WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 5 | 6 |   ...   | 7 |

Это имело бы место, если бы весь ток инжекции уходил на рекомбинацию в КТ и соблюдалась нейтральность в КТ. В действительности во всех конструкциях диодных лазеров квантовые точки окружены проводящим материалом (слоем оптического ограничения — барьерными областями), в который инжектируются носители из контактных областей и из которого далее попадают в КТ.12 Рекомбинация носителей в СОО приводит к дополнительной компоненте jth. Эта компонента ( jOCL), связанная с термическими выбросами носителей из КТ, экспоненциально зависит от T. Именно ею обусловлена температурная зависимость jth лазера на КТ при относиРис. 13. Степени заполнения электронного и дырочного тельно высоких T. Это было подтверждено уже в первой уровней в КТ в зависимости от плотности тока инжекции. Верреализации инжекционного лазера на КТ [20]. С доститикальная пунктирная прямая показывает порог прозрачности, жением уровня технологии, позволяющего выращивать когда разность f - f максимальна.

p n структуры с совершенными ансамблями КТ и тем самым контролировать в значительной степени неоднородное уширение линии, именно термические выбросы носителей из КТ могут стать основной проблемой в работе лазера.

Из условия (18) видно, что на пороге генерации инверсия заселенности не зависит от T. Предполагая нейтральность в КТ ( f = f ) мы сразу получили бы n p температурно независимые f (см. (19)). В этом слуn,p чае компонента плотности порогового тока, связанная с рекомбинацией в КТ, jQD, была бы температурно независима. Одним из существенных проявлений нарушения нейтральности являются температурная зависимость степеней заполнения электронного и дырочного уровней в КТ, а следовательно, температурная зависимость jQD. Таким образом, даже при полном подавлеРис. 14. Зависимость коэффициента усиления от плотности нии рекомбинации вне КТ существует температурная тока инжекции при различных значениях NS.

зависимость jth, обусловленная эффектом нарушения нейтральности в КТ. Именно с этим эффектом связано конечное значение T0, наблюдаемое при сравнительно отмечалось в разд. 3.3, функция (gm/gmax) максимальна низких T [20], когда практически полностью подавлены на пороге прозрачности gm = 0. С ростом j происходит тепловые выбросы носителей из КТ и рекомбинация вне КТ.

насыщение gm. Тем не менее токи инжекции, требуемые для достижения значений gm, равных типичным поте- Таким образом, вследствие температурной зависимости компонент, связанных с рекомбинацией в СОО и рям (вплоть до нескольких десятков см-1), намного меньше таковых для лазеров на одной или несколь- в КТ, пороговый ток в реальном лазере на КТ температурно зависим, особенно при высоких T. Следовательно, ких КЯ.

характеристическая температура T0 конечна. Впервые это экспериментально наблюдалось в [20].

4. Температурная зависимость Как обсуждалось выше (разд. 2), в зависимости от порогового тока температуры и энергий локализации носителей могут реализоваться равновесный или неравновесный режимы Используемые в настоящее время в телекоммуни- заполнения КТ носителями. При T < Tg (неравновесное кации коммерческие лазеры на КЯ на основе ге- заполнение), где Tg дается уравнением (4), отсутствутеросистемы InGaAsP/InP характеризуются невысокой ет температурная зависимость концентраций свободных температурной стабильностью пороговых токов [79–81] носителей в СОО13 и, следовательно, отсутствует тем(характеристическая температура T0 таких лазеров не Использование КТ в изолирующих (например, стеклянных) матпревышает 90 K). Важнейшим преимуществом, которое рицах представляется перспективным только с точки зрения создания приборов с оптической накачкой ввиду принципиальной невозможноможет быть достигнуто в лазерах на КТ, является сти токовой инжекции в них.

