Инжекционные лазеры на основе самоорганизующихся квантовых точек тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

Введение

1. Основные принципы лазера на основе квантовых точек; самоорганизующиеся массивы квантовых точек

1.1. Влияние плотности состояний на оптическое усиление. Лазер на основе идеального массива квантовых точек

1.2. Структурные и оптические свойства самоорганизующихся массивов квантовых точек

2. Оптимизация режимов эпитаксиального роста и конструкции структур с массивами самоорганизующихся квантовых точек для лазерных применений

2.1. Экспериментальные методы получения и исследования инжекционных лазеров на основе самоорганизующихся квантовых точек

2.2. Оптимизация режимов выращивания массивов самоорганизующихся КТ для применений в инжекционных лазерах

2.3. Управление длиной волны излучения и энергией локализации основного состояния массива самоорганизующихся квантовых точек

2.4. Оптимизация конструкции активной области на основе самоорганизующихся квантовых точек для лазерных применений

3. Оптическое усиление и пороговые характеристики лазеров на основе самоорганизующихся квантовых точек

3.1. Специфические особенности и взаимосвязь усиления с плотностью тока в лазере на основе самоорганизующихся квантовых точек

3.2. Аналитическое выражение для оптического усиления КТ лазеров с учетом факторов неидеальности. Переход к генерации через возбужденное состояние.

3.3. Зависимость характеристик усиления и пороговой плотности тока от поверхностной плотности массива КТ

3.4. Температурная зависимость усиления КТ лазера с неоднородно уширенной плотностью состояний

4. Инжекционные лазеры на основе самоорганизующихся массивов квантовых точек

4.1. Длинноволновые лазеры на основе квантовых точек на подложках 188 GaAs

4.2. Лазеры на основе квантовых точек на подложках InP

4.3. Мощные лазеры на основе самоорганизующихся квантовых точек 247 Заключение 305 Список публикаций, включенных в диссертацию 311 Список цитированной литературы

Актуальность проблемы, объект исследования

Изобретение инжекционного лазера на основе полупроводниковых гетероструюур [1] произвело переворот в электронике, открыв, по существу, новое направление науки и техники - оптоэлектронику. В настоящее время полупроводниковые лазеры широко используются в качестве компактных источников когерентного излучения во многих применениях, включая передачу данных, накачку, считывание информации и др. В зависимости от специфического применения, лазерный диод должен обеспечивать определенный уровень выходной мощности на заданной длине волны. Чтобы минимизировать потребление энергии и избежать перегрева диода, степень преобразования электрической мощности в световую, т.е. коэффициент полезного действия, должна быть максимально высокой. В свою очередь, КПД лазерного диода зависит от пороговой плотности тока, внутренних потерь, внутренней дифференциальной эффективности и других приборных параметров. Большинство этих характеристик лазера тесно связаны с зонной структурой активной области, в которой собственно и происходит преобразование потока носителей заряда в свет. Изобретение лазера на основе квантовой ямы [2] наглядно показало, что зонная структура активной области может быть целенаправленно изменена с помощью использования эффектов размерного квантования, улучшая приборные характеристики лазерного диода. К настоящему времени приборные характеристики лазеров на основе квантовых ям практически достигли своих теоретически предсказанных пределов [3,4]. Дальнейший прогресс технологии полупроводниковых лазеров связан с использованием структур с размерностью ниже чем два - квантовых проволок и квантовых точек.

Когда степень свободы движения носителей заряда уменьшается с помощью уменьшения размерности активной области, эффекты размерного квантования начинают сказываться на энергетическом спектре носителей и плотности состояний. В предельном случае ансамбля квантовых точек все носители заряда могут быть сосредоточены в очень узких энергетических интервалах, определяемых уровнями размерного квантования. Фактически, электронная структура массива квантовых точек воспроизводит спектр атома. Таким образом, отсутствуют более высоко лежащие "паразитные" состояния, которые давали бы вклад в пороговую плотность тока без соответствующего вклада в оптическое усиление. Это, в свою очередь, приводит к более резкой зависимости оптического усиления от тока накачки лазера. В то же время, плотность тока накачки, приводящая к возникновению инверсной заселенности в активной области, может быть существенно снижена вследствие использования счетного числа "активных" состояний, определяемого поверхностной плотностью массива квантовых точек. Таким образом, при одинаковом уровне потерь, лазер на основе квантовых точек будет обеспечивать более низкую пороговую плотность тока по сравнению со своим аналогом на основе объемного материала или квантовой ямы.

Квантово-точечный лазер был впервые предложен в 1982 г. Arakawa и Sakaki [5]. Основной мотивацией этой пионерской работы была попытка создания лазера, характеристики которого не зависят от температуры. Первоначально, Arakawa и Sakaki предложили использовать магнитное поле для создания электронных состояний, подобных массиву квантовых точек. Обнаруженный позднее эффект самоорганизации при эпитаксиальном росте определенного класса полупроводниковых гетероструктур [6] открыл путь созданию массивов полупроводниковых квантовых точек непосредственно в процессе выращивания активной области лазера. В качестве объекта исследования были выбраны инжекционные лазеры с активной областью на основе массивов квантовых точек, сформированных с использованием методов самоорганизации.

