Инжекционные лазеры с квантовыми точками, работающие в непрерывном режиме тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

Введение

Глава 1 Обзор литературы.

1.1 Инжекционные лазеры ближнего инфракрасного диапазона в

•2 <С системе А В с применением РО ДГС структур.

1.2 Применение массивов квантовых точек при создании 18 инжекционных лазеров.

1.3 Формирование массивов квантовых точек InAs/GaAs с 23 использованием эффектов самоорганизации.

Глава 2 Экспериментальное оборудование и методики измерений.

2.1 Выращивание гетероструктур методом молекулярно- 30 пучковой эпитаксии.

2.2 Экспериментальные методы исследования гетероструктур.

Глава 3 Оптимизация конструкции и режимов выращивания массивов квантовых точек InAs/GaAs для лазерных применений.

3.1 Квантовые точки Странского-Крастанова в системе 36 InAs/GaAs. Способ формирования и основные характеристики.

3.2 Квантовые точки InAs/GaAs получаемые методом субмонослойного осаждения. Способ формирования и основные характеристики.

Глава 4 Мощные лазеры на основе квантовых точек Странского-Крастанова.

4.1 Преимущества мощных лазеров на основе массива КТ.

4.2 Реальные массивы КТ Странского-Крастанова. Насыщение 64 усиления.

4.3 Мощные лазеры на основе нескольких рядов КТ InAs/GaAs 76 Странского-Крастанова.

4.4 Одномодовые лазеры с InAs/GaAs КТ Странского- 78 Крастанова.

Глава 5 Мощные лазеры на основе суб-монослойных квантовых точек.

5.1 Сравнение CMC КТ и СК КТ активной области для 0.94 мкм 92 мощных лазеров.

5.2 Оптимизация структуры лазера с CMC КТ для мощностных 97 применений.

Актуальность работы. В настоящее время наиболее быстро развивающейся областью полупроводниковой электроники является создание и исследование структур с пониженной размерностью, таких как квантовые ямы, квантовые проволоки и квантовые точки. Изменение энергетического спектра при ограничении носителей заряда в одном, двух или трех направлениях позволяет получить объекты, обладающие уникальными по своей природе свойствами. Применение таких объектов при создании приборов полупроводниковой электроники и оптоэлектроники позволяет создавать принципиально новые приборы и в значительной степени совершенствовать характеристики приборов, существующих в настоящее время. Наглядным примером тому явилось в свое время создание полевого транзистора с двумерным электронным газом, полупроводникового лазера с активной областью на основе квантовых ям.

Как известно, эффекты размерного квантования начинают проявляться при уменьшении геометрических размеров до уровня нескольких десятков нанометров. Такие требования по размерам накладывают определенные ограничения на технологию создания квантоворазмерных объектов. Реализация возможности осаждения сверхтонких слоев в современных эпитаксиальных технологиях, таких как молекулярно-пучковая эпитаксия и газофазная эпитаксия из металлорганических соединений позволила создать структуры с квантовыми ямами.

Создание структур с ограничением в двух или трех направлениях с технологической точки зрения представляет более сложную задачу. Как оказалось, современные методы литографии и травления не позволяют получать структуры с квантовыми проволоками и квантовыми точками, обладающими высоким совершенством гетерограниц [']. Ситуация коренным образом изменилась в свете открытия эффектов спонтанной самоорганизации в процессе эпитаксии полупроводниковых соединений. Так, например, для системы InGaAs/GaAs, в 1985 Goldstein с соавторами [ ] впервые показали, что при осаждении сильнонапряженного слоя InGaAs на поверхность GaAs происходит формирование упорядоченного массива наноразмерных островков InGaAs.

