WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 4 Интерфейсная и межзонная лазерная генерация в гетероструктуре InAs/InAsSbP, выращенной методом газофазной эпитаксии из металлорганических соединений ¶ © А.П. Астахова, Н.Д. Ильинская, А.Н. Именков, С.С. Кижаев, С.С. Молчанов, Ю.П. Яковлев Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 12 июля 2004 г. Принята к печати 9 августа 2004 г.) Источники когерентного излучения изготовлены на основе двойной гетероструктуры InAs/InAsSbP с толстой активной областью (3.3 мкм), выращенной методом газофазной эпитаксии из металлорганических соединений. Исследованы спектральные характеристики диодов при различных длинах резонатора и измерена поляризация излучения. Установлено, что модовый состав спектра определяется излучательной рекомбинацией на гетерогранице и в объеме активной области. При величине тока на 30% выше порогового значения проявляется новая мода с промежуточной длиной волны между длинами волн упомянутых излучений. Промежуточная мода, предположительно, обусловлена взаимодействием между модами интерфейсной и межзонной излучательной рекомбинации, одновременно присутствующими в резонаторе.

1. Введение 2. Технология изготовления и методика исследования Источники инфракрасного (ИК) излучения в диапасветоизлучающих структур зоне длин волн = 3-4 мкм имеют множество практических приложений. Известно, что молекулы углево- Светоизлучающая структура выращивалась методом МОГФЭ в реакторе горизонтального типа при атдородных соединений и других промышленных и примосферном давлении. Подложка размещалась на мородных газов, например CO, CO2, H2S, SO2, NO, NO2, либденовом подложкодержателе с резистивным нагрепоглощают ИК излучение в указанном спектральном вом. Использовались подложки InAs с кристаллоградиапазоне. На основе ИК излучателей разрабатываются фической ориентацией (100), легированные цинком газоаналитические методики контроля технологических до концентрации дырок p =(5-9.4) · 1018 см-3. Эпипроцессов и мониторинга окружающей среды. В растаксиальная часть структуры состояла из барьерносматриваемом диапазоне при комнатной температуре го слоя InAs0.53Sb0.15P0.32, легированного цинком, с устойчиво работают источники спонтанного излучения, концентрацией дырок p = 2 · 1018 см-3, нелегированоднако для некоторых применений (например, молекуной активной области InAs и нелегированного барьерлярной спектроскопии высокого разрешения, когерентного слоя InAs0.53Sb0.15P0.32. Концентрация носителей ных методов обработки сигналов) необходимы источнизаряда (электронов) в активной области составляла ки с малой шириной спектра (10-3-10-2 ). Данной n = 2 · 1016 см-3, в нелегированном барьерном слое работой мы продолжаем цикл исследований свойств n = 1.3 · 1017 см-3. Толщины эпитаксиальных слоев быисточников когерентного излучения, изготовленных на ли следующими: активная область InAs — 3.3 мкм, нижоснове структур, выращенных методом газофазной эпи- ний барьерный слой InAs0.53Sb0.15P0.32 — 3 мкм, верхний таксии из металлорганических соединений (МОГФЭ). барьерный слой InAs0.53Sb0.15P0.32 — 4 мкм. Показатель преломления в активной области на величину n = 0.Электролюминесцентные свойства лазеров на оснобольше, чем в широкозонных слоях.

ве гетероструктур GaInAsSb/GaAlAsSb I и II рода Энергетическая диаграмма выращенной структуры рассматривались в работе [1]. Механизмы излучательизображена на рис. 1. При температуре T = 77 K в тверной рекомбинации в лазерах на основе гетероструктур дом растворе InAs0.53Sb0.15P0.32 ширина запрещенной InGaAsSb/InAsSbP I и II типа исследованы в работе [2].

