Лекции по гетеропереходам / курс лекций физика и технология полупроводниковых наноструктур / 24_КТ лазеры
.pdfДальнейшая оптимизация приборных характеристик КТ лазеров проводилась в направлении создания более плотных и более сильно локализованных массивов КТ.
Увеличение числа слоев, N, до 10 позволило снизить пороговую плотность тока при комнатной температуре до 98 A/см2 (N = 10). Снижение пороговой плотности тока при увеличении числа рядов КТ, т.е. по существу числа рабочих состояний в активной области, подтверждает, что пороговая плотность тока определяется не столько самими квантовыми точками, а другими состояниями, во всяком случае в описываемых высокопороговых лазерах.
А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 24, стр. 11
Пороговая плотность тока, А/см2
InAs In0.5Ga0.5As 77K 
300K
1000
100
10
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
Число рядов КТ
Зависимость минимальной пороговой плотности тока от числа рядов КТ для КТ-лазеров InAs/GaAs и In0.5Ga0.5As/GaAs
А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 24, стр. 12
Вследствие возросшего усиления, во всем исследованном диапазоне температур (до 300 К) лазерная генерация происходит через состояния КТ. Возрастание количества рядов КТ не приводит к существенному возрастанию температурного диапазона высокой стабильности пороговой плотности тока, поскольку при вертикальном повторении рядов КТ энергия локализации возрастает незначительно (примерно до 120-130 мэВ).
А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 24, стр. 13
2 |
10000 |
, A/cm |
|
|
Wavelength |
|
||
th |
|
|
||||
J |
|
|
|
|
|
|
density, |
1000 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
current |
100 |
|
Jth |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Threshold |
10 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
50 |
100 |
150 |
200 |
250 |
300 |
Temperature, K
1100
1080
1060
1040
1020
1000
980
960
940
920
900
880
860
Lasing wavelength, nm
Температурная зависимость пороговой плотности тока и длины волны генерации для КТ-лазера на основе 3 рядов КТ в GaAs.
А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 24, стр. 14
В более длинноволновых лазерах (на основе конструкции QD-in-QW) активная область более сильно локализована по отношению к GaAs волноводу (вклад в пороговую плотность тока вследствие заселения InGaAs ямы не столь значителен вследствие меньшего числа состояний в яме по сравнению с объемным материалом). Поэтому именно в КТ-лазерах диапазона 1.3 мкм достигнуты рекордно-низкие на сегодняшний день значения пороговой плотности тока.
При попытке еще больше увеличить длину волны генерации КТактивная область содержит слишком много In (сильно рассогласована по отношению к GaAs), поэтому трудно избежать формирования дислокаций.
А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 24, стр. 15
J , A/cm2 th
1000 |
|
GaAs |
|
Al0.15Ga0.85As
InGaAs QW
100
10
250 |
300 |
350 |
400 |
450 |
|
|
ESCH-EQD, meV |
|
|
Зависимость пороговой плотности тока при 300К от разделения уровня КТ и уровня волновода в КТ-лазерах на основе 3 рядов КТ.
А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 24, стр. 16
|
10000 |
|
|
|
1000 |
|
|
2 |
|
|
|
, A/cm |
|
|
|
th |
|
|
|
J |
100 |
|
|
|
|
|
|
|
10 |
|
|
|
1100 |
1200 |
1300 |
Wavelength, nm
Зависимость пороговой плотности тока от длины волны генерации в КТлазерах с конструкцией активной области типа QD-in-QW
А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 24, стр. 17
В более длинноволновых КТ (конструкция точки-в-яме) помимо основного состояния для электронов и дырок имеется несколько возбужденных состояний.
|
|
QW |
|
295 K |
Спектры электро- |
||
ед. |
|
|
|
|
|||
|
|
ES3 |
|
N=1 |
|
|
|
отн. |
|
|
ES2 |
|
|
|
люминесценции |
ЭЛ, |
|
1.9 кА/см2 |
ES1 |
|
|
структуры с одним |
|
Интенсивность |
|
|
|
GS |
|
рядом QD-in-QW |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
||
|
450 A/см2 |
|
|
|
|
||
|
|
|
J=4.5 A/см2 |
|
|
|
|
|
0,9 |
1,0 |
1,1 |
1,2 |
1,3 |
1,4 |
|
|
|
|
Длина волны, мкм |
|
|
||
А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 24, стр. 18
Возбужденные уровни типично имеют отличную от 1 степень вырождения gi > 1. Это означает что насыщенно усиление для генерации через возбужденный уровень будет в gi-раз выше.
Gisat ginQD 
∆
Это является причиной, позволяющей при увеличении потерь наблюдать переход к генерции через возбужденные состояния.
С другой стороны, плотность тока прозрачности для генерации через возбужденное состояние так же выше:
|
qn |
|
i−1 |
|
|
Jitr ≈ |
QD |
gi +2 |
∑gm |
||
τ |
|||||
|
|
m=0 |
|
||
Здесь учтено, что при достижении условия прозрачности для i-го уровня все предыдущие m=0, 1, … i-1 уровни полностью заполнены
А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 24, стр. 19
Легко видеть, что если степень вырождения 1-го возбужденного уровня составляет 2, то плотность тока прозрачности будет приблизительно в 4 раз выше по сравнению со случаем генерации через основное состояние.
Поэтому в случае генерации через возбужденное состояние пороговая плотность тока принципиально оказывается выше. Также, при переходе к генерации через возбужденное состояние длина волны генерации скачкообразно уменьшается.
Можно приближенно полагать, что условие перехода к генерации через i-ое возбужденное состояние:
αm (L, R1, R2 ) +αi (T )>Gisat−1
полные потери превышают насыщенное усиление на (i-1)-ом уровне.
А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 24, стр. 20