WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 6 Влияние носителей заряда на перестройку в лазерах на основе InAsSb © Т.Н. Данилова, О.И. Евсеенко, А.Н. Именков, Н.М. Колчанова, М.В. Степанов, В.В. Шерстнев, Ю.П. Яковлев Физико-технический инстутит им.А.Ф.Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 13 августа 1996 г. Принята к печати 10 сентября 1996 г.) Исследована перестройка длины волны излучения лазеров на 3.2–3.4 мкм с активным слоем InAsSb и слоями InAsSbP раздельного электрического и оптического ограничения. Получено смещение доминирующей моды на 3–5 в коротковолновую сторону в процессе импульса тока при температурах 78–100 K.

Коротковолновое смещение объясняется уменьшением коэффициента преломления из-за роста концентрации носителей заряда и снижения интенсивности излучения в процессе импульса.

1. Полупроводниковые лазеры на длины волн ды были 1 типа с разрывом в валентной зоне в 1.5раза 3.2–3.4 мкм представляют интерес для диодной больше, чем в зоне проводимости (рис. 1, c). Структуры лазерной спектроскопии, так как она должна выращивались жидкофазной эпитаксией на подложках позволить различать основные линии поглощения из InAs, ориентированных по кристаллографической многих углеводородов — метана, пропана, ацетона, плоскости (100). Узкозонный слой не легировался и этилена, эфира, бензола, метилового спирта и др. имел толщину около 1 мкм. Концентрация равновесных Необходимая плавная перестройка длины волны электронов в нем составляла 1016 см-3. Слои элекизлучения обнаружена в лазерах с узкозонным слоем трического ограничения имели толщину также около InAsSb и ограничительными слоями из InAsSbP 1 мкм. Слои n-типа легировались Sn до концентрации на основе двойных гетероструктур (ДГС) [1–4]. электронов 2 · 1017 см-3, а слои p-типа легировались Zn Перестройка наблюдалась как в процессе импульса до концентрации дырок 1 · 1018 см-3. Слои оптического тока [1–2], так и при непрерывном увеличении тока со ограничения имели толщину 2–3 мкм и в 4–5 раз сильнее скоростью, меньшей скорости тепловой релаксации [3], легировались, чем слои электрического ограничения.

или со значительно большей скоростью [4]. Перестройка Лазеры имели мезаполосковую конструкцию с шириной наблюдалась как в процессе импульса тока [1–2], так полоска 20 мкм. Длина резонатора была 270–350 мкм.

и при непрерывном увеличении тока со скоростью, меньшей скорости тепловой релаксации [3], или со значительно большей скоростью [4]. Наблюдавшееся увеличение длины волны в процессе импульса тока в [1,2] объясняется нагреванием активной области.

При непрерывном увеличении тока со скоростью, большей скорости тепловой релаксации [4], длина волны сначала уменьшается. Это объясняется увеличением концентрации неравновесных носителей заряда. Затем длина волны начинает увеличиваться. В работе [4] увеличение длины волны связывают с самофокусировкой излучения из-за увеличения коэффициента преломления с ростом амплитуды электромагнитного излучения.

В лазерах с раздельным электрическим и оптическим ограничением (РОС лазеры) концентрация неравновесных носителей в узкозонном слое больше, чем в ДГС лазерах [1]. Поэтому следует ожидать более сильного влияния концентрации неравновесных носителей заряда на перестройку длины волны излучения в РОС лазерах.

В данной работе исследуется перестройка длины волны излучения РОС лазеров в процессе импульса тока.

2. Исследовались пятислойные n-InAs1-x-ySbxPy / n-InAs1-x-ySbxPy / n-InAs1-xSbx / p-InAs1-x-ySbxPy / p-InAs1-x-ySbxPy раздельного оптического и электрического ограничения структуры (рис. 1). В узкозонном Рис. 1. Схема расположения слоев в лазерной структуре (a), слое x было в пределах 0.035–0.06. В слоях электричепослойное распределение ширины запрещенной зоны (b) и ского ограничения x = 0.06, y = 0.1. Все гетероперехо- энергетическая диаграмма лазера в рабочем режиме (c).

