того, чтобы существенно сократить термические выбросы и туннелирование электронов в волноводную область структуры. В результате воздействия потенциальных барьеров проникновение электронов в волновод со стороны обкладки волновода p-типа и дырок в волновод со стороны обкладки волновода n-типа ограничено, в связи с чем, область электронно-дырочной рекомбинации ограничивается активной областью, образованной квантовой ямой и участком между ней и расположенным в непосредственной близости от нее дельта-легированным слоем. Электроны при приложении прямого смещения перемещаются в направлении слева-направо, некоторые из них не попадают в квантовую яму или покидают ее ввиду обладания ими высокой энергией. Потенциальный барьер не дает возможности таким электронам проникнуть далее в волноводную область структуры, с большой долей вероятности эти электроны попадают обратно в квантовую яму, где рекомбинируют с излучением света. Аналогично справедливо и для дырок. Предложенный подход не требует использования дополнительных материалов, отличных от выбранного состава волноводного слоя, а вставка дельта-легированных слоев происходит непосредственно в волноводные слои. Это упрощает практическую реализацию потенциальных барьеров для носителей заряда.
Также предложенные дельта-легированные слои n- и p-типа, поскольку имеют малые толщину, практически не влияют на внутренние потери и фактор оптического ограничения световой волны лазерной гетероструктуры.

Claims (7)

1. Гетероструктура полупроводникового лазера, состоящая из последовательно расположенных на подложке первого эмиттерного слоя, волноводного слоя, содержащего квантовые ямы, второго эмиттерного слоя, отличающаяся тем, что
перед каждой квантовой ямой в нелегированном волноводном слое со стороны обкладки волновода из материала, легированного примесью n-типа, дополнительно расположен дельта-легированный слой n-типа, создающий дополнительный потенциальный барьер для дырок, а после квантовой ямы со стороны обкладки волновода из материала, легированного примесью р-типа, дополнительно расположен дельта-легированный слой р-типа, создающий дополнительный потенциальный барьер для электронов.
2. Гетероструктура полупроводникового лазера по п. 1, отличающаяся тем, что первый эммитерный слой выполнен на подложке InP из InAlAs.
3. Гетероструктура полупроводникового лазера по п. 1, отличающаяся тем, что второй эммитерный слой выполнен из InAlAs.
4. Гетероструктура полупроводникового лазера по п. 1, отличающаяся тем, что волноводный слой выполнен из AlInGaAs.
5. Гетероструктура полупроводникового лазера по п. 1, отличающаяся тем, что слой с квантовыми ямами выполнен из InGaAs.
6. Гетероструктура полупроводникового лазера по п. 1, отличающаяся тем, что расстояние между дельта-легированным слоем и квантовой ямой составляет 10-30 нм.
RU2016146037U 2016-11-23 2016-11-23 Гетероструктура полупроводникового лазера RU172195U1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016146037U RU172195U1 (ru) 2016-11-23 2016-11-23 Гетероструктура полупроводникового лазера

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016146037U RU172195U1 (ru) 2016-11-23 2016-11-23 Гетероструктура полупроводникового лазера

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU172195U1 true RU172195U1 (ru) 2017-06-30

Family

ID=59310229

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2016146037U RU172195U1 (ru) 2016-11-23 2016-11-23 Гетероструктура полупроводникового лазера

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU172195U1 (ru)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2646951C1 (ru) * 2016-12-20 2018-03-12 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук Гетероструктура мощного полупроводникового лазера спектрального диапазона 1400-1600 нм
RU181198U1 (ru) * 2017-12-27 2018-07-05 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики" (Университет ИТМО) Гетероструктура квантово-каскадного лазера
WO2019038202A1 (de) * 2017-08-24 2019-02-28 Osram Opto Semiconductors Gmbh Strahlungsemittierender halbleiterkörper und verfahren zu dessen herstellung

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5034344A (en) * 1989-07-17 1991-07-23 Bell Communications Research, Inc. Method of making a surface emitting semiconductor laser
JP2000068611A (ja) * 1998-08-07 2000-03-03 Lucent Technol Inc 選択ド―プされた障壁を有する多量子井戸レ―ザ
RU2205468C1 (ru) * 2002-07-09 2003-05-27 Физико-технический институт им. А.Ф.Иоффе РАН Способ изготовления светоизлучающей структуры на квантовых точках и светоизлучающая структура
RU2257640C1 (ru) * 2004-04-28 2005-07-27 Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН Способ изготовления светоизлучающей структуры и светоизлучающая структура