Однако, практическая реализация преимуществ лазеров на основе квантовых точек возможна лишь при условии, что будет вскрыта взаимосвязь приборных характеристик инжекционного лазера со свойствами массива квантовых точек и проведена целенаправленная оптимизация этих свойств. К моменту начала выполнения данной работы были проведены первые эксперименты по исследованию инжекционных лазеров на основе самоорганизующихся квантовых точек, однако их характеристики значительно уступали не только теоретическим предсказаниям для лазера на квантовых точках, но и существующим лазерам на квантовых ямах, а научные основы для оптимизации отсутствовали. Целью настоящей работы являлось создание научных основ и разработка воспроизводимой технологии создания низкопороговых высокоэффективных инжекционных лазеров с активной областью на основе массивов самоорганизующихся квантовых точек для научных исследований нуль-мерных полупроводниковых систем и применений в лазерных диодах оптической накачки и волоконной связи.

Применение массивов самоорганизующихся квантовых точек в качестве активной области лазера возможно лишь при условии, что будут созданы гетероструктуры, свойства которых близки к модельным. Дефекты, неконтролируемые примеси, случайные вариации состава могут привести к подавлению и даже полному исчезновению ожидаемых эффектов. Массивы квантовых точек, предназначенные для использования в качестве активной области прибора, должны быть помещены в матрицу более широкозонного материала, допускающую возможность инжекции током, удовлетворять требованию отсутствия дефектов на границе с матрицей. Для реализации высоких значений усиления необходимо получать плотные массивы точек, достаточно однородных по форме и размерам. Для приборных применений желательно, чтобы энергетическое отстояние нижнего уровня размерного квантования от вышележащих уровней или континуума превосходило несколько квТ при комнатной температуре. Также, удовлетворение требованиям специфических приборных применений требует достижения в лазере на основе квантовых точек заданной длины волны излучения. В частности, на сегодняшний день одними из важнейших спектральных диапазонов являются 1.3 мкм, используемый в волоконно-оптических линиях связи, а также около 1 мкм, применяемый в лазерах накачки. Выполнение перечисленных выше условий предъявляет жесткие требования к технологии создания гетероструктур и требует тщательной оптимизации как самой структуры лазера, так и условий ее роста.

Для достижения поставленной цели, в ходе работы решались следующие основные задачи:

• экспериментальное и теоретическое исследование оптического усиления в лазерах на основе массивов самоорганизующихся квантовых точек, исследование влияния поверхностной плотности и степени разупорядоченности массива квантовых точек, а также более высоко лежащих состояний на усиление и пороговые характеристики,

• увеличение эффективности и снижение пороговой плотности тока лазеров на квантовых точках за счет преодоление проблемы насыщения оптического усиления, подавления безызлучательной рекомбинации и заселения носителями более высоко лежащих состояний (возбужденных уровней квантовых точек, смачивающего слоя и матрицы),

• разработка технологии лазеров на квантовых точках, работающих в непрерывном режиме,

• разработка новых методов формирования сверхплотных упорядоченных массивов квантовых точек для использования в мощных лазерах, исследование и оптимизация характеристик мощных лазеров на основе субмонослойных квантовых точек,

• исследование влияния материала и ширины запрещенной зоны матрицы на структурные и спектральные характеристики массива квантовых точек, а также приборные характеристики инжекционных лазеров (пороговую плотность тока, внутренние потери),

• разработка метода формирования массивов квантовых точек на подложках GaAs, излучающих в спектральном диапазоне 1.3 мкм, на основе обнаруженного эффекта стимулированного распада напряженного твердого раствора.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Результаты исследований оптического усиления, пороговых характеристик и дифференциальной эффективности в лазерах на основе самоорганизующихся квантовых точек, позволившие решить проблему насыщения усиления и создать низкопороговые высокоэффективные инжекционные лазеры, работающие в непрерывном режиме.

2. Метод получения массивов квантовых точек для использования в мощных лазерах, технология создания и конструкция мощных лазеров на основе квантовых точек.

3. Метод получения массивов квантовых точек, технология создания и конструкция инжекционных лазеров на основе квантовых точек на подложках арсенида галлия, излучающих в диапазоне 1.3 мкм.

Научная новизна работы состоит в том, что в ней:

• Впервые проведено комплексное исследование пороговых характеристик и оптического усиления лазеров на квантовых точках, их взаимосвязи с плотностью массива квантовых точек, неоднородным уширением плотности состояний и термическим выбросом носителей из квантовых точек.

• Показано, что для достижения низких значений пороговой плотности тока и высоких значений внешней дифференциальной эффективности в лазерах на основе самоорганизующихся квантовых точек требуется увеличить максимальное (насыщенное) оптическое усиление, определяемое плотностью массива квантовых точек, и подавить тепловое заселение более высоко лежащих состояний, зависящее от энергии локализации основного состояния КТ.

• Предложены и реализованы методы эпитаксиального роста, позволяющие формировать плотные однородные массивы квантовых точек (субмонослойные квантовые точки), пригодные для применений в мощных лазерах диапазона длин волн около 1 мкм.

• Впервые продемонстрировано, что изменение ширины запрещенной зоны матрицы, окружающей массив квантовых точек, позволяет управлять длинной волны излучения из квантовых точек и подавлять выброс носителей из квантовых точек.

• Впервые обнаружен эффект активированного распада напряженного твердого раствора InGaAs при его осаждении над массивом напряженных квантовых точек; этот эффект использован для расширения спектрального диапазона квантовых точек вплоть до 1.3 мкм.

