Современная электроника №2/2025

СТРАНИЦЫ ИСТОРИИ 14 WWW.CTA.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 2 / 2025 рые не захватываются одним слоем КТ, могут быть захвачены последую- щими слоями. Причём кроме прямого захвата из барьерного слоя носители могут туннелировать между соседни- ми точками, а также захватываться с помощью фононов. Поскольку квантовые точки встро- ены в оптическую полость (ОП), обра- зованную зеркалами DBR, то все они взаимодействуют с одной и той же оптической модой. При этом в ОП фор- мируется стоячая волна, которая обе- спечивает общее резонансное поле, связанное со всеми КТ. При достижении порогового напря- жения лазера только КТ с энергиями перехода, соответствующими основ- ной моде ОП, начинают излучать когерентно. В то же время в опти- ческой полости создаются условия, необходимые для существования инверсии населённости, вызываю- щей вынужденное излучение с син- хронизированными фазами испу- скаемых фотонов. Таким образом, реализуется «естественный отбор» КТ, участвующих в генерации коге- рентного лазерного излучения. Те квантовые точки, энергия которых не соответствует основной моде, прак- тически не вносят вклад в когерент- ное излучение. Ключевое отличие принципа рабо- ты лазера VCSEL от лазера с тради- ционной двойной гетероструктурой (ДГС) заключается в том, что вместо единой непрерывной среды усиле- ния мы имеем массивы, состоящие из многочисленных дискретных центров усиления (КТ). Отмеченные выше свойства резонатора DBR и про- цесс стимулированного излучения заставляют эти дискретные излуча- тели (КТ) работать синхронно, выра- батывая коллективное когерентное излучение. В таких VCSEL-лазерах максималь- ный коэффициент усиления (К вус ) реа- лизуется в направлении, перпендику- лярном гетеропереходу. В то же время КГус в плоскости перехода сведён к минимуму. Этот эффект максималь- но реализуется при использовании гетероструктур на базе 3D массивов с вертикально связанными КТ (VCQD). Важный элемент в вертикально- излучающих лазерах (ВИЛ), связан- ный с ограничением по току, полу- чил название «токовая апертура» (Current Aperture – CU). На рис. 8 этот защитный элемент обозначен как «Oxide Layer». В современных ВИЛ, в которых используется субмилли- метровая модуляция, существует про- блема ограничения порогового тока на частотах выше 10 ГГц. Наиболее распространённым решением этой технологической задачи является вариант токовой апертуры, изготов- ленной методом селективного окис- ления слоёв AlGaAs с высоким содер- жанием Al [45]. Следует отметить, что существует также другая проблема в современ- ных ВИЛ, связанная с дифракцией света на высоких частотах. Для это- го используется другой вариант кор- рекции: оптическая апертура (Optical Aperture). Первая модель вертикально-излу- чающего лазера, разработанная груп- пой Алфёрова, была предназначена для генерации когерентного излуче- ния в инфракрасном (ИК) диапазоне (λ = 1–3 мкм) [43]. Гетероструктура VCQD этого лазе- ра, выращенная методом МЛЭ, состо- яла из вертикально связанных слоёв квазипирамидальных КТ, образован- ных осаждениями InGаAs на подлож- ках GaAs по описанной выше схеме (рис. 7). Эта структура содержала три слоя квантовых точек InGаAs со сред- ней толщиной 1,2 нм, разделённых барьерным слоем GaAs (1,75 λ). Кроме того, в состав гетероструктуры были включены два распределённых брэг- говских отражателя – РБО (DBR) на основе чередующихся слоёв AlGaAs толщиной λ/4 и разными показате- лями преломления. Плотность КТ в активном слое составляла 5×10 11 см -2 . Матрица из VCQD была размещена в центре DBR микрорезонатора. Гра- ничные области активной зоны были легированы до 10 17 см 3 и 10 18 см 3 (p, n). Этот лазер имел модовое расстоя- ние Δλ в диапазоне примерно от 100 до 300 нм. Такое расстояние между мода- ми позволяло лазеру излучать одиноч- ную продольную моду при различных входных токах. Благодаря тому, что в активной области используются тройные гете- роструктуры, содержащие массивы квантовых точек, а направление излу- чения лазера перпендикулярно пло- скости перехода, на небольшой пло- щади оптической апертуры (100 мкм 2 ) может быть получена высокая плот- ность излучателей. При этом эффек- тивный показатель усиления этой сре- ды превышал 10 4 см –1 . Эксперименты с различным коли- чеством слоёв квантовых точек (N) показали, что увеличение их чис- ла приводит к значительному сни- жению пороговой плотности тока (примерно 100 А/см 2 при 300К для N = 10). Использование гетерострук- тур InGaAs/AlGaAs VCQD в сочетании с высокотемпературным ростом сло- ёв эмиттера и волновода приводит к дальнейшему снижению пороговой плотности тока (60–80 А/см 2 , 300К) и повышению внутренней квантовой эффективности (70%) [34]. В статье [46] исследовались раз- личные варианты гетероструктуры с вертикальными оптическими резо- наторами (ОР), имеющие активные области на базе массивов квантовых точек InAs, выращенные методом МПЭ на подложках GaAs. В качестве ОР использовались DBR на основе AlAs/ GaAs (нижний) и SiO 2 /ZnS (верхний). Массивы InAs квантовых точек были помещены во внешнюю квантовую яму In 0,3 Ga 0,7 шириной 4 нм. Для получения гетероструктур была разработана поэтапная технология синтеза. Сначала методом МПЭ выра- щивалось нижнее зеркало на основе нелегированной структуры AlAs/GaAs с толщинами слоёв λ/4. При этом кон- тролировалось формирование скры- тых контактных слоёв (p, n) внутри активного слоя ОР. После выращива- ния зеркала структура вынималась из камеры и проводились измерения спектров отражения и других пара- метров. Затем нижний ОР разделял- ся на отдельные образцы, на которых выращивались различные варианты активных слоёв. Для предотвраще- ния окисления AlAs все структурные слои покрывались слоем GaAs толщи- ной (λ/4). Полученные результаты зависимо- сти спектров отражения и фотолюми- несценции от различных комбинаций компонентов структуры активной области и оптических резонаторов позволили утверждать, что разра- ботанная технология потенциально пригодна для создания вертикальных излучателей и резонансных фотопри- ёмников диапазона длин волн в рай- оне 1,3 мкм на подложках арсенида галлия. Было показано, что конструкция гетероструктур, в которых массивы квантовых точек InAs размещены во внешней напряжённой квантовой яме InGaAs, позволяет значительно