WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 6 Оптические свойства вертикально связанных квантовых точек InGaAs в матрице GaAs ©М.В. Максимов, Ю.М. Шерняков, С.В. Зайцев, Н.Ю. Гордеев, А.Ю. Егоров, А.Е. Жуков, П.С. Копьев, А.О. Косогов, А.В. Сахаров, Н.Н. Леденцов, В.М. Устинов, А.Ф. Цацульников, Ж.И. Алферов, J. Bhrer, D. Bimberg Физико-технический институт им. А.Ф.Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия Technische Universitat Berlin, D-10623 Berlin, Germany (Получена 22 августа 1996 г. Принята к печати 10 сентября 1996 г.) Показано, что при N-кратном осаждении In0.5Ga0.5As(12 )/GaAs(50 ) эффекты самоорганизации приводят к формированию упорядоченных массивов вертикально связанных квантовых точек. Исследованы оптические свойства в зависимости от числа циклов осаждения (N = 1-10). Показано, что в случаев инжекционных гетеролазеров с активной областью на основе ВСКТ увеличение циклов осаждения N от 1 до 10 позволяет снизить пороговую плотность тока при 300 K от 950 до 97 А/см2 и реализовать непрерывный режим генерации при комнатной температуре с выходной мощностью 160 мВт с зеркала.

В последнее время в мире наблюдается особенно сив ВСКТ был сформирован в результате N-кратного резкий рост интереса к исследованию гетероструктур осаждения слоев InGaAs толщиной 12, разделенных с пространственным ограничением носителей в двух и 50 прослойками GaAs. Каждый их N слоев InGaAs трех измерениях — квантовым проволокам и квантовым выращивался в субмонослойном режие: (1 GaAs+1 точкам [1]. Такие структуры представляют значительный InAs+10 с остановка)6 [6]. При осаждении активного интерес с точки зрения их фундаментальных свойств, а слоя и покрывающего слоя GaAs толщиной 100 также являются весьма перспективными для применения температура подложки была равна 485 C, при росте в микро- и оптоэлектронных приборах. Инжекционные всей остальной структуры — 600 C. Лазерные струкгетеролазеры с активной областью на основе квантовых туры выращивались в стандартной геометрии двойной точек (IN,Ga)As/GaAs продемонстрировали сверхвысо- гетерострутуры с раздельным ограничением носителей кую температурную стабильность пороговой плотности (РО ДГС лазера) с градиентным волноводом. Геометока (Jth) с характеристической температурой (T0) по- трия лазерной структуры аналогична описанной в [3].

рядка 350–400 K в широком температурном диапазоне Активная область представляла собой массив ВСКТ.

(80–150 K) [2]. При более высоких температурах Температура подложки составила 485 C при росте аквследствие теплового выброса носителей из квантовых тивной области и 100 покрывающего слоя GaAs, точек Jth увеличивалась, T0 уменьшалась (T0 = 60 K), 630 C для волноводов и 600 C для остальной части а длина волны лазерной генерации сдвигалась в корот- структуры.

коволновую сторону (т. е. в область энергий, близких к Для исследования образцов методом ФЛ верхний конэнергии оптического перехода в двухмерном смачива- тактный слой у лазерных структур удалялся при помощи ющем слое) [2]. Использование массивов вертикально химического травления. ФЛ возбуждалась Ar+-лазером, связанных квантовых точек (ВСКТ) InAs в матрице GaAs для детектирования использовался охлаждаемый герпозволило существенно улучшить рабочие характери- маниевый фотодетектор. Спектры калориметрического стики лазеров и реализовать генерацию через основное поглощения (CAS) снимались при 500 мК. Минимальная состояние при 300 K (длина волны 1.03 мкм) [3–5]. детектируемая величина d составляла 10-5 [7]. Для В то же время пороговая плотность тока оставалась минимизации потерь на выход и достижения минимальдостаточно высокой — 700 А/см2 при 300 K. ной плотности порогового тока для электролюминесВ настоящей работе при помощи фотолюминесценции центных исследований были выбраны лазеры с четырьмя (ФЛ), калориметрического поглощения и электролю- сколотыми гранями. Измерение рабочих характеристик минесценции нами исследованы оптические и лазер- проводилось при импульсной накачке (длительность имные свойства вертикально связанных квантовых точек пульсов 100 нс, частота повторения 5 кГц), в температур(ВСКТ) с различным числом (N) слоев InGaAs. Инфор- ном диапазоне 80–300 K. Для измерения ватт-амперных мация о структурном совершенстве и геометрии ВСКТ характеристик в непрерывном режиме использовались была получена при помощи просвечивающей электрон- полосковые лазерные диоды. Лазеры припаивались индиной микроскопии (ПЭМ). ем полоском вниз на медный теплоотвод. Отражающие Структуры выращивались на подложке GaAs (100). и просветляющие покрытия на резонаторные грани не Активная область, представляющая собой массив ВСКТ, наносились.