Таким образом, в ходе работы проведено комплексное исследование приборных характеристик лазеров на основе квантовых точек, вскрыта их взаимосвязь с электронными и структурными параметрами массива квантовых точек.

Практическая значимость работы состоит в том, что в ней:

• Впервые созданы и исследованы низкопороговые лазеры на основе квантовых точек, работающие в непрерывном режиме при комнатной температуре, продемонстрирована рекордная для лазеров на основе квантовых точек выходная мощность и внешняя дифференциальная эффективность.

• Впервые созданы инжекционные лазеры на основе квантовых точек, выращенных на подложках GaAs, работающие в спектральном диапазоне 1.3 мкм, по своим характеристикам превосходящие существующие лазеры волоконной связи на основе InP.

• Впервые созданы инжекционные лазеры на основе квантовых точек, выращенных на подложках InP, и впервые продемонстрирована возможность расширения спектрального диапазона инжекционных лазеров на квантовых точках до длины волны около 2 мкм.

Таким образом, в ходе работы созданы научные основы и разработана воспроизводимая технология создания низкопороговых высокоэффективных инжекционных лазеров с активной областью на основе квантовых точек, пригодных для применения в системах оптической накачки и волоконной связи.

Апробация работы.

Результаты, вошедшие в диссертационную работу, докладывались и обсуждались на Всероссийских и международных конференциях и симпозиумах: 2, 3, 4 Российских конференциях по физике полупроводников (Зеленогорск, 1997; Москва, 1998; Новосибирск, 1999);

8, 9, 10, 11 Международных конференциях по молекулярно-пучковой эпитаксии (Осака, Япония, 1994; Малибу, США, 1996; Канны, Франция, 1999; Пекин, Китай, 2000);

Международных симпозиумах "Наноструктуры: Физика и Технология" (Санкт-Петербург, 1995,1996,1997,1998,1999,2000,2001);

Осенних и весенних международных конференциях Общества исследования материалов (MRS) (Бостон,США, 1995, 1997, 1999; Сан-Франциско, США, 1996); 2, 3 Международной школе по приборам на основе низкоразмерных полупроводниковых структур (Созопол, Болгария, 1995, 1996);

2, 3 Международной конференции по низкоразмерным структурам и приборам (Лиссабон, Португалия, 1997; Анталия, Турция, 1999);

23, 24 Международных конференциях по физике полупроводников (Берлин, Германия, 1996; Иерусалим, Израиль, 1998);

23, 26 Международных симпозиумах по полупроводниковым соединениям (Санкт-Петербург, 1996; Берлин, Германия, 1999);

8, 9, 10 Европейских симпозиумах по молекулярно-пучковой эпитаксии (Сиерра-Невада, Испания, 1995; Оксфорд, Великобритания, 1997, Ле-Арк, Франция, 1999); 10 Международной конференции по полупроводниковым И изолирующим материалам (Беркли, США, 1998); О 39 Международной конференции по электронным материалам (Форт-Коллинз,

США, 1997);

Международных симпозиумах по наноструктурам и квантовым точкам (Саппоро, Япония, 1998, Сан-Диего, США, 1999);

Международном семинаре по оптоэлектронике (Санкт-Петербург, 1998). Результаты исследований опубликованы в 115 научных статьях. О

Заключение

В ходе работы нами были созданы и исследованы инжекционные лазеры на основе самоорганизующихся квантовых точек в различных системах материалов. В лазерах на подложках GaAs, излучающих на длине волны около 1 мкм, активная область представляла собой массив квантовых точек In(Ga)As, сформированный по механизму Странски-Крастанова либо субмонослойным осаждением. В лазерах на подложках GaAs, излучающих вблизи 1.3 мкм, квантовые точки InAs были помещены во внешнюю квантовую яму InGaAs/GaAs. Также нами были исследованы лазеры на основе КТ в матрице InGaAs/InP. При всем многообразии исследованных лазеров, прослеживаются общие закономерности, которые, как нам представляется, присущи всем лазерам на основе самоорганизующихся квантовых точек. Полученные экспериментальные данные были обобщены с помощью предложенной модели, позволяющей количественно описать зависимость оптического усиления от тока накачки для инжекционного лазера с активной областью на основе КТ. Модель учитывает влияние неоднородного уширения, а также тепловое заселение более высоко лежащих состояний. Модель позволяет оценить влияние характеристик усиления КТ лазера на пороговые характеристики. С использованием модели, в частности, была изучена зависимость пороговых характеристик лазера и КПД от параметров массива самоорганизующихся квантовых точек и полных оптических потерь. Основные выводы могут быть сформулированы следующим образом:

1. Неоднородное уширение плотности состояний массива самоорганизующихся КТ, обусловленное разбросом размеров и других факторов, влияющих на положение уровня размерного квантования КТ, в сочетании с относительно невысокой поверхностной плотностью массива КТ, составляющей около 5x1010 см"2 на один слой КТ, приводят к невысоким значениям максимально достижимого (насыщенного) оптического усиления около 3-4 см"1 на основном состоянии КТ при типичном дизайне лазерного волновода.

2. Существование максимального (насыщенного) оптического усиления, достигаемого на основном состоянии КТ, приводит при увеличении в лазерной структуре потерь на вывод излучения к резкому возрастанию пороговой плотности тока и далее к переходу к генерации через возбужденное состояние

КТ, сопровождающемуся коротковолновым перескоком длины волны генерации. Первое возбужденное состояние характеризуется в 3-4 раза более высоким насыщенным усилением вследствие вырождения возбужденного уровня.

