Исследование излучательной рекомбинации винжекционных лазерных структурах на основе квантовых точек в системе (In,Ga,Al)As тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ им. А.Ф.ИОФФЕ

на правах рукописи

ГОРДЕЕВ Никита Юрьевич

Исследование излучательной рекомбинации в инжекционных лазерных структурах на основе квантовых точек в системе (1п,Оа,А1)А5

специальность 01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург 1998

Работа выполнена в Физико-Техническом институте им. А.Ф.Иоффе РАН

Научный руководитель:

кандидат физико-математических наук С.В.Зайцев.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук А.Н.Пихтин,

доктор физико-математических наук Ю.П.Яковлев.

Ведущая организация:

Санкт-Петербургский Государственный Технический университет.

Защита состоится ]998 г. в ^^часов на заседании

специализированного совета К 003.23.01 при Физико-Техническом институте им. А.Ф.Иоффе РАН по адресу: 194021, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, 26.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим высылать по вышеуказанному адресу ученому секретарю специализированного совета.

•Авторефератразослан "¿^Ь" р&угг-^* 1998 г.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат физико-математических наук

Г.С.Куликов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Изобретение инжекционного гетеролазера произвело переворот в электронике, радикально улучшив достижимые приборные характеристики и создав основу для широкого применения полупроводниковых материалов в оптоэлектронике.

К настоящему времени приборные характеристики лазеров на основе системы АЮаАз/ОаАБ практически достигли своих теоретически предсказанных пределов [1]. Одним из наиболее перспективных направлений в современной физике полупроводников является получение и исследование свойств структур с размерностью, ниже, чем два: квантовых проволок и квантовых точек. В структурах такого рода размеры активной области в двух или трех направлениях, соответственно, сравнимы с длиной волны де Бройля носителей в полупроводнике. Квантово-размерные эффекты приводят к кардинальному изменению картины плотности состояний в активной области. Использование таких структур позволит значительно улучшить характеристики большинства приборов опто- и микроэлектроники.

Теоретические расчеты предсказывают для лазеров на квантовых точках высокий коэффициент дифференциального усиления, сверхнизкую пороговую плотность тока, сверхвысокую температурную стабильность, увеличение предельной скорости модуляции и достижение более узких спектров оптического усиления [2].

Использование напряженных квантовых точек (1п,Оа)Аз позволяет реализовать преимущества как напряженных структур, позволяющих в лазерах продвинуться в диапазон длин волн до ~ 1 мкм [1], так и систем с пониженной размерностью. Поэтому, в качестве объекта исследования были выбраны квантово-размерные напряженные гете-роструктуры с активной областью на основе системы материалов (1л,Оа,А1)А5, получаемые с помощью молекулярно-пучковой эпитак-сии и газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений на подложках ОаАэ.

Массивы квантовых точек, предназначенные для использования в качестве активной области прибора, должны быть помещены в матрицу более широкозонного материала, допускающую возможность

инжекционного возбуждения. Для реализации высоких значений усиления необходимо получать плотные массивы точек, достаточно однородных по форме и размерам. Для приборных применений желательно, чтобы энергетическое расстояние от нижнего уровня размерного квантования до вышележащих уровней или континиума превосходило несколько кТ при комнатной температуре. Выполнение перечисленных выше условий предъявляет жесткие требования к технологии создания гетероструктур и требует тщательной оптимизации как самой структуры, так и условий ее роста.

К началу данной работы была предложена и осуществлена технология выращивания лазерных гетероструктур с активной областью на основе квантовых точек: квантовые точки формировались при спонтанной морфологической трансформации упруго-напряженного слоя в процессе молекулярно-пучковой эпитаксии и газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений. Существенные характеристики лазерных гетероструктур оставались неисследованными. Была продемонстрирована генерация в лазерах на квантовых точках при температуре 77 К [3], но вместе с тем отсутствовали исследования механизмов утечек, температурных зависимостей пороговой плотности тока и спектров излучения, модового состава излучения, позволяющие достигнуть эффективной лазерной генерации при комнатной температуре.

Целью настоящей работы являлось определение пути расширения возможностей инжекционных гетеролазеров на основе системы материалов (1п,Оа,А1)Аз за счет создания и исследования их нового поколения: лазеров с активной областью на основе массивов квантовых точек (1п,Са)Аз.

Объектом исследования являлись лазерные гетероструктуры с массивами квантовых точек (1п,Оа)АБ, полученные методами молекулярно-пучковой эпитаксии и газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений, а также полосковые лазеры, изготовленные на их основе.

