Физические основы создания активных областей вертикально-излучающих быстродействующих лазеров телекоммуникационного диапазона длин волн 1300-1550 нм методом молекулярно-пучковой эпитаксии тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Рочас Станислав Станиславович
Рочас Станислав Станиславович
кандидат наук
2022
- Специальность ВАК РФ00.00.00
- Количество страниц 272
Оглавление диссертации кандидат наук Рочас Станислав Станиславович
Реферат
Synopsis
Введение
Глава 1. Аналитический обзор литературы
1.1 Материалы активных областей вертикально-излучающих лазеров спектрального диапазона 1300-1550 нм
1.2 Полупроводниковые лазеры
1.2.1 Резонаторы полупроводниковых лазеров
1.2.2 Активные области полупроводниковых лазеров
1.2.3 Основные рабочие параметры полупроводниковых лазеров
1.3 Особенности и методы создания вертикально-излучающих лазеров
1.3.1 Типы конструкций вертикально-излучающих лазеров
1.3.2 Токовое ограничение вертикально-излучающих лазеров
1.3.3 Оптическое ограничение вертикально-излучающих лазеров
1.3.4 Активные области вертикально-излучающих лазеров для достижения генерации на длинах волн 1,3-1,55 мкм
1.4 Основы определения характеристик вертикально-излучающих лазеров
1.4.1 Статические характеристики вертикально-излучающих лазеров
1.4.2 Динамические характеристики вертикально-излучающих лазеров
1.5 Выводы к Главе
Глава 2. Полупроводниковые гетероструктуры с заращенным туннельным переходом InGaAs/InGaAs/InAlGaAs
2.1 Методы синтеза полупроводниковых структур
2.1.1 Молекулярно-пучковая эпитаксия
2.1.2 Спекание эпитаксиальных пластин
2.2 Особенности формирования вертикально-излучающих лазеров 1,31,55 мкм на основе 1пОаА8ЛпОаА1А8 сверхрешетки
2.2.1 Определение длины волны генерации активной области вертикально-излучающих лазеров 1,3-1,55 мкм на основе 1пОаА8ЛпОаА1А8 сверхрешетки
2.2.2 Определение параметров распределенного брэгговского отражателя для вертикально-излучающих лазеров 1,3-1,55 мкм
2.2.3 Определение параметров оптического резонатора вертикально-излучающих лазеров 1,3-1,55 мкм на основе 1пОаА8/1пОаА1А8 сверхрешетки
2.3 Туннельный переход 1п0аА8/1п0аА8/1пА10аА8
2.3.1 Конструкция туннельного перехода InGaAs/InGaAs/InAlGaAs
2.3.2 Формирование туннельного перехода InGaAs/InGaAs/InAlGaAs
2.4 Формирование экспериментальных образцов вертикально-излучающих лазеров
2.5 Методики и особенности проведения экспериментов по исследованию вертикально-излучающих лазеров спектрального диапазона длин волн 1,3 мкм и 1,55 мкм
2.5.1 Измерение ватт- и вольт-амперных характеристик вертикально-излучающих лазеров
2.5.2 Измерение спектра генерации характеристик вертикально-излучающих лазеров
2.5.3 Измерение амплитудно-частотных характеристик вертикально-излучающих лазеров
2.5.4 Измерение оптического отклика вертикально-излучающих лазеров
2.5.5 Стенд для измерения характеристик вертикально-излучающих лазеров
2.6 Выводы к Главе
Глава 3. Вертикально-излучающие лазеры на основе короткопериодной сверхрешетки InGaAs/InGaAlAs
3.1 Гетероструктуры активных областей на основе короткопериодной сверхрешетки InGaAs/InGaAlAs для ВИЛ 1,3-1,55 мкм
3.2 Свойства активных областей вертикально-излучающих лазеров 1,31,55 мкм на основе короткопериодной сверхрешетки InGaAs/InGaAlAs
3.2.1 Структурные свойства активных областей вертикально-излучающих лазеров 1,3-1,55 мкм на основе короткопериодной сверхрешетки InGaAs/InGaAlAs
3.2.2 Оптические свойства активных областей вертикально-излучающих лазеров 1,3-1,55 мкм на основе короткопериодной сверхрешетки InGaAs/InGaAlAs
3.2.3 Полосковые лазеры на основе сверхрешетки InGaAs/InGaAlAs
3.3 Вертикально-излучающий лазер 1,3 мкм на основе короткопериодной сверхрешетки InGaAs/InGaAlAs
3.3.1 Гетероструктура вертикально-излучающего лазера 1,3 мкм на основе короткопериодной сверхрешетки InGaAs/InGaAlAs
3.3.2 Статические характеристики вертикально-излучающего лазера 1,3 мкм на основе короткопериодной сверхрешетки InGaAs/InGaAlAs
3.3.3 Динамические характеристики вертикально-излучающего лазера 1,3 мкм на основе короткопериодной сверхрешетки 1пОаА8/1пОаА1А8
3.4 Выводы к главе
Глава 4. Эффект насыщающегося поглотителя в вертикально-излучающих лазерах
4.1 Токовое растекание в вертикально-излучающих лазерах
4.2 Влияние геометрических параметров заращенного туннельного
перехода 1п0аА8/1п0аА8/1пА10аА8 на эффект насыщающегося поглотителя
4.3 Характеризация вертикально-излучающих лазеров с насыщающимся
поглотителем
4.3.1 Статические характеристики вертикально-излучающих лазеров с насыщающимся поглотителем
4.3.2 Динамические характеристики вертикально-излучающих лазеров с насыщающимся поглотителем
4.4 Выводы к Главе
Заключение
Список сокращений и условных обозначений
Благодарности
Список использованной литературы
Приложение А тексты основных публикаций
Реферат
Общая характеристика диссертации
Рекомендованный список диссертаций по специальности «Другие cпециальности», 00.00.00 шифр ВАК
Полупроводниковые гетероструктуры A3B5, полученные методами молекулярно-пучковой эпитаксии и спекания, и лазеры спектрального диапазона 1300 – 1550 нм на их основе2021 год, доктор наук Карачинский Леонид Яковлевич
Исследование физических основ методов создания гетероструктур А3В5 с квантовыми точками InGaAsP и упруго-компенсированными сверхрешетками InGaAs/InAlAs для источников оптического излучения ближнего и среднего ИК-диапазона2023 год, кандидат наук Андрюшкин Владислав Васильевич
Полупроводниковые гетероструктуры со сверхтонкими напряженными квантовыми ямами и лазеры спектрального диапазона 1525-1565 нм на их основе2018 год, кандидат наук Колодезный, Евгений Сергеевич
Генераторы случайных чисел на основе низкоразмерных полупроводниковых гетероструктур2023 год, кандидат наук Петренко Артем Александрович
Оптические свойства гетероструктур InGaAsN на основе GaAs2005 год, кандидат физико-математических наук Крыжановская, Наталья Владимировна
Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Физические основы создания активных областей вертикально-излучающих быстродействующих лазеров телекоммуникационного диапазона длин волн 1300-1550 нм методом молекулярно-пучковой эпитаксии»
Актуальность темы.
На сегодняшний день постоянное увеличение объема передаваемой информации приводит к возрастающей потребности в центрах обработки и хранения данных, а также в высокоскоростных информационно-вычислительных системах, что требует создания новых источников излучения, способствующих увеличению пропускной способности волоконно-оптических линий связи и снижающих энергопотребление при передачи данных, поскольку на долю центров обработки данных приходится ~ 1-3 % от мирового потребления электроэнергии. Одним из активно развивающихся направлений современной полупроводниковой оптоэлектроники, решающих данный вызов, является создание и исследование полупроводниковых вертикально-излучающих лазеров (ВИЛ). По сравнению с традиционными инжекционными лазерами полосковой конструкции отличительными чертами ВИЛ являются малые угловая расходимость, геометрические параметры и пороговый ток, что в совокупности с высокой температурной стабильностью открывает возможность для создания компактных и энергоэффективных источников лазерного излучения. Стоит отметить и возможность кремниевой интеграции ВИЛ, что представляет интерес для устройств радиофотоники на основе кремния и их гибридной интеграции. Другой немаловажной чертой ВИЛ является особенность технологии изготовления, а именно: возможность группового изготовления приборов на пластине, что не только позволяет оперативно проводить тестирования сразу на пластине и уменьшает себестоимость за счет плотности кристаллов на единицу площади, но и позволяет формировать двумерные матрицы с большим числом излучателей индивидуальной адресации. Такие матричные излучатели уже могут
рассматриваться как источники для оптической коммутации электронных модулей в высокопроизводительных вычислительных системах.
Использование ВИЛ, работающих на длине волны 850 нм, при передаче данных на расстояния в несколько сотен метров, т.е. для первого окна прозрачности кварцевого волокна, широко распространено на сегодняшний день, что обусловлено высокими скоростями передачи данных и исторически сложившейся относительной простотой изготовления излучающих структур на подложках ваА8 ввиду согласованности эпитаксиальных слоев гетероструктуры кристалла. Однако, наибольший интерес для исследования представляют длинноволновые вертикально излучающие лазеры спектрального диапазона 1300-1550 нм способные работать в одномодовом режиме и обеспечивающие передачу данных на расстояния более 1 километра через второе и третье окно прозрачности кварцевого оптоволокна. С другой стороны, одномодовые длинноволновые ВИЛ можно использовать и для оптических межсоединений с малым радиусом действия, поскольку сочетание одномодовых и многомодовых волокон в центрах обработки и хранения данных требует создания устройств мультиплексирования с разделением по длине волны для увеличения как емкости, так и досягаемости центров.
Коммерческие одномодовые ВИЛ спектрального диапазона 1300-1550 нм практически недоступны из-за сложности создания и отсутствия эффективно излучающих активных областей на подложках ваА8 в длинноволновом диапазоне. Обеспечение лазерной генерации на данных длинах волн требует использования активной области из системы материалов 1пА10аА8Р/1пР. В свою очередь, создание монолитных ВИЛ на подложках 1пР приводит к низкому контрасту показателей преломления и плохой теплопроводности слоев распределенных брэгговских отражателей и неэффективному токовому и оптическому ограничению, что приводит к снижению рабочих характеристик получаемых устройств.
Таким образом, необходимость создания быстродействующих, высокоэффективных и компактных вертикально-излучающих лазеров телекоммуникационного диапазона длин волн 1300-1550 нм является современным научно-техническим вызовом, что обуславливает актуальность настоящей работы.
Целью диссертационной работы является исследование физических основ создания и принципов конструирования гетероструктур активных областей быстродействующих инжекционных вертикально-излучающих лазеров телекоммуникационного диапазона длин волн 1300-1550 нм и определение путей улучшения их характеристик.
Для достижения данной цели в рамках диссертации были поставлены и решены следующие задачи:
1. Исследование физических основ получения гетероструктур активных областей вертикально-излучающих лазеров телекоммуникационного диапазона длин волн 1300-1550 нм с повышенным оптическим усилением методом молекулярно-пучковой эпитаксии.
2. Исследование физических основ получения гетероструктур с захороненным туннельным переходом, обеспечивающим токовое и оптическое ограничение в вертикально-излучающих лазерах телекоммуникационного диапазона длин волн 1300-1550 нм, методом молекулярно-пучковой эпитаксии.
3. Исследование структурных, оптических и электрофизических свойств полученных гетероструктур активных областей вертикально-излучающих лазеров телекоммуникационного диапазона длин волн 13001550 нм.
4. Изготовление и исследование статических и динамических характеристик кристаллов вертикально-излучающих лазеров телекоммуникационного диапазона длин волн 1300-1550 нм.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Для создания вертикально-излучающих лазеров спектрального диапазона длин волн 1300±30 нм и 1550±30 нм с заращенным туннельным переходом возможно использование в туннельном переходе слоев твердого раствора Ino,5зGao,47As, не смотря на то, что слои 1п0,530а0,47А8 поглощают излучение с длинами волн менее 1700 нм. Это достигается за счет прецизионного пространственного размещения туннельного перехода в области минимума интенсивности стоячей волны и высокого легирования слоев 1п0;53Оа0;47А8. Такие слои не содержат алюминий, обеспечивают стабильное формирование химическим травлением мез на поверхности туннельного перехода и успешное проведение процесса заращивания поверхности со сформированными мезами методом молекулярно-пучковой эпитаксии.
2. Гетероструктура активной области вертикально-излучающих лазеров на основе короткопериодных сверхрешеток InGaAs/InGaAlAs с резкими гетерограницами, синтез которых возможен методом молекулярно-пучковой эпитаксии, обеспечивает практическую реализацию методом спекания с распределенными брэгговскими отражателями на основе ОаА8/АЮаА8, эффективных вертикально-излучающих лазеров спектрального диапазона длин волн 1300±30 нм, которые демонстрируют сверхвысокие оптические мощности выходного оптического излучения в одномодовом режиме работы (до 6 мВт при диаметре мезы туннельного перехода 5 мкм), низкие пороговые токи (менее 1,25 мА) и высокое быстродействие (более 8 ГГц).
