Скачиваний:
74
Добавлен:
02.05.2014
Размер:
217.72 Кб
Скачать

Дифференциальная эффективность КТ лазеров

В дополнение к низкой пороговой плотности тока, КТ лазеры на основе многослойных квантовых точек позволяют существенно повысить дифференциальную эффективность.

ηD =ηi αinα+mαm

Для достижения высокой внешней дифференциальной эффективности требуется:

1.Низкие внутренние потери, αin.

2.Режим высоких потерь на вывод излучения, αm

3.Высокая внутренняя дифференциальная эффективность ηi.

А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 26, стр. 1

 

 

25

 

 

 

 

 

Обратная дифференциальная

D

20

Nn

, 1011

см-2

 

 

эффективность 1/η

 

 

 

 

QD

 

 

 

15

 

 

1.5

 

 

 

 

 

 

 

10

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

5

 

 

 

5

 

0

 

 

 

 

 

 

 

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

 

 

0,0

 

 

 

Длина полоска L, мм

 

Зависимость внешней дифференциальной эффективности ηD от длины L полоскового лазера для КТ лазеров InAs/GaAs с различающейся полной поверхностной плотностью массива КТ в активной области

А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 26, стр. 2

Для данного типа КТ увеличение числа рядов КТ в активной области приводит к увеличению внешней дифференциальной эффективности. Это обусловлено снижением внутренних потерь, αin тогда как внутренняя дифференциальная эффективность практически неизменна.

Внутренние потери уменьшаются при увеличении поверхностной плотности КТ (числа рядов). Более того, существенное снижение внутренних потерь достигается за счет применения более сильно локализованных массивов КТ.

А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 26, стр. 3

 

100

 

 

 

 

 

 

 

 

-1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

, см

 

 

 

 

 

 

 

 

 

in

 

 

 

 

 

 

длина волны

матрица локализация

α

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

~1.0мкм

GaAs

~200мэВ

Внутренние потери

 

 

 

 

 

 

10

 

 

 

 

 

~1.0мкм

Al0.15Ga0.85As

~300мэВ

 

 

 

 

 

~1.3мкм

InGaAs QW

~400мэВ

11

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

3

4

5

6

 

 

 

Полная плотность массива КТ Nn

, 1011

см-2

 

 

 

 

 

 

 

QD

 

 

 

Зависимость внутренних потерь в лазерах на основе многослойных массивов КТ от полной поверхностной плотности массива КТ в активной области для случаев разной энергии локализации основного состояния.

А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 26, стр. 4

Внутренние потери в инжекционном лазере обобщают вклады различных механизмов: потери вследствие рассеяния на несовершенствах волновода, поглощение на свободных носителях в волноводе и поглощение на свободных носителях в эмиттерных слоях.

Вклад волноводного рассеяния во внутренние потери главным образом контролируется совершенством эпитаксиальной ростовой технологии, в том числе планарностью интерфейсов эмиттер-волновод, возможными структурными включениями и т.д. Увеличение плотности КТ, т.е. плотности рассеивающих центров в лазерном волноводе, приводит не к увеличению, а к снижению внутренних потерь. Следовательно, самоорганизующиеся островки не оказывают заметного влияния на величину внутренних потерь лазера. Таким образом, основной вклад связан с поглощением на свободных носителях.

А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 26, стр. 5

Потери на свободных носителях определяются концентрацией носителей в интересующей области и перекрытия области локализации носителей и световой волны.

α free =CN freeImod (x)dx

коэффициент C (сечение рассеяния) слабо зависит от длины волны света и приближенно составляет 6×10-18 см2.

В случае эмиттерных слоев концентрация свободных носителей определяется уровнем легирования и квантовые точки не влияют на этот тип потерь. Методы минимизации этих потерь аналогичны используемым в КЯ-лазерах, включая концепции расширенного волновода и градиентного легирования эмиттерных слоев.

А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 26, стр. 6

В противоположность, концентрация носителей в волноводном слое и соответствующие внутренние потери могут значительно зависеть от конструкции КТ активной области.

При концентрации носителей в матрице 1×1018 см-3 и полной локализации света в матрице потери на свободных носителях составят 6 см-1. Следовательно, потери на свободных носителях в матрице могут давать существенный вклад в полные оптические потери КТ лазера.

Тот факт, что концентрация носителей в матрице уменьшается с увеличением насыщенного усиления и энергии локализации, и объясняет наблюдаемую тенденцию внутренних потерь.

А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 26, стр. 7

Вообще говоря, как мы видели, концентрация носителей в матрице сама зависит от полных оптических потерь.

Nmatrix = nmatrix

1 +α Gsat

 

1 α Gsat

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где n

matrix

= N

eff

W exp

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

kBT

Таким образом, оптические потери должны быть найдены самосогласованно из условия

α =α0

+ B

1 +α Gsat

1

α Gsat

 

 

где α0 – сумма потерь на вывод излучения и части внутренних потерь, не зависящих от концентрации носителей в матрице (поглощение на свободных носителях в эмиттерах, на рассеянии и т.д.

А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 26, стр. 8

Для должным образом оптимизированных КТ лазеров вклад второго члена пренебрежим, т.е. внутренние потери определяются только несовершенством волновода и свободными носителями в эмиттерных слоях. Поэтому, внутренние потери могут достигать весьма малых значений (около 1 см-1).

Это позволяет даже в длинных резонаторах достигать высоких значений внешней дифференциальной эффективности и таким образом сочетать высокую диф. эффективность с низкой пороговой плотностью тока и хорошими электрическими и тепловыми характеристиками.

А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 26, стр. 9

 

 

100

 

 

 

 

 

Внутренняя дифференциальная

, %

80

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i

 

 

 

 

 

 

эффективностьη

60

 

 

 

 

 

40

 

 

 

 

КТInAs в GaAs

 

 

 

 

 

(λ~1.1 мкм)

20

 

 

 

 

КТInAs в InGaAs

 

 

 

 

 

КЯ (λ~1.3 мкм)

0

 

 

 

 

 

 

 

1

2

3

4

5

 

 

 

 

 

 

 

Nn

, 1011

см-2

 

 

 

 

 

QD

 

 

Внутренняя дифференциальная эффективность КТ лазеров с

различным типом активной области.

 

А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 26, стр. 10