чрезвычайно слабая температурная зависимость пороТочнее говоря, имеется слабая температурная зависимость n гового тока. В идеальном случае величина jth лазера и p, обусловленная температурными зависимостями сечений захвата на КТ должна оставаться неизменной с изменением T, и, носителей в КТ, n, p, и тепловых скоростей, vn, p (см. (13)).

Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 16 Л.В. Асрян, Р.А. Сурис пературная зависимость jth. При T > Tg (равновесное заполнение) jth зависит от T. Таким образом, температурная зависимость порогового тока лазеров на КТ принципиально отличается от таковой для лазеров с объемной активной областью и лазеров на КЯ. Такой характер температурной зависимости jth наблюдался экспериментально уже в первом инжекционном лазере на КТ [20]: jth практически не изменялась с повышением температуры до 180 K, сохраняя свое значение 80 А/см2;

характеристическая температура для указанного диапазона температур была очень высокой (T0 = 380 K). При увеличении T выше 180 K величина jth активационно росла; энергия активации хорошо согласовывалась с Рис. 15. Степени заполнения электронного и дырочного оцененными энергиями локализации носителей в КТ, уровней в КТ и их разность в зависимости от температуры.

подтверждая тем самым, что рост порогового тока Горизонтальная пунктирная прямая — f, рассчитанные в n, p действительно связан с тепловыми выбросами носителей предположении о нейтральности в КТ. = 10 см-1, = 0.05;

из КТ. min NS = 2.1 · 1010 см-2. Взяты оптимальные значения NS и b при min В этом разделе приводится детальный количественT = 300 K: NS = 3.7NS = 7.7 · 1010 см-2, b = 0.28 мкм.

ный анализ температурной зависимости jth и рассчитывается характеристическая температура T0 в равновесном режиме.

4.1. Компоненты порогового тока Компоненты плотности порогового тока суть eNS jQD = f f, (42) QD n p f f jOCL = ebBnp = ebBn1p1 n p. (43) (1 - f )(1 - f ) n p Предполагая нейтральность в КТ, можно представить температурную зависимость jOCL в виде Рис. 16. Плотность порогового тока и ее компоненты в зависимости от температуры. На вставке — jQD и jOCL jOCL(T ) jOCL,neutral(T ) Bn1pв увеличенном (вдоль вертикальной оси) масштабе; при T = Td = 344 K jOCL = jQD; пунктирная прямая изображает Eg1 - n - p 3/ T exp -, (44) плотность тока jQD, рассчитанную в предположении о нейT тральности в КТ.

где Eg1 = Ec1 + Ev1 — разность между ширинами запрещенных зон материалов СОО и КТ.

С увеличением Eg1 - n - p =( Ec1 - n) Температурная зависимость jQD намного слабее, чем +( Ev1 - p) концентрации свободных носителей таковая для jOCL (рис. 16). Тем не менее вывод о том, в СОО и, следовательно, паразитный ток рекомбинации что jQD зависит от T, чрезвычайно важен. Дело в том, уменьшаются, что приводит к уменьшению jth и что в должным образом оптимизированных структурах ослаблению ее температурной зависимости. В [76] с рекомбинационные каналы в СОО (т. е. токи утечки) целью увеличения высоты барьеров для носителей в КТ должны быть подавлены. Однако даже в этом случае и тем самым подавления тепловых выбросов в качестве пороговый ток, определяемый исключительно рекомбиматериала СОО вместо GaAs использовался более нацией в КТ, будет зависеть от T.

широкозонный материал AlGaAs. В результате было Плотность тока рекомбинации в СОО, jOCL, эксподостигнуто существенное снижение jth.