3. Вертикально-излучающие лазеры спектрального диапазона 1550±30 нм, составные части гетероструктуры которых изготовлены методом молекулярно-пучковой эпитаксии на подложках GaAs и 1пР с последующим сухим молекулярным соединением/спеканием эпитаксиальных пластин, с диаметром мезы заращенного туннельного перехода менее 8 мкм и высотой мезы туннельного перехода ~ 15 нм, демонстрируют работу в режиме
жесткого включения генерации (скачкообразное изменение выходной оптической мощности с током накачки на пороге генерации). Подобное поведение обусловлено формированием в микрорезонаторе вертикально-излучающих лазеров насыщающегося поглотителя за счет слабого оптического ограничения в латеральном направлении основной оптической моды.
Научная новизна диссертации отражена в следующих пунктах:
1. Осуществлено заращивание туннельного перехода n++-lnGaAs/p++-lnGaAs/p++-lnAlGaAs фосфидом индия методом молекулярно-пучковой эпитаксии.
2. Предложена оригинальная конструкция активной области лазера на основе короткопериодной сверхрешетки на подложке 1пР для работы в спектральном диапазоне 1300±30 нм, созданы вертикально-излучающие лазеры на ее основе.
3. С использованием комбинации методов молекулярно-пучковой эпитаксии и технологии сухого молекулярного соединения/спекания эпитаксиальных пластин для изготовления гетероструктур вертикально-излучающих лазеров с заращенным туннельным переходом созданы эффективные кристаллы вертикально-излучающих лазеров спектрального диапазона 1300±30 нм.
Теоретическая значимость результатов диссертационной работы состоит в том, что предложенные в диссертационной работе методы и подходы к моделированию физических свойств и конструкции вертикально-излучающих лазеров обеспечивают реализацию высокоэффективных приборов.
Практическая значимость результатов диссертационной работы состоит в том, что разработанные конструкции и технология получения полупроводниковых гетероструктур длинноволновых вертикально-излучающих лазеров позволяют реализовывать на их основе одночастотные
источники лазерного излучения для волоконно-оптических линий связи и обеспечивают передачу информации в окнах прозрачности кварцевого оптоволокна на скоростях не менее 10 Гбит/с. Устройства на основе полученных гетероструктур не имеют аналогов в Российской Федерации и по своим рабочим характеристикам не уступают зарубежным аналогам. Ввиду возможности осуществления полного цикла технологического процесса изготовления таких устройств на предприятиях Российской Федерации может быть обеспечено полное импортозамещения продукции данного типа.
Достоверность полученных результатов обеспечивается применением современных научно-обоснованных и дополняющих друг друга методов исследования. Экспериментальные результаты диссертации получены с использованием приборов и установок, обеспечивающих повторяемые результаты измерений при изменении параметров экспериментов. Результаты расчетов проектных параметров, определяющих особенности формирования лазерных гетероструктур, совпадают с результатами проведенных автором измерений по характеризации описанных в работе вертикально-излучающих лазеров и качественно согласуются с данными по аналогичным структурам, описанным в литературе (там, где возможно провести сравнение).
Внедрение результатов работы. Внедрение результатов работы осуществлено на опытном производстве вертикально-излучающих лазеров в предприятии реального сектора экономики: ООО «Коннектор Оптике» (г. Санкт-Петербург).
Апробация результатов работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: X Международная конференция «Фундаментальные проблемы оптики», Санкт-Петербург, Россия, 2018; 21-я молодежная конференция по физике полупроводников и наноструктур, полупроводниковой опто- и наноэлектронике, Санкт-Петербург, Россия, 2019; международная конференция "Advanced materials week", Санкт-Петербург, Россия, 2019; Saint
Petersburg OPEN 2019, 2020, 2021, Санкт-Петербург, Россия, 2019, 2020, 2021; Международная конференция ФизикА.СПб 2019, 2020, 2021, Санкт-Петербург, Россия, 2019, 2020, 2021; Conference SPIE Photonics West 2022, Сан-Франциско, США, 2022; 20th International Conference Laser Optics ICLO 2022, Санкт-Петербург, Россия, 2022.
Личный вклад автора. Все представленные в диссертации результаты получены автором лично или при его участии. Личный вклад автора состоит в постановке задач, проведении расчета и моделирования параметров вертикально-излучающих лазеров спектрального диапазона 1,3-1,55 мкм на основе сверхрешетки InGaAs/InGaAlAs, исследовании эффекта насыщающегося поглотителя в вертикально-излучающих лазерах, проведении экспериментов и обработке экспериментальных данных об оптических и структурных свойствах исследуемых активных областей лазеров, статических и динамических характеристиках исследуемых кристаллов вертикально-излучающих лазеров.
Публикации. Основное содержание научно-исследовательской работы (диссертации) опубликовано в 15 научных работах, из них 7 публикаций в изданиях, рецензируемых Web of Science или Scopus, 6 публикаций в журналах из перечня ВАК, 2 охранных документа на результат интеллектуальной деятельности.
В международных изданиях, индексируемых в базе данных Scopus:
1. Rochas S.S., Novikov I.I., Gladyshev A.G., Kolodeznyi E.S., Maximov M.V., Zubov F.I., Shernyakov Y.M., Karachinsky L.Y., Zhukov A.E., Denisov
D.V., Egorov A.Y. Temperature performance of InGaAs/InGaAlAs laser diodes with delta-doping active region // Journal of Physics: Conference Series - 2019. -T. 1410 - № 1 - C. 012104;
2. Rochas S.S., Novikov I.I., Babichev A.V., Gladyshev A.G., Kolodeznyi
E.S., Karachinskii L.Y., Bobretsova Y.K., Klimov A.A., Shernyakov Y.M., Zhukov A.E., Egorov A.Y. 1.55 ^m range edge-emitting laser diodes based on
InGaAs/InGaAlAs superlattice and InGaAs quantum wells // Journal of Physics: Conference Series - 2020. - T. 1695 - № 1 - C. 012072;
3. Blokhin S.A., Bobrov M.A., Maleev N.A., Blokhin A.A., Vasyl'Ev A.P., Kuzmenkov A.G., Troshkov S.I., Ustinov V.M., Rochas S.S., Gladyshev A.G., Novikov I.I., Karachinsky L.Y., Voropaev K.O., Ionov A.S., Egorov A.Y. Vertical cavity surface emitting laser of 1.55 ^m spectral range, manufactured by molecular beam epitaxy and wafer fusion technique // Journal of Physics: Conference Series
- 2020. - T. 1697 - № 1 - C. 012178;
4. Blokhin S., Babichev A., Gladyshev A., Karachinsky L., Novikov I., Blokhin A., Rochas S., Denisov D., Voropaev K., Ionov A., Ledentsov N., Egorov A. Wafer-fused 1300 nm VCSELs with an active region based on superlattice // Electronics Letters - 2021. - T. 57 - № 18 - C. 697-698;
5. Rochas S.S., Novikov I.I., Karachinskii L.Y., Babichev A.V., Blokhin S.A., Nevedomskii V.N., Voropaev K.O., Egorov A.Y. Wafer fusion technique features for near-IR laser sources // Journal of Physics: Conference Series, 2021, T. 2103 - № 1 - C. 012107
6. Rochas S.S., Karachinskii L.Y., Babichev A.V., Novikov I.I., Gladyshev A.G., Kolodeznyi E.S., Kopytov P.E., Bougrov V.E., Blokhin S.A., Blokhin A.A., Voropaev K.O., Egorov A.Y. Vertical cavity surface emitting lasers of 1.3 um spectral range based on the InGaAs/InGaAlAs superlattice // Journal of Physics: Conference Series - 2021. - T. 2103 - № 1 - C. 012176
7. Blokhin S.A., Ledentsov N.J., Rochas S.S., Babichev A.V., Gladyshev A.G., Chorchos L., Makarov O.Y., Karachinskii L.Y., Novikov I.I., Blokhin A.A., Bobrov M.A., Maleev N.A., Andryushkin V.V., Voropaev K.O., Zhumaeva I.O., Ustinov V.M., Egorov A.Y., Ledentsov N.N. 1300-nm wafer-fused VCSELs with InGaAs/InAlGaAs superlattice-based active region // Proceedings of SPIE - 2022.
- T. 12020 - C. 120200K
В изданиях из перечня ВАК РФ:
1. Блохин С.А., Бобров М.А., Блохин A.A., Кузьменков А.Г., Малеев H.A., Устинов В.М., Колодезный Е.С., Рочас С.С., Бабичев A.B., Новиков И.И., Гладышев А.Г., Карачинский Л.Я., Денисов Д.В., Воропаев К.О., Ионов A.C., Егоров А.Ю. Анализ внутренних оптических потерь вертикально-излучающего лазера спектрального диапазона 1.55 мкм, сформированного методом спекания пластин // Оптика и спектроскопия - 2019. - Т. 127 - № 7 -С. 145-149.
2. Блохин С.А., Бобров М.А., Блохин A.A., Кузьменков А.Г., Малеев
H.A., Устинов В.М., Колодезный Е.С., Рочас С.С., Бабичев A.B., Новиков И.И., Гладышев А.Г., Карачинский Л.Я., Денисов Д.В., Воропаев К.О., Ионов A.C., Егоров А.Ю. Влияние потерь на вывод излучения на динамические характеристики вертикально-излучающих лазеров спектрального диапазона
I.55 мкм, изготовленных методом спекания эпитаксиальных пластин // Физика и техника полупроводников - 2019. - Т. 53 - № 8 - С. 1128-1134.
3. Карачинский Л.Я., Новиков И.И., Бабичев A.B., Гладышев А.Г., Колодезный Е.С., Рочас С.С., Курочкин A.C., Бобрецова Ю.К., Климов A.A., Денисов Д.В., Воропаев К.О., Ионов A.C., Бугров В.Е., Егоров А.Ю. Оптическое усиление в лазерных гетероструктурах с активной областью на основе короткопериодной сверхрешетки InGaAs/InGaAlAs // Оптика и спектроскопия - 2019. - Т. 127 - № 12 - С. 963-966.
4. Блохин С.А., Бобров М.А., Малеев H.A., Блохин A.A., Кузьменков А.Г., Васильев А.П., Рочас С.С., Гладышев А.Г., Бабичев A.B., Новиков И.И., Карачинский Л.Я., Денисов Д.В., Воропаев К.О., Ионов A.C., Егоров А.Ю., Устинов В.М. Вертикально-излучающий лазер спектрального диапазона 1.55 цт с туннельным переходом на основе слоев n++-InGaAs/p++-InGaAs/p++-InAlGaAs // Письма в Журнал технической физики - 2020. - Т. 46 - № 17 - С. 21-25.
5. Рочас С.С., Новиков И.И., Гладышев А.Г., Колодезный Е.С., Бабичев A.B., Андрюшкин В.В., Неведомский В.Н., Денисов Д.В., Карачинский Л.Я.,
Егоров А.Ю., Бугров В.Е. Влияние параметров короткопериодной сверхрешетки InGaAs/InGaAlAs на эффективность фотолюминесценции // Письма в Журнал технической физики - 2020. - Т. 46 - № 22 - С. 27-30.
6. Блохин С.А., Неведомский В.Н., Бобров М.А., Малеев H.A., Блохин A.A., Кузьменков А.Г., Васильев А.П., Рочас С.С., Бабичев A.B., Гладышев А.Г., Новиков И.И., Карачинский Л.Я., Денисов Д.В., Воропаев К.О., Ионов A.C., Егоров А.Ю., Устинов В.М. Вертикально-излучающие лазеры спектрального диапазона 1.55 мкм, изготовленные по технологии спекания гетероструктур, выращенных методом молекулярно-пучковой эпитаксии из твердотельных источников // Физика и техника полупроводников - 2020. - Т. 54 - № 10 - С. 1088-1096.
Патенты по теме диссертации (приравненные к изданиям ВАК РФ):
1. Пат. 189724 Российская Федерация, МПК H01S 5/183 H01S 5/34. Гетероструктура вертикально-излучающего лазера / A.B. Бабичев, В.Е. Бугров, А.Ю. Егоров, С.С. Рочас, Л.Я. Карачинский, И.И. Новиков, А.Г. Гладышев; заявитель и патентообладатель Университет ИТМО. - № 2018145471; заявл. 21.12.2018, опубл. 31.05.2019, Бюл. №16.
2. Пат. 197331 Российская Федерация, МПК H01S 5/187 H01S 5/343. Гетероструктура вертикально-излучающего лазера / А.Ю. Егоров, И.И. Новиков, С.С. Рочас, Л.Я. Карачинский, Е.С. Колодезный; заявитель и патентообладатель Университет ИТМО. - № 2019143336, заявл. 24.12.2019, опубл. 21.04.2020, Бюл. №12.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Материал диссертации изложен на 271 странице, содержит 69 рисунков, 8 таблиц и список цитируемой литературы из 118 наименований.
Содержание работы
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, изложены цели и задачи диссертационной работы, дана оценка ее научной и практической значимости и достоверность. Приведены основные научные положения, выносимые на защиту, а также сведения об апробации и публикации результатов.
Первая глава «Аналитический обзор литературы» содержит обзор основных сведений о лазерных характеристиках, физических принципах, технологиях создания и конструктивных особенностях активных областей вертикально-излучающих лазеров (ВИЛ) спектрального диапазона 1300-1550 нм.
Вторая глава «Полупроводниковые гетероструктуры с заращенным туннельным переходом InGaAsЛnGaAsЛnAЮaAs» содержит описание использованных в работе методов синтеза полупроводниковых структур: молекулярно-пучковая эпитаксия (МПЭ), метод спекания пластин, описаны особенности, определяющие формирование вертикально-излучающих лазеров и обосновывающие использование заращенного туннельного перехода (ЗТП) InGaAsЛnGaAsЛnAЮaAs, а также приведены методика его формирования, методика формирования конструкции вертикально-излучающих лазеров и методики измерения экспериментальных образцов вертикально-излучающих лазеров.
