WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 9 Лазеры на квантовых точках: основные компоненты пороговой плотности тока © С.В. Зайцев, Н.Ю. Гордеев, В.И. Копчатов, А.М. Георгиевский, В.М. Устинов, А.Е. Жуков, А.Ю. Егоров, А.Р. Ковш, Н.Н. Леденцов, П.С. Копьев, Д. Бимберг, Ж.И. Алферов 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 4 февраля 1997 г. Принята к печати 10 февраля 1997 г.) Исследованы инжекционные гетеролазеры на квантовых точках, выращенные методом молекулярнопучковой эпитаксии. Показано, что пороговая плотность тока при комнатной температуре может быть снижена до 15 А/см2 при уменьшении безызлучательной рекомбинации и при повышении степени локализации носителей. С помощью метода электропоглощения исследована плотность состояний в структурах с вертикально-связанными квантовыми точками.

Лазеры с квантовыми точками (КТ) в системе частота повторения 5 кГц) в температурном диапазоне InAs/GaAs/AlGaAs вызывают интерес в связи с их спек- 80 300 K. Для исследования механизмов внутренних тральными свойствами. Наблюдались генерация в одной утечек в лазерах на КТ изучалась эффективность выпродольной моде и узкий спектр оптического усиле- нужденной и спонтанной рекомбинации при различных ния [1]. Они имели также высокую температурную температурах. Для исследования внутренней эффективстабильность при низких температурах. Вместе с тем ности спонтанных процессов излучение измерялось чепороговая плотность тока при комнатной температуре рез специальное окно в верхнем контакте лазерной была довольно высока ( 900 А/см2). Электролюми- структуры. Особое внимание было уделено подавлению несцентные исследования этих структур показали, что лазерной генерации. Это позволило нам оценить потеосновной причиной этого является сильная безызлуча- ри на безызлучательную рекомбинацию носителей как тельная рекомбинация в активной области. Другой при- функцию плотности тока накачки в предположении, что чиной является активационный уход носителей из состо- максимальная эффективность спонтанной излучательной яний КТ при комнатной температуре. Для таких структур рекомбинации при 77 K близка к 100%. Аналогичные наблюдался переход от генерации через состояния КТ к образцы были использованы для исследования электрогенерации через состояния так называемого ”смачиваю- поглощения. Детектируемое излучение проходило через щего” слоя [2]. Использование массивов вертикально подложку и поглощалось в слоях с КТ. Спектры электросвязанных (ВС) КТ [3] позволило нам избежать этих поглощения адекватно отображают распределение плотэффектов, но делокализация носителей из КТ все еще ности состояний в активной области. Для оценки кваноставалась основным ограничением для улучшения ла- товой эффективности вынужденной рекомбинации были зерных характеристик. Использование AlGaAs в качестве исследованы лазеры полосковой геометрии с различной матрицы КТ позволило значительно снизить пороговую длиной резонатора. Экстраполяция к оси ординат завиплотность тока и поднять эффективность вынужденного симости обратной дифференциальной квантовой эффекизлучения [4]. Однако оценки показывают, что эти тивности от длины резонатора дает значение внутренней параметры еще могут быть значительно улучшены. В квантовой эффективности генерации.

данной работе мы исследовали основные механизмы уте- Из рис. 1 видно, что внутренняя квантовая эффекчек, которые препятствуют приближению характеристик тивность спонтанной излучательной рекомбинации в одлазеров на КТ к теоретическим пределам.