зоны составляет Eg = 0.610 эВ. Расчет величины Eg проИнтерфейсная электролюминесценция в светодиодах на веден по методике, изложенной в работе [4]. Величина основе гетероструктуры InAs/InAsSbP наблюдалась в раEg в активной области была определена по результатам боте [3]. В данной работе мы ставили задачу исследовать измерений спектров фотолюминесценции (ФЛ) слоев когерентное излучение в лазерной гетероструктуре с InAs с учетом соотношения толстой активной областью (толщина h 2мкм), выращенной методом МОГФЭ.

Eg = h - kT, (1) где h — энергия фотона, соответствующая пику в ¶ E-mail: serguie@mail.ru спектре ФЛ, kT — тепловая энергия.

7 498 А.П. Астахова, Н.Д. Ильинская, А.Н. Именков, С.С. Кижаев, С.С. Молчанов, Ю.П. Яковлев Фабри–Перо в чипах формировались скалыванием и имели длину L = 150-900 мкм. Расстояние между канавками составляло 20 мкм. Ширина контактного полоска была 5-6мкм (рис. 2). Омические контакты к p- и n-областям формировались методом вакуумного термического осаждения многослойной композиции Cr–Au–Ni–Au. В качестве диэлектрического покрытия были опробованы фоторезист, полиэмид, нитрид кремния Si3N4. Толщина Si3N4 составляла (1000-1100).

Сравнение характеристик диодов показало, что предпочтительно применение Si3N4.

Были исследованы спектральные характеристики диодов при различных длинах резонатора и измерена поляризация излучения. Исследуемые диоды находились при температуре 77 K. Измерения спектральных характеристик проводились при питании импульсным током (длительность импульса = 500 нс, частота следования f = 2кГц). При измерении спектров излучение направлялось в решеточный спектрометр и на его выходе детектировалось InSb-фотодиодом, охлаждаемым жидким азотом. Интенсивность излучения измерялась импульсным синхронным детектором. В качестве поляризатора применялась решетка, изготовленная из фторпласта со штрихами из алюминия — 1200 штрихов/мм.

Рис. 1. Схема расположения слоев в лазерной структуре 3. Экспериментальная часть (a), энергетическая диаграмма структуры при нулевом смещении (b) и в лазерном режиме (c).

Рассмотрим далее результаты измерений.

На рис. 3 изображены спектральные характеристики диода с длиной резонатора L = 550 мкм в режиме Рис. 2. Фотография скола лазерной структуры.

При T = 77 K в InAs Eg = 0.405 эВ. На границе активной области InAs и барьерного слоя InAs0.53Sb0.15P0.образуется гетеропереход II типа с разрывами валентной зоны Ev = -8 мэВ и зоны проводимости Ec = 213 мэВ.

На основе синтезированных структур методом фотолитографии и мокрого химического травления быРис. 3. Спектр излучения лазерного диода с длиной резонали изготовлены источники излучения меза-полосковой тора 550 мкм при различных токах I, А: 1 — 0.465, 2 — 0.53, конструкции по схеме „двойной канал“. Резонаторы 3 — 0.61.

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. Интерфейсная и межзонная лазерная генерация в гетероструктуре InAs/InAsSbP... спонтанного излучения (кривая 1), на пороге лазерной генерации при токе I = Ith (кривая 2) и при токе, превышающем пороговый ток Ith на 15% (кривая 3).

Когерентное излучение возникало в максимуме спонтанной полосы ( = 3.110 мкм). При токе I = 1.15Ith проявляется дополнительная мода ( 3.087 мкм).

Рис. 4. Спектры TE- (1) иTM-компонент (2) излучения лазера Рис. 6. Спектр излучения лазера с длиной резонатора 350 мкм с длиной резонатора 350 мкм при токе 0.61 А.

при различных токах I, А: 1 — 0.51, 2 — 0.55, 3 — 0.73. На вставке — зависимость интенсивности излучения от тока.