3. Тепловое заселение возбужденных состояний самих КТ, смачивающего слоя и матрицы приводит к возрастанию пороговой плотности тока, увеличению внутренних потерь и снижению внутренней дифференциальной эффективности, а также является причиной сильной зависимости приборных характеристик от температуры в области высоких температур. В случае низких температур или сильной локализации КТ, зависимость пороговой плотности тока от температуры обусловлена неоднородным уширением плотности состояний КТ.

4. В случае использования таких конструкций лазерного резонатора, которые обеспечивают малые потери на вывод излучения, пороговая плотность тока в большей степени определяется током прозрачности активной области на основе массива КТ. В таком режиме, пороговая плотность тока может быть снижена с помощью использования массивов КТ с малой поверхностной плотностью. Однако, для увеличения внешней дифференциальной эффективности и коэффициента полезного действия, а также увеличения максимальной выходной мощности лазеров на основе квантовых точек требуется применение лазерных резонаторов с большими потерями на вывод излучения. В этом случае требуется применение плотных массивов КТ, обеспечивающих достижение высокого насыщенного усиления.

5. В диапазоне полных оптических потерь, при котором лазерная генерация происходит через основное состояние КТ, пороговая плотность тока уменьшается, а коэффициент полезного действия увеличивается при увеличении дифференциального усиления. Дифференциальное усиление слабо зависит от поверхностной плотности массива квантовых точек, но увеличивается при улучшении однородности массива КТ, а также при подавлении рекомбинации через более высоко лежащие состояния.

6. Относительный вклад заселения более высоко лежащих состояний определяется не только энергией локализации основного состояния квантовых точек, но и в существенной степени соотношением между насыщенным усилением и полными оптическими потерям. Таким образом, нежелательные эффекты, обусловленные заселением более высоко лежащих состояний, могут быть подавлены увеличением энергии локализации основного состояния квантовых точек и увеличением насыщенного усиления. 7. Когда полное количество КТ, участвующих в лазерной генерации, мало, максимальная выходная мощность лазера на основе КТ может быть ограничена темпом захвата носителей на основное состояние КТ. В КТ лазерах с узким полоском это приводит к уширению линии лазерной генерации.

Новые экспериментальные методы и явления

Достигнутое понимание взаимосвязи электронных и структурных свойств массивов самоорганизующихся квантовых точек с характеристиками КТ лазеров позволило предложить новые экспериментальные методы оптимизации режимов выращивания и конструкции активной области для целенаправленного изменения внутренних параметров массивов самоорганизующихся квантовых точек (таких как их поверхностная плотность, энергия локализации основного состояния, неоднородное уширение), с целью улучшения приборных характеристик, и обнаружить новые явления:

1. Продемонстрировано, что изменение ширины запрещенной зоны матрицы, окружающей массив квантовых точек, позволяет управлять длинной волны излучения из квантовых точек. Тепловой выброс носителей из квантовых точек может быть подавлен с помощью использования более широкозонного материала матрицы, например, AlGaAs вместо GaAs.

2. Показано, что значение насыщенного усиления лазера на основе КТ может быть увеличено с помощью повторения в активной области нескольких рядов КТ, разделенных тонкими прослойками (спейсерами) материала матрицы. Максимальное количество рядов КТ ограничено снижением фактора оптического ограничения для боковых плоскостей, а также релаксацией напряжения. Последний эффект наиболее сильно проявляется в структурах с длинноволновыми КТ.

3. Квантовые точки, формирующиеся при осаждении InxAlixAs (х~0.5) в матрице AlGaAs, характеризуются примерно в четыре раза большей поверхностной плотностью (-2x10*1 см"2) по сравнению с КТ In(Ga)As. Предосаждение слоя InAlAs КТ приводит к тому, что квантовые точки In(Ga)As в последующих слоях формируются непосредственно над местоположением квантовых точек InAlAs. Подобные массивы композитных КТ характеризуются высокой поверхностной плотностью, задаваемой свойствами массива InAlAs КТ, и большой энергией локализации, определяемой свойствами In(Ga)As составляющей композитных КТ.

4. Спектральный диапазон излучения из квантовых точек, осаждаемых на подложках GaAs, может быть расширен вплоть до 1.3 мкм с помощью помещения массива квантовых точек InAs во внешнюю квантовую яму InGaAs. Длинноволновый сдвиг излучения совместно обусловлен уменьшением ширины запрещенной зоны матрицы и активированным распадом напряженного твердого раствора, приводящим к увеличению эффективного размера квантовых точек. При использовании предложенного метода длинноволновый сдвиг излучения из квантовых точек не сопровождается уменьшением поверхностной плотности массива, т.е. не происходит снижения насыщенного усиления.

5. Длина волны излучения массивов квантовых точек, зарощенных квантовой ямой (КТКЯ) управляется как размером исходного массива квантовых точек, так и параметрами внешней квантовой ямы, влияющими на положение уровня размерного квантования - содержанием индия (шириной запрещенной зоны) и толщиной квантовой ямы. Оптимальным является такой набор, при котором полное содержание индия в КТКЯ структуре минимально (около 4.5 монослоев).

6. Осаждение напряженного слоя InAs на поверхности InGaAs или InAlAs, согласованных по параметру решетки с подложкой InP, приводит к формированию массива квантовых точек. Наибольшая длина волны излучения, достижимая с помощью КТ InAs в матрице InGaAs/InP, составляет около 1.9 мкм (77К).