нослойных лазерных гетероструктурах на основе КТ в Лазерные структуры в системе AlGaAs/GaAs бы- системе InAs/GaAs была очень низка и процессы бели выращены на подложке GaAs(100), легированной зызлучательной рекомбинации не насыщались вплоть до кремнием в установке молекулярно-пучковой эпитаксии тока накачки 10 кА/см2. Оптимизация процесса роста и Riber 32P. Активная область состояла из трех или десяти использование нескольких слоев КТ InGaAs/GaAs позвослоев ВС КТ In0.5Ga0.5As/Al0.15Ga0.85As (соответственно лили нам увеличить этот параметр в 10 раз при порогоN = 3 или 10) [5]. ВС КТ самоорганизовывались в вой плотности тока. Хотя указанная эффективность при процессе осаждения нескольких слоев КТ In0.5Ga0.5As комнатной температуре не превысила всего лишь 40% (эффективная толщина In0.5Ga0.5As 12 ), разделенных своего значения при температуре 77 K, ее возрастание и слоем GaAs или AlGaAs толщиной 50. было основной причиной соответствующего уменьшения Были изготовлены лазеры с замкнутой кольцевой мо- пороговой плотности тока с 1 кА/см2 до 100 А/см2.

дой. Лазерные характеристики исследовались при им- Для уменьшения термической активации носителей пульсном токе накачки (длительность импульса 3 мкс, из состояний КТ в качестве матрицы был использован Лазеры на квантовых точках: основные компоненты пороговой плотности тока Al0.15Ga0.85As. Из рис. 1 видно, что эффективность все еще рекомбинируют через возбужденные состояния спонтанной рекомбинации при низком уровне возбужде- и состояния смачивающего слоя в спонтанном режиме.

ния в этом случае также была увеличена. Мы полага- Результаты исследования электропоглощения предстаем, что это увеличение может объяснить уменьшение влены на рис. 3. Из принципиального совпадения спекпороговой плотности тока до 60 А/см2 как результат тров электролюминисценции (IEL) и электропоглощения более сильной локализации носителей. Тем не менее (IEA), с одной стороны, и отсутствия каких-либо изменепри комнатной температуре по-прежнему только 40% ний в спектре с увеличением напряжения смещения, с носителей участвуют в излучательной рекомбинации. другой стороны, можно заключить, что спектр электроХарактерной особенностью последней кривой являет- поглощения связан только с распределением плотности ся сильное уменьшение эффективности с увеличением состояний в КТ. Во всяком случае, отсутствие сдвига плотности тока для структур InGaAs/AlGaAs, тогда как и изменения формы края поглощения при возрастании для структур InGaAs/GaAs с ВС КТ она оставалась прак- напряжения обратного смещения совершенно нетипично тически постоянной выше порога лазерной генерации. для квантовых слоев. Это делает исследование спекНа рис. 2 показано влияние использования такого тров электропоглощения эффективным методом изучетипа матрицы с КТ на дифференциальную квантовую ния распределения КТ по размером.

эффективность вынужденного излучения (diff). Видно, Таким образом, в структурах с вертикально связанчто эффективность возрастает с уменьшением длины ными КТ обнаружено два главных механизма утечек резонатора в широком диапазоне (за исключением от- носителей из основных состояний КТ. Безызлучательная носительно коротких лазеров). В то время как для ВС рекомбинация различных типов препятствует попаданию КТ InGaAs/GaAs предел обратной дифференциальной носителей в основные состояния КТ и исключает их из квантовой эффективности примерно равен 2 (внутренняя процесса усиления. Мы оценили вклад каждого механизэффективность порядка 50%), для ВС КТ InGaAs/GaAs ма для того, чтобы вычислить реальную плотность тока, этот предел близок к 1.5 (внутренняя эффективность приложенную к КТ на пороге генерации. Только 65% порядка 65%). Таким образом, около 35% носителей носителей, участвующих в излучательной рекомбинации, Рис. 1. Зависимость внутренней квантовой эффективности P/I Рис. 2. Зависимость обратной квантовой дифференциальной от плотности тока накачки J. Структуры: 1 — InGaAs/GaAs, эффективности вынужденной рекомбинации (1/diff) от длиоднослойная; 2 — InGaAs/GaAs, N = 10; 3 — InGaAs/AlGaAs, ны резонатора (L) лазеров в системах InGaAs/GaAs (1) и N = 10.

InGaAs/AlGaAs (2).

6 Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 1108 С.В. Зайцев, Н.Ю. Гордеев, В.И. Копчатов, А.М. Георгиевский, В.М. Устинов, А.Е. Жуков...

