WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 4 Оптические исследования микродисков на основе субмонослойных квантовых точек InGaAs с асимметричным волноводом, сформированным методом селективного окисления © С.А. Блохин+¶, Н.В. Крыжановская+, А.Г. Гладышев+, Н.А. Малеев+, А.Г. Кузьменков+, Е.М. Аракчеева+, Е.М. Танклевская+, А.Е. Жуков+, А.П. Васильев+, Е.С. Семенова+, М.В. Максимов+, Н.Н. Леденцов+, В.М. Устинов+, Э. Шток, Д. Бимберг + Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия Institut fur Festkorperphysik, Technische Universitat, D-10623 Berlin, Germany (Получена 11 сентября 2005 г. Принята к печати 25 сентября 2005 г.) Получена лазерная генерация в микродисках с асимметричным волноводом, сформированным методом селективного окисления, при оптической накачке в диапазоне температур 5–180 K. В качестве активной области использовались квантовые точки InGaAs, полученные методом субмонослойного осаждения.

Экспериментально измеренное значение добротности микродискового резонатора составило не менее 104.

Температурный сдвиг длины волны резонансной моды обусловлен дисперсионно-температурной зависимостью эффективного показателя преломления микродиска. Наблюдаемая температурная зависимость порога генерации обусловлена температурным выбросом носителей из квантовых точек в GaAs.

PACS: 48.55.Px, 85.60.Jb, 78.45.Lh 1. Введение роста [3–7]. Вследствие трехмерной пространственной локализации носителей в КТ безызлучательная поверхностная рекомбинация на границах микродиска может В последние годы полупроводниковые оптические быть минимизирована, что особенно критично для люмикрорезонаторы привлекают к себе большое внимание как с точки зрения фундаментальных исследований вза- бого микрорезонатора малого объема. Другой важной особенностью является неоднородное уширение спектра имодействия света с веществом, так и с точки зрения энергетических состояний, связанное с распределением их возможного применения в фотонных интегральных микросхемах и других оптоэлектронных приборах. Весь- КТ по размерам. Наличие такой активной среды позволяет исследовать модовую структуру микродиска в ма перспективным классом микрорезонаторов являются широком спектральном диапазоне.

полупроводниковые микродиски, позволяющие получить квантование электромагнитного поля в трех направлени- Однако следует отметить ряд проблем, возникающих при создании полупроводниковых лазеров на микроях [1]. В таком микрорезонаторе эффективное трехмердисках. Простейший способ получить сильное оптиченое оптическое ограничение реализуется за счет полноское ограничение — создать полупроводниковый диск го внутреннего отражения на границе полупроводник– с активной областью и поместить его на небольшой воздух в плоскости микродиска и сильного волноводного пьедестал. Такая структура будет иметь сильное оптиэффекта в направлении роста структуры. Эффект полческое ограничение (вследствие большого различия в ного внутреннего отражения приводит к возникновению показателях преломления полупроводника и воздуха), но так называемых мод „шепчущей галереи“, которые расв то же время будет обладать низкой теплопроводностью пространяются вдоль периферии микродиска и обладают и малой механической прочностью. Для того, чтобы высокой добротностью. К тому же для этих мод хаустранить эти недостатки, было предложено формирактерен малый модовый объем, поскольку практически ровать микродиски на стекле или сапфире методом все поле сосредоточено в очень узкой области вблизи спекания [8,9]. Однако в таких структурах достаточграницы микродиска. В результате для излучателя, помено сложно реализовать инжекционную накачку. Весьщенного в микродиск, может наблюдаться существенное ма интересным и перспективным решением является увеличение скорости спонтанной рекомбинации (эффект применение технологии селективного окисления слоев Пурселя) [2]. В совокупности с малым объемом активAlGaAs для создания скрытых диэлектрических слоев ной области это открывает в перспективе возможность высокого структурного качества с относительно высокой беспороговой работы лазеров на основе микродисков.

теплопроводностью, низким коэффициентом преломлеБольшой интерес представляют полупроводниковые ния и малыми оптическими потерями [7,10]. Кроме микродиски, в которых в качестве активной среды того, такой способ изготовления позволяет не только используются квантовые точки (КТ), полученные меповысить механическую прочность микродиска, но и тодом самоорганизации в процессе апитаксиального обеспечить инжекцию носителей в активную область с ¶ E-mail: blokh@mail.ioffe.ru помощью контроля процесса окисления.

