RU2787721C9 - Separate-confinement laser hetero-structure - Google Patents

Separate-confinement laser hetero-structure Download PDF

Info

Publication number
RU2787721C9
RU2787721C9 RU2022104549A RU2022104549A RU2787721C9 RU 2787721 C9 RU2787721 C9 RU 2787721C9 RU 2022104549 A RU2022104549 A RU 2022104549A RU 2022104549 A RU2022104549 A RU 2022104549A RU 2787721 C9 RU2787721 C9 RU 2787721C9
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
conductivity
layers
emitter
waveguide
solid solution
Prior art date
Application number
RU2022104549A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2787721C1 (en
Inventor
Елена Михайловна Филоненко
Алексей Васильевич Фомин
Евгений Васильевич Ершов
Салават Халилович Нажметов
Андрей Анатольевич Найдин
Олег Александрович Рогачков
Original Assignee
Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом")
Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский федеральный ядерный центр-Всероссийский научно-исследовательский институт технической физики имени академика Е.И. Забабахина"
Filing date
Publication date
Application filed by Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом"), Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский федеральный ядерный центр-Всероссийский научно-исследовательский институт технической физики имени академика Е.И. Забабахина" filed Critical Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом")
Publication of RU2787721C1 publication Critical patent/RU2787721C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2787721C9 publication Critical patent/RU2787721C9/en

Links

Images

Abstract

FIELD: semiconductor technology.
SUBSTANCE: invention relates to semiconductor technology, to planar laser heterostructures. The separate-confinement laser hetero-structure grown on a GaAs substrate of n-conductivity includes a quantum-dimensional active region, waveguide layers made of a solid solution of AlxGa1-xAs, emitter layers of n-conductivity and p-conductivity adjacent to the waveguide layers and made of a solid solution of Alx'Ga1-x'As. The heterostructure is provided with contact layers of n-conductivity and p-conductivity adjacent to the corresponding emitter layers of n-conductivity and p-conductivity, the waveguide layers contact directly with the quantum-dimensional active region and the emitter layers of n-conductivity and p-conductivity and are made of different thickness and are 2y and y, respectively, where y is within from 0.75 to 0.85 microns, the molar fraction of aluminum x solid solution AlxGa1-xAs in waveguide layers at the boundaries with emitter layers is 0.8x' and linearly decreases to 0.5x' at the boundaries with the quantum-dimensional active region, and in emitter layers the molar fraction of aluminum x' solid solution Alx'Ga1-x'As is in the range from 0.4 to 0.45.
EFFECT: present invention enables to improve the design of the laser heterostructure, to create an additional optical confinement between the emitter and waveguide layers.
1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к полупроводниковой технике, в частности к планарным лазерным гетероструктурам, используемым для изготовления лазерных диодов с высокой выходной оптической мощностью. The invention relates to semiconductor technology, in particular to planar laser heterostructures used for the manufacture of laser diodes with high output optical power.

Известна лазерная гетероструктура, описанная в патенте на изобретение US №6996149, опубл. 07.02.2006, под названием «Полупроводниковый лазер и полупроводниковый лазерный модуль». Гетероструктура содержит активную область, включающую как минимум одну квантовую яму. Слои ограничения носителей заряда расположены по обе стороны от активной области. Слои оптического ограничения имеют варизонную структуру и расположены по обе стороны от активной области. Разница в показателях преломления слоя активной области и слоев ограничения носителей заряда составляет не более 0,02.Known laser heterostructure described in US patent No. 6996149, publ. 02/07/2006, under the title "Semiconductor laser and semiconductor laser module". The heterostructure contains an active region including at least one quantum well. The charge carrier confinement layers are located on either side of the active region. The optical confinement layers have a graded-gap structure and are located on both sides of the active region. The difference in the refractive indices of the active region layer and charge carrier confinement layers is no more than 0.02.

