WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

На рис. 3 приведена температурная зависимость эфso фективного усиления на частоте максимума (g-h ) для Поэтому для приближенного учета внутризонной реInAs. Из рисунка видно, что кривые для концентрации лаксации мы осуществляли свертку спектров ВП и усиносителей 6 · 1017 см-3 и 9 · 1017 см-3 имеют минимум ления с гауссовской функцией, используя время внутрипри 155 K, когда ВП максимально. При больших темпе- зонной релаксации, определяемое из данных о подвижноратурах ВП резко уменьшается и практически пропадает, стях [12]. Мы предполагали, что подвижности носителей когда энергия кванта вследствие уменьшения ширины не зависят от концентрации, но являются функциями запрещенной зоны становится меньше. Это приводит температуры. Расчеты показали, что учет внутризонной к подъему кривых в интервале температур 155-200 K.

релаксации не приводит к каким-либо качественным Указанный минимум проявляется также в совпадении отличиям в спектрах ВП и усиления и дает только кривых для 155 и 200.K на вставке рис. 3, где приведены небольшие количественные изменения.

зависимости эффективного усиления от концентрации в) Расчеты в пункте ”а” были выполнены в первом носителей для разных температур.

- приближении по параметру = 1. Для б) Все результаты вычисления спектров усиления и поглощения, приведенные на рис. 1–3, были получены проверки допустимости данного приближения мы выФизика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 1400 Н.А. Гунько, Г.Г. Зегря, Н.В. Зотова, З.Н. Соколова, Н.М. Стусь, В.Б. Халфин числили поправки следующего порядка по указанному приближенной (10) формул достаточно существенны.

малому параметру. Для интеграла перекрытия зоны тя- Расчеты по точной и приближенной формулам дают желых дырок с so-зоной (Bhso) мы получили следующее одно и то же энергетическое положение максимума ВП.

выражение (при Eg ): Однако при использовании точной формулы (17) величина поглощения в максимуме уменьшается примерно 2 x kso на 30%. Кроме того, спектры поглощения расширяются Bhso(kso, q) =Bhso 1+, x =, (14) K 2 2mso в коротковолновую область, особенно при 155 K.

Bhso описывается выражением (6). Из выражения (14) 3. Влияние ВП на характеристики видно, что поправки к Bhso малы по параметру, так гетеролазеров как x -.

Проинтегрировав (2) по углам и по k, с учетом анаа) Изучим влияние ВП на характеристики гетеролазелогичной поправки в -функции по энергии, приходим ров. Объектом исследования служили длинноволновые к следующему выражению для коэффициента ВП:

инжекционные лазеры на основе двойной гетерострукту21 M ры с активной областью из n-InAs.

so so (h )1 = h 1 + 1 - M, (15) Двойные гетероструктуры N-InAs1-x-ySbxPy/n-InAs/P2 InAs1-x-ySbxPy (0.05 < x < 0.09; 0.09 < y < 0.18) где выращивались на подложке n-InAs (111) методом жидmh M = ;

кофазной эпитаксии при условии высокой пластичности mh - mso подложки, когда напряжения несоответствия, вызванные so h дается выражением (10).

рассогласованием постоянных решетки, снимаются за Для InAs M = 1.52 и счет преимущественного образования дислокаций в подложке. В результате получались структурно совершенso so (h )1 = h (1 + ), (16) ные эпитаксиальные слои с рекордно низкой плотностью дислокаций 10+3 см-2. Эмиттер p-типа легировалгде = -11. Из (16) видно, что для InAs в поso ся Zn. Перепад энергий ширины запрещенной зоны и правке к h перед малым параметром стоит большой показателя преломления на гетерограницах составляли численный коэффициент порядка 10 и соответствующая соответственно 100 мэВ и 0.03. Толщина ограничиваюпоправка () оказывается существенной. Характерное щих слоев составляла 4–6 мкм; толщина активной облазначение - = kT, как видно из (10) и рис. 1. Для сти (d) менялась от 0.8 до 6 мкм. Показатель преломле77 K = -0.28, а для 155 K = -0.56, и примениния активной области равнялся 3.52. Исследовались как мость такого разложения для 155 K уже не обоснована.