Позднее было показано, что островки такого массива являются в большой степени структурно-совершенными и обладают высокой однородностью и плотностью. Открытие данного эффекта имело широкий резонанс в мире, и в данном направлении было проведено большое количество разносторонних исследований. Основное внимание в области приборного применения КТ уделялось исследованию возможностей создания оптоэлектронных приборов на их основе и, в первую очередь, инжекционных лазеров. Посылкой тому служили в основном две отличительных особенности КТ. Во-первых, было показано теоретически, что дельтаобразная плотность состояний квантовых точек позволяет улучшить приборные характеристики лазеров [3] и в частности, снизить пороговую плотность тока, повысить его температурную стабильность и т.п. Второе замечательное свойство КТ InGaAs/GaAs состоит в том, что формирование островков сопровождается длинноволновым сдвигом максимума излучения по сравнению с квантовыми ямами InGaAs/GaAs [4]. Этот сдвиг при определенных условиях осаждения и дизайне структуры может получиться столь большим, что длина волны достигает 1,3 мкм [5,6,V]- Эта длина волны соответствует второму окну прозрачности оптического волокна, и может быть использована в волоконно-оптических линиях связи средней дальности. Таким образом, появилась реальная возможность создания источников излучения такого диапазона на базе развитой системы GaAs. В совокупности, обе эти особенности предсказывали реальные перспективы создания приборов, способных превзойти по качеству и цене существующие в настоящий момент излучатели диапазона 1,3 мкм, реализованные на основе квантовых ям в системе InGaAsP/InP, которые имеют ряд принципиальных недостатков, в частности, сильную температурную чувствительность порогового тока [9,10].

Несмотря на интенсивное исследование КТ на предмет возможности создания эффективных лазеров в области телекоммуникаций, исследованию мощных лазеров на КТ до настоящего момента не уделялось достаточного внимания. Однако следует отметить, что использование массивов КТ в качестве активной области мощных лазеров, также может привести к улучшению их характеристик. Так, в частности снижение внутренних потерь и пороговой плотности тока приведет к повышению КПД, а локализующие свойства массива КТ дадут возможность подавить транспорт и поверхностную рекомбинацию носителей заряда на зеркалах, предотвращая тем самым оптическую деградацию зеркал.

Целью настоящей работы явилось исследование возможности использования массивов самоорганизующихся КТ для создания инжекционных лазеров, работающих в непрерывном режиме с высокой выходной оптической мощностью.

В соответствии с поставленной целью был определен круг основных задач:

• Определение основных факторов, лимитирующих оптическую мощность в лазерах на основе самоорганизующихся КТ.

• Создание и оптимизация активной области на основе самоорганизующихся КТ с целью повышения насыщенного и дифференциального усиления в лазерах на их основе.

• Оптимизация конструкции и условий выращивания инжекционных лазеров на основе самоорганизующихся КТ с целью повышения выходной оптической мощности.

Основные положения, выносимые на защиту:

• При использовании в активной области лазеров массивов многократно складированных квантовых точек увеличение количества рядов квантовых точек приводит к пропорциональному увеличению оптического усиления.

• Конструкция и режимы выращивания мощных лазеров диапазона 1,3 мкм с активной областью на основе многократно складированных массивов квантовых точек Странского-Крастанова.

• Способ получения квантовых точек путем повторяющегося попеременного осаждения субмонослойных слоев InAs/GaAs.

• Массивы КТ полученные путем повторного попеременного осаждения субмонослойных слоев InAs/GaAs (субмонослойных КТ) отличаются более узким спектром оптического усиления и большей поверхностной концентрацией по сравнению с СК КТ. Применение субмонослойных КТ в активной области инжекционных лазеров позволяет повысить насыщенное усиление, и, как следствие, выходную оптическую мощность лазера по сравнению с лазерами на СК КТ.

Научная новизна работы состоит в том, что в ней:

• Впервые исследованы факторы, определяющие мощностные характеристики лазеров на основе самоорганизующихся КТ.

• Предложены новые методы формирования массивов самоорганизующихся КТ диапазона 0,94-1,3 мкм (многократно складированные КТ, CMC КТ, КТ в КЯ) обладающих высокой плотностью и однородностью для применения в мощных лазерах.

• Впервые показана возможность использования массивов самоорганизующихся КТ в качестве активной области мощных инжекционных лазеров, работающих в непрерывном режиме.

