Optimization of temperature dependence of threshold current of heteronanolasers with consideration of thickness and mate.pdf Введение и постановка задачи При протекании рабочего тока в активной области лазерной гетероструктуры пороговая концентрация носителей заряда достигает ~ 1018 см-3, что, согласно модели антиволноводного эффекта [1, 2], может вносить свой вклад в температурную зависимость порогового тока лазерной наноструктуры. Внутренние оптические потери активной области лазерной гетеронаноструктуры зависят от концентрации носителей заряда и фактора оптического ограничения, которая достигается введением дополнительного волноводного слоя, поэтому требуется оптимизация толщины и материала этого слоя. В данной работе проведён расчет с целью определения влияния толщины и диэлектрических свойств материала волноводного слоя на температурную зависимость порогового тока инжекционных лазеров на основе симметричных гетеронаноструктур раздельного ограничения с расширенным волноводом, излучающих в диапазоне длин волны 0.94-1.14 мкм. На основе этих расчетных данных произведена оптимизация конструкции гетеролазеров. Метод расчёта и методы контроля волноводных параметров на основе сравнения расчётных данных по пороговому току для оптимизации параметров лазера, использованные в настоящей работе, были изложены в [3-5]. Для нахождения коэффициента усиления для волны необходимо решить соответствующее волновое уравнение и найти константу β распространения собственной моды волновода. Ввиду того, что при увеличении температуры происходит срыв лазерной генерации и это считается критической точкой, в данной работе для расчёта был использован метод модулирующих функций [3]. В работе рассмотрена квантоворазмерная гетеронаноструктура, используемая для изготовления лазеров диапазона 0.94-1.14 мкм. Указанная полупроводниковая система выбрана как наиболее технологически отработанная, но использованные методики и подходы применимы также и для оптимизации многослойных наноструктур на основе других твёрдых растворов. 1. Методы расчёта Согласно [3-5], вначале рассчитаем зависимость модового коэффициента усиления от величины локального усиления в активном слое (величины накачки). Далее, используя эту зависимость и фиксируя величину модового усиления на уровне потерь резонатора, найдём зависимость порогового локального усиления от температуры. В качестве оптической модели активной области инжекционного лазера на основе гетеронаноструктур рассмотрим плоский многослойный диэлектрический волновод с комплексными значениями диэлектрической проницаемости ( ) во всех слоях. Рассмотрение ограничим одним только поперечным направлением, перпендикулярным слоям гетероструктуры. Мнимые части соответствуют коэффициентам поглощения в широкозонных слоях и считаются постоянными. Комплексная диэлектрическая проницаемость активного слоя представляет сумму постоянной величины и переменной комплексной добавки , учитывающей изменение локального значения коэффициента усиления и показателя преломления при изменении концентрации инжектированных электронов N (накачки лазеров). Вначале, используя параметры лазеров с различными толщинами волноводного нанослоя гетеролазеров, произведем расчет температурной зависимости порогового тока. В лазерных структурах в качестве волноводного нанослоя использовался слой напряженного твердого раствора AlGaAs. Данные, характеризующие исследуемые лазерные структуры, сведены в таблице. Параметры наногетероструктуры № слоя Назначение слоев Состав слоя Толщина слоя, мкм  1 Металлический контакт Au - 2 Полупроводниковый контактный слой GaAs 0.14 12.39 3 p-эмиттерный слой Al0.3Ga0.7As 0.9 11.30 4 Волноводный слой Al0.3Ga0.7As 0.9 4 5 Переходный слой GaAs 0.036 12.45 6 Активный квантоворазмерный слой lnGaAs d0 12.82 7 Переходный слой GaAs 0.036 11,64 8 Волноводный слой Al0.21Ga0.79As 4.00 8 9 n-эмиттерный слой Al0.3Ga0.7As 1.0 11.30 10 Подложка GaAs - 12.45 Рис. 1. Температурные зависимости порогового тока лазеров на основе гетеронаноструктур при различных значениях толщины волноводного слоя. Параметрами кривых является толщина волноводного слоя w: кр. 1 - 0.00 мкм; кр. 2 - 0.006 мкм; кр. 3 - 0.012 мкм; кр. 4 - 0.02 мкм; 4 = 8; R = 6; мкм; gМ = 120 см-1; d0 = 0.004 мкм Результаты расчета температурной зависимости порогового тока при различных значениях толщины волноводного нанослоя гетеролазеров приведены на рис. 1 ( - длина волны; - модовый коэффициент усиления; R - материальный коэффициент амплитудно-фазовой связи (КАФС), равный отношению реальной части производной к её мнимой части; - величина порогового тока при ; - характеристическая температура). Расчёт произведён для толщин активной области . Используя параметры лазеров с различными диэлектрическими свойствами материала волноводного слоя гетеролазеров, произведем расчет температурной зависимости порогового тока. Расчёт произведён для толщины активной области 4 нм. Результаты расчета температурной зависимости порогового тока от диэлектрических свойств материала волноводного слоя гетеролазеров приведены на рис. 2. Рис. 2. Температурные зависимости порогового тока лазеров на основе гетеронаноструктур при различных значениях диэлектрической проницаемости волноводного слоя. Параметрами кривых является значение диэлектрической проницаемости волноводных слоёв : кр. 1 - 11.3 (GaAs); кр. 2 - 11.64 (Al0.2Ga0.8As); кр. 3 - 11.83 (Al0.29Ga0.71As); R = 6; мкм; gМ = 120 см-1; d0 = 0.004 мкм Метод расчета волноводной