RU2197049C1

RU2197049C1 - Heterostructure

Info

Publication number: RU2197049C1
Application number: RU2002103962/28A
Authority: RU
Inventors: В.И. Швейкин
Original assignee: Швейкин Василий Иванович
Priority date: 2002-02-18
Filing date: 2002-02-18
Publication date: 2003-01-20

Abstract

FIELD: fiber-optic communication and data transmission systems, high-speed computers, medical instruments. SUBSTANCE: heterostructure for injection lasers is characterized in retrofitted design, comprehensive choice of composition and thickness of its layers ensuring its functioning in narrow transition region for organizing emission of rays from active layer. Heterostructure is distinguished by reduced thickness of emission region, reduced ohmic and thermal resistances, reduced mechanical stresses. EFFECT: simplified design, facilitated manufacture. 13 cl, 4 dwg

Description

Область техники
Изобретение относится к квантовой электронной технике, а именно к гетероструктуре на основе полупроводниковых соединений для полупроводниковых инжекционных источников излучения.Technical field
The invention relates to quantum electronic technology, namely to a heterostructure based on semiconductor compounds for semiconductor injection radiation sources.

Предшествующий уровень техники
Гетероструктуры являются ключевым элементом эффективных высокомощных и компактных полупроводниковых инжекционных источников излучения (в дальнейшем ИИИ) с узкой диаграммой направленности.State of the art
Heterostructures are a key element of effective high-power and compact semiconductor injection radiation sources (hereinafter III) with a narrow radiation pattern.

Гетероструктуры для ИИИ с вытекающим излучением с узкой диаграммой направленности известны (например, [1,2]). Heterostructures for radiation sources with leaky radiation with a narrow radiation pattern are known (for example, [1,2]).

Гетероструктура в соответствии с [1] включает подложку и лазерную гетероструктуру, содержащую активный слой (толщиной 0,1...2 мкм), оптически однородные ограничительные слои, а также включает область вывода излучения, в частном случае полупроводниковую подложку, прозрачную для выводимого лазерного излучения. Ограничительный слой толщиной 0,06...0,5 мкм и примыкающая к нему область вывода составляют средство вывода излучения. The heterostructure in accordance with [1] includes a substrate and a laser heterostructure containing an active layer (0.1 ... 2 μm thick), optically uniform boundary layers, and also includes a radiation output region, in a particular case a semiconductor substrate transparent to the output laser radiation. The bounding layer with a thickness of 0.06 ... 0.5 μm and the adjacent output region constitute a radiation output means.

Известные гетероструктуры [1] при использовании подложки в качестве слоя втекания излучения технологически просты в изготовлении, но существует ряд ограничений при таком использовании подложки. В инжекционных лазерах на основе известной гетероструктуры [1] средой оптического резонатора является среда активного слоя. Такие инжекционные лазеры имеют высокие пороговые токи (порядка 7,7 кА/см²) при выходной мощности порядка 3 Вт в коротком импульсе излучения, выходящего под углом как к плоскости оптической грани, так и к плоскости активного слоя, что создает трудности при эксплуатации инжекционных лазеров.Known heterostructures [1] when using a substrate as a radiation leak-in layer are technologically simple to manufacture, but there are a number of limitations when using such a substrate. In injection lasers based on the known heterostructure [1], the medium of the optical cavity is the medium of the active layer. Such injection lasers have high threshold currents (of the order of 7.7 kA / cm ² ) at an output power of about 3 W in a short pulse of radiation emerging at an angle both to the plane of the optical face and to the plane of the active layer, which makes it difficult to operate injection lasers.

Наиболее близкой по решаемой технической задаче является предложенная в [2] гетероструктура на основе полупроводниковых соединений, содержащая по крайней мере один активный слой, состоящий по крайней мере из одного подслоя, прозрачную для лазерного излучения область втекания излучения по крайней мере с одной стороны активного слоя излучения, по крайней мере одну, по крайней мере с одним слоем втекания излучения, состоящим по крайней мере из одного подслоя. Известная гетероструктура [2] характеризуется универсальной характеристикой гетероструктуры, определяемой составом и толщинами ее слоев, т. е. отношением n_эф к n_вт, где n_эф обозначает эффективный показатель преломления всей гетероструктуры, а n_вт обозначает показатель преломления слоя втекания. Кроме того, гетероструктура - прототип [2] содержит по крайней мере ограничительные слои с каждой противоположной стороны активного слоя, а в современных гетероструктурах имеются волноводные слои между активным слоем и ограничительными слоями с каждой его противоположной стороны. По крайней мере с одной стороны активного слоя область втекания излучения примыкает своей внутренней поверхностью к соответствующему ограничительному слою.The closest to the technical problem to be solved is the heterostructure proposed in [2] based on semiconductor compounds, containing at least one active layer, consisting of at least one sublayer, the region of radiation leak-in, transparent to laser radiation, on at least one side of the active radiation layer at least one with at least one radiation leak-in layer consisting of at least one sublayer. The known heterostructure [2] is characterized by a universal characteristic of the heterostructure, determined by the composition and thickness of its layers, that is, the ratio of n _eff to n _W , where n _eff denotes the effective refractive index of the entire heterostructure, and n _W denotes the refractive index of the leak-in layer. In addition, the heterostructure prototype [2] contains at least bounding layers on each opposite side of the active layer, and modern heterostructures have waveguide layers between the active layer and the bounding layers on each opposite side of it. At least on one side of the active layer, the radiation leak-in region adjoins with its inner surface to the corresponding bounding layer.

При работе ИИИ на основе известной гетероструктуры [2] вывод излучения происходит со стороны расположения области втекания через соответствующие волноводный, ограничительный слои и область втекания. During the operation of the III based on the known heterostructure [2], radiation is output from the side of the leak-in region through the corresponding waveguide, restrictive layers and leak-in region.