Практическая значимость работы состоит в том, что в ней:

• Методом многократного складирования массивов КТ, разработанного в целях повышения оптического усиления в лазерах на КТ, созданы лазеры со значениями насыщенного усиления не менее 15 см"1 для двух слоев КТ и 25 см"1 для пяти слоев КТ.

Путем детального изучения технологических аспектов создания массивов КТ и оптимизации параметров активной области и геометрии лазерных структур, а также с использованием метода увеличения насыщенного усиления, получены лазеры с рекордными для КТ лазеров значениями таких приборных параметров как дифференциальная эффективность (rjD 88%), выходная мощность (Pout 2,7Вт для лазера с шириной полоска 200 мкм) и температурная стабильность (Т0150 К).

Высокое оптическое усиление лазеров на основе композитных КТ позволило впервые реализовать одномодовую лазерную генерацию на длине волны 1.3 мкм в лазере с узким полоском (7 мкм) с выходной оптической мощностью 110 мВт.

В результате исследований структур с субмонослойными покрытиями в системе InAs/GaAs получены массивы самоорганизующихся КТ для

11 диапазона 0,94-1 мкм, обладающие высокой плотностью (10 см" ) и узким спектром усиления (30 мэВ).

При использовании плотного и однородного массива самоорганизующихся КТ полученного путем многократного осаждения субмонослойных покрытий InAs/GaAs реализованы мощные инжекционные лазеры диапазона 0,94 мкм с максимальной выходной оптической мощностью 6 Вт и максимальным КПД 58 %.

Настоящая работа состоит из следующих пяти глав.

Основные результаты диссертации отражены в следующих публикациях:

1. А.Е. Zhukov, A. R. Kovsh, V. М. Ustinov, Yu. М. Shernyakov, S. S. Mikhrin, N. A. Maleev, E. Yu. Kondrat'eva, D. A. Livshits, M. V. Maximov, В. V. Volovik, D. A. Bedarev, Yu. G. Musikhin, N. N. Ledentsov, P. S. Kop'ev, Zh. I. Alferov, and D. Bimberg, "Continuous-Wave Operation of Long-Wavelength Quantum-Dot Diode Laser on a GaAs Substrate", IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, VOL. 11, NO. 11, 1999 pp. 1345-1347

2. E. Zhukov, A. R. Kovsh, N. A. Maleev, S. S. Mikhrin, V. M. Ustinov, A. F. Tsatsul'nikov, M. V. Maximov, В. V. Volovik, D. A. Bedarev, Yu. M. Shernyakov, P. S. Kop'ev, and Zh. I. Alferov N. N. Ledentsov and D. Bimberg, "Long-wavelength lasing from multiply stacked InAs/InGaAs quantum dots on GaAs substrates", Appl. Phys. Lett., Vol. 75, No. 13, 1999, pp. 1926-1928

3. A.E. Zhukov, A.R. Kovsh, S.S. Mikhrin, N.A. Maleev, V.M. Ustinov, D.A. Livshits, I.S. Tarasov, D.A. Bedarev, M.V. Maximov, A.F. Tsatsul'nikov, I.P.

Soshnikov, P.S. Kop'ev, Zh.I. Alferov, N.N. Ledentsov and D. Bimberg, "3.9W CW power from sub-monolayerquantum dot diode laser", ELECTRONICS LETTERS, 1999 Vol. 35 No. 21

4. Yu.M. Shernyakov, D.A. Bedarev, E.Yu. Kondrat'eva, P. S. Kop'ev, A.R. Kovsh, N.A. Maleev, M.V. Maximov, S.S. Mikhrin, A.F. TsatsuPnikov, V.M. Ustinov, B.V. Volovik, A.E. Zhukov, Zh.I. Alferov, N.N. Ledentsov and D. Bimberg, "1.3 Dm GaAs-based laser using quantum dots obtained by activated spinodal decomposition" ELECTRONICS LETTERS, 1999 Vol. 35 No. 11

