Одночастотный арочный квантово-каскадный лазер диапазона 7-8 мкм на основе гетероструктур, изготовленных методом молекулярно-пучковой эпитаксии тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.03, кандидат наук Курочкин Александр Сергеевич

• Курочкин Александр Сергеевич
• кандидат наук
• 2019

Оглавление диссертации кандидат наук Курочкин Александр Сергеевич

Реферат

SYNOPSIS

ВВЕДЕНИЕ

1. Аналитический обзор литературы

2. Моделирование конструкции гетероструктур квантово-каскадных лазеров среднего ИК-диапазона

2.1 Введение в раздел

2.2 Конструкция активной области квантово-каскадных лазеров диапазона 7-8 мкм

2.2.1Конструкция активной области на основе трех квантовых ям

2.2.2 Дизайн с двухфононным резонансом

2.2.3 Дизайн с трехфононным резонансом

2.2.4 Выбор дизайна активной области ККЛ

2.2.5 Расчет оптических характеристик ККЛ

2.3 Конструкция волновода квантово-каскадных лазеров диапазона 7-8 мкм

2.4 Заключение к разделу

3. Молекулярно-пучковая эпитаксии полупроводниковых гетероструктур квантово-каскадных лазеров среднего ИК-диапазона

3.1 Введение в раздел

3.2 Эпитаксия гетероструктур твердых растворов InGaAs/InAlAs на поверхности (001) подложки InP

3.3 Легирование слоев твердых растворов InGaAs/InAlAs

3.4 Изготовление гетероструктур квантово-каскадных лазеров диапазона 7-8 мкм методом молекулярно-пучковой эпитаксии

3.5 Исследование структурного совершенства гетероструктур квантово-каскадных лазеров диапазона 7-8 мкм методом молекулярно-пучковой эпитаксии

3.6 Заключение к разделу

4. Лазеры полосковой конструкции, изготовленные из гетероструктур квантово-каскадных лазеров с большим числом квантовых каскадов

4.1 Введение в раздел

4.2 Лазеры со сплошной металлизацией поверхности

4.3 Лазеры с воздушной верхней обкладкой волновода

4.4 Лазеры с толстой верхней обкладкой лазерного волновода

4.5 Заключение к разделу

5. Квантово-каскадные лазеры с резонатором «арочного типа»

5. 1 Введение в раздел

5.2 Особенности конструкции и технологии изготовления кристаллов квантово-каскадных лазеров арочной конструкции

5.3 Характеристики кристаллов квантово-каскадных лазеров арочной конструкции

5.4 Кристалл перестраиваемого квантово-каскадного лазера

5.4 Заключение к разделу

6. Заключение

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Реферат

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Одночастотный арочный квантово-каскадный лазер диапазона 7-8 мкм на основе гетероструктур, изготовленных методом молекулярно-пучковой эпитаксии»

Цель работы

Целью данной работы является исследование и разработка новых методов и процессов создания одночастотных квантово-каскадных лазеров диапазона длин волн 7-8 мкм.

Актуальность исследований

В настоящее время активно ведутся разработки в области создания излучательных приборов среднего инфракрасного диапазона. Одним из перспективных источников когерентного излучения среднего инфракрасного диапазона являются квантово-каскадные лазеры. Квантово-каскадные лазеры (ККЛ) среднего инфракрасного диапазона используются для обнаружения загрязнений воздуха, на их основе работают приборы и комплексы по детектированию газов, системы детектирования взрывчатых веществ и химического оружия, а также, все чаще такие оптико-электронные приборы используются в активных системах безопасности автомобилей. В спектр применения квантово-каскадных входит и применения в области неинвазивной медицины, заключающиеся в высокочувствительном газовом анализе биологически активных эндогенных молекул-метаболитов.

В перечень областей, использующих устройства на основе ККЛ среднего инфракрасного диапазона входят:

• контроль технологических процессов, обнаружение химических отравляющих веществ, токсичных промышленных материалов;

• безопасность (детектирование взрывчатых и наркотических веществ, датчики присутствия человека, системы обнаружения вторжения на объект, системы противодействия ИК-средствам и системы наведения, датчики для развертывания в беспилотных летательных аппаратах);

• детектирование состояния окружающей среды (мониторинг загрязняющих веществ в воздухе, воде, измерения выбросов парниковых газов);

• медицина и биология (анализ крови, выдыхаемого воздуха, газовых линий в медицинских учреждениях и т.д.);

• транспорт (при разработке двигателей внутреннего сгорания: оптимизация мощности двигателей, уменьшение вредных выбросов двигателей; контроль процессов сгорания в реактивных двигателях; системы активной безопасности на основе ЛИДАРов)

Квантово-каскадные лазеры, излучающие в диапазоне 7-8 мкм, могут применяются для дистанционного газового анализа. Например, лазеры с длинной волны 7.3-7.9 мкм используются для детектирования следующих веществ: SOx, ОД, И^, C2H2, N2O и тринитротолуола. Устройства, основанные на лазерах с длиной волны 7-8 мкм, используются на химических заводах и трубопроводах для обнаружения утечки метана.

Области исследований

• Исследование и разработка процессов, приводящих к усилению и генерации электромагнитных колебаний оптического среднего ИК-диапазона за счет вынужденного излучения квантовых систем.

• Создание и исследование активных полупроводниковых сред, используемых для усиления и генерации оптического излучения среднего ИК-диапазона, разработка технологии для производства таких материалов.

• Разработка и исследования характеристик квантово-каскадных лазеров, позволяющих генерировать излучение с длиной волны 7-8 мкм и управлять его характеристиками.

Задачи работы

• Разработка конструкции гетероструктуры и кристалла квантово-каскадного лазера, излучающего на длине волны 7-8 мкм.

• Разработка технологии изготовления и создание экспериментальных образцов гетероструктур квантово-каскадных лазеров методом молекулярно-пучковой эпитаксии.

• Изготовления экспериментальных образцов кристаллов квантово-каскадных лазеров.

• Исследование характеристик гетероструктур и кристаллов квантово-каскадных лазеров.

• Разработка принципов создания кристалла перестраиваемого квантово-каскадного лазера.

Научная новизна

Разработаны принципы конструирования квантово-каскадных лазеров и научные основы технологии их изготовления, позволяющие создавать квантово-каскадные лазеры с высокой выходной оптической мощностью, работающие при комнатной температуре.

Созданы экспериментальные образцы кристаллов квантово-каскадных лазеров с волноводом «арочного типа» и впервые продемонстрирована лазерная генерация в одночастотном режиме с величиной подавления боковых мод не менее 20 дБ при комнатной температуре.

Разработаны принципы создания кристалла перестраиваемого квантово-каскадного лазера, в основу которых заложено использование концепции волновода «арочного типа».

Практическая значимость работы

Разработана технология изготовление гетероструктур квантово-каскадных лазеров средней инфракрасной области спектра на длинах волн 7.5±1 мкм методом молекулярно-пучковой эпитаксии.

Разработана технология изготовление кристаллов квантово-каскадных лазеров средней инфракрасной области спектра на длинах волн 7.5±1 мкм.

Продемонстрированы прототипы квантово-каскадного лазера с длиной волны генерации 7,5±1 мкм, работающие в многомодовом режиме лазерной генерации с оптической выходной мощностью более 800 мВт и в одночастотном режиме при комнатной температуре.

Методы создания и исследования

• молекулярно-пучковая эпитаксия,

• фотолюминесценция,

• оптическое сканирования поверхностных дефектов,

• рентгеновская дифракции,

• сканирующая электронная микроскопия,

• просвечивающая электронная микроскопия,

• электрохимическое вольт-емкостное профилирование,

• электролюминесценция.

Основные положения, выносимые на защиту

• Метод молекулярно-пучковой эпитаксии, при использовании установок промышленного типа с апертурными молекулярными источниками, позволяет изготавливать многокаскадные, до 50 каскадов, полупроводниковые гетероструктуры квантово-каскадных лазеров спектрального диапазона 7-8 мкм, с высокой точностью поддержания толщин, не хуже ±1.5%, и химического состава, не хуже ±0.005%,

эпитаксиальных слоев In0.5зGa0.47As, In0.52Gao.48As и 1пР, что играет ключевую роль в достижении узкого спектра усиления приборов, 12.9 мэВ при 80К, и лазерной генерации при комнатной температуре.

• Кристаллы квантово-каскадных лазеров полосковой конструкции, изготовленные из гетероструктур выращенных на подложках 1пР(100) и содержащих эпитаксиальные слои In0.5зGa0.47As, In0.52Ga0.48As и 1пР, с 50 квантовыми каскадами, построенные по схеме с двойным фононным рассеянием, способны демонстрировать генерацию излучения среднего ИК диапазона, на длинах волн 7-8 мкм, при комнатной температуре с высокой выходной оптической мощностью достигающей 890 мВт.

• Использование концепции волновода «арочного типа» и технологии сплошной металлизации эпитаксиальной поверхности кристалла позволяет осуществить генерацию квантово-каскадных лазеров при комнатной температуре в одночастотном режиме, с подавлением боковых мод 20дБ и, а также существенно упростить технологию изготовления кристаллов одночастотных лазеров и матричных излучателей на их основе.