Известные гетероструктуры [2] с толстыми слоями втекания технологически сложны в изготовлении. Существует также ряд ограничений при использовании подложки в качестве области втекания излучения. Основными достоинствами инжекционных лазеров, изготовленных из упомянутых гетероструктур [2], являются возможность увеличения их эффективности, мощности лазерного излучения, получение малых углов расходимости, увеличение срока службы и надежности работы. В то же время вывод излучения под углом как к плоскости оптической грани, так и к плоскости активного слоя создает трудности при их эксплуатации. Known heterostructures [2] with thick inflow layers are technologically difficult to manufacture. There are also a number of limitations when using the substrate as a radiation leak-in region. The main advantages of injection lasers made from the aforementioned heterostructures [2] are the possibility of increasing their efficiency, laser radiation power, obtaining small divergence angles, increasing the service life and reliability. At the same time, the output of radiation at an angle both to the plane of the optical face and to the plane of the active layer creates difficulties in their operation.

Раскрытие изобретения
В основу изобретения поставлена техническая задача упрощения конструкции и технологического процесса получения гетероструктуры с уменьшенной толщиной области втекания, уменьшенными омическими и тепловыми сопротивлениями и сниженным уровнем механических напряжений для создания высокомощных, высокоэффективных, высоконадежных полупроводниковых инжекционных источников излучения, в том числе одномодовых и одночастотных, с малыми углами расходимости выходного излучения, направленного под примерно прямым углом к плоской (возможно сколотой) оптической грани, с улучшенным распределением ближнего и дальнего поля излучения, улучшенными температурными зависимостями выходных параметров при суженном спектре выходного излучения и высоких модуляционных характеристиках инжекционных источников излучения.Disclosure of Invention
The basis of the invention is the technical task of simplifying the design and the process of producing a heterostructure with a reduced thickness of the inflow region, reduced ohmic and thermal resistances, and a reduced level of mechanical stresses to create high-power, highly efficient, highly reliable semiconductor injection radiation sources, including single-mode and single-frequency, with small angles of divergence of the output radiation directed at approximately right angles to the plane (possibly lot) of the optical face, with an improved distribution of the near and far radiation fields, improved temperature dependences of the output parameters with a narrowed spectrum of the output radiation and high modulation characteristics of the injection radiation sources.

В соответствии с изобретением поставленная задача решается тем, что предложена гетероструктура на основе полупроводниковых соединений, содержащая по крайней мере один активный слой, состоящий по крайней мере из одного подслоя, прозрачную для лазерного излучения область втекания излучения по крайней мере с одной стороны активного слоя, по крайней мере одну, по крайней мере с одним слоем втекания излучения, состоящим по крайней мере из одного подслоя, характеризуемая отношением эффективного показателя преломления n_эф гетероструктуры к показателю преломления n_вт слоя втекания. Кроме того, в гетероструктуре дополнительно размещено по крайней мере два отражающих слоя, по крайней мере по одному с каждой стороны активного слоя, имеющих показатели преломления меньшие, чем n_эф, и сформированных по крайней мере из одного подслоя. Область втекания расположена между активным слоем и соответствующим отражающим слоем, в ней сформировано два дополнительных слоя. Первый дополнительный слой области втекания, примыкающий к поверхности активного слоя, сформированный по крайней мере из одного подслоя и обозначенный локализующим слоем, выполнен из полупроводника с шириной запрещенной зоны, превышающей ширину запрещенной зоны активного слоя. Второй дополнительный слой области втекания, примыкающий к поверхности локализующего слоя и обозначенный настроечным слоем, сформирован по крайней мере из одного подслоя. Третьим слоем области втекания является слой втекания. При этом отношение показателей преломления n_эф к n_вт определено из диапазона от единицы минус дельта до единицы плюс дельта, где дельта определяется числом много меньшим единицы.In accordance with the invention, the problem is solved by the fact that the proposed heterostructure based on semiconductor compounds containing at least one active layer, consisting of at least one sublayer, a region of radiation leak-in, transparent to laser radiation, on at least one side of the active layer, at least one, at least one layer of radiation leak, consisting at least of one sublayer, characterized by the ratio of the effective refractive index n _eff of the heterostructure to Indicators of refraction n _Mo leak-in layer. In addition, at least two reflecting layers are additionally placed in the heterostructure, at least one on each side of the active layer, having refractive indices less than n _eff and formed from at least one sublayer. The inflow region is located between the active layer and the corresponding reflective layer, two additional layers are formed in it. The first additional layer of the leak-in region adjacent to the surface of the active layer, formed from at least one sublayer and designated by the localizing layer, is made of a semiconductor with a band gap exceeding the band gap of the active layer. The second additional layer of the leak-in region adjacent to the surface of the localizing layer and indicated by the adjustment layer is formed of at least one sublayer. The third layer of the leak-in region is the leak-in layer. The ratio of refractive indices n _eff to n _{W is} determined from the range from unity minus delta to unity plus delta, where the delta is determined by a number much less than unity.

