WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 1 Фототок квантовых точек InAs, полученных самоорганизацией, в полупроводниковых лазерных гетероструктурах InAs/InGaAs/GaAs, излучающих на 1.3 мкм © А.В. Савельев+¶, М.В. Максимов+, В.М. Устинов+, Р.П. Сейсян+ + Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, 195251 Санкт-Петербург, Россия (Получена 6 июня 2005 г. Принята к печати 21 июня 2005 г.) Изучались спектры фототока лазерных гетероструктур с квантовыми точками InAs, полученными в результате самоорганизации в гетеросистеме InAs/InGaAs/GaAs. Исследования выполнены при освещении образца перпендикулярно и вдоль плоскости квантовых точек. Определены: оптическая плотность квантовых точек, максимальное усиление в лазерной структуре, время излучательной рекомбинации носителей и поляризационные свойства поглощения. Спектры фототока соотнесены с особенностями лазерной генерации исследуемых структур. Спектр поглощения интерпретируется как суперпозиция переходов между состояниями дискретного спектра, непрерывного спектра и „смешанных“ переходов.

PACS: 73.21.La, 73.63.Kv, 78.67.Hc, 78.67.De 1. Введение квантовую яму (QW/КЯ) InGaAs на поверхности GaAs.

Исследования ФТ подобных структур, сделанные ранее, Полупроводниковые лазеры, работающие на длинах содержали только качественную информацию об оптиволн = 1.3 и 1.55 мкм, являются важными компонента- ческих переходах в KT [6]. В нашей работе получены ми систем волоконно-оптической связи. В последнее де- количественные характеристики оптических переходов, сятилетие были достигнуты большие успехи в создании спектры ФТ соотнесены с особенностями лазерной гелазеров для данных длин волн на подложках GaAs, со- нерации, и изучены поляризационные свойства массива держащих массив квантовых точек (QD/КТ) InAs. В ряде KT InAs.

работ [1–3] было показано, что лазеры с квантовыми точками в активной области могут обладать рекордными 2. Эксперимент величинами порогового тока, характеристической температуры, эффективности и максимальной мощности.

Исследуемые структуры InAs/InGaAs/GaAs изготавТем не менее энергетический и оптический спектры ливались методом МПЭ на стандартной подложке квантовых точек до сих пор недостаточно изучены, n+-GaAs (100) [7]. Лазерный волновод был образован леособенно это относится к возбужденным состояниям.

гированными эмиттерами n- и p-Al0.8Ga0.2As толщиной Энергетический спектр возбужденных состояний важен 1.5 мкм каждый и нелегированной областью толщиной для описания многих фундаментальных явлений, объ500 нм (см. рис. 1). Эмиттеры легировались Si и Be для ясняющих особенности лазерной генерации [4], и для достижения концентрации соответственно электронов и практических приложений, например, таких, как оптидырок 5 · 1017 см-3. В середине нелегированной области мизация лазерных гетероструктур [1].

были выращены 5 слоев КТ, полученные осаждением Методы электролюминесценции и фотолюминесцен2.3 монослоев (МС) InAs, покрытых слоем In0.15Ga0.85As ции не позволяют детально изучать спектр возбуждентолщиной 5.5 нм (KЯ). Слои КТ были разделены буферных состояний, так как возможность заселения высоко ными слоями i-GaAs толщиной 30 нм. В процессе роста лежащих энергетических уровней обычно ограничена, слоя InGaAs в результате диффузии, управляемой упрунапример, максимальной мощностью накачки или разогими напряжениями, образуются КТ, представляющие гревом образца. Исследование спектров поглощения собой усеченные четырехгранные пирамиды с размером лишено этих недостатков. Недавно был предложен метод основания 15–19 нм при высоте 5–7 нм на смачивающем определения поглощения в слое КТ через измерение слое InAs толщиной в 1–1.5 MC. Плотность КТ в одном фототока (ФТ) p-i-n-диода [5]. При определенных слое составляет 4-5 · 1010 см-2, а дисперсия геометриусловиях практически все носители, рожденные поглоческих размеров 10–15%. На основе данных структур щенным светом, движутся во встроенном поле p-i-nбыли изготовлены тонкие ( 30 мкм) свободные обперехода к легированным областям и дают вклад в разцы, содержащие мезо-структуры диаметром 500 мкм, фототок (см. рис. 1). Настоящая работа имеет целью позволяющие исследовать поглощение света, падающего исследование фототоков лазерных структур, излучаюперпендикулярно плоскости слоя КТ. Для измерения щих вблизи 1.3 мкм, на основе КТ InAs, помещенных в фототока использовался свет от галогеновой лампы, ¶ E-mail: savelev@mail.ioffe.ru прошедший через монохроматор и модулированный с Фототок квантовых точек InAs, полученных самоорганизацией... Рис. 1. Схема лазерной гетероструктуры (a) и схема возникновения и измерения в ней фототока (b).