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5034344A (en) * 1989-07-17 1991-07-23 Bell Communications Research, Inc. Method of making a surface emitting semiconductor laser
JP2000068611A (ja) * 1998-08-07 2000-03-03 Lucent Technol Inc 選択ド―プされた障壁を有する多量子井戸レ―ザ
RU2205468C1 (ru) * 2002-07-09 2003-05-27 Физико-технический институт им. А.Ф.Иоффе РАН Способ изготовления светоизлучающей структуры на квантовых точках и светоизлучающая структура
RU2257640C1 (ru) * 2004-04-28 2005-07-27 Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН Способ изготовления светоизлучающей структуры и светоизлучающая структура

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Ключков А.Н., Электронный спектр в модулированно-легированных гетероструктурах InGaAs/InAlAs на подложках GaAs и InP, Диссертация на соикание ученой степени кандидата физико-математических наук, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт сверхвысокочастотной полупроводниковой электроники Российской академии наук, Москва, 2015. *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2646951C1 (ru) * 2016-12-20 2018-03-12 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук Гетероструктура мощного полупроводникового лазера спектрального диапазона 1400-1600 нм
WO2019038202A1 (de) * 2017-08-24 2019-02-28 Osram Opto Semiconductors Gmbh Strahlungsemittierender halbleiterkörper und verfahren zu dessen herstellung
RU181198U1 (ru) * 2017-12-27 2018-07-05 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики" (Университет ИТМО) Гетероструктура квантово-каскадного лазера

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7705415B1 (en) Optical and electronic devices based on nano-plasma
Sato et al. Light confinement and high current density in UVB laser diode structure using Al composition-graded p-AlGaN cladding layer
Zheng et al. Digital alloy InAlAs avalanche photodiodes
RU172195U1 (ru) Гетероструктура полупроводникового лазера
JP5923121B2 (ja) 半導体光素子
Sun et al. Monte Carlo simulation of InAlAs/InAlGaAs tandem avalanche photodiodes
von den Driesch et al. Epitaxy of Si-Ge-Sn-based heterostructures for CMOS-integratable light emitters
JP2013236012A (ja) アバランシェフォトダイオード及びその製造方法
JP2017033981A (ja) 量子カスケードレーザ
Jamal-Eddine et al. Low voltage drop tunnel junctions grown monolithically by MOCVD
Haddadi et al. Type-II InAs/GaSb/AlSb superlattice-based heterojunction phototransistors: back to the future
Lee et al. Analysis of InGaAs/InP single-photon avalanche diodes with the multiplication width variation
Jones et al. AlInAsSb separate absorption, charge, and multiplication avalanche photodiodes for mid-infrared detection
Cai et al. Enhanced front-illuminated pipin GaN/AlGaN ultraviolet avalanche photodiodes
Dolginov et al. Injection heterolaser based on InGaAsSb four-component solid solution
Cao Research progress in terahertz quantum cascade lasers
Li et al. Avalanche noise characteristics of thin GaAs structures with distributed carrier generation [APDs]
Vinokurov et al. A study of epitaxially stacked tunnel-junction semiconductor lasers grown by MOCVD
RU2557359C2 (ru) Лазер-тиристор
Marmalyuk et al. Laser diodes with several emitting regions (λ= 800–1100 nm) on the basis of epitaxially integrated heterostructures
Dou et al. Optically pumped GeSn-edge-emitting laser with emission at 3 μm for Si photonics
US9601895B2 (en) Ultra fast semiconductor laser
US20040259284A1 (en) Method of increasing the luminescent bandwidth of photoelectric semiconductor device by separate confinement heterostructure
Lasaosa et al. Traveling-wave photodetectors with high power-bandwidth and gain-bandwidth product performance
Li et al. Investigation of InGaAs/GaAs quantum well lasers with slightly doped tunnel junction

Legal Events

Date Code Title Description
QB9K Licence granted or registered (utility model)

Free format text: LICENCE FORMERLY AGREED ON 20180207

Effective date: 20180207