2.2 Наноэлектронные лазеры с вертикальными резонаторами

Перспективы развития лазерной техники связаны с разработкой миниатюрных лазеров с малыми пороговыми токами лазерной генерации и с высокой частотой токовой модуляции лазерного излучения (десятки гигагерц). Совокупностью указанных свойств обладают наноэлектронные лазеры, в частности полупроводниковые лазеры с вертикальными резонаторами (ЛВР).

Принцип работы полупроводниковых ЛВР тот же, что и у обыч­ных полосковых полупроводниковых лазеров: в обоих типах лазеров используется резонатор Фабри–Перо, и квантовое усиление в ак­тивной области достигается за счет инжекции и рекомбинации элек­тронов и дырок в этой области. Принципиальное отличие лазеров заключается в способе формирования лазерного резонатора. Полу­проводниковый полосковый лазер содержит резонатор Фабри–Пе­ро, образованный двумя зеркалами, получаемыми путем скола по­лупроводниковой пластины вдоль кристаллографических направле­ний. Таким образом, ось резонатора лежит в плоскости полу­проводниковой пластины, и излучение лазера также параллельно плоскости исходной пластины. В полупроводниковом ЛВР резонатор Фабри–Перо образован двумя брэгговскими зеркалами, которые формируются в едином технологическом процессе роста лазерной структуры или же в постростовых технологических процессах. Слои брэгговских зеркал расположены параллельно исходной подложке, а ось резонатора и направление излучения перпендикулярны (верти­кальны) по отношению к плоскости полупроводниковой пластины, что и определяет название лазеров – лазер с вертикальным резонатором. Структура лазера с вертикальным резонатором представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 - Структура наноэлектронного лазера с вертикальным резонатором

Два брегговских зеркала образуют резонатор лазера. Эти зеркала образованы полупроводниковыми четвертьволновыми слоями с чередующимися показателями преломления (например, λ/4 слоями GaAs и λ/4 слоями AlGaAs).

Между брегговскими зеркалами лазера расположены полупроводниковые слои, содержащие активную область лазера.

Активная область ЛВР содержит одну или несколько полупроводниковых квантовых ям или квантовых точек.

С целью достижения высокой внутренней квантовой эффективности активная область не легируется. При использовании полупроводниковых брегговских зеркал инжекция носителей заряда в активную область может осуществляться непосредственно через зеркала, для чего в одном из зеркал (как правило, верхнем) используется p-тип легирования, а в другом (нижнем) используется n- тип легирования. Лазер представляет собой p–i–n-структуру.

Если в лазере используется диэлектрические брегговские зеркала, то в этом случае инжекция носителей заряда осуществляется с использованием дополнительных контактных слоев.

Такой вариант инжекции называется внутрирезонаторной.

В лазерах с внутрирезонаторной инжекцией расстояние между зеркалами составляет 2λ, 3λ… с той целью, чтобы добиться приемлемых значений омического сопротивления контактных слоев.

Для большинства лазеров длина волны резонатора определяется как расстояние между зеркалами. Для ЛВР расстояние между зеркалами, как правило, меньше толщины брегговских зеркал, образующих резонатор. Для таких ЛВР используют понятие эффективной длины резонатора. Эффективная длина резонатора определяется как некоторый участок резонатора, в котором локализована большая часть энергии моды.

Типичный размер апертуры ЛВР составляет примерно 10 мкм, что определяет заметно меньшую расходимость лазерного излучения (единицы градусов) в сравнении с полосковыми лазерами, у которых расходимость излучения составляет десятки градусов в плоскости, перпендикулярной p–n-переходу. Обычно апертура ЛВР имеет форму круга или квадрата, что определяет симметричную диаграмму направленности лазерного излучения.

Излучение ЛВР может выводиться как через верхнее зеркало, так и через оба зеркала. Направление для вывода излучения определяется соотношением коэффициентов отражения нижнего и верхнего зеркал.

