WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 |   ...   | 5 | 6 || 8 | 9 |

2 Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 404 Н.Н. Леденцов, В.М. Устинов, В.А. Щукин, П.С. Копьев, Ж.И. Алферов, Д. Бимберг 4.3. Усиление в лазерах на квантовых точках 4.4. Лазеры на вертикально связанных квантовых точках Возможность реализации инжекционного лазера на Ухудшение характеристик лазера на квантовых точквантовых точках в существенной степени зависит от ках при температурах выше 150-180 K обусловлено соотношения между усилением излучения из квантонедостаточным усилением. Для увеличения усиления вых точек и оптическими потерями в структуре. В необходимо либо повысить однородность массива кванслучае инжекционного лазера на квантовой яме, титовых точек, что в принципе может быть достигнуто пичная ширина которой составляет 100, фактор путем оптимизации режимов выращивания, либо путем оптического ограничения (пропорциональный интеграувеличения концентрации точек, что достигается путем лу перекрытия между волновой функцией электрона и использования вертикально связанных квантовых точек световой волной) составляет порядка 0.03. В случае (ВСКТ) [71–74]. Преимущество вертикально связанных уменьшения толщины ямы до 10–30 данный коэфКТ это — наряду с большим коэффициентом оптического фициент существенно не уменьшается из-за проникноограничения, возможность более быстрой релаксации вения волновой функции в барьеры. Следует отметить, носителей в основное состояние [102], меньшее время что усиление в лазерах на квантовых ямах мало, и излучательной рекомбинации [73] и возможность эфнизкие пороговые плотности тока могут быть реалифективного туннелирования электронов и дырок между зованы только для больших длин резонатора, когда точками в соседних рядах, которая отсутствует в случае удается в существенной степени уменьшить влияние рядов изолированных КТ.

потерь на вывод излучения, или в четырехсколотых Экспериментально было показано, что лазеры на веробразцах [114–116]. В случае массива квантовых точек тикально связанных квантовых точках демонстрируют волновая функция основного состояния полностью локагораздо большее оптическое усиление, а насыщение лизована внутри квантовой точки. Даже в случае плотноусиления в них отстутствует вплоть до коротких длин го массива островков только примерно 2 монослоя InAs резонатора [71–74]. Они демонстрируют генерацию преобразуются в квантовые точки, что соответствует 6 усредненному по площади поверхности экситонному объему, вследствие чего фактор оптического 0.94 µm (WL) InGaAs/GaAs ограничения очень мал [6,101]. Тем не менее реалиn = зация инжекционного лазера на квантовых точках оказалась возможной вследствие гигантского возрастания ”удельного усиления” в соответствии с теоретическими оценками.

InAs/GaAs Удельное усиление было непосредственно определено lasing wavelength из условия равенства усиления и потерь на пороге генерации [72,101]. Внутренние потери измерялись из 100 200 T, K зависимостей пороговой плотности тока от длины резонатора и дифференциальной эффективности от потерь InGaAs/GaAs на выход. Фактор оптического ограничения оценивался 1.05 µm (QD) InGaAs/AlGaAs исходя из известных данных электронной микроско1.01 µm (QD) пии геометрических размеров точек. Полученное знаInGaAs/AlGaAs чение максимального ”удельного усиления” составляет n = 1.5 10-5 см-1 [101], что более чем на порядок превос62 A cmходит значение для лазеров на квантовых ямах. Вследствие линейной зависимости между усилением и током, дифференциальное усиление в лазерах на квантовых точках возрастает также более чем на 3 порядка [101] QDs 300 K по отношению к лазерам на квантовых ямах и достигает величин порядка 10-12 см2.

dspacer = 4.5 nm 960 980 Возрастание усиления является прямым следстви, nm ем размерного квантования в квантовых точках. По0 2 4 6 8 10 следнее уменьшает число состояний, которое необхоNumber of stacks in vertically coupled QD димо заполнить для достижения определенного усиРис. 16. Зависимость плотности порогового тока от циклов ления. Основными факторами, снижающими усиление осаждения InAs или InGaAs для инжекционного лазера на верпри определенной плотности тока, являются теплотикально связанных квантовых точках. Длина волны лазерного вой выброс носителей из квантовых точек и утечки излучения в зависимости от температуры приведена на вставке через безызлучательную рекомбинацию в материале справа вверху. Спектр излучения представлен на вставке справа барьера. внизу.

Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, №, nm th J, A/cm EL intensity, arb. units Гетероструктуры с квантовыми точками: получение, свойства, лазеры. О б з о р через основное состояние квантовых точек до комнатной Было обнаружено, что в области низких температур температуры, и длина волны генерации следует за тем- (77–150 K) в низкопороговых лазерах на основе ВСКТ пературной зависимостью ширины запрещенной зоны наблюдается уменьшение пороговой плотности тока с GaAs. Было также показано, что пороговая плотность увеличением температуры наблюдения, т. е. лазер иметока резко уменьшается до величин порядка 90 А/смет отрицательную характеристическую температуру T0.

