WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 4 Влияние p-легирования активной области на температурную стабильность характеристик лазеров на InAs/GaAs-квантовых точках © И.И. Новиков¶, Н.Ю. Гордеев, Л.Я. Карачинский, М.В. Максимов, Ю.М. Шерняков, А.Р. Ковш, И.Л. Крестников, А.В. Кожухов, С.С. Михрин, Н.Н. Леденцов Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия NL Nanosemiconductor GmbH, 44227 Dortmund, Germany (Получена 6 сентября 2004 г. Принята к печати 17 сентября 2004 г.) Проведено детальное исследование влияния легирования активной области длинноволновых лазеров на InAs–GaAs-квантовых точках акцепторной примесью на их характеристики. Показано, что увеличение степени легирования приводит к росту характеристической температуры и увеличению диапазона температурной стабильности пороговой плотности тока. В лазере со степенью легирования порядка 2 · 1012 см-2 акцепторов на одну плоскость квантовых точек продемонстрирована характеристическая температура 1200 K в диапазоне температур 15-75C, а также постоянное значение дифференциальной квантовой эффективности в диапазоне температур 15-65C. Для оптимизированной структуры максимальная достигнутая выходная мощность в непрерывном режиме составила 4.4 Вт.

1. Введение — эффект нарушения зарядовой нейтральности приводит к температурной зависимости компоненты поПолупроводниковые лазеры на основе квантовых торогового тока, связанной с генерацией в квантовых чек (КТ) являются объектом интенсивных исследоваточках [4];

ний благодаря возможности достижения лазерами с КТ — температурная зависимость поглощения на свободосновных приборных характеристик (пороговая плотных носителях.

ность тока, ее температурная стабильность, дифференВследствие данных эффектов температурная стабильциальная квантовая эффективность, фактор уширения ность пороговой плотности тока зависит как от халинии и др.), значительно превосходящих аналогичные рактеристик массива квантовых точек, так и других характеристики лазеров на квантовых ямах. Сверхвысопараметров лазерной структуры и может быть как выкая температурная стабильность пороговой плотности сокой, так и низкой. Успехи в технологии выращивания тока была предсказана в одной из первых теоретических КТ [5] позволили получить массивы квантовых точек, работ, посвященных лазерам на квантовых точках [1], обладающих малым разбросом по размерам и высокой и в значительной степени мотивировала интерес к их степенью локализации основного состояния электронов созданию и исследованию. В то же время более деи дырок относительно возбужденных состояний и сотальное рассмотрение показало, что полное отсутствие стояний широкозонной матрицы (материала волновода).

температурной зависимости пороговой плотности тока Была достигнута характеристическая температура 170 K может быть реализовано только в идеальном случае, в диапазоне температур 10-65C [6]. Для повышения когда весь ток инжекции расходуется на излучательную температурной стабильности лазеров на КТ были предрекомбинацию в КТ [2]. В реальных лазерах на кванложены такие подходы как туннельная инжекция носитовых точках имеется ряд факторов, обусловливающих телей в КТ [3], а также легирование активной области температурную зависимость пороговой плотности тока:

акцепторной примесью.

— неизбежное сущестование температурно-зависиИспользование легирования активной области для мых компонент пороговой плотности тока, связанных улучшения характеристик полупроводниковых лазеров с излучательной и безызлучательной рекомбинацией на квантовых ямах исследовалось теоретически в раносителей в волноводе [2];

боте [7]. Было показано, что n-легирование способ— температурно-зависимое заселение возбужденных ствует уменьшению тока прозрачности [7], в то время электронных и дырочных состояний и рекомбинация как p-легирование увеличивает максимальное усиление.

через данные состояния;

Высокая характеристическая температура (T0 = 230 K — неоднородное уширение ансамбля квантовых тов диапазоне температур от 0 до 80C) была недавно чек. При высоких температурах носители, находящиеся продемонстрирована в лазерах на квантовых точках с в точках, не участвующих в лазерной генерации, нахоp-легированной активной областью [8]. Однако легировадятся в квазиравновесии с точками, дающими вклад в ние активной области привело к значительному падению лазерную генерацию. Компонента порогового тока, свядифференциальной квантовой эффективности, которая занная с заселением точек, не участвующих в генерации, составила менее 20%.

зависит от температуры [3];

Таким образом, для достижения высокой характе¶ E-mail: novikov@switch.ioffe.ru ристической температуры при сохранении достаточно Влияние p-легирования активной области на температурную стабильность характеристик лазеров... большой дифференциальной квантовой эффективности необходима оптимизация степени легирования лазерной структуры.