• Монолитная интеграция квантово-каскадных лазеров с волноводами «арочного типа» позволяет реализовать кристалл перестраиваемого квантово-каскадного лазера.

Степень достоверности

Измерения характеристик гетероструктур ККЛ, кристаллов ККЛ и других структур, упомянутых в работе, проводились с использованием высокоточных измерительных приборов с низкой инструментальной погрешностью, калиброванных производителем или прошедших метрологическую поверку. Для исследования оптических, электрических и структурных характеристик разработанных гетероструктур и кристаллов ККЛ использовались стандартные методики. Расчетные параметры лазерных гетероструктур совпадают с результатами проведенных измерений.

Личный вклад автора

Все представленные в диссертации результаты получены автором лично или при его определяющем участии. Автор принимал решающее участие в постановке и решении задач, в конструкторской, технологической и расчетной работах, интерпретации результатов расчета и эксперимента и последующей подготовке публикаций в рецензируемых журналов. Он лично представлял научные результаты на всероссийских и международных конференциях.

Апробация работы

Результаты диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

XXII международный симпозиум «Нанофизика и Наноэлектроника - 2018; 5th International School and Conference "Saint-Petersburg OPEN 2018" - 2018.

Полученные результаты интеллектуальной деятельности защищены патентами РФ на полезную модель № 181198 от 05.07.2018 и № 189723 от 31.05.2019. Публикации

Основное содержание диссертации опубликовано в 11 научных работах, в том числе 7 публикаций в изданиях, рецензируемых Web of Science или Scopus, 4 публикации в журналах из перечня ВАК, 2 охранных документов на результат интеллектуальной деятельности.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ

Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения, изложена на 178 с., содержит 82 рис., 10 табл., список из 85 цитируемых литературных источников.

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, изложены цели и задачи диссертационной работы, дана оценка ее научной и практической значимости.

Первая глава работы «Аналитический обзор литературы» содержит обзор экспериментальных и теоретических работ, определяющих область исследований, мировых тенденций развития в области одночастотных квантово-каскадных лазеров, конструктивных и технологических особенностей полупроводниковых лазерных гетероструктур среднего ИК диапазона.

Во второй главе «Моделирование конструкции гетероструктур квантово-каскадных лазеров среднего ИК-диапазона» рассмотрены известные варианты реализации активной области ККЛ, дано обоснование выбора дизайна с двухфононным резонансным рассеянием, приведены результаты моделирования распределения интенсивности световой волны в волноводе квантово-каскадных лазеров различной конструкции. Рассмотрены конструкции с воздушной верхней обкладкой волновода, с толстой верней обкладкой волновода и полной металлизацией поверхности лазера, с дополнительными, соизмеримыми по толщине с областью квантовых каскадов, слоями InGaAs, обладающие наибольшим значением показателя преломления, которые добавляются в область волновода с целью формирования идеально плоского профиля оптической моды в области квантовых каскадов.

В результате проведенных исследований была разработана полезная модель «Гетероструктура квантово-каскадного лазера», которая была защищена патентом РФ [А1].

В третьей главе «Молекулярно-пучковая эпитаксия полупроводниковых гетероструктур квантово-каскадных лазеров среднего ИК-диапазона»

содержатся результаты исследования технологии изготовления гетероструктур квантово-каскадных лазеров методом молекулярно-пучковой эпитаксии, результаты исследования структурных свойств изготовленных гетероструктур ККЛ методами просвечивающей электронной микроскопии и рентгеновской дифракции, результаты исследования спектров спонтанного излучения изготовленных гетероструктур. Гетероструктуры ККЛ выращивались на

установке промышленного типа МВЕ49 (Рибер) с апертурными молекулярными источниками.

В ходе разработки технологии изготовления отрабатывались режимы эпитаксии и определялись оптимальные параметры эпитаксиального процесса, позволяющие изготавливать многокаскадные, до 50 каскадов, полупроводниковые гетероструктуры квантово-каскадных лазеров спектрального диапазона 7-8 мкм, с высокой точностью поддержания толщин, не хуже ±1.5%, и химического состава, не хуже ±0.005%, эпитаксиальных слоев In0.53Ga0.47As, In0.52Gao.48As и 1пР на поверхности подложек из 1пР.

Эпитаксия проводилась при температурах подложки 500оС, так, чтобы избежать переиспарения элементов третьей группы (1п, Ga, А1) с поверхности подложки. Таким образом, скорость эпитаксии определялась суммарным потоком элементов третьей группы. Оптимальная, с точки зрения минимизации шероховатости поверхности полупроводниковой гетероструктуры, скорость эпитаксии находилась в диапазоне 0.15-0.25 нм/сек. При этом эквивалентное давление паров элементом пятой группы должно было поддерживаться на уровне 5.0-6.0х10" Торр. Исследования шероховатости поверхности поверхность образцов проводилось оптическим методом, при этом регистрировались карты распределения нормальных и овальных дефектов гетероструктур ККЛ. Карта распределения нормальных (с геометрическими размерами 0,6-10 мкм2) (а) и овальных (с размерами 10-250 мкм) (б) дефектов по поверхности гетероструктуры приведена на рис.3.1. Минимально достигнутые плотности нормальных и овальных дефектов на поверхности гетероструктур ККЛ, а также величины ее шероховатости, составляли 190 см-1, 60 см-1.

Рисунок 3.1 - Распределение нормальных (а) и овальных (б) дефектов по поверхности гетероструктуры QCL3_17a

В ходе отработки процесса эпитаксии согласованных по параметру кристаллической решетки многокомпонентных твердых растворов In0.53Ga0.47As, In0.52Ga0.48As на поверхности подложек из 1пР разработана методика согласования и корректировки состава тестовых структур, путем изменения скоростей роста бинарных соединений и регистрации кривых рентгеновской дифракции. Пример результатов исследования гетероструктур состоящих из слоев In0.53Ga0.47As, In0.52Ga0.48As на поверхности подложек из 1пР методом рентгеновской дифракции приведен на рис.3.2. После измерения рентгеновской дифракции проводилось моделирование кривой дифракции и результаты измерения сравнивались с результатами расчета. Анализ полученных кривых, приведенных на рис. 3.2, позволил установить, что мольная доля 1п в твердом растворе InGaAs составляет 0.520±0.002, что соответствует требуемому решеточному согласованию, а мольная доля 1п в твердом растворе InAlAs составляет 0.58, для нижней кривой, и 0.55, для верхней кривой, то есть требует еще дополнительной корректировки скорости выращивания бинарного соединения AlAs.

V

0

н

|5

1

3

и

I

л

31,7 31,8 31.9 32,0 32,1

0ыега-2т?тг&, град

Рисунок 3.2 - Рентгенодифракционные кривые образцов QCL3_4 и QCL3_6 (черные кривые) и результат их моделирования (красные кривые)

31,4 31,6 31,8 32,0 32,2

0ыега-2тгтга, град

Рисунок 3.3 - Рентгенодифракционная кривая образцов QCL3_12- QCL3_15 с их

модельными спектрами (красные графики)

Так же, в этом разделе описан метод калибровки скоростей роста слоев активной области (каскадов) ККЛ, который проводился на тестовых гетроструктурах, состоящих из десятипериодных сверхрешеток InGaAs/InAlAs с

г 'I 1 I

толщинами слоев 10 нм. Точность соответствия заданным параметрам по толщинам и составам для тонких слоев, составляющих активную область ККЛ, достигает ±1.5% (рис. 3.3).

После калибровки скоростей эпитаксии бинарных соединений выращивается гетероструктура ККЛ, проводится ее исследование методом рентгеновской дифракции. Проводится моделирование кривой рентгеновской дифракции, проводится сравнительный анализ полученных кривых и определяются толщины слоев, и заносятся в таблицу. Кривая рентгеновской дифракции гетероструктуры ККЛ приведена на рис.3.4. Ниже представлена сводная таблица, демонстрирующая отличие планируемых толщин, от толщин, установленных методом рентгеноструктурного анализа (Таблица 2).

Рисунок 3.4 - Рентгенодифракционные кривые образцов гетероструктур ККЛ QCL3_17a и Ь, а также модельная кривая (синий график)

Важным параметром гетероструктуры ККЛ является ширина спектра спонтанного излучения (спектра усиления), которая зависит от температуры

наблюдения (однородное уширение) и от степени идентичности всех каскадов ККЛ (неоднородное уширение).