Рис. 2. Спектры фототока структур 5-275 и 5-421 при комнатной температуре в области поглощения квантовых точек (a) и в области поглощения квантовых ям (b). a: (1–4) — максимумы фототока, связанные с оптическими переходами между дырочными и электронными состояниями КТ; кружками отмечены энергии фотонов начала лазерной генерации; на вставках — спектры электролюминесценции (EL) до и после начала лазерной генерации обоих образцов. b: (5–8) — пики поглощения экситона, локализованного в КЯ, и край поглощения матрицы GaAs.

помощью механического модулятора с частотой 1 кГц. Спектры фототока двух лазерных гетероструктур Далее свет фокусировался на образце, электрический (5-275 и 5-421), измеренные при комнатной темотклик которого измерялся с помощью синхронного пературе, нулевом напряжении смещения и падении детектора. света перпендикулярно плоскости КТ, показаны на Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 90 А.В. Савельев, М.В. Максимов, В.М. Устинов, Р.П. Сейсян рис. 2. Наиболее длинноволновая часть (рис. 2, a, энер- = 1147 нм (см. вставку на рис. 2). Такое поведение гии квантов 0.95–1.25 эВ) принадлежит спектру фото- соответствует спектру фототока: в области первого мактока КТ. Ее составляют четыре основных максиму- симума поглощение (а значит, и усиление, см. далее) обма с полушириной порядка 30–40 мэВ. В спектрах разца 5-275 значительно меньше, чем 5-421, в результате структуры 5-421, близкой к стандартным лазерным чего усиление, достаточное для генерации, может быть структурам, максимумы фототока 1–4 находятся при достигнуто только в области второго максимума ФТ.

энергиях E1 = 0.993 эВ, E2 = 1.076 эВ, E3 = 1.15 эВ и Это подтверждается близкими значениями поглощения E4 = 1.20 эВ, что соответствует интервалам между мак- на длине волны генерации в обоих образцах.

симумами E1 = 83 мэВ, E2 = 74 мэВ и E3 = 50 мэВ. Измерение ФТ структуры возможно при распростраНа рис. 2, b изображены части спектра фототока, нении света не только перпендикулярно, но и вдоль слоя принадлежащие квантовым ямам, окружающим КТ, КТ. В этом случае исследуются стандартные полоскои барьерным слоям GaAs в исследуемых образцах. вые структуры со сколотыми гранями, т. е. отсутствует Энергии максимумов 5–7 E5 = 1.28 эВ, E6 = 1.35 эВ необходимость специальной постростовой обработки оби E7 = 1.38 эВ соответствуют экситонам, связанным разцов. На рис. 3 показаны спектры фототока полоска размерами 400 100 мкм гетероструктуры 5-421. Исслес квантово-размерными переходами HH1E1, LH1E1 и HH2E2 в КЯ Inx Ga1-xAs [8]. Наиболее коротковол- довался случай света, поляризованного в плоскости слоя КТ (TE) и перпендикулярно слою КТ, вдоль оси роста новый максимум фототока 8 приходится на энергию (ТМ). Спектральные положения максимумов для различE8 = 1.44 эВ и относится к барьерным слоям GaAs.