В настоящей работе представлено детальное исследование влияния легирования активной области на пороговую плотность тока лазеров на КТ, ее температурную стабильность, дифференциальную квантовую эффективность и внутренние оптические потери.

2. Эксперимент Исследуемые лазерные структуры были выращены методом молекулярно-пучковой эпитаксии в геометрии раздельного ограничения носителей заряда и световой Рис. 1. Зависимости пороговой плотности тока Jth от потерь волны. Были выращены три структуры, одна с нелегирона выход излучения для всех трех гетероструктур.

ванной активной областью („нелегированная“ структура) и две структуры с различной степенью легирования активной области („умеренно легированная“ и „сильно легированная“). Ширина волновода составляла 0.4 мкм.

Эмиттерные слои AlGaAs толщиной 1.5 мкм с эффективным содержанием алюминия 35% легировались Si и C для достижения концентрации электронов и дырок на уровне 1018 см-3. Активная область лазерных структур состояла из 10 рядов квантовых точек InAs, разделенных слоями GaAs толщиной 30 нм (в дальнейшем „спейсерные слои“). КТ были сформированы методом активированного распада раствора InGaAs [9]. Центральная часть каждого „спейсерного слоя“ толщиной 10 нм легировалась акцепторной примесью (углеродом), при этом уровень легирования составлял 5 · 1011 см-2 акцепторов на одну плоскость КТ для умеренно легированной и 2 · 1012 см-2 для сильно легированной структур.

Все три структуры излучали в диапазоне длин волн Рис. 2. Зависимость обратной дифференциальной квантовой 1.28-1.285 мкм.

эффективности от длины резонатора для всех трех гетероИз выращенных структур были изготовлены лазеры структур.

полосковой конструкции с шириной полоска 100 мкм в геометрии мелкой мезы с длиной резонатора в пределах 0.5-4 мм. На зеркала резонатора, полученные скалыванием, просветляющие и отражающие покрытия не На рис. 2 представлена зависимость обратной дифнаносились. Образцы напаивались на медный теплоотвод ференциальной квантовой эффективности от длины реp-контактом вниз при помощи индиевого припоя. При- зонатора для всех трех структур. Данная зависимость борные характеристики исследовались в температурном позволила оценить внутренние оптические потери и внудиапазоне 15-150C при возбуждении импульсами тока треннюю эффективность стимулированного излучения.

(длительность 300 нс, частота 1 кГц).

Видно, что нелегированная структура имеет самые низкие внутренние потери 1.6 см-1 и высокую внутреннюю квантовую эффективность около 80%, в то же время 3. Экспериментальные результаты потери в легированных структурах растут с ростом степени легирования и составляют 2 и 5.4 см-1 для На рис. 1 представлена зависимость пороговой плот- умеренно легированной и сильно легированной структур ности тока от потерь на выход излучения. Нелегирован- соответственно. На рис. 3 представлены зависимости ная структура продемонстрировала самое низкое значе- пороговой плотности тока от температуры в полулоние пороговой плотности тока 110 А/см2 (лазер с длиной гарифмическом масштабе. На вставке приведены завирезонатора 2 мм), в то время как умеренно легированная симости длины волны генерации от температуры для и сильно легированная лазерные структуры показали всех трех структур. Характеристическая температура значение пороговой плотности тока 233 и 380 А/см2 пороговой плотности тока составила 70 K для нелегисоответственно для лазеров той же длины. рованной и 1200 K для сильно легированной структур Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 504 И.И. Новиков, Н.Ю. Гордеев, Л.Я. Карачинский, М.В. Максимов, Ю.М. Шерняков, А.Р. Ковш...

ждается уменьшением характеристической температуры до 57 и 59 K для умеренно легированной и сильно легированной структур соответственно. Для нелегированной структуры диапазон выше 75C описывается характеристической температурой 56 K.

Подобное поведение находит свое отражение и в зависимости дифференциальной квантовой эффективности от температуры, представленной на рис. 4. Видно, что в диапазоне температур 17-55C дифференциальная квантовая эффективность легированных структур практически постоянна, а при дальнейшем повышении температуры начинает резко падать, тогда как в нелегированной структуре падение начинается гораздо раньше.

Рис. 3. Зависимости пороговой плотности тока Jth от темпера- 4. Обсуждение туры для всех трех гетероструктур. На вставке — зависимости длины волны лазерной генерации от температуры для всех Легирование „спейсерных“ областей позволило дотрех гетероструктур. Длина образцов составляла 2 мм для стичь характеристической температуры 550 K для уменелегированной структуры и 4 мм для легированных структур.

