WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 6 Температурные электролюминесцентные исследования излучательных характеристик инжекционных лазеров на основе InGaAsN/GaAs ¶,+ © Л.Я. Карачинский, Н.Ю. Гордеев, И.И. Новиков, М.В. Максимов, А.Р. Ковш, + + + J.S. Wang, R.S. Hsiao, J.Y. Chi, В.М. Устинов, Н.Н. Леденцов, Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия + Индустриально-технологический исследовательский институт, 310 Ксинчу, Тайвань, Китайская Республика Institut fur Festkrperphysik, Technische Universitt Berlin, D-10623 Berlin, Germany (Получена 19 ноября 2003 г. Принята к печати 27 ноября 2003 г.) Проведены исследования мощностных, спектральных и пространственных характеристик излучения инжекционных лазеров с активной областью на основе твердого раствора InGaAsN, выращенных на подложкх GaAs. Исследования проводились в широком диапазоне температур (77–300 K) при различных плотностях тока накачки. Показано, что увеличение содержания азота в твердом растворе InGaAsN может приводить к модификации структуры квантовой ямы, выражающейся в спонтанном формировании нанокластеров InGaAsN. Эти изменения приводят к возникновению N-образной температурной зависимости пороговой плотности тока и дифференциальной ватт-амперной эффективности.

1. Введение 2. Эксперимент Полупроводниковые лазеры с длиной волны излучеИсследуемые лазерные структуры были выращены ния 1.3 мкм широко используются в оптоэлектронных на подложках GaAs (100), легированных кремнием, системах телекоммуникаций. В последние годы большое в установке молекулярно-пучковой эпитаксии Riber внимание уделяется вопросам создания таких лазеров, Epineat. Источником атомарного азота служил плазвыращенных на подложках из арсенида галлия. Впервые менный источник UNI Bulb (Applied EPI). Режимы лазеры в системе InGaAsN/GaAs были предложены и работы источника тщательно оптимизировались для пореализованы Kondow и др. [1] и с тех пор являются давления негативного эффекта бомбардировки растуосновной альтернативой для InGaAsP/InP-лазеров, излущей поверхности сильноэнергетичными ионами, форчающих в том же диапазоне длин волн. За прошедшее мирующимися в плазменном источнике. Активная обвремя со времени работы Kondow (1995 г.) было осуласть лазерных структур представляла собой одиночную ществлено большое число попыток реализации лазеров, квантовую яму In0.36Ga0.64As0.97N0.03 (структура 1) и выращенных на GaAs-подложках, с активной областью, In0.38Ga0.62As0.974N0.026 (структура 2). Скорость роста состоящей из квантовых ям (KЯ) InGaAsN [2–7].

составляла 2.5 /c при температуре 440C. Активная обЛазеры, выращенные на подложках InP, являются в ласть помещалась в GaAs-волновод толщиной 0.35 мкм, настоящее время основными источниками излучения ограниченный эмиттерными слоями Al0.33Ga0.67As p- и на длине волны 1.3 мкм. Они обладают невысокой хаn-типа. Рост эмиттеров проводился при 700C. Струкрактеристической температурой T0 = 50-70 K [8], что тура 2 подвергалась отжигу в течение 15 мин при темсвязано со слабой локализацией электронов в активной пературе 750C, при этом структура 1 не подвергалась области [9,10]. Для лазеров в системе InGaAsN/GaAs отжигу. Длина волны лазерной генерации при комнатпредсказанное значение T0 составляет более 150 K [1], ной температуре составила 1.28 мкм для структуры что связывается с сильным электронным ограничением, вызванным более существенным различием в энери- и 1.24 мкм для структуры 2.

гиях запрещенной зоны. Возможность создания более Из выращенных гетероструктур были изготовлены дешевых длинноволновых лазеров с улучшенными темобразцы с полосковым контактом (ширина контакпературными характеристиками делает лазеры с акта 100 мкм, длина резонатора 2000 мкм). Накачка обтивной областью на основе КЯ InGaAsN чрезвычайно разцов осуществлялась в квазинепрерывном режиме привлекательными для исследований и последующего импульсами тока длительностью 1 мкс с частотой поиспользования.

вторения 5 кГц. Спектральные, мощностные и проЦель настоящей работы — исследование излучательстранственные характеристики электролюминесценции ных характеристик InGaAsN/GaAs-лазеров в широком исследовались в широком диапазоне температур от даипазоне температур.

до 300 K, для чего образцы напаивались на теплоотвод ¶ E-mail: Karach@switch.ioffe.ru эпитаксиальными слоями вниз и помещались в криостат.

758 Л.Я. Карачинский, Н.Ю. Гордеев, И.И. Новиков, М.В. Максимов, А.Р. Ковш, J.S. Wang, R.S. Hsiao...