Представлены основные методы создания гетероструктур ВИЛ 1,3-1,55 мкм и описан процесс формирования экспериментальных образов ВИЛ 1,31,55 мкм. Приведены методики и особенности проведения экспериментов по их исследованию. Гетероструктуры активных областей ВИЛ 1,3-1,55 мкм, как и гетероструктуры распределенных брэгговских отражателей (РБО), формировались методом молекулярно-пучковой эпитаксии, являющимся высококачественным современным методом выращивания
полупроводниковых гетероструктур, позволяющим выращивать в
автоматическом режиме заданные структуры с низким количеством кристаллических дефектов. Формирование гетероструктур ВИЛ 1,3-1,55 мкм (Рисунок 1) осуществлялось посредством прямого сухого двойного спекания активной области на основе InGaAs/InGaAlAs с верхним и нижним РБО на основе АЮаА8ЮаА8, позволяющим объединить излучательные свойства активной области, выращенной на подложке 1пР, с высокой теплопроводностью высоко добротных РБО, выращенных на подложке ваА8.
Рисунок 1 - Схематическое изображение формирования гетероструктуры
ВИЛ
Представлены результаты расчетов и моделирования, определяющих особенности формирования гетероструктур ВИЛ 1,3-1,55 мкм на основе сверхрешетки 1пОаА8ЛпОаА1А8. Предложены сверхрешетки 1по,570ао,4зА8/1по,5зА1о,20ао,27А8 и 1по,бОао,4А8/1по,5зА1о,20ао,27А8 с толщинами слоев яма/барьер 2/0,8 нм для достижения генерации на длинах волн - 1,3 и -
1,55 мкм и рассмотрено влияние отклонения от заданных толщин слоев яма/барьер на длину волны генерации (Рисунок 2,3). Предложены конструкции верхнего и нижнего РБО на основе бинарного соединения GaAs и твердого раствора Al0,92Ga0,08As и рассмотрено влияние на отражательную способность технологической неточности при создании РБО в предположении отклонения мольной доли Al твердого раствора Al0,92Ga0,08As и толщин эпитаксиальных слоев.
----0,7/1,9 нм
-0,8/2 нм
0,9/2,1 нм
И И И
л л л
^ ,—1 т
т «о 40
сл СЛ
<о <о <о
12 3 4 Расстояние, нм
1,1
1,0 0,9 0,8 0,7
га
0,6
^ к
^0,5 О 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0
■ - - 0,7/2,1 нм
-0,8/2 нм
■ 0,9/1,9 нм
СО СО СО
л л л
ш т
СО ос
о* о* О*
12345 Расстояние, нм
0
5
0
Рисунок 2 - Зонная диаграмма Рисунок 3 - Зонная диаграмма
сверхрешетки In0,57Ga0,4As/ сверхрешетки In0,6Ga0,4As/
Ino,5зAlo,2Gao,27As Ino,5зAlo,2Gao,27As
Предложены конструкции микрорезонатора для гетероструктур ВИЛ 1,3-1,55 при соблюдении условий резонанса и геометрическом размещении сверхрешетки InGaAs/InGaAlAs и туннельного перехода (ТП) InGaAsЛnGaAsЛnAЮaAs в максимумах и минимумах электромагнитного поля стоячей волны в резонаторе, соответственно. Для достижения резонанса на длине волны ~1,3 мкм микрорезонатор ВИЛ представляет собой вертикальный оптический резонатор 1пАЮаАьР общей толщиной 3Х,
включающий в себя нижний внутрирезонаторный контактный слой 1пОаЛ8РЛпР и-типа толщиной IX, активную область и туннельный переход общей толщиной 0,5Х, верхний внутрирезонаторный контактный слой 1пОаЛ8РЛпР и-типа толщиной 1Х. Область усиления излучения представлена сверхрешеткой из 24 слоев 1по,570ао,4зЛ8Лпо,5зЛ1о,20ао,27Л8 яма/барьер толщинами 2/0,8 нм, соответственно. Для достижения резонанса на длине волны ~ 1,55 мкм микрорезонатор ВИЛ представляет собой вертикальный оптический резонатор 1пАЮаА8Р общей толщиной 2,5Х, включающий в себя нижний внутрирезонаторный контактный слой 1пОаЛ8Р/1пР и-типа толщиной 1Х, активную область и туннельный переход общей толщиной 0,5Х, верхний внутрирезонаторный контактный слой 1пОаЛ8Р/1пР и-типа толщиной 0,5Х. Область усиления излучения представлена сверхрешеткой из 29 слоев 1по,б0ао,4Л8/1по,5зЛ1о,20ао,27Л8 яма/барьер толщинами 2/0,8 нм, соответственно. Для гетероструктуры ВИЛ 1,3 мкм конструкция микрорезонатора представлена на рисунке 4.
Микрорезонатор
0 2000 4000 6000 8000 10000
Расстояние от поверхности, нм Рисунок 4 - Результаты расчета распределения электромагнитного поля стоячей волны и профиля показателя преломления для микрорезонатора ВИЛ
1,3 мкм
Представлено обоснование использования заращенного туннельного перехода InGaAs/InGaAs/InA1GaAs и описан процесс его формирования. Использование слоев ЗТП без алюминия обеспечивает стабильное формирование химическим травлением мез на поверхности туннельного перехода и успешное проведение процесса заращивания поверхности со сформированными мезами методом МПЭ. Влияние поглощения излучения с длинами волн менее 1700 слоями In0,53Ga0,47As минимизируется за счет прецизионного пространственного размещения туннельного перехода в области минимума интенсивности стоячей волны и высокого легирования слоя и++-In0,53Ga0,47As.
Модифицированная гибридная конструкция туннельного перехода и++-InGaAs/p++-InGaAs/p++-InA1GaAs, позволяет сохранить низкие оптические потери и требует только технологии МПЭ, в том числе, для заращивания поверхностного рельефа, обеспечивая низкую шероховатости поверхностного рельефа (Рисунок 5).
а) б)
Рисунок 5 - Изображения растровой электронной микроскопии полупроводниковой структуры после МПЭ-процесса заращивания слоем 1пР: а) - поверхности InA1GaAs, б) - поверхности InGaAs
В третьей главе «Вертикально-излучающие лазеры на основе короткопериодной сверхрешетки 1пОаД5/1пОаД1Д5» рассмотрены конструкции ВИЛ 1,3-1,55 мкм на основе активной области из короткопериодной сверхрешетки МОаАьЛпОаАХАь с заращенным туннельным переходом InGaAs/InGaAs/InGaAlAs, приведены результаты исследования оптических, электрических и радиочастотных характеристик изготовленных ВИЛ 1,3 мкм.
Представлены результаты создания активных областей на основе короткопериодной сверхрешетки МОаАьЛпОаАХАь для ВИЛ 1,3-1,55 мкм и исследования их структурных и оптических свойств. Созданные активные области на основе сверхрешеток In0,57Ga0,43As/In0,53Ga0,20Al0,27As и In0,6Ga0,4As/In0,53Al0,2Ga0,27As, согласно рентгенодифракционному анализу обладают высоким структурным качеством, совпадая с проектными значениями гетероструктур, со средними долями М 0,55 и 0,57, соответственно, и согласно результатам исследования спектров фотолюминесценции позволяют осуществлять лазерную генерацию на длинах волн ~ 1,3 и - 1,55 мкм (Рисунок 6)
1100 1200 1300 1400 Длина волны, нм
1500
1200 1300 1400 1500 1600 Длина волны, нм
1700
а) б)
Рисунок 6 - Спектр фотолюминесценции: а) - сверхрешетка Ino,57Gao,43As/Ino,53Gao,2oAlo,27As, б) - сверхрешетка
Ino,6Gao,4As/Ino,5зAlo,2Gao,27As
Изготовленные и исследованные тестовые полосковые лазеры на основе сверхрешетки InGaAs/InGaA1As показали, что замена активной области вертикально-излучающего лазера на основе квантовых ям InGaAs на активную область на основе сверхрешетки IпGаAs/IпGаAlAs при схожей температурной стабильности характеристик позволяет снизить пороговый ток при комнатной температуре и увеличить частотные характеристики ВИЛ (Рисунок 7).
16
« 4 ¡2
£ 3 о
И 2 2
5 «
о и
о &1
-•-Сверхрешетка 1пОаАь/1пОаА1Аь -•-Квантовые ямы ТпОаАь
10 20 30 40 50 60
Температура, ^
70
£ 6°п
I 5
а 40-
I
¡3 30Н
•е •е
£ 20Н
¡5
•е
юн
-•-Сверхрешетка 1пОаАь/1пОаА1Аь -•-Квантовые ямы ТпОаАь
10 20 30 40 50 60 0г
70
Температура, C
а) б)
Рисунок 7 - Температурные зависимости полосковых лазеров на основе квантовых ям InGaAs и на основе сверхрешетки InGaAs/InGaA1As: а) -зависимость порогового тока, б) - зависимость дифференциальной
квантовой эффективности
Представлены результаты создания и исследования статических и динамических характеристик ВИЛ 1,3 мкм на основе короткопериодной сверхрешетки In0,57Ga0,43As/In0,53Ga0,20A10,27As с разными диаметрами ЗТП InGaAs/InGaAs/InA1GaAs. Показано, что гетероструктура активной области ВИЛ на основе короткопериодной сверхрешетки InGaAs/InGaA1As, изготовленная двойным сухим молекулярным спеканием активной области и РБО, выращенных методом МПЭ, обеспечивает практическую реализацию эффективных ВИЛ 1,3 мкм.
Похожие диссертационные работы по специальности «Другие cпециальности», 00.00.00 шифр ВАК
Полупроводниковые вертикально-излучающие лазеры на основе самоорганизующихся квантоворазмерных гетероструктур в системе материалов InGaAs-AlGaAs2008 год, кандидат физико-математических наук Кузьменков, Александр Георгиевич
Квантовые точки как активная среда оптоэлектронных приборов2009 год, доктор физико-математических наук Максимов, Михаил Викторович
Азотсодержащие полупроводниковые твердые растворы AIIIBV-N - новый материал оптоэлектроники2011 год, доктор физико-математических наук Егоров, Антон Юрьевич
Микролазеры на основе гетероструктур с InGaAs квантовыми точками с резонаторами, сформированными селективным окислением слоев AlGaAs2006 год, кандидат физико-математических наук Блохин, Сергей Анатольевич
Полупроводниковые гетероструктуры А3В5 для многоэлементных лазерных излучателей ближнего ИК-диапазона2020 год, доктор наук Ладугин Максим Анатольевич
Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Рочас Станислав Станиславович, 2022 год
Список использованной литературы
1. Manaserh Y. M. Machine learning assisted development of IT equipment compact models for data centers energy planning / Manaserh Y. M., Tradat M. I., Bani-Hani D., Alfallah A. Sammakia B. G., Nemati K., Seymour M. J // Applied Energy. - 2022. - T. 305. - C. 117846.
2. Barua H. B., Mondal K. C., Khatua S. Green Computing for Big Data and Machine Learning // 5th Joint International Conference on Data Science & Management of Data (9th ACM IKDD CODS and 27th COMAD). - 2022. - C. 348-351.
3. Carroll L. Photonic packaging: transforming silicon photonic integrated circuits into photonic devices / Carroll L., Lee J. S., Scarcella C., Gradkowski K., Duperron M., Lu H., O'Brien, P // Applied Sciences. - 2016. - T. 6. - №. 12. - C. 426.
4. Bashir J., Peter E., Sarangi S. R. A survey of on-chip optical interconnects // ACM Computing Surveys (CSUR). - 2019. - T. 51. - №. 6. - C. 1-34.
5. Tatum J. A. VCSEL-based optical transceivers for future data center applications / Tatum J. A., Landry G. D., Gazula D., Wade J. K., Westbergh P. // Optical Fiber Communication Conference. - Optica Publishing Group, 2018. - C. M3F.
6. Kao H. Y. Long-term thermal stability of single-mode VCSEL under 96-Gbit/s OFDM transmission / Kao H. Y., Tsai C. T., Chi Y. C., Peng C. Y., Leong S. F., Wang H. Y., Lin G. R. // IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. - 2019. - T. 25. - №. 6. - C. 1-9.
7. Isoe G. M. 60 Gbps 4-PAM VCSEL-based Raman assisted hyper-scale data centre: In context of spectral efficiency and reach extension / Isoe G. M., Wassin S., Leitch A. W. R., Gibbon // Optics Communications. - 2018. - T. 428. -C. 164-168.
8. Adachi S. Physical properties of III-V semiconductor compounds. - John Wiley & Sons, 1992.
9. Алферов Ж. И. Двойные гетероструктуры: концепция и применения в физике, электронике и технологии // Успехи физических наук. - 2002. - Т. 172. - №. 9. - С. 1068.
10. Schubert E. F. Delta doping of III-V compound semiconductors: Fundamentals and device applications // Journal of Vacuum Science & Technology A: Vacuum, Surfaces, and Films. - 1990. - T. 8. - №. 3. - C. 2980-2996.
11. Smith A. M., Nie S. Semiconductor nanocrystals: structure, properties, and band gap engineering // Accounts of chemical research. - 2010. - T. 43. - №. 2. - C. 190-200.