ренно легированной и 1200 K для сильно легированной структур. Данные значения являются существенным улучшением параметров, полученных в работе [8], где также использовалась концепция легирования активной области лазеров на КТ. В работе [10] указывалось, что при комнатной температуре при энергии перехода 0.958 эВ расстояние между основным и возбужденным состоянием КТ составляет порядка 88 мэВ, при этом 75-80 мэВ приходится на разницу энергий уровней размерного квантования электрона, в то время как разница энергий уровней размерного квантования дырок составляет всего лишь 8-13 мэВ. Ввиду малого энергетического зазора между основным и возбужденным дырочным состояниями инжектированные дырки заселяют несколько уровней размерного квантования уже при комнатной температуре, что приводит к уменьшению их концентрации на основном состоянии. Таким образом, для достижения порогового усиления требуется дополРис. 4. Зависимости дифференциальной квантовой эффективнительная инжекция электронно-дырочных пар, что и ности от температуры для всех трех гетероструктур. Длина обобусловливает увеличение порога лазерной генерации с разцов составляла 2 мм для нелегированной структуры и 4 мм ростом температуры. Как было показано в работе [11], для легированных структур.

увеличение энергетического зазора между основным и возбужденными состояниями в КТ позволяет увеличить температурную стабильность пороговой плотности тов диапазоне температур 17-75C. Для умеренно леги- ка вследствие уменьшения заселенности возбужденных дырочных состояний.

рованной структуры она составила 550 K в диапазоне температур 17-55C. Монотонный, близкий к линейно- Увеличение степени заселенности дырками основного му, ход зависимости длины волны лазерной генерации, состояния КТ может быть достигнуто при помощи лепредставленный на вставке рис. 3, позволяет утверждать, гирования спейсерных областей GaAs вблизи КТ акцепчто во всем исследуемом температурном диапазоне торной примесью. Дырки из легированных областей загенерация происходит через основное состояние КТ. хватываются в КТ, и тем самым компенсируется эффект Обращает на себя внимание тот факт, что если в случае термического выброса дырок с основного состояния КТ.

нелегированной структуры температурная зависимость Действительно, температурная стабильность пороговой пороговой плотности тока носит практически линейный плотности тока легированных структур существенно выхарактер, то подобная зависимость для легированных ше, чем нелегированной структуры в диапазоне темпераструктур содержит два линейных участка (см. рис. 3). тур 17-75C, при этом, чем выше уровень легирования, При температуре выше 75C температурная стабиль- тем выше температурная стабильность. Как видно из ность легированных структур ухудшается, что сопрово- рис. 4, p-легирование позволяет также увеличить и Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. Влияние p-легирования активной области на температурную стабильность характеристик лазеров... при высоких температурах выброс дырок с основного состояния КТ становится настолько сильным, что положительный эффект p-легирования на температурную стабильность нивелируется и требуется дополнительная инжекция электронно-дырочных пар для компенсации выброса и достижения порогового усиления.

Негативными эффектами, возникающими при легировании структур, являются увеличение пороговой плотности тока и уменьшение дифференциальной квантовой эффективности. Эти эффекты связаны с большими потерями на свободных носителях в легированных структурах по сравнению с нелегированными. Таким образом, необходим компромисс между стремлением к увеличению характеристической температуры и приемлемым уменьшением дифференциальной квантовой Рис. 5. Зависимости пороговой плотности тока Jth и диффе- эффективности и ростом пороговой плотности тока. Для ренциальной квантовой эффективности d от температуры для оптимизации характеристик лазера требуются детальоптимизированной структуры.

ное моделирование с учетом параметров массивов КТ (плотность, количество слоев), энергетического спектра КТ, толщины волновода, толщин и уровня легирования „спейсеров“ GaAs, а также состава и степени легирования эмиттеров. Нами была выращена структура с оптимизированной толщиной волновода, состава и степени легирования эмиттеров и спейсерных областей. В спейсерных областях легировались два слоя GaAs толщиной по 5 нм, между которыми находился слой GaAs толщиной 13 нм (общая толщина „спейсера“ составляла 33 нм). Структура продемонстрировала высокую дифференциальную квантовую эффективность 56%, значение которой оставалось постоянным в диапазоне температур 15-80C (рис. 5), а также достаточно большую характеристическую температуру 420 K в диапазоне температур 15-60 (рис. 5). Максимальная оптическая мощность излучения данной структуры в непрерывном режиме составила 4.4 Вт (рис. 6), что, насколько нам известно, является наилучшим значением Рис. 6. Зависимость выходной мощности от тока накачки в для длинноволновых лазеров на КТ.

непрерывном режиме для оптимизированной структуры. Длина образца составляла 2 мм.

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.