WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 4 Инжекционный гетеролазер на основе массива вертикально совмещенных квантовых точек InGaAs в матрице AlGaAs © А.Е. Жуков, А.Ю. Егоров, А.Р. Ковш, В.М. Устинов, Н.Н. Леденцов, М.В. Максимов, А.Ф. Цацульников, С.В. Зайцев, Н.Ю. Гордеев, П.С. Копьев, Д. Бимберг, Ж.И. Алфёров Физико-технический институт им.А.Ф.Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия Institut fr Festkrperphysik, Technische Universitt Berlin, D-10623 Berlin, Germany (Получена 29 октября 1996 г. Принята к печати 31 октября 1996 г.) Исследованы массивы вертикально совмещенных квантовых точек InGaAs в матрице AlGaAs. Показано, что увеличение ширины запрещенной зоны материала матрицы позволяет увеличить энергию локализации квантовых точек относительно края зоны матрицы, а также состояний смачивающего слоя. При использовании в качестве активной области инжекционного лазера это позволяет снизить термическую заселенность более высоко лежащих состояний и таким образом уменьшить значения пороговой плотности тока при комнатной температуре до 63 А/см2. Предложена модель, объясняющая участок отрицательной характеристической температуры, наблюдаемый в области низких температур. Модель основна на предположении перехода от неравновесного к равновесному заселению состояний квантовых точек.

Массивы полупроводниковых квантовыхточек (КТ) 100, непосредственно прикрывающего массив КТ, перспективны для применений в инжекционных лазерах. была выбрана 485C. Температура роста остальной чаВ частности, было предсказано значительное умень- сти структуры составляла 700C. Рост проводился в шение пороговой плотности тока (Jth) и снижение ее As-стабилизированных условиях. Массив вертикально температурной зависимости [1]. Применение в каче- совмещенных квантовых точек формировался в резульстве активной области лазера вертикально совмещенных тате трехкратного осаждения слоев КТ, резделенных квантовых точек (ВСКТ) InGaAs в матрице GaAs позво- прослойками AlGaAs с эффективной толщиной 50.

лило снизить значения Jth вплоть до 100 А/см2 при В качестве материала квантовых точек использовался 300 K [2]. Было показано, что одним из основных факто- In0.5Ga0.5As с эффективной толщиной 12.

ров, определяющих значения пороговой плотности тока в При осаждении сильно напряженного слоя InGaAs подобных лазерах при комнатной температуре, является на поверхности AlGaAs (100) по достижении некотозаселение носителями состояний смачивающего слоя и рой критической толщины происходит морфологический матрицы GaAs вследствие относительно малой энергии переход от двумерного (послойного) к трехмерному локализации носителей в квантовых точках [3]. (островковому) режиму роста. На поверхности образуетК настоящему времени структурные и оптические ся массив островков InGaAs, лежащих на тонком (около свойства массивов КТ InGaAs, помещенных в матрицу 2 монослоев) смачивающем слое InGaAs. Зарощенные GaAs, а также инжекционных лазеров на их основе слоем AlGaAs эти островки могут рассматриваться как достаточно хорошо изучены [4–6]. В настоящей работе массив квантовых точек в матрице более широкозонного в качестве материала матрицы был выбран твердый материала.

раствор AlxGa1-xAs (x 0.3). Показано, что ис- Согласно данным, полученным с помощью наблюдепользование в качестве матрицы более широкозонного ния картины дифракции быстрых электронов непосредсоединения (замена GaAs на твердый раствор AlGaAs) ственно в процессе выращивания, критическая толщина, позволяет значительно увеличить энергетический зазор отвечающая началу островкового роста, составляет между состояниями КТ и смачивающего слоя, а также и в пределах погрешности измерения (±0.5 ) не завикраем зоны материала матрицы. Применение подобных сит от x, мольной доли AlAs в материале матрицы.