7. Многократное осаждение слоев InAs с эффективной толщиной менее одного монослоя, чередующихся тонкими слоями GaAs, приводит к образованию плотных однородных массивов квантовых точек, формирующихся не по механизму Странски-Крастанова (субмонослойные квантовые точки), пригодных для применений в мощных лазерах диапазона длин волн около 1 мкм.

1. Ж. И. Алферов и Р. Ф. Казаринов, "Полупроводниковый лазер с электрическойнакачкой", Авторское свидетельство № 181737 от 27.02.1966, заявлено 30.03.1963.

2. J. P. van der Ziel, R. Dingle, R. C. Miller, W. Wiegmann, and W. A. Nordland Jr., "Laser oscillation from quantum states in very thin GaAs-Alo.2Gao.8As multilayer structures", Appl Phys. Lett. 26,463-465. (1975).

3. G. W. Turner, H. K. Choi, and M. J. Manfra, "Ultarlow-threshold (50 A/cm2) strained-quantum-well GalnAsSb/AlGaAsSb lasers emitting at 2.05 jim", Appl. Phys. Lett. 72(8), 876-878 (1998).

4. Y. Arakawa and H. Sakaki, "Multidimensional quantum well laser and temperature dependence of its threshold current", Appl. Phys. Lett. 43), 939-941 (1982).

5. L. Goldstein, F. Glas, J. Y. Marzin, M. N. Charasse, and G. Le Roux, "Growth by molecular beam epitaxy and characterization of InAs/GaAs strained-layer superlattices", Appl. Phys. Lett. 47(10), 1099-1101 (1985).

6. D. P. Bour and A. Rosen, "Optimum cavity length for high conversion efficiency quantum well diode lasers", J. Appl. Phys. 66(7), 2813-2818 (1989).

7. X. Кейси и M. Паниш, Лазеры на гетероструктурах, т.1, стр. 210, Мир, Москва,1981.

8. L. Brus, "Zero-dimensional "excitons" in semiconductor clusters", IEEE J. Quantum Electron. 22(9), 1909-1914(1986).

9. А. И. Екимов, А. А. Онущенко, "Размерное квантование энергетического спектра электронов в микроскопическом полупроводниковом кристалле", Письма вЖЭТФ, 4Ф(8), 337-339 (1984).

10. G. L. Snider, I.-H. Tan, and E. L. Hu, "Electron states in mesa-etched one-dimensional quantum-well wires", J. Appl. Phys. 63(6), 2849-2853 (1990).

11. H. Schweizer, G. Lehr, F. Prins, G. Mayer, E. Lach, R. Kruger, E. Frohlich, M. H. Pilkuhn, and G. W. Smith, "Optical properties of wire and dot structure for photonic applications", Superlat. Microstruct. 12(4), 419-428 (1992)

12. M. Cao, Y. Miyake, S. Tamura, H. Hirayama, S. Arai, Y. Suematsu, and Y. Miyamoto, "basing action in GalnAs/GalnAsP quantum wire structure", Trans. IEICE, E73(l), 63-70 (1990).

13. Y. Miyake, H. Hirayama, K. Kudo, S. Tamura, S. Arai, M. Asada, Y. Miyamoto, and Y. Suematsu, "Room-temperature operation of GalnAs/GalnAsP/InP SCH lasers with quantum-wire size active region", IEEE J. Quantum Electron. 29(6), 2123-2133 (1993).

14. P. M. Petroff, S. Chalmers, M. Miller, Y. T. Lu, L. Somosca, H. Metiu, A. C. Gossard, and H. Kroemer, "Advances in tilted superlattice growth by molecular beam epitaxy", Proc. 6th Int. Conf. on MBE, aug.27-31, 1990, San-Diego, paper Ш-5.

15. A. Chavez-Pirson, H. Ando, H. Saito, and H. Kanbe, "Quantum wire microcavity laser made from GaAs fractional layer superlattices", Appl Phys. Lett. 64(14), 1759-1761 (1994).

16. M. S. Miller, С. E. Pryor, L. A. Samoska, H. Weman, H. Kroemer, and P. M. Petroff, "Serpentine superlattice: Concept and first results", Proc. 6th Int. Conf. on MBE, aug.27-31, 1990, San-Diego, paper XA-1.

17. E. Kapon, M. Walther, J. Christen, M. Grundmann, C. Caneau, D. M. Hwang, E. Colas, R. Bhat, G. H. Song, and D. Bimberg, "Quantum wire heterostructures for optoelectronic applications", Superlat. Microstruct. 12(4), 491-499 (1992).

18. T. Arakawa, S. Tsakumoto, Y. Nagamure, M. Nishioka, J.-H. Lee, and Y. Arakawa, "Fabrication of strained quantum wire structures using selected-area metal-organic chemical vapor deposition growth", Jpn. J. Appl Phys. 32(10A), L1377-L1379 (1993).

19. R. Notzel, N. N. Ledentsov, L. Daveritz, K. Ploog, and M. Hohenstein, "Semiconductor quantum wire structures directly grown on high-index surfaces", Phys. Rev. В 45(7), 3507-3515 (1992).

20. J. Temmyo, E. Kuramochi, M. Sugo, T. Nishiya, R. Notzel, and T. Tamamura, "Strained InGaAs quantum disk laser with nanoscale active region fabricated with self-organization on GaAs (311)B substrate", Electron. Lett. 31(3), 209-211 (1995).

