WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 12 Непрерывный режим генерации одномодовых метаморфных лазеров на квантовых точках спектрального диапазона 1.5 мкм © Л.Я. Карачинский,+,¶, T. Kettler+, Н.Ю. Гордеев, И.И. Новиков, М.В. Максимов, Ю.М. Шерняков, Н.В. Крыжановская, А.Е. Жуков, Е.С. Семенова, А.П. Васильев, В.М. Устинов, Н.Н. Леденцов,+,=, А.Р. Ковш,=, В.А. Щукин,+,=, С.С. Михрин,=, A. Lochmann+, O. Schulz+, L. Reissmann+, D. Bimberg+ Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия + Institut fr Festkrperphysik, Technische Universitt Berlin, D-10623 Berlin, Deutschland = NL-Nanosemiconductor GmbH, 44227 Dortmund, Deutschland (Получена 28 марта 2005 г. Принята к печати 12 апреля 2005 г.) Лазеры с квантовыми точками InAs/InGaAs на метаморфных слоях (In,Ga,Al)As, осажденных методом молекулярно-пучковой эпитаксии на подложках GaAs, продемонстрировали длину волны генерации вблизи 1.5 мкм и дифференциальную квантовую эффективность порядка 50%. Показано, что лазеры с узким полоском работают в одномодовом режиме и выдерживают плотности непрерывного тока свыше 20 кА · см-2 без заметной деградации. Продемонстрирован непрерывный режим генерации с максимальной оптической мощностью 220 мВт. Также показано, что вплоть до самых высоких уровней возбуждения отсутствует эффект шнурования тока и излучения.

1. Введение для достижения требуемого для вертикального лазера коэффициента отражения распределенного брэгговского В последние годы наблюдается большой прогресс в зеркала (> 0.99) необходимо не менее 50 пар слосоздании полупроводниковых инжекционных лазеров с ев. Таким образом, реализация монолитных лазеров квантовыми точками (КТ) [1]. Лазеры на КТ показали с вертикальным резонатором на основе этой системы ранее предсказанные сверхнизкую пороговую плотность материалов крайне затруднена.

тока [2], высокую температурную стабильность [3] и В настоящее время применяются два различных поддифференциальную эффективность [4], небольшой хода для создания полупроводниковых лазеров, излучапараметр и, как следствие, подавленное шнурование ющих на длине волны около 1.5 мкм. Согласно первополя [5], а также уменьшенный сдвиг волны излучения му подходу, в качестве активной области используютпри изменении тока накачки. Особое внимание уделяся GaInAsN–GaAsN КЯ [10] или GaInNAsSb–GaNAsSb ется длинноволновым лазерам с КТ, выращенным на КЯ [11]. Вработе [10] была продемонстрирована генераподложках GaAs [6], которые могут быть использованы ция на длине волны 1.42 мкм, причем полная выходная в оптических системах связи. Были созданы высокооптическая мощность при непрерывном режиме накачки качественные лазеры полосковой конструкции, а так(PCW) составила 17 мВт (длина резонатора L = 600 мкм, же поверхностно излучающие лазеры с вертикальным ширина полоска W = 4мкм). Для системы материалов резонатором (VCSELs), излучающие на длине волны GaInNAsSb–GaNAsSb была получена длина волны излу1.3 мкм [1,7]. Эти достижения дополнительно стимуличения 1.498 мкм, при этом PCW = 140 мВт (длина резоровали интерес к лазерам на КТ, выращенным на поднатора L = 2500 мкм, ширина полоска W = 20 мкм) [11].

ложках GaAs и излучающим в более длинноволновом Нами был недавно предложен подход, основанный спектральном диапазоне, вплоть до 1.5 мкм.

на принципах метаморфного роста буферных слоев До недавнего времени только система материалов InGaAlAs на подложках GaAs [12,13]. Метаморфный InP–InGaAsP использовалaсь для создания полупроводрост ранее использовался для получения лазеров на никовых лазеров, излучающих в диапазоне длин волн кремниевых подложках на основе квантовых ям [14,15] 1.3–1.55 мкм. Однако существуют фундаментальные прои квантовых точек [16]. При этом, однако, выходные блемы, ограничивающие возможности таких приборов.

мощности таких лазеров в непрерывном режиме были Недостаточное электронное ограничение в активной малы, и лазеры были подвержены быстрой деградации.

области [8,9] приводит к слабой температурной стабильВ нашем случае для локализации дисклокаций несоности порогового тока и длины волны излучения. Еще ответствия в нижнем буферном слое и создания низкой одной серьезной проблемой, ограничивающей области плотности дислокаций в вышележащих слоях была исприменения лазеров с квантовыми ямами (КЯ) на основе пользована специальная методика уменьшения конценInP, является малая разница показателей преломления трации дефектов (defect reduction technique — DRT) [17].