12. Delone N. B., Krainov V. P. AC Stark shift of atomic energy levels // Physics-Uspekhi. - 1999. - T. 42. - №. 7. - C. 669.
13. Chekhova M., Kulik S. (ed.). Physical Foundations of Quantum Electronics by David Klyshko. - World Scientific, 2011.
14. Crawford Jr J. H. Effects of Radiation on Semiconductors. - 1966.
15. Stevens B. J. Distributed feedback laser employing buried GaAs/InGaP index-coupled grating / Stevens B. J., Groom K. M., Roberts J. S., Fry P. W., Childs D. T. D., Hogg, R. A. // Electronics letters. - 2010. - T. 46. - №. 15. - C. 1.
16. Lutz J. Semiconductor power devices / Lutz J., Schlangenotto H., Scheuermann U., De Doncker R. // Physics, characteristics, reliability. - 2011. - T. 2.
17. Hu X. Mapping thermal expansion coefficients in freestanding 2D materials at the nanometer scale / Hu X., Yasaei P., Jokisaari J., Ôgut S., Salehi-Khojin A., Klie R. F. // Physical Review Letters. - 2018. - T. 120. - №. 5. - C. 055902.
18. Sauleau R. Fabry-Perot resonators // Encyclopedia of RF and microwave engineering. - 2005.
19. Keiser G. Fiber Optic Communications. - USA : Springer, 2021.
20. Vaughan J. M. The Fabry-Perot interferometer: history, theory, practice and applications. - Routledge, 2017.
21. Michalzik R. VCSEL fundamentals // VCSELs. - Springer, Berlin, Heidelberg, 2013.
22. Anaya M. Solution processed high refractive index contrast distributed Bragg reflectors / Anaya M., Rubino A., Calvo M. E., Miguez H. // Journal of Materials Chemistry C. - 2016. - T. 4. - №. 20. - C. 4532-4537.
23. Abolghasem P. Frequency conversion for infrared generation in monolithic semiconductor waveguides / Abolghasem P., Kang D., Logan D. A., Helmy A. S. // Nonlinear Frequency Generation and Conversion: Materials, Devices, and Applications XIV. - SPIE, 2015. - T. 9347. - C. 239-244.
24. Akhundov I. O. Formation and interaction of dislocation-induced and vicinal monatomic steps on a GaAs (001) surface under stress relaxation / Akhundov I. O., Kazantsev D. M., Alperovich V. L., Rudaya N. S., Rodyakina E. E., Latyshev A. V. // Scripta Materialia. - 2016. - T. 114. - C. 125-128.
25. Adrain R. S., Watson J. Laser microspectral analysis: a review of principles and applications // Journal of Physics D: Applied Physics. - 1984. - T. 17. - №. 10. - C. 1915.
26. Hamaguchi T., Nakajima H., Fuutagawa N. GaN-based Vertical-cavity surface-emitting lasers incorporating dielectric distributed bragg reflectors // Applied Sciences. - 2019. - T. 9. - №. 4. - C. 733.
27. Blokhin S. A. A study of distributed dielectric bragg reflectors for vertically emitting lasers of the near-IR range / Blokhin S. A., Bobrov M. A., Kuzmenkov A. G., Blokhin A. A., Vasil'ev A. P., Guseva Y. A, Kulagina M. M., Karpovsky I. O., Zadiranov Yu. M., Troshkov S. I., Prasolov N. D., Brunkov P. N., Levitsky V. S., Lisak V., Maleev N. A., Ustinov, V. M // Technical Physics Letters. - 2016. - T. 42. - №. 10. - C. 1049-1053.
28. Sulka G. D., Hnida K. Distributed Bragg reflector based on porous anodic alumina fabricated by pulse anodization // Nanotechnology. - 2012. - T. 23. - №. 7. - C. 075303.
29. Dallesasse J. M., Deppe D. G. III-V oxidation: discoveries and applications in vertical-cavity surface-emitting lasers // Proceedings of the IEEE. -
2013. - T. 101. - №. 10. - C. 2234-2242.
30. Qiao P. Wavelength-swept VCSELs / Qiao P., Cook K. T., Li K., Chang-Hasnain C. J. // IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. - 2017.
- T. 23. - №. 6. - C. 1-16.
31. Hill M. T., Gather M. C. Advances in small lasers // Nature Photonics. -
2014. - T. 8. - №. 12. - C. 908-918.
32. Yachmenev A. E. Progress in Crystal Growth and Characterization of Materials / Yachmenev A. E., Pushkarev S. S., Reznik R. R., Khabibullin R. A., Ponomarev D. S. // Progress in Crystal Growth and Characterization of Materials.
- 2020. - T. 66. - C. 100485.
33. Richardson C. J. K., Lee M. L. Metamorphic epitaxial materials // MRS Bulletin. - 2016. - T. 41. - №. 3. - C. 193-198.
34. Kuech T. F. III-V compound semiconductors: Growth and structures // Progress in crystal growth and characterization of materials. - 2016. - T. 62. - №. 2. - C. 352-370.
35. Ledentsov N. N., Lott J. A. New-generation vertically emitting lasers as a key factor in the computer communication era // Physics-Uspekhi. - 2011. - T. 54. - №. 8. - C. 853.
36. Liang D., Bowers J. E. Recent progress in heterogeneous III-V-on-silicon photonic integration // Light: Advanced Manufacturing. - 2021. - T. 2. - №. 1. -C. 59-83.
37. Jung D. Next-generation mid-infrared sources / Jung D., Bank S., Lee M. L., Wasserman D. // Journal of Optics. - 2017. - T. 19. - №. 12. - C. 123001.
38. Nikishin S. A. III-nitride short period superlattices for deep UV light emitters // Applied Sciences. - 2018. - T. 8. - №. 12. - C. 2362.
39. Karachinsky L. Y. Optical gain in laser heterostructures with an active area based on an InGaAs/InGaAlAs superlattice / Karachinsky L. Y., Novikov I. I., Babichev A. V., Gladyshev A. G., Kolodeznyi E. S., Rochas S. S., Kurochkin A. S., Bobretsova Yu. K., Klimov A. A., Denisov D. V., Voropaev K. O., Ionov A. S., Bougrov V. E., Egorov, A. Y. // Optics and Spectroscopy. - 2019. - T. 127. - №. 6. - C. 1053-1056.
40. Babichev A. V. 6-mW single-mode high-speed 1550-nm wafer-fused VCSELs for DWDM application / Babichev A. V., Karachinsky L. Y., Novikov I. I., Gladyshev A. G., Blokhin S. A., Mikhailov S., Iakovlev V., Sirbu A., Stepniak G., Chorchos L., Turkiewicz J. P., Voropaev K. O., Iovov A. S., Agustin M., Ledentsov N. N., Egorov, A. Y // IEEE Journal of Quantum Electronics. - 2017. -T. 53. - №. 6. - C. 1-8.
41. Koch S. W., Hofmann M. R. Semiconductor lasers // Encyclopedia of Modern Optics. - Elsevier, 2018. - C. 462-468.
42. Coldren L. A. Diode lasers and photonic integrated circuits // Optical Engineering. - 1997. - T. 36. - №. 2. - C. 616.
43. OSINSKI M., NAKWASKI W. Thermal effects in vertical-cavity surface-emitting lasers // International Journal of High Speed Electronics and Systems. - 1994. - T. 5. - №. 04. - C. 667-730.
44. G?bski M. Baseline 1300 nm dilute nitride VCSELs / G?bski M., Dontsova D., Haghighi N., Nunna K., Yanka R., Johnson A., Lott J. A // OSA Continuum. - 2020. - T. 3. - №. 7. - C. 1952-1957.
45. Ruan Z. Efficient hybrid integration of long-wavelength VCSELs on silicon photonic circuits / Ruan Z., Zhu Y., Chen P., Shi Y., He S., Cai X., Liu L. // Journal of Lightwave Technology. - 2020. - T. 38. - №. 18. - C. 5100-5106.
46. Iga K. Forty years of vertical-cavity surface-emitting laser: Invention and innovation // Japanese Journal of Applied Physics. - 2018. - T. 57. - №. 8S2. - C. 08PA01.
47. Wilmsen C. W., Temkin H., Coldren L. A. (ed.). Vertical-cavity surface-emitting lasers: design, fabrication, characterization, and applications. -Cambridge University Press, 2001. - T. 24.
48. Mutter L. 1.3 ^m-wavelength phase-locked VCSEL arrays incorporating patterned tunnel junction / Mutter L., Iakovlev V., Caliman A., Mereuta A., Sirbu A., Kapon E. // Optics express. - 2009. - T. 17. - №. 10. - C. 8558-8566.
49. Shen C. C. Design, modeling, and fabrication of high-speed VCSEL with data rate up to 50 Gb/s / Shen C. C., Hsu T. C., Yeh Y. W., Kang C. Y., Lu Y. T., Lin H. W., Kuo H. C // Nanoscale research letters. - 2019. - T. 14. - №. 1. - C. 16.
50. Spiga S. Single-mode high-speed 1.5-^m VCSELs / Spiga S., Soenen W., Andrejew A., Schoke D. M., Yin X., Bauwelinck J., Amann M. C // Journal of Lightwave Technology. - 2016. - T. 35. - №. 4. - C. 727-733.
51. Barone A. C. Short pulse generation from semiconductor lasers: characterization, modeling and applications // ETSI Telecomunicación (UPM). -2011.
52. Belkin M. E. Long wavelength VCSELs and VCSEL-based processing of microwave signals / Belkin M. E., Belkin L., Loparev A., Sigov A. S., Iakovlev V. // Optoelectronics-Materials and Devices. - 2015.
53. Olsson A. Optical energy transfer and loss mechanisms in coupled intracavity light emitters / Olsson A., Tiira J., Partanen M., Hakkarainen T., Koivusalo E., Tukiainen A., Oksanen J. // IEEE Transactions on Electron Devices. - 2016. - T. 63. - №. 9. - C. 3567-3573.
54. Carson R. F. Progress in high-power high-speed VCSEL arrays / Carson R. F., Warren M. E., Dacha P., Wilcox T., Maynard J. G., Abell D. J., Lott J. A. // Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers XX. - SPIE, 2016. - T. 9766. - C. 51-64.
55. Ferrara J. Heterogeneously integrated long-wavelength VCSEL using silicon high contrast grating on an SOI substrate / Ferrara J., Yang W., Zhu L., Qiao P., Chang-Hasnain C. J. // Optics express. - 2015. - T. 23. - №. 3. - C. 25122523.
56. Wang W. J. Optimal oxide-aperture for improving the power conversion efficiency of VCSEL arrays / Wang W. J., Li C., Zhou H. Y., Wu H., Luan X. X., Shi L., Guo X. // Chinese Physics B. - 2015. - T. 24. - №. 2. - C. 024209.
57. Larsson A. 1060 nm VCSELs for long-reach optical interconnects / Larsson A., Simpanen E., Gustavsson J. S., Haglund E., Haglund E. P., Lengyel T., Bickham S. R. // Optical Fiber Technology. - 2018. - T. 44. - C. 36-42.
58. Feng M., Wu C. H., Holonyak N. Oxide-confined VCSELs for highspeed optical interconnects // IEEE Journal of Quantum Electronics. - 2018. - T. 54. - №. 3. - C. 1-15.
59. Pao J. J. Reliability and manufacturability of 25G VCSELs with oxide apertures formed by in-situ monitoring / Pao J. J., Wu T. C., Kyi W., Riaziat M., & Lott J. A. // Advanced Fabrication Technologies for Micro/Nano Optics and Photonics X. - SPIE, 2017. - T. 10115. - C. 249-255.
60. Ueda O., Tomiya S. Grown-in defects and thermal instability affecting the reliability of lasers: III-Vs versus III-nitrides // Reliability of Semiconductor Lasers and Optoelectronic Devices. - Woodhead Publishing, 2021. - C. 177-238.
61. Kearns J. A. Inhomogeneous Current Injection and Filamentary Lasing of Semipolar (20 21) Blue GaN-Based Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers with Buried Tunnel Junctions / Kearns J. A., Back J., Palmquist N. C., Cohen D. A., DenBaars S. P., Nakamura S. // physica status solidi (a). - 2020. - T. 217. - №. 7. - C. 1900718.
62. Harris J. S., Bae H., Sarmiento T. GaInNAs (Sb) Long-Wavelength VCSELs // VCSELs. - Springer, Berlin, Heidelberg, 2013. - C. 353-377.
63. Bachmann A. GaSb-Based VCSEL With Buried Tunnel Junction for Emission Around 2.3 um / Bachmann A., Kashani-Shirazi K., Arafin S., Amann
M. C. // IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. - 2009. - T. 15.
- №. 3. - C. 933-940.
64. Lee S. G. Demonstration of GaN-based vertical-cavity surface-emitting lasers with buried tunnel junction contacts / Lee S., Forman C. A., Kearns J., Leonard J. T., Cohen D. A., Nakamura S., DenBaars S. P. // Optics Express. -2019. - T. 27. - №. 22. - C. 31621-31628.
65. Arafin S., Bachmann A., Amann M. C. Transverse-mode characteristics of GaSb-based VCSELs with buried-tunnel junctions // IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. - 2011. - T. 17. - №. 6. - C. 1576-1583.