К недостаткам технического решения следует отнести:The disadvantages of the technical solution include:

- недостаточное ограничение светового излучения и увеличение эффективной ширины мод, обусловленное малой разницей между показателями преломления слоя активной области и слоев ограничения носителей заряда (не более 0,02), ухудшающее характеристики получаемых лазерных диодов по следующим причинам:- insufficient limitation of light radiation and an increase in the effective mode width due to a small difference between the refractive indices of the active region layer and charge carrier confinement layers (no more than 0.02), which worsens the characteristics of the resulting laser diodes for the following reasons:

- увеличение глубины проникновения излучения в легированные слои, что увеличивает внутренние оптические потери;- increasing the depth of radiation penetration into the doped layers, which increases the internal optical loss;

- уменьшение фактора оптического ограничения генерируемых мод, что приводит к росту порогового тока и снижению КПД лазерных диодов.- a decrease in the optical limiting factor of the generated modes, which leads to an increase in the threshold current and a decrease in the efficiency of laser diodes.

Известна лазерная гетероструктура, описанная в патенте на изобретение US №9042416, МПК H01S 5/00, H01S 5/34, опубл. 26.05.2015 г., под названием «Мощный GRINSCH лазер с низкими потерями», являющаяся варизонной гетероструктурой раздельного ограничения, состоящая из активной области, слоев n- и p-контактов, n и p-эмиттерных слоев, многослойных секций n- и p-типов легирования, примыкающих непосредственно к активной области, n и p-субэмиттерных слоев.Known laser heterostructure described in US patent No. 9042416, IPC H01S 5/00, H01S 5/34, publ. 05/26/2015, under the name "Powerful GRINSCH laser with low losses", which is a graded-gap heterostructure of separate limitation, consisting of an active region, layers of n- and p-contacts, n and p-emitter layers, multilayer sections n- and p- types of doping adjacent directly to the active region, n and p-subemitter layers.

К недостаткам технического решения следует отнести:The disadvantages of the technical solution include:

- сниженные значения КПД лазерных диодов вследствие высоких значений порогового тока и сниженной дифференциальной эффективности, обусловленные тем, что слои, прилегающие к активной области, являются легированными. Так как легирование различается по типу, как минимум один из двух прилегающих слоев в данной гетероструктуре является намеренно легированным, в то время как добавочное легирование в слоях, выполняющих функции волновода, увеличивает внутренние потери лазерного диода.- reduced values of the efficiency of laser diodes due to high values of the threshold current and reduced differential efficiency due to the fact that the layers adjacent to the active region are doped. Since doping differs in type, at least one of the two adjacent layers in this heterostructure is intentionally doped, while additional doping in the layers that act as a waveguide increases the internal losses of the laser diode.

Наиболее близким и выбранным в качестве прототипа является конструкция лазерной гетероструктуры раздельного ограничения, описанная в патенте RU №2309501, МПК H01S 5/32, опубл. 27.10.2007 г. под названием «Инжекционный полупроводниковый лазер», включающая квантово-размерную активную область, волноводные слои, выполненные из твердого раствора AlxGa1-xAs, эмиттерные слои n- и p-проводимости, примыкающие к волноводным слоям и выполненные из твердого раствора Alx'Ga1-x'As.The closest and selected as a prototype is the design of a separate restriction laser heterostructure described in patent RU No. 2309501, IPC H01S 5/32, publ. October 27, 2007 under the name "Injection semiconductor laser", including a quantum-well active region, waveguide layers made of an Al x Ga 1-x As solid solution, emitter layers of n- and p-conductivity adjacent to the waveguide layers and made from a solid solution of Al x' Ga 1-x' As.

К недостаткам технического решения следует отнести:The disadvantages of the technical solution include:

- концентрация Al в представленном решении соответствует непрямозонным слоям, в которых имеет место фононная рекомбинация, являющаяся причиной выделения дополнительного тепла и снижению КПД изготавливаемых лазерных диодов;- the concentration of Al in the presented solution corresponds to indirect-gap layers, in which phonon recombination takes place, which is the reason for the release of additional heat and a decrease in the efficiency of manufactured laser diodes;

- симметричность структуры, обуславливающая уменьшение селекции мод высших порядков и, в свою очередь, снижение мощности излучения и КПД лазерных диодов на основе представленной гетероструктуры.- the symmetry of the structure, which causes a decrease in the selection of higher-order modes and, in turn, a decrease in the radiation power and efficiency of laser diodes based on the presented heterostructure.