структур в качестве активной области инжекционного На рис. 1, a приведены спектры ФЛ структур, содерлазера позволяет снизить значения пороговой плотности жащих массив ВСКТ InGaAs и отличающихся мольной тока до 63 А/см2 при комнатной температуре. В области долей AlAs в матрице AlxGa1-xAs (x = 0, 0.15, 0.3).

низких температур обнаружен участок отрицательной ФЛ возбуждалась Ar+-лазером (100 Вт/см2) и детектихарактеристической температуры и предложена модель, ровалась с помощью охлаждаемого Ge-фотодиода. Темобъясняющая аномальную зависимость пороговой плот- пература детектирования 10 K. Наблюдаемая линия ФЛ ности тока от температуры. обусловлена рекомбинацией носителей, локализованных Структуры выращивались на подложках GaAs (100) в ВСКТ [2]. Увеличение содержания AlAs в матрице в установке молекулярно-пучковой эпитаксии Riber 32P приводит к некоторому уширению линии и к сдвигу в с твердотельным источником мышьяка. Чтобы избежать коротковолновую сторону.

сегрегации и переиспарения In, температура подлож- На рис. 1, b показаны спектры возбуждения ФЛ для ки при осаждении КТ и слоя AlxGa1-xAs толщиной случаев x = 0 и 0.3 в диапазоне энергий выше излучения 7 484 А.Е. Жуков, А.Ю. Егоров, А.Р. Ковш, В.М. Устинов, Н.Н. Леденцов, М.В. Максимов, А.Ф. Цацульников...

Рис. 1. Спектры фотолюминесценции (a) и возбуждения ФЛ (b) при 10 K структур, содержащих массив ВСКТ InGaAs в матрице AlxGa1-xAs. Цифры у кривых обозначают мольную долю AlAs в материале матрицы.

ВСКТ. В [7] для случая матрицы GaAs было показано, функций в барьеры в случае смачивающего слоя по что наблюдаемая люминесценция связана с рекомби- сравнению с КТ приводит к более сильному возмущению нацией в смачивающем слое. Характерная дублетная уровней энергии под воздействием изменения высоты форма линии (WL1, WL2) может быть обусловлена со- барьеров в первом случае. Аналогичное поведение насуществованием участков двумерного покрытия InGaAs блюдалось при помещении массива квантовых точек несколько различающихся по толщине, аналогично слу- InAs во внешнюю квантовую яму AlGaAs/GaAs [8]. Хотя чаю ВСКТ InGaAs в матрице GaAs. данные люминесценции не позволяют однозначно раздеВ таблицу сведены положения максимума люминес- лить вклады возмущения уровней электронов и дырок, ценции для излучения, обусловленного ВСКТ и сма- по-видимому, для обоих типов носителей имеет место чивающим слоев (WL1), а также краевой люминесцен- увеличение энергетического разделения между уровнем ции матрицы для структур, содержащих массив ВСКТ в КТ и в смачивающем слое, и между уровнем в КТ и InGaAs/AlxGa1-xAs (x = 0 и 0.3). Как видно, при увели- краем зоны матрицы. Это в свою очередь приведет к чении ширины запрещенной зоны матрицы на 370 мэВ меньшему заселению носителями состояний смачиваюкоротковолновый сдвиг линии ВСКТ составляет всего щего слоя и матрицы при повышенных температурах.

120 мэВ. В то же время сдвиг линии смачивающего На рис. 2 показана зависимость ширины слоя превышает 300 мэВ. Таким образом, увеличе- линии ФЛ образца, содержащего массив ВСКТ ние содержания Al в матрице приводит к возрастанию InGaAs/Al0.15Ga0.85As, от температуры наблюдения.

энергетического разделения между пиком ФЛ квантовых Представленная зависимость носит немонотонный точек и пиками смачивающего слоя и матрицы.