66. Maleev N. A. Comparative analysis of long-wavelength (1.3 ^m) VCSELs on GaAs substrates / Maleev N. A., Egorov A. Y., Zhukov A. E., Kovsh A. R., Vasil'ev A. P., Ustinov V. M., Ledentsov N. N., Alferov Z. I. // Semiconductors. - 2001. - T. 35. - №. 7. - C. 847-853.
67. Spiga S. Effect of cavity length, strain, and mesa capacitance on 1.5-^m VCSELs performance / Spiga S., Schoke D., Andrejew A., Boehm G., Amann M. C. // Journal of Lightwave Technology. - 2017. - T. 35. - №. 15. - C. 3130-3141.
68. Kuchta D. M. A 50 Gb/s NRZ modulated 850 nm VCSEL transmitter operating error free to 90 C / Kuchta D. M., Rylyakov A. V., Schow C. L., Proesel J. E., Baks C. W., Westbergh P., Larsson A. // Journal of Lightwave technology. -2015. - T. 33. - №. 4. - C. 802-810.
69. Abdollahinia A. Temperature stability of static and dynamic properties of 1.55 ^m quantum dot lasers / Abdollahinia A., Banyoudeh S., Rippien A., Schnabel F., Eyal O., Cestier I., Reithmaier J. A. // Optics express. - 2018. - T. 26.
- №. 5. - C. 6056-6066.
70. Kapon E., Sirbu A. Power-efficient answer // Nature Photonics. - 2009. -T. 3. - №. 1. - C. 27-29.
71. Müller M., Grasse C., Amann M. C. InP-based 1.3 ^m and 1.55 ^m short-cavity VCSELs suitable for telecom-and datacom-applications // 2012 14th
International Conference on Transparent Optical Networks (ICTON). - IEEE, 2012. - C. 1-4.
72. Spiga S., Müller M., Amann M. C. Energy-efficient high-speed InP-based 1.3 ^m short-cavity VCSELs // 2013 15th International Conference on Transparent Optical Networks (ICTON). - IEEE, 2013. - C. 1-4.
73. Mereuta A. Increasing single mode power of 1.3-^m VCSELs by output coupling optimization / Mereuta A., Caliman A., Sirbu A., Iakovlev V., Mickovic Z., Suruceanu G., Kapon E. // Optics Express. - 2015. - T. 23. - №. 9. - C. 1090010904.
74. Alaei S. Effect of the Number of Quantum-Dot Layers on the Performance of the 1.3 ^m InAs/GaAs VCSELs / Alaei, S., Seifouri, M., Olyaee, S., Babaabbasi, G. // 2021 29th Iranian Conference on Electrical Engineering (ICEE). - IEEE, 2021. - C. 43-46.
75. Louderback D. A. Development of bottom-emitting 1300-nm vertical-cavity surface-emitting lasers / Louderback D. A., Fish M. A., Klem J. F., Serkland D. K., Choquette K. D., Pickrell G. W., Guilfoyle P. S. // IEEE Photonics Technology Letters. - 2004. - T. 16. - №. 4. - C. 963-965.
76. Yue A. Low threshold current 1.3-^m GaInNAs VCSELs grown by MOVPE / Yue A., Shen K., Wang R., Shi J. // IEEE Photonics Technology Letters.
- 2004. - T. 16. - №. 3. - C. 717-719.
77. Xu D. W. High-Temperature Continuous-Wave Single-Mode Operation of 1.3-um p-Doped InAs-GaAs Quantum-Dot VCSELs / Xu D. W., Yoon S. F., Tong C. Z., Zhao L. J., Ding Y., Fan W. J. // IEEE Photonics Technology Letters.
- 2009. - T. 21. - №. 17. - C. 1211-1213.
78. Gruendl T. High-Speed and high-power vertical-cavity surface-emitting lasers based on InP suitable for telecommunication and gas sensing / Gruendl T., Zogal K., Mueller M., Nagel R. D., Jatta S., Geiger K., Amann M. C // Optics in Atmospheric Propagation and Adaptive Systems XIII. - SPIE, 2010. - T. 7828. -C. 52-64.
79. Syrbu A. 10 Gbps VCSELs with high single mode output in 1310nm and 1550 nm wavelength bands / Syrbu A., Mereuta A., Iakovlev V., Caliman A., Royo P., Kapon E. // Optical Fiber Communication Conference. - Optica Publishing Group, 2008. - C. OThS2.
80. Muller M. 1550-nm high-speed short-cavity VCSELs / Muller M., Hofmann W., Grundl T., Horn M., Wolf P., Nagel R. D., Amann M. C. // IEEE Journal of selected topics in Quantum Electronics. - 2011. - T. 17. - №. 5. - C. 1158-1166.
81. Ustinov V. M. Quantum dot VCSELs / Ustinov V. M., Maleev N. A., Kovsh A. R., Zhukov A. E. // physica status solidi (a). - 2005. - T. 202. - №. 3. -C. 396-402.
82. Liu A. Y. High performance continuous wave 1.3 ^m quantum dot lasers on silicon / Liu A. Y., Zhang C., Norman J., Snyder A., Lubyshev D., Fastenau J. M., Bowers J. E. // Applied Physics Letters. - 2014. - T. 104. - №. 4. - C. 041104.
83. Goyal P., Kaur G. Design and Analysis of Static Characteristics of VCSEL at 1160 nm for Optical Interconnects // Journal of Optical Communications. - 2019.
84. Baveja P. P. Assessment of VCSEL thermal rollover mechanisms from measurements and empirical modeling / Baveja P. P., Kögel B., Westbergh P., Gustavsson J. S., Haglund Ä., Maywar D. N., Larsson A.// Optics express. - 2011. - T. 19. - №. 16. - C. 15490-15505.
85. Serkland D. K. Mode selection and tuning of single-frequency short-cavity VECSELs / Serkland D. K., So H. M., Peake G. M., Wood M. G., Grine A. J., Hains C. P., Keeler G. A. // Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers XXII. -SPIE, 2018. - T. 10552. - C. 18-28.
86. Antonelli C. Efficient and accurate modeling of multiwavelength propagation in SOAs: A generalized coupled-mode approach / Antonelli C., Mecozzi A., Li W., Coldren L. A. // Journal of Lightwave Technology. - 2016. -T. 34. - №. 9. - C. 2188-2197.
87. Westbergh P. Impact of photon lifetime on high-speed VCSEL performance / Westbergh P., Gustavsson J. S., Kögel B., Haglund Ä., Larsson A. // IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. - 2011. - T. 17. - №. 6. - C. 1603-1613.
88. Larisch G. Large bandwidth, small current density, and temperature stable 980-nm VCSELs / Larisch G., Moser P., Lott J. A., Bimberg D. // IEEE Journal of Quantum Electronics. - 2017. - T. 53. - №. 6. - C. 1-8.
89. Mereuta A. Recent progress in 1.3-and 1.5-um waveband wafer-fused VCSELs / Mereuta A., Caliman A., Sirbu A., Iakovlev V., Ellafi D., Rudra A., Kapon E. // Semiconductor Lasers and Applications VII. - 2016. - T. 10017. - C. 1001702.
90. Babichev A. V. Continuous wave and modulation performance of 1550nm band wafer-fused VCSELs with MBE-grown InP-based active region and GaAs-based DBRs / Babichev A. V., Karachinsky L. Y., Novikov I. I., Gladyshev A. G., Mikhailov S., Iakovlev V., Sirbu A., Stepniak G., Chorchos L., Turkiewicz J. P., Agustin M., Ledentsov N. N., Voropaev K. O., Ionov A. S., Egorov A. Y. // Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers XXI. - SPIE, 2017. - T. 10122. - C. 5055.
91. Mereuta A. Long wavelength VCSELs made by wafer fusion / Mereuta A., Caliman A., Wolf P., Sirbu A., Iakovlev V., Ellafi D., Kapon E. // 2016 IEEE Photonics Conference (IPC). - IEEE, 2016. - C. 337-338.
92. Ohiso Y. 1.3-^m buried-heterostructure VCSELs with GaAs/AlGaAs metamorphic DBRs grown by MOCVD / Ohiso Y., Sato T., Shindo T., Matsuzaki H. // Electronics Letters. - 2020. - T. 56. - №. 2. - C. 95-97.
93. Von Wenckstern H. Group-III sesquioxides: growth, physical properties and devices // Advanced Electronic Materials. - 2017. - T. 3. - №. 9. - C. 1600350.
94. Vinai G. An integrated ultra-high vacuum apparatus for growth and in situ characterization of complex materials / Vinai G., Motti F., Petrov A. Y.,
Polewczyk V., Bonanni V., Edla R., Torelli P. // Review of Scientific Instruments.
- 2020. - T. 91. - №. 8. - C. 085109.
95. Heck M. J. R. Hybrid silicon photonic integrated circuit technology / Heck M. J., Bauters J. F., Davenport M. L., Doylend J. K., Jain S., Kurczveil G., Bowers J. E. // IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. - 2012. -T. 19. - №. 4. - C. 6100117-6100117.
96. Liang D. Hybrid integrated platforms for silicon photonics / Liang D., Roelkens G., Baets R., Bowers J. E. // Materials. - 2010. - T. 3. - №. 3. - C. 17821802.
97. Tanabe K., Watanabe K., Arakawa Y. III-V/Si hybrid photonic devices by direct fusion bonding // Scientific reports. - 2012. - T. 2. - №. 1. - C. 1-6.
98. Black A. Wafer fusion: materials issues and device results / Black A., Hawkins A. R., Margalit N. M., Babic D. I., Holmes A. L., Chang Y. L., Hu E. L. // IEEE Journal of selected topics in quantum electronics. - 1997. - T. 3. - №. 3. -C. 943-951.
99. Caliman A. 8 mW fundamental mode output of wafer-fused VCSELs emitting in the 1550-nm band / Caliman A., Mereuta A., Suruceanu G., Iakovlev V., Sirbu A., Kapon E. // Optics Express. - 2011. - T. 19. - №. 18. - C. 1699617001.
100. Hirayama Y. Absorption spectroscopy on room temperature excitonic transitions in strained layer InGaAs/InGaAlAs multiquantum-well structures / Hirayama Y., Choi W. Y., Peng L. H., Fonstad C. G. // Journal of applied physics.
- 1993. - T. 74. - №. 1. - C. 570-578.
101. Li E. H. Material parameters of InGaAsP and InAlGaAs systems for use in quantum well structures at low and room temperatures // Physica E: Low-dimensional systems and Nanostructures. - 2000. - T. 5. - №. 4. - C. 215-273.
102. Levinshtein M. (ed.). Handbook series on semiconductor parameters. -World Scientific, 1997. - T. 1.
103. Vurgaftman I., Meyer J. R., Ram-Mohan L. R. Band parameters for III— V compound semiconductors and their alloys // Journal of applied physics. - 2001.
- T. 89. - №. 11. - C. 5815-5875.
104. Lifeng Z. Study on Ge/GeSn double heterojunction vertical cavity surface emitting laser enabled by ultra-injection technique / Lifeng Z., Bin S., Huiyong H., Liming W., Yvlong G., Zehua W., Litao Z. // Microwave and Optical Technology Letters. - 2019. - T. 61. - №. 7. - C. 1788-1791.
105. Born M., Wolf E. Basic properties of the electromagnetic field // Principles of optics. - 1980. - T. 44. - C. 1-70.
106. Pettit G. D., Turner W. J. Refractive index of InP // Journal of Applied Physics. - 1965. - T. 36. - №. 6. - C. 2081-2081.
107. Aspnes D. E. Optical properties of Al x Ga1- x As / Aspnes D. E., Kelso S. M., Logan R. A., Bhat R. // Journal of applied physics. - 1986. - T. 60. -№. 2. - C. 754-767.
108. Martin J. A., Sánchez M. Refractive index expressions for Ga1-xlnxAs, GaAs1-xNx and Ga1-xlnxNyAs1-y alloys // Revista mexicana de fisica. - 2015. -T. 61. - №. 4. - C. 245-253.
109. Ivanov A. V. Refractive indices of solid AlGaInAs solutions / Ivanov A. V., Kurnosov V. D., Kurnosov K. V., Marmalyuk A. A., Romantsevich V. I., Ryaboshtan Y. L., Chernov R. V. // Quantum Electronics. - 2007. - T. 37. - №. 6.
- C. 545.
110. Seifert S., Runge P. Revised refractive index and absorption of In1-xGaxAsyP1-y lattice-matched to InP in transparent and absorption IR-region // Optical Materials Express. - 2016. - T. 6. - №. 2. - C. 629-639.
111. Arzberger M. Low-resistivity p-side contacts for InP-based devices using buried InGaAs tunnel junction / Arzberger M., Lohner M., Böhm G., Amann M. C. // Electronics Letters. - 2000. - T. 36. - №. 1. - C. 1.
112. Dutta A. K., Islam M. S. Novel broadband photodetector for optical communication // Active and Passive Optical Components for WDM Communications V. - SPIE, 2005. - T. 6014. - C. 88-97.
113. Agrawal G. P. Fiber-optic communication systems. - John Wiley Sons,
2012.
114. Pierscinska D. Above room temperature operation of InGaAs/AlGaAs/GaAs quantum cascade lasers / Pierscinska D., Gutowski P., Haldas G., Kolek A., Sankowska I., Grzonka J., Bugajski M. // Semiconductor Science and Technology. - 2018. - T. 33. - №. 3. - C. 035006.