Задачей заявляемого изобретения является улучшение основных характеристик изготавливаемых лазерных диодов, а именно снижение порогового тока, увеличение выходной оптической мощности излучения и КПД лазерных диодов, изготавливаемых на базе конструкции лазерной гетероструктуры.The objective of the claimed invention is to improve the main characteristics of the manufactured laser diodes, namely the reduction of the threshold current, the increase in the output optical radiation power and the efficiency of laser diodes manufactured on the basis of the laser heterostructure design.

Технический результат, который позволяет решить поставленную задачу, заключается в усовершенствовании конструкции лазерной гетероструктуры за счет ее асимметрии и наличия варизонной структуры волноводных слоев, а также создания дополнительного оптического ограничения между эмиттерными и волноводными слоями.The technical result, which allows solving the problem, is to improve the design of the laser heterostructure due to its asymmetry and the presence of a graded-gap structure of the waveguide layers, as well as to create an additional optical limitation between the emitter and waveguide layers.

Это достигается тем, что лазерная гетероструктура раздельного ограничения, включающая квантово-размерную активную область, волноводные слои, выполненные из твердого раствора AlxGa1-xAs, эмиттерные слои n- и p-проводимости, примыкающие к волноводным слоям и выполненные из твердого раствора Alx'Ga1-x'As, согласно изобретению, снабжена контактными слоями n- и p-проводимости, примыкающими к соответствующим эмиттерным слоям n- и p-проводимости, волноводные слои контактируют непосредственно с квантово-размерной активной областью и эмиттерными слоями n- и p-проводимости и выполнены разнотолщинными со стороны эмиттерных слоев n- и p-проводимости и составляют 2у и у соответственно, где у находится в пределах от 0,75 до 0,85 мкм, мольная доля алюминия х твердого раствора AlxGa1-xAs в волноводных слоях на границах с эмиттерными слоями составляет 0,8х' и линейно уменьшается до 0,5х' на границах с квантово-размерной активной областью, а в эмиттерных слоях мольная доля алюминия х' твердого раствора Alx'Ga1-x'As находится в пределах от 0,4 до 0,45.This is achieved by the fact that the separate limitation laser heterostructure, which includes a quantum-well active region, waveguide layers made of an Al x Ga 1-x As solid solution, emitter layers of n- and p-conductivity adjacent to the waveguide layers and made of a solid solution Al x' Ga 1-x' As, according to the invention, is provided with contact layers of n- and p-conductivity adjacent to the corresponding emitter layers of n- and p-conductivity, the waveguide layers are in direct contact with the quantum-well active region and the emitter layers of n- and p-conductivity and are made of different thicknesses on the side of the emitter layers of n- and p-conductivity and are 2y and y, respectively, where y is in the range from 0.75 to 0.85 μm, the mole fraction of aluminum x of the solid solution Al x Ga 1- x As in the waveguide layers at the boundaries with the emitter layers is 0.8x' and decreases linearly to 0.5x' at the boundaries with the quantum-well active region, and in the emitter layers the mole fraction of aluminum x' of the solid solution Al x' Ga 1-x ' As ranges from 0.4 to 0.45.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения, а определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволил выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле изобретения.The analysis of the state of the art carried out by the applicant, including the search for patent and scientific and technical sources of information and the identification of sources containing information about analogues of the claimed invention, made it possible to establish that the applicant did not find an analogue characterized by features identical to all essential features of the claimed invention, and the definition from the list identified analogues of the prototype, as the closest analogue in terms of the set of features, made it possible to identify a set of distinctive features in the claimed object that are significant in relation to the technical result perceived by the applicant and set forth in the claims.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию «новизна» по действующему законодательству.Therefore, the claimed invention meets the requirement of "novelty" under the current legislation.

Для проверки соответствия заявленного изобретения условию изобретательского уровня заявитель провел дополнительный поиск известных решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного изобретения, результаты которого показывают, что заявленное изобретение не следует для специалиста явным образом из известного технического уровня техники.To verify the compliance of the claimed invention with the condition of inventive step, the applicant conducted an additional search for known solutions in order to identify features that coincide with the features of the claimed invention that are distinctive from the prototype, the results of which show that the claimed invention does not follow for a specialist in an obvious way from the known technical level of technology.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию «изобретательский уровень».Therefore, the claimed invention meets the requirement of "inventive step".