ных геометрий освещения оказываются совпадающими При комнатной температуре время выброса носителей из КТ много меньше времени излучательной рекомбина- с точностью порядка ±5 мэВ. Основное состояние КТ сильно поляризовано, однако зависимость ФТ от поляции [5,9]. Это подтверждается и измерениями ФТ при обратом смещении на p-i-n-переходе (здесь не показа- ризации заметно падает по мере увеличения энергии фотона — в 3 раза в области первого возбужденного ны), которое экспоненциально увеличивает вероятность состояния и до 6 раз в области третьего.

туннелирования из КТ в матрицу и, таким образом, уменьшает время ухода носителей из КТ. При увеличении напряжения обратного смещения до 3 B ФТ уве3. Обсуждение личивается менее чем на 20%. Следовательно, уже при нулевом смещении большинство носителей покидает КТ Спектры ФТ КТ в системе InAs/InGaAs/GaAs имеют за счет термических выбросов и они дают вклад в ФТ, 4 широких максимумов и фон, монотонно растущий пропорциональный коэффициенту поглощения образца.

по мере увеличения энергии фотона. Каждый максимум Образцы лазерных диодов с четырьмя сколотыми соответствует группам оптических переходов между гранями, изготовленные на базе гетероструктур 5-275 и одним электронным уровнем и различными уровнями 5-421, показали стимулированное излучение при плотдырок. Такая классификация возможна, так как разница ности тока накачки 340 и 310 A/см2 соответственно.

энергий электронных уровней значительно больше, чем Генерация в образце 5-421 началась в области спектра, дырочных [10]. В экспериментальных и теоретических соответствующей длинноволновому крылу основного работах, посвященных изучению КТ InAs [9,11], энергии состояния, однако в образце 5-275 это произошло только локализации электрона и дырки в основном состоянии в области второго максимума фототока на длине волны соотносятся как Ee/ Eh = 0.9-1.05. Суммарная энергия локализации носителей в КТ относительно матрицы GaAs в нашей структуре равна Ee + Eh = 0.43 эВ.

С помощью этих соотношений можно оценить положение уровней энергии в нашей структуре, а именно: Ee = 0.205 - 0.220 эВ и Eh = 0.210 - 0.225 эВ (см. рис. 4).

Свойства оптических переходов между состояниями дискретного спектра важны для описания особенностей лазерной генерации. Зная мощность падающего света и величину фототока, можно определить оптическую плотность КТ A [5], т. е. долю света, поглощающегося в квантовых точках при нормальном падении. Для образца 5-421 на пике основного состояния эта величина равна A1 = 1.8 · 10-3. Максимальное усиление gmax, возможное в лазере на основном состоянии, выражается через A как gmax = Aa/, Рис. 3. Спектр фототока лазерного диода 5-421 при падении где a — суммарная толщина активной области струксвета в плоскости волновода при различной поляризации падающего света. (1–8) — те же максимумы, что и на рис. 2. туры, — фактор оптического ограничения [12].

Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. Фототок квантовых точек InAs, полученных самоорганизацией... слоев КТ. Приняв d = 1, получим = 0.7 нс и соответствующий ток прозрачности Jzero = edNSZL/2 составит 27 A/см2. Значение Jzero определяет минимальное значение порогового тока лазера, созданного на основе данного массива КТ.

Уровни энергии носителей в КЯ InxGa1-x As были детально изучены ранее [8]. Если выбрать край валентной зоны GaAs за начало отсчета энергии, то энергии носителей в КЯ будут равны: EQWH = 0.06 эВ — для дырок и EQWE = 1.34 эВ — для электронов. В данной системе непрерывный оптический спектр, связанный с переходами между состояниями электронов в квантовой яме и локализованными состояниями дырок в КТ (рис. 4, переход C), начинается с энергии ET 1 = 1.13 эВ. Аналогичная часть спектра, связанная с переходами между состояниями дырок в КЯ и локализованными состояниями электронов в КТ, начинается с ET 2 = 1.15 эВ (рис. 4, переход B). Влияние таких „смешанных“ переходов было ранее изучено для KT InAs/GaAs [14].

