WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 6 Мощные лазеры на квантовых точках InAs–InGaAs спектрального диапазона 1.5 мкм, выращенные на подложках GaAs ¶ © М.В. Максимов, Ю.М. Шерняков, Н.В. Крыжановская, А.Г. Гладышев, Ю.Г. Мусихин, Н.Н. Леденцов, А.Е. Жуков, А.П. Васильев, А.Р. Ковш, С.С. Михрин, Е.С. Семенова, Н.А. Малеев, Е.В. Никитина, В.М. Устинов, Ж.И. Алфёров Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 26 ноября 2003 г. Принята к печати 27 ноября 2003 г.) Исследованы ватт-амперные, температурные и спектральные характеристики длинноволновых (1.46-1.5мкм) лазеров, выращенных на подложках GaAs, с активной областью на основе квантовых точек InAs–InGaAs. Для достижения требуемой длины волны квантовые точки формировались на метаморфном буферном слое InGaAs с содержанием индия около 20%. Максимальная выходная мощность лазеров составила 7 Вт в импульсном режиме при комнатной температуре. Дифференциальная эффективность прибора с длиной резонатора 1.5 мм составила 50%. Температурная зависимость пороговой плотности тока в диапазоне 10-73C описывается характеристической температурой 61 K.

1. Введение и максимальная выходная мощность в импульсном режиме составили соответственно 0.14 Вт / А и 130 мВт Лазеры, излучающие в диапазоне 1.55 мкм, являются в полоске шириной 4 мкм и длиной 1200 мкм с двумя основными компонентами систем дальней оптоволосколотыми гранями. В лазере с активной областью на конной связи. Традиционно используемые для данного основе пятерного соединения GaInNAsSb была достигспектрального диапазона гетероструктуры GaInAsP или нута лазерная генерация на длине волны 1.463 мкм при AlGaInAs на подложках InP обладают недостаточно достаточно высокой дифференциальной эффективности высокой температурной стабильностью длины волны (45%) и сравнительно низкой пороговой плотности тока генерации и порогового тока. Вследствие малой разни2.8 кА / см2 [4]. Максимальная выходная мощность состацы показателей преломления между GaInAs и AlInAs вила около 70 мВт (ширина полоска 5 мкм, длина — для достижения требуемого для вертикального лазера 1200 мкм). В работе [5] для лазера с аналогичной аккоэффициента отражения распределенного брэгговского тивной областью GaInNAsSb была продемонстрирована зеркала (> 0.99) необходимо не менее 50 пар слогенерация при больших по сравнению с работой [4] длиев. Таким образом, создание монолитных поверхностно нах волн (1.5 мкм). В то же время пороговая плотность излучающих лазеров на основе вертикального микротока была несколько выше (3.5 кА / см2), а дифференцирезонатора в данной системе материалов представляальная эффективность существенно меньше (12%), чем ется чрезвычайно затруднительным. В связи с этим в работе [4].

значительные усилия были направлены на получение Особенно перспективным представляется использоваструктур на подложках GaAs, излучающих в диапазоне ние квантовых точек (КТ), полученных методом само1.45-1.55 мкм. Ожидается, что более сильная локализаорганизации, в качестве активной области длинноволция носителей в активной области таких структур позволит улучшить температурную стабильность длинновол- новых светоизлучающих приборов в подложках GaAs.

новых лазеров. В вертикальных лазерах, выращенных Данная концепция позволила реализовать лазеры оптина подложках GaAs, возможно использование хорошо ческого диапазона 1.3мкм [6,7], обладающие низкой отработанных GaAs–AlGaAs брэгговских зеркал, окси- пороговой плотностью тока (100 А / см2 на 10 слоев дированных GaAs–AlO зеркал, а также окисидированных КТ), высокой дифференциальной эффективностью (88%) апертур.