между GaInAs и AlInAs. Это приводит к тому, что Инжекционные лазеры с широким полоском, содержа¶ E-mail: Karach@switch.ioffe.ru щие в качестве активной области 10 слоев InAs–InGaAs Непрерывный режим генерациии одномодовых метаморфных лазеров на квантовых точках... КТ, продемонстрировали лазерную генерацию в диапазоне длин волн 1.48–1.52 мкм, пороговую плотность тока порядка 1–1.5 кА · cм-2 и внешнюю дифференциальную квантовую эффективность (ДКЭ) 52%. Полная оптическая мощность излучения при импульсном режиме накачки превышала 7 Вт со 100-микронного полоска [17,18]. Тем не менее до настоящего времени не была продемонстрирована и исследована работа таких лазеров при непрерывном режиме накачки.

Цель данной работы заключалась в создании лазеров на подложках GaAs, излучающих в районе 1.5 мкм и работающих при непрерывном режиме накачки в одномодовом режиме. В работе представлено детальное исследование температурных, мощностных, пространственных и спектральных характеристик метаморфных лазеров с InAs КТ.

2. Эксперимент Метаморфные лазерные гетероструктуры 1 и 2 были выращены методом молекулярно-пучковой эпитаксии (МПЭ) на подложках n+-GaAs (100). Десять слоев InAs КТ, полученных по методу Странского–Кристанова, были помещены в центр волновода InxGa1-xAs (x 21%) толщиной 0.8 мкм. Каждый слой КТ заращивался тонким слоем Iny Ga1-yAs (y 41%). Эмиттеры представляли собой слои InAlGaAs (In 21%). В данной работе были использованы две модификации метаморфного буфера. В структуре 1 он состоял из InGaAsслоя толщиной 1 мкм, за которым следовал n-эмиттер InAlGaAs (Al 30%) толщиной 1.5 мкм. В структуре Рис. 1. Зависимости порогового тока и длины волны лазерной сверхрешетка InGaAs–InAlGaAs со средним составом генерации от температуры для образцов структур 1 (a) и 2 (b), по Al 15%, толщиной 1.5 мкм, представляла собой полученные при импульсном возбуждении. Вставка на рис. 1, b метаморфный буфер и одновременно n-эмиттер.

показывает спектр электролюминесценции структуры 2 при Из выращенных гетероструктур были изготовлены ла72C и токе накачки I = 1.1Ith. L = 2 мм; W, мкм: a —6, b —7.

зеры полосковой конструкции с ширинами полоска 6, 7и 8 мкм. Контакты Ni/AuGe/Au и Ti/Pt/Au были нанесены 20C для всех трех ширин полоска: W = 6, 7 и 8 мкм.

на n- и p-легированные стороны соответственно. Были Зависимости порогового тока и длины волны лазерной изготовлены лазеры с различной длиной резонатора.

генерации от температуры для структур 1 и 2 показаны Образцы напаивались на медный теплоотвод p-стороной на рис. 1, a и 1, b соответственно. Характеристическая вниз для улучшения отвода тепла. Покрытия на зеркатемпература T0 составила 46 K для структуры 1 и 65 K ла резонатора не наносились. Лазеры исследовались в для структуры 2. Наибольшая длина волны лазерной широком диапазоне температур при импульсной накачке генерации наблюдалась в структуре 2 при температуре (длительность импульса = 200 нс, частота повторения 72C (см. вставку на рис. 1, b). На рис. 2, a и 2, b предf = 1кГц) и непрерывной накачке.

ставлены ватт-амперные характеристики структур 1 и При исследовании ближнего поля излучения торец соответственно. Гетероструктура 1 показала максимальлазерного диода проецировался на ПЗС-камеру с поную полную выходную оптическую мощность 800 мВт, мощью микрообъектива. При проведении спектральных а гетероструктура 2 — 440 мВт. Наибольшие значения и мощностных измерений, а также при исследовании ДКЭ для образцов исследованных гетероструктур с дальнего поля излучения в качестве детектирующего длиной резонатора 1.4–2 мм составили 35 и 50% для элемента использовался Ge-фотодиод.

гетероструктур 1 и 2.

Распределение интенсивности излучения на торцевой 3. Экспериментальные результаты грани образца гетероструктуры 2 с шириной полоска 6 мкм при различных токах накачки представлено на и обсуждение рис. 3. Лазер был установлен на микропозиционере, что Вначале лазеры исследовались в импульсном режиме. позволило вычислить масштаб изображения при помощи Для образцов с длиной резонатора 1.4 мм пороговый ток сдвига лазера относительно микрообъектива и камеры.

(Ith) лежал в диапазоне 380–420 мА при температуре Из рис. 3 видно, что профиль ближнего поля излучения Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 1466 Л.Я. Карачинский, T. Kettler, Н.Ю. Гордеев, И.И. Новиков, М.В. Максимов, Ю.М. Шерняков...

исследованные длинноволновые лазеры на КТ излучают в фундаментальной оптической моде. Аналогичные результаты были получены и при исследовании гетероструктуры 1. При этом в горизонтальном направлении ширина дальнего поля излучения составила порядка 6-8, а в вертикальном — 40-42.

