14.607.21.0048

Цель:
- обеспечение безопасного для глаз применения мощных полупроводниковых лазеров в промышленном и социальном комплексах.
Задача:
- разработка технологии получения лазерных наногетероструктур и мощных полупроводниковых лазеров на их основе, излучающих в оптическом диапазоне 1400-1600 нм;
- достижение максимальной оптической мощности излучения в непрерывном режиме генерации более 3 Вт и в импульсном режиме генерации более 10 Вт.

Увеличение максимальной оптической мощности полупроводниковых лазеров в безопасном для глаз оптическом диапазоне 1400-1600 нм позволяют кардинально расширить возможности их применений в системах передачи информации, оптической накачки, дальнометрии, метрологии, газоанализа, спектроскопии высокого разрешения и медицинских приборах. Выполнение задач проекта позволит выполнить международные и российские стандарты для полупроводниковых лазеров в приборах широкого применения, запрещающие использование ИК диапазона длин волн менее 1300 нм.
Впервые, с применением концепции мощных полупроводниковых лазеров, создана технология получения лазерных наногетероструктур раздельного ограничения, излучающих в среднем ИК диапазоне и мощных многомодовых лазеров на их основе с параметрами, сопоставимыми и по некоторым из них превышающими мировые аналоги. Применен комплексный подход, включающий в себя полный технологический цикл создания мощных полупроводниковых лазеров, а также методик, позволяющих полностью охарактеризовать данные лазеры.

В ходе настоящей работы были исследованы и оптимизированы торцевые мезаполосковые лазеры на основе асимметричных двойных гетероструктур раздельного ограничения с квантоворазмерной активной областью, изготовленные в системе твёрдых растворов AlGaInAs/InP методом МОС-гидридной эпитаксии.

Изначальный технический уровень таких лазеров был следующим: для лазеров с апертурой 100 мкм при температуре теплоотвода 25⁰С максимальные мощности составляли менее 2 Вт и менее 8 Вт в непрерывном и импульсном (100 нс/1 кГц) режимах соответственно. Основные физические механизмы, ограничивающие мощность таких лазеров, это Оже-рекомбинация носителей заряда в активной области, токовые утечки за счёт делокализации носителей из активной области, рост внутренних оптических потерь с температурой и током накачки.

В качестве основного направления оптимизации конструкции лазеров была выбрана концепция мощных полупроводниковых лазеров с расширенным асимметричным волноводом, которая уже хорошо зарекомендовала себя для лазеров диапазона 900-1100 нм [N.A.Pikhtin et al, Electronics Letters,40,1413 (2004)]. В оптимизированных лазерах использовался широкий (1.8 мкм) волновод из материала AlGaInAs, обеспечивающего лучшее ограничение электронов и 2 напряжённые квантовые ямы по 80 Ả в активной области с большим фактором оптического ограничения (1-2%) для снижения Оже-рекомбинации. По опыту нашей работы с лазерами спектрального диапазона 900-1100 нм мы предположили, что увеличение ширины запрещённой зоны волновода до 1.2 эВ также будет способствовать снижению Оже-рекомбинации за счёт снижения концентрации носителей в активной области и повышения температурной стабильности пороговой плотности тока. Модификация конструкции волновода позволила добиться рекордно низких для данного спектрального диапазона внутренних оптических потерь 1.5 см^-1. К сожалению, токовые утечки за счёт делокализации носителей из активной области по-прежнему значительно снижали характеристики лазеров. Подробные исследования лазеров различных конструкций, в особенности спектров спонтанного излучения [Д.А. Веселов и др., ФТП, 50(9),с.1247 (2016)], позволили предложить решение для подавления токовых утечек.

Было предложено создание энергетического барьера из широкозонного AlInAs, который препятствует выбросу носителей из ямы. Проведённая работа по оптимизации количества, положения и состава барьеров позволила получить оптимальную конструкцию наногетероструктуры. В отличие от работ [A.E. Zhukov et al, Appl. Phys. Lett., 100,021 107 (2012); T. Garrod, et al. Appl. Phys. Lett.,105, 071 101 (2014).] обнаружено, что выгоднее всего установить барьер не вплотную к квантовой яме, а на гетерогранице волновод – Р-эмиттер. Объяснение этому заключается в особенностях зонной диаграммы AlGaInAs-AlInAs-InP. Барьер AlInAs, находящийся в слоях AlGaInAs представляет гетеробарьер не только для элетронов, но и для дырок, препятствуя их транспорту и ухудшая электрические характеристики. В то же время барьер AlInAs на границе с InP является барьером только для электронов и не затрудняет транспорт дырок. Разумеется, энергетический барьер, находящийся на таком расстоянии (более 0.5 мкм) от квантовой ямы не может сам по себе предотвратить делокализацию носителей заряда, однако он способствует накоплению концентрации носителей в р-волноводе, которая по-видимому препятствует выбросу носителей из квантовых ям. Указанный рост концентрации наблюдался как в спектрах спонтанного излучения, так и в несколько возросшем значении внутренних оптических потерь на пороге генерации (2 см^-1). Увеличение потерь было полностью компенсировано возросшим до 95% внутренним квантовым выходом стимулированного излучения.