Таблица 2 - Результаты определения толщин слоев структуры QCL3_17a

методом рентгеновской дифракции

Материал слоя Толщины слоев согласно описанию, нм Толщины слоев определенные методом рентгеноструктурного анализа, нм

InGaAs 3,1 3,07

AlInAs 1,7 1,67

InGaAs 2,9 2,87

AlInAs 1,6 1,57

InGaAs 2,7 2,68

AlInAs 1,8 1,77

InGaAs 2,6 2,58

AlInAs 2,1 2,07

InGaAs 2,6 2,58

AlInAs 2,4 2,36

InGaAs 2,4 2,38

AlInAs 4,3 4,23

InGaAs 1,7 1,69

AlInAs 1,0 0,98

InGaAs 5,3 5,25

AlInAs 1,2 1,18

InGaAs 5,2 5,15

AlInAs 1,2 1,18

InGaAs 4,4 4,36

AlInAs 2,5 2,46

Суммарная толщина каскада 52,7 52,08

Лучшие значения ширины спектров спонтанного излучения на полувысоте при 78-80К, свидетельствующие о высокой идентичности каскадов ККЛ, о которых сообщается в научных публикациях, находятся в диапазоне 12-15 мэВ. Характерная полуширина спектра спонтанного излучения гетероструктур ККЛ,

созданных в ходе выполнения настоящей работы, находится в этом диапазоне. Спектр спонтанного излучения гетероструктуры ККЛ QCL3_17a представлен на рис.3.5. Ширина спектра на полувысоте 12.9 мэВ при 80К. Таким образом, можно заключить, что наше значение соответствует лучшим значениям, которые представлены в литературе, то есть все каскады гетероструктуры ККЛ практически идентичны.

Рисунок 3.5 - Спектр спонтанного излучения гетероструктуры ККЛ QCL3_17a.

В заключении к главе три делается вывод, что метод молекулярно-пучковой эпитаксии, при использовании установок промышленного типа с апертурными молекулярными источниками, позволяет изготавливать многокаскадные, до 50 каскадов, полупроводниковые гетероструктуры квантово-каскадных лазеров спектрального диапазона 7-8 мкм, с высокой точностью поддержания толщин, не хуже ±1.5%, и химического состава, не хуже ±0.005%, эпитаксиальных слоев Ino.53Gao.47As, Ino.52Gao.48As и InP, что играет ключевую роль в достижении узкого спектра усиления приборов, 12.9 мэВ, и лазерной генерации при комнатной температуре.

В четвертой главе «Лазеры полосковой конструкции, изготовленные из гетероструктур квантово-каскадных лазеров с большим числом квантовых каскадов» сообщается об особенностях технологии изготовления лазеров полосковой конструкции с резонатором Фабри-Перо из гетероструктур ККЛ выращенных методом молекулярно-пучковой эпитаксии на подложках из 1пР и результатах исследования их вольт-амперных, ватт-амперных и спектральных характеристик. Исследовались лазеры изготовленные из гетероструктур различной конструкции, с тонкой и толстой верхней обкладкой волновода. С частичной непокрытой металлическим контактом поверхностью лазера, с так называемой воздушной верхней обкладкой, и полосковые ККЛ со сплошной металлизацией поверхности полоска. Экспериментальные образцы ККЛ исследовались в широком температурном диапазоне от 78 до 300К.

Микрофотография ККЛ полосковой конструкции со сплошной металлизацией поверхности полоска приведена на рис.4.1. На рис 4.2 приводятся результаты исследования полоскового кристалла ККЛ со сплошной металлизацией поверхности. Измерения характеристик кристаллов ККЛ со сплошной металлизацией проводились при температурах 78-250К. Вольт-амперные и ватт-амперные характеристики были измерены в импульсном режиме с длительностью импульса 100 нс при частоте 84 кГц. Ватт-амперные и вольт-амперные характеристики, полученные при разных температурах, показаны справа, а спектры лазерной генерации слева. Плотность порогового тока при температуре 78 К составляла 2.8 кА/см2, а при температуре 250 К она увеличилась до значения 5 кА / см2. Пороговые значения напряжений были 14 В и 17 В для 78К и 250К соответственно.

Микрофотография ККЛ полосковой конструкции с частичной непокрытой металлическим контактом поверхностью лазера, с воздушной верхней обкладкой, приведена на рис.4.3. Ватт-амперные и вольт-амперные характеристики, полученные при разных температурах, показаны на рис.4.4 (справа), а спектры

лазерной генерации слева. Плотность порогового тока при температуре 78 К составляла 2.8 кА/см2, а при температуре 250 К

I = 1 тт \Л/~20цт

Рисунок 4.1 - Микрофотография ККЛ полосковой конструкции со сплошной металлизацией поверхности полоска.

Рисунок 4.2 - Вольт-амперные, ватт-амперные характеристики и спектры лазерной генерации кристалла ККЛ со сплошной металлизацией поверхности полоска зарегистрированные при различных температурах.

10 |лп

Рисунок 4.3 - Микрофотография ККЛ полосковой конструкции с частичной непокрытой металлическим контактом поверхностью лазера, с воздушной верхней обкладкой.

Рисунок 4.4 - Вольт-амперные, ватт-амперные характеристики и спектры лазерной генерации кристалла ККЛ с воздушной верхней обкладкой зарегистрированные при различных температурах.

Для создания мощных ККЛ полосковой конструкции и исследования их предельно достижимых мощностных характеристик использовались гетероструктуры с относительно толстой (3 мкм) верхней обкладкой волновода

изготовленной из 1пР. Результаты исследования таких лазеров при комнатной температуре кристалла ККЛ приведены на рис.4.5. Максимальная достигнутая выходная оптическая мощность составила 445 мВт при измерении выхода с одного выводного зеркала, что соответствует мощности 890 мВт с двух выводных зеркал.

Рисунок 4.5 - Ватт-амперные характеристики (слева) двух полосковых ККЛ со сколотым резонатором Фабри-Перо, без нанесения отражающего покрытия на зеркала. Ширина полоскового контакта вблизи поверхности гетероструктуры 20 мкм, длина полоска 5 мм. Спектр (справа) многомодовой лазерной генерации образца №1 ККЛ (ток накачки I = 8 А).

В заключении к главе четыре делается вывод, что кристаллы квантово-каскадных лазеров полосковой конструкции, изготовленные из гетероструктур выращенных на подложках 1пР(100) и содержащих эпитаксиальные слои In0.53Ga0.47As, Ino.52Gao.48As и 1пР, с 50 квантовыми каскадами, построенные по схеме с двойным фононным рассеянием, способны демонстрировать генерацию излучения среднего ИК диапазона, на длинах волн 7-8 мкм, при комнатной температуре с высокой выходной оптической мощностью достигающей 890 мВт.

Такая высокая мощность продемонстрирована экспериментальным образцом ККЛ полосковой конструкции, с шириной полоска 20 мкм, длиной полоска 5 мкм. Характерные пороговые токи генерации таких лазеров 4 кА/см , дифференциальная эффективность 0.1 Вт/А.

В пятой главе «Квантово-каскадные лазеры с резонатором «арочного типа» обсуждается концепция создания и конструкция таких лазеров, приводятся результаты создания экспериментальных образцов кристаллов квантово-каскадных лазеров с резонатором «арочного типа», приводятся микрофотографии созданных экспериментальных образцов, приводятся результаты исследования вольт-амперных, ватт-амперных и спектральных характеристик таких лазеров. Микрофотографии экспериментальных образцов и результаты исследования их характеристик приведены на нижеследующих рисунках. Результаты отражены в публикации [А4].

На рис. 5.1 представлено типичное изображение (вид сверху) кристалла ККЛ перед монтажом на теплоотвод (слева) и поперечное сечение кристалла ККЛ (справа). Зеркала лазеров формировались скалыванием. Отражающее и антиотражающее покрытия на сколотые грани лазера не наносились. Монтаж кристалла производился эпитаксиальной поверхностью вниз на медный теплоотвод при помощи индиевого припоя.

Ватт-амперные характеристики измерялись при пропускании импульсов тока с длительностью 70 ns и частотой повторения 48 kHz. Спектры лазерной генерации измерялись при помощи монохроматора МДР-23 с дифракционной решеткой 75 mm-1. Излучение регистрировалось охлаждаемым фотоприемником Vigo PVI4TE-10.6 с использованием техники синхронного детектирования. Максимальная выходная оптическая мощность измерялась с помощью откалиброванного термоэлектрического преобразователя (Thorlabs S401). Все измерения были проведены при температуре 15°C.

Типичный вид ватт-амперной характеристики представлен на рис. 5.2 (слева). Диапазон пороговых токов лазерной генерации составлял от 4.0 до 8.0 А для различных длин резонаторов, что соответствует оценочным значениям плотностей порогового тока 12.5-25 кА/ст2. Спектральные измерения подтвердили одночастотную генерацию арочных ККЛ при комнатной температуре с величиной подавления боковых мод более 20 dB. Типичный спектр представлен на рис.5.2 (справа). Пиковая мощность в режиме одночастотной генерации для различных образцов составляла 3-6.6 mW.

Рисунок 5.1 - Изображение (вид сверху) кристалла ККЛ с резонатором «арочного типа» перед монтажом на теплоотвод (слева) и поперечное сечение кристалла ККЛ (справа). Длина линейной части резонатора^, варьировалась в диапазоне 1-3 мм, радиус арочной части резонатора R - 50 мкм или 75 мкм, ширина лазера W - 16 мкм.

6 е 7 а 7700 7750 7800 7350

Ток_ д Длина волны, нм

Рисунок 5.2 - Ватт-амперная характеристика (слева) и спектр генерации (справа) кристалла ККЛ с резонатором «арочного типа».