3. Экспериментальные результаты Были проведены измерения ватт-амперных характеристик образцов обеих выращенных структур. Полученные результаты позволили построить зависимости пороговой плотности тока и дифференциальной ватт-амперной эффективности (slope efficiency) от температуры, которые представлены на рис. 1. Было обнаружено, что для гетероструктуры с содержанием азота 3% (структура 1) наблюдается N-образная температурная зависимость этих величин, тогда как для структуры с содержанием азота 2.6% (структура 2) такая особенность отсутствует, и характеристики монотонно изменяются с увеличением температуры.

Были проведены спектральные исследования излучения образцов структуры 1 в диапазоне температур, соответствующем мощностным измерениям. При этом особое внимание было уделено тем температурам, при которых наблюдались особенности в зависимостях пороговой плотности тока и дифференциальной ватт-амперной эффективности.

Было обнаружено, что в диапазоне температур 110-130 K лазерная генерация возникает сперва в коротковолновой области спектра, потом с ростом тока Рис. 2. Спектры лазерной генерации гетероструктуры 1 при накачки в спектрах возникает второй максимум в боT = 113 K. Ток накачки, А/см2: 1 — 190, 2 — 205, 3 — 255, 4 — 380, 5 — 510, 6 — 765, 7 — 1015, 8 — 1270.

Рис. 3. Зависимость длины волны, на которой происходит лазерная генерация, от температуры для гетерострутуры 1.

лее длинноволновой области и происходит одновременная генерация на двух различных длинах волн. При дальнейшем увеличении тока накачки коротковолновый максимум практически полностью исчезал из спектров.

Развитие данного процесса при температуре 113 K представлено на рис. 2. Для всех остальных температур генерация возникала на определенной длине волны и с ростом тока накачки развивалась в этой же спектральРис. 1. Зависимости пороговой плотности тока Jth и дифной области. На рис. 3 представлена зависимость длины ференциальной ватт-амперной эффективности от температуры для лазерных гетероструктур 1 (a) и 2 (b). волны лазерной генерации от температуры. Видно, что Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. Температурные электролюминесцентные исследования излучательных характеристик... ширины спектра спонтанного излучения на полувысоте (full width of half maximum — FWHM) в зависимости от температуры. Легко видеть, что зависимость носит N-образный характер, аналогичный зависимостям пороговой плотности тока и дифференциальной ваттамперной эффективности.

Рис. 4. Дальнее поле излучения со спектральным разрешением гетероструктуры 1 в плоскости, перпендикулярной плоскости p-n-перехода (a), и в плоскости, параллельной p-n-переходу (b).

Рис. 5. Спектры спонтанного излучения гетероструктуры зависимость имеет два характерных участка — в диапа- в зависимости от температуры при плотности тока накачки 25 А/см2. L — максимум, соответствующий излучательной зоне температур 77–120 K и 120–300 K.

рекомбинации через локализованные состояния; N —максиДля определения того, соответствуют ли два макмум, соответствующий обычной межзонной рекомбинации в симума в спектре в диапазоне температур 110-130 K квантовой яме. Температура, K: 1 — 77, 2 — 113, 3 — 125, одной и той же поперечной моде излучения или же 4 — 138, 5 — 150, 6 — 175, 7 — 200, 8 — 225, 9 — 250, они принадлежат различным модам, было исследовано 10 — 300.

со спектральным разрешением дальнее поле излучения образца структуры 1. Измерения проводились как в плоскости, перпендикулярной p-n-переходу (рис. 4, a), так и в плоскости, параллельной ему (рис. 4, b), при температуре 113 K при плотности тока накачки 255 А/см2.

При этом монохроматор настраивался на разные максимумы (1 и 2 на рис. 2) спектра излучения. Методика данного исследования была предложена в работе [11].

Измерения показали, что оба максимума в спектре имеют одинаковый профиль распределения и соответствуют одной и той же поперечной моде.

Спектры спонтанного излучения образца структуры исследовались в зависимости от температуры при плотности тока накачки 25 А/см2 (рис. 5). Такое значение плотности тока было выбрано из тех соображений, чтобы при любой температуре в исследуемом диапазоне Рис. 6. Зависимость ширины спектра спонтанного излучения оно было бы существенно меньше значения пороговой на полувысоте (FWHM) от температуры для гетероструктуплотности тока. На рис. 6 представлена зависимость ры 1.

Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 760 Л.Я. Карачинский, Н.Ю. Гордеев, И.И. Новиков, М.В. Максимов, А.Р. Ковш, J.S. Wang, R.S. Hsiao...

4. Обсуждение основное состояние (длинноволновый максимум) насыщается [17].