Лазеры на основе этой гетероструктуры, имеющие апертуру 100 мкм, продемонстрировали максимальные мощности 4Вт и 12 Вт в непрерывном и импульсном режимах, соответственно, при температуре теплоотвода 25⁰С.

Для дальнейшего повышения максимальной мощности в импульсном режиме была разработана особая конструкция лазерной наногетероструктуры, предназначенная для импульсных лазеров. Её особенностью является использование сверхузкого (менее 0.3 мкм) центрального волноводного слоя, ограничивающего моду электромагнитной волны и включающего в себя активную область с энергетическими барьерами. За счёт этого большая часть электромагнитного поля распространяется в окружающих слоях InP, имеющего сложный профиля легирования. Лазеры на основе такой гетероструктуры продемонстрировали максимальные мощности 3 Вт и 18 Вт в непрерывном и импульсном режимах , соответственно, при температуре теплоотвода 25⁰С.

Были разработаны, исследованы и оптимизированы торцевые мезаполосковые лазеры на основе асимметричных двойных гетероструктур раздельного ограничения с квантоворазмерной активной областью, изготовленные в системе твёрдых растворов AlGaInAsP/InP методом МОС-гидридной эпитаксии. Результаты работы:

1) Разработаны лабораторные регламенты изготовления лазерных наногетероструктур, мощных непрерывных и импульсных полупроводниковых лазеров.

2) Изготовлены экспериментальные образцы лазерных наногетероструктур, мощных непрерывных и импульсных полупроводниковых лазеров.

3) Исследования экспериментальных образцов лазерных наногетероструктур, мощных непрерывных и импульсных полупроводниковых лазеров показали, что наногетероструктуры и лазеры полностью удовлетворяют требованиям ТЗ.

4) Достигнуты максимальные оптические мощности 4 Вт для непрерывных и 18 Вт для импульсных (100 нс / 1 кГц) лазеров с апертурой 100 мкм, температура теплоотвода 25 ⁰С. Максимальный КПД составил 40 %.

4) Полученные результаты более чем вдвое превосходят исходный (до начала проекта) технический уровень лазеров данного диапазона, не имеют аналогов в России и находятся на уровне лучших мировых аналогов (Princeton Lightwave (США), Modulight (Финл.)), даже превосходя их по некоторым показателям (импульсная мощность и КПД).

5) Разработаны технические требования и предложения по разработке производства и эксплуатации продукции с учетом технологических возможностей и особенностей Индустриального партнера. Разработан проект технического задания на проведение ОКР.

В настоящее время международные и российские стандарты применения полупроводниковых лазеров в приборах широкого потребления запрещают использование мощных полупроводниковых лазеров, работающих в диапазоне длин волн менее 1300 нм, т.к. данное излучение беспрепятственно проникает сквозь роговицу, фокусируется на сетчатке и разрушает её, вызывая необратимые повреждения глаза. Получение высокоэффективных мощных лазерных диодов излучающих в диапазоне длин волн 1400-1600 нм, позволит кардинально расширить возможности применений полупроводниковых лазеров, т.к. излучение с длиной волны более 1400 нм сильно поглощается роговицей, что предотвращает разрушение сетчатки. Внедрение результатов проекта предполагается по нескольким направлениям: производство мощных оптических лазерных модулей импульсного и непрерывного действия; производство медицинской аппаратуры на основе мощных полупроводниковых лазеров диапазона длин волн 1400-1600 нм и оптических лазерных модулей; производство дальномеров и систем специального назначения.
Потенциальными потребителями разрабатываемой продукции в России могут быть: ОАО «НИИ Полюс» им. М.Ф. Стельмаха, г. Москва; ОАО «НПП Инжект», г. Саратов и ООО «Эльфолюм», г.С.-Петербург в области коммерциализации полупроводниковых лазеров, оптических лазерных модулей и дальномеров; ЗАО «Полупроводниковые приборы» г. С.-Петербург в области коммерциализации медицинской аппаратуры; ЗАО «Лазерные системы» г.С.-Петербург в области коммерциализации дальномеров.
Использование полученных результатов и налаживание отечественного производства могут полностью закрыть потребность в данных приборах на внутреннем рынке и сделать их себестоимость ниже, чем при использовании зарубежных приборов.