гетеронаноструктуры, а также методы контроля волноводных параметров на основе расчетных данных, изложенных выше по температурной зависимости порогового тока инжекционных лазеров, были использованы для оптимизации конструкции гетерола- зеров. Основная задача при оптимизации лазеров на основе многослойных наноструктур, с целью улучшения температурной зависимости излучательных характеристик гетеролазеров, заключается в создании оптимального волноводного эффекта в активной области лазера в направлении плоскости р-n-перехода. В данной работе произведена оптимизация температурной зависимости излучательных характеристик квантоворазмерных гетеронаноструктур на основе системы AlGaAs/InGaAs/GaAs, применяемой для изготовления лазеров диапазона 0.94-1.14. Используем данные, приведенные в таблице. Эти параметры оптимизированы без учета антиволноводного действия инжектированных носителей заряда и их вклада на температурную зависимость излучательных характеристик гетеролазеров [6]. Расчеты выполнены для толщин активной области 4 и 8 нм (рис. 3, а). Для этих структур оптимизированная толщина волноводного слоя w будет 0.19 мкм (4 нм) и 0.13 мкм (8 нм) соответственно. Таким же образом можно оптимизировать значения диэлектрической проницаемости волноводных слоёв (рис. 3, б). Для этих структур оптимизированное значение диэлектрической проницаемости волноводных слоёв будет 12.75 и 13.3 соответственно. Рис. 3. Оптимизация толщины (а) и величины диэлектрической проницаемости (б) волноводного слоя гетеронанолазера. Параметрами кривых является толщина активной области d0, мкм: кр. 1 - 0.004 мкм; кр. 2 - 0.008 мкм; R = 6; мкм; gМ = 120 см-1; Т = 70 С; а - ; б - w = 0.12 мкм 2. Обсуждение В исследуемом диапазоне внутренние оптические потери в лазерных гетероструктурах раздельного ограничения независимы от толщины активной области. Изменение величины внутренних оптических потерь, связанные с вариациями толщины активной области, пропорциональны фактору антиволноводного действия инжектированных носителей заряда. Измененные толщины волноводного слоя оказывают существенное влияние на пороговую плотность тока в симметричных лазерных гетероструктурах разделенного ограничения. Это связано с тем, что распределение основной моды излучения в расширенном волноводе наноструктуры полностью определяется материальными и геометрическими параметрами эмиттерных и волноводных слоев. Существуют многочисленные экспериментальные данные [7, 8] относительно температурной зависимости излучательных характеристик инжекционных лазеров на основе гетеронаноструктур. В этих работах приведен характерный вид температурных зависимостей пороговой плотности тока [9]. В зависимостях при некоторой температуре наблюдается резкое возрастание пороговой плотности тока и соответственно наступает снижение температурной стабильности. Эта температура зависит от диэлектрических свойств состава материала волновода. Результаты расчета температурной зависимости порогового тока от диэлектрических свойств материала волноводного слоя гетеролазеров, приведённой на рис. 2, хорошо согласуются с экспериментальными данными работы [9]. Как было отмечено выше, оптимизация структуры гетеронанолазера представляет собой задачу об оптимизации толщины и значения диэлектрической проницаемости волноводных слоев. Условием улучшения волноводных свойств активной области с целью улучшения температурной зависимости излучательных характеристик нанослойных гетеролазеров является наличие волноводного слоя с низкими оптическими потерями и со значением диэлектрической проницаемости, близким к эффективному значению диэлектрической проницаемости всего волновода наноструктуры. Толщина этого слоя ограничивается из-за целого ряда неконтролируемых или слабо контролируемых механизмов. К ним можно отнести температурные градиенты, сопровождающие работу лазера, появление мод высшего порядка, объемные механические напряжения, возникающие при монтаже лазерного чипа, начальные оптические неоднородности из-за несовершенства технологии выращивания наноструктуры и т.д. Всё это означает, что увеличение толщины волноводного слоя вряд ли целесообразно. Казалось бы, значение толщины волноводного слоя можно было определить только один раз и затем остановиться на достигнутом оптимальном значении. Однако, как было показано выше, эта величина зависит от толщины активной области и скачка значения диэлектрической проницаемости между слоями наноструктуры. Поэтому для каждой конкретной наноструктуры и соответственно длины волны излучения (в силу дисперсии показателя преломления) необходимо находить свои значения толщины волноводного слоя. Заключение На основании выполненных расчётов можно сделать вывод, что аномальное поведение температурной зависимости порогового тока в лазерах на основе гетеронаноструктур есть результат относительно слабых волноводных свойств их активной области. Результаты расчета показывают, что в лазерной гетеронаноструктуре раздельного ограничения с расширенным волноводом с увеличением толщины и значения диэлектрической проницаемости волноводного слоя температурная зависимость излучительных характеристик улучшается. Можно констатировать, что в соответствии с результатами расчётов осуществлена оптимизация параметров гетеронаноструктуры инжекционных лазеров по толщине и диэлектрическим свойствам материала волноводного слоя, позволяющая существенно ослабить температурную зависимость их излучательных характеристик.

Скачать электронную версию публикации