ненциально возрастает с T, характеризуясь энергией Из (35)–(37) видно, что (т. е. заряд КТ) и, следова- активации Eg1 - n - p (см. (44) и рис. 16). По тельно, f ( см. (34)) зависят от T. Таким образом, на- этой причине для описания температурной зависимости n,p рушение нейтральности в КТ приводит к температурной jth = jQD + jOCL удобно ввести температуру Td, при зависимости собственно плотности тока рекомбинации которой jOCL достигает jQD. При T, существенно меньв КТ jQD. С ростом T нарушение нейтральности подав- ших Td, jOCL jQD и имеется только очень слабая ляется: медленно падает, f и f стремятся друг к зависимость jth от T. Напротив, при T, достаточно n p другу (рис. 15). больших Td, jOCL jQD и jth сильно зависит от T Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. Теория пороговых характеристик полупроводниковых лазеров на квантовых точках (рис. 16). Имеется аналогия между таким образом определенной Td и температурой опустошения (ионизации) примесных центров. Уравнение для Td приведено в [49];

Td возрастает с ростом Eg1 и NS и с уменьшением и [49]. С помощью Td отношение jOCL к jQD можно представить в виде min jQD(Td) - eNS /QD T 3/jOCL(T ) = min jQD(T ) jQD(T ) - eNS /QD Td Eg1 - n - p Eg1 - n - p exp -. (45) Td T 4.2. Характеристическая температура TХарактеристическая температура является чрезвычайно важным параметром, эмпирическим образом описывающим температурную зависимость jth полупроводникового лазера [82]:

ln jth -T0 =. (46) T Несмотря на то что зависимость jth от T никогда не является экспонентой вида exp(T /T0) (как это может показаться из (46)), параметр T0 адекватным образом характеризует температурную зависимость jth при условии, что он сам является функцией температуры:

T0 = T0(T ).

Характеристическая температура лазера на КТ может быть представлена в виде jQD 1 jOCL = +, (47) QD T0 jQD + jOCL T0 jQD + jOCL OCL TРис. 17. Характеристическая температура в зависимости QD OCL где T0 и T0 определяются так же, как и T0, но для от поверхностной концентрации КТ (a), от среднеквадрафункций jQD(T ) и jOCL(T ) соответственно.

тичного значения относительных флуктуаций размеров КТ QD OCL (при = 10 см-1, нижняя ось) и потерь (при = 0.05, Уравнения для T0 и T0 суть верхняя ось) при NS = 1.3 · 1011 см-2 (b) и от температуры при NS = 7.7 · 1010 см-2 (c). Штриховые кривые — T0,neutral 1 1 1 = -, (48) (см. (50)).

QD T0 4 f f T n p min Eg1 - n - p eNS /QD 1 3 = + -.

OCL 2 min QD T0 2 T T jQD - eNS /QD T0 4.2.1. Зависимость T0 от температуры. Характери(49) стическая температура быстро падает с ростом T (рис. 17, c). Резкое (в несколько раз) падение T0 имеет Поскольку абсолютная величина убывает с ростом T QD место при переходе от температур, при которых jth (рис. 15), T0 является положительной величиной.

контролируется рекомбинацией в КТ, к температурам, В предположении нейтральности в КТ (т. е. = 0, при которых jth контролируется рекомбинацией в СОО.

QD min f =(1 + NS /NS)/2 и, следовательно, T0 = ) для n,p Такой характер зависимости T0 от T находится в соглахарактеристической температуры получено сии с экспериментом (см., например, [20]).

QD OCL min Следует отметить, что T0 T0. Тем не менее, 1 NS NS T0,neutral = 1 + 1 - bBn1pкак это видно из (47), 1/T0 определяется не только 4 QD NS QD OCL величинами 1/T0 и 1/T0, но также и относитель Eg1 - n - p -ными вкладами компонент плотности порогового тока, 3 +. (50) jQD/( jQD + jOCL) и jOCL/( jQD + jOCL). По этой при2 T T 2 Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 18 Л.В. Асрян, Р.А. Сурис чине при относительно низких температурах (T < Td), При высоких T (s 1 —см. (29)), когда существенна когда jth контролируется компонентой jQD, важен учет рекомбинация в СОО, температурная зависимость jmin th первого слагаемого в правой части (47). При таких T определяется температурной зависимостью корня квадуравнение (50) дает значения T0,neutral (рис. 17, c, штри- ратного от темпа спонтанных переходов в СОО Bn1p1, ховая кривая), намного превышающие истинные T0, т. е. оказывается существенно слабее, чем для неоптимидаваемые уравнением (47), учитывающим нарушение зированной структуры (для которой она определяется нейтральности в КТ (рис. 17, c, сплошная кривая). Таким температурной зависимостью самого темпа Bn1p1 — образом, при низких T именно нарушение нейтрально- см. (44)):

