Скачиваний:
53
Добавлен:
02.05.2014
Размер:
229.08 Кб
Скачать

Одновременно с возрастанием концентрации носителей в КТ при увеличении оптических потерь, происходит и возрастание концентрации носителей в матрице (как следствие более высокого расположения квазиуровня Ферми).

N th

= n

 

 

 

 

F

 

= n

 

 

1 +α Gsat

matrix

exp

th

 

matrix

 

matrix

 

 

 

 

 

 

 

1 α Gsat

 

 

 

 

 

kBT

 

 

 

 

 

поскольку

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F

 

=

1

 

 

=

1+α Gsat

 

exp

th

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

f th 1

 

 

1 α Gsat

 

 

kBT

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 22, стр. 11

Итак, полная концентрация носителей заряда на пороге генерации в лазере на основе массива КТ, состоит из двух частей, первая из которых описывает вклад непосредственно основного состояния КТ, а вторая заселенность матрицы:

N

 

= N th

+ N th

= n

 

+α Gsat )+γ

 

1

+α

G

sat

th

(1

 

 

 

QD

matrix

QD

 

 

matrix

1

α

Gsat

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

N

eff

W exp

 

 

 

 

 

 

 

 

 

γmatrix =

 

 

 

 

kBT

 

 

nQD

 

 

 

 

 

 

 

 

 

характеризует относительный вклад заселенности состояний матрицы

А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 22, стр. 12

 

10

 

quantum dots

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

matrix

 

 

 

 

8

 

total

 

 

 

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

QD

 

 

 

 

 

 

(N/n

6

 

 

 

 

 

concentration

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Carrier

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

Optical loss (a/Gsat)

Зависимость пороговой концентрации носителей (в квантовых точках, в матрице и полная) от величины оптических потерь.

А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 22, стр. 13

Как видно, при достаточно высоких оптических потерях концентрация носителей заряда в матрице превысит концентрацию носителей в квантовых точках (при α = (1 γmatrix )Gsat ).

Носители заряда, находящиеся в слое матрицы, негативно сказываются на приборных характеристиках лазера на квантовых точках:

1.Рекомбинация носителей заряда в матрице (как безызлучательная, так и излучательная) дает пропорциональный вклад в пороговую плотность тока.

2.Поглощение света на свободных носителях в матрице приводит к возрастанию внутренних потерь, что в свою очередь приводит к снижению дифференциальной эффективности и дополнительному увеличению пороговой плотности тока.

А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 22, стр. 14

Негативное влияние заполнения матрицы особенно сказывается в коротких резонаторах, когда потери на вывод излучения велики, что затрудняет оптимизацию дифференциальной эффективности в лазере на КТ. Дальнейшие экспериментальные исследования показали, что во многих случаях пороговая плотность тока почти полностью определяется вкладом матрицы, т.к. концентрация носителей заряда в КТ типично мала.

Полученное выражение для пороговой концентрации носителей в Кт лазере весьма важно, поскольку оно фактически определяет потенциальные возможности лазера на основе массива КТ и пути оптимизации его характеристик.

А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 22, стр. 15

N

 

= N th

+ N th

= n

 

 

+α

Gsat )+γ

 

1

+α

G

sat

th

 

(1

 

 

 

QD

matrix

 

QD

 

 

 

 

 

 

matrix

1

α

Gsat

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

N

eff

W exp

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где γmatrix =

 

 

 

 

 

 

kBT

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

nQD

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пути оптимизации конструкции и активной области КТ лазеров

1.Увеличение энергии локализации основного состояния КТ.

2.Использование по возможности более узких матричных слоев.

3.Увеличение насыщенного усиления массива КТ за счет увеличения фактора оптического ограничения и использования более однородных и более плотных массивов КТ.

4.Использование относительно низких потерь на вывод излучения в сочетании с уменьшением внутренних потерь.

А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 22, стр. 16

высоко-контрастные градиентно-легированные эмиттеры

более широкозонный

волновод

несколько рядов КТ в матрице

Схематическое изображение конструкции лазера на основе КТ

А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 22, стр. 17

Особенности конструкции

1.несколько рядов КТ, разделенных спейсерами материала матрицы

2.по возможности более узкий слой матрицы, достаточно широкозонной по сравнению с КТ.

3.более широкозонный по сравнению с матрицей волновод; полная толщина волновода соответствует оптимальной для достижения наибольшего фактора оптического ограничения.

4.эмиттерные слои обеспечивают достаточно высокий оптический контраст с волноводом; градиентное легирование (снижение уровня легирования вблизи границы с волноводом) для снижения внутренних потерь.

А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 22, стр. 18