WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 10 Экспериментальное исследование температурной зависимости пороговых характеристик в полупроводниковых вертикально излучающих лазерах на основе субмонослойных InGaAs-квантовых точек ¶ © С.А. Блохин, А.В. Сахаров, Н.А. Малеев, А.Г. Кузьменков, И.И. Новиков, Н.Ю. Гордеев, Ю.М. Шерняков, М.В. Максимов, Н.Н. Леденцов, В.М. Устинов, А.Р. Ковш, С.С. Михрин, G. Lee, J.Y. Chi Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия NL-Nanosemiconductors GmbH, 44227 Dortmund, Germany Industrial Technology Research Institute, Chutung, Hsinchu, 310, Taiwan, Republic of China (Получена 6 февраля 2006 г. Принята к печати 17 февраля 2006 г.) Экспериментально исследована температурная зависимость величины порогового тока для полупроводникового вертикально излучающего лазера на основе субмонослойных InGaAs-квантовых точек. Продемонстрировано, что для корректного описания температурных характеристик приборов следует использовать величину рассогласования между длиной волны генерации и максимумом спектра усиления (расстройку).

Предложена форма описания температурной зависимости порогового тока вертикально излучающего лазера, учитывающая не только падение максимального усиления активной области с температурой, но и влияние температурной зависимости величины расстройки.

PACS: 42.55.Px, 85.60.Jb, 73.21.La 1. Введение Одним из существенных преимуществ ВИЛ по сравнению с традиционными лазерами полосковой геоРазработка, создание и исследование полупроводнико- метрии является относительно высокая температурвых вертикально излучающих лазеров (ВИЛ, VCSELs — ная стабильность длины волны лазерного излучения vertical cavity surface emitting lasers) —одно из активно (d/dT 0.05-0.09 нм/K для GaAs/AlGaAs ВИЛ [3]).

развивающихся направлений современной полупроводОна обусловлена дисперсионно-температурной зависиниковой оптоэлектроники. ВИЛ находят широкое примемостью эффективного показателя преломления оптинение в быстродействующих оптоволоконных системах ческого микрорезонатора [4]. В то же время темпепередачи и обработки информации, датчиках и сенсорах ратурный сдвиг положения максимума спектра усиразличного типа, высокопроизводительных компьютерления активной области связан с температурным изных системах [1,2]. В отличие от традиционных полосменением ширины запрещенной зоны, что определяет ковых лазеров конструкция ВИЛ обеспечивает вывод намного более сильную температурную зависимость излучения в вертикальном направлении, перпендикулярдлины волны генерации в полосковых лазерных дином плоскости полупроводниковой подложки. В качеодах (d/dT 0.3-0.4 нм/K для InGaAs/GaAs-гетеростве верхнего и нижнего зеркал, ограничивающих верструктур [1]). Следует отметить, что в случае ВИЛ тикальный микрорезонатор Фабри–Перо, используются относительно высокое последовательное сопротивление распределенные брэгговские отражатели (РБО). В силу РБО и многопроходное поглощение спонтанного излучесимметричной формы и относительно большого размера ния в направлении роста может приводить к большему (несколько микрон) излучающей области ВИЛ обладают температурному сдвигу максимума спектра усиления существенно более узкой и симметричной диаграммой активной области по сравнению с традиционными торценаправленности выходного оптического излучения по выми лазерами [3]. Усиление активной области растет с сравнению с полосковыми лазерами. Кроме того, платоком инжекции (увеличением уровня накачки) и падает нарная технология изготовления и возможность измерес ростом температуры [5]. Вследствие значительного ния основных приборных характеристик непосредствентеплового сопротивления ВИЛ увеличение тока инжекно на полупроводниковой пластине до ее разделения на ции сопровождается существенным увеличением темпекристаллы позволяют существенно снизить стоимость ратуры активной области, что приводит к уменьшению изготовления ВИЛ, а также формировать интегральные максимального усиления при больших токах накачки.

массивы излучателей, в том числе с индивидуальной Таким образом, спектральное положение резонансной адресацией.

длины волны ВИЛ относительно спектра усиления ак¶ E-mail: blokh@mail.ioffe.ru тивной области будет оказывать существенное влияние Экспериментальное исследование температурной зависимости пороговых характеристик... на температурную зависимость порогового тока и вы- в области максимума оптического поля, и апертурный ходной мощности излучения [6]. слой p-(AlAs/Al0.9Ga0.1As) с высоким уровнем легироДля анализа температурных характеристик ВИЛ удоб- вания, помещенный в минимум оптического поля для но ввести понятие расстройки (detuning), равной минимизации потерь, обусловленных дифракцией на величине сдвига длины волны лазерной генерации ВИЛ селективно-оксидированной апертуре [9].