Отличием является предложенная модернизированная гетероструктура (в дальнейшем ГС). В предлагаемых ГС нет необходимости в обычно используемых волноводных и ограничительных слоях традиционной лазерной гетероструктуры. В общем случае предложенная ГС состоит из следующих слоев: к активному слою с обеих сторон примыкают внутренние поверхности локализующих слоев, к противоположным наружным сторонам локализующих слоев примыкают внутренние поверхности настроечных слоев, к противоположным наружным сторонам настроечных слоев примыкают внутренние поверхности слоев втекания, к противоположным наружным сторонам слоев втекания примыкают внутренние поверхности отражающих слоев. Далее, как обычно, могут быть известные контактный полупроводниковый слой, например, со стороны р-типа и буферный слой со стороны n-типа, расположенный на подложке. Под активным слоем здесь и далее будем понимать, что он может быть выполнен как одиночным, так в виде одного или нескольких активных подслоев (в том числе имеющих квантоворазмерные толщины) и одного или нескольких барьерных подслоев, расположенных как между активными подслоями, так и с двух их наружных сторон. The difference is the proposed modernized heterostructure (hereinafter GS). In the proposed HS, there is no need for commonly used waveguide and restrictive layers of a traditional laser heterostructure. In general, the proposed HS consists of the following layers: the inner surfaces of the localizing layers are adjacent to the active layer on both sides, the inner surfaces of the adjustment layers are adjacent to the opposite outer sides of the adjustment layers, the inner surfaces of the inflow layers are adjacent to the opposite outer sides, and to the opposite outer sides inflow layers adjoin the inner surfaces of the reflective layers. Further, as usual, there may be a known contact semiconductor layer, for example, from the p-type side and a buffer layer from the n-type side located on the substrate. By hereinafter, an active layer will be understood to mean that it can be made single or in the form of one or more active sublayers (including those having quantum-well thicknesses) and one or more barrier sublayers located both between the active sublayers and with two their outer sides.

При работе полупроводниковых инжекционных источников излучения (далее ИИИ) на основе предложенных гетероструктур введенные локализующие слои необходимы для локализации носителей тока (электронов и дырок) в активных подслоях. Локализующие слои очень тонкие (для улучшения выходных параметров ИИИ локализующие слои предложено выполнять толщиной не более 0,05 мкм) с шириной запрещенной зоны Е_gЛ этих слоев, значительно превышающей ширину запрещенной зоны Е_gAC активного слоя.When semiconductor injection radiation sources (hereinafter referred to as III) operate on the basis of the proposed heterostructures, the introduced localizing layers are necessary for the localization of current carriers (electrons and holes) in active sublayers. The localizing layers are very thin (to improve the output parameters of the III, the localizing layers are proposed to be made with a thickness of not more than 0.05 μm) with the band gap E _{gL of} these layers significantly exceeding the band gap E _{gAC of the} active layer.

При работе ИИИ на основе предложенных ГС специально введенные настроечные слои необходимы для возможности контроля отношения n_эф к n_вт. Они выполняются достаточно тонкими. Для улучшения выходных параметров ИИИ настроечные слои предложено выполнять толщиной до 1,0 мкм. Их расположение сразу за локализующим слоем, а также выбираемый состав настроечных слоев, выращиваемых (в зависимости от типа используемых полупроводниковых соединений в ГС) из полупроводника с шириной запрещенной зоны Е_gH, незначительно превышающей ширину запрещенной Е_gAC активного слоя, и/или из состава, одинакового или близкого к составу подложки, определяет высокую эффективность их использования и улучшение выходных параметров ИИИ.When the III works on the basis of the proposed GS, specially introduced adjustment layers are necessary for the ability to control the ratio of n _eff to n _W. They are performed quite thin. To improve the output parameters of the III, the tuning layers are proposed to be made up to 1.0 μm thick. Their location immediately behind the localizing layer, as well as the selected composition of the tuning layers grown (depending on the type of semiconductor compounds used in the HS) from a semiconductor with a band gap E _gH slightly exceeding the band gap E _{gAC of the} active layer, and / or from the composition, the same or close to the composition of the substrate, determines the high efficiency of their use and improvement of the output parameters of the III.

Для работающего ИИИ (при выполнении условия вытекания) вытекающее излучение из активного слоя через локализующий и настроечный слои попадает в слой втекания, откуда оно после ряда отражений и переотражений внутри ГС выходит из ИИИ. В отличие от этого в известных инжекционных лазерах [1] и [2] вытекающее излучение через слой втекания выходит напрямую. Этот предложенный и экспериментально проверенный нами механизм вытекания осуществлен путем введения отражающего слоя, имеющего показатель преломления n_отр меньший, чем эффективный показатель преломления n_эф гетероструктуры, и примыкающего к наружной (по отношению к активному слою) поверхности слоя втекания, а также соответствующим выбором толщины слоя втекания и угла вытекания φ, равного косинусу отношения n_эф к n_вт, а именно φ = cos(n_эф/n_вт), и, следовательно, соотношения n_эф и n_вт, выбранного в диапазоне от единицы минус дельта до единицы плюс дельта, где дельта определяется числом много меньшим единицы. Поэтому составы и толщины слоев ГС подбираются такими, чтобы при работе ИИИ вытекание излучения из активного слоя в область втекания происходило по крайней мере в окрестности его начальной переходной стадии. Переходной точкой процесса вытекания является условие равенства n_эф и n_вт. Если n_эф заметно больше n_вт, то вытекание практически отсутствует, и мы имеем обычный торцевой лазер без вытекания, если n_вт заметно больше n_эф, то имеет место очень сильное вытекание, и пороговый ток генерации неприемлимо высок. Отметим, что величина n_эф уменьшается с увеличением тока, протекающего через ГС в работающем устройстве. В связи с этим для предложенных ГС мы ввели универсальный параметр β, равный отношению n_эф к n_вт, а именно β = (n_эф/n_вт), который характеризует пригодность их использования для ИИИ. Этот параметр определяет требования к составам и толщинам всех слоев ГС в комплексе, что принципиально отличает предложенные здесь ГС. Оцененный нами расчетным путем интервал значений β весьма узкий, а именно от единицы минус дельта до единицы плюс дельта, где дельта определяется числом много меньшим единицы. Он определяет, что работа ИИИ на основе предложенных ГС происходит в окрестности переходного процесса вытекания, причем само условие вытекания может и не выполняться, когда β больше 1, или выполняться, когда β меньше 1.For a working III (when the leakage condition is fulfilled), the effluent radiation from the active layer through the localizing and tuning layers falls into the leak-in layer, from where it leaves the III after a series of reflections and rereflections inside the HS. In contrast, in the known injection lasers [1] and [2], the outgoing radiation through the leak-in layer exits directly. This proposed and experimentally tested leakage mechanism was implemented by introducing a reflective layer having a refractive index n _ot less than the effective refractive index n _{eff of the} heterostructure and adjacent to the outer (relative to the active layer) surface of the leak-in layer, as well as by appropriate choice of layer thickness inflow and outflow angle φ, equal to the cosine ratio n _eff to n _W, namely φ = cos (n _eff / n _W), and hence the ratio n _eff n and _W selected in the range from one minus delta to uniqueness tzu plus delta, where delta is determined by a number much lesser than one. Therefore, the compositions and thicknesses of the layers of the heterostructure are selected such that, when the III is operating, radiation from the active layer to the inflow region occurs, at least in the vicinity of its initial transition stage. The transition point of the leakage process is the condition of equality of n _eff and n _W. If n _{eff is} noticeably greater than n _watt , then leakage is practically absent, and we have a conventional end laser without leakage, if n _{watt is} noticeably greater than n _eff , then there is a very strong leakage, and the threshold generation current is unacceptably high. Note that the value of n _eff decreases with increasing current flowing through the HS in a working device. In this regard, for the proposed HS, we introduced the universal parameter β equal to the ratio of n _eff to n _W , namely β = (n _eff / n _W ), which characterizes the suitability of their use for III. This parameter defines the requirements for the compositions and thicknesses of all layers of a heterostructure in a complex, which fundamentally distinguishes the heterostructures proposed here. The range of β values that we estimated by calculation is very narrow, namely, from unity minus delta to unity plus delta, where the delta is determined by a number much less than unity. He determines that the operation of the III based on the proposed HS occurs in the vicinity of the transient leakage process, and the leakage condition itself may not be satisfied when β is greater than 1, or be satisfied when β is less than 1.