Они образуют монотонно растущий фон в спектрах фототока в диапазоне 1.1-1.25 эВ. Именно в этом диапазоне энергий меняются поляризационные свойства фототока. Исследование „смешанных“ переходов обычно невозможно люминесцентными методами, так как энергетическая плотность уровней дырок в КЯ велика из-за их большой массы и заполнение этих уровней много меньше единицы.

Рис. 4. Примерная схема энергетических уровней и некоторых оптических переходов в KT InAs гетеросистемы InAs/InGaAs/GaAs при комнатной температуре. 1 — состо4. Заключение яния сплошного спектра носителей, локализованные в КЯ;

2 — состояния дискретного спектра, локализованные в KT;

Выполнено исследование фототока лазерных структур A — переходы между состояниями дискретного спектра, B и с квантовыми точками, полученными самоорганизацией C — „смешанные“ переходы (см. текст).

в процессе эпитаксиального роста в гетеросистемах InAs/InGaAs/GaAs. Результаты исследования показывают, что спектры фототока при учете неоднородного ушиДля рассматриваемого образца с пятью слоями рения линий отражают систему оптических переходов KT a/ = 2.6 · 104 см-1 и максимальное усиление одиночной КТ и состоят из четырех широких максимуg1 max = 45 см-1. Значение усиления на один слой мов основного и возбужденных состояний, разделенных квантовых точек оказывается близким к значению интервалами в 50–100 мэВ. Каждый максимум фототока (7 ± 3) см-1, полученному в работе [12] для короткоинтегрирует значительное число оптических переходов волновых KT InAs, не покрытых слоем КЯ InGaAs.

между электронно-дырочными состояниями KT. ПолуДля второго максимума фототока A2 = 2.9 · 10-3 и ченные спектры позволяют адекватно предсказать повеg2 max = 72 см-1. Величина максимального усиления явдение лазерных диодов. Для этих целей наиболее ценляется одной из важнейших характеристик при опным является исследование лазерно-диодных структур в тимизации [13] лазерных структур полоскового и режиме падения света перпендикулярно плоскости слоев вертикально-излучающего типов, и метод фототока можКТ, которое дает возможность определения основных но рассматривать как простой способ ее определения.

оптических параметров структуры. Спектры фототока Оптическая плотность в максимуме также связана с отражают также и поляризационные свойства лазерных излучательным временем жизни носителей [13]:

гетероструктур.

ln 2 2d A = NSZL, Список литературы 4 FWHM где — длина волны излучения в материале, d — [1] G.T. Liu, A. Stintz, H.Li, K.J. Malloy, L.F. Fester. Electron.

степень вырождения основного перехода без учета спиLett., 35, 1163 (1999); O.B. Shchekin, G. Park, D.L. Huffaker, нового вырождения, FWHM — ширина распределения D.G. Deppe. Appl. Phys. Lett., 77, 466 (2000).

КТ по энергиям, которое считается здесь гауссовым, [2] C.C. Михрин, А.Е. Жуков, А.Р. Ковш, Н.А. Малеев, NS — поверхностная плотность КТ, ZL —количество А.П. Васильев, Е.С. Семенова, В.М. Устинов, М.М. КуФизика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 92 А.В. Савельев, М.В. Максимов, В.М. Устинов, Р.П. Сейсян лагина, Е.В. Никитина, И.П. Сошников, Ю.М. Шерняков, A photocurrent study of InAs Д.А. Лившиц, Н.В. Крыжановская, Д.С. Сизов, М.В. Макself-organized quantum dots in симов, А.Ф. Цацульников, Н.Н. Леденцов, D. Bimberg, InAs/InGaAs/GaAs 1.3 µm semiconductor Ж.И. Алферов. ФТП, 36, 1400 (2002).

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.