УДК 544.16+546:537.3+539.22:681.7.069.24
ТЕХНОЛОГИЯ И ПАРАМЕТРЫ ЗАРОЩЕННОГО ЛАЗЕРНОГО ДИОДА С ДЛИНОЙ ВОЛНЫ ИЗЛУЧЕНИЯ 1310 НМ, РАБОТАЮЩЕГО
В СВЧ-ДИАПАЗОНЕ © 2013 г. М. Г. Васильев*, А. М. Васильев*, А. Д. Изотов*, Я. Г. Филатов**, А. А. Шелякин*
*Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова Российской академии наук, Москва **Российский университет дружбы народов, Москва e-mail: mgvas@igic.ras.ru; izotov@igic.ras.ru Поступила в редакцию 14.12.2012 г.
Методом жидкофазной эпитаксии выращены наногетероструктуры InGaAsP/InP и исследовано их структурное совершенство. На основе выращенных наногетероструктур созданы лазерные диоды спектрального диапазона длин волн 1310—1550 нм с зарощенным каналом в р-подложке InP. Конструкция зарощенного меза-полоскового диода с использованием полуизолирующего соединения AIIBVI позволила создать лазерные диоды, работающие на длине волны 1310 нм со скоростью передачи телекоммуникационного сигнала до 5.5 ГГц. Показана технологичность и воспроизводимость полученных результатов. Проанализированы перспективы дальнейшего увеличения скорости передачи оптического сигнала.
Б01: 10.7868/80002337Х1306016Х
ВВЕДЕНИЕ
В последнее время резко возрос интерес к лазерным диодам, излучающим в диапазоне длин волн 1300—1600 нм, что связано с их применением в волоконно-оптических линиях связи. Существенным требованием к таким диодам является точная пиковая длина волны излучения.
Одним из вариантов создания лазерных диодов, работающих в спектральном диапазоне длин волн 1300—1500 нм в СВЧ-диапазоне, является конструкция зарощенного меза-полоскового лазерного диода [1, 2]. Однако прежде чем создавать подобную конструкцию, необходимо провести отработку технологии получения гетероструктур на планарной поверхности.
Цель данной работы — разработка и изготовление лазерных диодов на основе наногетерострук-тур 1пОаАзР/1пР, излучающих в чрезвычайно узком диапазоне длины волны 1310 нм.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ И РЕЗУЛЬТАТЫ
При создании эпитаксиальных слоев на основе наногетероструктур 1пОаАзР/1пР использовали модифицированный метод жидкофазной эпитаксии (ЖФЭ) для проведения эпитаксиального роста при пониженных температурах, что позволяет создавать слои в широком диапазоне соста-
вов и толщин, а также химическое осаждение из паровой (газовой) фазы металлоорганических соединений (метод МОСУи) [3].
Специфика условий роста обусловила ряд требований к ростовому оборудованию. Проведенные исследования [4] показали, что для получения воспроизводимых результатов при выращивании ге-тероструктур и меза-полосковых структур наиболее предпочтительны ростовые установки с горизонтальным расположением термоблоков и ростовых реакторов.
Конструкция ростового контейнера является одним из важных факторов технологии создания наноструктур. Правильно сконструированный контейнер позволяет:
— резко снизить дефекты роста эпитаксиальных слоев;
— выращивать слои в широком диапазоне толщин и концентраций легирующей примеси;
— вводить легирующую примесь в любой момент роста структур;
—легко менять составы твердых растворов;
— выращивать многослойные структуры за один технологический цикл.
Контейнер для эпитаксии наногетероструктур 1пОаАзР/1пР (рис. 1) состоит из неподвижного основания с узкой щелью для фильтрации рас-
Рис. 1. Контейнер для эпитаксии наногетероструктур InGaAsP/InP.
p-In0.72Ga0.28As0.62P0.34
p-InP
5'-1п0.72Оа0.28А80.62Р0.34 И-1пР
Рис. 2. Планарные переходы подложка—слой фрагментов эпитаксиальных слоев.
твора-расплава (1); подвижного слайдера с ячейкой для подложки (2); поршней для перемещения раствора-расплава и легирования во время роста (3); толкателя поршней (4); крышки, закрывающей растворы-расплавы по заданному циклу роста (5); корпуса кассеты (6); ограниченных ростовых объемов для подготовки и легирования растворов-расплавов (7).
Выбранный состав наногетероструктур 1п-ОаАзРДпР образован четырьмя элементами элементами 3-й и 5-й групп Периодической системы. Использование такой многокомпонентный системы обусловлено способностью соединений группы АШВУ, кристаллизующихся в структуре сфалерита, образовывать непрерывные твердые растворы. В данном случае особенностью использования системы ¡п—Оа—Р—А является наличие двух независимых переменных твердого раствора АхА1 _ хВуВ! _ где х и у — относительные доли со-
ответствующих атомов элементов 3-й и 5-й групп в атомных подрешетках сфалерита.
Состав таких твердых растворов [5] изображается на квадратном сечении, проходящем через середины ребер концентрационного тетраэдра Ani—Ani—BV—BV. При этом четыре соединения AIIIBV служат вершинами такого квадрата. Указанный выбор переменных х, у в твердых растворах обеспечивает широкий интервал возможных составов и режимов выращивая.