Методом исследования было изучение электролюминесценции лазерных гетероструктур. Исследовались спектральные, мощностные, пороговые характеристики излучения, их температурная зависимость, модовый состав излучения. Проводилось сопоставление полученных

данных с данными фотолюминесцентных исследований и с данными электронной микроскопии.

Задачи исследования:

- развитие электролюминесцентного метода исследования спонтанной и вынужденной рекомбинации применительно к изучению эффектов в квантоворазмерных гетероструктурах;

исследование особенностей спонтанной и вынужденной излучательной рекомбинации в лазерах на основе гетероструктур с активной областью на квантовых точках;

- исследование влияния температуры на основные характеристики квантоворазмерных лазерных гетероструктур;

- исследование особенностей спектрального и модового состава излучения лазеров на квантовых точках.

Результаты работы.

1. Высокая пороговая плотность (1 кА/см2) тока в лазерах с одним слоем квантовых точек (КТ) объясняется сильной делокализацией носителей из состояний КТ. Увеличение числа слоев квантовых точек привело к уменьшению пороговой плотности тока до 300 А/см2 (для 3 слоев) и до 100 А/см2 (для 10 слоев). Одновременно увеличилась и дифференциальная квантовая эффективность (ДКЭ) с 30 % до 50 %, соответственно. Это объясняется усилением локализации носителей в квантовых точках и, соответственно, увеличением внутренней квантовой эффективности вынужденного излучения.

2. Использование более широкозонного твердого раствора АЮэАб вместо ваАз в качестве матрицы квантовых точек позволило значительно снизить пороговую плотность тока (до 62 А/см2) и поднять эффективность вынужденного излучения за счет предотвращения термического выброса носителей из КТ.

3. Обнаружено, что в структурах с вертикально-совмещенными КТ (ВСКТ) присутствует два основных механизма утечек носителей: делокализация носителей и безызлучательная рекомбинация различных типов препятствуют попаданию носителей в основные состояния КТ и исключают их из процесса усиления. Только 65 % носителей, участвующих в излучательной рекомбинации, дают вклад в вынужденное излучение, а внутренняя квантовая эффективность составляет величину порядка 40 %.

4. Зависимость длины волны генерации лазеров с ВСКТ от температуры носит монотонный характер и повторяет температурную зависимость ширины запрещенной зоны в ОаАБ, в то время как длина волны максимума спонтанного излучения смещается относительно нее в коротковолновую область, т.е. в область больших энергий, характеризуя соответствующее увеличение плотности тока накачки и уменьшение внутреннего квантового выхода вынужденного излучения. Такой характер зависимостей может быть объяснен делокализацией носителей из квантовых точек при увеличении температуры.

5. Увеличение числа слоев квантовых точек от одного до десяти приводит к увеличению характеристической температуры при малых температурах наблюдения, что связано с увеличением энергии локализации носителей, достигаемой в лазерных гетероструктурах такого типа. Для лазерных структур с 6 и 10 слоями КТ при температурах порядка 100 К наблюдается участок снижения пороговой плотности тока с ростом температуры, что может быть связано с изменением распределения носителей в КТ от неравновесного при низких температурах к равновесному при высоких.

6. Обнаружено, что лазер полосковой геометрии с оксидным полос-ком может иметь одновременно несколько поперечных мод разного порядка, которые характеризуются разными спектрами усиления и, соответственно, разными порогами генерации. Такой модовый состав излучения объясняется отсутствием материального ограничения носителей и излучения в плоскости, параллельной р-п переходу, а также отсутствием свободного обмена носителями между квантовыми точками в активной области лазера.

7. Полученные данные позволили создать лазерные гетероструктуры на квантовых точках с параметрами излучения (пороговой плотностью тока, температурной стабильностью), рекордными на момент получения. Достигнута характеристическая температура То=530 К в диапазоне до 220 К. Наименьшая достигнутая пороговая плотность тока составила менее 20 А/см2 при 77 К и 62 А/см2 при комнатной температуре.

Представляемые к защите научные положения: Положение 1 (об эффективности накачки) В исследованных лазерных гетероструктурах присутствуют два принципиальных механизма внутренних утечек: безызлучательная рекомбинация различного типа препятствует достижению носителями основного состояния квантовых точек, а выброс носителей из квантовых точек исключает их из участия в усилении, приводя к тому, что только около 25 % приложенного к структуре тока используется для достижения порога лазерной генерации.

Положение 2 (о насыщении усиления)

В лазерных структурах с одним слоем квантовых точек наблюдается переход от генерации через состояния квантовых точек к генерации через состояния смачивающего слоя, связанный с эффектом насыщения усиления через состояния квантовых точек.