Оптические исследования микродисков на основе субмонослойных квантовых точек... В связи с этим актуальна задача создания и исследова- монике в непрерывном режиме (длина волны излучения ния оптических свойств полупроводниковых микродис- = 532 нм, мощность Pin = 3.3-470 мкВт). Лазерный ков с КТ в качестве активной области с асимметричным луч фокусировался на одиночный микродиск с помоволноводом, сформированным методом селективного щью объектива Olympus Plan View IR 100 Na. Этот окисления слоев AlGaAs. же объектив использовался и для сбора излучения от микродиска. Для исследований в температурном диапазоне 5–300 K образцы помещались в гелиевый 2. Эксперимент криостат проточного типа Oxford Microstat. Детектирование сигнала производилось с помощью охлаждаемой Исследуемые образцы были выращены методом Si-CCD-камеры (100 1340 пикселей) со спектральным молекулярно-пучковой эпитаксии в установке Riber32P разрешением 1.

с твердотельным источником As на полуизолирующих подложках GaAs (100). После осаждения буферного слоя GaAs выращивался слой Al0.97Ga0.03As толщиной 3. Результаты и обсуждение 500 нм, предназначенный для обеспечения эффективного оптического ограничения со стороны подложки с На рис. 1 приведена схема структуры и фотограпомощью селективного окисления. Активная область фия микродиска диаметром 5 мкм, полученная методом помещалась в волновод из GaAs (100 нм) и представрастровой электронной микроскопии (РЭМ). Следует ляла собой массив КТ InGaAs, полученный методом отметить высокую планарность всех гетерограниц и субмонослойного осаждения напряженных слоев [11].

вертикальность стенки микродиска, а также тот факт, Такой метод позволяет формировать массивы КТ вычто неровность травленных границ микродиска не пресокой плотности ( 5 · 1011 см-2). Длина волны управвышает разрешения РЭМ 10–20 нм.

ляется числом циклов осаждения субмонослойных ряВ связи с тем, что часть лазерного излучения отрадов InAs и GaAs, толщиной прослоек GaAs, а также жается от поверхности, введем понятие эффективной количественным соотношением InAs/GaAs, влияющим мощности Peff (поглощенной мощности). Воспользуемся на высоту трехмерных островков и их эффективную выражением для многопроходного поглощения в дисширину запрещенной зоны [12]. Существенным являке [14] ется то, что субмонослойные КТ состоят из островков InAs одинаковой высоты (1 монослой), поэтому массив Peff = Pin(1 - R)(1 - e-d)/(1 - Re-d), субмонослойных КТ характеризуется значительно меньшим (в 2–3 раза) неоднородным уширением по сравнегде Pin — входная мощность, R — коэффициент отражению с КТ, сформированными по механизму Странски– ния лазерного луча от поверхности диска, — коэффиКрастанова.

циент поглощения в микродиске ( 105 cм-1) и d — Для предотвращения утечки неравновесных носитолщина диска (140 нм). Следует отметить, что коэфтелей при проведении оптических исследований в фициенты отражения лазерного излучения на границах приповерхностную область и в область интерфейса воздух–полупроводник и полупроводник–оксид слегка (AlGa)x Oy –GaAs матрица ограничивалась с обеих сторазличаются, но в первом приближении их можно порон барьером GaAs (10 нм)–Al0.3Ga0.7As (20 нм).

ложить равными 30%. В результате получим эффекС использованием стандартной фотолитографии (фотивность поглощения лазерного излучения 55%.

торезист ФП-9120) и метода сухого травления в пучке На рис. 2 показаны типичные спектры фотолюминесионов Ar+ (установка ионного травления MIM TLA 20) ценции (ФЛ) при температуре T = 5 K для микродисков были изготовлены меза-структуры диаметром 5 и 6 мкм различного диаметра. Для сравнения приведен спектр с глубиной травления 0.7 мкм. Затем с помощью ла(reference) исходной структуры (без меза-структуры).

терального селективного окисления слой Al0.97Ga0.03As Отметим, что для массива субмонослойных КТ InGaAs преобразовывался в слой (AlGa)x Oy с достаточно махарактерна сильная люминесценция с максимумом на лым показателем преломления (1.55). В результате в направлении роста формировался асимметричный волновод. Для обеспечения высокой механической стабильности слоев (AlGa)xOy применялась специальная методика селективного окисления [13]. Сравнительно высокая (относительно воздуха) теплопроводность оксида обеспечивается благодаря тому, что полученный таким образом слой (AlGa)x Oy представляет собой смесь - и -фаз: аморфной и поликристаллической.

Оптическая накачка микродисков осуществлялась с Рис. 1. Схема структуры и РЭМ-изображение микродиска помощью YAG : Nd-лазера, работающего на второй гар- диаметром 5 мкм.

7 Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 484 С.А. Блохин, Н.В. Крыжановская, А.Г. Гладышев, Н.А. Малеев, А.Г. Кузьменков, Е.М. Аракчеева...

оптической накачки Peff, измеренные при температуре 5 K, представлены на рис. 3. В диапазоне длин волн 945–985 нм (область максимума ФЛ субмонослойных КТ InGaAs) наблюдается 7 пиков.

