WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. 5 Гетероструктуры с несколькими слоями InAs / InGaAs-квантовых точек для источников оптического излучения диапазона длин волн 1.3 мкм © Н.А. Малеев, А.Е. Жуков, А.Р. Ковш, С.С. Михрин, В.М. Устинов, Д.А. Бедарев, Б.В. Воловик, И.Л. Крестников, И.Н. Каяндер, В.А. Одноблюдов, А.А. Суворова, А.Ф. Цацульников, Ю.М. Шерняков, Н.Н. Леденцов, П.С. Копьев, Ж.И. Алфёров, Д. Бимберг 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 1 декабря 1999 г. Принята к печати 2 декабря 1999 г.) Предложен способ получения гетероструктур с несколькими слоями InAs / InGaAs-квантовых точек методом молекулярно-пучковой эпитаксии на подложках GaAs, обеспечивающий высокую интенсивность и малую ширину линии фотолюминесценции в диапазоне длин волн 1.3 мкм. Исследованы зависимости структурных и оптических свойств от режимов роста. Продемонстрированы потенциальные возможности разработанной технологии для создания поверхностно-излучающих приборов с вертикальными оптическими резонаторами.

Дальнейшее развитие быстродействующих оптоволо- числе в непрерывном режиме, для диапазона длин волн конных систем передачи информации требует совершен- 1.3 мкм [4,10]. Однако уровень оптического усиления, ствования полупроводниковых источников и приемни- продемонстрированный в структурах с массивами КТ, ков оптического излучения диапазонов длин волн 1.3 является недостаточным для преодоления потерь, типичи 1.55 мкм. Недостатки традиционных инжекционных ных для поверхностно излучающих лазеров указанного гетеролазеров на структурах InGaAsP / InP связаны с спектрального диапазона. Наблюдаемое насыщение усинесимметричной диаграммой направленности лазерно- ления обусловлено конечным значением поверхностной го излучения, затрудняющей ввод светового пучка в плотности КТ в сочетании с неоднородным уширением оптический волновод, низкой температурной стабиль- плотности состояний из-за разброса в параметрах отдельностью и сложной технологией изготовления, включа- ных точек [11]. Поэтому исключительно важной задачей ющей индивидуальную обработку и измерение каждо- является разработка методов получения массивов одного лазерного кристалла [1]. В связи с этим ведется родных КТ, имеющих высокую поверхностную плотность активный поиск новых полупроводниковых материалов и излучающих в диапазоне длин волн 1.3 мкм.

для указанных спектральных диапазонов. К их числу В настоящей работе представлены результаты оптиотносятся структуры на основе квантовых ям (КЯ) мизации конструкции и условий молекулярно-пучковой InGaAsN [2] и GaAsSb [3], а также структуры с массива- эпитаксии структур с несколькими слоями InAs / InGaAsми квантовых точек (КТ) InGaAs [4,5], выращиваемые КТ, опеспечивающих увеличение поверхностной плотна подложках арсенида галлия методом молекулярно- ности массива КТ при сохранении высокой яркости пучковой эпитаксии (МПЭ). Использование подложек линии фотолюминесценции (ФЛ) в диапазоне длин волн GaAs открывает возможность для создания длинноволно- 1.3 мкм без увеличения ее полуширины по сравнению со вых поверхностно излучающих лазеров с вертикальными структурами, содержащими только один слой КТ. Для оптическими резонаторами (VCSELs — vertical cavity эпитаксиальных структур с вертикальными оптическими surface emitting lasers) за счет использования высокока- резонаторами демонстрируется фото- и электролюмичественных четвертьволновых брэгговских отражателей несценция в диапазоне длин волн 1.26–1.33 мкм.

на основе AlGaAs / GaAs. Такие источники потенциально Исследуемые в настоящей работе структуры выращиобеспечивают эффективный ввод оптического излучения вались методом МПЭ с твердотельным источником Asв волокно и повышенную температурную стабильность, в установке Riber-32P на подложках полуизолирующего а также позволяют применять групповую технологию GaAs(100). Температура подложки при формировании изготовления и тестирования [6].