Зависимость пороговой плотности тока от темпера- Известно, что в гетероструктурах с квантовыми ямами InGaAsN существуют локализованные состояния, четуры для структуры 2 (рис. 1, b) позволила оценить значение характеристической температуры T0. Получен- рез которые может происходить рекомбинация носителей [18–20]. При этом длина волны излучения оказываное значение составило 80 K, что является улучшением ется меньшей по сравнению со случаем обычной рекомхарактеристик по сравнению с лазерами, выращенными бинации электронов и дырок в квантовой яме [18–20].

на подложках InP [8]. Зависимости пороговой плотноРазница по энергии между двумя максимумами, соотсти тока и дифференциальной ватт-амперной эффекветствующими рекомбинации через локализованные и тивности, аналогичные полученным для структуры обычные состояния в квантовой яме согласно данным (рис. 1, a), ранее были обнаружены при исследовании работ [18–20], составляет около 5 мэВ. С ростом плотлазерных гетероструктур на основе квантовых точек ности тока накачки излучение через такие состояния (КТ) InAs/GaAs [12]. Учет перехода от неравновесдолжно быстро насыщаться, что и наблюдалось в нашем ного к равновесному распределениию неравновесных эксперименте. Как видно из рис. 2, при плотности носителей в активной области лазера с ростом темтока накачки, равной двум пороговым, вклад коротпературы позволил объяснить подобные особенности коволновой составляющей в суммарную интенсивность поведения температурных характеристик лазеров на излучения уже крайне мал, а при дальнейшем росте квантовых точках [12,13]. Ранее отмечалось, что в тока накачки и вовсе стремится к нулю. Таким образом, твердом растворе InGaAsN при высокой концентрации можно предположить, что наличие в спектре излучения индия (более 30%) может происходить кластеризация гетероструктуры 1 при определенных условиях двух с образованием квантовых объектов с трехмерным максимумов связано с наличием в этой структуре больограничением [14]. Таким образом, у нас есть все шого числа локализованных состояний, которые являоснования полагать, что в данном случае N-образная ются причиной возникновения более коротковолнового температурная зависимость пороговой плотности тоизлучения.

ка и дифференциальной ватт-амперной эффективности N-образная температурная зависимость ширины листруктуры 1 связана с наличием в активной области нии фотолюминесценции на полувысоте (FWHM) для этой гетероструктуры объектов, по своим свойствам гетероструктуры с квантовой ямой InGaAsN, не прошедидентичным КТ.

шей процедуру отжига, ранее наблюдалась в работе [20].

Проведенные спектральные исследования структуры При этом отжиг приводит к исчезновению этой осопоказали, что в диапазоне температур 110–130 K и при бенности. В этой работе N-образность объяснялась тем, плотности тока накачки, немного превышающей порочто при низких температурах излучение идет в основговую, имеет место одновременная лазерная генерация ном через локализованные состояния, затем в некотона двух различных длинах волн (рис. 2). При этом ром диапазоне температур происходит одновременная лазерная генерация возникает сперва в коротковолновой излучательная рекомбинация через локализованные и области спектра, а затем происходит „переключение“ обычные состояния в квантовой яме, вследствие чего на большую длину волны. Как уже было показано происходит уширение линии фотолюминесценции, а зав предыдущем разделе, исследование дальнего поля тем с ростом температуры локализованные состояния излучения данной гетероструктуры со спектральным практически перестают вносить вклад в излучение, что разрешением позволило исключить из рассмотрения приводит к сужению спектральной линии. Аналогичное возможность того, что оба максимума в спектре приповедение линии электролюминесценции мы наблюдали надлежат различным поперечным модам. Кроме того, и в данной работе для гетероструктуры 1 (рис. 5).

сравнительно небольшое по энергии расстояние межТот факт, что с ростом температуры интенсивность ду двумя максимумами в спектре (около 4 мэВ), а коротковолнового пика резко падает, может быть обътакже то, что с ростом плотности тока накачки перяснен следующим образом: как уже отмечалось выше, вым появляется коротковолновый максимум, позволяет согласно нашим данным, в активной области струкутверждать, что два спектральных максимума не явтуры 1 образуются нанокластеры InGaAsN. Если разляются следствием лазерной генерации через основмер нанокластеров достаточно мал, то дополнительное ное и возбужденное состояние каких-либо объектов с квантование носителей в плоскости ямы приводит к трехмерным пространственным ограничением носитеувеличению энергии основного состояния (мы предполей заряда. Дело в том, что характерное расстояние лагаем, что энергетические состояния в нанокластерах между основным и первым возбужденным состоянием отделены от состояний в квантовой яме барьерами).

в квантовых точках составляет более 50 мэВ [15,16].

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.