Поставленная техническая задача решается тем, что предложено выбирать отношение показателей преломления n_эф к n_вт в окрестности единицы, например из диапазона от 0,99 до 1,01.The stated technical problem is solved by the fact that it is proposed to choose the ratio of refractive indices n _eff to n _W in the vicinity of unity, for example, from the range from 0.99 to 1.01.

Наличие вытекания в ГС приводит к заметному уменьшению известного параметра α (см. , например [3]), что улучшает спектральные и модуляционные характеристики ИИИ. The presence of leakage in the heterostructure leads to a noticeable decrease in the known parameter α (see, for example, [3]), which improves the spectral and modulation characteristics of the III.

При работе ИИИ на основе предложенных ГС за счет интерференционного сложения вытекающих лучей выходное излучение будет направлено примерно по нормали к плоскостям оптических граней, которые перпендикулярны плоскости активного слоя. During the operation of the III based on the proposed HS due to the interference summation of the resulting rays, the output radiation will be directed approximately normal to the planes of the optical faces that are perpendicular to the plane of the active layer.

Указанные отличия позволяют реально выращивать слой втекания в одном процессе вместе с другими слоями ГС, а также дают возможность использовать простое и обычное скалывание ГС пластины при изготовлении элементов ИИИ, получая сколотые оптические грани, перпендикулярные плоскости активного слоя ГС. При этом для изготовления ИИИ соответствующие отражающие или просветляющие покрытия выполняют по крайней мере на оптических гранях отражающих слоев и слоев ГС, расположенных между ними, или на всей поверхности сколотых граней. These differences make it possible to actually grow the leak-in layer in one process together with other layers of the heterostructure, and also make it possible to use simple and ordinary cleavage of the gyroplate in the manufacture of III elements, obtaining cleaved optical faces perpendicular to the planes of the active heterostructure. In this case, for the manufacture of III, the corresponding reflective or antireflection coatings are performed at least on the optical faces of the reflective layers and the HS layers located between them, or on the entire surface of the chipped faces.

Поставленная задача решается также тем, что для снижения внутренних нерезонансных потерь, определяющих эффективность ИИИ, выполненных из предложенных ГС, слой втекания, локализующий и настроечный слои выполняют нелегированными. Кроме того, часть отражающего слоя, прилегающего к слою втекания, выполняют нелегированной. The problem is also solved by the fact that to reduce the internal non-resonant losses that determine the efficiency of the III, made from the proposed HS, the leak-in layer, the localizing and tuning layers are unalloyed. In addition, part of the reflective layer adjacent to the inflow layer is undoped.

Предложенная ГС с введенными локализующим и настроечным слоями позволяет выбрать оптимальный (для улучшения параметров ИИИ) состав для слоя втекания. Обычно слои втекания областей втекания имеют одинаковый состав. Слой втекания должен быть прозрачным и может быть при этом выполнен из полупроводника, имеющего одинаковый состав с подложкой или близкого по составу с ней. В ряде случаев целесообразно, чтобы ширина запрещенной зоны Е_gBT слоя втекания не отличалась от ширины запрещенной зоны Е_gП подложки не более чем на 0,25 эВ. В этом случае будут уменьшены омические и тепловые сопротивления, снижен уровень упругих механических напряжений в структурах, и в тоже время уменьшены температурные зависимости параметров устройств, что приводит к их большей эффективности, стабильности, мощности, к большему ресурсу их работы и надежности.The proposed GS with the introduced localizing and training layers allows one to choose the optimal composition (for improving the parameters of the III) for the inflow layer. Typically, the inflow layers of the inflow regions have the same composition. The leak-in layer must be transparent and may be made of a semiconductor having the same composition as the substrate or similar in composition to it. In some cases, it is advisable that the band gap E _{gBT of the leak-in} layer does not differ from the band gap E _{gP of the} substrate by no more than 0.25 eV. In this case, the ohmic and thermal resistances will be reduced, the level of elastic mechanical stresses in the structures will be reduced, and at the same time, the temperature dependences of the device parameters will be reduced, which leads to their greater efficiency, stability, power, to a longer resource of their work and reliability.