На рис. 4 предcтавлены спектры излучения гетероструктуры 2 при комнатной температуре, полученные при импульсном возбуждении, в зависимости от тока накачки. Из рисунка видно, что на пороге лазерной генерации длина волны излучения составляет 1448.6 нм.

При последующем росте тока накачки в длинноволновой области также возникает излучение с основным максимумом в районе 1460.5 нм. Аналогичное поведение спектров излучения в зависимости от тока накачки было Рис. 2. Ватт-амперные характеристики структур 1 (a) и 2 (b), полученные при импульсном возбуждении при T = 20C.

a — W = 6мкм, L = 2 мм, Ith = 500 мА; b — W = 7мкм, Рис. 3. Распределение интенсивности излучения на торцевой L = 1.4 мм, Ith = 390 мА.

грани образца структуры 2 с шириной полоска 6 мкм при различных токах накачки и T = 20C. На вставке — дальнее поле излучения в горизонтальном и вертикальном направлении при практически не меняется при увеличении тока накачки.

токе накачки, равном 2.4Ith. L = 1.4 мм.

Это позволяет говорить о том, что рост тока накачки не приводит к возникновению новых оптических мод и филаментации. Образцы с шириной полоска 7 и 8 мкм продемонстрировали схожее поведение. Полученные результаты подтверждают ранее опубликованные данные о существенном подавлении филаментации в полупроводниковых лазерах на квантовых точках [5].

На вставке к рис. 3 показано дальнее поле излучения в горизонтальном и вертикальном направлении для образца гетероструктуры 2 с шириной полоска 6 мкм при токе накачки, равном 2.4Ith. Ширина на полувысоте (full width at half maximum (FWHM)) латерального поля лежала в диапазоне 5.6-7.1 при токах накачки I =(1.25-2.4)Ith. Профиль распределения дальнего поля соответствовал профилю Гаусса, что было обнаружено также для лазеров с шириной полоска 7 и 8 мкм.

В вертикальном направлении распределение дальнего Рис. 4. Спектры излучения структуры 2, полученные при поля не менялось при изменении тока накачки, расхоимпульcном возбуждении и T = 20C, в зависимости от тока димость пучка составила 43, что находится в хорошем накачки. На вставке — дальнее поле излучения в горизонтальсогласии с результатами расчетов, исходя из геометрии ном направлении, полученное со спектральным разрешением волновода. Таким образом, можно констатировать, что при токе накачки 1.8Ith. W = 8мкм, L = 1.4 мм.

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. Непрерывный режим генерациии одномодовых метаморфных лазеров на квантовых точках... шем этот вопрос будет рассмотрен более детально после проведения дополнительных исследований.

На рис. 5, a и 5, b представлены ватт-амперные и вольт-амперные характеристики излучения лазеров гетероструктуры 1 (W = 6мкм, L = 2мм) и гетероструктуры 2 (W = 7мкм, L = 2мм) соответственно, полученные при непрерывной накачке при 10C. Как видно из рис. 5, a и 5, b, с ростом тока накачки наблюдается увеличение выходной оптической мощности для обеих гетероструктур, причем кривые имеют особенности (так называемые кинки). При превышении некоторого значения тока накачки (1.5 А для гетероструктуры и 1 А для гетероструктуры 2) происходит обратимое уменьшение выходной оптической мощности, связанное с разогревом активной области. Максимальная полная выходная оптическая мощность составила 220 мВт для гетероструктуры 1 и 70 мВт для гетероструктуры 2.

ДКЭ составила 38.4% для гетероструктуры 1 и 22% для гетероструктуры 2. Как видно из рис. 5, a, исследованные метаморфные лазеры выдерживают работу при непрерывном режиме накачки без какой-либо заметной деградации вплоть до токов накачки порядка 2.6 A ( 22 кА · см-2).

Соответствующие спектры излучения гетеростpуктур 1 и 2, полученные при непрерывной накачке, представлены на вставках к рис. 5, a и 5, b. Кинки, наблюдаемые в ватт-амперных характеристиках, могут быть связаны с переключениями между различными группами продольных мод, наблюдаемыми в спектрах [20]. Смещение в длинноволновую область длины волны лазерной генерации с ростом тока накачки связано с разогревом Рис. 5. Ватт-амперные (сплошные линии) и вольт-амперактивной области. Этот разогрев может быть оценен при ные (штриховые линии) характеристики излучения лазеров помощи результатов, представленных на рис. 1, a и 1, b.

структуры 1 (a) и структуры 2 (b), полученные при непреДля этого положение максимума спектра излучения при рывной накачке при T = 10. На вставках — спектры изнепрерывной накачке необходимо сравнить с положелучения структур, полученные при непрерывной накачке.

нием длины волны лазерной генерации в импульсном a — W = 6мкм, L = 2 мм, Ith = 430 мА; b — W = 7мкм, режиме при определенной температуре. Оценки покаL = 2 мм, Ith = 480 мА.

зали, что для обеих структур максимальный разогрев составляет величину порядка 60C.

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.