четырехсколотые лазеры, так и лазеры с широким конПоэтому мы выполнили расчет коэффициента ВП для тактом, в которых шероховатость боковых граней была тяжелых дырок с использованием точной модели Кейна достаточна для подавления внутренних замкнутых мод.

как в интеграле перекрытия, так и в законе сохранения Ширина контакта варьировалась в пределах 35–200 мкм;

энергии. В этом случае коэффициент ВП можно записать длина резонатора (L) была 100–1500 мкм. Длина волны в виде:

лазерной моды составляла 3.05 мкм (77 K), что соответso (h )K = ствовало максимуму пика фотолюминесценции нелегированного n-InAs в активной области. Лазерная гене-Am5/2x3/2 рация наблюдалась в интервале температур 2–150 K в so, h (Eg+)(3Eso+2) импульсном и непрерывном режимах с минимальными x 1+exp M1 T - M1+ T 3Eso+2Eso(-Eg)-Eg-3x(Eg+) плотностями пороговых токов 60 и 100 А/см2 соответственно (77 K).

(17) Рассмотрим влияние ВП на характеристики описанных где M1 = mso/mh, Eso = - - so, so —кейновская гетеролазеров. Отметим, что вследствие большой шириэнергия дырки в so-зоне, A определено в (10), а x ны активной области влияние гетерограниц на поглощев (14). Связь между x и Eso задается законом сохранения ние мало, и мы его не рассматриваем. Во всех расчетах энергии этой главы использовалась точная модель Кейна. Анализ Eso + M1x + = 0 (18) характеристик лазера выполнен в такой последовательи следующим из уравнения Кейна соотношением ности. Сначала определялась пороговая концентрация носителей в активной области гетеролазера nth для разEso Eso +(-Eg)Eso - Eg ных значений d, L и T. Согласно [13], x =. (19) (Eg +)(3Eso + 2) so max(g - h ) =, (20) so Спектральные зависимости (h )K для InAs предстаso влены на рис. 1 кривыми 2, 2, 4, 4. Из рисунка где учтены только два типа оптических потерь: ВП (h ) видно, что количественные различия точной (17) и и потери на выход =(1/L) ln(1/R), R = 0.3 — коэфФизика и техника полупроводников, 1997, том 31, № Влияние межподзонного поглощения в валентной зоне на пороговые характеристики... зависимость, связанная с возрастанием ВП. При 155 K появляется аномальная зависимость i = f (1/L), когда i падает с ростом 1/L, потому что ВП возрастает быстрее, чем потери на выход.

Мы рассчитали также температурную зависимость пороговой плотности тока Jth в исследуемых лазерах с активной областью из InAs (рис. 6), используя вычисленные значения для nth. При определении пороговой плотности тока мы учитывали излучательную рекомбинацию и межзонную оже-рекомбинацию. При этом пороговая плотность тока описывается следующим выражением:

Jth = 1.6 · 10-23nth Br +(R1 +R2)nth, (22) где Br —коэффициент излучательной рекомбинации, R1 — коэффициент межзонного CHHS оже-процесса с переходом дырки в so-зону, R2 — коэффициент межзонного CHCC оже-процесса, связанного с возбуждением электрона в зоне проводимости. ИспольРис. 4. Температурные зависимости внешней дифференциальзуя [14], для CHHS-процесса в InAs получили значение ной квантовой эффективности гетеролазера с активной облаR1 = 4 · 10-27 см6/с, которое практически не зависит стью из InAs толщиной 0.8 и 1.5 мкм и с длиной резонатора 0.от температуры. Также на основе данных работы [14] и 0.09 см.