В ходе выполнения исследований было установлено длина волны генерации квантово-каскадные лазеры с резонатором «арочного типа» изменяется при изменении диаметра арочной части резонатора либо при изменении линейных частей резонатора. Типичные спектры генерации для лазеров с различными длинами линейных частей резонатора и одинаковыми диаметрами арочной части резонатора представлены на рис.5.3.

Полуширина спектра лазерной генерации не превышала 1 cm-1, что свидетельствовало о возможности создания перестраиваемых источников лазерного излучения среднего инфракрасного диапазона на основе линейки одночастотных арочных ККЛ, которые могут найти практическое применение для спектроскопических приложений. В результате проведенных исследований была разработана полезную модель «Кристалл перестраиваемого квантово-каскадного лазера», рис.5.4, которая была защищена патентом РФ [А2].

7700 7750 7600 7850 7900 7750 7800 7850 7900 7950

_I_^ .ЦЛПМШИ^^^Ч —--1-.-1-.-1-.!-—гни ■

7700 7750 7Ё00 7350 7900 7760 7800 "650 "900 7950

Длина волны., ны Длина волны, нм

Рисунок 5.3 - Спектры генерации ККЛ с резонатором «арочного типа» с различными длинами линейных частей резонатора и одинаковыми диаметрами арочной части резонатора. Изменение длины линейной части резонатора от 1 до 3 мм обеспечивает сдвиг длины волны генерации на 66 нм.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Курочкин Александр Сергеевич, 2019 год

- 1» -

1»

- 1 » -

1 1

■ 1 » "

: 1 ■

1 » ;

У

. 1.1.1.

континуум в транспорт носителей заряда согласно информации, отраженной в научно-информационных источниках.

Достигнут сдвиг волны излучения арочных квантово-каскадных лазеров, получена полезная модель на перестраиваемый источник лазерного излучения, основанный на монолитной интеграции ККЛ с волноводами арочного типа.

6. Заключение

В ходе экспериментов по формированию кристаллов лазеров в геометрии резонаторов Фабри-Перо показано соответствие длины волны лазерной генерации результатам по длине волны лазерной генерации, полученных в рамках моделирования активной области квантово-каскадного лазера. Реализован расчет волноводов для квантово-каскадных лазеров, который включает в себя выбор показателей преломления для материалов, используемых для роста на подложке InP, выбор граничных условий и особенности дизайна волновода каскадных лазеров.

В ходе экспериментальных исследований по изготовлению гетероструктур квантово-каскадного лазера средней инфракрасной области спектра на длинах волн 7.5±1 мкм показано, что использование промышленных установок молекулярно-пучковой эпитаксии, таких как Riber 49, позволяет формировать структуры с низкой шероховатостью гетерограниц. Структурное качество гетероструктур исследовалось методами рентгеноструктурного анализа, просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) и сканирующей электронной микроскопии (СЭМ). Результаты рентгенодифракционного анализа свидетельствуют о соответствии толщин слоев каскадов величинам, заданным в ростовом маршруте. Информация получена на основе анализа спектров кривых качания (углового расстояния между пиками-сателлитами, соответствующими периодической структуре). Данные ПЭМ исследований подтверждают планарность гетерограниц, а также отсутствие протяженных дефектов. Таким

образом, сопоставление анализа научно-информационных источников и экспериментальных исследований показало возможность выращивания слоев активной области с низкой шероховатостью гетерограниц и, как следствие, возможность использования конструкции активной области на основе двухфононного опустошения нижнего уровня при формировании активной области гетероструктур квантово-каскадного лазера.

Анализ вольт-амперных и ватт-амперных характеристик кристаллов квантово-каскадных лазеров в геометрии резонатора Фабри-Перо, а также в геометрии арочного волновода свидетельствует о лазерной генерации при плотностях тока, значительно превышающих пороговые значения, что свидетельствует об отсутствии паразитного эффекта утечки носителей заряда (эффекта выброса носителей с верхнего уровня в континуум). Данный факт подтверждается высокими значениями характеристической температуры Т1 в исследованных образцах, которая также является «индикатором» малого вклада процесса безызлучательного выброса носителей в континуум в транспорт носителей заряда.

Эффективный показатель преломления, полученный в результате численных расчетов волновода, согласуется с эффективным показателем преломления, полученным из эксперимента (на основе анализа величины межмодового расстояния в квантово-каскадных лазерах в геометрии резонатора Фабри-Перо). Также показана зависимость величины плотности порогового тока от количества квантовых каскадов, от толщины слоев обкладок, формирующих волновод, от уровня легирования слоев обкладок, наличия/отсутствия плазмонного слоя вблизи поверхности гетероструктуры, а также от длины лазера и, как следствия, вклада потерь на зеркалах в общие потери в лазере, которые определяются длиной лазера.

Впервые в мире достигнут важнейший результат - лазерная генерация квантово-каскадных лазеров арочного типа в одномодовом режиме при

комнатной температуре.

В результате математического моделирования был получен патент РФ на полезную модель «Гетероструктура квантово-каскадного лазера» № 181198 от 05.07.2018 / Авторы: Бабичев А.В., Бугров В.Е., Егоров А.Ю., Карачинский Л.Я., Новиков И.И., Курочкин А.С. / Патентообладатель: Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет

информационных технологий, механики и оптики" (Университет ИТМО).

Данное исследование указывает, что монолитная интеграция квантово-каскадных лазеров с волноводами «арочного типа» позволяет реализовать кристалл перестраиваемого квантово-каскадного лазера, в связи с этим был получен патент РФ на полезную модель «Кристалл перестраиваемого квантово-каскадного лазера» № 189723 от 31.05.2019 / Авторы: Бабичев А.В., Бугров В.Е., Егоров А.Ю., Карачинский Л.Я., Новиков И.И., Курочкин А.С. / Патентообладатель: Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики" (Университет ИТМО).

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

дБ - децибел;

ИК - инфракрасный;

КК - квантово-каскадный;

ККЛ - квантово-каскадный лазер;

КПД - коэффициент полезного действия

МПЭ - молекулярно-пучковая эпитаксия;

ПЭМ - просвечивающая электронная микроскопия;

ТККЛ - терагерцовый квантово-каскадный лазер; ФЛ - фотолюминесценция; ФР - фоторезист; ФШ - фотошаблон;

ECV - электрохимическое профилирование полупроводниковых структур;

FWHM - полная ширина на полувысоте;

LIDAR - инфракрасный лазерный радар;

MBE - молекулярно-пучковая эпитаксия;

MOVPE - металлоорганическая газофазная эпитаксия;

MQW - тестовая структура с набором квантовых ям, сверхрешеткой и объемным слоем AlGaAs;

ppm - единиц на миллион;

QCL - квантово-каскадные лазеры;

SEM - сканирующая электронная микроскопия;

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1 Faist J. et al. Quantum cascade laser //Science. - 1994. - R. 264. - №.5158. - q. 553556

2 Xie F. et al. Room temperature CW operation of short wavelength quantum cascade lasers made of strain balanced ga in As/A in as material on InP substrates //IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. - 2011. - R. 17. -№. 5. - q. 14451452.

3 Williams B. S. Terahertz quantum-cascade lasers //Nature photonics. -2007. - R. 1. -№. 9. - q. 517-525.

4 Ulrich J. et al. Long wavelength (15 and 23 3m) GaAs/AlGaAs quantum cascade lasers //Applied physics letters. - 2002. - R. 80. - №. 20. - q. 3691-3693.

5 Revin D. G. et al. InP-based midinfrared quantum cascade lasers for wavelengths below 4 3m //IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. - 2011. - R. 17. - №. 5. - q. 1417-1425.

6 Faist J. et al. Short wavelength (3~ 3.4 ^m) quantum cascade laser basedon straincompensated InGaAs/AlInAs //Appl. Phys. Lett. - R. 2. - q. 680-682.

7 Colombelli R. et al. Far-infrared surface-plasmon quantum-cascade lasers at 21.5 3m and 24 3m wavelengths //Applied physics letters. - 2001. - R. 78. - №.18. - q. 26202622.

8 Cathabard O. et al. Quantum cascade lasers emitting near 2.6 //Appl.Phys. Lett. -2010. - R. 96. - №. 14. - q. 141110.

9 Bismuto A., Beck M., Faist J. High power Sb-free quantum cascade laser emitting at 3.3 3m above 350 K //Appl. Phys. Lett. - 2011. - R. 98. - №. 19. - q.191104.

10 Tredicucci A. et al. A multiwavelength semiconductor laser //Nature. -1998. - R. 396. - №. 6709. - q. 350-353.

11 Owschimikow N. et al. Resonant second-order nonlinear optical processes in quantum cascade lasers //Physical review letters. - 2003. - R. 90. - №. 4. - q.043902.

12 Gmachl C. et al. Ultra-broadband semiconductor laser //Nature. - 2002. -R. 415. -№. 6874. - q. 883-887.

13 Faist J. et al. High power mid-infrared quantum cascade lasers with a molecular beam epitaxy grown InP cladding operating above room temperature //Journal of crystal growth. - 1997. - R. 175. - q. 22-28.