и высокой температурной стабильностью (характерная Для достижения длин волн излучения 1.45-1.55 мкм температура T0 = 150 K). Недавно нами была продев структурах на подложках GaAs был предложен ряд монстрирована лазерная генерация на длине волны технологических подходов: вертикально связанные кван1.488 мкм в структурах с активной областью на основе товые точки [1], рост квантовых точек при низких многослойных массивов самоорганизующихся квантотемпературах подложки [2], использование квантовых вых точек, выращенных на подложках GaAs [8]. Для ям GaInAsN / GaAsN [3] или GaInNAsSb / GaNAsSb [4,5].

достижения данного спектрального диапазона структуры В лазере с активной областью на основе квантовой выращивались на толстом метаморфном буферном слое ямы GaInAsN / GaAsN была продемонстрирована лазерIn0.2Ga0.8As. В полоске длиной L = 1200 мкм пороговая ная генерация на длине волны 1.49 мкм с пороговой плотность тока составила 1.5 кА / см2 при комнатной плотностью тока 7 кА / см2 [3]. Внешняя эффективность температуре. Максимальная квантовая эффективность ¶ E-mail: Maximov@beam.ioffe.ru равнялась 50% (L = 2000 мкм) [8].

764 М.В. Максимов, Ю.М. Шерняков, Н.В. Крыжановская, А.Г. Гладышев, Ю.Г. Мусихин, Н.Н. Леденцов...

Пороговая плотность тока длинноволновых лазеров на подВ данной работе мы исследуем мощностные, темложках GaAs в зависимости от длины волны генерации пературные и спектральные характеристики лазеров с активной областью на основе КТ, осажденных на метаНомер эпитаксиальной Длина волны Пороговая плотность морфном буферном слое In0.2Ga0.8As, и показываем, что структуры генерации, нм тока, А / смиспользование подобных структур позволяет реализо5-450 1445 вать выходные мощности, рекордно высокие для лазеров 5-451 1466 спектрального диапазона 1.5 мкм на подложках GaAs.

5-478 1480 5-449 1488 2. Эксперимент 3. Результаты и обсуждение Исследуемые лазерные структуры были выращены метoдом молекулярно-пучковой эпитаксии на подложДля определения максимально возможной длины волках n+-GaAs(100). Специальные режимы выращивания ны лазерной генерации и минимальной пороговой плотметаморфного буферного слоя InGaAs позволяют в ности тока в исследуемых структурах нами использовасущественной степени снизить плотность дислокаций, лись образцы с четырьмя сколотыми гранями. В такой прорастающих в верхние (активные) слои. В качестве геометрии внешние потери пренебрежимо малы. Чем лазерного волновода использовался слой In0.2Ga0.8As, а меньше потери на выход, тем при больших длинах в качестве эмиттеров слои In0.2Al0.3Ga0.5As. В середину волн и меньших плотностях тока начинается лазерная волноводного слоя помещены 10 рядов самоорганизугенерация [9]. Выращивание структур на метаморфном ющихся квантовых точек InAs / In0.4Ga0.6As, разделенпереходном слое InGaAs, предназначенном для релакных спейсерами толщиной 45 нм. Специальные режимы сации напряжений, позволяет достичь длины волны выращивания позволяют предотвратить формирование лазерной генерации 1488 нм при комнатной температуре большого количества дислокаций в активной области (рис. 2). Важно отметить, что при увеличении длины (рис. 1). Более подробное описание лазерной струкволны пороговая плотность не увеличивается (таблица).

туры и режимов эпитаксиального роста приведено в При температуре 83C длина волны генерации составработе [8].

ляет 1515 нм.

Лазерные диоды изготавливались в геометрии с четырьмя сколотыми гранями, а также в полосковой геометрии (ширина полоска составляла 100 мкм). Образцы напаивались на медные теплоотводы p-слоями вниз при помощи индиевого припоя. Лазерные характеристики исследовались при накачке импульсным током (длительность импульса 300 нс, частота повторения 1 кГц).