(резонансной длины волны оптического микрорезонато- С помощью фотолитографии, сухого травления в ра) относительно максимума спектра усиления активной пучке ионов Ar+ и латерального селективного оксидиросреды. Отметим, что величина расстройки существенно вания слоев AlxGa1-xAs были изготовлены меза-струкзависит от температуры. туры диаметром 48 мкм с глубиной травления порядАдекватный анализ температурных зависимостей ка 3.6 мкм и токовой апертурой диаметром 12 мкм. Для ВИЛ на основе квантовых точек необходим для решения формирования омических контактов к слоям n- и p-типа задач по оптимизации параметров активной области использовалась металлизация AuGe/Ni/Au и AuZn сои конструкции приборов с целью получения требуе- ответственно. Более подробное описание технологии мых приборных характеристик в широком диапазоне формирования ВИЛ с легированными РБО приведено температур. В этом случае корректное определение в работах [10,11]. Для измерений спектральных и мощвеличины расстройки особенно важно, поскольку ВИЛ с ностных характеристик в диапазоне температур образцы активной областью на основе квантовых точек обладают ВИЛ напаивались на медные теплоотводы n-контактом относительно широким спектром усиления, а форма и вниз при помощи индиевого припоя.

положение максимума спектра усиления существенно Из выращенных структур были также изготовлены лазависит от уровня тока накачки [7].

зеры полосковой конструкции с шириной полоска 50 мкм В настоящей работе проведено экспериментальное с длиной резонатора в пределах 0.4-2 мм. На грани исследование температурной зависимости величины по- резонатора, полученные скалыванием, диэлектрические рогового тока для структуры полупроводникового вер- покрытия не наносились. Пассивация сколотых граней тикально излучающего лазера на основе субмонослой- не производилась. Для температурных измерений обных InGaAs-квантовых точек и предложена корректная разцы напаивались на медные теплоотводы p-контактом форма описания температурной зависимости порогового вниз при помощи индиевого припоя.

тока ВИЛ, учитывающая не только ухудшение излуча- Приборные характеристики лазеров обоих типов истельных характеристик активной области с температу- следовались в температурном диапазоне 15-50C (точрой, но и влияние температурной зависимости величины ность стабилизации температуры 0.5C) при импульсрасстройки (T ).

ной инжекционной накачке (для минимизации эффекта саморазогрева активной области) с длительностью импульса 500 нс и частотой повторений 1 кГц. Спек2. Эксперимент тральные характеристики лазеров детектировались монохроматором и германиевым фотодиодом, включенным Исследуемые в настоящей работе структуры ВИЛ в схему синхронного детектирования.

были выращены методом молекулярно-пучковой эпиОтметим, что легированные AlGaAs/GaAs РБО в таксии на подложках GaAs, легированных Si, с ориисследуемой структуре ВИЛ сконструированы таким ентацией (001) в установке RIBER49. Эпитаксиальобразом, чтобы обеспечить максимальную однородность ная структура состоит из нижнего РБО, содержащего инжекции носителей в активную область по площади 33 пары четвертьволновых слоев GaAs/Al0.9Ga0.1As nтоковой апертуры прибора. Кроме того, вследствие типа, нелегированного Al0.15Ga0.85As оптического резоподавления латеральной диффузии носителей (в случае натора с толщиной, равной резонансной длине волны, квантовых точек) и малого расстояния ( 160 нм) от и верхнего РБО, содержащего 20 пар четвертьволнотоковой апертуры до активной области латеральным вых слоев GaAs/Al0.9Ga0.1As p-типа. Толщины и состав растеканием тока можно пренебречь. В результате веслоев структуры рассчитывались для получения длины личина плотности тока J в ВИЛ может быть оценена волны генерации вблизи 980 нм. В качестве легирукак ющих примесей p- и n-типа использовались углерод J = I/S, (1) и кремний соответственно. Для снижения омического сопротивления интерфейсы GaAs-Al0.9Ga0.1As в РБО где I — величина тока накачки, S — площадь, огранисодержат переходные слои толщиной 10 нм с градиченная токовой апертурой.

ентом по составу Al и высоким уровнем легирования (C и Si: 5 · 1018 см-3 и 1 · 1018 см-3 соответственно).

В качестве активной области использовались массивы 3. Результаты и обсуждение InGaAs-квантовых точек, полученных методом субмонослойного осаждения (SML — submonolayer) [8]. Опти- Для обеспечения эффективной работы ВИЛ при заческий резонатор содержит активную область на основе данной рабочей температуре необходимо согласовать трех слоев SML InGaAs-квантовых точек, помещенных между собой спектральное положение резонансной дли8 Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 1266 С.А. Блохин, А.В. Сахаров, Н.А. Малеев, А.Г. Кузьменков, И.И. Новиков, Н.Ю. Гордеев...

