Elektronika 2011-10 I.pdf - Instytut Systemów Elektronicznych ...

taksjalnych GaAs/GaAs, heteroepitaksjalych AlGaAs/GaAsoraz powierzchnie wielowarstwowych struktur supersieciowychAlGaAs/GaAs. W charakterze powierzchni referencyjnej zbadanopowierzchnię podłoża GaAs, wygrzaną uprzednio w temperaturzeT = 580°C, w strumieniu cząsteczek As 4.Z przeprowadzonych badań morfologii powierzchni wynika,że dominujący wpływ ma temperatura procesu wzrostu. Mniejszeznaczenie ma szybkość wzrostu, geometria krystalizowanej struktury(grubość warstw GaAs i AlGaAs) i parametr V/III. Na morfologiępowierzchni ma również wpływ koncentracja domieszki.Processing przyrządowyZ heterostruktur wykonano przyrządy o konstrukcji typu doubletrench. W warstwie izolacji elektrycznej z azotku krzemu (Si 3N 4)otworzono „okna” dla kontaktu omowego o szerokości 15…35 m.Dla laserów pracujących w temperaturze pokojowej kluczowebyło wykonanie pokryć wysokoodbiciowych na tylnych zwierciadłachoraz doskonała technologia montażu.Ze względu na długość fali emitowanej przez nasze lasery(~ 9,6 μm) praktyczna realizacja wysokoodbiciowego zwierciadłabraggowskiego byłaby bardzo utrudniona, gdyż wymagałaby wykonaniastruktury wielowarstwowej o znacznej grubości. Dlategoteż wykonano wysokoodbiciowe pokrycia metaliczne, o optymalnejkonstrukcji, znalezionej w efekcie przeprowadzonych przeznas badań: 100 nm Al 2O 3/100 nm Au/100 nm Al 2O 3(rys. 4). Silnywzrost maksymalnej temperatury działania oraz spadek wartościprądu progowego lasera uzyskany dzięki zastosowaniu pokryćwysokoodbciowych przedstawiono na rys. 5.Właściwie przeprowadzony montaż jest warunkiem uzyskaniapoprawnych parametrów termicznych i elektrycznych przyrządu orazstabilności i niezawodności jego działania. W skrajnym przypadkunieprawidłowy montaż może doprowadzić do zniszczenia przyrządu.Na rysunku 6 przedstawiono zależność wzrostu temperaturyobszaru aktywnego QCL od mocy prądu zasilania, dla laserówmontowanych na chłodnicach z zastosowaniem różnych rodzajówlutu, o różnych grubościach. Wzrost grubości warstwy lutuzwiększa oporność cieplną przyrządu.Właściwości laserówWarunkiem uzyskania laserowania w temperaturze pokojowejbyły właściwe rozwiązania konstrukcyjne, a w szczególnościoptymalizacja poziomu domieszkowania iniektorów w heterostrukturachlaserowych i optymalizacja geometrii chipów orazzastosowanie odpowiednio wykonanych pokryć wysokoodbiciowychna tylnych zwierciadłach (rys. 7a). Do osiągnięcia tegorezultatu przyczyniło się także udoskonalenie procesów technologiiwytwarzania przyrządów, m.in. sukcesywne udoskonalanieprocesów składających się na montaż chipów na chłodnicach,warunkujące poprawę właściwości termicznych.Szczegółowe testy chipów laserowych dotyczyły badania możliwościuzyskania akcji laserowej oraz mocy generowanej przez laserw zależności od warunków termicznych (rys. 7b) oraz warunków zasilania.Przetestowano ponad 100 chipów laserowych, badając ichwłaściwości elektryczne oraz optyczne w różnych warunkach pracy.W warunkach kriogenicznych rekordowa emitowana moc optyczna,emitowana przez jedno lustro lasera bez pokryć, przekracza2,5 W w piku (rys. 8a).Zbadano także możliwość kontroli długości emitowanej fali.Określono tu m.in. wpływ domieszkowania iniektorów (rys. 8b),a także wpływ warunków pracy lasera (wpływ natężenia prąduzasilania oraz temperatury pracy chipu).Wzrost długości fali towarzyszący wzrostowi domieszkowaniaobszaru aktywnego jest prawdopodobnie efektem wzrostu temperaturyobszaru aktywnego związanego z wyższym prądem progowymstruktur silniej domieszkowanych. Analogicznie, wzrosttemperatury działania lasera również wiąże się z przesunięciemdługości fali w kierunku wyższych wartości.Przeprowadzono również badania rozbieżności wiązki laserowejemiterów QCL, która ma wartość co najmniej kilkudziesięciustopni.a)b)Rys. 7. Zależność maksymalnej temperatury działania lasera od jegoparametrów konstrukcyjnych (a), emitowana moc optyczna w zależnościod temperatury działania lasera oraz maksymalna temperaturadziałania QCL (b)Fig. 7. Dependence of QCL’s maximum operating temperature on thelaser’s construction parameters (a), dependence of radiative poweremitted by the QCL on its operating temperature and QCL’s maximumoperating temperature (b)a)b)Carrier sheet density (10 11 cm -2 )Rys. 8. Para podstawowych charakterystyk laserowych (L-I-V) zmierzonaw warunkach kriogenicznych (a), zależność długości emitowanej falilaserowej od poziomu domieszkowania obszarów iniektorowych (b)Fig. 8. QCL’s L-I-V characteristics measured at cryogenic conditions(a), dependence of emitted wavelength on doping concentrationof QCL’s injector regions (b)Elektronika 10/2011 17