(300 K) при увеличении числа циклов складирования до Подобное поведение не может быть объяснено в рамках 10 [72–74] (рис. 16). Данный эффект обусловлен увели- квазиравновесного распределения носителей, описываечением усиления вследствие роста фактора оптического мого функцией Ферми. Была предложена модель [118], ограничения. Дифференциальная эффективность также в которой в качестве причины появления участка отривозрастает с увеличением N, достигая 50% при N = 10.

цательной T0 рассматривается отсутствие квазиравновесНевысокие значения дифференциальной эффективности ного заселения состояний КТ при низких температурах.

обусловлены низкой величиной внутренней квантовой В самом деле, условием достижения квазиравновесноэффективности (0.5), что означает, что существенная го распределения является малое время термического часть носителей рекомбинирует безызлучательно, наивыброса носителей из КТ по сравнению со временем более вероятно в GaAs, покрывающем квантовые точки, излучательной рекомбинации в КТ. Выброс носителей который осаждается при низкой температуре 480C.

сильно подавлен при низких температурах. Таким образом, существует некоторая граничная температура (Tb), 4.5. Влияние материала матрицы разделяющая области равновесного (T > Tb) и неравнона характеристики инжекционных лазеров весного (T < Tb) заселения состояний КТ. В последнем на КТ случае заселение состояний КТ определяется вероятностью захвата электрона (дырки), которая приблизительКак уже отмечалось, одним из основных механизмов, но одинакова для точек разного размера. Следовательприводящих к увеличению пороговой плотности тока но, неравновесное распределение характеризуется более при повышенных температурах в лазерах на основе КТ, широким спектром заселенных состояний и меньшим является термический выброс носителей из состояний максимальным коэффициентом усиления при одинакоКТ в состояния смачивающего слоя и матрицы. Дальнейвом уровне инжекции по сравнению с распределением шее снижение пороговой плотности тока в лазерах было Ферми. Таким образом, когда температура наблюдения достигнуто путем использования AlGaAs вместо GaAs в проходит через граничную температуру Tb, пороговая качестве материала матрицы для вертикально связанных плотность тока и полуширина линии люминесценции квантовых точек [73,74]. В этом случае увеличивается должны уменьшаться. Это является причиной наблюдавысота барьера, в то время как волновая функция носитеемой отрицательной характеристической температуры в лей в КТ претерпевает несущественные изменения, что лазерах на основе КТ в области низких температур.

приводит к увеличению энергетического зазора между Величина граничной температуры Tb увеличивается уровнями квантовых точек и уровнями смачивающего при увеличении энергии локализации носителей в КТ слоя и барьера. Вследствие этого происходит дальнейшее в случае использования в качестве матрицы более шиувеличение усиления за счет подавления температуррокозонного материала. Это объясняет тот факт, что ного выброса носителей из квантовых точек благодаря область отрицательной T0 более явно выражена при увеличению энергии локализации. Проблема качества использовании ВСКТ в матрице AlGaAs по сравнению слоев AlGaAs, осаждаемых при низкой температуре, во со случаем GaAs.

время формирования вертикально связанных квантовых точек решается путем эффективного отжига точечных дефектов во время выращивания верхнего эмиттера ла4.6. Динамика лазеров на КТ зерной структуры при 700C. Таким образом, примеХорошие динамические характеристики лазера на КТ нение AlGaAs спейсеров в сочетании с выращиванием следуют из малых времен релаксации носителей в основэмиттеров лазерной структуры при 700C позволило ное состояние и больших коэффициентов дифференциполучить пороговую плотность тока при комнатной темального усиления [101,119]. Прямые измерения чапературе 60 А/см2 [73] (рис. 16) и дифференциальную стоты отсечки лазера на КТ дают величину порядка эффективность более 70%. Указанное улучшение харак10 ГГц [102].