Положение 3 (об отрицательной температурной зависимости пороговой плотности тока)

В лазерах на вертикально-совмещенных квантовых точках при температурах вблизи 100 К обнаружено явление уменьшения пороговой плотности тока при увеличении температуры.

Положение 4 (о модовом составе излучения) В отсутствие материального ограничения носителей и излучения в плоскости, параллельной р-п переходу, и свободного обмена носителями между квантовыми точками в активной области лазер полос-ковой геометрии может иметь одновременно несколько поперечных мод разного порядка с разными спектрами усиления и, соответственно, разными порогами генерации.

Приоритет результатов. Представляемые к защите результаты исследований электролюминесцентных свойств инжекционных гетеро-лазеров с активной областью на основе массивов квантовых точек (1п,Оа)Аз в матрице системы (А1,Са)Аз, полученных методами молеку-лярно-пучковой эпитаксии и газофазной эпитаксии из металлооргани-ческих соединений, получены впервые. Значение результатов

Исследование особенностей спонтанной и вынужденной излу-чательной рекомбинации, спектров и модового состава излучения лазерных гетероструктур с активной областью на квантовых точках дает

информацию, необходимую для совершенствования характеристик приборов на их основе.

Показано подавление эффекта насыщения усиления и уменьшение термического выброса носителей из состояний квантовых точек за счет использования массивов вертикально-совмещенных квантовых точек, а также за счет использования твердого раствора AlGaAs вместо GaAs в качестве матрицы квантовых точек, что позволяет существенно уменьшить пороговую плотность тока и увеличить его температурную стабильность. Продемонстрирована низкопороговая лазерная генерация при комнатной температуре через квази-нульмерные состояния со значением порогового тока 62 А/см2, что является рекордом на момент получения. Получена сверхвысокая температурная стабильность пороговой плотности тока (с характеристической температурой 530 К).

Исследования механизмов внутренних утечек из состояний квантовых точек показывают возможность снижения пороговой плотности тока при комнатной температуре до значений порядка 15 А/см2.

Исследования модового состава излучения и его спектральных особенностей продемонстрировали возможность существования для различных поперечных мод разных спектров усиления, что расширяет возможности применения лазеров этого типа.

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы докладывались на 8ой Европейской конференции по молекулярно-пучковой эпитаксии (Испания, 1995), Международной конференции SPIE по оптическим свойствам материалов (Киев, Украина, май 1995), 11ой Международной конференции по молекулярно-пучковой эпитаксии (Малибу, США, 1996), ежегодном Международном симпозиуме по физике и технологии наноструктур (С.-Петербург, Россия, 1996 и 1997), 9ой Международной конференции по сверхрешеткам, микроструктурам и приборам на их основе (Льеж, Бельгия, июль 1996), школе НАТО по физике полупроводников (Сопол, Болгария, сентябрь 1996), 23м Международном симпозиуме по полупроводникам (С.-Петербург, Россия, Сентябрь 1996), Международном симпозиуме по свойствам, получению и приборному применению структур на квантовых точках (Саппоро, Япония, ноябрь 1996), Международной конференции LEOS'96 (Бостон, США,

ноябрь 1996), Международной конференции CLEO Pacific Rim'97 (Чиба, Япония, июль 1997).

Публикации.

Основные результаты диссертации опубликованы в 29 печатных работах (в том числе 8 - в реферируемых журналах и 21 - в материалах международных конференций).

Структура диссертации: диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение

В нем показана актуальность создания и исследования инжек-ционных лазерных структур на основе квантовых точек. Сформулированы цель работы, вытекающие из нее задачи, а также приведены положения, выносимые на защиту.

Первая глава носит обзорный характер.

В первом параграфе рассмотрены особенности полупроводниковых структур с размерностью ниже, чем два и вытекающие из этого приборные особенности, применительно к инжекционным лазерам. Показано, что лазеры на квантовых точках (КТ) по важнейшим своим параметрам (пороговая плотность тока, температурная стабильность, дифференциальное усиление) должны превзойти лазеры с активной областью большей размерности. Использование напряженных гетеро-структур расширяет диапазон достижимых длин волн лазерной генерации. Таким образом, инжекционные лазеры с активной областью на основе напряженных квантовых точек позволяют реализовать преимущества как напряженных структур, так и систем с пониженной размерностью.

Второй параграф посвящен методам создания массивов квантовых точек. Рассмотрены основные требования к квантовым точкам для их приборного применения. Описаны основные методы создания массивов квантовых точек и указаны их достоинства и недостатки.