14 Scamarcio G. et al. High-power infrared (8-micrometer wavelength) superlattice lasers //Science. - 1997. - R. 276. - №. 5313. - q. 773-776.

15 Sirtori C. et al. Mid-infrared (8.5 3m) semiconductor lasers operating at room temperature //IEEE Photonics Technology Letters. - 1997. - R. 9. - №. 3. - q.294-296.

16 Tredicucci A. et al. High performance interminiband quantum cascade lasers with graded superlattices //Applied physics letters. - 1998. - R. 73. - №. 15. - q.2101-2103.

17 Gmachl C. et al. High temperature (T [Greater-Than Or Equal To] 425K) pulsed operation of quantum cascade lasers //Electronics Letters. - 2000. - R. 36. -№. 8. - q. 1.

18 Faist J. et al. Quantum-cascade lasers based on a bound-to-continuum transition //Applied Physics Letters. - 2001. - R. 78. - №. 2. - q. 147-149.

19 Beck M. et al. Continuous wave operation of a mid-infrared semiconductor laser at room temperature //Science. - 2002. - R. 295. - №. 5553. - q. 301-305.

20 Hoffman A. J. et al. Low voltage-defect quantum cascade laser with heterogeneous injector regions //Optics express. - 2007. - R. 15. - №. 24. - q. 15818-15823.

21 Bai Y. et al. Room temperature continuous wave operation of quantum cascade lasers with watt-level optical power //Applied Physics Letters. - 2008. - R.92. - №. 10.

- q. 101105.

22 Bai Y. et al. Room temperature continuous wave operation of quantum cascade lasers with 12.5% wall plug efficiency //Applied Physics Letters. - 2008. - R.93. - №. 2.

23 Lyakh A. et al. 1.6 W high wall plug efficiency, continuous-wave room temperature quantum cascade laser emitting at 4.6 3m //Applied Physics Letters. -2008. - R. 92. -№. 11. - q. 111110.

24 Escarra M. D. et al. Quantum cascade lasers with voltage defect of less than one longitudinal optical phonon energy //Applied Physics Letters. - 2009. - R.94. - №. 25.

- q. 251114.

25 Capasso F. et al. 3 W continuous-wave room temperature single-facet emission from quantum cascade lasers based on nonresonant extraction design approach. - 2009.

26 Bai Y. et al. Highly temperature insensitive quantum cascade lasers //Applied Physics Letters. - 2010. - R. 97. - №. 25.

27 Bai Y. et al. Quantum cascade lasers that emit more light than heat //Nature photonics. - 2010. - R. 4. - №. 2. - q. 99-102.

28 Liu P. Q. et al. Highly power-efficient quantum cascade lasers //Nature Photonics. -2010. - R. 4. - №. 2. - q. 95-98.

29 Bai Y. et al. Room temperature quantum cascade lasers with 27% wall plug efficiency //Applied Physics Letters. - 2011. - R. 98. - №. 18. - q. 1102.

30 Lu Q. Y. et al. 2.4 W room temperature continuous wave operation of distributed feedback quantum cascade lasers //Applied Physics Letters. - 2011. - R.98. - №. 18. -q. 1106.

31 Hoffman A. J. et al. Lasing-induced reduction in core heating in high wall plug efficiency quantum cascade lasers //Applied Physics Letters. - 2009. - R.94. - №. 4. -q. 041101.

32 Howard S. S., Liu Z., Gmachl C. F. Thermal and stark-effect roll-over of quantum-cascade lasers //IEEE Journal of Quantum Electronics. - 2008. - R. 44. - №.4. - q. 319323.

33 Howard S. S. et al. High-performance quantum cascade lasers: Optimized design through waveguide and thermal modeling //IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. - 2007. - R. 13. - №. 5. - q. 1054-1064.

34 Beck M. et al. Buried heterostructure quantum cascade lasers with a large optical cavity waveguide //IEEE Photonics Technology Letters. - 2000. - R. 12. - №.11. - q. 1450-1452.

35 Blaser S. et al. Low-consumption (below 2W) continuous-wave singlemode quantum-cascade lasers grown by metal-organic vapour-phase epitaxy //Electronics Letters. - 2007. - R. 43. - №. 22. - q. 1.

36 Bai Y. et al. Optimizing facet coating of quantum cascade lasers for low power consumption //Journal of Applied Physics. - 2011. - R. 109. - №. 5. - q.053103.

37 Zhang J. C. et al. Continuous-wave operation of distributed-feedback quantum cascade laser with ultra-low threshold current density //Electronics letters. -2011. - R. 47. - №. 24. - q. 1338-1339.

38 Xie F. et al. High-temperature continuous-wave operation of low power consumption single-mode distributed-feedback quantum-cascade lasers at lambda~ 5.2 mum //Applied Physics Letters. - 2009. - R. 95. - №. 9. - q. 1110.

39 Faist J. et al. Distributed feedback quantum cascade lasers //Applied Physics Letters. - 1997. - R. 70. - №. 20. - q. 2670-2672.

40 Gmachl C. et al. Complex-coupled quantum cascade distributed-feedback laser //IEEE Photonics Technology Letters. - 1997. - R. 9. - №. 8. - q. 1090-1092.

41 Luo G. P. et al. Grating-tuned external-cavity quantum-cascade semiconductor lasers //Applied Physics Letters. - 2001. - R. 78. - №. 19. - q. 2834-2836.

42 Blaser S. et al. Room-temperature, continuous-wave, single-mode quantum-cascade lasers at 5: 4 m //Appl. Phys. Lett. - 2005. - R. 86. - №. 041109. - q. 1-3.

43 Yu J. S. et al. High-power, room-temperature, and continuous-wave operation of distributed-feedback quantum-cascade lasers at 3~ 4.8 3m //Applied physics letters. -2005. - R. 87. - №. 4. - q. 041104.

44 Kennedy K. et al. High performance InP-based quantum cascade distributed feedback lasers with deeply etched lateral gratings //Applied physics letters. -2006. - R. 89. - №. 20. - q. 1117.

45 Slight T. J. et al. m Distributed-Feedback Quantum-Cascade Lasers With High-Aspect-Ratio Lateral Grating //IEEE Photonics Technology Letters. - 2011. -R. 23. -№. 7. - q. 420-422.

46 Golka S. et al. Quantum cascade lasers with lateral double-sided distributed feedback grating //Applied Physics Letters. - 2005. - R. 86. - №. 11. - q.111103-111103.

47 Finger N., Schrenk W., Gornik E. Analysis of TM-polarized DFB laser structures with metal surface gratings //IEEE journal of quantum electronics. - 2000.- R. 36. - №. 7. - q. 780-786.

48 MujagiE E. et al. Ring cavity induced threshold reduction in single-mode surface emitting quantum cascade lasers //Applied Physics Letters. - 2010. - R. 96. -№. 3. - q. 031111.

49 Darvish S. R. et al. Room-temperature, high-power, and continuous-wave operation of distributed-feedback quantum-cascade lasers at lambda~ 9.6 mum //Applied physics letters. - 2006. - R. 88. - №. 20. - q. 1114.

50 Wittmann A. et al. Distributed-Feedback Quantum-Cascade Lasers at 9m Operating in Continuous Wave Up to 423 K //IEEE Photonics technology letters. -2009. - R. 21. -№. 12. - q. 814-816.

51 Xie F. et al. High-temperature continuous-wave operation of low power consumption single-mode distributed-feedback quantum-cascade lasers at lambda~ 5.2 mum //Applied Physics Letters. - 2009. - R. 95. - №. 9. - q. 1110.

52 Zhang J. et al. Low-Threshold Continuous-Wave Operation of Distributed-Feedback Quantum Cascade Laser at m //IEEE Photonics Technology Letters. - 2011. - R. 23. -№. 18. - q. 1334-1336.

53 Carras M., De Rossi A. Photonic modes of metallodielectric periodic waveguides in the midinfrared spectral range //Physical Review B. - 2006. - R. 74. -№. 23. - q. 235120.

54 Carras M. et al. Top grating index-coupled distributed feedback quantum cascade lasers //Applied physics letters. - 2008. - R. 93. - №. 1. - q. 011109.

55 Carras M. et al. Room-temperature continuous-wave metal grating distributed feedback quantum cascade lasers //Applied Physics Letters. - 2010. - R. 96. - №. 16. -q. 161105.

56 Lu Q. Y. et al. 2.4 W room temperature continuous wave operation of distributed feedback quantum cascade lasers //Applied Physics Letters. - 2011. - R.98. - №. 18. -q. 1106.

57 Lu Lu Q. Y. et al. Room-temperature continuous wave operation of distributed feedback quantum cascade lasers with watt-level power output //Applied Physics Letters. - 2010. - R. 97. - №. 23. - q. 1119.

58 Lee B. G. et al. Broadband distributed-feedback quantum cascade laser array operating from 8.0 to 9.8 m //IEEE Photonics Technology Letters. - 2009. - R.21. - №. 13.

59 MujagiE E. et al. Two-dimensional broadband distributed-feedback quantum cascade laser arrays //Appl. Phys. Lett. - 2011. - R. 98. - №. 14. - q. 141101.