Предложенная модернизированная гетероструктура, в которой к слою втекания примыкает отражающий слой, предложенная последовательность ее слоев, выбор составов и толщин слоев позволили уменьшить толщины слоев втекания, что дало возможность выращивать гетероструктуру в одном технологическом (эпитаксиальном) процессе. The proposed upgraded heterostructure, in which a reflecting layer is adjacent to the leak-in layer, the proposed sequence of its layers, the choice of compositions and layer thicknesses have made it possible to reduce the thickness of the leak-in layers, which made it possible to grow the heterostructure in one technological (epitaxial) process.

Поставленная техническая задача решается также тем, что для улучшения выходных параметров ИИИ предложено настроечный слой выполнять из полупроводника, близкого или равного по составу с подложкой, на которой выращена гетероструктура. The stated technical problem is also solved by the fact that in order to improve the output parameters of the III, it is proposed that the tuning layer be made of a semiconductor that is close or equal in composition to the substrate on which the heterostructure is grown.

В следующем исполнении, позволившем решить поставленную задачу, предложено по крайней мере один локализующий слой и/или один настроечный слой выращивать с составами, одинаковыми или близкими к составу слоя втекания. In the next version, which allowed to solve the problem, it was proposed that at least one localizing layer and / or one adjustment layer be grown with compositions identical or close to the composition of the inflow layer.

Для получения наилучших результатов слои втекания областей втекания имеют одинаковый состав. For best results, the inflow layers of the inflow regions have the same composition.

В следующей модификации предложено по крайней мере один из подслоев слоя втекания формировать с показателем преломления меньшим, чем n_эф, и при этом толщиной много меньше полной толщины слоя вытекания для улучшения распределения излучения в ближнем и дальнем поле.In the following modification, it is proposed that at least one of the sublayers of the leak-in layer be formed with a refractive index less than n _eff , while the thickness is much less than the total thickness of the leak-out layer to improve the radiation distribution in the near and far fields.

Для решения этой же задачи и для контроля за параметром β при работе ИИИ в начальной области токов предложено по крайней мере один из подслоев отражающего слоя выращивать такого состава, который одинаков с составом слоя втекания. To solve the same problem and to control the parameter β during the operation of III in the initial current region, it was proposed that at least one of the sublayers of the reflecting layer be grown with a composition that is the same as the composition of the inflow layer.

Для улучшения параметров ИИИ в видимой красной области спектра на основе ГС из соединений AlGaInP предложено только тонкие активный слой и локализующий слой выполнять на основе этих соединений AlGaInP, a значительно большей толщины слои втекания, настроечный и отражающий выполнять на основе соединений типа AlGaAs. To improve the parameters of III in the visible red region of the spectrum based on HS from AlGaInP compounds, it was proposed that only a thin active layer and a localizing layer be made on the basis of these AlGaInP compounds, and leak-in layers that are significantly thicker can be tuned and reflective based on AlGaAs compounds.

Поставленная техническая задача решается также тем, что помещено по крайней мере два активных слоя, плоскости которых параллельны друг другу, а между ними расположены разделяющие их слои р- и n-типа требуемых толщин и уровня легирования для обеспечения при работе прибора туннельного прохождения тока от одного активного слоя к другому. Это предложено для увеличения мощности излучения ИИИ. The stated technical problem is also solved by the fact that at least two active layers are placed, the planes of which are parallel to each other, and between them there are p- and n-type layers separating them of the required thicknesses and doping levels to ensure tunneling current flow from one active layer to another. This is proposed to increase the radiation power of the III.

Существом настоящего изобретения является новая, неочевидная, оригинальная модернизированная гетероструктура, характеризуемая параметром β, равным отношению n_эф к n_вт, близким к единице, в которую введены новые полупроводниковые слои заданных составов и толщин, не ординарно расположенные и выполняющие новые функции. Упрощена технология получения предложенной гетероструктуры, уменьшено ее омическое и тепловое сопротивление, снижены механические напряжения. В ИИИ на основе предложенной гетероструктуры контролируются вывод излучения примерно по нормали к плоским (сколотым) оптическим граням, малый угол расходимости излучения, низкий порог генерации, режим генерации одной пространственной моды, одной продольной частоты. Получены малые омические и тепловые сопротивления, низкий уровень механических напряжений и как следствие этого - высокая эффективность, мощность при высоком качестве излучения и надежности.The essence of the present invention is a new, non-obvious, original modernized heterostructure characterized by a parameter β equal to the ratio of n _eff to n _W , close to unity, into which new semiconductor layers of given compositions and thicknesses are introduced, which are not ordinarily located and perform new functions. The technology for obtaining the proposed heterostructure is simplified, its ohmic and thermal resistance are reduced, and mechanical stresses are reduced. At the IIR, on the basis of the proposed heterostructure, the radiation output is controlled approximately normal to the flat (chipped) optical faces, a small angle of radiation divergence, a low generation threshold, the generation mode of one spatial mode, one longitudinal frequency. Small ohmic and thermal resistances, a low level of mechanical stresses were obtained, and as a result of this, high efficiency, power with high radiation quality and reliability.

Технологическая реализация изобретения не представляет трудностей, основана на известных базовых технологических процессах, которые к настоящему времени хорошо разработаны и широко применяются при изготовлении ГС для ИИИ. Предложение удовлетворяет критерию "промышленная применимость". Основное отличие при их изготовлении состоит только в других составах и толщинах выращиваемых слоев лазерной гетероструктуры. The technological implementation of the invention is not difficult, based on well-known basic technological processes, which are currently well developed and widely used in the manufacture of HS for III. The proposal meets the criterion of "industrial applicability". The main difference in their manufacture consists only in other compositions and thicknesses of the grown layers of the laser heterostructure.