Во второй главе рассматриваются методы получения гетерост-руктур, использованных в настоящей работе, и особенности формирования в них массивов квантовых точек.

Первый параграф посвящен обсуждению эффектов спонтанной самоорганизации, наблюдаемых при осаждении сильно напряженных слоев, приводящих к формированию в процессе выращивания объектов, размеры которых во всех трех измерениях могут быть порядка 100 А. Эти размеры достаточно малы, чтобы могли проявиться эффекты размерного квантования по всем трем направлениям как для электронов, так и для дырок. Высокая интенсивность люминесценции, наблюдаемой из сформированных таким образом массивов квантовых точек, предполагает возможность их применения в качестве активной области светоизлучающих приборов.

Во втором параграфе рассматривается возможность увеличения достижимого коэффициента усиления, а именно увеличение числа квантовых точек на единицу поверхности. Это возможно с помощью повторения рядов точек в направлении роста. При разделении нескольких рядов точек достаточно узкими прослойками широкозонного материала наблюдается эффект вертикального совмещения островков соседних рядов, и эти, так называемые вертикально совмещенные квантовые точки (ВСКТ), представляют собой единый квантовомеханиче-ский объект.

Третий параграф посвящен описанию возможностей создания квантоворазмерных гетероструктур методами молекулярно-пучковой эпитаксии (МПЭ) и газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений (МО ГФЭ). Рассмотрены конкретные особенности технологии выращивания лазерных структур с активной областью на квантовых точках.

В третьей главе приведены результаты исследований излуча-тельных характеристик лазеров на квантовых точках.

В первом параграфе изложены методики подготовки образцов для электролюминесцентных исследований. Рассмотрена схема экспериментальной установки для исследования пороговых и мощностных характеристик лазеров на квантовых точках.

Второй параграф содержит результаты исследования дифференциальной квантовой эффективности (ДКЭ) и пороговой плотности тока инжекционных лазеров на квантовых точках.

В лазерах с одним слоем КТ пороговая плотность тока составила величину порядка 1 кА/см2 при комнатной температуре. Столь

высокое значение объясняется сильной делокализацией носителей из состояний КТ, что подтверждается и наблюдаемым эффектом насыщения усиления через состояния КТ, выражающемся в переходе от генерации через состояния КТ к генерации через состояния смачивающего слоя при увеличении тока накачки. Увеличение числа слоев квантовых точек привело к уменьшению пороговой плотности тока до 300 А/см2 (для 3 слоев) и до 100 А/см2 (для 10 слоев). Одновременно увеличилась и ДКЭ с 30 % до 50 %, соответственно. Это объясняется усилением локализации носителей в квантовых точках и, соответственно, увеличением внутренней квантовой эффективности вынужденного излучения.

Использование более широкозонного твердого раствора АЮаАэ вместо СаАэ в качестве матрицы квантовых точек позволило значительно снизить пороговую плотность тока (до 62 А/см2) и поднять эффективность вынужденного излучения.

В третьем параграфе рассмотрена модификация экспериментальной установки для электролюминесцентных исследований и методика подготовки образцов, позволяющие изучать внутреннюю квантовую эффективность и эффективность спонтанной излучательной рекомбинации.

Механизмы внутренних утечек в лазерных гетероструктурах на КТ исследовались путём изучения эффективности спонтанного и вынужденного излучения при различных температурах. Квантовая эффективность вынужденного излучения оценивалась посредством измерения параметров полосковых лазеров с различной длиной резонатора. Экстраполяция зависимости обратной ДКЭ от длины резонатора к оси ординат показывает внутреннюю квантовую эффективность процесса генерации.

Оптимизация ростового процесса и использование многослойных квантовых точек позволили увеличить внутреннюю квантовую эффективность в 10 раз на пороге генерации в сравнении с лазерной гетероструктурой с одним слоем квантовых точек.

Использование состава АЮаАэ в качестве матрицы для квантовых точек привело к возрастанию эффективности спонтанной рекомбинации за счет предотвращения термического выброса носителей из КТ.

Усиление локализации носителей в КТ при уменьшении температуры от комнатной до 77 К приводит к увеличению ДКЭ в 1.5-^2 раза и к увеличению внутреннего квантового выхода спонтанной излу-чательной рекомбинации примерно в 2 раза.

Таким образом, в структурах с вертикально-совмещенными КТ присутствует два основных механизма утечек носителей: делокали-зация носителей и безызлучательная рекомбинация различных типов препятствуют попаданию носителей в основные состояния КТ и исключают их из процесса усиления. Только 65 % носителей, участвующих в излучательной рекомбинации, дают вклад в вынужденное излучение, а внутренняя квантовая эффективность составляет величину порядка 40 %. Таким образом, только около 25 % приложенного тока используется для достижения порога лазерной генерации. Отсюда следует, что пороговая плотность тока в лазерах на квантовых точках может быть снижена до 15 А/см2 при комнатной температуре путём подавления безызлучательной рекомбинации и улучшения локализации носителей в основном состоянии квантовых точек.