КТ, КЯ, а также всей или части толщины спейсеров Максимальная длина волны лазерного излучения, до- составляла 485C, а при выращивании остальной части стигнутая для структур с КЯ InGaAs / GaAs, составляет структуры — 600C. Исследования методом просвечи1.22 мкм [7], что обусловлено ограничением на ши- вающей электронной микроскопии (ПЭМ) были выполрину КЯ, налагаемым пределами псевдоморфного ро- нены на электронном микроскопе Philips EM 420, рабоста [8]. В то же время применение массивов InGaAs- и тающем при ускоряющем напряжении 100120 кВ. ФоInAs / InGaAs-КТ позволило реализовать фотодетекторы толюминесценцию возбуждали Ar+-лазером (514.5 нм) и с вертикальным оптическим резонатором [9] и продемон- регистрировали Ge фотодиодом. Плотность возбуждения стрировать низкопороговую лазерную генерацию, в том составляла 100 Вт / см2.

Гетероструктуры с несколькими слоями InAs / InGaAs-квантовых точек для источников... Рис. 1. ПЭМ микрофотография (вид в поперечном сечении) образца, содержащего 1 слой КТ InAs, сформированных на подслое In0.12Ga0.88As толщиной 4 нм и покрытых слоем In0.12Ga0.88As толщиной 6 нм и слоем GaAs толщиной 10 нм.

На рис. 1 приведено ПЭМ изображение скола струк- момент состоит в использовании относительно толстых туры с КТ InAs, помещенными во внешнюю КЯ InGaAs. спейсеров GaAs (20–40 нм). При этом лишь первая, Такие структуры обеспечивают относительно высокую относительно тонкая часть спейсера толщиной 3–5 нм, поверхностную плотность (3.5-4.5 · 1010 см-2) [5] по предназначенная для консервации формы InAs / InGaAs сравнению с КТ In0.5Ga0.5As (1.0 · 1010 см-2) [4], также КТ, выращивается при температуре 480-490C, а остальизлучающими в диапазоне длин волн 1.3 мкм. Нами ис- ная часть — при температуре 600C, типичной для выраследуется возможность дальнейшего увеличения поверх- щивания GaAs методом МПЭ. ПЭМ микрофотография ностной плотности с помощью повторного осаждения (вид в поперечном сечении) образца, содержащего нескольких слоев КТ, разделенных спейсерами GaAs (так слоя КТ InAs, покрытых слоем In0.12Ga0.88As толщиной называемое складирование). 6 нм, разделенных GaAs спейсерами полной толщиной 50 нм, приведена на рис. 3. Отметим, что в отличие от При создании инжекционных лазеров с массивами КТ традиционных структур со складированными массивами более коротковолновых диапазонов ранее было успешно КТ, для которых наблюдается эффект вертикального использовано складирование КТ с относительно тонкими совмещения положения КТ соседних слоев, в данном спейсерами GaAs (от 1.5 до 10 нм) [12]. Однако попытка впрямую использовать такой подход для InAs / InGaAs- случае их положение оказывается некоррелированным.

Мы полагаем, что это обусловлено относительно высоструктур диапазона длин волн 1.3 мкм показала, что в кой толщиной спейсеров. Более детальный анализ покаданном случае наблюдается существенное уменьшение интенсивности ФЛ как при азотной, так и при комнатной температурах, а также изменение форм соответствующих спектров ФЛ. В качестве примера на рис. 2 показаны спектры ФЛ (77 и 300 K) для структур с одним и тремя слоями КТ InAs, сформированных на подслое InGaAs толщиной 3 нм и покрытых слоем InGaAs толщиной 5 нм и слоем GaAs толщиной 10 нм.

Спейсеры были полностью выращены при температуре 480-490C. Существенное падение интенсивности ФЛ указывает на ухудшение качества трехслойной структуры, выращенной таким способом. Возможная причина состоит во влиянии нижнего слоя с КТ на формирование последующих слоев, обусловленного полями напряжений, возникающими над отдельными островками (рис. 1, область 1).