115. Kuksenkov D. V., Temkin H., Swirhun S. Measurement of internal quantum efficiency and losses in vertical cavity surface emitting lasers // Applied physics letters. - 1995. - T. 66. - №. 14. - C. 1720-1722.
116. Deppe D. G. Transverse mode confinement in lithographic VCSELs / Deppe D. G., Leshin J., Leshin J., Eifert L., Tucker F., Hillyer T. // Electronics Letters. - 2017. - T. 53. - №. 24. - C. 1598-1600.
117. Gruendl T. Record single-mode, high-power VCSELs by inhibition of spatial hole burning / Gruendl T., Debernardi P., Mueller M., Grasse C., Ebert P., Geiger K., Amann M. C. // IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. - 2013. - T. 19. - №. 4. - C. 1700913-1700913.
118. Hudgings J. A. Dynamic behavior and applications of a three-contact vertical-cavity surface-emitting laser / Hudgings J. A., Stone R. J., Chang C. H., Lim S. F., Lau K. Y., Chang-Hasnain C. J. // IEEE Journal of selected topics in quantum electronics. - 1999. - T. 5. - №. 3. - C. 512-519.
Приложение А
тексты основных публикаций
В данном разделе представлены тексты публикаций по теме диссертации.
SPbOPEN 2019_IOP Publishing
Journal of Physics: Conference Series 1410 (2019) 012104 doi:10.1088/1742-6596/1410/1/012104
Temperature performance of InGaAs/InGaAlAs laser diodes with 8-doping active region
S S Rochas1, I I Novikov1, A G Gladyshev1, E S Kolodeznyi1, M V Maximov23, F I Zubov2, Yu M Shernyakov23, L Ya Karachinsky34, A E Zhukov25, D V Denisov4'5, A Yu Egorov1
1ITMO University, 197101 St Petersburg, Russia
2St Petersburg National Research Academic University of RAS, 194021 St Petersburg, Russia
3Ioffe Institute of RAS, 194021 St Petersburg, Russia 4Connector Optics LLC, 194292 St Petersburg, Russia
5 St Petersburg State Electrotechnical University "LETI", 197376 St Petersburg, Russia
Abstract. The optical gain performance of 1530-1565 nm laser diodes with active regions containing p-doped barrier layers has been investigated. We have studied the threshold current density and differential quantum efficiency in wide temperature range and compared modal gain behaviour of laser diodes made of heterostructure with delta-doped barrier layers by carbon at level of 1012 cm-2 and heterostructure with undoped barrier layers.
1. Introduction
One of the main approaches to create the 1300-1550 nm range vertical cavity surface emitting laser (VCSEL) is a wafer fusion. The wafer fusion belongs to the hybrid method of VCSELs production. It allows integrating the active region made of InGaAlAs/InP heterostructure and distributed Bragg reflectors (DBR) based on AlGaAs/GaAs layers in one heterostructure [1]. An essential characteristic affecting on semiconductor lasers modulation speed is a differential optical gain [2]. High differential gain can be achieved using elastically strained InGa(Al)As quantum wells (QW) in active region. Besides elastically strained QWs, the heavy holes' dispersion effects on the differential gain and can be controlled by changing the lattice mismatch parameter between QWs and InP substrate. Although the rise of strain in QWs leads to the growth of differential gain in an active region [3], which increases VCSEL modulation frequency, the use of this approach is limited. It is impossible to fabricate heterostructures with multiple QWs and the lattice mismatch parameter between InGa(Al)As QWs and InP substrate more than 2-2.5% [4]. Thus, for further increasing of modulation frequency it is necessary to combine this approach with others. Selective doping of the active region near QWs is one of promising approaches to increase the VCSEL modulation speed [5].
In our case, we assume S-doping of a thin layer in the InGa(Al)As barrier between QWs by carbon, i.e. acceptor impurity. As a result, the charge state of QWs, the charge carriers distribution between p-i-n emitters of the VCSEL's structure, electron and hole fluxes change. The raise of resonance frequency f determined by:
fr a (rGdiffS)1/2 (1)
where r - is the rate confinement factor, S - is the number of photons, Gdijf - is the differential gain. The increase of differential gain leads to the limiting resonance frequency of the laser due to charge neutrality in QWs, taking into account the different density in energy of the charge carriers distribution [6].
2. Heterostructures
Two types of strained InGaAlAs/InGaAs heterostructures have been grown on InP substrate by molecular beam epitaxy (MBE). Active region of both types of heterostructures consisted of 7 In0.74Ga0.26As QWs sandwiched between In0.53Al0.20Ga0.27As barrier layers. First type of heterostructure (S1) contained active region with barrier layers doped by carbon with doping level of 1-1012 cm-2 in the centre of InAlGaAs barrier layer (Fig.1). Second type of heterostructure (S2) contained active region with undoped InAlGaAs barrier layers.
Figure 1. Schematic band diagram of the S-doping barriers for S1 heterostructure's In0,74Ga0,26As/In0,53Al0,20Ga0,27As heterojunction.
Dependences of the integrated emission intensity on the excitation power for both heterostructures are shown in the figure 2a. The intensity is higher for doped heterostructure, comparing with undoped heterostructure, at excitation powers below 9 mW. At the higher excitation level, the integrated emission intensities for both heterostructures become similar and practically indistinguishable. The analysis of the full width at half maximum (FWHM) of PL spectra as a function of the excitation level is shown in the figure 2b. The values of FWHW lies approximately in the range of 60-100 meV and increases with a pumping level up for the S2 structure. The S1 heterostructure's change of FWHM is very weak and FWHM lies in the range of 78-90 meV. This relates to a fact that in doped heterostructure holes states are always occupied due to holes from S-doped layers. Captured by QWs electrons always can find holes for effective radiative recombination [7].
3. Experiment
Temperature stability of laser characteristics is one of the main issues for InP based laser diodes. InGaAs/InGaAlAs heterostructures can enhance temperature performance of 1300-1550 nm range lasers due to higher conduction band offset in comparison with InGaAsP heterostructures [8]. The active regions similar to S1 and S2 heterostructures were grown by MBE for laser heterostructures. The active region was placed between two In0.52Al0.48As cladding layers, top cladding layer was 1.5 um thick and bottom cladding layer was 1 um thick. P-doped InGaAs layers used as a p-contact. The 100-um wide stripe laser diodes with various cavity lengths were fabricated using the standard post-growth process. No coatings were deposited on the laser diodes facets. Measurements of threshold current density and light-current characteristics of the laser diodes were performed in pulse laser operation. Temperature was controlled by thermal electric cooler.
> CD
undoped C-doped 1e12
0 10 20 30 40 50
Exitation power, mW (a)
0 10 20 30 40 50
Exitation power, mW (b)
Figure 2 (a,b). (a) Dependences of integrated emission intensity on excitation power for S1 and S2 heterostructure; (b) Dependences of FWHW on excitation power for S1 and S2
heterostructures.
Threshold current density (Jth) and differential quantum efficiency (nf for the laser diodes with cavity lengths of 0.5, 1.0 and 2.0 mm were measured in the temperature range from 16 to 70 °C. Using equation (2) characteristic temperatures To and Ti were estimated as:
/AT\ ( AT\
Jm(AT) = Jth(0) exp (—J, VdiffiAT) = qdi//(0) exp (- —J (2)
where AT - temperature range, T0 - characteristic temperature of threshold current density and Tt -characteristic temperature of differential quantum efficiency. Obtained results are shown in figure 3(a) and in figure 3(b).
p13
35
30
20
15
- 4
-3 a
- 2
- 1
3!
E-?
120 100
so 60 40 20
10 20 30 40
o 0.0
- ■
- -A—T0 for SI
-■—T0 for SI
- -O-TjfcrSI
-A-Tj for SI
Temperature, C
Cavity length, mm
(a) (b)
Figure 3(a,b). (a) Threshold current density and deferential quantum efficiency dependences on temperature for S1 and S2 heterostructures; (b) Characteristic temperatures To (closed symbols) and Ti (open symbols) for S1 and S2 heterostructures depending on cavity length.
Figure 3(b) shows the values of To and Ti extracted from the analysis of the temperature dependences of the threshold current and the differential quantum efficiency. With temperature higher than 50 °C threshold current density Jth and differential quantum efficiency tfdiff in lasers with strained QWs and doped barriers are close to the values in lasers with undoped barriers. Laser diodes with S-doped active region are characterised by To in a 77-99 K range and Ti in a 102-110 K range. The S2 heterostructure demonstrates 51-71 K and 53-73 K for To and Ti respectively.
100
„ 80
60
5
10
0
50 60
70
The modal gain dependence (gmod) on the injection current can be obtained using the fact the modal gain is equal to the total laser losses at the threshold:
aout + ain
dmod Vint
Vint
(aout + ain\ _ aout
" ) • aout _
- /
^ Vint • aout '
Vdiff
(3)
where aout - output optical losses, aout - internal optical losses, tfdiff- differential quantum efficiency. Figure 4 shows the threshold modal gain dependence on temperature for both structures and different cavity lengths, plotted using the equation (3), and temperature dependence of ndf. The maximum obtained value of the effective modal gain (i.e. gmod/Vint) exceeded the 140 cm-1.
□ S2 (L-0.5 mm) □ .
• SI (L=l mm) ■
♦ SI (L=2 mm)
■ SI (L-0.5 mm)
O S2 (L=l mm) O S2 (L=2 mm) 93 ■ 0 ♦
■ ■ ■ □ - ». V 0» 00 0 ; 0 2 0 0 ♦ 0 0 "
10 20 30 40 50 60 70
Temperature. Degree Celsius
Figure 4. Modal gain depending on temperature for different cavity lengths: S1(closed symbols) and S2(open symbols).
4. Conclusion
The laser diodes of the spectral range about 1.55 um made of InGaAs/InGaAlAs heterostructures grown by MBE were investigated. Structures with an undoped active region are characterized by a strong temperature sensitivity of both the threshold current and the differential quantum efficiency (To ~ T ~ 50-70 K). Doping of barriers with carbon at the level of 1-1012 cm-2 per quantum well increases T to 7799 K and T1 to 102-110 K while simultaneously increasing the threshold current and reducing the differential efficiency near room temperature. With temperatures >50 °C the effect of modulated doping disappears. The obtained results can be used for design and optimization of semiconductor laser active regions.
Acknowledgments
This work was supported by the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation in the framework of the Federal Target Program "Research and development on priority directions of scientific-technological complex of Russia for 2014-2020", agreement № 14.578.21.0253, unique ID RFMEFI57817X0253.
References
[1] Liau Z L and Mull D E 1990 Appl. Phys. Lett. 56 737
[2] Babichev A V, Karachinsky L Ya, Novikov I I, et al 2017 IEEE J. Quant. Electr. 53 1
[3] Spiga S, Andrejew A, and Amann M C 2016 18th ICTON 1
[4] Thiis P J A, Tiemeijerb L F, Binsma J J M and Van Dongen T 1994 IEEE J. Quant. Electr. 30 477
[5] Vahala K J and Zah C E 1988 Appl. Phys. Lett. 52 1945
[6] Uomi K. 1990 Japan. J. Appl. Phys. 29 81
[7] Kolodeznyi E S, Kurochkin A S, Rochas S S, et al 2018 Semiconductors. 52 1156
[8] Yu E T, McCaldin J O and McGill T C 1992 Solid State Phys. 46 1
SPbOPEN 2020_IOP Publishing
Journal of Physics: Conference Series 1695 (2020) 012072 doi:10.1088/1742-6596/1695/1/012072
1.55 ^m range edge-emitting laser diodes based on InGaAs/InGaAlAs superlattice and InGaAs quantum wells
S S Rochas1, I I Novikov1, A V Babichev1, A G Gladyshev1, E S Kolodeznyi1, L Ya Karachinsky1,2,3, Yu K Bobretsova3, A A Klimov3, Yu M Shernyakov3, A E Zhukov4, A Yu Egorov1
1Faculty of Laser Photonics and Optoelectronics, ITMO University, St. Petersburg 197101, Russia
2Connector Optics LLC, St. Petersburg 194292, Russia 3IR Optoelectronics Laboratory, Ioffe Institute, St. Petersburg 194021, Russia department of Physics, National Research University Higher School of Economics, St. Petersburg 190068, Russia
Abstract. Two laser heterostructures with active region based on seven InGaAs quantum wells and on InGaAs/InGaAlAs superlattice were grown on InP substrates by molecular beam epitaxy. Both active regions were designed for vertical-cavity surface-emitting lasers of 15351565 nm spectral range and had total thickness about 80-90 nm. Characteristics of edge-emitting laser diodes fabricated from grown laser heterostructures were studied and compared.
1. Introduction
The improvement of performance of a semiconductor laser active region is related to optical gain amplification and at the same time on current density reduction. For that purpose, such approaches as the use of double heterostructures and an active region dimension reduction with the use of quantum wells (QWs) and quantum dots (QDs) were used [1]. Although, the use of QWs and QDs allows to achieve small values of current density several QW or QD layers must be used for an edge-emitting laser optical gain amplification. In an edge-emitting laser a light wave interacts with a QW along the entire length of the cavity but in a vertical-cavity surface-emitting laser (VCSEL) a light wave interacts with a QW only in a small fraction of cavity [2] which is about 90 nm. Hence, the number of located in an active region of VCSEL QWs is usually varies from six to eight because QWs must be separated from each other by barriers.