Рис. 2. Спектры лазерной генерации для образца с четырьмя сколотыми гранями при 20 и 83C. Размер образца 350 350 мкм.

В полосковом лазере при комнатной температуре длина волны максимума спектра генерации составляет 1460 нм (рис. 3, a). Коротковолновый сдвиг обусловлен увеличением потерь на выход [9]. Температурную заРис. 1. Изображение квантовых точек InAs–InGaAs, вырависимость длины волны в максимуме спектра генеращенных на метаморфном переходном слое InGaAs, полученции можно аппроксимировать линейной зависимостью ное методом электронной микроскопии (поперечное сечение):

с коэффициентом 0.43 нм / K (рис. 3, b). Отсутствие 1 —спейсер In0.2Ga0.8As, 2 —слой КТ, 3 — сверхрешетка скачкообразного уменьшения длины волны генерации с In0.2Ga0.8As / AlGaAs.

Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. Мощные лазеры на квантовых точках InAs–InGaAs спектрального диапазона 1.5 мкм... ва акивной области. Дифференциальная эффективность D составляет 50%. Спектры лазерной генерации при различных токах показаны на вставке к рис. 5. При 3 А полуширина спектра составляет 5 нм. При увеличении тока до 16 А спектр уширяется до 19 нм, положение максимума при этом не изменяется. Таким образом, вплоть до максимальных значений выходной мощности генерация происходит через основное состояние квантовых точек.

Рис. 4. Температурная зависимость дифференциальной эффективности и пороговой плотности тока.

Рис. 3. Спектры лазерной генерации при различных температурах (a) и температурная зависимость длины волны генерации (b) для полоскового лазера. Ширина полоска 100 мкм, длина 1500 мкм. Температура, C: 1 — 23, 2 — 36, 3 — 51, 4 — 65.

ростом температуры означает, что при всех температурах генерaция осуществляется через основное состояние квантовых точек.

Температурная зависимость дифференциальной эффективности и пороговой плотности тока показаны на рис. 4. На участке 25-72C увеличение пороговой плотности тока описывается характеристической температурой T0 = 61 K. Дифференциальная эффективность составляет 50% при 25C и практически не меняется до 40C, а затем уменьшается до 32% при 72C. В лазере с активной областью на основе GaInNAsSb Tсоставляет 83 K в диапазоне 10-35C [5], но при более высоких температурах наблюдалось резкое увеличение пороговой плотности тока.

На рис. 5 представлена ватт-амперная характеристика лазера длиной 1.5 мм в импульсном режиме. Отражающие покрытия на грани лазера не наносились. ПорогоРис. 5. Зависимость выходной мощности на 2 сколотые вая плотность Jth составляет 2.0 кА / см2. Ватт-амперная грани от тока инжекции в импульсном режиме (a) и спектры характеристика лазера близка к линейной вплоть до лазерной генерации при различных токах накачки, А: 1 —3.3, токов 17 А, что свидетельствует об отсутствии перегре- 2 —6, 3 — 10, 4 —16 (b).

Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 766 М.В. Максимов, Ю.М. Шерняков, Н.В. Крыжановская, А.Г. Гладышев, Ю.Г. Мусихин, Н.Н. Леденцов...

4. Заключение High-power InAs-InGaAs quantum dot lasers for 1.5 µm spectral region grown Получены лазеры с квантовыми точками InAs–InGaAs on GaAs substrates спектрального диапазона 1.4-1.5 мкм, выращенные на M.V. Maximov, Yu.M. Shernyakov, подложках GaAs. Пороговая плотность тока и дифN.V. Kryzhanovskaya, A.G. Gladyshev, Yu.G. Musikhin, ференциальная эффективность лазеров с длиной резонатора 1.5 мкм составили соответственно 2 кА / см2 N.N. Ledentsov, A.E. Zhukov, A.P. Vasil’ev, A.R. Kovsh, S.S. Mikhrin, E.S. Semenova, N.A. Maleev, и 50%. Достигнута высокая выходная мощность 7 Вт при E.V. Nikitina, V.M. Ustinov, Zh.I. Alferov комнатной температуре в импульсном режиме. Данные результаты показывают перспективность подхода, осноIoffe Physicotechnical Institute, ванного на концепции метаморфного роста, для создания Russian Academy of Sciences, длинноволновых излучателей на GaAs.