для InAs с учетом вырождения электронов был вычислен коэффициент CHCC-процесса, который при изменении температуры от комнатной до азотной уменьшался фициент отражения зеркал лазера, — фактор оптичена 2 порядка: R2 = 3.3 · 10-27 см6/с при 300 K и ского ограничения в рассматриваемой гетероструктуре.

R2 = 2.2 · 10-29 см6/с при 77 K.

Из расчетов видно, что наибольшее возрастание пороПри вычислении компоненты порогового тока, свяговой концентрации должно наблюдаться в лазерах с занной с излучательной рекомбинацией, учитывалось более тонкими активными областями (d 1мкм) и вырождение электронов и дырок, т. е. принималась во с короткими резонаторами (L = 0.03 см), у которых внимание зависимость коэффициента излучательной репотери на выход наибольшие.

комбинации Br не только от температуры, но и от Далее вычислялась внешняя дифференциальная кванконцентрации носителей.

товая эффективность (i), определяемая как отношение потерь на выход () к суммарным потерям, so i = /( + h ). (21) На рис. 4 представлены температурные зависимости квантовой эффективности для двух значений толщины активной области гетеролазера d = 0.8, 1.5 мкм и двух значений длины активной области L = 0.03, 0.09 см.

Следует отметить, что с ростом температуры в области 100–155 K ВП возрастает не только вследствие роста концентрации носителей, но и в связи с перемещением максимума усиления в область наибольшего поглощения (рис. 2). При температурах выше 155 K, когда Eg so становится меньше, ВП на частоте max(g -h ) резко уменьшается, спадая до нуля. Поэтому на всех кривых при T = 100-155 K существует минимум, обусловленный совпадением максимумов усиления и поглощения по частоте.

На рис. 5 приведены зависимости квантовой эффективности от приведенных потерь на выход 1/L для температур 77, 100 и 155 K. Параметром является толщина Рис. 5. Зависимость внешней дифференциальной квантовой активной области. При 77 и 100 K квантовая эффективэффективности гетеролазера с активной областью из InAs ность, как обычно, возрастает с ростом 1/L, правда, толщиной 0.8 (для 155 K) и 1.5 мкм от приведенных потерь при больших потерях на выход наблюдается сублинейная на выход для трех температур: 77, 100, 155 K.

Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 1402 Н.А. Гунько, Г.Г. Зегря, Н.В. Зотова, З.Н. Соколова, Н.М. Стусь, В.Б. Халфин Расчеты показали, что при 77 K излучательная компонента тока сравнима с безызлучательной (оже) компонентой [3]. С возрастанием температуры безызлучательная компонента начинает преобладать и при 155 K уже на порядок превосходит излучательную.

Из расчетов следует, что в длинных лазерах (L = 0.09 см) пороговый ток практически не зависит от толщины активной области. В коротких же лазерах (L = 0.03 см) в области температур 100–200 K пороговая плотность тока зависит от толщины активной области (рис. 6). Для d = 0.8 мкм наблюдается ”полочка”, связанная с ”выключением” ВП при T > 155 K.

б) На рис. 6 также представлена экспериментальная температурная зависимость пороговой плотности тока для четырехсколотого лазера с толщиной активной области из InAs, равной 1.8 мкм. Указанная толщина активной области соответствует минимальному значению измеренной пороговой плотности тока. Удовлетворительное согласие теории с экспериментом получено Рис. 7. Экспериментальная (треугольники) и теоретическая только в области температур 77–100 K. При больших (сплошная линия) зависимости пороговой плотности тока гетемпературах экспериментальные значения пороговой теролазера с активной областью из InAs толщиной d = 1.8мкм плотности тока существенно превышают теоретические.

от приведенных потерь на выход для 77 K.