ложением максимума спектра электролюминесценции и длиной волны генерации ВИЛ возникает неопределенность. Поэтому в случае активной области на основе квантовых точек для корректного и однозначного определения величины расстройки во всех случаях необходимо использовать положение максимума спектра усиления при плотности тока накачки, соответствующего режиму генерации ВИЛ. В связи с этим актуальна задача определения длины волны, соответствующей максимуму спектра усиления активной области ВИЛ.

На рис. 2 приведена зависимость порогового тока Ith в ВИЛ от температуры. Экспериментальные зависимости порогового тока лазерного диода от температуры обычно принято описывать эмпирическим соотношением [3] Ith(T ) =Ith(300 K) exp ((T - 300)/T0), (2) Рис. 1. Спектры лазерной генерации ВИЛ на пороге (сплошная линия) и электролюминесценции при плотности тока где T0 — характеристическая температура. Однако даннакачки 20 А/см2 (точечная линия) и 500 А/см2 (штриховая ное выражение не учитывает влияния рассогласования линия).

максимума спектра усиления и длины волны генерации, которое проявляется в сильной зависимости порогового тока от резонансной длины волны ВИЛ [1]. Можно ны волны, задаваемое геометрией эпитаксиальной струкпредложить следующую форму описания температурной туры ВИЛ, и максимума спектра усиления активной зависимости порогового тока ВИЛ области. С этой целью структуру ВИЛ проектируют так, чтобы при температурах меньше рабочей длина Ith(T ) =Icor exp(T /T0), (3) th волны максимума спектра усиления была меньше расчетной длины волны генерации ВИЛ [12]. Однако как где первый множитель Icor = f ( (T )) описывает скорth теоретический расчет, так и экспериментальное опреректированную зависимость порогового тока ВИЛ от деление спектра усиления активной области является величины расстройки (T), а второй — температурный достаточно сложной задачей. В результате на практике рост порогового тока, обусловленный уменьшением усипри проектировании ВИЛ вместо спектров усиления ления активной области с температурой и термическим используются спектры фото- и электролюминесценции, выбросом носителей [13]. Величина T0 определяется а вместо резонансной длины волны реальной лазерной свойствами активной области и может быть найдена структуры — спектры отражения тестовых структур.

из анализа характеристик полосковых лазеров, изгоДанный подход оправдан при использовании активных товленных непосредственно из эпитаксиальной струкобластей на основе квантовых ям, поскольку они обтуры ВИЛ.

ладают малой шириной спектра усиления. В то же время в случае квантовых точек спектр усиления значительно уширен вследствие неоднородного уширения [7].

Кроме того, форма и положение максимума спектра усиления, равно как и максимумов спектров фото- или электролюминсценции, существенно зависят от уровня накачки.

На рис. 1 приведены спектры лазерной генерации для исследуемого ВИЛ на пороге (фактически определяемый положением резонансной длины волны) и спектры электролюминесценции полоскового лазера, изготовленного из той же эпитаксиальной структуры, при малой (20 А/см2) и высокой (500 А/см2) плотности тока инжекции, измеренные при температуре 15C. Отметим, что резонансная длина волны ВИЛ в данном случае находится между максимумами спектров электролюминесценции для низкого (low) и высокого (high) уровней накачки. При использовании широко распространенной Рис. 2. Температурная зависимость порогового тока ( ) ВИЛ оценки величины расстройки как разницы между по- и скорректированная зависимость порогового тока () ВИЛ.

Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. Экспериментальное исследование температурной зависимости пороговых характеристик... Зная экспериментальную зависимость пороговой плотности тока ВИЛ от температуры, можно определить длину волны излучения полоскового лазера, соответствующую максимальному усилению при заданной плотности тока и температуре. На рис. 5 представлены температурные зависимости длины волны лазерной генерации на пороге для ВИЛ и длина волны генерации полоскового лазера, соответствующая максимальному усилению при плотности тока, равной пороговой плотности тока ВИЛ. Для сравнения приведена температурная зависимость длины волны максимума спектра электролюминесценции, измеренная при малой плотности тока накачки. Отметим, что температура, соответствующая нулевой расстройке Tg ( (T ) =0), при которой достигается совпадение резонансной длины волны ВИЛ с длиной волны максимального усиления активной области, Рис. 3. Температурная зависимость пороговой плотности тока для лазеров полосковой конструкции с длиной резонатора 1 мм.

На рис. 3 представлена экспериментальная зависимость пороговой плотности тока от температуры для полосковых лазеров с длиной резонатора 1 мм. В диапазоне 15-50C температурная зависимость порогового тока хорошо описывается зависимостью (3) со значением характеристической температуры T0 = 120 K. Найденное значение T0 сравнимо с результатами, полученными ранее для полосковых лазеров на основе субмонослойных квантовых точек [14].

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.