WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. 12 Лазерная генерация на длине волны 1.5 мкм в структурах с квантовыми точками на подложках GaAs © 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 Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 2 июня 2003 г. Принята к печати 3 июня 2003 г.) Сообщается о реализации лазерной генерации на длине волны 1488–1515 нм в диапазоне температур 20-83C в структурах с активной областью на основе многослойных массивов самоорганизующихся квантовых точек, выращенных на подложках GaAs. В лазере с четырьмя сколотыми гранями пороговая плотность тока составила 800 А/см2 при комнатной температуре. Метод увеличения длины волны основан на использовании метаморфного переходного слоя с содержанием индия около 20%, предназначенного для релаксации напряжения рассогласования.

1. Введение рована генерация на длине волны 1.29 мкм в лазере на основе двух квантовых ям InGaAs с более высоким по Недавние успехи в создании инжекционных лазеров отношению к окружающей матрице содержанием индия с активной областью на основе самоорганизующихся (около 40%).

квантовых точек (КТ) на подложках GaAs, работающих В настоящей работе мы применяем концепцию мена длине волны 1.3 мкм [1,2], мотивируют интерес к таморфного роста к лазерам с активной областью на исследованиям с целью продвижения в область больших основе самоорганизующихся квантовых точек. Длина длин волн — вплоть до 1.55 мкм. Подобные структуры волны генерации при комнатной температуре составила могут стать альтернативой традиционным лазерам этого 1488 нм при пороговой плотности тока 800 А/см2. Ласпектрального диапазона на основе системы материалов зерная генерация наблюдалась вплоть до 83C (1515 нм, InGaAsP/InP, а также перспективны для создания моно2.5 кА/см2).

литных вертикально-излучающих лазеров.

Ранее нами было показано [3], что длина волны лазерной генерации в структурах на основе самооргани2. Эксперимент зующихся КТ InAs может быть управляемо увеличена с помощью уменьшения ширины запрещенной зоны Исследуемые структуры были выращены метоматрицы, окружающей массив КТ. В частности, при дом молекулярно-пучковой эпитаксии в установке осаждении на подложках InP использование матрицы Riber 32P с твердотельным источником As на подложках In0.53Ga0.47As, согласованной по параметру решетки с n+-GaAs(100). Зонная диаграмма базовой конструкции, подложкой, позволило нам достичь длины волны генерадалее обозначаемой MMQD1, схематически показана на ции 1.9 мкм [4]. Однако в случае применения подложек рис. 1, a. Мольная доля индия во всех слоях лазерной GaAs слои InGaAs являются несогласованными по паструктуры, за исключением активной области, составляраметру решетки. В рамках концепции псевдоморфного ла около 21%. Легированный кремнием переходный буосаждения ширина запрещенной зоны матрицы InGaAs ферный слой InGaAs толщиной около 1.2 мкм осаждался ограничена значениями около 1.25 эВ, что в свою оченепосредственно на поверхность GaAs. В качестве ларедь ограничивает длину волны генерации КТ лазера зерного волновода использовался нелегированный слой значениями 1.3–1.35 мкм. Достичь существенного уменьInGaAs толщиной около 0.7 мкм, ограниченный эмиттершения ширины запрещенной зоны матрицы InGaAs, ными слоями InAlGaAs толщиной 1.6 мкм n- и p-типа, окружающей массив КТ, позволяет применение металегированными кремнием или бериллием соответственморфных гетероструктур. Было продемонстрировано [5], но, с концентрацией (5-10) · 1017 см-3. Соотношение что при использовании специальных режимов осаждения мольных долей Al и Ga составляет примерно 3/5.

переходного буферного слоя InGaAs релаксация напряВ середину волноводного слоя помещены 10 рядов саможения происходит преимущественно путем образования организующихся квантовых точек InAs. Каждый из рядов дислокаций несоответствия, локализованных в области КТ получен осаждением InAs с эффективной толщиной интерфейса. Это позволяет затем выращивать свободные 2.7 монослоя и покрыт квантовой ямой In0.4Ga0.6As толот дислокаций слои InGa(Al)As с содержанием индия щиной 4 нм. Толщина спейсерных слоев InGaAs, разделяоколо 20%, формирующие лазерную структуру. Испольющих ряды КТ, составляет 45 нм. Структура завершается зуя указанный метод, в работе [5] была продемонстриконтактным слоем InGaAs толщиной около 0.4 мкм, ¶ E-mail: zhukov@beam.ioffe.ru легированным бериллием с концентрацией 1019 см-3.

1462 А.Е. Жуков, А.П. Васильев, А.Р. Ковш, С.С. Михрин, Е.С. Семенова, А.Ю. Егоров...

ключается в отсутствии InGaAs-буферного слоя. Релаксация напряжения происходит непосредственно в слое InGaAlAs:Si, который, таким образом, выполняет роль нижнего эмиттера и переходного буферного слоя. Это позволяет значительно приблизить активную область к интерфейсу GaAs-подложки.