Четвертая глава посвящена исследованиям температурных зависимостей излучения лазеров с квантоворазмерной активной областью.

В первом параграфе описана методика и схема экспериментальной установки для исследования зависимостей пороговых и мощ-ностных характеристик, а также спектров излучения лазеров на квантовых точках от температуры в диапазоне 77-г300 К.

Зависимость длины волны генерации лазеров с ВСКТ от температуры носит монотонный характер и повторяет температурную зависимость ширины запрещенной зоны в ОаАэ, в то время как длина •волны максимума спонтанного излучения смещается относительно нее в коротковолновую область, т.е. в область больших энергий, характеризуя соответствующее увеличение плотности тока накачки и уменьшение внутреннего квантового выхода вынужденного излучения. Такой характер зависимостей может быть, например, объяснен уже упоминавшейся выше делокализацией носителей из квантовых точек при увеличении температуры.

Во втором параграфе анализируется характеристическая температура пороговой плотности тока лазеров с активной областью на квантовых точках.

При температурах наблюдения в диапазоне 170-ь200 К наблюдается резкое увеличение пороговой плотности тока при одновременном сохранении монотонного характера зависимости длины волны излучения. Основной причиной этого является термический выброс носителей из квантовых точек в прилегающие слои при повышенных температурах наблюдения, что обуславливает необходимость увеличения плотности тока инжекции, требуемой для поддержания коэффициента усиления, обеспечивающего лазерную генерацию.

Увеличение числа слоев квантовых точек от одного до десяти приводит к увеличению характеристической температуры при малых температурах наблюдения, что связано с увеличением энергии локализации носителей, достигаемой в лазерных гетероструктурах такого типа. Для лазерных структур с 6 и 10 слоями КТ в низкотемпературном диапазоне наблюдается участок снижения пороговой плотности тока с ростом температуры, что может быть связано с изменением распределения носителей в КТ от неравновесного при низких температурах к равновесному при высоких.

При низких температурах заселение состояний КТ определяется не распределением Ферми, а вероятностью захвата электрона (дырки) в точку определенного размера. Так как число носителей, инжектированных в точки разного размера, примерно одинаково, область неравновесного заселения характеризуется более широким распределением носителей по состояниям КТ по сравнению со случаем достижения квазиравновесия. В последнем случае положение квазиуровня Ферми в пределе низких температур является верхней границей заполненных состояний, тогда как в неравновесном случае заполнены также и более высоко лежащие состояния КТ. Следовательно, одинаковый коэффициент усиления будет достигаться в случае квазиравновесного распределения при меньшей плотности тока инжекции по сравнению с диапазоном температур, в котором распределение Ферми не имеет силы.

В пятой главе обсуждаются особенности модового состава излучения лазеров на квантовых точках.

В первом параграфе описана методика и схема экспериментальной установки для анализа модового состава излучения лазеров на квантовых точках: ближнего поля, дальнего поля, а также модификация установки для исследования дальнего поля со спектральным разрешением.

Во втором параграфе анализируется ближнее и дальнее поле излучения.

Инжекционные лазеры на гетероструктурах, содержащих один слой InAs/GaAs KT, показали наличие интересных спектральных свойств, таких, например, как генерация в одной продольной моде вплоть до мощности излучения 22 мВт при накачке постоянным током. В структурах с ВСКТ наблюдалось уширение спектра лазерной генерации, что объясняется дисперсией квантовых точек по размерам.

При исследовании спектров лазеров полосковой конструкции были обнаружены независимые группы продольных мод. Кроме этого, наблюдались дополнительные максимумы в спектре суперлюминесценции. Спектральный интервал между группами не зависел ни от длины резонатора, ни от температуры наблюдения. Их положение сверхлинейно зависело от температуры. Межмодовое расстояние в этих группах значительно различалось. Разница составляла более 10 %. Ближнее поле излучения оставалось однородным, что позволило исключить влияние шпотовой генерации.

Используя факт прозрачности подложки для излучения лазера, удалось исследовать распределение концентрации фотонов в резонаторе в продольном направлении. Однородное продольное распределение концентрации фотонов в лазере исключало наличие составных резонаторов. Исследование дальнего поля излучения со спектральным разрешением дало прямое доказательство того, что наблюдаемые группы продольных мод суть поперечные моды разных порядков.