21. D. Leonard, M. Krishnamurthy, L. M. Reaves, S. P. Den Baars, and P. M. Petroff, "Direct formation of quantum-sized dots from uniform coherent islands of InGaAs on GaAs surfaces", Appl. Phys. Lett. 63(23), 3203-3205 (1993).

22. R. Leon, S. Fafard, D. Leonard, J. L. Merz, and P. M. Petroff, "Visible luminescence from semiconductor quantum dots in large ensembles", Appl. Phys. Lett. 67(4), 521-523 (1995).

23. M. K. Zundel, P. Specht, K. Eberl, N. Y. Jin-Phillipp, and F. Phillipp, "Structural and optical properties of vertically aligned InP quantum dots", Appl. Phys. Lett. 71(20), 2972-2974 (1997).

24. S. Fafard, Z. Wasilewski, J. Mc Caffrey, S. Raymond, and S. Charbonneau, "InAs self-asssembled quantum dots on InP by molecular beam epitaxy", Appl. Phys. Lett. 68(7), 991-993(1996).

25. A. Ponchet, A. Le Corre, H. LHaridon, B. Lambert, and S. Salaiin, "Relationship between self-organization and size of InAs islands on InP(OOl) grown by gas-source molecular beam epitaxy", Appl. Phys. Lett. 67(13), 1850-1852 (1995).

26. J.-W. Lee, A. T. Schremer, D. Fekete, and J. M. Ballantyne, "GalnP/GaP partially ordered layer type-I strained quantum well", Appl. Phys. Lett. 69(27), 4236-4238 (1997).

27. B. Junno, T. Junno, M. S. Miller, and L. Samuelson, "A reflection high-energy electron diffraction and atomic force microscopy study of the chemical beam epitaxial growth of InAs and InP islands on (001) GaP", Appl. Phys. Lett. 72(8), 954-956 (1998).

28. D. Leonard, K. Pond, and P. M. Petroff, "Critical layer thickness for self-assembled InAs islands on GaAs", Phys. Rev. В 53), 11687-11692 (1995).

29. J. W. Matthews and A. E. Blakeslee, "Defects in epitaxial multilayers", J. Cryst. Growth 27, 118-125(1974).

30. M. Grundman, O. Stier, and D. Bimberg, "InAs/GaAs quantum pyramids: strain distribution, optical phonons and electronic structure", Phys. Rev. В 52, 11969-11978(1996).

31. V. A. Shchukin, N. N. Ledentsov, P. S. Kop'ev and D. Bimberg, "Spontaneous ordering of arrays of coherent strained islands", Phys. Rev. Lett. 75, 2968-2971 (1995).

32. M. Lentzen, D. Gerthsen, A. Forster, and K. Urban, "Growth mode and strain relaxation during the initial stage of InGaAs growth on GaAs(lOO)", Appl. Phys. Lett. 60, 74-76 (1992).

33. G. Medeiros-Ribeiro, D. Leonard, and P. M. Petroff, "Electron and hole energy levels in InAs self-assembled quantum dots", Appl. Phys. Lett. 64, 1767-1769 (1995).

34. D. Bimberg, N. N. Ledentsov, M. Grundmann, R. Heitz, J. Bohrer, V. M. Ustinov, P. S. Kop'ev, Zh. I. Alferov, "Luminescence properties of semiconductor quantum dots", J. Lumin. 11-1 A, 34-37 (1997).

35. J. M. Moison, F. Houzay, F. Barthe, L. Leprince, E. Andre, and O. Vatel, "Self-organized growth of regular nanometer-scale InAs dots on GaAs", Appl. Phys. Lett. 64(1), 196-198(1994).

36. M. Kudo and T. Mishima, "Improved photoluminescence properties of highly strained InGaAs/GaAs quantum wells grown by molecular-beam epitaxy", J. Appl. Phys. 78, 1685-1688 (1995).

37. A. Y. Cho and J. R. Arthur, "Molecular beam epitaxy", Progr. Solid State Chem. 10(3), 157-191 (1975).

38. A. Y. Cho, "Morphology of epitaxial growth of GaAs by molecular beam method: the observation of surface structures", J. Appl. Phys. 41(7), 2780-2786 (1970).

39. T. Irisawa, Y. Arima, and T. Kuroda, "Periodic changes in the structure of a surface growing under MBE conditions", J. Cryst. Growth 99,491-495 (1990).

40. С. T. Foxon, "Molecular beam epitaxy", Acta Electronica 21 (2), 139-150 (1978).

41. С. T. Foxon, "MBE growth of GaAs and III-V alloys", J. Vac. Sci. Technol. В 1(2), 293-299(1983).

42. J. H. Neave and В. A. Joyce, "Temperature range for growth of autoepitaxial GaAs films by MBE", J. Cryst. Growth 43, 204-208 (1978).

43. C. Amano, A. Shibukawa, K. Ando, and M. Yamaguchi, "Influence of growth conditions on deep levels in molecular-beam-epitaxial GaAs", Electron. Lett. 20(4), 174-175 (1984).

44. С. E. C. Wood, "III-V alloy growth by molecular beam epitaxy", in "GalnAsP alloy semiconductors", ed. by T.P.Pearsall, John Wiley and Sons, 1982, Chapter 4, pp. 87-106.