Из выращенных структур были изготовлены лазеры с четырьмя сколотыми гранями. Контакты n- и p-типа формировались напылением и вплавлением (450C) металлических слоев AuGe/Ni/Au и AuZn/Ni/Au соответственно. Характеристики лазеров исследовались в температурном диапазоне 20-85C при возбуждении импульсами тока длительностью 0.2 мкс. Для регистрации сигнала использовался германиевый фотодиод.

3. Результаты и обсуждение На рис. 1, b приведена фотография скола лазерной структуры MMQD1, полученная методом сканирующей электронной микроскопии (СЭМ). Следует отметить высокую планарность всех гетероинтерфейсов, а также отсутствие микротрещин, отслаивания и других дефектов скола. Последнее обстоятельство позволяет формировать зеркала лазерного резонатора скалыванием граней, как и в случае неметаморфных лазеров на GaAs.

Рис. 1. Схематическое изображение зонной структуры исследованной лазерной структуры (a) и микрофотография скола Пороговые и спектральные характеристики лазеров, структуры, полученная методом сканирующей электронной выращенных с использованием двух описанных выше микроскопии (b).

различных дизайнов (MMQD1 и MMQD2), оказались весьма близки. Поэтому в дальнейшем отличия между ними обсуждаться не будут.

Таким образом, конструкция метаморфной лазерной структуры MMQD1 близка к типичному дизайну, используемому в лазерах на основе КТ диапазона длин волн 1.3 мкм на подложках GaAs. Однако использование метаморфной гетероструктуры с содержанием индия около 21% позволяет уменьшить ширину запрещенной зоны матрицы до 1.12 эВ при комнатной температуре, в результате чего положение максимума фотолюминесценции массива КТ достигает 1.45 мкм. Предложенный метод является также альтернативой использованию подложек InGaAs (например, [6]), производство которых не получило к настоящему времени широкого распространения.

Как видно, в описанной структуре релаксация напряжения рассогласования происходит на буферном слое InGaAs, и активная область оказывается заметно удалена от подложки GaAs (в среднем примерно на 3 мкм). Это нежелательно с точки зрения применения концепции метаморфного роста для создания вертикально излучающих лазерных структур, так как полная тощина структуры ограничена величиной в несколько длин волн Рис. 2. Сплошные линии: спектры электролюминесценции при (типично не более 2 мкм). С целью проверки возможноразличных плотностях тока накачки (линия 1 соответствует сти уменьшения полной толщины метаморфной лазер770 А/см2, 2 — 800 А/см2, 3 — 830 А/см2). Штриховая линой структуры была применена конструкция MMQD2.

ния 4 — спектр фотолюминесценции от лазерной структуры, Ее основное отличие от базовой структуры MMQD1 за- подвергнутой травлению в растворе H2SO4 : H2O2 : H2O.

Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. Лазерная генерация на длине волны 1.5 мкм в структурах с квантовыми точками... В заключение отметим хорошие электрические характеристики обеих лазерных структур. Напряжение отсечки вольт-амперной характеристики лазерных диодов составило 0.8 В, что хорошо согласуется с ожидаемой энергией оптического перехода основного состояния. Это свидетельствует об отсутствии дополнительных барьеров для инжекции носителей заряда внутри метаморфной структуры, например на гетерограницах буфер–нижний эмиттер или верхний эмиттер– контактный слой. Удельное последовательное сопротивление оценено равным 2 · 10-4 Ом · см2.

4. Заключение Продемонстрировано, что использование концепции метаморфного роста позволяет в структурах на подложках GaAs с активной областью на основе самоорРис. 3. Зависимость пороговой плотности тока (1) и длины ганизующихся квантовых точек реализовать лазерную волны лазерной генерации (2) от температуры.

генерацию в спектральном диапазоне 1.5 мкм. Предложенный подход потенциально применим для создания вертикально излучающих лазерных структур, а также для продвижения в большие длины волн.

На рис. 2 приведен записанный с поверхности спектр фотолюминесценции (ФЛ) при комнатной температуре Авторы благодарны В.М. Бусову за исследования от части лазерной структуры с удаленными контактным структурных свойств методом сканирующей электронслоем и частью верхнего эмиттера. Максимум линии ной микроскопии, Ю.Г. Мусихину за исследования меФЛ от активной области лазера расположен на длине тодом просвечивающей электронной микроскопии и волны 1.45 мкм, что соответствует пику люминесценции М.В. Байдаковой за рентгено-дифракционные исслеот массива КТ, измеренному в тестовых структурах. Тадования.

ким образом, отсутствует коротковолновый сдвиг линии Работа выполнена при поддержке совместного проеклюминесценции в лазерной структуре по отношению к та ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН и NSC-Nanosemiconductorтестам, часто наблюдаемый в КТ-лазерах диапазона длин GmbH, Германия. А.Е. Жуков и В.М. Устинов выражают волн 1.3 мкм.

благодарность „Фонду содействия отечественной науке“.