5. А.Р.Ковш, А.Е.Жуков, Н.А.Малеев, С.С.Михрин, В.М.Устинов, А.Ф.Цацульников, М.В.Максимов, Б.В.Воловик, Д.А.Бедарев, Ю.М.Шерняков, Е.Ю.Кондратьева, Н.Н.Леденцов, П.С.Копьев, Ж.И.Алферов, Д.Бимберг, «Лазерная генерация с длиной волны излучения в районе 1.3 мкм в структурах на основе квантовых точек InAs», ФТП, 1999, 33(8), 1020-1023

6. V.M. Ustinov, A.E. Zhukov, A.R. Kovsh, N.A. Maleev, S.S. Mikhrin, A.F. Tsatsul'nikov, M.V. Maximov, B.V. Volovik, D.A. Bedarev, P.S. Kop'ev, Z.I. Alferov, L.E. Vorob'ev, A.A. Suvorova, I.P. Soshnikov, P. Werner, N.N. Ledentsov, D. Bimberg, "Long-wavelength emission from self-organized InAs quantum dots on GaAs substrates", Microelectronics Journal 31 (2000) 1-7

7. С.С.Михрин, A.E. Жуков, А.Р.Ковш, Н.А.Малеев, B.M. Устинов, Ю.М.Шерняков, И.Н.Каяндер, Е.Ю.Кондратьева, Д.А. Лившиц, И.С.Тарасов, М.В.Максимов, А.Ф. Цацульников, Н.Н. Леденцов,

П.С.Копьев, Д.Бимберг, Ж.И.Алферов, «Пространственно одномодовый лазер диапазона 1.25-1.28 мкм с вантовыми точками InAs на mwioaoceGaAs», ФТП, 2000, 34(1), 117-120

8. Н.А.Малеев, А.Е.Жуков, А.Р.Ковш, С.С.Михрин, В.М.Устинов, Д.А.Бедарев, Б.В .Воловик, И. Л.Крестников, И.НКаяндер, В.А.Одноблюдов,

A.А. Суворова,А.Ф.Цацульников,Ю.М.Шерняков, Н.Н.Леденцов, П.С.Копьев, Ж.И.Алферов, «Гетероструктуры с несколькими слоями InAs/InGaAs квантовых точек для источников оптического излучения диапазона длин волн 1.3 мкм», ФТП, 2000, 34(5), 612-616

9. А.Е.Жуков, А.Р.Ковш, С.С.Михрин, Н.А.Малеев, В.А.Одноблюдов,

B.М.Устинов, Ю.М.Шерняков, Е.Ю.Кондратьева, Д.А.Лившиц, И.С.Тарасов, Н.Н.Леденцов, П.С.Копьев, Ж.И.Алферов, D. Bimberg, «Эффективность преобразования лазерных диодов на основе квантовых точек», ФТП, 2000, 34(5), 628-632

10. V М Ustinov, А Е Zhukov,A R Kovsh, S S Mikhrin, N A Maleev,B V Volovik, Yu G Musikhin, Yu M Shernyakov, E Yu Kondat'eva, M Y Maximov, A F Tsatsul'nikov, N N Ledentsov,Zh I Alferov, J A Lott and D Bimberg, "Long-wavelength quantum dot lasers on GaAs substrates", Nanotechnology 11 (2000) 397-400.

11. S S Mikhrin, A E Zhukov,A R Kovsh, N A Maleev, V M Ustinov, Yu M Shernyakov, I P Soshnikov, D A Livshits, I S Tarasov, D A Bedarev,B V Volovik, M V Maximov, A F Tsatsul'nikov, N N Ledentsov,P S Kop'ev, D

Bimberg and Zh I Alferov, "0.94 jim diode lasers based on Stranski-Krastanow and sub-monolayer quantum dots ", Semicond. Sci. Technol. 15 (2000) 1061— 1064.

