LASER a Semiconduttore

Capitolo 2
LASER
PROBLEMA DEL CONFINAMENTO
Abbiamo visto la duplice natura del confinamento: fotonico ed elettronico, entrambi
suddivisi in confinamento verticale ed orizzontale.
La doppia eterostruttura garantisce sia il confinamento elettronico di tipo verticale, in quanto
essa impedisce la diffusione dei portatori nei cladding, che quello ottico, sempre di tipo verticale,
grazie alla differenza degli indici di rifrazione.
La classificazione dei laser, che coinvolge problemi di tecnologie e di costi, riguarda il
confinamento ottico ed elettronico di tipo orizzontale.
I laser vengono suddivisi in:
• GAIN-GUIDE: non ha nessuna cura nel realizzare confinamento ottico laterale, ma compie
sforzi per realizzare quello elettrico tramite differenze di drogaggi.
• QUASI-INDEX-GUIDE relizza un buon confinamento ottico ed elettronico, il primo grazie
alla modulazione dell’indice di rifrazione di guida, e il secondo tramite l’indroduzione del
CAP.
• STRONGLY-INDEX-GUIDED: realizza un ottimo confinamento, sia ottico che elettrico,
grazie alla guida sepolta e la CAP.
GAIN-GUIDE LASER
CONFINAMENTO OTTICO LATERALE BLANDO
La struttura in figura 1 praticamente non presenta alcun tipo di confinamento ottico laterale,
o almeno lo presenta solo blando, dovuto alla debole differenza di indice di rifrazione grazie alle
diverse concentrazioni dei portatori.
CONFINAMENTO ELETTRONICO LATERALE ASSENTE
Il confinamento elettronico è altrettanto assente in quanto l’area attiva è definita dalla sola
geometria dell’iniezione di corrente. Quello che vorremmo evitare sono le perdite laterali della
corrente (linee sottili in figura 2) anche se le linee di flusso sono distanziate, ad indicare una debole
densità di corrente, ma si tratta comunque di una corrente persa, ai fini dell’area attiva..
TECNICHE DI CONFINAMENTO ELETTRICO:
Si tratta di tecniche non particolarmente raffinate: un’impiantazione nel caso della prima
soluzione e una diffusione nel caso della seconda, ma che consentono di confinare quanta più
corrente possibile all’interno dell’area attiva evitando le perdite laterali.
1° SOLUZIONE
Una prima strategia è quella di
definire delle zone altoresistive tramite
impiantazione
che
non
deve
coinvolgere l’area attiva. Si chiama
SCHELL OF IMPLANT cioè
impiantazione superficiale che tende a
rendere intrinseco il semiconduttore
intorno all’area attiva. Queste zone
tendono quindi a concentrare tutta
l’intensità di corrente nell’area attiva,
dato che le zone circostanti presentano
una maggior resistenza.
Fig. 3
2° SOLUZIONE
Questa seconda strategia è praticamente
la duale della precedente. Presenta un
ulteriore strato, che si chiamo CAP. Si
tratta di uno strato di semiconduttore
quaternario (dato che lo è lo strato attivo)
a basso gap drogato di tipo n. D’ora in poi
questo strato sarà praticamente sempre
presente. E’ necessario che sia a basso
gap in quanto in questo modo la
giunzione metallo semiconduttore, che
Fig. 4
costituisce un diodo schottky, ha una
bassa tensione di soglia, a causa della
bassa barriera. Per confinare meglio la
corrente inoltre, facciamo una diffusione di tipo p+ che interessa tutto il CAP e parte del claddding:
è necessario farla p perché vogliamo costruire un canale di collegamento tra il cladding e la metal, e
lo droghiamo pesantemente (+) per diminuire il più possibile la resistenza di contatto. La zona n
sarebbe il catodo di un diodo e quindi la giunzione p-n risulterebbe polarizzata inversamente, cosa
che comporta il confinamento della corrente nell’area attiva eliminandone gli spreading.
Una soluzione di questo tipo è migliore della prima, perché oltre ad un peggior
confinamento elettrico nella prima soluzione è presente un gran numero di difetti a causa
dell’impiantazione ionica..