45. D. I. Westwood, D. A. Woolf, and R. H. Williams, "Growth of InGaAs on GaAs(OOl) by molecular beam epitaxy", J. Cryst. Growth 98, 782-792 (1989).

46. M. McElhinney and C. R. Stanley, "Reduced In incorporation during the MBE growth of In(Al,Ga)As", Electron. Lett. 29(14), 1302-1303 (1993).

47. I. Hayashi, "Degradation in III-V optoelectronic devices", J. Phys. Soc. Jpn. 49(1), 57-65 (1980).

48. T. R. Chen, L. E. Eng, B. Zhao, Y. H. Zhuang, and A.Yariv, "Strained single quantum well InGaAs lasers with a threshld current of 0.25 mA", Appl. Phys. Lett. 63(19), 2621-2623 (1993).

49. K. Kaviano, J. Chen, K. Hu, L. Chen, and A. Madhukar, "Growth of high quality strained AlGaAs/InGaAs/AlGaAs quantum wells and the effect of silicon nitride encapsulation and rapid thermal annealing", J. Vac. Sci. Technol. В 10(2), 793-796 (1992).

50. L. P. Sandwick, D. C. Streit, W. L. Jones, C. W. Kim, and R. J. Hwu, "Device and material properties of pseudomorphic HEMT structures subjected to rapid thermal annealing", IEEE Trans. Electron. Dev. 39(1), 50-55 (1992).

51. L. V. Asryan and R. A. Suris, "Inhomogeneous line broadening and the threshold current density of a semiconductor quantum dot laser", Semicond. Sci. Technol. 11, 554-567 (1996).

52. P. Blood, "Heterostructures in semiconductor lasers", in Physics and technology of heterostructure devices, ed. D. V. Morgan and R.H.Williams, Peter Perigrinus, 1991, Chapter 7, pp.231-282.

53. Q. Xie, A. Madhukar, P. Chen, and N. Kobayashi, "Vertically self-organized InAs quantum box islands on GaAs (100)", Phys. Rev. Lett. 75, 2542-2545 (1995).

54. H. Jiang and J. Singh, "Nonequilibrium distribution in quantum dots lasers and influence on laser spectral output", J. Appl. Phys. 85,7438-7442 (1999).

55. M. Meyer, "The compound semiconductor industry in the 1990's", Compound Semiconductor 5(9), 26-30 (1999).

56. K. Takemasa, T. Munakata, M. Kobayashi, H. Wada, and T. Kamijoh, "High-temperature operation of 1.3 цхп AlGalnAs strained multiplr quantum well lasers", Electron. Lett. 34(12), 1231-1233 (1998).

57. M. Kondow, K. Uomi, A. Niwa, T. Kitatani, S. Watahiki, and Y. Yazawa, "GalnNAs: a nowel material for long-wavelength-range laser diodes with excellent high-temperature performance", Jpn. J. Appl. Phys. В 35, 1273-1275 (1996).

58. F. Koyama, D. Schlenker, T. Miyamoto, Z. Chen, A. Matsutani, T. Sakaguchi, and K. Iga, Data transmission over single-mode fiber by using 1.2-цт uncooled GalnAs-GaAs laser for Gb/sec local area network, IEEE Photon. Tech. Lett. 12(2), 125-127 (2000).

59. T. Anan, K. Nishi, S. Sugou, M. Yamada, K. Tokutome, and A. Gomyo, "GaAsSb: A novel material for 1.3 цт VCSELs", Electron. Lett. 34(22), 2127-2129 (1998).

60. K. Mukai, N. Ohtsuka, M. Sugawara, and S. Yamazaki, "Self-formed Ino.5Gao.5As quantum dots on GaAs substrates emitting at 1.3 цт", Jpn. J. Appl. Phys. 33(12A), L1710-L1712 (1994).

61. R. P. Mirin, J. P. Ibbetson, K. Nishi, A. C. Gossard, and J. E. Bowers, "1.3 pirn photoluminescence from InGaAs quantum dots on GaAs", Appl. Phys. Lett. 67(25), 3795-3797 (1995).

62. К. Mukai, N. Ohtsuka, H. Shoji, and M. Sugawara, "Emission from discrete levels in self-formed InGaAs/GaAs quantum dots by electric carrier injection: Influence of phonon bottleneck", Appl. Phys. Lett. 68(21), 3013-3015 (1996).

63. D. L. Huffaker and D. G. Deppe, "Electroluminescence efficiency of 1.3 jxm wavelength InGaAs/GaAs quantum dots", Appl. Phys. Lett. 73(4), 520-522 (1998).

64. D. L. Huffaker, G. Park, Z. Zou, О. B. Shchekin, and D. G. Deppe, "1.3 цт room-temperature GaAs-based quantum-dot laser", Appl. Phys. Lett. 73(18), 2564-25661998).

65. G. Park, О. B. Shchekin, D. L. Huffaker, and D. G. Deppe, "Low-threshold oxide-confined 1.3-цт quantum-dot laser", IEEE Photon. Technol. Lett. 13(3), 230-232 (2000).

66. G. Park, О. B. Shchekin, S. Csutak, D. L. Huffaker, and D. G. Deppe, "Room-temperature continuous-wave operation of a single-layered 1.3 ц.т quantum dot laser", Appl. Phys. Lett. 75(21), 3267-3269 (1999).

67. H. Saito, K. Nishi, Y. Sugimoto, and S. Sugou, "Low-threshold lasing from high-density InAs quantum dots of uniform size", Electron. Lett. 35(18), 1561-15631999).