характер: при увеличении температуры в диапазоне Полученные экспериментальные результаты могут 10 150 K ширина линии уменьшается, а в области быть интерпретированы следующим образом. Увеличе- больших температур наблюдается рост ширины линии.

ние содержания AlAs в матрице приводит к повышению Подобное поведение не характерно для люминесценции энергетических барьеров для электронов (дырок), лока- объемного материала или квантовых ям, где типично лизованных как в смачивающем слое, так и в квантовых наблюдается закономерное увеличение ширины точках. Однако меньшая энергия локализации носите- линии с увеличением температуры наблюдения.

лей и, следовательно, большее проникновение волновых Причины наблюдаемой аномальной зависимости будут обсуждаться далее.

Нами были исследованы инжекционные лазеры с акЭнергетическое положение линий люминесценции структур, тивной областью на основе ВСКТ InGaAs/AlGaAs. Иссодержащих массив ВСКТ InGaAs/AlxGa1-xAs (x = 0 и 0.3) пользовалась стандартная геометрия AlGaAs/GaAs гетероструктурного лазера с раздельным ограничением. В сеМатериал Положение линии, эВ редину нелегированного волноводного слоя AlxGa1-xAs матрицы ВСКТ смачивающий слой матрица (x = 0.5 0.15) толщиной 0.4 мкм помещался массив GaAs 1.246 1.388 1.ВСКТ In0.5Ga0.5As/Al0.15Ga0.85As (N = 3). Толщина Al0.3Ga0.7As 1.364 1.689 1.эмиттерных слоев Al0.5Ga0.5As составляла 1.5 мкм. В каФизика и техника полупроводников, 1997, том 31, № Инжекционный гетеролазер на основе массива вертикально совмещенных квантовых точек... ной генерации располагается в пределах полосы ФЛ, обусловленной рекомбинацией в КТ, вблизи максимума ФЛ. Таким образом генерация осуществляется через основное состояние ВСКТ.

На рис. 4 приведена зависимость пороговой плотности тока от температуры. Для сравнения показаны соответствующие данные для лазера на основе массива ВСКТ InGaAs в матрице GaAs. Как видно из рис. 4, в области высоких температур ( 150 K) значения Jth для лазера на основе ВСКТ InGaAs/AlGaAs заметно ниже, чем в случае использования матрицы GaAs. При комнатной температуре пороговая плотность тока составила 63 А/см2, что, насколько нам известно, является рекордно низким значением для всех типов лазеров с активной областью размерностью ниже чем два (квантовые проволоки или квантовые точки). Мы полагаем, что снижение величины Jth в лазере, использующем массив КТ в AlGaAs, по сравнению со случаем КТ в GaAs являРис. 2. Зависимость ширины линии ФЛ, обуслолвенной ется прямым следствием увеличения энергетического излучением ВСКТ InGaAs/Al0.15Ga0.85As, от температуры нарасстояния между уровнем квантовых точек и уровнем блюдения.

смачивающего слоя (краем зоны матрицы).

В области низких температур (77150 K) наблюдается уменьшение пороговой плотности тока с увеличением честве легирующей примеси n- и p-типа использовались температуры наблюдения, т.е. лазер имеет отрицательSi и Be соответственно. Лазерные диоды формировались ную характеристическую температуру (T0 -200 K).

напылением и вплавлением металлизации AuGe/Ni/Au и Подобное поведение необычно для лазеров с четырьмя AuZn/Ni/Au к подложке n+-GaAs и контактному слою сколотыми гранями, поскольку в данном случае нельзя p+-GaAs соответственно. Исследовались лазеры с че- предполагать какого-либо изменения эффективной ширины полоска с температурой, как это может иметь место тырьмя сколотыми гранями. Измерения проводились при в лазерах полосковой конструкции.

температурах 77 300 K при импульсной накачке с Разброс размеров точек приводит к уширению совочастотой 5 кГц, длительностью импульсов 1 мкс.