Fig. 4
MISURE DI FAR-FIELD
Il Gain-guided resta comunque un oggetto
“da battaglia”, in quanto la sua area attiva ha
dimensioni rettangolari, per una questione di tecnologie:
lo spessore dell’area attiva può essere fatto piccolo a
area attiva
0.4 µm
2 µm
piacere in quanto formato per epitassia; la dimensione laterale è determinata dalla risoluzione
litografica della geometria planare. La larghezza della zona che emette è quindi comunque più
grande dello spessore. Questo comporta una perdita di coerenza spaziale
E
intensità di
campo elettrico
2
1
1
2
α
Anziché avere uno spot circolare ho un’emissione di tipo ellittica, con la conseguente necessità di
rifocalizzare il mio sistema.
Questo tipo di radiazione non è dovuto soltanto a motivi geometrici ma se interpretiamo il
sistema come una guida dielettrica, vediamo che per una polarizzazione verticale (2) la guida può
ammettere un solo modo di propagazione, mentre per una polarizzazione orizzontale (1) il sistema
potrebbe ammetterne più d’uno:
1
2
STRONGLY INDEX GUIDED
Fig. 5
PROCESSO TECNOLOGICO per realizzare il BRS:
Questa
struttura,
molto
importante,
detta
BRS
Struttura a Ridge (guida)
Sepolta, è caratterizzata dal
fatto che il cladding di tipo p e
quello di tipo n di toccano, ed
hanno in mezzo una struttura
costruita di materiale diverso:
l’area attiva costituita da un
materiale
quaternario,
completamente affogato nel
materiale binario.
E’ necessario crescere per epitassia uno strato quaternario uniforme, realizzare un attacco selettivo
anisotropo, in modo da lasciare le pareti dell’area attiva verticali, depositare quindi per epitassia il
cladding p in modo riplanarizzante tale da smussare gli angoli.
OTTMO CONFINAMENTO OTTICO
La differenza strutturale dello strongly index guided è costiruita dal fatto che l’area attiva è c
effettiva, non blanda, dato che essendo fatta con un materiale diverso realizza un ottimo
confinamento ottico. Il che significa che anche in senso laterale ho una netta differenza tra gli indici
di rifrazione.
BUON CONFINAMENTO ELETTRICO
Potremmo essere portati a pensare che il drogaggio di tipo p+ del CAP comporti una netta
perdita di confinamento elettrico e causa dell’allargamento della corrente. Al contrario, questa
struttura realizza anche un buon confinamento elettrico, anche se una certa dispersione della
corrente è comunque presente.
Ma perché il confinamento elettrico è comunque buono? Perché il quaternario dell’area
attiva conduce meglio del binario che lo circonda. Se pensiamo di rappresentare la struttura con uno
schema elettrico troviamo la seguente situazione:
La struttura può essere rappresentata come il parallelo
di tre diodi, dei quali quello al centro ha una Vγ minore
rispetto agli altri due in quanto è fatto con un materiale a gap
minore. In condizioni di bassa iniezione conduce solo il
diodo centrale, a causa della sua bassa Vγ, mentre gli altri
due hanno una tensione applicata insufficiente ad accenderli.
Le correnti di perdita, quindi, intervengono soltanto in
condizioni di alta iniezione quando cominciano a condurre
gli altri due diodi.
Per bassi livelli di iniezione quindi, si riesce a garantire un buon confinamento elettronico, mentre
ad alte iniezioni, il confinamento è minore.
Fig. 6
Questa
struttura,
detta
MUSHROOM (a causa della sua
struttura a fungo) è costituita da uno
strato superiore (la cappella del
fungo) di n-cladding, al di sotto si
trova l’area attiva di quaternario e
tutto attorno c’è uno strato di
dielettrico. E’ importante sottolineare
che a differenza delle altre strutture,
l’n-cladding sta sopra!
PROCESSO TECNOLOGICO per realizzare il MUSHROOM
Si tratta di un processo molto più complicato di quello necessario per realizzare il BRS, e
quindi molto più costoso. In pratica infatti viene usato pochissimo, si tratta piuttosto di una struttura
da portare in congresso, per mostrare le nostre capacità tecnologiche.