сти является основной причиной температурной зависи Eg1 - n - p мости jth, и учет этого эффекта необходим для правиль- 3/jmin Bn1p1 T exp -. (52) th 2T ного расчета T0, согласующегося с экспериментом.

4.2.2. Зависимость T0 от параметров структуры.

При низких T (s 1), когда рекомбинация в СОО min В достаточном удалении от NS T0 растет с увели- несущественна, зависимость jmin от T и Eg1 исчезает th чением NS (рис. 17, a). Причина состоит в том, что с (см. (28)).

увеличением NS растет компонента jth, менее зависимая Характеристическая температура для функции jmin(T ) th от T, а именно jQD, в то время как более чувствительная есть к температуре компонента, т. е. jOCL, убывает.

1 d ln bopt Чем более совершенна структура (т. е. чем меньше ) opt T0 = 1 1/или чем меньше, тем выше T0 (рис. 17, b). При ком- d ln s 1 + a/bopt (bopt) s натной температуре, NS = 1.3 · 1011 см-2, потерях в резонаторе = 10 см-1 и флуктуациях размеров КТ 10% 1/-( = 0.05) a/bopt (bopt) s d ln (bopt) + T0 286 K. (51) 1/d ln s 1 + a/bopt (bopt) s Это значение T0 существенно (в несколько раз) выше, чем в лазерах на КЯ при тех же потерях (в последних T Eg1 - n - p -3 не превышает 90 K). +. (53) 2 T T Выражение в больших фигурных скобках есть универ4.3. Температурные зависимости сальная функция безразмерного параметра s (см. (25) для оптимизированной структуры для определения s) и может быть получено из зависиОптимальные параметры лазера, обеспечивающие мимостей bopt и (bopt) от s (рис. 7).

нимум jth, температурно зависимы [49]. Таким образом, При T, превышающей температуру, при которой опopt структура, оптимизированная при данной T, не являеттимизирована структура, T0 не может превышать T0, ся оптимизированной при любой другой температуре.

даваемую уравнением (53).

Оптимальная толщина СОО уменьшается, а оптимальная поверхностная концентрация КТ увеличивается с 5. Оптические переходы ростом T (рис. 18).

opt с возбужденных состояний Температурные зависимости jmin и T0 для оптимизиth рованной структуры подробно анализируются в [46,49]. в квантовых точках В идеальном случае для наиболее сильного проявления преимуществ лазеров на КТ необходимо, чтобы в КТ были только один электронный и один дырочный уровни. В КТ высокосимметричной (например, кубической) формы достаточным является требование единственного (основного) уровня только для электронов.

Излучательные переходы с основного электронного на возбужденные дырочные уровни в таких КТ частично или полностью запрещены правилами отбора (по крайней мере в 1-м порядке). В реальных лазерных структурах, содержащих КТ невысокосимметричной (например, пирамидальной) формы, такие переходы не запрещены. Кроме того, могут присутствовать возбужденные Рис. 18. Оптимальные поверхностная концентрация КТ и электронные уровни [83]. Переходы с возбужденных толщина СОО в зависимости от температуры. Горизонтальсостояний влияют на пороговые характеристики лазеная пунктирная прямая — толщина СОО, максимизирующая коэффициент оптического ограничения. ра [54,55].

Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 5 | 6 |   ...   | 7 |



© 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.