Влияние носителей заряда на перестройку в лазерах на основе InAsSb 3. Рассмотрим результаты измерений. При питании лазера прямоугольным импульсом тока выше порогового значения (рис. 2, a) интенсивность излучения спадает в течение импульса (2, b, штриховые кривые). При введеении внешнего резонатора интенсивность излучения промодулирована синусоидой (рис. 2, b, сплошные кривые).

Синусоиды возникают из-за изменения длины волны излучения, когда ее величина пробегает резонансные значения интерферометра Фабри–Перо. За время, соответствующее одному периоду синусоиды, длина волны изменяется на величину, определяемую выражением =, (1) 2ln где l — длина внешнего резонатора, n — его коэффициент преломления. Если увеличить оптическую длину интерферометра, то волны синусоид при увеличении со временем будут смещаться вправо на экране (в сторону больших времен), а при уменьшении — влево. УвелиРис. 3. Изменение длины волны доминирующей моды лазера в чение оптической длины внешнего резонатора путем его процессе импульса тока: a — при фиксированной температуре поворота перемещает волны синусоиды в исследованных (T = 79 K, Ith = 82 мА) и различных токах, мА: 1 — 90, 2 — 110, 3 — 130, 4 — 140, 5 — 150, 6 — 160; b —при фиксированном отношении тока I к Ith (I/Ith = 1.3) и различных температурах, K: 1 — 78, 2 — 88, 3 — 92, 4 — 100.

лазерах к меньшим временам. Следовательно, в процессе импульса длина волны излучения уменьшается. Период синусоиды увеличивается в процессе импульса и уменьшается с увеличением тока при фиксированном времени (рис. 2, b). Соответственно уменьшение длины волны излучения в процессе импульса замедляется (рис. 3, a).

Исследования при температурах 80–100 K показали, что пороговый ток Ith сильно увеличивается с ростом температуры T по степенному закону Ith T, где = 3.5-4. При температурах 77–90 K одномодовая генерация обычно наблюдается в интервале токов от 1 до 2 Ith. При повышении температуры выше 90 K интервал существования одномодовой генерации резко уменьшается, стремясь к нулю при температуре 100 K. Доминирование одной моды сохраняется в интервале температур 4–5 K. С повышением температуры доминирующей становится более длинноволновая мода, отстоящая от предыдущей на одно, два или три межмодовых расстояния. Среднее смещение составляет 20 /K. При повышении температуры рабочий ток в одномодовом режиме увеличивается из-за роста порогового тока Ith. Соответственно изменение длины волны в процессе импульса ускоряется (рис. 3, b). Полное изменение длины волны за время импульса составляет 3–5 (0.3–0.5 см-1).

Рис. 2. Осциллограммы импульсов тока (a) и интенсивности Полуширина диаграммы направленности в плоскоизлучения P (b) с внешним резонатором (сплошные кривые) сти p-n-перехода незначительно уменьшается от 13 до и без него (штриховые) при различных токах, мА: 1 — 90, 10 градусов при увеличении I/Ith от 1 до 2 (рис. 4).

2 — 110. Температура 79 K. Пороговый ток 82 мА. Длина Полуширина диаграммы направленности в плоскости, внешнего резонатора из Si 11 мм. Вычисленное изменение темперпендикулярной плоскости p-n-перехода и плоскопературы лазера в процессе упомянутых импульсов тока (c).

Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 664 Т.Н. Данилова, О.И. Евсеенко, А.Н. Именков, Н.М. Колчанова, М.В. Степанов,...