купной плотности состояний массива КТ. Предполагая, На рис. 3 представлен спектр электролюминесценции что распределение электронов (дырок) по состоянилазерной структуры на основе ВСКТ InGaAs/AlGaAs ям описывается функцией Ферми–Дирака, увеличение вблизи порога при 300 K. Также приведен спектр ФЛ (300 K) при малом уровне возбуждения. Линия лазер- температуры при данном уровне инжекции приводит к Рис. 3. Спектры электролюминесценции вблизи порога Рис. 4. Зависимость пороговой плотности тока от темпе(65 А/см2) (сплошная линия), а также ФЛ при малом уров- ратуры для инжекционных лазеров на основе массива ВСКТ не возбуждения (1 Вт/см2) (пунктир) структур в ВСКТ InGaAs/AlxGa1-xAs. Цифры у кривых обозначают мольную InGaAs/Al0.15Ga0.85As при 300 K. долю AlAs в материале матрицы.

Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 486 А.Е. Жуков, А.Ю. Егоров, А.Р. Ковш, В.М. Устинов, Н.Н. Леденцов, М.В. Максимов, А.Ф. Цацульников...

увеличению заселения более высоко лежащих состояний, Следует отметить превосходное совпадение диапазона отвечающих точкам малого размера, за счет уменьшения температур, отвечающего уменьшению ширины линии и заселения точек большего размера. Следовательно, для области отрицательной характеристической температуподдержания необходимого максимального коэффици- ры, в согласии с предложенной моделью.

ента усиления при увеличении температуры требуется Увеличение энергетического расстояния между уровбольший ток инжекции. Таким образом, отрицательная нем электрона (дырки) в КТ и краем зоны проводимохарактеристическая температура не может быть объясне- сти (валентной зоны) матрицы уменьшает вероятность на в рамках квазиравновесного распределения носителей. термического выброса носителей. Таким образом, велиВ предлагаемой нами модели в качестве причины чина граничной температуры TB увеличивается в случае появления участка отрицательной характеристической использования в качестве материала матрицы более температуры рассматривается отсутствие квазиравновес- широкозонного материала. Это, как нам представляется, ного заселения состояний КТ при низких температурах. объясняет тот факт, что область отрицательной T0 более Для достижения квазиравновесия необходимо существо- явно выражена в температурной зависимости пороговой вание механизма, обеспечивающего транспорт носите- плотности тока лазера на основе ВСКТ InGaAs/AlGaAs лей между точками. Таким механизмом может служить по сравнению с случаем ВСТК InGaAs/GaAs.

туннелирование, либо термический выброс носителя из Таким образом, в настоящей работе исследованы хаКТ в смачивающий слой или матрицу с последующим рактеристики инжекционного лазера с активной облазахватом в другую точку. стью на основе массива вертикально совмещенных кванСогласно данным просвечивающей электронной ми- товых точек InGaAs, сформированных в матрице AlGaAs.

Показано, что использование в качестве материала макросокопии [9], типичные расстояния между соседними островками превышают 300. Таким образом, вклад тун- трицы твердого раствора AlGaAs позволяет значительно увеличить энергетическое разделение состояний КТ от нелирования является пренебрежимо малым, и условием края зоны материала матрицы, а также от состояний в достижения квазиравновесного распределения является смачивающем слое по сравнению со случаем матрицы малое время термического выброса по сравнению со GaAs, что приводит к снижению пороговой плотности временем излучательной рекомбинации в КТ. Выброс тока при комнатной температуре (63 А/см2). Для носителей сильно подавлен при низких температурах вследствие термоактивационной природы подобных про- объяснения наблюдаемого в области низких температур цессов. В работе [10] было показано, что существует не- участка отрицательной характеристической температукоторая граничная температура (TB), разделяющая обла- ры предложена модель, основанная на предположении перехода от неравновесного к равновесному заселению сти равновесного (T > TB) и неравновесного (T

заселения состояний КТ.

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.