Краткое описание чертежей
Настоящее изобретение поясняется фиг.1-4.Brief Description of the Drawings
The present invention is illustrated in figures 1-4.

На фиг. 1 схематически изображено сечение предлагаемой ГС с двумя разнотолщинными областями втекания, расположенными по обе стороны от активного слоя. In FIG. 1 schematically shows a cross section of the proposed HS with two different thickness inflow areas located on both sides of the active layer.

На фиг.2 схематически изображено сечение предлагаемой симметричной ГС с двумя одинаковыми областями втекания, расположенными по обе стороны от активного слоя. Figure 2 schematically shows a cross section of the proposed symmetrical HS with two identical inflow regions located on both sides of the active layer.

На фиг. 3 схематически изображено сечение предлагаемой ГС с одной областью втекания, в которой слои локализующий, настроечный и втекания имеют один и тот же состав. In FIG. 3 schematically shows a cross section of the proposed HS with one inflow region, in which the localizing, tuning, and inflow layers have the same composition.

На фиг. 4 схематически изображено сечение предлагаемой ГС с одной областью втекания, в которой слои локализующий, настроечный и втекания имеют один и тот же состав, а один из отражающих слоев состоит из трех подслоев. In FIG. 4 schematically depicts a cross section of the proposed HS with one inflow region, in which the localizing, tuning, and inflow layers have the same composition, and one of the reflective layers consists of three sublayers.

Варианты осуществления изобретения
В дальнейшем изобретение поясняется конкретными вариантами его выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи. Приведенные примеры модификаций ГС не являются единственными и предполагают наличие других реализаций, особенности которых отражены в совокупности признаков формулы изобретения.Embodiments of the invention
The invention is further explained in the specific options for its implementation with reference to the accompanying drawings. The examples of modifications of the HS are not unique and suggest the presence of other implementations, the features of which are reflected in the totality of the features of the claims.

Предложенная гетероструктура 1 (см. фиг.1) содержит активный слой 2, к которому с обеих сторон примыкают две области втекания 3 и 4. К областям втекания 3 и 4 с обеих внешних по отношению к активному слою 2 сторон примыкают два отражающих слоя 5 и 6. Отражающий слой 6 расположен со стороны подложки 7 n-типа. Области втекания 3 и 4 содержат по одному локализующему слою 8 и 9, примыкающему к активному слою 2 с обеих его противоположных сторон, по одному настроечному слою 10 и 11, примыкающему к каждому соответствующему локализующему слою 8 и 9, и по одному слою втекания 12 и 13, примыкающему к каждому соответствующему настроечному слою 10 и 11. The proposed heterostructure 1 (see FIG. 1) contains an active layer 2, to which two inflowing areas 3 and 4 are adjacent on both sides. Two reflecting layers 5 and adjacent to the inflowing regions 3 and 4 on both sides external to the active layer 2 are adjacent 6. The reflection layer 6 is located on the side of the n-type substrate 7. The inflow regions 3 and 4 contain one localizing layer 8 and 9 adjacent to the active layer 2 on both opposite sides thereof, one adjustment layer 10 and 11 adjacent to each corresponding localizing layer 8 and 9, and one inflow layer 12 and 13 adjacent to each respective adjustment layer 10 and 11.

Активный слой 2 состоял из пяти подслоев (не показаны): два активных подслоя из InGaAs и три барьерных слоя из GaAs стандартных толщин и составов [2] . Длина волны лазерного излучения в такой гетероструктуре равна 980 нм. Локализующие слои 8 и 9 имели одинаковый состав из Al_0,40Ga_0,60As и одинаковую толщину 0,03 мкм. Настроечные слои были выращены из GaAs, толщина слоя 10 была равна 0,3 мкм, а слоя 11 - 0,15 мкм. Слои втекания 12 и 13 были выращены из Al_0,05Ga_0,95As, при этом толщина слоя 12 была равна 1,0 мкм, а слоя 13 - 5,0 мкм. Отражающие слои 5 и 6 имели одинаковый состав из Al_0,09Ga_0,91As и одинаковую толщину 1,0 мкм. Выбранные составы и толщины слоев ГС обеспечили расчетное значение параметра β равным 1,00015. Расчетный угол расходимости θ_⊥ в вертикальной плоскости при плотности тока 12000 А/см² равен 9,3^o (по уровню 0,5). Полученная ГС в связи с низким содержанием алюминия в слоях втекания 12 и 13 и в отражающих слоях 5 и 6 имеет низкие омические, тепловые сопротивления и упругие механические напряжения.Active layer 2 consisted of five sublayers (not shown): two active sublayers of InGaAs and three barrier layers of GaAs of standard thicknesses and compositions [2]. The wavelength of laser radiation in such a heterostructure is 980 nm. The localizing layers 8 and 9 had the same composition of Al _0.40 Ga _0.60 As and the same thickness 0.03 μm. The adjustment layers were grown from GaAs, the thickness of layer 10 was 0.3 μm, and layer 11 was 0.15 μm. The leak-in layers 12 and 13 were grown from Al _0.05 Ga _0.95 As, while the thickness of layer 12 was 1.0 μm, and that of layer 13 was 5.0 μm. The reflective layers 5 and 6 had the same composition of Al _0.09 Ga _0.91 As and the same thickness of 1.0 μm. The selected compositions and thicknesses of the HS layers provided the calculated value of the parameter β equal to 1.00015. The calculated angle of divergence θ _⊥ in the vertical plane at a current density of 12,000 A / cm ² is equal to 9.3 ^o (at the level of 0.5). The HS obtained due to the low aluminum content in the leak-in layers 12 and 13 and in the reflective layers 5 and 6 has low ohmic, thermal resistances, and elastic mechanical stresses.