Изобретение проиллюстрировано следующим чертежом, где представлена конструкция лазерной гетероструктуры раздельного ограничения.The invention is illustrated in the following drawing, which shows the design of a separate restriction laser heterostructure.

На чертеже введены следующие позиции:The following positions are entered on the drawing:

1 - квантово-размерная активная область;1 - quantum-dimensional active region;

2, 3 - волноводные слои;2, 3 - waveguide layers;

4 - эмиттерный слой n-проводимости;4 - emitter layer of n-conductivity;

5 - эмиттерный слой p-проводимости;5 - emitter layer of p-conductivity;

6 - контактный слой n-проводимости;6 - contact layer of n-conductivity;

7 - контактный слой p-проводимости.7 - contact layer of p-conductivity.

Лазерная гетероструктура раздельного ограничения, выращенная на подложке GaAs (100) n-проводимости, включает квантово-размерную активную область 1, волноводные слои 2 и 3, выполненные из твердого раствора AlxGa1-xAs, эмиттерные слои n-проводимости 4 и p-проводимости 5, примыкающие к волноводным слоям 2 и 3 и выполненные из твердого раствора Alx'Ga1-x'As. Лазерная гетероструктура раздельного ограничения снабжена контактными слоями n-проводимости 6 и р-проводимости 7, примыкающими к соответствующим эмиттерным слоям n-проводимости 4 и p-проводимости 5, волноводные слои 2 и 3 контактируют непосредственно с квантово-размерной активной областью 1 и эмиттерными слоями n-проводимости 4 и p-проводимости 5. Лазерная гетероструктура раздельного ограничения выполнена асимметричной, поскольку волноводные слои 2 и 3 выполнены разнотолщинными со стороны эмиттерных слоев n-проводимости 4 и p-проводимости 5 и составляют 2у и у соответственно, где у находится в пределах от 0,75 до 0,85 мкм. Структура волноводных слоев 2 и 3 выполнена варизонной, поскольку мольная доля алюминия x твердого раствора AlxGa1-xAs в волноводных слоях 2 и 3 на границах с эмиттерными слоями n-проводимости 4 и p-проводимости 5 составляет 0,8x' и линейно уменьшается до 0,5х' на границах с квантово-размерной активной областью 1. В эмиттерных слоях n-проводимости 4 и p-проводимости 5 мольная доля алюминия х' твердого раствора Alx'Ga1-x'As находится в пределах от 0,4 до 0,45.Separate-confinement laser heterostructure grown on an n-conductivity GaAs (100) substrate includes a quantum-well active region 1, waveguide layers 2 and 3 made of an Al x Ga 1-x As solid solution, n-conductivity emitter layers 4 and p -conductivity 5 adjacent to the waveguide layers 2 and 3 and made of a solid solution of Al x' Ga 1-x' As. Separate limitation laser heterostructure is equipped with contact layers of n-conductivity 6 and p-conductivity 7 adjacent to the corresponding emitter layers of n-conductivity 4 and p-conductivity 5, waveguide layers 2 and 3 are in direct contact with quantum-well active region 1 and emitter layers n -conductivity 4 and p-conductivity 5. The laser heterostructure of separate limitation is made asymmetric, since waveguide layers 2 and 3 are made of different thicknesses on the side of the emitter layers of n-conductivity 4 and p-conductivity 5 and are 2у and y, respectively, where y is within from 0.75 to 0.85 µm. The structure of waveguide layers 2 and 3 is graded-gap, since the mole fraction of aluminum x solid solution Al x Ga 1-x As in waveguide layers 2 and 3 at the boundaries with emitter layers of n-conductivity 4 and p-conductivity 5 is 0.8x' and linearly decreases to 0.5x' at the boundaries with the quantum-well active region 1. In the emitter layers of n-conductivity 4 and p-conductivity 5, the mole fraction of aluminum x' of the solid solution Al x' Ga 1-x' As is in the range from 0, 4 to 0.45.