Для лазера полосковой геометрии с оксидным полоском характерно отсутствие материального ограничения носителей и излучения в плоскости, параллельной р-п переходу, что приводит к неравномерному распределению тока накачки в активной области. При отсутствии свободного обмена носителями между квантовыми точками в

активной области это приводит к тому, что лазер может иметь одновременно несколько поперечных мод разного порядка, которые характеризуются разными спектрами усиления и, соответственно, разными порогами генерации.

В заключении сформулированы основные результаты работы:

1.Высокая пороговая плотность (1 кА/см2) тока в лазерах с одним слоем KT объясняется сильной делокализацией носителей из состояний KT. Увеличение числа слоев квантовых точек привело к уменьшению пороговой плотности тока до 300 А/см2 (для 3 слоев) и до 100 А/см2 (для 10 слоев). Одновременно увеличилась и (ДКЭ) с 30% до 50%, соответственно. Это объясняется усилением локализации носителей в квантовых точках и, соответственно, увеличением внутренней квантовой эффективности вынужденного излучения.

2.Использование более широкозонного твердого раствора AlGaAs вместо GaAs в качестве матрицы квантовых точек позволило значительно снизить пороговую плотность тока (до 62 А/см2) и поднять эффективность вынужденного излучения за счет предотвращения термического выброса носителей из KT.

3 .Обнаружено, что в структурах с ВСКТ присутствует два основных механизма утечек носителей: делокализация носителей и безызлуча-тельная рекомбинация различных типов препятствуют попаданию носителей в основные состояния KT и исключают их из процесса усиления. Только 65 % носителей, участвующих в излучательной рекомбинации, дают вклад в вынужденное излучение, а внутренняя квантовая эффективность составляет величину порядка 40 %. 4.Зависимость длины волны генерации лазеров с ВСКТ от температуры носит монотонный характер и повторяет температурную зависимость ширины запрещенной зоны в GaAs, в то время как длина волны максимума спонтанного излучения смещается относительно нее в коротковолновую область, т.е. в область больших энергий, характеризуя соответствующее увеличение плотности тока накачки и уменьшение внутреннего квантового выхода вынужденного излучения. Такой характер зависимостей может быть объяснен делокализацией носителей из квантовых точек при увеличении температуры. 5.Увеличение числа слоев квантовых точек от одного до десяти приводит к увеличению характеристической температуры при малых тем-

пературах наблюдения, что связано с увеличением энергии локализации носителей, достигаемой в лазерных гетероструктурах такого типа. Для лазерных структур с 6 и 10 слоями KT при температурах порядка 100 К наблюдается участок снижения пороговой плотности тока с ростом температуры, что может быть связано с изменением распределения носителей в KT от неравновесного при низких температурах к равновесному при высоких.

6.Обнаружено, что лазер полосковой геометрии с оксидным полоском может иметь одновременно несколько поперечных мод разного порядка, которые характеризуются разными спектрами усиления и, соответственно, разными порогами генерации. Такой модовый состав излучения объясняется отсутствием материального ограничения носителей и излучения в плоскости, параллельной р-п переходу, а также отсутствием свободного обмена носителями между квантовыми точками в активной области лазера.

7.Полученные данные позволили создать лазерные гетероструктуры на квантовых точках с параметрами излучения (пороговой плотностью тока, температурной стабильностью), рекордными на момент получения. Достигнута характеристическая температура Т0=530 К в диапазоне до 220 К. Наименьшая достигнутая пороговая плотность тока составила менее 20 А/см2 при 77 К и 62 А/см2 при комнатной температуре.

Содержание работы отражено в следующих научных публикациях:

1. V.M.Ustinov, A.Yu.Egorov, A.E.Zhukov, N.N.Ledentsov, A.V.Lunev, S.V.Zaitsev, N.Yu.Gordeev, M.P.Soshnikov and P.S.Kop'ev, "Singlemode operation of injection lasers based on (In,Ga)As quantum dots", Proc. 8-th European Workshop on MBE, Sierra Nevada, Granada, Spain, 149(1995).

2. S.V.Zaitsev, N.Yu.Gordeev, M.P.Soshnikov, A.Yu.Egorov, A.E.Zhukov, V.M.Ustinov, N.N.Ledentsov and P.S.Kop'ev, "Peculiarities of recombination processes in injection lasers based on (In,Ga)As quantum dots leading to the single longitudinal mode operation at room temperature", OPTDIM-95/SPIE, Kiev, Ukraine, proc. N2648-45, 287 (1995).