Следующая модификация ГС (см. фиг.2) отличалась от предыдущей тем, что в ней толщины слоев втекания 12, 13 и толщины настроечных слоев 10 и 11 были одинаковы и равны соответственно 5 мкм и 0,23 мкм. Для этой модификации ГС расчетное значение параметра β равно 1,00036. Расчетный угол расходимости θ_⊥ в вертикальной плоскости при плотности тока 12000 А/см² равен 3,9^o (по уровню 0,5).The next modification of the HS (see figure 2) differed from the previous one in that the thickness of the inflow layers 12, 13 and the thickness of the adjustment layers 10 and 11 were the same and equal to 5 μm and 0.23 μm, respectively. For this modification of the HS, the calculated value of the parameter β is equal to 1,00036. The calculated angle of divergence θ _⊥ in the vertical plane at a current density of 12,000 A / cm ² is 3.9 ^o (at the level of 0.5).

Отличие следующей модификации ГС (см. фиг.3) от предыдущей состоит в том, что в ней сформирована одна область втекания 4, которая выполнена со стороны подложки. В ней слой втекания 13 выполнен такого же состава, что и локализующий слой 9 и настроечный слой 11, а именно из Al_0,21Ga_0,79As. В этой модификации со стороны р-типа отражающий слой 5 непосредственно граничит с активным слоем 2. Для этой модификации ГС расчетное значение параметра β равно 0,999912. Вытекание в такой структуре будет присутствовать при всех значениях токов, при этом угол вытекания φ будет нарастать с током от 0,8^o до 1,5^o. Расчетный угол расходимости θ_⊥ в вертикальной плоскости при плотности тока 12000 А/см² равен 11,7^o(по уровню 0,5).The difference between the next modification of the HS (see Fig. 3) from the previous one is that one inflow region 4 is formed in it, which is made from the side of the substrate. In it, the leak-in layer 13 is made of the same composition as the localizing layer 9 and the adjustment layer 11, namely from Al _0.21 Ga _0.79 As. In this modification, on the p-type side, the reflective layer 5 is directly adjacent to the active layer 2. For this modification of the HS, the calculated value of the parameter β is 0.999912. Leakage in such a structure will be present at all current values, while the leakage angle φ will increase with a current from 0.8 ^o to 1.5 ^o . The calculated angle of divergence θ _⊥ in the vertical plane at a current density of 12,000 A / cm ² is 11.7 ^o (at the level of 0.5).

Отличие следующей модификации ГС (см. фиг.4) от предыдущей состоит в том, что в ней отражающий слой 5 сформирован из трех подслоев: первого подслоя 14, не отличающегося по составу от отражающего слоя 5 в предыдущей модификации, второго подслоя 15, имеющего тот же состав, что и слой втекания 13, и третьего подслоя 16, имеющего показатель преломления меньше, а ширину запрещенной зоны Е_gОТР больше, чем в первом подслое 14. При этом получено снижение расчетного угла расходимости θ_⊥ на 1,1^o и увеличение параметра β до величины, большей единицы. Возможна другая модификация, в которой отражающий слой, разделенный на три аналогичных подслоя, примыкает своим подслоем 14 к наружной поверхности слоя втекания, параллельной плоскости активного слоя. Здесь также получено снижение расчетного угла расходимости θ_⊥.The difference between the next modification of the HS (see figure 4) from the previous one is that in it the reflective layer 5 is formed of three sublayers: the first sublayer 14, which does not differ in composition from the reflective layer 5 in the previous modification, the second sublayer 15, having same composition as the leak-in layer 13, and the third sub-layer 16 having a refractive index less and the band gap E _gOTR more than in the first sublayer 14. With these, a decrease in the calculated angle of divergence θ _⊥ in 1,1 ^o, and the increase of the parameter β to a value greater than unity. Another modification is possible in which a reflective layer, divided into three similar sublayers, adjoins with its sublayer 14 to the outer surface of the leak-in layer parallel to the plane of the active layer. A decrease in the calculated divergence angle θ _{⊥ is} also obtained here.

Следующая модификация ГС с длиной волны лазерного излучения, равной 650 нм, отличалась от модификации, схематически изображенной на фиг.1, тем, что в ней тонкий активный слой 2 выращен из GaInP, тонкие локализующие слои 8 и 9 выращены из AlGaInP, а все остальные толстые слои втекания 12, 13 толщиной соответственно 1,2 мкм и 3,0 мкм, отражательные 5 и 6 и настроечные 10 и 11 выращены из AlGaAs, прозрачного для длины волны 650 нм. Получена ГС со сниженными омическими и тепловыми сопротивлениями, что позволило в изготовленных на ее основе инжекционных лазерах увеличить мощность излучения в непрерывном режиме работы в несколько раз. The next HS modification with a laser wavelength of 650 nm differed from the modification schematically depicted in Fig. 1 in that it contains a thin active layer 2 grown from GaInP, thin localization layers 8 and 9 grown from AlGaInP, and all the rest thick leak-in layers 12, 13 with a thickness of 1.2 μm and 3.0 μm, respectively, reflective 5 and 6 and tuning 10 and 11 are grown from AlGaAs, transparent for a wavelength of 650 nm. A GS with reduced ohmic and thermal resistances was obtained, which made it possible to increase the radiation power in a continuous mode of operation several times in the injection lasers made on its basis.