Указанные составы твердых растворов Alx'Ga1-x'As и AlxGa1-xAs, из которых выполнены эмиттерные слои n-проводимости 4 и p-проводимости 5 и волноводные слои 2 и 3 соответственно, позволяют достичь разности показателей преломления Δn=0,03-0,09 на границах между эмиттерными слоями n-проводимости 4 и p-проводимости 5 и волноводными слоями 2 и 3, что создает дополнительное оптическое ограничение, обеспечивающее эффективный возврат оптических мод, рефрагирующих из волноводных слоев 2 и 3 в эмиттерные слои n-проводимости 4 и p-проводимости 5.The indicated compositions of solid solutions Al x' Ga 1-x' As and Al x Ga 1-x As, from which emitter layers of n-conductivity 4 and p-conductivity 5 and waveguide layers 2 and 3, respectively, are made, make it possible to achieve a difference in refractive indices Δn =0.03-0.09 at the boundaries between the emitter layers of n-conductivity 4 and p-conductivity 5 and waveguide layers 2 and 3, which creates an additional optical limitation that ensures efficient return of optical modes refracting from waveguide layers 2 and 3 to the emitter layers of n-conductivity 4 and p-conductivity 5.

Благодаря тому, что волноводные слои 2 и 3 выполнены разнотолщинными со стороны эмиттерных слоев n-проводимости 4 и p-проводимости 5 и составляют 2у и у соответственно, а также учитывая тот факт, что значение у находится в пределах от 0,75 до 0,85 мкм, обеспечивается оптимальная асимметричность конструкции лазерной гетероструктуры раздельного ограничения, при которой возможна высокая селекция мод высшего порядка.Due to the fact that the waveguide layers 2 and 3 are made of different thicknesses on the side of the emitter layers of n-conductivity 4 and p-conductivity 5 and are 2у and y, respectively, and also taking into account the fact that the value of y is in the range from 0.75 to 0 .85 µm, provides optimal asymmetry of the design of the laser heterostructure separate limitation, which allows a high selection of modes of higher order.

Увеличение значения толщины у приводит к росту последовательного сопротивления слоев лазерной гетероструктуры раздельного ограничения, что снижает КПД изготавливаемых лазерных диодов. Уменьшение значения толщины у, в свою очередь, приводит к повышению внутренних оптических потерь, а также к усилению утекания излучения из волноводных слоев 2 и 3 в эмиттерные слои n-проводимости 4 и p-проводимости 5 и, как следствие, снижению выходной мощности излучения лазерных диодов на базе предложенной конструкции.An increase in the thickness y leads to an increase in the series resistance of the layers of the laser heterostructure of a separate limitation, which reduces the efficiency of the manufactured laser diodes. A decrease in the thickness y, in turn, leads to an increase in internal optical losses, as well as to an increase in the leakage of radiation from waveguide layers 2 and 3 into the emitter layers of n-conductivity 4 and p-conductivity 5 and, as a consequence, a decrease in the output power of laser radiation. diodes based on the proposed design.

Благодаря тому, что мольная доля алюминия х в волноводных слоях 2 и 3 на границах с эмиттерными слоями n-проводимости 4 и p-проводимости 5 составляет 0,8х' и линейно уменьшается до 0,5х' на границах с квантово-размерной активной областью 1, обеспечивают оптимальный профиль содержания алюминия в твердом растворе, из которого выполнены волноводные слои 2 и 3. Данный профиль устанавливает варизонность конструкции волноводных слоев 2 и 3, необходимую для предотвращения утекания рефрагирующих мод в эмиттерные слои n-проводимости 4 и p-проводимости 5, и, как следствие, для получения увеличенных значений выходной оптической мощности лазерных диодов при заданном токе накачки, а также сниженных значений порогового тока. Кроме того, в совокупности с тем фактом, что в эмиттерных слоях n-проводимости 4 и p-проводимости 5 мольная доля алюминия х' находится в пределах от 0,4 до 0,45, достигается условие дополнительного оптического ограничения за счет разности показателей преломления на границе между эмиттерными слоями n-проводимости 4 и p-проводимости 5 и волноводными слоями 2 и 3, составляющей Δn=0,05-0,09, что также обеспечивает эффективный возврат оптических мод и снижение значений порогового тока лазерной гетероструктуры раздельного ограничения.Due to the fact that the mole fraction of aluminum x in the waveguide layers 2 and 3 at the boundaries with the emitter layers of n-conductivity 4 and p-conductivity 5 is 0.8x' and decreases linearly to 0.5x' at the boundaries with the quantum-well active region 1 , provide an optimal profile of the aluminum content in the solid solution from which the waveguide layers 2 and 3 are made. This profile establishes the variability of the design of the waveguide layers 2 and 3, which is necessary to prevent leakage of refractive modes into the emitter layers of n-conductivity 4 and p-conductivity 5, and , as a consequence, to obtain increased values of the output optical power of laser diodes at a given pump current, as well as reduced values of the threshold current. In addition, in combination with the fact that in the emitter layers of n-conductivity 4 and p-conductivity 5 the mole fraction of aluminum x' is in the range from 0.4 to 0.45, the condition of additional optical limitation is achieved due to the difference in refractive indices by the boundary between the emitter layers of n-conductivity 4 and p-conductivity 5 and waveguide layers 2 and 3, component Δn=0.05-0.09, which also provides an effective return of optical modes and a decrease in the threshold current values of the separate limitation laser heterostructure.