Typically, for VCSEL operation in a 1.3-1.55 ^m wavelength spectral range strained quantum wells are used. Strained QWs provide an increase in the coefficient of differential optical gain, which leads to a decrease in the current density at the threshold of optical radiation generation and to an increase of a small-signal modulation frequency of VCSELs [3]. QWs get strained by lattice mismatch between QWs and barriers. Thus, to prevent dislocations formation it is necessary to increase the thickness of the barrier. Unfortunately, light amplification is absent in potential barriers dividing strained QWs that is why a significant part of a VCSEL active region does not participate in a light amplification [4].
As an alternative, potential barriers can be used in light amplification in a short-period superlattice. Thus, with use of short-period superlattice as an active region for 1.3-1.55 ^m VCSELs, modal gain of the device can be increased because of miniband formation in semiconductor layers since the presence
of a miniband makes it possible to significantly increase the overlap integral of a standing light wave with a region that amplifies light [5], compared to heterostructures based on QWs.
In this work we present the results of investigation of structural and optical properties of 1.55 ^m edge-emitting laser diodes based on 7 strained QWs and short-period superlattice.
2. Experiment
Two laser heterostructures were grown by molecular beam epitaxy (MBE) on InP (100) substrates by using a Riber 49 machine. Laser heterostructures consisted of an n-type In0.52Al0.48As emitter with a thickness of 1000 nm, an In0.53Ga0.27Al0.2As waveguide with a thickness of 600 nm containing an active region in its center, a p-type In0.52Al0.48As emitter with a thickness of 1500 nm, and a contact layer made of p-type In0.53Ga0.47As with a thickness of 200 nm. Active region of heterostructure H1 consisted of 7 strained In0.74Ga0.26As QWs sandwiched between In0.53Ga0.27Al0.2As barriers [6]. Active region of heterostructure H2 consisted of 29 period In0.60Ga0.40As/In0.52Ga0.27Al0.21As superlattice.
To analyze the structural properties of heterostructure H2 X-ray diffraction technique was used. The analyses were made using PANalytical X'pert Pro diffractometer in parallel geometry of the X-ray beam and obtained in the vicinity of the symmetric (004) reflex of InP. Thereby, the most intense peak among X-ray diffraction experimental curve (Figure1) corresponds to the InP substrate. In the region of the smaller angels, which is on the left of the InP peak, are located the peaks from InAlAs emitter layer (more close to the central peak from the InP substrate) and from InGaAs/InGaAlAs short-period superlattice. Simulation of the experimental curve determined the parameters of the epitaxial layers of the heterostructure H2 coinciding with the design values. The average molar content of In in the superlattice was 0.56.
Figure 1. X-ray diffraction curves for heterostructure with an InGaAs/InGaAlAs short-period superlattice (heterostructure H2).
Both laser heterostructures were used for 100-^m wide edge-emitting laser diodes fabrication with a cavity length of 1000 ^m. The devices were mounted p-side down on a copper heat sink for temperature stabilization at 25 °C.
The dependences of modal gain at the lasing threshold versus pump current density for the lasers fabricated from heterostructures H1 and H2 are presented in Figure 2. The mode gain coefficient Gmod was calculated from the equation:
* T-H Ü =S
Theoretical 1 Experemental ]
30,5 31,0 31,5 32,0 32,5 33,0
Q-20, degree
where aa are loses inside the cavity and aout are losses related to the radiation output from the cavity and depending on cavity length and reflectivities of the cavity mirrors and from the equation:
Vintaout
Id
ain + aout
(2)
where ^mt is the internal quantum efficiency of the stimulated emission which can be assumed as ^int ~ 1 because of identity in the laser diodes design differing from each other only by active region.
Figure 2. Modal gain versus current density of edge-emitting laser didoes fabricated with use of heterostructure H1 (circles) and heterostructure H2 (triangles) at the wavelength 1 = 1550 nm.
Thus, the active region of heterostructure H2 demonstrates a higher gain at equal values of the pump current density compared to the active region of heterostructure H1. For example, when the pump current density is 3000 A/cm2, which is typical value for VCSELs lasing threshold, the gain in the heterostructure H2 is 49 cm-1, whereas the heterostructure H1 demonstrates only 33 cm-1, which is about 1.5 times lower.
Figure 3 illustrates the dependences of threshold current density Jth and differential quantum efficiency (nd) versus temperature. Threshold current density and differential quantum efficiency were measured for both laser diodes fabricated from heterostructures H1 and H2 in the temperature range 15-70 0C. It can be seen from Figure 3 that from 30 to 70 0C lasers based on heterostructure H1 demonstrates weaker temperature sensitivity for Jth and nd, compared to the lasers based on heterostructure H2. Characteristic temperatures To and Ti were estimated with use of follow equations:
Ah (AT) =Jth(0) exp ^¡r),Vdiff(XO = Vdiffi0) exp (-
AT\
(3)
where AT - temperature range, T0 - characteristic temperature of threshold current density and Ti -characteristic temperature of differential quantum efficiency.
Figure 3 (a,b). (a) Dependences of threshold current density versus temperature for edge-emitting laser diodes fabricated from heterostructure H1 (circles) and heterostructure H2 (triangles); (b) Dependences of differential quantum efficiency versus temperature for edge-emitting laser diodes fabricated from heterostructure H1 (circles) and heterostructure H2 (triangles).
The threshold current density for the lasers fabricated from heterostructure H2 is slightly higher, and the differential quantum efficiency is slightly lower in comparison with the lasers fabricated from heterostructure H1. For the lasers from heterostructure H1 characteristic temperatures were T = 59 K and T1 = 65 K, while for the lasers from heterostructure H2 characteristic temperatures T0 and T1 were 44 K and 53 K, respectively.
3. Conclusion
The obtained results clearly indicate that replacing the active region of 1.5 pm range VCSEL based on 7 QW by an active region based on the short-period InGaAs/InGaAlAs superlattice should improve the performance of VCSELs, reduce the threshold current and increase the frequency of small signal modulation of VCSELs [7] and will not lead to a significant change in temperature stability of laser characteristics.
Acknowledgments
This work was supported by the Ministry of Science and Higher Education of Russian Federation, research project no. 2019-1442.
References
[ 1] Alferov Z I 1998 Semiconductors 32 1
[2] Blokhin S A, Bobrov M A, Blokhin A A, Kuzmenkov A G, Maleev N A, Ustinov V M,
Kolodeznyi E S, Rochas S S, Babichev A V, Novikov I I, Gladyshev A G, Karachinsky L Ya, Denisov D V, Voropaev K O, Ionov A S, and Egorov A Yu 2019 Optics and Spectroscopy 127(1) 140
[3] Ortsiefer M, Rosskopf J, Neumeyr C, Gründl T, Grasse C, Chen J, Hangauer A, Strzoda R,
Gierl C, Meissner P, Kuppers F and Amann M-C 2012 Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers XVI 8276 82760A
[4] Asano T, Feezell D, Koda R, Reddy M H M, Buell D A, Huntington A S, Hall E, Nakagawa S
and Coldren L A 2003 IEEE Photonics Technology Letters 15(10) 1333
[5] Gershoni D, Oiknine-Schlesinger J, Ehrenfreund E, Ritter D, Hamm R A and Panish M B 1993
Physical review letters 71(18) 2975
SPbOPEN 2020_IOP Publishing
Journal of Physics: Conference Series 1695 (2020) 012072 doi:10.1088/1742-6596/1695/1/012072
[6] Kolodeznyi E S, Rochas S S, Kurochkin A S, Babichev A V, Novikov I I, Gladyshev A G,
Karachinski L Ya, Denisov D V, Bobretsova Yu K, Klimov A A, Blokhin S A, Voropaev K O and Ionov A S 2018 Optics and Spectroscopy 125(2) 238
[7] Babichev A V, Karachinsky L Ya, Novikov I I, Gladyshev A G, Blokhin S A, Iakovlev V, Sirbu
A, Stepniak G, Chorchos L, Turkiewicz J P, Voropaev K O, Ionov A S, Agustin M, Ledentsov N N and Egorov A Yu 2017 IEEE Journal of Quantum Electronics 53(6) 1
International Conference PhysicA.SPb/2020 IOP Publishing
Journal of Physics: Conference Series 1697 (2020) 012178 doi:10.1088/1742-6596/1697/1/012178
Vertical cavity surface emitting laser of 1.55 ^m spectral range, manufactured by molecular beam epitaxy and wafer fusion technique
S A Blokhin1, M A Bobrov1, N A Maleev1, A A Blokhin2, A P Vasyl'ev2, A G Kuzmenkov2, S I Troshkov1, V M Ustinov2, S S Rochas3, A G Gladyshev134, I I Novikov3, L Ya Karachinsky1,3,4, K O Voropaev5, A S Ionov5 and A Yu Egorov3
1Ioffe Institute, St. Petersburg, 194021 Russia
2Research and Engineering Center for Submicron Heterostructures for Microelectronics, St. Petersburg, 194021 Russia 3ITMO University, St. Petersburg, 197101 Russia 4Connector Optics LLC, St.Petersburg, 194292 Russia 5OKB-Planeta PLC, Veliky Novgorod, 173004 Russia
E-mail: blokh@mail.ioffe.ru
Abstract. The heterostructure design for 1.55 pm range VCSELs is proposed and realized. The wafer fusion technique was used to form the final heterostructure. The growth of AlGaAs/GaAs distributed Bragg reflectors (DBRs) on GaAs substrate and the optical cavity with an active region on InP substrate as well as a tunnel junction (TJ) regrowth was performed by molecular beam epitaxy (MBE). A key feature of the proposed design is the use of n++-InGaAs/p++-InGaAs/p++-InAlGaAs TJ, which allows, due to the effective removal of oxide from the InGaAs surface, to use MBE for re-growth of the TJ surface relief. Despite of the presence in heterostructure a narrow-gap InGaAs layers, a noticeable increase in internal optical loss in lasers can be avoided due to the short-wavelength shift of the edge of interband light absorption in n++-InGaAs layers (Burshtein-Moss effect). Fabricated VCSELs demonstrate single-mode operation with a threshold current less than 2 mA and a slope efficiency of ~ 0.46 W/A, which are comparable with characteristics of VCSELs with n++/p++-InAlGaAs TJ with a similar level of mirror losses.
In recent years, the noticeable interest in VCSELs emitting in the 1.55 pm wavelength range is observed due to their perspective as light sources for information and telecommunication systems. In contrast to the widely used near-infrared VCSELs based on the InAlGaAs/GaAs material system [1], creation of effective long-wavelength VCSELs based on the InAlGaAsP/InP materials system, using the classical design with carrier injection through doped distributed Bragg reflectors (DBRs) is impossible due to the strong increase of free carrier absorption (especially in p-type layers). The problem could be partially solved by using of a tunnel junction (TJ) and intracavity n-type contact layers. However, monolithic heterostructure designs (grown in a single epitaxial process) with injection of carriers through n-InP/p+-InAlAs TJ and n-type InP intracavity contact layers are characterized by low modulation bandwidth and poor temperature stability, which is due to the use of an air aperture and low thermal conductivity DBR based on a large number of pairs of InAlGaAs/InAlAs layers, which must be
Journal of Physics: Conference Series
1697 (2020) 012178
doi:10.1088/1742-6596/1697/1/012178
used due to the low contrast of the refractive index of DBR layers [2]. To overcome fundamental limitations of the monolithic InAlGaAsP/InP VCSEL design, the hybrid VCSEL design with carrier injection through intracavity contact layers along with combination of DBR based on other material system with simultaneously high thermal conductivity and reflectivity were proposed [3-6].
Top
AIGaAs/GaAs DBR
fused interface
fused interface
top DBR
GaAs substrate
n-lnGaAsP n-lnP top-IC - InAlGaAs TJ p-lnAIAs active region n-lnP bottom-iC n-lnGaAsP
Figure 1. Schematic cross section of a 1.55 ^m range WF-VCSEL. Inset: SEM image of optical cavity in the BTJ area. IC, TJ and BTJ denote intra-cavity contact, tunnel junction and buried tunnel junction, respectively.
One approach is based on wafer fusion of the optical cavity heterostructure grown on InP substrate with two AlGaAs/GaAs DBR heterostructures grown on GaAs substrates, which makes it possible to take advantage of both material systems [7]. Figure 1 shows a schematic cross section of the VCSELs design obtained by wafer fusion (hereinafter referred to as WF-VCSEL). The In(Al)GaAs quantum wells are used as the active region. Injection of carriers into the active region is realized through the intracavity contact layers of n-InP and n++/p++-In(Al)GaAs TJ. In the first works on WF-VCSEL, to ensure current confinement, small mesas in the tunnel junction were formed using local etching of the n-layer and then wafer fusion of the half-cavity heterostructure was performed directly with the heterostructure of the top DBR containing the intracavity n-GaAs contact layer [8]. This approach made it possible to block the flow of current outside the mesa due to the formation of a reverse biased p-n junction, however, the current flow through the fused GaAs-InP interface is associated with the formation of an additional potential barrier and recombination centers [9]. To overcome this situation the concept of buried tunnel junction (BTJ) was applied [5], in which the InAlGaAsP optical cavity is formed in three stages. At the first stage, the growth of the InAlGaAsP half-cavity heterostructure containing the bottom intracavity n-InP contact layer, the active region and the tunnel junction was performed. At the second stage, the mesa structures are formed in TJ layers by etching of the n++-layers down to the p++-layers. At the final stage, after the procedure of oxide removing from the etched TJ surface, the top intracavity contact layer of n-InP is grown. Moreover, in most works, the metalorganic chemical vapor deposition (MOCVD) method is used to regrow the tunnel junction, since in MBE technology it is practically impossible to efficiently remove the natural oxide from the InAlGaAs surface without using in-situ surface cleaning systems. In this regard, the actual task is to develop a design of long-wavelength VCSEL, which will be suitable for using MBE for TJ regrowth without a significant changing the level of internal optical loss in VCSEL heterostructure.