Fth увеличиваются с ростом температуры. Уменьшение межзонного поглощения из-за увеличения Fth снижает коэффициент преломления в соответствии с формулой Кремерса–Кронига и дает вклад в уменьшение длины волны излучения. Несколько меньший вклад того же знака, обусловленный ростом Nth. дает восприимчивость электронно-дырочной плазмы. Вклады других явлений оцениваются значительно меньшими. Уменьшение интенсивности излучения, так же как и рост концентрации носителей заряда, должно уменьшать коэффициент преломления.

Для последующих количественных оценок проинтегрируем формулу Кремерса-Кронига в пренебрежении размытия функции Ферми и выразив зависимость коэфРис. 4. Зависимость полуширины диаграммы направленности фициента поглощения невозбужденного полупроводника в плоскости p-n-перехода (1) и в плоскости, перпендикулярот разности энергии фотона и ширины запрещенной ной ей и плоскости зеркала (2), от тока. T =79 K.

зоны Eg формулой = A( - Eg)1/2. При независимости от коэффициента A получим изменение коэффициента преломления n:

сти зеркала, в интервале I/Ith от 1 до 1.4, составляет cA Fth +Eg 40 градусов, а затем уменьшается до 35 градусов при n = L увеличении I/Ith до 2.

4. Проанализируем экспериментальные результаты.

-Eg - EL Fth +Eg Спад интенсивности излучения P в процессе импульса 1 - arctg, (5) тока (рис. 2) свидетельствует о нагревании активной Fth +Eg -Eg -EL области лазера. Если представить зависимость порого где c — скорость света, Fth = Fth(1 +me/mp), me и mp — вого тока Ith от температуры T степенным законом эффективные массы электронов и дырок соответственно, Ith T и полагать дифференциальную квантовую Eg — изменение ширины запрещенной зоны из-за эффективность независящей от температуры, то прирост вобуждения, EL = L - Eg, L — частота лазерного температуры лазера T можно выразить через изменеизлучения, EL < |Eg| < Fth. В соответствии с ние интенсивности излучения P формулой работой [5] P I T = - - 1 T. (2) 2 e3 2Nth P Ith Eg = -, (6) n3(Fth + kT )1/Как показывает расчет по формуле (2) при = где e — заряд электрона, k — постоянная Больцмана.

(рис. 2, c), активная область лазера нагревается в процесПродиференцировав (5) по температуре T, пренебрегая се импульса на 2 K. Скорость нагревания в процессе слабой зависимостью Eg от T, получим импульса уменьшается. Поэтому скорость изменения длины волны тоже уменьшается (рис. 3).

dn cA Fth +Eg EL -Поскольку коэффициент линейного теплового расши= - 1 -. (7) dT 2LT Fth рения соединений AIIIBV и их твердых растворов чрезвычайно мал при температурах вблизи 78 K, изменение Вклад восприимчивости плазмы в соответствии с рабодлины волны естественно связать с изменением той [6] выразим формулой коэффициента преломления n при нагревании:

dnp 2e2 1 1 dNth = - +. (8) = n. (3) cT nL me mp dT n В рамках идеологии работы [6] нами было получено Восприимчивость решетки и валентных электронов выражение для изменения коэффициента преломления дает увеличение коэффициента преломления nr с ростом n в процессе импульса тока температуры, dnr n dEg = -. (4) dnr dn dnp dT 4Eg dT n =T + + dT dT dT Поэтому она не может вызвать уменьшение длины волны в процессе импульса тока.

Nth I N0 -Однако пороговая концентрация носителей заряда Nth 1 + - 1 -, (9) r N0 Ith Nth и глубина залегания уровня Ферми в зоне проводимости Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № Влияние носителей заряда на перестройку в лазерах на основе InAsSb где N0 — концентрация носителей заряда на пороге [4] Т.Н. Данилова, О.И. Евсеенко, А.Н. Именков, Н.М. Колчаинверсии заселенности, r — показатель степени в вы- нова, М.В. Степанов, В.В. Шерстнев, Ю.П. Яковлев. Письма в ЖТФ, 16, 7 (1996).