На рис. 4 приведены спектральные зависимости TEи TM-компонент когерентного излучения образца с L = 350 мкм при токе I = 0.61 А. Для данного диода Ith = 0.425 А. Спектр содержит две моды с длинами волн 3.084 и 3.103 мкм. Обе спектральные моды лазера имеют преимущественно TE-поляризацию (вектор электрического поля E волны параллелен плоскости p-n-перехода). Степень поляризации для каждой из мод была определена из соотношения =(PTE-PTM)/(PTE + PTM), где PTE и PTM —интенсивности излучения с поляризацией TE и TM соответственно. Для коротковолновой моды = 83%, для длинноволновой моды = 45%. Моды с преимущественной TM-поляризацией не наблюдались.

На рис. 5 отражено влияние длины резонатора на величину порогового тока и длину волны излучения на пороге лазерной генерации. Величина Ith минимальна при L 300 мкм. При L 175 мкм генерация когерентного излучения не получена, несмотря на интенсивную электролюминесценцию. При L > 300 мкм Ith плавно возрастает с увеличением L. Длина волны Рис. 5. Зависимость порогового тока (a) и длины волны излучения на пороге генерации (b) от длины резонатора. когерентного излучения уменьшается с уменьшени7 Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 500 А.П. Астахова, Н.Д. Ильинская, А.Н. Именков, С.С. Кижаев, С.С. Молчанов, Ю.П. Яковлев ем L. Зависимость = f (L) практически линейна при длинноволновая часть спектра соответствует интерфейсL = 350-750 мкм; при дальнейшем уменьшении L про- ной излучательной рекомбинации. Коротковолновая моисходит резкое уменьшение. да с = 3.084 мкм, по-видимому, соответствует межзонНа рис. 6 изображены спектры излучения диода ным переходам.

с L = 350 мкм при различных токах и зависимость Для обеспечения лазерной генерации в лазерах с интенсивности излучения от тока. Величина порого- малой длиной резонатора необходимо увеличивать навого тока Ith = 0.425 А. При токе I = 0.51 А спектр пряжение на структуре, что приводит к увеличению глусостоит из одной моды 3.097 мкм. С увеличением бины потенциальных ям и соответствующему подъему тока в спектре проявляется мода 3.087 мкм, ко- уровней в квантовых ямах. Подъем уровней означает торая при токе I = 0.55 А становится преобладающей.

увеличение энергетического расстояния между квантоПри токе I = 0.73 А возникает дополнительная мода выми состояниями, возрастание энергии фотонов ко 3.094 мкм. Зависимость интенсивности излучения герентного излучения. Таким образом, уменьшение L от тока более крутая (в 8 раз) в интервале токов приводит к увеличению энергии фотонов и соответству0.425-0.55 А, чем при токах 0.55-1.5 А, что говорит о ющему уменьшению (рис. 5). Отсутствие лазерной более высокой излучательной эффективности лазера при генерации при малых длинах резонатора, L 175 мкм, токах I < 0.55 А, чем при значениях I > 0.55 А. Уменьявляется следствием насыщения усиления, характерного шение крутизны зависимости интенсивности излучения для квантовых ям, что говорит в пользу существования от тока коррелирует с появлением лазерной линии с интерфейсного канала излучательной рекомбинации. Надлиной волны = 3.087 мкм. При этом остается и более блюдающееся увеличение порогового тока Ith с ростом длинноволновая линия с = 3.097 мкм. Необычным явдлины резонатора при L 300 мкм показывает наличие ляется возникновение лазерных линий с промежуточной существенных внутренних потерь лазерного излучения.

длиной волны = 3.094 мкм.

При T = 77 K максимум спектра фотолюминесценции слоя InAs (Eg = 0.405 эВ) соответствует длине волны = 3.040 мкм. Возникновение межзонной моды с 4. Обсуждение результатов несколько большей длиной волны, = 3.084-3.087 мкм (рис. 6), характерно для лазеров, работающих на межНаличие в светоизлучающей структуре хотя бы одзонной рекомбинации, и может быть объяснено сужениного гетеробарьера приводит к новым каналам как ем запрещенной зоны из-за большого уровня возбуждеизлучательной, так и безызлучательной рекомбинации.