3. S.V.Zaitsev, N.Yu.Gordeev, M.P.Soshnikov, V.M.Ustinov,

A.Yu.Egorov, A.E.Zhukov, N.N.Ledentsov, I.N.Kochnev, V.P.Komin, P.S.Kop'ev, "Room temperature quantum dot injection lasers: electroluminescent characteristics", abstract, SPIE's International Symposia Photonics West, San Jose, USA, proc. N2693-80 (1996).

4. Ж.И.Алферов, Н.Ю.Гордеев, С.В.Зайцев, П.С.Копьев, И.В.Кочнев,

B.В.Комин, И.Л.Крестников, Н.НЛеденцов, А.ВЛунев, М.В.Максимов, С.С.Рувимов, А.В.Сахаров, А.Ф.Цацульников, Ю.М.Шерняков, Д.Бимберг, "Низкопороговый инжекционный ге-теролазер на квантовых точках, полученный методом газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений", Физика и Техника Полупроводников, 30(2), 357 (1996).

5. V.M.Ustinov, A.Yu.Egorov, A.E.Zhukov, M.V.Maksimov, A.F.Tsatsulnikov, N.Yu.Gordeev, S.V.Zaitsev, Yu.M.Shernyakov, N.A.Bert, P.S.Kop'ev, Zh.I.Alferov, N.N.Ledentsov, J.Bohrer, D.Bimberg, A.O.Kosogov, P.Werner, U.Gosele "Low-threshold injection lasers based on vertically coupled quantum dots", IX Int. Conf. on MBE, 5-9 Aug. 1996, Malibu, CA, USA (1996). J. of Cryst. Growth 175/176,689(1997).

6. A.E.Zhukov, A.Yu.Egorov, A.R.Kovsh, V.M.Ustinov, M.V.Maksimov, A.F.Tsatsulnikov, N.N.Ledentsov, N.Yu.Gordeev, S.V.Zaitsev, P.S.Kop'ev, "Thermal stability of vertically coupled InAs-GaAS quantum dot arrays", Proc. Int. Symp. Nanostructures: Physics and Technology, St.Petersburg, Russia, 137 (1996).

7. V.M.Ustinov, A.Yu.Egorov, A.E.Zhukov, M.V.Maksimov, A.F.Tsatsulnikov, N.N.Ledentsov, N.Yu.Gordeev, S.V.Zaitsev, Yu.M.Shernyakov, N.A.Bert, A.O.Kosogov, P.S.Kop'ev, D.Bimberg, and Zh.I.Alferov, "Room temperature CW operation of quantum dot injection laser", Proc. Int. Symp. Nanostructures: Physics and Technology, St.Petersburg, Russia, 343 (1996).

8. M.V.Maksimov, Yu.M.Shernyakov, N.Yu.Gordeev, S.V.Zaitsev, P.S.Kop'ev, I.V.Kochnev, N.N.Ledentsov, S.S.Ruvimov, A.O.Kosogov, I.L.Krestnikov, B.V.VoIovik, A.F.Tsatsulnikov, Zh.I.Alferov, "Injection heterolaser based on quantum dots with ultrahigh temperature stability of the threshold current up to 50°C", Proc. Int. Symp. Nanostructures: Physics and Technology, St.Petersburg, Russia, 347 (1996).

9. S.V.Zaitsev, N.Yu.Gordeev, V.M.Ustinov, A.Yu.Egorov, A.E.Zhukov, M.V.Maksimov, N.N.Ledentsov, P.S.Kop'ev, "Room temperature injection lasers with vertically coupled quantum dots: localisation of carriers and lasing parameters", Proc. Int. Symp. Nanostructures: Physics and Technology, St.Petersburg, Russia, 366 (1996).

10. S.V.Zaitsev, N.Yu.Gordeev, V.M.Ustinov, A.E.Zhukov, A.Yu.Egorov, N.N.Ledentsov, M.V.Maximov, P.S.Kop'ev, Zh.I.Alferov, D.Bimberg, "Radiation characteristics of Injection lasers based on vertically coupled quantum dots", Proc. ICSMM-9, Liege, Belgium, July 1996, Superlattices and Microstructures, 21(4), 559 (1997).

11. M.V.Maksimov, I.V.Kochnev, Yu.M.Shernyakov, S.V.Zaitsev, N.Yu.Gordeev, A.F.Tsatsul'nikov, A.V.Sakharov, l.L.Krestnikov, P.S.Kop'ev, Zh.I.Alferov, N.N.Ledentsov, D.Bimberg, A.O.Kosogov, S.S.Ruvimov, P.Werner, U.Gosele, "InGaAs/GaAs quantum dot lasers with ultrahigh characteristic temperature (T0=385K) grown by metal organic chemical vapour deposition", Proc. 23rd International Symposium on Compound Semiconductors, St.Petersburg, Russia, September 1996.