Примером конкретного выполнения может являться лазерная гетероструктура раздельного ограничения, выращенная на подложке GaAs (100) n-проводимости, включающая квантово-размерную активную область 1, волноводные слои 2 и 3, выполненные из твердого раствора AlxGa1-xAs, эмиттерные слои n-проводимости 4 и p-проводимости 5, примыкающие к волноводным слоям 2 и 3 и выполненные из твердого раствора Alx'Ga1-x'As. Лазерная гетероструктура раздельного ограничения снабжена контактными слоями n- и p-проводимости 6 и 7, примыкающими к соответствующим эмиттерным слоям n-проводимости 4 и p-проводимости 5, волноводные слои 2 и 3 контактируют непосредственно с квантово-размерной активной областью 1 и эмиттерными слоями n-проводимости 4 и p-проводимости 5 и выполнены разнотолщинными со стороны эмиттерных слоев n-проводимости 4 и p-проводимости 5 и составляют 1,5-1,7 мкм и 0,75-0,85 мкм соответственно, мольная доля алюминия х твердого раствора AlxGa1-xAs в волноводных слоях 2 и 3 на границах с эмиттерными слоями n-проводимости 4 и p-проводимости 5 составляет 0,32-0,36 и линейно уменьшается до 0,2 на границах с квантово-размерной активной областью 1, а в эмиттерных слоях n-проводимости 4 и p-проводимости 5 мольная доля алюминия х' твердого раствора Alx'Ga1-x'As находится в пределах от 0,4 до 0,45.An example of a specific implementation can be a separate limitation laser heterostructure grown on a GaAs (100) substrate of n-conductivity, including a quantum-well active region 1, waveguide layers 2 and 3, made from a solid solution of Al x Ga 1-x As, emitter layers n -conductivity 4 and p-conductivity 5 adjacent to the waveguide layers 2 and 3 and made of a solid solution of Al x' Ga 1-x' As. Separate limitation laser heterostructure is equipped with contact layers 6 and 7 of n- and p-conductivity, adjacent to the corresponding emitter layers of n-conductivity 4 and p-conductivity 5, waveguide layers 2 and 3 are in direct contact with quantum-well active region 1 and emitter layers n -conductivity 4 and p-conductivity 5 and are made of different thickness on the side of the emitter layers of n-conductivity 4 and p-conductivity 5 and are 1.5-1.7 µm and 0.75-0.85 µm, respectively, the mole fraction of aluminum x solid solution of Al x Ga 1-x As in waveguide layers 2 and 3 at the boundaries with the emitter layers of n-conductivity 4 and p-conductivity 5 is 0.32-0.36 and decreases linearly to 0.2 at the boundaries with the quantum-well active region 1, and in the emitter layers of n-conductivity 4 and p-conductivity 5, the mole fraction of aluminum x' of the Al x' Ga 1-x' As solid solution ranges from 0.4 to 0.45.