В процессе работы были использованы следующие режимы роста:
1) режим равновесного роста с постоянной скоростью охлаждения;
2) режим принудительного охлаждения с исходным пересыщением растворов-расплавов;
3) режим принудительного охлаждения с исходным пересыщением и изотермической выдержкой.
Исходная температура роста составляла от 600 до 650°С. После выхода на режим и выдержки в течение 30 мин проводили "подтравливание" подложки фосфидом индия, а затем начинали эпитаксиальный рост.
В исследованных интервалах начальных температур и переохлаждений получали зеркально гладкие слои с планарными границами перехода подложка/слой (рис. 2). Фрагменты слоев фосфида индия исследовали методом фото- и катодолю-минесценции.
Фрагменты эпитаксиальных слоев твердого раствора различного состава также выращивали в условиях пересыщенного раствора-расплава. Были изучены технологические режимы роста слоев твердого раствора GaInAsP, соответствующих диапазону длин волн 1310—1550 нм. Диапазон начальных температур роста изменяли от 670 до 600°С. Исходные переохлаждения изменяли от 1 до 10°С. При этом относительное рассогласование параметра решетки фосфида индия и твердых растворов не превышало 0.012%.
Для создания высокоэффективных лазерных диодов необходимы слои высокого качества. В ходе проведения работы исследовали структурное совершенство как самих слоев, так и гетеропереходов InGaAsP/InP с квантово-размерными слоями были использованы современные методы анализа тонких слоев: трансмиссионная электронная микроскопия (ТЕМ), электронная микроскопия высокого разрешения (HREM), дифракция рентгеновских лучей (XRD), масс-спектроскопия вторичных ионов (SIMS), измерения электронной люминесценции. Результаты проведенных исследований свидетельствовали о высоком совершенстве выращенных слоев.
Наиболее важным этапом разработки полупроводниковых лазеров является создание полос-ковых меза-структур. Практически все существующие лазерные диоды для телекоммуникационных применений имеют полосковую или меза-полосковую конструкцию, которая обладает рядом неоспоримых преимуществ. К их числу обычно причисляют:
— возможности создания малого тела свечения диода;
— создание высокочастотных лазерных диодов;
— резкое снижения пороговых и рабочих токов диода;
— создание заданного модового состава излучения;
— повышение внешней квантовой эффективности диода;
— согласование лазерного диода с оптическим волокном;
— увеличение ресурса работы лазерного диода.
В этой связи получению меза-полосковых
структур уделялось особое внимание. В настоящее время существует ряд технологий их получения: химическое травление; ионно-лучевое травление; ионная имплантация. Одним из наиболее распространенных и надежных методов, который позволяет получать полосковые меза-структуры с различной высотой полоска при наименьшем введении дефектов в процессе его формирования, является метод химического травления. Этот метод и был использован в данной работе.
Одним из вариантов создания высокоэффективного лазерного излучателя, работающего в СВЧ-диапазоне в режиме прямой модуляции, может быть разработанная нами [6] технология и конструкция лазерного излучателя с серповидным каналом в подложке с изолирующим слоем.
Схема меза-полосковой гетероструктуры InP/InGaAsP/InP с серповидной активной областью на p-InP, созданной методом ЖФЭ, представлена на рис. 3. Видно, что узкозонная активная область InGaAsP со всех сторон окружена широкозонным InP, обеспечивая предельное оптическое отражение. Ограничивающая токи утечки структура p—n—p—n находится по обе стороны от активной области. Активная область располагается напротив блокирующего слоя p-InP для того, чтобы увеличить последовательное сопротивление каналов токов утечки.
После заращивания гетероструктура имела практически планарную поверхность. Ширина зарощенного меза-полоска составляла 1.5—2.0 мкм; общая толщина доходилп до 100—120 мкм (рис. 4).
В ходе работы были изучены параметры лазерных диодов. Для проведения комплексного контро-
ля параметров был разработан макет испытательной установки, который позволял контролировать параметры на лазерном чипе, смонтированном на специальной контактной пластине. Для данной установки был создан специальный интерфейс и написана программа, которая позволяла измерять параметры лазерного излучателя в полуавтоматическом режиме с использованием компьютера с записью, сохранением и выводом информации на монитор и печать.
Установка позволяла проводить замеры и контроль лазерных излучателей (рис. 5). Измерения проводили при различных температурах (рис. 5а); характеристики лазерных диодов приведены на рис. 5б.
Конечной целью исследований являлось измерение такого важного параметра разрабатываемого лазерного излучателя, как полоса модуляции. Значения параметра определяли из так называемой частотно-модуляционной характеристики лазера. Для ее корректного измерения в СВЧ-диапазоне исследуемый образец лазерного излучателя устанавливали в специальную измерительную камеру со стандартным СВЧ-разъемом на входе, к которому подсоединяли источник модулирующего сигнала (рис. 6). Для эффективного подведения к лазеру модулирующего СВЧ-сигна-ла между входным разъемом и кристаллом вводили СВЧ-плату, на которой формировалась линия передачи СВЧ-диапазона с волновым сопротивлением 50 Ом (ми
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.