На рис. 2 также показаны спектры электролюминесценции лазерной структуры, записанные с торца при различных плотностях тока накачки. Линия лазерной Список литературы генерации возникает на длине волны 1488 нм при пороговой плотности тока 800 А/см2. Линия генерации замет- [1] A.R. Kovsh, N.A. Maleev, A.E. Zhukov, S.S. Mikhrin, A.P. Vasil’ev, Yu.M. Shernyakov, M.V. Maximov, D.A. Livshits, но сдвинута в длинноволновую сторону по отношению V.M. Ustinov, Zh.I. Alferov, N.N. Ledentsov, D. Bimberg.

к максимуму ФЛ, что свидетельствует о достаточном Electron. Lett., 38, 1104 (2002).

запасе оптического усиления (насыщенное усиление [2] A.E. Zhukov, A.R. Kovsh, S.S. Mikhrin, A.P. Vasil’ev, заметно превышает внутренние потери). Достигнутые E.S. Semenova, N.A. Maleev, V.M. Ustinov, M.M. Kulagina, значения пороговой плотности тока следует сравнить E.V. Nikitina, I.P. Soshnikov, Yu.M. Shernyakov, D.A. Livshits, с лучшими результатами, полученными в лазерах на N.V. Kryjanovskaya, D.S. Sizov, M.V. Maximov, A.F. Tsatsul’niоснове азотсодержащих псевдоморфных квантовых ям.

kov, N.N. Ledentsov, D. Bimberg, Zh.I. Alferov. Physica E, 17, В работах [7,8] сообщалось о достижении лазерной 589 (2003).

генерации в структурах с квантовыми ямами InGaAsN [3] V.M. Ustinov, A.E. Zhukov. Semicond. Sci. Technol., 15, Rи InGaAsNSb на длинах волн 1.52 и 1.50 мкм соответ- (2000).

ственно при пороговой плотности тока 7 и 3.5 кА/см2. [4] V.M. Ustinov, A.E. Zhukov, A.Yu. Egorov, A.R. Kovsh, S.V. Zaitsev, N.Yu. Gordeev, V.I. Kopchatov, N.N. Ledentsov, На рис. 3 приведены зависимости пороговой плотноA.F. Tsatsul’nikov, B.V. Volovik, P.S. Kop’ev, Zh.I. Alferov, сти тока и длины волны генерации от температуры. ЛаS.S. Ruvimov, Z. Liliental-Weber, D. Bimberg. Electron. Lett., зерная генерация наблюдается вплоть до максимальной 34, 670 (1998).

температуры измерения 83C. Длина волны при этом со[5] А.Е. Жуков, А.Р. Ковш, С.С. Михрин, Е.С. Семенова, ставила 1515 нм, а пороговая плотность тока 2.5 кА/см2.

Н.А. Малеев, А.П. Васильев, Е.В. Никитина, Н.В. КрыТемпературная зависимость длины волны генерации жановская, А.Г. Гладышев, Ю.М. Шерняков, Ю.Г. Муописывается коэффициентом 0.5 нм/K, а пороговой плот- сихин, М.В. Максимов, Н.Н. Леденцов В.М. Устинов, ности тока — характеристической температурой 60 K. Ж.И. Алферов. ФТП, 9, 1143 (2003).

Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. 1464 А.Е. Жуков, А.П. Васильев, А.Р. Ковш, С.С. Михрин, Е.С. Семенова, А.Ю. Егоров...

[6] K. Otsubo, Y. Nishijima, H. Ishikawa. FUJITSU Sci. Technol.

J., 34, 212 (1998).

[7] M. Fischer, D. Gollub, S. Moses, M. Muller, M. Kamp, A. Forchel.

Abstract

Book Int. Workshop on GaAs Based Lasers for 1.3–1.5 µm Wavelength Range, April 24–26, (Wroclaw, Poland) p. 48.

[8] L.H. Li, V. Sallet, G. Patriarche, L. Largeau, S. Bouchoule, K. Merghem, L. Travers, J.C. Harmand. Abctract Book Int.

Workshop on GaAs Based Lasers for 1.3–1.5 µm Wavelength Range, April 24–26, 2003 (Wroclaw, Poland) p. 49.

Редактор Л.В. Беляков Lasing at 1.5-µm wavelength in quantum dot structures on GaAs substrates A.E. Zhukov, A.P. Vasil’ev, A.R. Kovsh, S.S. Mikhrin, E.S. Semenova, A.Yu. Egorov, V.A. Odnobljudov, N.A. Maleev, E.V. Nikitina, N.V. Kryjanovskaya, A.G. Gladyshev, Yu.M. Shernyakov, M.V. Maximov, N.N. Ledentsov, V.M. Ustinov, Zh.I. Alferov Ioffe Physicotechnical Institute, Russian Academy of Sciences, 194021 St. Petersburg, Russia Abstract We report on realization of lasing in the 1488-1515 nm wavelength range in the 20-83C temperature interval from laser structures based on multiply stacked arrays of self-organized quantum dots deposited on GaAs subastrates.

Threshold current density of four-facet laser is 800 A/cm2 at room temperature. The method of wavelength extension is based on use of metamorphic buffer layer with indium mole fraction of about 20% intended for relaxation of lattice mismatch strain.




© 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.