Использование данного изобретения показывает, что конструкция лазерной гетероструктуры раздельного ограничения со сформированным дополнительным ограничением между волноводными и эмиттерными слоями n- и p-проводимости приводит к снижению величины порогового тока лазерных диодов на 20-40% для разных длин резонатора, по сравнению со структурой, имеющей однородный асимметричный волновод. Снижение порогового тока можно объяснить увеличением фактора оптического ограничения в волноводных слоях гетероструктуры, которое, в свою очередь, объясняется увеличением мольной доли алюминия в эмиттерных слоях, обуславливающим скачок показателя преломления на границе эмиттерного и волноводного слоев.The use of this invention shows that the design of a separate restriction laser heterostructure with an additional restriction formed between the waveguide and emitter layers of n- and p-conductivity leads to a decrease in the threshold current of laser diodes by 20-40% for different cavity lengths, compared with a structure having homogeneous asymmetric waveguide. The decrease in the threshold current can be explained by an increase in the optical confinement factor in the waveguide layers of the heterostructure, which, in turn, is explained by an increase in the mole fraction of aluminum in the emitter layers, which causes a jump in the refractive index at the interface between the emitter and waveguide layers.

Снижение порогового тока позволяет на 20-40% повысить максимальный рабочий ток лазерных диодов и, как следствие, увеличить их максимальную выходную оптическую мощность по сравнению с лазерными диодами, изготовленными из гетероструктуры с однородным волноводом. Кроме того, варизонный волновод обеспечивает повышение выходной мощности излучения на 10-15% по сравнению со структурой, имеющей однородный асимметричный волновод, так как волновод данного типа способствует возврату рефрагирующих мод из волновода в эмиттерные слои. В целом, снижение порогового тока и рост выходной мощности излучения способствует увеличению КПД лазерных диодов.A decrease in the threshold current makes it possible to increase the maximum operating current of laser diodes by 20–40% and, as a result, to increase their maximum output optical power compared to laser diodes made from a heterostructure with a uniform waveguide. In addition, a graded-gap waveguide provides an increase in the output radiation power by 10–15% compared to a structure with a uniform asymmetric waveguide, since this type of waveguide contributes to the return of refractive modes from the waveguide to the emitter layers. On the whole, a decrease in the threshold current and an increase in the output radiation power contribute to an increase in the efficiency of laser diodes.

Для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных конструктивных решений и способность обеспечения достижения указанного технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «промышленная применимость».For the claimed invention in the form as it is described in the claims, the possibility of its implementation using the above-described design solutions and the ability to achieve the specified technical result is confirmed. Therefore, the claimed invention meets the condition of "industrial applicability".

Claims (1)

Лазерная гетероструктура раздельного ограничения, включающая квантово-размерную активную область, волноводные слои, выполненные из твердого раствора AlxGa1-xAs, эмиттерные слои n- и p-проводимости, примыкающие к волноводным слоям и выполненные из твердого раствора Alx'Ga1-x'As, отличающаяся тем, что она снабжена контактными слоями n- и p-проводимости, примыкающими к соответствующим эмиттерным слоям n- и p-проводимости, волноводные слои контактируют непосредственно с квантово-размерной активной областью и эмиттерными слоями n- и p-проводимости и выполнены разнотолщинными со стороны эмиттерных слоев n- и p-проводимости и составляют 2у и y соответственно, где у находится в пределах от 0,75 до 0,85 мкм, мольная доля алюминия x твердого раствора AlxGa1-xAs в волноводных слоях на границах с эмиттерными слоями составляет 0,8х' и линейно уменьшается до 0,5x' на границах с квантово-размерной активной областью, а в эмиттерных слоях мольная доля алюминия x' твердого раствора Alx'Ga1-x'As находится в пределах от 0,4 до 0,45.Laser heterostructure of separate limitation, including a quantum-well active region, waveguide layers made of a solid solution of Al x Ga 1-x As, emitter layers of n- and p-conductivity adjacent to the waveguide layers and made of a solid solution of Al x' Ga 1 -x' As, characterized in that it is equipped with contact layers of n- and p-conductivity adjacent to the corresponding emitter layers of n- and p-conductivity, the waveguide layers are in direct contact with the quantum-well active region and the emitter layers of n- and p- conductivity and are made of different thickness on the side of the emitter layers of n- and p-conductivity and are 2y and y, respectively, where y is in the range from 0.75 to 0.85 μm, the mole fraction of aluminum x of the Al x Ga 1-x As solid solution in waveguide layers at the boundaries with the emitter layers is 0.8x' and decreases linearly to 0.5x' at the boundaries with the quantum-well active region, and in the emitter layers the mole fraction of aluminum x' of the Al x' Ga 1-x' As solid solution is ranging from 0.4 to 0.45.
RU2022104549A 2022-02-21 Separate-confinement laser hetero-structure RU2787721C9 (en)

