Лекции по гетеропереходам / курс лекций физика и технология полупроводниковых наноструктур / 13_Модовый характер излучения
.pdfметалл |
металл |
Схематическое изображение путей протекания тока (красные линии) и концентрации носителей в активной области (желтая область) в лазере полосковой конструкции
А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 13, стр. 31
В приближенном рассмотрении можно полагать, что растекание тока имеет место на расстояния ∆W в обе стороны полоска при сохранении в пределах всей области одинаковой плотности тока.
Тогда, на пороговый ток с учетом растекания, измеряемый в лазере полосковой конструкции:
Ith ≈ (W + 2∆W )Ljth
Оценка пороговой плотности тока с помощью приведения порогового тока к геометрическим размерам полоска будет давать завышенное значение по отношению к истинной пороговой плотности тока:
Ith /W > jth
Построение зависимости измеренного порогового тока от ширины полоска позволяет определить истинное значение пороговой плотности тока и характерную длину латерального растекания
А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 13, стр. 32
|
0,50 |
4-156 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
0,45 |
L=1 мм |
|
|
|
|
|
|
0,40 |
|
|
|
|
|
|
|
0,35 |
|
Эксперимент |
|
|
|
|
,А |
|
Линейная экстрполяция |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|||
|
|
(DW=8 мкм; j |
2 |
|
|
|
|
th |
0,30 |
|
=160 А/см ) |
|
|
|
|
I |
|
th |
|
|
|
|
|
ток |
0,25 |
|
|
|
|
|
|
Пороговый |
|
|
|
|
|
|
|
0,20 |
|
|
|
|
|
|
|
0,15 |
|
|
|
|
|
|
|
|
2DW |
|
|
|
|
|
|
|
0,10 |
|
|
|
|
|
|
|
0,05 |
|
jthL |
|
|
|
|
|
0,00 |
|
|
|
|
|
|
|
-50 |
0 |
50 |
100 |
150 |
200 |
250 |
|
|
|
Ширина полоска W, мкм |
|
|
Зависимость пороговой плотности тока от ширины полоска в лазерах с широким полоском
А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 13, стр. 33
Исходная эпитаксиальная структура
контактный слой
эмиттер
волновод
эмиттер
подложка и буфер
Лазер с гребешковым волноводом
изолятор
Лазер с широким полоском
металл
изолятор
металл
Лазер с зарощеной гетероструктурой
блокирующий слой
Примеры конструкций полосковых полупроводниковых лазеров
А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 13, стр. 34
Простейшая структура полоскового лазера (так называемый лазер с широким полоском) может применяться в тех случаях, когда не требуется достижение пространственно-одномодового режима (в многомодовых лазерах). При ширине полоска около 100 мкм латеральное растекание тока (типично ~ 10 мкм) дает пренебрежимый вклад в пороговый ток.
Наилучшее подавление растекания и наилучшее латеральное ограничение световой волны достигается в так называемый зарощеных гетероструктурах. Формируются травление глубоких мез (сквозь волновод и активную область лазера) с последующим повторным заращиванием полупроводниковым материалом с меньшим показателем преломления и большей шириной запрещенной зоны.
А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 13, стр. 35
Этот метод типично применяется в материалах InGaAsP и не приемлем для Al-содержащих структур. Вследствие высокой химической активности Al возникают проблемы с интерфейсной рекомбинацией.
Зарощенная гетероструктура вследствие типично большого скачка показателя преломления требует весьма малой ширины (~3 мкм) для стабильного одномодового режима. В сочетании с большой глубиной травления это налагает жесткие требования к пост-ростовой технологии.
А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 13, стр. 36
Более простая схема – так называемый лазер с гребешковым волноводом. Глубина травления мезы меньше (только заглубление в верхний эмиттер). Поскольку нет вскрытия активной области, могут быть использованы различные диэлектрические материалы для формирования областей с малым показателем преломления. Однако, поскольку световая волна только слегка проникает в эти области (хвостами), эффективный скачок показателя преломления мал, и таким образом ширина одномодовой структуры может быть больше (~5 мкм). Однако, степень подавления растекания тока в гребешковом волноводе ниже.
А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 13, стр. 37
Single spatial mode up to 240mW output.
Far Field Pattern |
300mA |
in the p-n-junction plane |
250mA |
52-TR324 |
200mA |
CW T=20oC
-25 |
-20 |
-15 |
-10 |
-5 |
0 |
5 |
10 |
15 |
20 |
25 |
Angle, degree
Угловое распределение интенсивности лазерного излучения в латеральном направлении.
А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 13, стр. 38
О модовом характере излучения лазера можно судить по картинами углового распределения интенсивности лазерного излучения (дальние поля), сканируя в плоскости p-n перехода (латеральное распределение) или перпендикулярно плоскости (поперечное распределение).
На приведенном примере одномодовый характер излучения сохраняется вплоть до токов ~250 мА (мощности ~240 мВт). Далее происходит совместное излучение фундаментальной моды и моды более высокого порядка, что проявляется в отклонении формы картины дальнего поля от гауссовской. Причина перехода к многомодовой генерации заключается в выгорании “пространственных провалов” (spatial hole burning), т.е. недостаточно быстрым темпом диффузии носителей заряда к средней части волновода.
А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 13, стр. 39
Одна из проблем полупроводникового лазера полосковой конструкции
– существенное различие угловой расходимости луча в латеральном и поперечном направлениях (типично, 400 и 100, соответственно).
Асимметрия луча приводит к трудностям с фокусировкой.
А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 13, стр. 40