Due to the high chemical activity of Al-containing layers, it is impossible to ensure the removal of natural oxide from the InAlGaAs surface even using surface cleaning pretreatment, because any exposure of the sample under atmosphere leads to the rapid formation of a new oxide layer. In this case, the procedure of thermal annealing of the samples in the MBE chamber at standard temperatures does not provide effective oxide removal from the InAlGaAs surface. As a result, the two-dimensional regrowth of the InAlGaAsP half-cavity heterostructure by the top intracavity n-InP contact layer is not possible within the classical solid-source MBE method (see figure 2.a) without the use of in-situ wafer surface cleaning systems. At the same time, for InGaAs layers, the combination of chemical surface cleaning in the HCl:H2O etchant and annealing in the MBE chamber in the temperature range 520-530°C makes it possible to efficiently remove oxide from the surface and ensure two-dimensional growth of
Journal of Physics: Conference Series
1697 (2020) 012178
doi:10.1088/1742-6596/1697/1/012178
the n-InP layer with a low surface roughness (typical standard deviation surface roughness heights
Rq<l nm) and without increasing defect density, as shown in figure 2b.
, 300 nm
Figure 2. SEM images of InAlGaAs (a) and InGaAs (b) surfaces after MBE-regrown by 100nm-thick InP layer.
The contact resistance of classical n++/p++-InGaAs TJ based on the highly doped n++-InGaAs and p++-InGaAs layers with 5-doping can be reduced to the level of 3-10-6 Ohm •cm2 [10]. The n++/p^-InGaAs TJ was successfully tested for the 1.55 |im range WF-VCSEL with the intracavity n-InP and n-GaAs contacts [4], but the key disadvantage of this design was a high internal losses due to absorption in narrow-gap InGaAs that results in relatively high threshold currents and low slope efficiency. At the same time, it is known that fundamental bandgap absorption in highly n-doped InGaAs is reduced due to a large short-wavelength shift of the edge of interband light absorption (Burshtein-Moss effect), while a huge optical absorption near the wavelength of 1.55 ^m occurs in the p-doped InGaAs. Therefore, as a solution of the problem, it was proposed to replace the p^-InGaAs layer by the p^-InAlGaAs layer with a bandgap energy about 0.83 eV to reduce optical absorption and maintain small bandgap energies for efficient tunneling and low contact resistance [11]. The n^-InGaAs/p^-InAlGaAs TJ was successfully tested in the hybrid 1.55 |im range VCSEL designs with injection of carriers through intracavity contact layers in combination with high-contrast dielectric DBRs [6, 12]. To further reducing of internal losses associated with absorption in the layers of the tunnel junction, replacement of the n^-InGaAs layer by an optically transparent n++-InAlGaAs layer was proposed. Such n++/p^-InAlGaAs TJs were successfully tested for the 1.55 |im range WF-VCSEL with injection of carriers through intracavity contact layers [13-14]. In this case, MOCVD technology was used to regrow the surface relief formed by etching the mesa structure on tunnel junction.
Effective use of MBE for regrowth of the mesa structure within a tunnel junction while maintaining low optical loss is possible using the modified TJ design (n^-InGaAs/p^-InGaAs/p^-InAlGaAs). The formation of mesa structure in such TJ is carried out by etching of the n^-InGaAs layer down to the thin p^-InGaAs layer, which prevents the surface oxidation of Al-containing layers. In this case, it is possible to avoid a noticeable increase in absorption losses due to the small thickness of the p^-InGaAs layer and due to the Burshtein-Moss effect for the heavily doped n++-InGaAs layer. The results of experimental approbation of the proposed n^-InGaAs/p^-InGaAs/p^-InAlGaAsTJ design and its comparison with the n++/p^-InAlGaAs TJ concept are given below.
The basic design of the studied WF-VCSEL emitting in the 1.55 |im spectral range is a vertical microcavity with undoped mirrors. Injection of carriers goes through n-type intracavity contact layers and current confinement based on BTJ concept. The heterostructure consists of a GaAs substrate, a bottom DBR based on 35 GaAsZAl0.95Ga0.05As pairs, an InAlGaAsP optical cavity with a total thickness of 2.5^, and a top DBR based on 20.5 GaAs/Al0.9Ga0.1As pairs. The InAlGaAsP optical cavity includes the bottom fusion n-InGaAsP layer, the ^-thick bottom intra-cavity n-InP contact layer with the highly-doped n-InGaAsP contact, the active region based on strained In(Al)GaAs QWs, the n++/p++-InGa(Al)As BTJ, p-InAlAs cladding, the ^-thick top intra-cavity n-InP contact layer with the highly-doped n-InGaAsP contact acting also as the top fusion layer. Thin highly strained In0.74Ga0.26As QWs (a
Journal of Physics: Conference Series
1697 (2020) 012178
doi:10.1088/1742-6596/1697/1/012178
lattice-mismatch parameter of ~ 1.4%) separated by lattice-matched In0.53Al0.i6Ga0.31As barrier layers are used as the active region. The scanning electron microscopy (SEM) image of the double-fused VCSEL heterostructure is shown in the inset of figure 1. The initial half-cavity heterostructures and DBR heterostructures were grown by MBE. For regrowth by MOCVD and MBE methods the two types of TJs - 35 nm-thick n++/p++-Ino.53Alo.2Gao.27As and 32 nm-thick n++-Ino.53Gao.47As/p++-Ino.53Gao.47As/p++-Ino.53Alo.i6Gao.3iAs were used respectively. Figure 3 shows the longitudinal distribution of the electromagnetic field of standing optical wave, refractive index and doping profiles of the 1.55 ^m range WF-VCSEL. The active region is located at the maximum of the electromagnetic field of the optical mode, while the tunnel junction, heavily doped contact layers, and fused interfaces at its minimum. It should be noted that after fusion the quarter-wavelength GaAs layer from top DBR adjacent to the top intra-cavity contact layer, and the quarter-wavelength GaAs layer from bottom DBR adjacent to the bottom intra-cavity contact layer, effectively increase the vertical optical cavity length up to 31.
c 3
.Q
«5
c
<D
2
0)
LLI
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 Distance from top surface [nm]
Figure 3. The distribution of the electromagnetic field intensity along the profile of the refractive index and doping profiles of 1.55 ^m range WF-VCSEL.
To study the internal optical losses, a series of VCSEL samples based on the n++/p++-InAlGaAs TJ with various mirror losses were fabricated. Figure 4a shows the calculated dependence of the mirror losses depending on the calculated reflectivity of the VCSEL top mirror. The variation of the mirror losses was carried out by precision etching of the surface of the top DBR to a depth of 7o nm (corresponding to maximum slope efficiency), and then by local deposition of low-Q dielectric SiO2/Ta2O5 DBR with a different number of pairs. The results of the analysis of internal optical losses and current injection efficiency of 1.55 ^m range WF-VCSEL with the n++/p++-InAlGaAs TJ, measured at 20°C are shown in figure 4.b. Due to the use of n++/p++-InAlGaAs TJ and the optimization of the structure doping profile, it was possible to ensure the internal optical loss as low as ~6.5 cm- 1 keeping the current injection efficiency more than 9o% [15]. It should be noted that the level of internal optical losses achieved for VCSELs with the n++/p++-InAlGaAs TJ is 3o-4o% lower than the published values as for the 1.55 ^m range VCSELs with a similar design obtained by fusion of MOCVD-grown optical cavity and DBR wafers [13], and for the hybrid 1.55 ^m range VCSEL design with a short cavity, n++-InGaAs/p++-InAlGaAs TJ and high-contrast dielectric mirrors [12].
Journal of Physics: Conference Series
1697 (2020) 012178
doi:10.1088/1742-6596/1697/1/012178
Figure 4. The calculated dependence of the mirror losses on top mirror reflectivity (a) and the inverse quantum efficiency measured at 20°C versus the inverse calculated mirror losses (b) for 1.55 pm-range WF-VCSEL with the n++/p++-InAlGaAs TJ.
Figure 5 shows comparison of the current and voltage characteristics of the 1.55 pm-range WF-VCSEL with different tunnel junction designs, measured in CW mode at a temperature of 20°C. Due to the low internal optical loss the 1.55 pm range WF-VCSELs based on the n++/p++-InAlGaAs TJ with a 7 pm BTJ-diameter demonstrate efficient lasing through the fundamental mode (single mode emission) with a threshold current less than 1.5 mA and slope efficiency of ~0.48 W/A. The 1.55 pm range WF-VCSELs based on the n++-InGaAs/p++-InGaAs/p++-InAlGaAs TJ with a 8 pm BTJ-diameter and a similar level of mirror losses demonstrate single-mode lasing with a threshold less than 2 mA and slope efficiency of ~0.46 W/A. Taking into account the identical design of the DBRs and the optical cavity for the two types of the studied VCSELs, we can make an estimation of the internal optical losses for the 1.55 pm range WF-VCSELs based on the n++-InGaAs/p++-InGaAs/p++-InAlGaAs TJ as low as 10 cm-1. Thus, due to the Burshtein-Moss effect in the highly doped n++-InGaAs layer and the small p++-InGaAs layer thickness, it was possible to avoid a significant increase of internal optical loss when using the n++-InGaAs/p++-InGaAs/p++-InAlGaAs TJ, allowing the use of MBE for mesa structure regrowth.
In conclusion, the proposed design of TJ based on the n++-InGaAs/p++-InGaAs/p++-InAlGaAs layers allows to manufacture heterostructures for 1.55 pm range WF-VCSELs using the solid-source MBE including regrowth the TJ mesa structure. In the case of using the n++-InGaAs/p++-InGaAs/p++-InAlGaAs TJ, a noticeable increase in the internal optical losses compared to the n++/p++-InAlGaAs TJ design was not obtained. The manufactured long-wavelength VCSELs with two types of TJs and the same level of mirror losses demonstrate almost similar static characteristics.
Acknowledgments: The authors A G Gladyshev, I I Novikov and L Ya Karachinsky are grateful for the support of the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation, research project no. 2019-1442. The authors S S Rochas and A Yu Egorov are grateful for the support of the RFBR, project number 20-32-90198.
Journal of Physics: Conference Series
1697 (2020) 012178
doi:10.1088/1742-6596/1697/1/012178
4 -i
3-
G> O) RJ Ü
O >
1 -
1.55nm VCSEL with
+/p^-JnAlGaAs TJ, MOCVD-regrowth ■ n*~-InGaAs/p+4~-InGaAs/p~ MBE-re growth
-InAlGaAs TJ,
T
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
Current, mA
Figure 5. Room temperature light-voltage-current characteristics of 1.55 pm range WF-VCSEL with the n++/p++-InAlGaAs TJ (a) and n++-InGaAs/p++-InGaAs/p++-InAlGaAs TJ (b).
T 16
X
18
- 5
- 1
5
E
CD
5 o
Q.
"to o
Q. O
3 Q.
3
O
References
[1] Michalzik R 2013 VCSELs: Fundamentals, Technology and Applications of Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers (Berlin: Springer-Verlag)
[2] Park M-R et al. 2006 IEEE Photonics Technology Letters 18 1717
[3] Karim A et al. 2001 Applied Physics Letters 78 2632
[4] Syrbu A et al. 2004 IEEE Photonics Technology Letters 16 1230
[5] Ortsiefer M et al. 2000 Applied Physics Letters 76 2179
[6] Hoffmann W 2010 IEEE Photonics Journal 2 802
[7] Kapon E, Sirbu A 2009 Nature Photonics 3 27
[8] Syrbu A et al. 2004 Electronics Letters 40 306
[9] Ram R J et al. 1995 Journal of Applied Physics 78 4227
[10] Arzberger M et al. 2000 Electronics Letters 36 87
[11] Ortsiefer M et al. 2000 Japanese Journal of Applied Physics 39 1727 [ 12] Spiga S 2017 IEEE Journal of Lightwave Technology 35 727
[13] Ellafi D et al. 2014 Optics Express 22 32180
[14] Babichev A et al. 2017 IEEE Journal of Quantum Electronics 53 2400808
[15] Blokhin S A et al. 2019 Optics and Spectroscopy 127 140
Wafer-fused 1300 nm VCSELs with an active region based on superlattice
Sergey Blokhin,1 C Andrey Babichev,2 ©
Andrey Gladyshev, 3 © Leonid Karachinsky, 2©
Innokenty Novikov, 2© Alexey Blokhin,1
Stanislav Rochas, 2© Dmitrii Denisov,4 Kirill Voropaev,5
Обратите внимание, представленные выше научные тексты размещены для ознакомления и получены посредством распознавания оригинальных текстов диссертаций (OCR). В связи с чем, в них могут содержаться ошибки, связанные с несовершенством алгоритмов распознавания. В PDF файлах диссертаций и авторефератов, которые мы доставляем, подобных ошибок нет.