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2787721C1 RU2787721C1 (en) 2023-01-11
RU2787721C9 true RU2787721C9 (en) 2023-06-29

Family

ID=

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6721348B2 (en) * 2001-09-18 2004-04-13 Avalon Photonics Ag Indium phosphide-based vertical-cavity surface-emitting laser
RU2309501C1 (en) * 2006-09-06 2007-10-27 Закрытое акционерное общество "Полупроводниковые приборы" Semiconductor injection laser
CN104051957A (en) * 2014-06-23 2014-09-17 天津工业大学 Preparation method and application of 1550 nm long wavelength vertical-cavity surface-emitting laser
RU188629U1 (en) * 2018-12-21 2019-04-18 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики" (Университет ИТМО) HETEROSTRUCTURE OF VERTICAL-RADIATING LASER
RU200326U1 (en) * 2019-12-24 2020-10-16 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет ИТМО" (Университет ИТМО) HETEROSTRUCTURE OF A LONG-WAVE VERTICAL-RADIATING LASER WITH SEPARATE CURRENT AND OPTICAL LIMITATIONS

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6721348B2 (en) * 2001-09-18 2004-04-13 Avalon Photonics Ag Indium phosphide-based vertical-cavity surface-emitting laser
RU2309501C1 (en) * 2006-09-06 2007-10-27 Закрытое акционерное общество "Полупроводниковые приборы" Semiconductor injection laser
CN104051957A (en) * 2014-06-23 2014-09-17 天津工业大学 Preparation method and application of 1550 nm long wavelength vertical-cavity surface-emitting laser
RU188629U1 (en) * 2018-12-21 2019-04-18 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики" (Университет ИТМО) HETEROSTRUCTURE OF VERTICAL-RADIATING LASER
RU200326U1 (en) * 2019-12-24 2020-10-16 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет ИТМО" (Университет ИТМО) HETEROSTRUCTURE OF A LONG-WAVE VERTICAL-RADIATING LASER WITH SEPARATE CURRENT AND OPTICAL LIMITATIONS

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8885681B2 (en) Semiconductor laser device
US7646799B2 (en) Edge emitting semiconductor laser comprising a plurality of monolithically integrated laser diodes
US6175582B1 (en) Semiconductor laser device
US20120287958A1 (en) Laser Diode Assembly and Method for Producing a Laser Diode Assembly
JP4483615B2 (en) Epitaxial wafer for semiconductor light emitting device and semiconductor light emitting device
US9373937B2 (en) Semiconductor laser with improved current conduction
JP2007096267A (en) Epitaxial wafer for semiconductor light emitting device led, its manufacturing method, and semiconductor led
KR20110106879A (en) Mqw laser structure comprising plural mqw regions
US20230021325A1 (en) Semiconductor laser device and method of manufacturing the same
EP2346124B1 (en) Semiconductor laser element
JP2003204122A5 (en)
US20110243171A1 (en) Nitride-based semiconductor laser device
US20150340840A1 (en) Semiconductor laser
US20100103970A1 (en) Semiconductor laser device
US8976831B2 (en) Edge-emitting semiconductor laser
RU2787721C9 (en) Separate-confinement laser hetero-structure
RU2787721C1 (en) Separate-confinement laser hetero-structure
US7135710B2 (en) Semiconductor light-emitting device
US7787509B2 (en) Semiconductor laser device
CN111900624A (en) Gallium nitride based laser with asymmetric In component InGaN waveguide layer
US20080013579A1 (en) Buried-heterostructure semiconductor laser
US20230369827A1 (en) Optoelectronic semiconductor component, and method for producing an optoelectronic semiconductor component
US7577175B2 (en) Structure of high power edge emission laser diode
RU2807419C1 (en) Laser diode
US11677045B2 (en) Optoelectronic semiconductor body and light-emitting diode