12. M. V. Maximov, L. V. Asryan, Yu. M. Shernyakov, A. F. Tsatsul'nikov, I. N. Kaiander, V. V. Nikolaev, A. R. Kovsh, S. S. Mikhrin, V. M. Ustinov, A. E. Zhukov, Zh. I. Alferov, N. N. Ledenstov, and D. Bimberg, "Gain and Threshold Characteristics of Long Wavelength Lasers Based on InAs/GaAs Quantum Dots Formed by Activated Alloy Phase Separation", IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS, VOL. 37, NO. 5, pp.676- 683, 2001

13. V.M.Ustinov, A.E.Zhukov, N.A.Maleev, A.R.Kovsh, S.S.Mikhrin, B.V.Volovik, Yu.G.Musikhin, Yu.M.Shernyakov, M.V.Maximov, A.F.Tsatsul 'nikov, N.N.Ledentsov, Zh.I.Alferov, J.A.Lott, D.Bimberg, "1.3 Dm InAs/GaAs quantum dot lasers and VCSELs grown by molecular beam epitaxy", Journal of Crystal Growth 227 -228 (2001)1155 -1161

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе данной работы получены следующие основные результаты:

1. Обнаружено, что проблема насыщения усиления в лазерах с самоорганизующимися КТ может быть решена при использовании метода многократного складирования массивов КТ, позволяющего пропорционально количеству рядов увеличивать количество активных состояний лазера.

2. Показано, что при увеличении количества рядов КТ в активной области лазера от 2 до 10 позволяет повысить насыщенное усиление с 15 см"1 до 25 см"1.

3. Реализованы высокоэффективные (70-88%) низкопороговые

40-70 А/см ) лазеры на основе многослойных КТ диапазона 1,3 мкм.

4. Показано, что для таких лазеров в непрерывном режиме генерации основным фактором, лимитирующим максимальную выходную мощность (2,7 Вт), является перегрев активной области вследствие больших резистивных потерь.

5. Реализованы одномодовые лазеры диапазона 1,3 мкм с выходной оптической мощностью 110 мВт в структурах с узким полоском (7 мкм).

6. Предложен новый метод создания КТ основанный на попеременном субмонослойном осаждении слоев InAs/GaAs. Показано, что такие массивы КТ обладают высокой поверхностной плотностью (1011 см"2) и узким спектром усиления (30 мэВ).

7. Показано, что путем изменения эффективной толщины покрытия InAs и спейсеров GaAs существует возможность настройки длины волны в структурах с субмонослойными КТ InAs/GaAs в диапазоне 0,94 -1 мкм.

8. Показано, что при использовании плотного и однородного массива субмонослойных КТ InAs/GaAs реализованы инжекционные лазеры с максимальной выходной оптической мощностью 6 Вт и максимальным КПД 58 %.

1. С.М. Sotomayor, F.D.Wang, N.N. Ledentsov, Y.S. Tang. Proc. SPIE The International Society for Optical Engineering, 1994, v. 2141, p.2

2. L. Goldstein, F. Glas, J.Y. Marzin, M.N. Charasse, G. LeRoux. Appl. Phys. Lett., 1985, vol.47, p. 1099.

3. Y. Arakawa and H. Sakaki. Appl. Phys. Lett., 1982, vol.40, p.939.

4. А.Ю. Егоров, A.E. Жуков, П.С. Копьев, и др. ФТП, 1996, 30(8), стр. 13451352

5. К. Mukai, N. Ohtsuka, М. Sugawara, and S. Yamazaki, Jpn. J. Appl. Phys. Lett., 1994, vol.33, p.1710.

6. R.P. Mirin, J.P. Ibbetson, K. Nishi, A.C. Gossard, and J.E. Bowers, Appl. Phys. Lett., 1995, vol.67, p.3795.

7. A.E. Zhukov, A.R. Kovsh, A.Yu. Egorov, et.al. Semiconductors, 1999, vol.33, p.153.

8. V. M. Ustinov, N. A. Maleev, A. E. Zhukov, A. R. Kovsh, A. Yu. Egorov, A. V. Lunev, В. V. Volovik, I. L. Krestnikov, Yu. G. Musikhin, N. A. Bert, P. S. Kop'ev, Zh. I. Alferov, N. N. Ledentsov, and D. Bimberg, Appl. Phys. Lett. 74,2815 (1999).