Нами были проведены исследования, направленные на оптимизацию выращивания структур с несколькими слоями InAs / InGaAs-КТ. Было обнаружено, что ключевым моментом является максимально возможное снижение общего количества In в отдельных слоях [13].

Это было достигнуто за счет перехода к использованию Рис. 2. Спектры ФЛ для структур с одним (темные квадраты) КТ InAs, формируемых непосредственно на GaAs, зараи тремя (светлые квадраты) слоями КТ InAs, сформированных щиваемом затем слоем InGaAs с низким содержанием на подслое InGaAs толщиной 3 нм и покрытых слоем InGaAs, индия (xInAs = 0.1-0.15). Другой принципиальный толщиной 5 нм и слоем GaAs толщиной 10 нм.

Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. 614 Н.А. Малеев, А.Е. Жуков, А.Р. Ковш, С.С. Михрин, В.М. Устинов, Д.А. Бедарев, Б.В. Воловик...

Рис. 3. ПЭМ микрофотография (вид в поперечном сечении) образца, содержащего 3 слоя InAs / InGaAs-КТ, сформированных непосредственно на арсениде галлия и разделенных GaAs-спейсерами полной толщиной 50 нм.

зывает, что поверхностная плотность КТ и их распреде- четвертьволнового слоя AlAs до поверхности ление по размерам одинаково для отдельных слоев. Из- структуры) составляло mc/2n2, где m — целое меренные при комнатной температуре спектры ФЛ для число. Затем образцы вынимались из ростовой камеры 3 образцов, содержащих 1 или 3 массива InAs / InGaAs- и проводились измерения спектров отражения и ФЛ.

На рис. 5 приведены спектры отражения и ФЛ для КТ при разной толщине GaAs спейсеров, приведены на образца с нижним брэгговским отражателем, а также рис. 4. Представленные результаты подтверждают, что спектр ФЛ для образца без отражателя, измеренные при предложенный метод выращивания позволяет сохранить комнатной температуре. Активная часть структуры выраформу спектра ФЛ в диапазоне длин волн 1.3 мкм для щивалась с использованием описанной выше технологии складированных структур с InAs / InGaAs-КТ. При этом и содержала три слоя InAs / InGaAs-КТ, разделенных не наблюдается падения интенсивности ФЛ для образцов спейсерами GaAs полной толщиной 25 нм. Для образс несколькими слоями КТ по сравнению с однослойными ца с нижним зеркалом наблюдается сужение спектра структурами.

ФЛ и существенное (на порядок) возрастание яркости, Ранее нами была продемонстрирована возможность что подтверждает существенное влияние оптического использования структур с несколькими слоями резонатора на излучательные характеристики массивов InAs / InGaAs-КТ для создания лазерных диодов КТ [15,16]. В зависимости от особенностей активной диапазона длин волн 1.3 мкм [10]. Диоды со сколотыми области и параметров оптического резонатора положезеркалами и шириной полоска 100 мкм демонстрируют ние максимума спектров ФЛ для изготовленных образнизкие пороговые токи (90-105 А / см2) и высокую цов лежало в диапазоне длин волн от 1.26 до 1.33 мкм.

выходную мощность (2.7 Вт) при длине волны лазерного излучения 1.26-1.28 мкм. Далее представлены результаты, демонстрирующие потенциальные возможности предложенной технологии для создания поверхностно излучающих структур с вертикальными оптическими резонаторами. Исследуемые структуры формировались в два этапа. Сперва методом МПЭ выращивалось нижнее зеркало на основе нелегированной структуры AlAs / GaAs с толщинами слоев /4ni (здесь — рабочая длина волны, ni — показатель преломления AlAs (i = 1) или GaAs (i = 2) на рабочей длине волны). Затем на тот же держатель помещался кусок полуизолирующей подложки GaAs и осуществлялось выращивание второй части структуры, представляющей собой слой GaAs, содержащий несколько рядов InAs / InGaAs-КТ. Активная область с КТ ограничивалась сверху и снизу короткопериодными сверхрешетками AlGaAs / GaAs. Чтобы избежать проблем, связанных с возможностью окисления AlAs, все структуры зеркал завершались слоем GaAs толщиной /8n2 и покрывались слоем аморфного Рис. 4. Спектры ФЛ для 3 образцов, содержащих 1 (темные мышьяка толщиной 0.1мкм [14]. Номинальная длина квадраты) или 3 массива InAs / InGaAs-КТ при толщине GaAsоптического резонатора (расстояние от последнего спейсеров 18 (звездочки) и 30 нм (светлые квадраты).

Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. Гетероструктуры с несколькими слоями InAs / InGaAs-квантовых точек для источников... электролюминесценции поверхностно излучающего диода с диаметром активной области 30 мкм, измеренные при комнатной температуре в импульсном режиме в направлении, нормальном к поверхности структуры. Величина плотности тока оценивалась в предположении ее равномерного распределения по площади прибора. С ростом уровня возбуждения форма и полуширина спектров электролюминесценции изменяются слабо по сравнению со спектрами спонтанного излучения лазерных структур на основе массивов КТ InAs / InGaAs [10,13] и поверхностно излучающих структур с КТ без оптического резонатора [17], для которых характерен рост интенсивности излучения через возбужденные состояния. Это обусловлено влиянием оптического резонатора. Относительно большая полуширина спектров электролюминесценции обусловлена использованием низкодобротного резонатора, поскольку коэффициент отражения верхнего зеркала, образованного границей GaAs–воздух, составляет только Рис. 5. Спектры отражения и ФЛ для структуры с тремя слопорядка 30%.

ями InAs / InGaAs-КТ, выращенной на брэгговском отражателе Таким образом, в настоящей работе предложен спо(сплошная линия), и спектр ФЛ для аналогичной структуры, выращенной на полуизолирующей подложке GaAs (звездочки). соб формирования структур с несколькими слоями InAs / InGaAs-квантовых точек, обеспечивающий малую ширину и высокую яркость линии ФЛ в диапазоне длин волн 1.3 мкм. Полученные полупроводниковые гетероструктуры с вертикальными оптическими резонаторами и активными областями на основе нескольких массивов InAs / InGaAs-квантовых точек потенциально пригодны для создания вертикальных излучателей диапазона длин волн 1.3 мкм на подложках арсенида галлия.

Работа выполнена при поддержке Программы Министерства науки и технологий РФ ”Физика твердотельных наноструктур” (грант 99-2014), РФФИ, NanoOp и INTAS (grant 96-0467).

Список литературы [1] G.P. Agrawal, N.K. Dutta. Long Wavelength Semiconductor Рис. 6. Спектры электролюминесценции для поверхностно Lasers (N. Y., Van Nostrend Reinhold, 1986).

излучающего диода с активной областью на основе трех слоев [2] K. Nakahara, M. Kondow, T. Kitatani, M.C. Larson, K. Uomi.

InAs / InGaAs-КТ и нижним брэгговским отражателем. IEEE Phot. Techn. Lett., 10, 487 (1998).

[3] K. Nishi, T. Anan, S.Sugou. IEEE / LEOS Summer Topical Meeting (San Diego, CA, USA, July 28–30, 1999) IEEE Catalog Number 99 TH8455, 39.

Для исследования электролюминесцентных характе[4] D. Huffaker, G. Park, Z. Zou, O.B. Shcekin, D.G. Deppe. Appl.

ристик на легированной Si подложке GaAs была выPhys. Lett., 73, 2564 (1998).

ращена структура с нижним брэгговским зеркалом на [5] V.M. Ustinov, N.A. Maleev, A.E. Zhukov, A.R. Kovsh, A.Yu. Egorov, A.V. Lunev, B.V. Volovik, I.L. Krestnikov, основе 25 пар n-AlAs / n-GaAs, активной областью (реYu.G. Musikhin, N.A. Bert, P.S. Kop’ev, Zh.I. Alferov, N.N. Leзонатором) с тремя рядами InAs / InGaAs-КТ и верхним dentsov, D. Bimberg. Appl. Phys. Lett., 74, 2815 (1999).

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.