60 Capasso F. High-performance midinfrared quantum cascade lasers //Optical Engineering. - 2010. - R. 49. - №. 11. - q. 111102-111102-9.

61 Gokden B. et al. Broad area photonic crystal distributed feedback quantum cascade lasers emitting 34 W at lambda~ 4.36 mum //Applied Physics Letters. -2010. - R. 97. -№. 13. - q. 1112.

62 Menzel S. et al. Quantum cascade laser master-oscillator power-amplifier with 1.5 W output power at 300 K //Optics express. - 2011. - R. 19. - №. 17. - q. 16229-16235.

63 Vurgaftman I., Meyer J. R. Photonic-crystal distributed-feedback quantum cascade lasers //IEEE journal of quantum electronics. - 2002. - R. 38. - №. 6. - q. 592-602.

64 Maulini R. et al. External cavity quantum-cascade lasers tunable from 8.2 to 10.4 m using a gain element with a heterogeneous cascade //Appl. Phys. Lett. -2006. - R. 88. -№. 20. - q. 201113.

65 Phillips M. C. et al. External cavity quantum cascade laser for quartz tuning fork photoacoustic spectroscopy of broad absorption features //Optics letters. - 2007. - R. 32. - №. 9. - q. 1177-1179.

66 Mukherjee N., Patel C. K. N. Molecular fine structure and transition dipole moment of NO 2 using an external cavity quantum cascade laser //Chemical Physics Letters. -2008. - R. 462. - №. 1. - q. 10-13.

67 Wysocki G. et al. Widely tunable mode-hop free external cavity quantum cascade lasers for high resolution spectroscopy and chemical sensing //Applied Physics B. -2008. - R. 92. - №. 3. - q. 305-311.

68 Hancock G. et al. Direct and wavelength modulation spectroscopy using a cw external cavity quantum cascade laser //Appl. Phys. Lett. - 2009. - R. 94. - №. 201110. - q. 1-201110.

69 Weidmann D. et al. Atmospheric observations of multiple molecular species using ultra-high-resolution external cavity quantum cascade laser heterodyne radiometry //Optics letters. - 2011. - R. 36. - №. 11. - q. 1951-1953.

70 Weidmann D., Wysocki G. High-resolution broadband (> 100 cm-1) infrared heterodyne spectro-radiometry using an external cavity quantum cascade laser //Optics express. - 2009. - R. 17. - №. 1. - q. 248-259.

71 Maulini R. et al. Widely tunable high-power external cavity quantum cascade laser operating in continuous-wave at room temperature //Electronics letters. - 2009. - R. 45.

- №. 2. - q. 107-108.

72 Maulini R. et al. Continuous-wave operation of a broadly tunable thermoelectrically cooled external cavity quantum-cascade laser //Optics letters. - 2005. - R. 30. - №. 19.

- q. 2584-2586.

73 Wysocki G. et al. Widely tunable mode-hop free external cavity quantum cascade laser for high resolution spectroscopic applications //Applied Physics B. -2005. - R. 81.

- №. 6. - q. 769-777.

73 Hugi A. et al. External cavity quantum cascade laser tunable from 7.6 to 11.4 3m //Applied Physics Letters. - 2009. - R. 95. - №. 6. - q. 061103.er for high resolution spectroscopic applications //Applied Physics B. -2005. - R. 81. - №. 6. - q. 769-777.

74 Мамутин В. В. и др. Получениеквантовых каскадных лазеров с длиной волны излучения 5um молекулярно-пучковой эпитаксией //Письма в ЖТФ. - 201. - Т.36. -№.9.

75 Мамутин В. В. и др. Выращивание молекулярно-пучковой эпитаксией и характеризация квантовых каскадных лазеров на длину волны 5мкм //Физика и техника полупроводников. - 2010. - Т.44. - №.7.

76 Бабичев А.В. и др. Генерация квантово-каскадных лазеров на длине волны излучения 5.8 мкм при комнатной температуре //Физика и техника полупроводников. - 2016. - Т.50. - №.12. - С.1320-1324.

77 Yao Y., Hoffman A. J., Gmachl C. F. Mid-infrared quantum cascade lasers //Nature Photonics. - 2012. - R. 6. - №. 7. - q. 432-439.

78 Засавицкий И.И.Схемы активной области в квантово-каскадных лазерах //Квантовая электроника. - 2012. -Т.42 - №.10. - С. 863-873.

79 Beck M. et al. Continuous wave operation of a mid-infrared semiconductor laser at room temperature //Science. - 2002. - R. 295. - №. 5553. - q. 301-305.

80 Hofstetter D. et al. Continuous wave operation of a 9.3 3m quantum cascade laser on a Peltier cooler //Applied Physics Letters. - 2001. - R. 78. - №. 14. - q. 1964-1966

81 Wang Q. et al. High Performance Quantum Cascade Lasers Based on Three-Phononresonance Design. - 2009.

82 Wysocki G. et al. Widely tunable mode-hop free external cavity quantum cascade laser for high resolution spectroscopic applications //Applied Physics B. -2005. - R. 81. - №. 6. - q. 769-777.

83 Faist J. et al. High power mid-infrared (;\~ 5J-tm) quantum cascade lasers operating above room temperature //Appl. Phys. Lett. - 1996. - R. 68. - №. 3680-3682. - q. 123124

84 Semmel J. et al. Single mode emitting ridge waveguide quantum cascade lasers coupled to an active ring resonator filter //Applied Physics Letters. - 2008. - R. a93. -№. 21. - q. 211106.

85 Wysocki G. et al. Widely tunable mode-hop free external cavity quantum cascade laser for high resolution spectroscopic applications //Applied Physics B. - 2005. - R. 81. - №. 6. - q. 769-777

ШОШЙСШШ ФВДШРАЩШШ

ж жжжжж жГ

ш

НА ПОЛЕЗНУЮ МОДЕЛЬ

№ 172195

Гетероструктура полупроводникового лазера

Патентообладатель: Общество с ограниченной ответственностью "Коннектор Оптике" (ООО "Коннектор Оптике") (IШ)

Авторы: Егоров Антон Юрьевич (Я11), Карачинский Леонид Яковлевич (Яи), Новиков Иннокентий Игоревич (Я11), Курочкин Александр Сергеевич (Я11)

Заявка № 2016146037

Приоритет полезной модели 23 ноября 2016 Г. Дата государственной регистрации в Государственном реестре полезных моделей Российской Федерации 30 ИЮНЯ 2017 Г. Срок действия исключительного права на полезную модель истекает 23 ноября 2026 г.

Руководитель Федеральной службы по интеллектуальной собственности

жжжжжж ж ж ж ж

ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж

Г. II. Ивлиев

'ЖЖЖЖЖЖЖЖЖЖЖЖЖЖЖЖЖЖЖЖЖЖЖЖЖЖЖЖЖЖЖЖ

::-1л_я федерация

(19)

гч

э

X

ни

11 172 195(13) 111

(51) МПК

НОИ 21/20 (2006.01) НОМ 5/343 (2006.01)

С: Е ДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА -: Н7ЕЕ КТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ

ФОРМУЛА ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

. :: З-.вка: 2016146037, 23.11.2016

1- Дата начала отсчета срока действия патента: 23 11.2016

7.-у>. гитет(ы):

11 Дата подачи заявки: 23.11.2016

-г* Опубликовано: 30.06.2017 Бюл. № 19

\_rpec для переписки:

194292, Санкт-Петербург, ул. Домостроительная, 16, литер Б, ООО "Коннектор Оптике"

(72) Автор(ы):

Егоров Антон Юрьевич (1Ш), Карачинский Леонид Яковлевич (1Ш), Новиков Иннокентий Игоревич (1Ш), Курочкин Александр Сергеевич (1Ш)

(73) Патентообладатель(и):

Общество с ограниченной ответственностью "Коннектор Оптике" (ООО "Коннектор Оптике") (КЦ)

(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: Ключков А.Н., Электронный спектр в модулированно-легированных гетероструктурах 1пОаА8/1пА1А5 на подложках ваАв и 1пР, Диссертация на соикание ученой степени кандидата физико-математических наук. Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт сверхвысокочастотной полупроводниковой электроники Российской академии наук, Москва, 2015. 1Ш 2205468 С1, 27.05.2003. 1Р 2000068611 А, 03.03.2000. Яи 2257640 С1, 27.07.2005. Ш 0005034344 А1, 23.07.1991.

г - Гетероструктура полупроводникового лазера

(57) Формула полезной модели

1. Гетероструктура полупроводникового лазера, состоящая из последовательно расположенных на подложке первого эмиттерного слоя, волноводного слоя, содержащего квантовые ямы, второго эмиттерного слоя, отличающаяся тем, что

перед каждой квантовой ямой в нелегированном волноводном слое со стороны обкладки волновода из материала, легированного примесью п-типа, дополнительно расположен дельта-легированный слой п-типа. создающий дополнительный потенциальный барьер для дырок, а после квантовой ямы со стороны обкладки волновода из материала, легированного примесью р-типа. дополнительно расположен дельта-легированный слой р-типа, создающий дополнительный потенциальный барьер для электронов.