Si realizza il cladding di tipo n, binario, poi si cresce il
quaternario dell’area attiva, quindi il cladding di tipo p. A
questo punto arrivati ad una situazione del genere in figura 7
p-clad
è necessario erodere lo strato dell’area attiva. Questo è
possibile solo immergendo la struttura in un attacco acido
SUB
selettivo che eroda solo il quaternario e non il binario.
Fig. 7
Questo agente chimico deve essere in grado di penetrare
n-clad
anche negli interstizi, consumando il quaternario. Si
raggiunge in questo modo la struttura in figura 8.
p-clad
Il problema è definire per bene la geometria dell’area
attiva, in quanto in un processo di attacco umido non si
riuscirà mai ad avere, ad esempio delle superfici laterali
Fig.
8
SUB
perfettamente verticali, anche perché stiamo parlando di
un’area attiva della larghezza del µm.
A questo punto tutta la struttura deve essere posta in un ambiente reattivo che deposita
dappertutto il dielettrico.
Data la difficoltà di processo la resa tecnologica di questo procedimento è molto bassa, può
darsi che si riesca a costruirne correttamente uno su dieci
n-clad
Attenzione alla polarizzazione dato che l’n sta sopra,; questo è dovuto a motivi tecnologici,
in quanto “forse” è più facile attaccare con l’acido il Fosfuro di Indio drogato n piuttosto che quello
drogato p.
CONFINAMENTO ELETTRICO TOTALE
Questo è il grosso vantaggio della struttura Mushroom, in quanto realizza un confinamento
elettrico ben superiore al BRS, dato che a causa del dielettrico, la corrente non può far altro che
passare tutta dalla zona attiva, il che comporta un confinamento elettronico totale.
Le applicazioni di questa struttura sono principalmente quelle che riguardano la
modulazione analogica.
CARATTERISTICHE POTENZA-CORRENTE
A parità di fattori elettrici, fattori fisici ed ottici.
P
Saturazione
MSH
Po
BRS
I
∆I
I
Il Mushroom segue bene la
curva ideale lineare dato che in
questa struttura tutta la corrente
passa dalla zona attiva.
Mentre il BRS si discosta
dalla linearità, ma satura agli
stessi livelli. Il che significa che
per alte iniezioni il BRS per
ottenere la stessa potenza ottica
Po deve sobbarcarsi anche la
corrente di perdita ∆I (corrente di
“leackage”).
La saturazione del materiale è dovuta ad alti livelli di iniezione. Aumentando ulteriormente le
corrente, la potenza fornita viene convertita in calore, mentre le potenza ottica non aumenta più.
La spesa di tecnologia dovuta al mushroom, quindi non è altro che la ricerca di eliminare
questa perdita di linearità, per un range di correnti il più ampio possibile.
Per modulazioni digitali è infatti tollerabile questa perdita di linearità, ma così non è per le
modulazioni analogiche nelle quali comporterebbe una distorsione del segnale.
Il MUSHROOM ed il BRS costituiscono due esempi caratteristici, di strutture fortemente
guidate a indice, in cui è esplicito il confinamento ottico laterale. Si tratta infatti di effettive guide
dielettriche in quanto un materiale ad alto indice di rifrazione è confinato, anche lateralmente, e
non solo superiormente ed inferiormente da un materiale ad indice di rifrazione minore.
La struttura a BRS è quella che va per la maggiore, non solo per i laser ma anche per gli
amplificatori ottici.
Il vantaggio di avere un laser all’interno della guida dielettrica si ripercuote essenzialmente
sulla coerenza di tipo spaziale
QUASI-INDEX-GUIDE
Il quasi sta ad indicare che, in termini di confinamento ottico laterale, non c’è un materiale
diverso per realizzarlo, come abbiamo visto nelle due strutture dello STRONGLY INDEX
GUIDED, ma non si lascia nemmeno che il confinamento ottico laterale sia blando come nel GAIN
GUIDED, dovuto solo alla debole differenza di indice di rifrazione a causa della differenza di
concentrazione dei portatori. Per modulare lateralmente l'indice di rifrazione si sfrutta l'indice di
rifrazione di guida.
x
Fig. 9
La struttura più semplice
da realizzare è il RIB
(fossato”forse) in figura 9, nel
quale modulando lo spessore del
core, facciamo in modo che lo
spessore dell’area attiva sia
maggiore del resto del core. In
questo modo, per quanto sopra
detto, nel verso longitudinale (in
figura la direzione x) abbiamo
ottenuto
una
modulazione
dell’indice di rifrazione di guida
(vedi fig 10)
PROCESSO TECNOLOGICO per realizzare il RIB
Una volta deposto per epitassia l’ n cladding tramite litografia vi si ricava in esso un fossato.