была помещена в середину слоя GaAs толщиной На рис. 1 представлены микрофотографии образца с 0.2мкм, ограниченного с обеих сторон короткопериод- 6 слоями InGaAs ВСКТ, полученные методом просвечи ными сверхрешетками AlAs(20 )/GaAs(20 )10. Мас- вающей электронной микроскопии.

Оптические свойства вертикально связанных квантовых точек InGaAs в матрице GaAs На рис. 2 представлены спектры ФЛ и калориметрического поглощения структуры с N = 3. При низких плотностях возбуждения в спектре наблюдается интенсивная линия, обусловленная основным экситонным состоянием ВСКТ. При больших плотностях возбуждения в спектре появляется дополнительный пик, обусловленный возбужденным состоянием экситона в квантовой точке [9].

При высоких температурах наблюдения удается также выделить линию ФЛ от смачивающего слоя. С ростом температуры данные линии сдвигаются в длинноволновую сторону в соответствии с температурным сдвигом ширины запрещенной зоны GaAs. Пики от основного и возбужденных состояний в спектре ФЛ совпадают с аналогичными пиками в спектре калориметрического поглощения, что говорит о наличии высокой плотности хорошо сформированных однородных по размеру квантовых точек, в согласии с данными электронной микроскопии.

На рис. 3 представлены спектры ФЛ структур с различным N при высокой плотности возбуждения. Из рисунка видно, что для образца с N = 1 при таких плотностях возбуждения происходит значительное насыщение люРис. 1. Микрофотография образца с 6 слоями InGaAs КТ полученные методом просвечивающей электронной микроскопии:

a — вид сверху, b — поперечное сечение.

Образование InAs–GaAs ВСКТ было исследовано нами в [8]. Мы показали, что ВСКТ формируются благодаря эффекту самоорганизации, включающему в себя перенос In(Ga,As) от нижних точек к верхними заменой его на GaAs [8]. Как видно из рис. 1, латеральный размер нижнего островка в InGaAs ВСКТ составляет примерно 140. Латеральные размеры островков каждого последующего ряда постепенно увеличиваются, достигая 260 для верхнего острвока. Плотность точек составляет примерно (5-6)1010 см-2. Точки локально упорядочены в латеральной плоскости вдоль направле ний [001] и [011] (рис. 1, a). Как видно из рис. 1, b, каждая вертикально связанная квантовая точка состоит из 6 островков InGaAs, разделенных узкими прослойкаРис. 2. Спектры ФЛ структуры с InGaAs ВСКТ (N = 3) при ми GaAs. Таким образом, волновые функции верхних 300 (a) и 8 K (c) (на рис. 2, a ось энергий для наглядности и нижних островков существенно перекрываются, т. е. с сдвинута на величину температурного сдвига ширины запреточки зрения электронных свойств ВСКТ представляют щенной зоны GaAs); спектр калориметрического поглощения собой единый объект [8].

той же структуры при 500 мK (b).

Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 672 М.В. Максимов, Ю.М. Шерняков, С.В. Зайцев, Н.Ю. Гордеев, А.Ю. Егоров, А.Е. Жуков, П.С. Копьев...

в спонтанном режиме и в режиме генерации показаны на рис. 5, b. Как видно из рис. 5,b, увеличение тока накачки от 400 мА до максимального значения 1500 мА приводит лишь к слабому уширению спектра лазерной генерации и незначительному сдвигу его максимума в коротковолновую сторону. В спектре отсутствуют дополнительные линии, связанные с генерацией через состояния смачиРис. 3. Спектры ФЛ структур с InGaAs ВСКТ при различных значениях числа периодов осаждения N (высокая плотность накачки).

минесценции, связанной с основным переходом в ВСКТ, и в спектре присутствует интенсивная линия, связанная с переходами с участием дырок в основном состоянии в точке, и электронов, локализованных в смачивающем слое. На коротковолновом краю линии ФЛ квантовых Рис. 4. Зависимость пороговой плотности тока от числа точек наблюдается излучение смачивающего слоя. Для периодов осаждения N в четырехсколотых лазерных диодах с образца с N = 3 эффект насыщения люминесценции ВСКТ.

основного состояния выражен в меньшей степени, и, наконец, в случае N = 6 насыщения практически не наблюдается. Данный факт согласуется с уменьшением излучательного времени жизни для InAs/GaAs ВСКТ с ростом N [8].