2. Гетероструктура полупроводникового лазера по п. 1. отличающаяся тем, что первый эммитерный слой выполнен на похюжке 1пР из 1пА1А5.

3. Гетероструктура полупроводникового лазера по п. 1, отличающаяся тем, что

Я С

го

(О

сл

второй эммитерный слой выполнен из 1пА1Аз.

4. Гетероструктура полупроводникового лазера по п. 1, отличающаяся тем, что волноводный слой выполнен из АПгКЗаАз.

5. Гетероструктура полупроводникового лазера по п. 1, отличающаяся тем, что ело! с квантовыми ямами выполнен из 1пОаА$.

6. Гетероструктура полупроводникового лазера по п. 1, отличающаяся тем, что расстояние между дельта-легированным слоем и квантовой ямой составляет 10-30 нм

ю

О) т—

сч

а:

¡Р©(ПШ1€ЖАШ ФВДШРАЩИЖ

ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж

>жжжжжжжжжжжжжжжжжжжжжжжжжжжжжжжж<Й

ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж

Заявка № 2018145470

Приоритет полезной модели 21 декабря 2018 г. Дата государственной регистрации в Государственном реестре полезных моделей Российской Федерации 31 мая 2019 Г. Срок действия исключительного права на полезную модель истекает 21 декабря 2028 г.

Руководитель Федеральной службы по интеллектуальной собственности

Ж Ж Ж Ж Ж

жжжжж

НА ПОЛЕЗНУЮ МОДЕЛЬ

№ 189723

Кристалл перестраиваемого квантово-каскадного лазера

Патентообладатель: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики " (Университет ИТМО) (ЯП)

Авторы: Бабичев Андрей Владимирович (ЯП), Бугров Владислав Евгеньевич (Я11), Егоров Антон Юрьевич (Я11), Курочкин Александр Сергеевич (Я11), Карачинский Леонид Яковлевич (ЯII), Новиков Иннокентий Игоревич (Яи)

Г.П. Ивлиев

РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ

(19)

СО

сч h-О) 00

RU

(11)

189 723(3) U1

(51) МПК

H01S5/343 (2006.01)

ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ

(12) ОПИСАНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ К ПАТЕНТУ

(52) СПК

H01S5/343 (2019.02)

(21)(22) Заявка: 2018145470, 21.12.2018

(24) Дата начала отсчета срока действия патента: 21.12.2018

Дата регистрации: 31.05.2019

Приоритет(ы):

(22) Дата подачи заявки: 21.12.2018

(45) Опубликовано: 31.05.2019 Бюл. № 16

Адрес для переписки:

197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., 49, Университет ИТМО, ОИС и НТИ

(72) Автор(ы):

Бабичев Андрей Владимирович (ДЦ), Бугров Владислав Евгеньевич (ДЦ), Егоров Антон Юрьевич (ДЦ), Курочкин Александр Сергеевич (ДЦ), Карачинский Леонид Яковлевич (ДЦ), Новиков Иннокентий Игоревич (ДЦ)

(73) Патентообладатель(и):

федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики" (Университет ИТМО)

(ДЦ)

(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: Ш 9014230 В2, 21.04.2015. CN 101916965 В, 07.12.2011. Ш 8971369 В2, 03.03.2015. CN 104104012 А, 15.10.2014.

(54) Кристалл перестраиваемого квантово-каскадного

(57) Реферат:

Полезная модель относится к оптоэлектронным устройствам. Заявлен кристалл перестраиваемого квантово-каскадного лазера в виде гетероструктуры. Гетероструктура состоит из подложки на основе InR активной области, слоев обкладок волновода на основе твердых

растворов AinBV и интегрированных в гетероструктуру двух резонаторов Фабри-Перо в виде «арочного» элемента. Активная область, сформированная на подложке послойно, состоит

лазера

из чередующихся слоев InGaAs, образующих квантовые ямы, и слоев InAlAs, образующих потенциальные барьеры. Технический результат заключается в расширении диапазона перестройки излучения кристалла квантово-каскадного лазера как за счет изменения его температурного режима, так и за счет переключения токовой накачки между интегрированными в гетероструктуру резонаторами Фабри-Перо. 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

00 9 7 2 3

RU 189723 U1

p p

2

I n

ПН

"'S"

3>

I

3=-

ГО

-к

"VTK

СП -^Ch

Aj

"X

N \

------

^ /

\ ^

\ 00 ICO

' ^ \

VU

777

^ /

У

7Г

C3Z6H n d

Полезная модель относится к оптоэлектронной технике и может быть использована для генерирования перестраиваемого одночастотного излучения в широком диапазоне длин волн средней инфракрасной области спектра.

Известны подходы по изменению диапазона перестройки одночастотных квантово-5 каскадных лазеров. Один из подходов заключается в изменении геометрии резонатора. Так, например, известны кристаллы одночастотного квантово-каскадного лазера с одиночным резонатором Фабри-Перо, включающим спиралевидную часть. В работе [Liu P Q. et al. Single-mode quantum cascade lasers employing a candy-cane shaped monolithic coupled cavity //Applied Physics Letters. - 2011. - T. 99. -№. 24. - C. 241112.] раскрывается io кристалл квантово-каскадного лазера в виде гетероструктуры, состоящей из подложки на основе InP, активной области, сформированной на подложке послойно и содержащей чередующиеся слои InGaAs, образующие квантовые ямы, и слои InAlAs, образующие потенциальные барьеры, слоев обкладок волновода на основе твердых растворов

AIIIBV, и интегрированного в гетероструктуру резонатора Фабри-Перо, содержащего 15 спиралевидную часть.

В заявке США [US2016181470 (А1) МПК H01L 33/00, H01L 33/44, H01L 33/48, опубл. 23.06.2016] также раскрывается кристалл квантово-каскадного лазера с одиночным резонатором, выполненным в виде спирали.

Известны также кристаллы одночастотных квантово-каскадных лазеров с

20

интегрированным в гетероструктуру резонатором в виде «арочного» элемента. В патенте США [US9014230 (В2), МПК 2006 H01S 3/081, H01S 5/065, H01S 5/10, H01S 5/ 22, опубл. 21.04.2015] раскрывается кристалл квантово-каскадного лазера, в виде гетероструктуры, состоящей из подложки на основе InP, активной области, сформированной на подложке послойно и содержащей чередующиеся слои InGaAs, 25 образующие квантовые ямы, и слои InAlAs, образующие потенциальные барьеры, слоев

обкладок волновода на основе твердых растворов AIIIBV, и интегрированного в гетероструктуру резонатора Фабри-Перо в виде «арочного» элемента с зеркалами, образованными скалыванием, и с контактной площадкой на верхней поверхности 00 резонатора, при этом нижняя контактная площадка расположена на поверхности подложке, противоположной поверхности резонатора.

Недостатком данных решений является ограничение диапазона перестройки за счет наличия только одного резонатора, который определяет центральную длину волны, относительно которой возможна перестройка, и отсутствие возможности работы при 05 комнатной температуре.

Техническая проблема заключается в повышении эффективности управления длиной излучения кристалла квантово-каскадного лазера.

Технический результат заключается в расширении диапазона перестройки излучения кристалла квантово-каскадного лазера, как за счет изменения его температурного 40 режима, так и за счет переключения токовой накачки между интегрированными в гетероструктуру резонаторами Фабри-Перо.

Технический результат достигается тем, что в гетероструктуру перестраиваемого кристалла квантово-каскадного лазера интегрировано дополнительно два резонатора Фабри-Перо с различными параметрами «арочных» элементов с изолированными 45 контактными площадками на верхних поверхностях и единым сколом с функцией зеркала на поверхности, перпендикулярной плоскости роста гетероструктуры, для всех интегрированных резонаторов. Разная длина линейных частей «арочного» резонатора Фабри-Перо формируется за счет смещения центров округлых частей резонатора друг относительно друга и определяется геометрией фотолитографического шаблона.

Резонаторы кристалла перестраиваемого квантово-каскадного лазера сформированы методом жидкостного травления на поверхности гетероструктуры.

При этом возможно также, что обкладки волновода выполнены из 1пР с уровнем

А /Г О АП о

легирования от 10 см до 10 см . 5 При этом возможно также, обкладки волновода выполнены из InAlAs с уровнем

А /Г О АП о

легирования от 10 см до 10 см .

При этом возможно также, обкладки волновода выполнены из InGaAs с уровнем

А /Г О АП О

легирования от 10 см до 10 см . 10 При этом возможно также, что подложка выполнена из 1пР с уровнем легирования

от 1017 см-3 до 1018 см-3.

На фиг. 1 показан кристалл перестраиваемого квантово-каскадного лазера (внизу показан поперечный разрез, сверху показан вид сверху).

Кристалл перестраиваемого квантово-каскадного лазера состоит из нескольких 15 интегрированных в гетероструктуру резонаторов Фабри-Перо в виде «арочного» элемента и подложки 1. Резонаторы Фабри-Перо в виде «арочного» элемента интегрированы в полупроводниковую гетероструктуру, послойно сформированной на

17 -3 18

подложке 1. Подложка 1 выполнена из 1пР с уровнем легирования от 10 см до 10

20 см-

Подложка 1 сколота с образованием общего для всех резонаторов Фабри-Перо в виде «арочного» элемента зеркала 2, предназначенного для вывода оптического излучения.