Расхождение теории с экспериментом при более высоких температурах, в рамках нашей модели, связано с пренебрежением эффектами разогрева носителей заряда обусловленный оже-возбуждением; 3) разогрев за счет и токов утечки. В исследуемых структурах возможны внутризонного поглощения излучения. Анализ влияния три механизма разогрева носителей: 1) разогрев за счет механизмов разогрева на пороговые характеристики таинжекции носителей через гетерограницы; 2) разогрев, ких лазеров и на их предельную рабочую температуру является предметом отдельного исследования. Возможно также существование неучтенных механизмов внутреннего поглощения, имеющих сильную температурную зависимость, например, связанных с наличием гетерограниц [15]. Дополнительным указанием на существование механизмов внутреннего поглощения является наблюдаемое на опыте непрерывное падение дифференциальной квантовой эффективности таких лазеров с ростом температуры [16].

На рис. 7 приведены теоретические и экспериментальные значения пороговой плотности тока в зависимости от приведенных потерь на выход при 77 K в лазере на основе той же гетероструктуры, что и на рис. 6. Наблюдается хорошее согласие между экспериментальными и теоретическими данными, однако, для случая малых потерь на выход теория дает несколько завышенные значения пороговой плотности тока.

4. Обсуждение результатов и выводы Рис. 6. Экспериментальная и теоретические температурные зависимости пороговой плотности тока для гетеролазера с Приведенное в работе исследование показало, что активной областью из InAs. Сплошные линии — расчет механизм ВП существенно влияет на характеристики для различных гетероструктур: 1 — толщина активной облагетеролазеров с длиной волны излучения 3–3.5 мкм с сти d = 0.8 мкм, длина резонатора L = 0.03 см; 2 — активной областью из InAs или близких к нему по d = 1.5мкм, L = 0.03 см; 3 — четырехсколотая гетеросоставу твердых растворов. При учете ВП получены структура с d = 1.8 мкм; экспериментальные данные (треаномальные зависимости дифференциальной квантовой угольники) приведены для четырехсколотой гетероструктуры эффективности гетеролазеров от температуры, а также с d = 1.8мкм.

Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № Влияние межподзонного поглощения в валентной зоне на пороговые характеристики... от приведенных потерь на выход (для некоторых темпе- [13] Х. Кейси, М. Паниш. Лазеры на гетероструктурах (М., Мир, 1981).

ратур). ВП увеличивает пороговую плотность тока. Для [14] З.Н. Соколова. Автореф. канд. дис. (Л., ФТИ им. А.Ф. Иофуменьшения влияния ВП на пороговую плотность тока и фе, 1982).

для увеличения предельной рабочей температуры таких [15] Г.Г. Зегря. Автореф. докт. дис. (СПб., ФТИ им. А.Ф. Иоффе, лазеров предпочтительны лазеры с длинными резонато1995).

рами и более широкими активными областями.

[16] М.Ш. Айдаралиев, Н.В. Зотова, С.А. Карандашев, Б.А. МаВ работе показано, что в полупроводниках типа AIIIBV, твеев, Н.М. Стусь, Г.Н. Талалакин. ФТП, 27, 21 (1993).

так же как и в Ge [6], коэффициент ВП тяжелыми Редактор В.В. Чалдышев дырками в десятки раз превосходит коэффициент ВП легкими дырками. Однако поглощение света тяжелыми The influence of intervalence band и легкими дырками происходит в разных частотных диапазонах: тяжелыми дырками при >, а легкими absorption on threshold characteristics of при <. Для подавления механизма сильного long wavelength InAs-based lasers поглощения тяжелыми дырками надо использовать поN.A. Gun’ko, G.G. Zegrya, N.V. Zotova, Z.N. Sokolova, лупроводники с Eg <. Это условие может быть N.M. Stus’, V.B. Khalfin достигнуто либо изменением температуры, либо путем использования твердых растворов определенного состаA.F. Ioffe Physicotechnical Institute, ва. В InAs Eg становится меньше при T > 155 K.

Russian Academy of Sciences, В твердых растворах InyGa1-yAs1-xSbx вблизи InAs при 194021 St. Petersburg, Russia любых температурах Eg <, а в InAs1-xSbx при x < 0.и температурах вблизи 77 K Eg >. Следует отметить,

Abstract

Pages:     | 1 || 3 |



© 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.