ражении, представляющем зависимость пороговой конr [5] В.М. Аснин, А.А. Рогачев. ФТТ, 5, 1730 (1963).

центрации от температуры (Nth T ). Второе сла[6] П.Г. Елисеев, А.П. Богатов. Тр. ФИАН, 166, 15 (1986).

гаемое в квадратных скобках выражения (9) связано с уменьшением интенсивности излучения в процессе Редактор В.В.Чалдышев импульса. При преобладании излучательной рекомбинации оно равно 1, когда ток I близок к Ith, и быстро The influence of the carriers on the уменьшается с увеличением тока. В случае преобладания wavelenght tuning in InAsSb based lasers ударной рекомбинации >r, и это слагаемое достигает T.N. Danilova, O.I. Evseenko, A.N. Imenkov, величины /r = 3 при малых превышениях тока над порогом, но при увеличении тока уменьшается, оказы- N.M. Kolchanova, M.V. Stepanov, V.V. Sherstnev, Yu.P. Yakovlev ваясь равным 1 при превышении тока над порогом на (5 10)%. Надо отметить, что в реальных лазерах A.F.Ioffe Physicotechnical Institute, зависимость величины этого слагаемого от тока будет Russian Academy of Sciences, сглажена, так как плотность фотонов в нем изменяется 194021 St.Petersburg, Russia по ширине полоска.

В эксперименте при малых превышениях тока над

Abstract

Tuning of the wavelenght was investigated in порогом (рис. 3, a, кривые 1, 2) заметно замедление 3.2-3.4 µm lasers with an active InAsSb layer and separated уменьшения длины волны в процессе импульса при увеelectrical and optical limiting InAsSbP layers. The dominant mode личении тока. При увеличении превышения замедление was tuned in the blue direction on 3–5 during the current pulses сменяется ускорением из-за повышения рассеиваемой at temperatures 78–100 K. Blue tuning is explained in terms of мощности. По-видимому, в исследованных лазерах завиrefractive index decreasing due to the concentration rise and light симость влияния интенсивности излучения на показатель emission lessening during the pulse.

преломления от тока не такая резкая, как дает уравнение Tel.: (812) 247–99–(9). Кроме того, возможна маскировка этой зависимости из-за дефокусировки излучения в плоскости p-n-перехо- Fax: (812) 247–10–да (рис. 4) и фокусировки в препендикулярной плоско- E-mail: Yak@les.pti.spb.su сти.

Количественные оценки показывают, что без влияния интенсивности излучения на показатель преломления длины волны излучения в процессе импульса должна была бы только увеличиваться. Уменьшение концентрации носителей заряда в узкозонном слое, например, в случае углубления интерфейсных потенциальных ям дало бы такой же эффект.

Таким образом, коротковолновый сдвиг лазерных мод в процессе импульса тока в лазерах с раздельным оптическим и электрическим ограничением обусловлен высокой концентрацией неравновесных носителей заряда в узкозонном слое и влиянием носителей заряда и интенсивности излучения на показатель преломления активной среды.

Работа была поддержана контрактом Copernicus № CIPA-CT 94–0158, а также грантом Министерства науки РФ по программе ”Оптика и лазерная физика”.

Список литературы [1] А.Н. Баранов, Т.Н. Данилова, О.Г. Ершов, А.Н. Именков, В.В. Шерстнев, Ю.П. Яковлев. Письма ЖТФ, 18, 6 (1992).

[2] Ю.П. Яковлев, А.Н. Баранов, А.Н. Именков, В.В. Шерстнев, Е.В. Степанов, А.Я. Понуровский. Квант. электрон. 20, (1993).

[3] A.N. Baranov, A.N. Imenkov, V.V. Sherstnev, Yu.P. Yakovlev.

Appl. Phys. Lett., 64, 2480 (1994).




© 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.