На подложке 1 выполнена общая для всех резонаторов Фабри-Перо в виде 25 «арочного» элемента нижняя контактная площадка 3. Контактная площадка 3 выполнена из золота.

Каждый из резонаторов Фабри-Перо в виде «арочного» элемента состоит из активной области 4, нижней и верхней обкладок 5 и 6 соответственно, контактной площадкой на верхней поверхности резонатора 7, резонатора 8. зо Активная область 4 состоит из квантовых каскадов, образованных чередующимися слоями, образующими квантовые ям, и слоями, образующими потенциальные барьеры.

Активная область 4 расположена между нижней и верхней обкладками 5 и 6. Слои, образующие квантовые ямы, выполнены из InGaAs, а слои, образующие потенциальные барьеры, выполнены из InAlAs.

35 Слои обкладок волновода 5 и 6 сформированы на основе твердых растворов AШBV. Резонатор 8 расположен на поверхности полупроводниковой гетероструктуры, выполнен в виде интегрированного в гетероструктуру монолитно-связанного резонатора Фабри-Перо в форме «арки» и образован двумя линейными частями одинаковой длины, соединенными округлой частью. Интегрированные в гетероструктуры резонаторы 40 Фабри-Перо в виде «арочного» элемента выполнены с различными параметрами «арочных» элементов.

Перенастраиваемый квантово-каскадный лазер работает следующим образом. При подаче напряжения на контактные площадки 3 и 7 электроны в активной области туннелируют с верхних подзон размерного квантования (каскадов) в нижние с 445 излучением фотонов. Выделенные частоты генерируемых волн в линейных частях и округлой части каждого из резонаторов Фабри-Перо в виде «арочного» элемента совпадают, за счет чего обеспечивается одночастотная генерация.

Перестройка длины излучения посредством токовой накачки осуществляется двумя

способами.

В первом способе напряжение от внешнего источника подается к контактным площадкам 3 и 7 каждого резонатора Фабри-Перо в форме «арки» посредством контактных проволок. Поскольку резонаторы Фабри-Перо в виде «арочного» элемента 5 выполнены с различными геометрическими параметрами, то они генерируют оптическое излучение с разными начальными длинами волн. Затем напряжение от внешнего источника снимают с контактных площадок 7 того резонатора Фабри-Перо в виде «арочного» элемента, длина волны генерации которого наиболее близка к желаемой величине. Затем значение подаваемого напряжения изменяют. При изменении значения 10 подаваемого напряжения от внешнего источника изменяется длина волны, генерируемая резонатором Фабри-Перо в виде «арочного» элемента. При этом значение конечной длины волны, генерируемой резонатором Фабри-Перо в виде «арочного» элемента, зависит от начального значения длины волны. Таким образом, сдвиг диапазона излучения определяется длиной волны, излучаемой резонатором Фабри-Перо в виде 15 «арочного» элемента до изменения напряжения. Диапазон генерируемых длин волн кристаллом квантово-каскадного лазера перестраивается плавно с изменением напряжения, а не скачкообразно.

Во втором способе напряжение от внешнего источника подается к контактным площадкам 3 и 7 каждого квантово-каскадного излучателя посредством контактных 20 проволок. Поскольку резонаторы Фабри-Перо в виде «арочного» элемента выполнены с различными параметрами «арки, то они генерируют оптическое излучение с разными начальными длинами волн. Затем напряжение от внешнего источника снимают с контактных площадок 7 выборочных резонаторов Фабри-Перо в виде «арочного» элемента. При этом диапазон конечных длин волн, генерируемых резонаторами Фабри-25 Перо в виде «арочного» элемента, зависит от геометрических параметров. Таким образом, сдвиг диапазона излучения определяется длинами волн резонаторов Фабри-Перо в виде «арочного» элемента, которые генерируют лазерное излучение. Сдвиг диапазона перестройки кристалла происходит скачкообразно благодаря разной величине радиусов округлых частей и длин линейных частей резонаторов. Величина скачка зо определяется разницей в величине радиусов округлых частей и длин линейных частей следующим образом: чем меньше разница, тем меньше скачок.

Перестройка длины излучения посредством изменения температурного режима осуществляется следующим образом. Напряжение от внешнего источника подается к контактным площадкам 3 и 7 выбранного резонатора Фабри-Перо в виде «арочного» 35 элемента посредством контактных проволок. Затем изменяют температуру кристалла квантово-каскадного лазера, что приводит к изменению ширины запрещенной зоны слоев активной области, за счет чего происходит смещение максимума спектра оптического усиления в сторону больших длин волн (при увеличении температуры) и в сторону меньших длин волн (при уменьшении температуры). Длина волны генерации 40 меняется плавно, плавность определяется скоростью изменения температуры всего кристалла квантово-каскадного лазера.

Используется либо один из способов перестройки, а именно: или за счет токовой накачки, или за счет изменения температурного режима, либо оба способа одновременно. Это позволяет расширить достижимый диапазон перестройки длины 45 волны излучения.

Пример. Кристалл квантово-каскадного лазера содержит два интегрированных в гетероструктуру резонатора Фабри-Перо в виде «арочного» элемента с различными параметрами «арочных» элементов. Длина линейных частей резонатора первого

резонатора Фабри-Перо в виде «арочного» элемента составляет 1 мкм, а длина линейных частей второго резонатора Фабри-Перо в виде «арочного» элемента составляет 3 мкм. Радиус округлой части первого резонатора составляет 75 мкм, а радиус округлой части второго резонатора составляет 100 мкм. Оба резонатора имеют только одно общее 5 зеркало, сформированное скалыванием.

На фиг. 2 показан сдвиг волны излучения. Пунктирной линией показана зависимость интенсивности излучения от длины волны излучения с длиной линейных частей 1 мм и радиусом округлой части 75 мкм, а непрерывной линией - зависимость интенсивности излучения от длины волны излучения с длиной линейных частей 3 мм и радиусом 10 округлой части 100 мкм. Разница между длиной волны излучения резонаторов Фабри-Перо в виде «арочного» элемента с различными параметрами «арочных» элементов составляет 30 нм (диапазон перестройки с 7753 нм до 7783 нм).

(57) Формула полезной модели 15 1. Кристалл перестраиваемого квантово-каскадного лазера в виде гетероструктуры, состоящей из подложки на основе 1пР, активной области, сформированной на подложке послойно и содержащей чередующиеся слои InGaAs, образующие квантовые ямы, и слои InAlAs, образующие потенциальные барьеры, слоев обкладок волновода на основе

твердых растворов АШВУ, и интегрированного в гетероструктуру резонатора Фабри-20 Перо в виде «арочного» элемента с зеркалами, образованными скалыванием, и с контактной площадкой на верхней поверхности резонатора, при этом нижняя контактная площадка расположена на поверхности подложки, противоположной поверхности резонатора, отличающийся тем, что в гетероструктуру интегрирован дополнительный резонатор Фабри-Перо в виде «арочного» элемента с отличными 25 параметрами «арочных» элементов, с изолированными контактными площадками на верхних поверхностях и единым сколом с функцией зеркала на поверхности, перпендикулярной плоскости роста гетероструктуры, для всех интегрированных резонаторов Фабри-Перо в виде «арочного» элемента.

2. Кристалл перестраиваемого квантово-каскадного лазера по п. 1, отличающийся

30 тем, что обкладки волновода выполнены из 1пР с уровнем легирования от 1016 см-3до 1017 см-3.

3. Кристалл перестраиваемого квантово-каскадного лазера по п. 1, отличающийся

1 /Г о

тем, что обкладки волновода выполнены из InAlAs с уровнем легирования от 10 см"

35 1Г117 -3 до 10 см .

4. Кристалл перестраиваемого квантово-каскадного лазера по п. 1, отличающийся

1 /Г о

тем, что обкладки волновода выполнены из InGaAs с уровнем легирования от 10 см" до 1017 см-3.

40 5. Кристалл перестраиваемого квантово-каскадного лазера по п. 1, отличающийся тем, что резонаторы сформированы методом жидкостного травления.

6. Кристалл перестраиваемого квантово-каскадного лазера по п. 1, отличающийся

17 3 1о 3

тем, что подложка выполнена из 1пР с уровнем легирования от 10 см до 10 см .

• • M

• M •• ••••••

• ••• ••• •••••«••••• • ai

• ••• •••••••• • •••••«

• • • •

• ••••••••••••• ••••••• • •••••••••••• ••••<

• • • • • • •

• • • • • • i

• • •

n

n

• • •••

• • • • • a

n

• • M

• M •• ••••••

• •• • M* •••••«••••• • •«

• M

• • ••••• •• •

•• ••••••

• • • • • • •

• • • • • • •

• • ••••• •• •••

n

n

«n * * •** ** • ••••• •••* ••

• • • • •

••••••••• ••••• • •••• ••• ••••••••••• ••

••• ••••• ••••••••• •••

• •••• ••••• ••••••••<

• •

1

2

d

• • • m • • ••

Current density»1