194021 St. Petersburg, Russia Работа выполнена при поддержке совместного проек

Abstract

Light-current, spectral and temperature characterictics та ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН и NSC-Nanosemiconductorof longwavelength (1.46-1.5 µm) lasers grown on GaAs subGmbH (Германия), Volkswagen Foundation, INTAS.

strates with active area based on InAs-InGaAs quantum dots are studied. To achieve required lasing wavelength the quantum dots were grown at the top of a metamorphic InGaAs buffer Список литературы with In content about 20%. Maximum pulsed output power is 7 W at room temperature. Differential efficiency of a 1.5 mm long [1] Б.В. Воловик, Д.С. Сизов, А.Ф. Цацульников, Ю.Г. Мусихин, device is 50%. Temperature dependence of threshold current is Н.Н. Леденцов, В.М. Устинов, В.А. Егоров, В.Н. Петров, described by characteristic temperature 61 K in the temperature Н.К. Поляков, Г.Э. Цырлин. ФТП, 34, 1368 (2000).

[2] А.Е. Жуков, Б.В. Воловик, С.С. Михрин, Н.А. Малеев, region 10-73C.

А.Ф. Цацульников, Е.В. Никитина, И.Н. Каяндер, В.М. Устинов, Н.Н. Леденцов. ПЖТФ, 27, 51 (2001).

[3] D. Gollub, M. Fisher, A. Forchel. Electron. Lett., 38, (2002).

[4] W. Ha, V. Gambin, S. Bank, M. Wistley, H. Yuen, L. Goddard, S. Kim. J. Harris. Abstracts Int. Conf. on Molecular Beam Epitaxy (San-Francisco, USA, 2002) p. 61.

[5] L.H. Li, V. Sallet, G. Patriarche, L. Largeau, S. Bouchoule, K. Merhem, L. Travers, J.C. Harmand. Electron. Lett., 39, (2003).

[6] С.С. Михрин, А.Е. Жуков, А.Р. Ковш, Н.А. Малеев, А.П. Васильев, Е.С. Семенова, В.М. Устинов, М.М. Кулагина, Е.В. Никитина, И.П. Сошников, Ю.М. Шерняков, Д.А. Лившиц, Н.В. Крыжановская, Д.С. Сизов, М.В. Максимов, А.Ф. Цацульников, Н.Н. Леденцов, D. Bimberg, Ж.И. Алфёров. ФТП, 36, 1400 (2002).

[7] A.R. Kovsh, N.A. Maleev, A.E. Zhukov, S.S. Mikhrin, A.R. Vasil’ev, Yu.M. Shernyakov, M.V. Maximov, D.A. Livshits, V.M. Ustinov, Zh.I. Alferov, N.N. Ledentsov, D. Bimberg.

Electron. Lett., 38, 1104 (2002).

[8] А.Е. Жуков, А.П. Васильев, А.Р. Ковш, С.С. Михрин, Е.С. Семенова, А.Ю. Егоров, В.А. Одноблюдов, Н.А. Малеев, Е.В. Никитина, Н.В. Крыжановская, А.Г. Гладышев, Ю.М. Шерняков, М.В. Максимов, Н.Н. Леденцов, В.М. Устинов, Ж.И. Алфёров. ФТП, 38, (2004).

[9] L.V. Asryan, M. Grundmann, N.N. Ledentsov, O. Stier, R.A. Suris, D. Bimberg. IEEE J. Quant. Electron., 37, (2001).




© 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.