теристик дало возможность реализовать непрерывный режим работы лазера на квантовых точках при ком- Другой важный аспект, характеризующий работу лазера при высоких частотах, — это фактор спектрального натной температуре с выходной мощностью 1 Вт [117] уширения линии генерации. Всякий пик поглощения или и более. Было показано, что режим генерации через усиления обусловливает модуляцию коэффициента пресостояния квантовых точек сохраняется до величин тока ломления вблизи энергии соответствующего резонанса накачки в 7–8 раз превышающих пороговые. Полученный результат показывает, что на основе квантовых точек согласно соотношениям Крамерса–Кронига. Таким обрамогут быть созданы мощные полупроводниковые лазеры, зом, длина волны фотона в кристалле может изменяться по своим характеристикам не уступающие лазерам на за время импульса тока накачки. Этот эффект описываквантовых ямах. ется фактором спектрального уширения линии (). В Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 406 Н.Н. Леденцов, В.М. Устинов, В.А. Щукин, П.С. Копьев, Ж.И. Алферов, Д. Бимберг Cavity случае структур с квантовыми ямами форма спектра по- Align Light out modes глощения или усиления является сильно асимметричной, QW Intracavity что обусловливает большую величину (от единицы до QD metal contacts двух). Напротив, в случае структур с квантовыми точкаEnergy Energy ми спектр поглощения и усиления более симметричен AlO 1.75 l (p) GaAs spacer 1 thick cavity active region и имеет гауссову форму. Таким образом, производная QD cavity по энергии и, соответственно, изменение коэффициен- GaAs та преломления в области максимума поглощения или усиления равны нулю. Экспериментально измеренные AlGaAs/AlO DBR величины составляют 0.5, что связано с конечным InGaAs QD вкладом возбужденных состояний КТ в спектр усиления GaAs substrate вблизи порога генерации, обусловливающим некоторую асимметричность профиля коэффициента усиления [102]. Рис. 17. Схема лазера, излучающего с поверхности, на вертикально связанных квантовых точках InGaAs в матрице GaAs. На вставке справа вверху приведены для сравнения 4.7. Механизмы усиления спектры оптического усиления для структуры с квантовыми ямами и для структуры с квантовыми точками. На вставке Условие прозрачности в КТ реализуется тогда, когда справа внизу приведено поперечное сечение активной области КТ захватывает один экситон. В этом случае вероятности лазера.

излучить или поглотить квант света с образованием биэкситона равны [20]. Следует, однако, отметить, что, в общем случае, энергии экситонного и биэкситонного состояния в КТ различны, и заселение КТ одним эк20 2.ситоном может приводить одновременно к появлению 3 top DBR periods 2.линии экситонного усиления и линии биэкситонного поглощения. Если неоднородное уширение линий меньше, 4 top DBR 1.чем энергетическая разность между энергиями экситона 10 periods 1.и биэкситона в КТ, то возможен чисто экситонный механизм усиления. Следует также отметить важность 5 % 5 top DBR periods 0.вклада заряженных экситонов в спектр усиления [120].

0 0 Если возможность транспорта носителей между сосед0 0.5 1.0 1.ними КТ отсутствует (что типично при низких темпераCurrent, mA турах), тогда вероятность захвата экситонов и носителей Рис. 18. Зависимости выходной мощности и кпд лазера на в КТ не зависит от температуры [121]. При высоких вертикально связанных квантовых точках InGaAs в матрице температурах термический выброс носителей из более GaAs от тока инжекции. Сплошные линии — мощность лазера;

мелких КТ может приводить к преимущественному закороткий пунктир — кпд лазера, длинный пунктир — вольтселению более глубоких КТ [118]. Поведение спектров амперная характеристика.

усиления различно в этих двух случаях: в первом случае максимум усиления не изменяет своего положения при увеличении тока накачки, во втором случае он смещается в сторону больших энергий [120]. (300 K), плотности тока 1000 А/см2 и пороговом токе Теоретически эффекты в структурах с КТ и лазерах на 0.5 мА. В работах [128,129] для улучшения рабочих их основе рассмотрены в работах [119–124]. характеристик вертикальных лазеров на КТ была предложена концепция вертикально связанных КТ в качестве активной среды. Такой подход открывает путь к созданию 4.8. Вертикально излучающие лазеры на КТ лазера на одиночной КТ, позволяет одновременно увелиПоверхностно излучающие лазеры на КТ, работающие чить коэффициент оптического ограничения и сохранить при оптическом возбуждении при низких температу- сверхмалую ширину линии усиления КТ. В структурах рах через основное состояние КТ, были получены в с 10-микронной мезой (рис. 17) был реализован режим работе [125]. Инжекционные лазеры на вертикально непрерывной генерации при комнатной температуре с складированных изолированных КТ были реализованы в пороговым током 180 мкА (180 А/см2, 300 K) [129].

работе [126]. Пороговая плотность тока при комнатной Характеристики прибора представлены на рис. 18. В температуре составила 500 А/см2, а генерация осу- случае оптимального количества слоев верхнего брегществлялась через возбужденные состояния КТ. При говского рефлектора максимальная эффективность соиспользовании структур с 7-микронной апертурой в оки- ставила 16% и минимальный пороговый ток 68 мкА для сле AlO для уменьшения областей токовой инжекции мезы 1 мкм, что соответствует лучшим значениям для в работе [127] был реализован режим генерации через вертикальных лазеров на квантовых ямах аналогичной основное состояние КТ при комнатной температуре геометрии.

Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № Optical gain, % Voltage, V Output power, µ W Гетероструктуры с квантовыми точками: получение, свойства, лазеры. О б з о р Заключение [9] Д. Бимберг, И.П. Ипатова, Н.Н. Леденцов, П.С. Копьев, В.Г. Малышкин, В.А. Щукин. УФН, 167, 552 (1997).

Pages:     | 1 |   ...   | 5 | 6 || 8 | 9 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.