9. S. Seki, H. Oohasi, H. Sugiura, T. Hirono, and K. Yokoyama. J. Appl. Phys., 1996, vol.79, pp. 2192-2196.

10. B.B. Elenkrig, S. Smetona, J.G. Simmons, T. Makino, and J.D. Evans, J. Appl. Phys., 1999, vol. 85, pp. 2367-2370.

11. A.Al-Muhanna, L.J.Mawst, D.Botez, D.Z.Garbuzov, R.U.Martinelli, and J.C.Connoly, 1998 Appl. Phys. Lett. 73(9), pp.1182-1184 X.He, S.Srinivasan, S.Wilson, C.Mitchell, and R.Patel, 1999 Electron. Lett. 34(22), pp.2126-2127

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

13. J.J.Coleman and K.J.Beernink, Experimental gain characteristics and barrier lasing in strained-layer InGaAs-GaAs-AlGaAs quantum well heterostructure lasers, J. Appl. Phys., v.75, No.4, 1879 (1994).

14. S.Tiwari and J.M.Woodall, Experimental comparison of strained quantum wire and quantum well laser characteristics, Appl. Phys. Lett., v.64, No.17, 2211 (1994).

15. T.Yuasa, M.Ogawa, K.Ando, and H.Yonezu, Degradation of (Al,Ga)As DHlasers due to facet oxidation, Appl. Phys. Lett., v.32, No.2, 119 (1978).j

16. N.N.Ledentsov, "Ordered arrays of quantum dots", Proc. of the 23 Int. Conf. on the Physics of Semiconductors, Berlin, Germany, M.Scheffler and R.Zimmerman, ed., v.l, 19 (1996)

17. 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., v.64, No.2, 198(1994).

18. P.Chen, Q.Xie, A.Madhukar, L.Chen, and A.Konkar, Mechanisms of strained island formation in molecular beam epitaxy of InAs on GaAs(lOO), J. Vac. Sci. Technol. B, v.12, No.4,2568 (1994).

19. H.Kitabayashi and T.Yano, Atomic force microscope observation of the initial stage of InAs growth on GaAs substrates, Proc. 8th Int. Conf. on MBE, aug.29-sept.2, 1994 (Osaka, Japan), pp.415-416.

20. Молекулярно-пучковая эпитаксия и гетероструктуры, М., "Мир", 1989

21. J. M. Moison, F. Houzay, F. Barthe, L. Leprince, E. Andre, and O. Vatel, Appl. Phys. Lett. 64(2), pp.196-198 (1994).

22. V. A. Shchukin, N. N. Ledentsov, P. S. Kop'ev and D. Bimberg, Phys. Rev. Lett. 75, 2968 (1995).

23. S. Ruvimov, Z. Liliental-Weber, and J. Washburn, N. N. Ledentsov, V. M. Ustinov, V. A. Shchukin, P. S. Kop'ev, and Zh. I. Alferov, D. Bimberg, Phys. Solid State 40, 781-783 (1998).

24. R. Leon, C. Lobo, A. Clark, R. Bozek, A. Wysmolek, A. Kurpiewski, M. Kaminska, Different paths to tunability in III-V quantum dots JAP v.84, 1 248-254 (1998)

25. N.N.Ledentsov, V.A.Schukin, M.Grundmann, N.Kirstaedter, J.Bohrer, O.Schmidt, D.Bimberg, V.M.Ustinov, A.Yu.Egorov, A.E.Zhukov, et.al., 1996 Phys.Rev. В v.54(12), pp.8743-8750

26. 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).

27. КовшА.Р., Жуков A.E., Егоров А.Ю., Устинов В.М., Леденцов Н.Н., Максимов М.В., Цацульников А.Ф., Копьев П.С. "Особенности усиления в инжекционных лазерах на основе самоорганизующихся квантовых точек" ФТП 33(2), 215-223 (1999)