Следующая модификация ГС отличалась от модификации, схематически изображенной на фиг.1, тем, что в ней выполнено два активных слоя, плоскости которых параллельны друг другу и поверхностям соединений этих слоев, а именно поверхностям смежных барьерных подслоев, входящих в состав активных слоев. Эти подслои выполнены в данном случае сильнолегированными n- и р-типа слоями. Подслой р-типа размещен со стороны отражающего слоя и подложки n-типа, а слой n-типа со стороны отражающего слоя р-типа. При работе ИИИ, изготовленного на основе данной ГС, такие подслои обеспечивают протекание через них туннельного тока. В таком ИИИ может быть с высокой эффективностью удвоена мощность излучения при том же токе, но при удвоенном приложенном напряжении. The next HS modification differed from the modification schematically depicted in Fig. 1 in that it had two active layers, the planes of which are parallel to each other and to the surfaces of the compounds of these layers, namely the surfaces of adjacent barrier sublayers that make up the active layers. These sublayers are made in this case with heavily doped n- and p-type layers. The p-type sublayer is located on the side of the reflective layer and the n-type substrate, and the n-type layer is on the side of the p-type reflective layer. During the operation of the III, made on the basis of this HS, such sublayers ensure the passage of tunnel current through them. In such an IRS, the radiation power can be doubled with high efficiency at the same current, but at a doubled applied voltage.

Экспериментально, на образцах инжекционных лазеров (изготовленных из предложенных ГС) нами было получено снижение угла расходимости в вертикальной плоскости до значения, равного 7^o. Мощность излучения в непрерывном режиме работы для длины волны излучения 980 нм при ширине накачиваемой полосковой области, равной 10 мкм, была получена более 1 Вт. Пороговый ток был получен равным 25 мА. Одна пространственная мода и одна продольная частота генерации были получены для мощностей более 0,5 Вт.Experimentally, on samples of injection lasers (made from the proposed HS), we obtained a decrease in the divergence angle in the vertical plane to a value of 7 ^o . The radiation power in continuous operation for a radiation wavelength of 980 nm with a width of the pumped strip region equal to 10 μm was obtained more than 1 W. The threshold current was obtained equal to 25 mA. One spatial mode and one longitudinal generation frequency were obtained for powers exceeding 0.5 W.

Промышленная применимость
Гетероструктуры применяются для создания полупроводниковых инжекционных источников излучения, например инжекционных лазеров, полупроводниковых оптических усилителей, которые применяются в волоконно-оптических системах связи и передачи информации, в оптических сверхскоростных вычислительных и коммутационных системах, при создании медицинской аппаратуры, лазерного технологического оборудования, лазеров с удвоенной частотой генерируемого излучения, а также для накачки твердотельных и волоконных усилителей и лазеров.Industrial applicability
Heterostructures are used to create semiconductor injection radiation sources, for example, injection lasers, semiconductor optical amplifiers, which are used in fiber-optic communication systems and information transmission, in optical superfast computing and switching systems, when creating medical equipment, laser processing equipment, double-frequency lasers generated radiation, as well as for pumping solid-state and fiber amplifiers and lasers.

Источники информации
1. Патент US 4063189, 1977, H 01 S 3/19, 331/94.5 Н.Sources of information
1. Patent US 4063189, 1977, H 01 S 3/19, 331 / 94.5 N.

2. Патент RU 2142665 (D-LED, LTD, US), 1998.10.08, Н 01 S 3/19. 2. Patent RU 2142665 (D-LED, LTD, US), 1998.10.08, H 01 S 3/19.

Claims

1. A heterostructure based on semiconductor compounds containing at least one active layer, consisting of at least one sublayer, a region of radiation leak-in, transparent to laser radiation, on at least one side of the active layer, at least one with at least one a radiation leak-in layer, consisting of at least one sublayer, characterized by the ratio of the effective refractive index n _{eff of the} heterostructure to the refractive index n _{w of the} leak-in layer, characterized in that in the heterostructure at least two reflective layers are placed at least one on each side of the active layer having refractive indices less than n _eff and formed from at least one sublayer, the inflow region is located between the active layer and the corresponding reflective layer, two additional layers are formed in it, namely, the localizing layer of the inflow region adjacent to the surface of the active layer, formed from at least one sublayer made of a semiconductor with a forbidden width zone exceeding the width of the forbidden zone of the active layer and the adjustment layer of the leak-in region, formed from at least one sublayer adjacent to the surface of the localizing layer, then the leak-in layer is located in the leak-in region, and the ratio of n _eff to n _{W is} determined from the range from unity minus delta to one plus delta, where the delta is determined by a number much less than one.

2. The heterostructure according to claim 1, characterized in that the ratio of n _eff to n _{watt is} determined from the range from 0.99 to 1.01.

3. The heterostructure according to any one of paragraphs, characterized in that the localizing layer is made of a thickness of not more than 0.05 microns.

4. The heterostructure according to any one of paragraphs, characterized in that the inflow layers of the inflow regions have the same composition.

5. The heterostructure according to any one of paragraphs, characterized in that the inflow layer, localizing and adjusting layers are made undoped.

6. The heterostructure according to any one of paragraphs, characterized in that the part of at least one reflective layer adjacent to the inflow layer is made unalloyed.

7. The heterostructure according to any one of paragraphs, characterized in that at least one of the sublayers of the reflective layer has a composition identical to that of the inflow layer.

8. The heterostructure according to any one of the preceding claims, characterized in that the active layer and the localizing layer are made on the basis of AlGaInP compounds, and the leak-in layer, the adjustment and reflective layers are made on the basis of AlGaAs compounds.

9. The heterostructure according to any one of the preceding claims, characterized in that at least two active layers are placed, the planes of which are parallel to each other, and between them are p- and n-type layers separating them, which ensure the passage of tunneling current from one active layer to another.

10. The heterostructure according to any one of claims, characterized in that the band gap of the leak-in layer differs from the band gap of the substrate on which the heterostructure is grown by no more than 0.25 eV.

11. The heterostructure according to any one of paragraphs, characterized in that the tuning layer has a composition identical to that of the substrate on which the heterostructure is grown.

12. The heterostructure according to any one of paragraphs, characterized in that at least one localizing layer has a composition identical to that of the inflow layer.

13. The heterostructure according to any one of paragraphs, characterized in that at least one training layer has a composition identical to that of the inflow layer.