Список литературы [1] S.V. Zaitsev, N.Yu. Gordeev, M.P. Soshnikov, A.Yu. Egorov, A.E. Zhukov, V.M. Ustinov, N.N. Ledentsov, P.S. Kop’ev.

Proc. SPIE’s Optical Dimension and Materials (OPDIM) Conference (Kiev, 1995) N 2648-45, p. 287.

[2] Zh.I. Alferov, N.Yu. Gordeev, S.V. Zaitsev, P.S. Kop’ev, I.V. Kochnev, V.V. Komin, I.L. Krestnikov, N.N. Ledentsov, A.V. Lunev, M.V. Maximov, S.S. Ruvimov, A.V. Sakharov, A.F. Tsatsul’nikov, Yu.M. Shernyakov, D. Bimberg. Semicond., 30, 197 (1996).

[3] V.M. Ustinov, A.Yu. Egorov, A.E. Zhukov, N.N. Ledentsov, M.V. Maksimov, A.F. Tsatsul’nikov, N.A. Bert, A.A. Kosogov, P.S. Kop’ev, Zh.I. Alferov, D. Bimberg. Proc. Mater. Res. Soc.

(Boston, USA, 1995) v. 417, p. 141.

[4] S.V. Zaitsev, N.Yu. Gordeev, V.M. Ustinov, A.E. Zhukov, A.Yu. Egorov, N.N. Ledentsov, M.V. Maximov, P.S. Kop’ev, Zh.I. Alferov, D. Bimberg. Superlatt. Microstr. (1997) (to be published).

[5] V.M. Ustinov, A.Yu. Egorov, A.E. Zhukov, M.V. Maksimov, A.F. Tsatsul’nikov, N.Yu. Gordeev, S.V. Zaitsev, Yu.M. Shernyakov, N.A. Bert, P.S. Kop’ev, Zh.I. Alferov, N.N. Ledentsov, J. Bohrer, D. Bimberg, A.O. Kosogov, P. Werner, U. Gosele.

IX Int. Conf. on Molecular Beam Epitaxy (Malibu, CA, USA, 1996).

Редактор Л.В. Шаронова Quantum dot lasers: main components of Рис. 3. a — спектры электролюминесценции (1) и электропоthreshold current density глощения (2) для структур с КТ. b — спектры электропоглоS.V. Zaitsev, N.Yu. Gordeev, V.I. Kopchatov, щения при напряжениях смещения 0 (1) и 4 В(2).

A.M. Georgievskii, V.M. Ustinov, A.E. Zhukov, A.Yu. Egorov, A.R. Kovsh, N.N. Ledentsov, P.S. Kop’ev, D. Bimberg, Zh.I. Alferov дают вклад в вынужденное излучение, а внутренняя кванA.F.Ioffe Physicotechnical Institute, товая эффективность составляет величину порядка 40%.

Russian Academy of Sciences, Таким образом, только около 25% тока используется для 194021 St.Petersburg, Russia достижения порога лазерной генерации.

Institut fr Festkrperphysik, Полученные результаты показывают, что хотя уже Technische Universitt Berlin, получены очень низкая пороговая плотность тока и высоD-10623 Berlin, Germany кая эффективность лазерной генерации, потенциальные возможности для лазерных гетероструктур на основе ВС КТ еще очень высоки. Фактически показана возмож-

Abstract

Molecular-beam epitaxy grown quantum dot (QD) ность достижения пороговой плотности тока 15 А/см2 injection lasers have been investigated. It has been shown that при комнатной температуре без изменения состава и the threshold current density may be reduced down to 15 A/cmколичества КТ. Не обнаружено никаких принципиальных at room temperature by reducing the non-radiative recombination механизмов, препятствующих дальнейшему повышению and improving the carrier localization in QD lasers. The density of эффективности лазерной генерации. Для исследования states in vertically coupled quantum dot structures has been studied плотности состояний в КТ предложено использовать by electroabsorbtion.

метод электропоглощения.

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.