68. K. Nishi, H. Saito, S. Sugou, and J.-S. Lee, "A narrow photoluminescence linewidth of 21 meV at 1.35 meV from strain-reduced InAs quantum dots covered by Ino.2Gao.8As grown on GaAs substrates", Appl. Phys. Lett. 74(8), 1111-1113 (1999).

69. L. F. Lester, A. Stinz, H. Li, Т. C. Newell, E. A. Pease, B. A. Fuchs, and K. J. Malloy, "Optical characteristics of 1.24-(д,т InAs quantum-dot laser diodes", IEEE Photon. Technol. Lett. 11 (8), 931 -933 (1999).

70. H. Saito, K. Nishi, and S. Sugou, "Influence of GaAs capping on the optical properties of InGaAs/GaAs surface quantum dots with 1.5 (д,т emission", Appl. Phys. Lett. 73(19), 2742-2744 (1998).

71. J. R. Biard, W. N. Carr, and B. S. Reed, "Analysis of a GaAs laser", Trans. AIME, 230, 286-290 (1964).

72. P. M. Smowton and P. Blood, "The differential efficiency of quantum-well lasers", IEEE J. Selected Topics in Quantum Electron. 3(2), 491-498 (1997).

73. F. Klopf, J. P. Reithmaier, and A. Forchel, "Highly efficient GaInAs/(Al)GaAs quantum-dot lasers based on a single active layer versus 980 nm high-power quantum-well lasers", Appl. Phys. Lett. 77(10), 1419-421 (2000).

74. P. M. Petroff and S. P. DenBaars, "MBE and MOCVD growth and properties of self-assembling quantum dot arrays in III-V semiconductor structures", Superlat. Microstruct. 15(1), 15-21 (1994).

75. S. O'Brien, H. Zhao, A. Schoenfelder, and R. J. Logan, Electron. Lett. 33(22), 1869-1871 (1997).

76. A. Al-Muhanna, L. J. Mawst, D. Botez, D. Z. Garbuzov, R. U." Martinelli, and J. C. Connoly, Appl. Phys. Lett. 73(9), 1182-1184 (1998).

77. X. He, S. Srinivasan, S. Wilson, C. Mitchell, and R. Patel, Electron. Lett. 34(22), 2126-2127(1999).

78. D. A. Livshits, I. V. Kochnev, V. M. Lantratov, N. N. Ledentsov, T. A. Nalyot, I. S. Tarasov, and Zh. I. Alferov, "Improved catastrophic optical mirror damage level in InGaAs/AlGaAs laser diodes", Electron. Lett., 36, 1848-1849 (2000).

79. F. Bugge, G. Erbert, J. Fricke, S. Gramlich, R. Staske, H. Wenzel, U. Zeimer, and M. Weyers, "12 W continuous-wave diode lasers at 1120 nm with InGaAs quantum wells", Appl. Phys. Lett. 79(13), 1965-1967 (2001).

80. O. Ueda, "Reliability and degradation of III-V optical devices", Artech House, Boston, London, 1996.

81. D. Botez, "Design considerations amd analytical approximations for high continuous-wave power, broad-waveguide diode lasers", Appl. Phys. Lett. 74(21), 3102-3104(1999).

82. C.-Y. Tsai, C.-Y. Tsai, Y.-H. Lo, and R. M. Spencer, "Effects of spectral hole burning, carrier heating, and carrier transport on the small-signal modulation response of quantum well lasers", Appl. Phys. Lett. 67, 3084-3086 (1995).

83. M. Sugawara, K. Mukai, and H. Shoji, "Effect of phonon bottleneck on quantum-dot laser performance", Appl. Phys. Lett. 71(19), 2791-2793 (1997).

84. L. J. Mawst, S. Rusli, A. Al-Muhanna, and J. K. Wade, "Short-Wavelength ( 0.7 jim < A, < 0.78 |i,m) High-Power InGaAsP-Active Diode Lasers", IEEE J. Selected Topics in Quantum Electron. 5(3), 785-791 (1999).

85. D. Botez, L. J. Mawst, A. Bhattacharya, L. Lopez, J. Li, V. P. Iakovlev, G. I. Suruceanu, A. Caliman, and A. V. Syrbu, "66% CW wallplug efficiency from Al-free 0.98 |im-emitting diode lasers", Electron. Lett. 32, 2012-2013 (1996).

86. J. Wang, B. Smith, X. Xie, X. Wang, and G. T. Burnham, "High-efficiency diode lasers at high output power", Appl. Phys. Lett. 74, 1525-1527(1999).

87. H. Temkin, D. Coblenz, R. A. Logan, J. P. van der Ziel, T. Tanbun-Ek, R. D. Yadvish, and A. M. Sergent, "High temperature characteristics of InGaAsP/InP laser structures", Appl. Phys. Lett. 62(19), 2402-2404 (1993).

88. S. Seki, H. Oohasi, H. Sugiura, T. Hirono, and K. Yokoyama, "Dominant mechanisms for limiting the maximum operating temperature of InP-based multiple-quantum-well lasers", J. Appl. Phys. 79(5), 2192-2197 (1996).

89. X. Huang, A. Stinz, C. P. Hains, G. T. Liu, J. Cheng, and K. J. Malloy, "Efficient high-temperature CW lasing operation of oxide-confined long-wavelength InAs quantum dot lasers", Electron. Lett. 36, 41-42 (2000).