Определение модовой структуры тонкого диэлектрического диска представляет собой достаточно сложную задачу. Однако с помощью метода эффективного показателя преломления (если толщина диска меньше длины волны в диске) трехмерная система может быть сведена к двумерной. При этом микродиск можно представить в виде цилиндрического волновода, внутри которого волна распространяется по кругу (благодаря эффекту полного внутреннего отражения), а в направлении роста z — стоячая волна. В результате оптическое поле (z -компонента электрического поля для TM-поляризации или магнитного поля для TE-поляризации) может быть предРис. 2. Спектры фотолюминесценции (PL) микродисков диаставлено в виде метром 5 и 6 мкм при 5 K. Для сравнения приведен спектр ФЛ исходной структуры. Peff = 260 мкВт.

(r,, z ) Jm(2neffr/m,n) cos(m) cos(pz ), где r,, z — цилиндрические координаты, Jm — функция Бесселя m-го порядка, neff — эффективный показатель преломления микродиска, m,n — длина волны резонансной моды диска. Модовый состав микродиска в первом приближении может быть найден из граничного условия первого рода (полe на границе диска равно нулю) [2].

Таким образом, моды тонкого диэлектрического диска можно охарактеризовать тремя модовыми числами — планарным p, отвечающим за количество узлов поля вдоль направления роста; азимутальным m, определяющим количество узлов поля, укладывающихся на половине окружности в поперечном сечении микродиска;

радиальным n, показывающим число пучностей поля вдоль радиуса диска. Кроме того, благодаря цилиндрической симметрии моды диска двукратно вырождены.

Такие моды имеют одинаковые модовые числа, но обладают различными фазами в азимутальном направлении.

Рис. 3. Спектры фотолюминесценции (PL) микродиска диаПоэтому любое искажение формы микродиска может метром 5 мкм в диапазоне 960–985 нм при различной оптичеснять вырождение и привести к нежелательному взаимоской накачке. Температура образца 5 K. Pth = 20 мкВт — порог генерации. действию между этими модами. Однако теоретические расчеты показывают, что при относительно небольших искажениях этот эффект мал для мод высшего порядка (по азимутальному числу).

длине волны 0.97 мкм и шириной пика на половине высоОтметим, что структура была спроектирована так, ты 40 нм (рис. 2). Видно, что в спектрах ФЛ микродисков чтобы все TM-моды и TE-моды высших порядков (планаблюдается множество узких (шириной менее 1 нм) пинарное модовое число p > 0) были подавлены. Кроме ков, отсутствующих в спектре ФЛ исходной структуры.

того, радиальные моды высших порядков (радиальное Мы связываем обнаруженные пики с модами „шепчущей модовое число n > 1) обладают большими потерями и галереи“, возникающими в микрорезонаторах в случае меньшей добротностью и, как следствие, не являются полного внутреннего отражения. Видно, что с увеличерезонансными (лазерными) модами [3]. Тогда, воспользонием диаметра микродиска наблюдается увеличение ковавшись описанным выше подходом к анализу модового личества мод, что связано с уменьшением межмодового состава микродиска, мы однозначно идентифицировали расстояния. Это, кстати, сильно затрудняет идентифи- три пика на длинах волн = 961.8, 970.2 и 980.6 нм как кацию модового состава микродиска диаметром 6 мкм, TE36,2, TE41,1 и TE35,2 (нижние индексы соответствуют поэтому все основные исследования были проведены модовым числам m, n). Все остальные пики (A, B, C, D) для микродисков с диаметром 5 мкм. Спектры ФЛ ми- являются модами с более высоким радиальным модовым кродиска диаметром 5 мкм при различных мощностях числом.

Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. Оптические исследования микродисков на основе субмонослойных квантовых точек... Рис. 4. Интегральная интенсивность (1) и ширина линии (2) резонансной моды TE41, 1 в зависимости от оптической накачки.

На рис. 4 приведены зависимости интегральной интенсивности и ширины линии люминесценции для моды TE41,1, доминирующей в спектрах ФЛ, от эффективной оптической накачки. Отметим две характерные особенности: наличие порогового поведения интенсивности с накачкой (порог генерации Pth = 20 мкВт) и сужение линии люминесценции. Таким образом, полученные результаты позволяют говорить о лазерной генерации в микродисках на КТ.

Одна из наиболее важных характеристик любого резонатора — добротность Q, характеризующая оптические потери в резонаторе. Теоретические оценки показывают, что в случае идеального микродиска можно реализовать резонатор с высокой добротностью (Q = 1013) [15].

В то же время типичные экспериментальные значения добротности находятся в диапазоне 103-104 и ниже.

Связано это с тем, что измеряемую добротность Q можно представить в следующем виде:

Pages:     || 2 |



© 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.