Tramite poi una crescita epitassiale perfettamente ripianante ottengo un core più spesso al centro e
più sottile ai lati.. Nota: è importante che la crescita sia perfettamente ripianante, altrimenti non
funziona più nulla.
p-cl
Fig.10
area attiva
n-cl
In questo modo, grazie
alla differenza di indice di
rifrazione si riesce a realizzare un
buon confinamento ottico, sempre
meglio del Gain guided, ma non
perfetto come nello Strongly
index guided.
x
ng
ng1
ng1
ng2
BUON CONFINAMENTO
OTTICO
x
Completamente diverse sono le strutture a RIDGE.
x
y
z
Fig. 11
Vediamo prima il RIDGE RWL.
Sia cladding n e p che l’area attiva sono fatti con il quaternario InGaAsP, rispettivamente di
λ=1.1µm (quindi gap=1.13eV) e λ=1.3µm (quindi gap=0.95eV) il che significa che questa struttura
è adatta a lavorare in seconda finestra. Il buffer e il substrato sono di binario InP.
CONFINAMENTO OTTICO
Qui il cladding di tipo p, lo strato attivo e il cladding di tipo n sono molto sottili, e quindi
praticamente attaccati alla superficie.
Osserviamo in figura 12 l’andamento degli indici di rifrazione effettivi dei materiali lungo le due
diverse direzioni: x e y:
xy
n
Dielettrico
Fig. 12
n
pclad
area nattiva clad
buffer
x
buffer p
pclad
area nattiva clad
buffer n
y
Ai lati dell’area attiva, quindi lungo la direzione x, il materiale che c’è prima dello 0, ovvero
subito prima del p-cladding è dielettrico, quindi con un indice di rifrazione infimo. Dato che l’area
attiva si ritrova alle spalle un indice di rifrazione tanto basso, l’indice di rifrazione di guida, in
questa zona, sarà basso.
Nella parte centrale, quindi lungo la direzione y, invece, si ha una ricrescita molto spessa,
che serve anche da incanalamento della corrente, di binario InP drogato p; qui l’andamento
dell’indice di rifrazione effettivo diventa simmetrico. Di fatto cambiando la differenza di indice di
rifrazione abbiamo cambiato il modo guidante, ovvero l’indice di rifrazione di guida che qui al
centro risulta essere maggiore.
La strategia di confinamento ottico qui, non è quella di
ng
cambiare
la geometria della struttura, ma cambiare soltanto
Fig. 13
l’indice di rifrazione di guida, agendo sulla differenza dei gap
invece che sullo spessore della guida stessa. La situazione in
termini di indice di rifrazione di guida che ritroviamo lungo
l’asse z riportato in figura 11 è quello di figura 13.
CONFINAMENTO ELETTRICO
Da notare che le strutture a RIDGE realizzano anche un ottimo
z
confinamento elettrico in quanto tutta la corrente viene ad essere
convogliata a passare nel CAP. La funzione del CAP, immancabilmente presente, è tutta di tipo
ohmico, e non è solamente quella di diminuire la resistenza di contatto (diodo schottky), ma anche
quella di migliorare il contatto ohmico sul fosfuro di indio. Infatti la deposizione della metal su InP
drogato p comporta dei buoni contatti ohmici in certi punti, ma peggiori in altri; questo
comporterebbe una densità di corrente completamente sbilanciata sulla superficie. La funzione del
CAP p+, tanto fortemente drogato da essere equiparato ad un metallo, contribuisce ad uniformare la
caduta di potenziale, e quindi lo spreading di corrente al di sopra dell’area attiva, in modo tale che
la densità di corrente risulta uniformemente distribuita in essa.
La struttura a RIDGE OVERGROWN
di figura 14 è praticamente identica alla
precedente ma presenta difficoltà
tecnologiche maggiori.
Fig. 14