ния в лазерном режиме. При дальнейшем увеличении Можно ожидать, что в исследуемой полупроводниковой тока сдвиг в коротковолновую сторону пиков излучения, структуре с гетеропереходами II рода одним из мехасоответствующих межзонным переходам, объясняется низмов излучательной рекомбинации будет взаимодейподъемом квазиуровней Ферми вследствие увеличения ствие между электронами и дырками на гетерогранице концентрации свободных носителей заряда в активной N-InAsSbP/n-InAs. Согласно работам [5–7], приложеобласти структуры. Отсутствие смещения в длинноние прямого смещения, большего значения V = Eg/e, волновую сторону спектров излучения при межзонных (рис. 1) вызывает возникновение самосогласованных переходах позволяет предположить, что существенного пространственно разделенных потенциальных ям для подъема температуры в активной области не происходит.

электронов и для дырок в n-InAs вблизи гетерограницы Тот факт, что с увеличением тока пики излучения, n-InAs/N-InAsSbP. Когерентное излучение в такой струкотвечающие интерфейсной рекомбинации, сдвигаются в туре обеспечивается за счет излучательных переходов „красную“ сторону, служит подтверждением различной между квантовыми состояниями в потенциальных ямах.

природы длинноволновой и коротковолновой частей В исследуемых диодах мы наблюдаем возникновеспектра и говорит о наличии небольшого увеличения ние лазерной линии в максимуме спонтанной полосы температуры в процессе импульса.

(рис. 3), что по данным работы [8] означает интерРезкое замедление роста интенсивности излучения с фейсный характер люминесценции. В данном случае током при I > 0.55 А можно объяснить взаимодействием основной вклад в интенсивность излучения на пороге генерации дает область вблизи гетерограницы n-InAs/N- между модами интерфейсной и межзонной излучательInAsSbP, ширина которой d при данном уровне леги- ной рекомбинации. Для этого надо признать, что те и рования слоев составляет 200 [9]. Величина d зна- другие моды генерируются одновременно. Это отличает чительно меньше толщины активной области лазерной лазер от других источников излучения. Тогда при взаструктуры ( 3.3мкм). имодействии мод будет появляться мода с промежуточТип гетероперехода влияет на поляризацию излу- ной частотой, пульсирующая с полуразностной частотой.

чения. В работе [10] было показано, что оптиче- По своей длине волны она попадает в промежуток межские переходы, происходящие без сохранения импульса, ду областями интерфейсного и межзонного усиления, имеют преимущественно TM-поляризацию. В иссле- т. е. в область поглощения. В результате промежуточная дуемой структуре все моды имеют преимущественно мода создает сильные потери генерируемого лазерного TE-поляризацию (рис. 4), но меньшая величина для излучения, что уменьшает крутизну зависимости интенмоды с = 3.103 мкм позволяет предположить, что сивности излучения от тока. Обобщая, можно сказать, Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. Интерфейсная и межзонная лазерная генерация в гетероструктуре InAs/InAsSbP... что многополосный спектр усиления нежелателен в Interface and interband laser action высокоэффективных лазерах. Однако его можно избеin an InAs/InAsSbP heterostructure grown жать, снизив роль межзонной рекомбинации, например, by metallorganic vapor phase epitaxy уменьшением толщины узкозонного слоя.

A.P. Astakhova, N.D. Il’inskaya, A.N. Imenkov, S.S. Kizhayev, S.S. Molchanov, Yu.P. Yakovlev 5. Заключение Ioffe Physicotechnical Institute, Таким образом, изготовлены и исследованы источRussian Academy of Sciences, ники когерентного излучения на основе двойной гете194021 St. Petersburg, Russia роструктуры InAs/InAsSbP, выращенной методом газофазной эпитаксии из металлорганических соединений.

Abstract

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.