К брегговским зеркалам ЛВР предъявляются очень высокие требования. За счет того, что длина активной усиливающей области ЛВР очень мала (толщина нескольких квантовых ям: несколько десятков нанометров), усиление за один обход резонатора составляет всего лишь около 1%. Для достижения генерации в резонаторе лазера необходимы высокоэффективные зеркала с коэффициентами отражения R не ниже 0,99.

Типичные значения коэффициентов отражения для выходных зеркал ЛВР лежат в интервале 0,99–0,995, коэффициенты отражения плотных зеркал ЛВР стремятся приблизить к значениям 0,999. При использовании чередующихся четвертьволновых слоев GaAs и AlAs требуется 20 пар этих слоев для достижения коэффициента отражения 0,999.

В коммерческих ЛВР в силу ряда технологических требований используют не бинарные соединения GaAs и AlAs, а твердые растворы, например Al_0,15Ga_0,85As и Al_0,92Ga_0,08As, что снижает контраст показателей преломления и заметно уменьшает коэффициент отражения зеркал. Кроме того, в лазерных структурах для снижения оптического сопротивления используются градиентные слои твердых растворов на границах слоев, что также снижает коэффициент отражения брэгговского зеркала.

Легирование полупроводниковых брегговских зеркал тоже приводит к заметному снижению их коэффициента отражения за счет поглощения света на свободных носителях заряда. В итоге для достижения необходимых значений коэффициентов отражение в брегговских зеркалах ЛВР требуется использовать большее число пар слоев с чередующимися показателями преломления.

Типичным для коммерческих ЛВР является использование 25 пар слоев в выходном зеркале и 35 пар в плотном зеркале.

Конструкция ЛВР лазера разработанного российскими учеными приведена на рисунке 3.

Рисунок 3 - Конструкция наноэлектронного лазера

Коэффициент отражения выходного зеркала этого лазера, содержащего 25 слоев, превышает уровень 0,99 на рабочей длине волны лазера 0,85 мкм.

Активная область лазера содержит три GaAs квантовые ямы шириной 8 нм. Для достижения максимального коэффициента оптического ограничения квантовые ямы располагаются вблизи максимума амплитуды стоячей волны.

За счет проникновения световой волны в зеркала этот участок превышает расстояние между зеркалами. Эффективная длина резонатора L_ЭФФЛВР обычно в несколько раз превышает расстояние между брегговскими зеркалами. Однако и с учетом этого обстоятельства ЛВР имеют наименьшую длину резонатора в сравнении с любыми другими лазерами. Характерные значения эффективной длины резонатора ЛВР примерно 1 мкм. Соответственно, ЛВР характеризуются наибольшим межмодовым расстоянием, существенно превосходящим полосу усиления активной области лазера, что предопределяет одномодовый режим генерации лазера.

Лазер обладает малыми оптическими потерями и высокой добротностью лазерного резонатора. Резонатор лазера образован высокоэффективным низколегированным (выходное зеркало) и нелегированным (верхнее зеркало) отражателями, что значительно снижает оптические потери на поглощение свободными носителями заряда. С целью уменьшения оптических потерь все высоколегированные слои (контактные, апертурные, туннельные) располагаются в узлах стоячей волны.

Верхнее зеркало, образованное слоями GaAs/Al_0,95Ga_0,05O_X и Ti/Au, характеризуется очень высоким коэффициентом отражения в широком спектральном диапазоне (700–1200 нм). В центре этого диапазона расчетное значение коэффициента отражения зеркала составляет 0,9999.

В качестве «недостатка» наноэлектроных лазеров следует указать на высокую стоимость технологического оборудования и сложность технологических процессов используемых для создания прецизионных и многослойных гетероструктур.

Рост таких структур является предельно сложной задачей для современных технологий молекулярно-лучевой эпитаксии и эпитаксии из металлоорганических соединений. Количество различных слоев лазерной структуры может составлять сотни и в ряде случаев превышать тысячу, при этом требуемая точность задания толщины слоев составляет около 1%.