Увеличение количества слоев при выращивании ВСКТ до N = 10 позволяет резко уменьшить пороговую плотность тока (Jth) при 300 K (от 950 А/см2 для N = 1 до 97 А/см2 для N = 10) вследствие увеличения коэффициента перекрытия световой волны с активной областью лазера (рис. 4). Резкое уменьшение пороговой плотности тока позволило реализовать непрерывный режим работы полоскового лазера на ВСКТ (N = 10) при комнатной температуре. На рис. 5, a представленав ватт-амперная характеристика лазера с шириной полоска 60 мкм и длиной резонатора 1200 мкм Рис. 5. Ватт-амперная характеристика лазера на InGaAs при 300 K. Дифференциальная эффективность составила ВСКТ с N = 10 (ширина полоска 60 мкм, длина резонатора 23%. Максимальная мощность, полученная с каждого 1200 мкм) при 300 K в непрерывном режиме (a); спектры зеркала лазера, равнялась 160 мВт. Спектры излучения электролюминесценции при различных токах накачки (b).

Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № Оптические свойства вертикально связанных квантовых точек InGaAs в матрице GaAs вающего слоя. Таким образом, вплоть до максимальных Optical properties of vertically coupled токов накачки, соответствующих выходной мощности InGaAs quantum dots in a GaAs matrix 160 мВт с зеркала, лазерная генерация осуществляется M.V. Maximov, Yu.M. Shernyakov, S.V. Zaitsev, через основное состояние квантовых точек и насыщения N.Yu. Gordeev, A.Yu. Egorov, A.E. Zhukov, усиления не наблюдается.

P.S. Kop’ev, A.V. Sakharov, N.N. Ledentsov, Итак, в данной работе исследованы оптические свойV.M. Ustinov, A.F. Tsatsul’nikov, Zh.I. Alferov, ства ВСКТ и показано, что использование ВСКТ в лазерJ. Bhrer, D. Bimberg ных структурах позволяет реализовать генерацию через основное состояние квантовых точек при комнатной темA.F.Ioffe Physicotechnical Institute, пературе в непрерывном режиме с выходной мощностью Russian Academy of Sciences, 160 мВт на зеркало.

194021 St.Petersburg, Russia Technische Universitat Berlin, Работа поддерживалась Российским фондом фундаD-10623 Berlin, Germany ментальных исследований (РФФИ), фондом Volkswagen, фондом Сороса, грантом INTAS-94-1028.

Список литературы [1] Y. Arakawa, H. Sakaki. Appl. Phys. Lett., 40, 939 (1982).

[2] N. Kirstaedter, N.N. Ledentsov, M. Grundmann, D. Bimberg, U. Richter, S.S. Ruvimiv, P. Werner, J. Heydenreich, V.M. Ustinov, M.V. Maximov, P.S. Kop’ev, Zh.I. Alferov. Electron. Lett., 30, 1416 (1994).

[3] Ф.И. Алферов, Н.А. Берг, А.Ю. Егоров, А.Е. Жуков, П.С. Копьев, А.О. Косогов, И.Л. Крестников, Н.Н. Леденцов, А.В. Лунев, М.В. Максимов, А.В. Сахаров, В.М. Устинов, А.Ф. Цапульников, Ю.М. Шерняков, Д. Бимберг. ФТП, 30, 351 (1996).

[4] V.M. Ustinov, A.Yu. Egorov, A.E. Zhukov, N.N. Ledentsov, A.V. Lunev, M.V. Maximov, A.F. Tsatsulnikov, N.A. Bert, A.O. Kosogov, P.S. Kop’ev, D. Bimberg, Zh.I. Alferov. Proc. of the Material Research Society Full Meeting, Non. 27–Dec. 1, 1995 (Boston, USA).

[5] P.S. Kop’ev, N.N. Ledentsov, V.M. Ustinov, I.V. Kochnev, N.A. Bert, A.Yu. Egorov, A.E. Zhukov, V.V. Komin, A.O. Kosogov, I.L. Krestnikov, MN.V. Maximov, S.S. Ruvimov, A.V. Sakhrov, Yu.M. Sherniakov, A.F. Tsatsul’nikov, S.V. Zaitsev, Zh.I. Alferov, D. Bimberg. Proc. of CLEO, 1996 (Anahaim, USA).

[6] А.Ю. Егоров, А.Е. Жуков, П.С. Копьев, Н.Н. Леденцов, М.В. Максимов, В.М. Устинов. ФТП, 28, 604 (1994).

[7] D. Bimberg, T. Wolf, J. Bhrer. In: Advances in Nonradiative Processes in Solids, ed. by B. di Bartolo (Plenum, N.Y., 1991) p. 577.

[8] M. Grundmann, N.N. Ledentsov, R. Heitz, D. Bimberg, V.M. Ustinov, A.Yu. Egorov, M.V. Maximov, P.S. Kop’ev, Zh.I. Alferov, A.O. Kosogov, P. Werner, J. Heydenreich, U. Gsele. Proc. 8th Int. Conf. on Indium Phosphide and Related Materials Schwabish-Gmund, 1996 (Germany).

[9] M. Grundmann, N.N. Ledentsov, O. Stier, D. Bimberg, V.M. Ustinov, P.S. Kop’ev, Zh.I. Alferov. Appl. Phys. Lett., 68, 979 (1996).

Редактор В.В. Чалдышев 3 Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, №




© 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.