Лекции по гетеропереходам / курс лекций физика и технология полупроводниковых наноструктур / 24_КТ лазеры
.pdfЛазеры на основе самоорганизующихся КТ
Лазерная генерация в структуре с самоорганизующимися КТ впервые наблюдалась в 1994 г.
Один или несколько слоев In(Ga)As КТ помещалось в середину слоя матрицы (In,Al)GaAs. Волновод формировался с помощью GaAs, AlGaAs или короткопериодных сверхрешеток Al(Ga)As/GaAs.
На начальных этапах исследований основное внимание уделялось лазерам с широким полоском, с тем чтобы выявить основные характеристики КТ лазеров и их взаимосвязь со свойствами массива КТ.
А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 24, стр. 1
growth direction [100]
Eg
p-AlGaAs
Au/CrAu/ ZnAu
Al2 O3 |
p+-GaAs |
SLSL AlGaAs/GaAsAlGaAs/GaAs |
contact |
|
|
p-AlGaAs cladding |
GaAsGaAs corecore |
|
(Al)GaAs waveguide |
InGaAsInGaAs QWQW |
|
Active region |
|
|
n-AlGaAs cladding |
InAsInAs QDsQDs |
|
|
|
~ |
n+-GaAs buffer |
|
~ |
|
~ |
|
n+-GaAs substrate |
|
|
GeAu/Au |
n-AlGaAs |
|
|
Схематическое представление зонной диаграммы и сечения КТ лазера, а также ПЭМ изображение активной области.
А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 24, стр. 2
2 |
10000 |
, A/cm |
|
th |
|
J |
|
density, |
1000 |
currentThreshold |
100 |
|
|
|
10 |
0
|
|
|
|
|
1040 |
|
|
|
|
|
1020 |
|
QDs |
|
|
|
nm |
J |
|
|
|
|
1000 |
|
|
|
|
wavelength, |
|
|
|
|
|
|
980 |
|
|
|
Wavelength 960 |
||
|
|
|
|
|
940 |
th |
|
|
|
WL |
920 |
|
|
|
|
Lasing |
|
|
|
|
|
|
900 |
|
|
|
|
|
880 |
|
|
|
|
|
860 |
50 |
100 |
150 |
200 |
250 |
300 |
Temperature, K
Зависимость пороговой плотности тока и длины волны генерации от температуры в первом КТ-лазере на основе одной плоскости КТ InAs (~1.7MC).
А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 24, стр. 3
Отчетливо выделяются два участка: T=30-100K:
1.достаточно низкая пороговая плотность тока (~80 A/см2)
2.слабая зависимость от температуры (T0 ~ 400 K)
3.генерация возникает на длинноволновом краю линии излучения КТ
T > 100K
1.Резкое возрастание пороговой плотности тока с температурой (T0 ~ 60K)
2. Коротковолновый сдвиг длины волны генерации от линии с температурой
3.При комнатной температуре порог свыше 1 кА/см2 и линия генерации близка к излучению от смачивающего слоя.
А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 24, стр. 4
Наблюдаемое поведение было объяснено в терминах термического выброса носителей из состояний КТ в смачивающий слой, матрицу, а также состояния более коротковолновых КТ. Разделение между оптическими переходами основного состояния КТ и смачивающего слоя в подобных КТ структурах всего 100 мэВ, что способствует заселению состояний смачивающего слоя при повышении температуры за счет состояний квантовых точек.
Вольт-емкостные исследования структур подобными с квантовыми точками показало резкое уменьшение концентрации носителей на уровне КТ, когда температура повышалась свыше 100-120 К.
А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 24, стр. 5
1x1011 |
|
|
|
|
|
|
|
-2 |
|
|
|
|
|
|
|
, см |
|
|
|
|
|
|
|
QD |
|
|
|
|
|
|
|
n |
|
|
|
|
|
|
|
1x1010 |
10 |
20 |
30 |
40 |
50 |
60 |
70 |
0 |
|||||||
|
|
|
10 3/T, K -1 |
|
|
|
|
Температурная зависимость концентрации электронов в одиночном слое КТ 1.7МС в GaAs, измеренная вольт-емкостным методом
А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 24, стр. 6
Плотность состояний исследуемой КТ системы схематически показана на рис ниже. Уширенный пик состояний КТ расположен близко от состояний смачивающего слоя. Семейство кривых отражает эволюцию заселенности состояний с повышением температуры. Также показаны соответствующие спектры усиления (поглощения). Для всех температур максимальное усиление удовлетворяет пороговому условию, т.е. равно полным потерям в лазерном резонаторе.
При наименьшей из рассматриваемых температур (T1) в основном заселены состояния КТ и максимальное усиление, удовлетворяющее пороговому условию, достигается именно на состояниях КТ. Заселенность состояний смачивающего слоя, и, соответственно, ее вклад в пороговую плотность тока малы.
А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 24, стр. 7
|
Состояния смачивающего слоя |
|
ФПС |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
ед. |
Заселенность |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
состояний: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
отн. |
10 |
|
|
|
|
|
T1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
T2 |
> T1 |
отн,Усиление. ед. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
состоянийЗаселенность, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Состояния |
|
|
|
T3 |
> T2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
T4 |
> T3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
КТ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
полные потери |
||||
|
1 |
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Усиление: |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
T1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
T2 |
> T1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
T3 |
> T2 |
|
|
0,1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
T4 |
> T3 |
|
|
-2 |
0 |
2 |
4 |
6 |
8 |
10 |
-2 |
-2 |
0 |
2 |
4 |
6 |
|
8 |
10 |
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
Энергия, отн. ед. |
|
|
|
|
|
Энергия, отн. ед. |
|
|
|
|||||
Схематический вид заселенности состояний и усиления при возрастании температуры для системы квантовые точки – смачивающий слой.
А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 24, стр. 8
Увеличение температуры приводит к возрастанию заселенности смачивающего слоя, вызывая сначала медленное, а затем и резкое увеличение пороговой плотности тока с температурой. Однако, максимальное усиление все еще достигается на состояниях КТ (температура T2 на рисунке).
При некоторой температуре T3 максимальное усиление, достигающееся на состояниях смачивающего слоя, сравнивается с усилением квантовых точек. При еще более высокой температуре (T4) усиление смачивающего слоя превышает усиление КТ и, таким образом, имеет место перескок длины волны лазерной генерации. Большой разброс КТ по размерам, присущий начальным стадиях формирования (Q~1.7 МС) делал возможным плавное изменение длины волны без резких перескоков.
А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 24, стр. 9
Вклад более высоко лежащих состояний в пороговую плотность тока определяется членом, пропорциональным ~exp((F −∆E)
kBT ), где F –
положение квази-уровня Ферми, ∆E - энергетическое разделение между КТ уровнем, участвующим в лазерной генерации, и более высоко лежащим состоянием.
Чтобы предотвратить сильный термический выброс носителей в более высоко лежащие состояния уровень КТ должен быть сильно локализован по отношению к матрице и смачивающему слою, а квази-уровень Ферми располагаться как можно ниже по энергии.
Выполнение последнего требования непосредственно связано с преодолением недостаточного усиления в КТ лазере. Это условие может быть удовлетворено повышением поверхностной плотности массива КТ.
А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 24, стр. 10