12. V.M.Ustinov, A.E.Zhukov, A.Yu.Egorov, A.R.Kovsh, M.A.Odnobludov, N.N.Ledentsov, A.F.Tsatsul'nikov, M.V.Maksimov, S.V.Zaitsev, N.Yu.Gordeev, Yu.M.Shernyakov, P.S.Kop'ev, Zh.I.Alferov, D.Bimberg, "Extremely low threshold AlGaAs/InGaAs quantum dot injection laser", Proc. 23rd International Symposium on Compound Semiconductors, St.Petersburg, Russia, September 1996.

13. S.V.Zaitsev, N.Yu.Gordeev, V.I.Kopchatov, V.M.Ustinov, A.E.Zhukov, A.Yu.Egorov, N.N.Ledentsov, M.V.Maximov, P.S.Kop'ev, Zh.I.Alferov, "Vertically coupled quantum dot lasers: first device oriented structures with high internal quantum efficiency", Proc. Int. Symp. Formation, Physics and Device Application of Quantum Dot Structures, Sapporo, Japan, November 1996. Japanese Journal of Applied Physics, 36(6B), Part 1,4219 (1997).

14. A.E.Zhukov, V.M.Ustinov, A.Yu.Egorov, A.R.Kovsh, A.F.Tsatsul'nikov, N.N.Ledentsov, S.V.Zaitsev, N.Yu.Gordeev, I.V.Kochnev, P.S.Kop'ev, Zh.I.Alferov, "Negative characteristic temperature of InGaAs quantum dot injection laser", Proc. Int. Symp. Formation, Physics and Device Application of Quantum Dot Structures,

Sapporo, Japan, November 1996. Japanese Journal of Applied Physics, 36(6B), Part 1,4216(1997).

15. M.V.Maximov, I.V.Kochnev, Yu.M.Shernyakov, S.V.Zaitsev, N.Yu.Gordeev, A.F.Tsatsul'nikov, A.V.Sakharov, I.L.Krestnikov, P.S.Kop'ev, Zh.I.Alferov, N.N.Ledentsov, D.Bimberg, A.O.Kosogov, S.S.Ruvimov, P.Werner, U.Gosele, "InGaAs/GaAs quantum dot lasers with ultrahigh characteristic temperature (T0=385K) grown by metal organic chemical vapour deposition", Proc. Int. Symp. Formation, Physics and Device Application of Quantum Dot Structures, Sapporo, Japan, November 1996. Japanese Journal of Applied Physics, 36(6B), Part 1,4221 (1997).

16. S.V.Zaitsev, A.M.Georgievski, N.Yu.Gordeev, V.l.Kopchatov, V.M.Ustinov, A.E.Zhukov, A.Yu.Egorov, I.V.Kochnev, N.N.Ledentsov, P.S.Kop'ev, and Zh.I.Alferov, "Room temperature quantum dot lasers: from basic experiments to first device oriented structures", Proc. Int. Conf. LEOS'96 (Lasers and Electro-Optics Society), Boston, USA, November 1996, 320(1996).

17. N.N.Ledentsov, V.A.Shchukin, M.Grundmann, N.Kirstaedter, J.Bohrer, O.Schmidt, D.Bimberg, V.M.Ustinov, A.Yu.Egorov, A.E.Zhukov, P.S.Kop'ev, S.V.Zaitsev, N.Yu.Gordeev, Zh.I.Alferov, A.I.Borovkov, A.O.Kosogov, S.S.Ruvimov, P.Werner, U.Gosele, and J.Heydenreich, "Direct formation of vertically coupled quantum dots in Stranski-Krastanovv growth", Physical Review B, 54(12), 8743 (1996).

18. А.Е.Жуков, А.Ю.Егоров, A.P.Ковш, В.М.Устинов, М.В.Максимов, А.Ф.Цацульников, Н.Н.Леденцов, С.В.Зайцев, Н.Ю.Гордеев, П.С.Копьев, Д.Бимберг, Ж.И.Алферов, "Термическая стабильность массивов вертикально совмещенных квантовых точек InAs-GaAs", Физика и Техника Полупроводников, 31(1), 104 (1997).

19. М.В.Максимов, Н.Ю.Гордеев, С.В.Зайцев, П.С.Копьев, И.В.Кочнев, Н.НЛеденцов, А.ВЛунев, С.С.Рувимов, А.В.Сахаров, А.Ф.Цацульников, Ю.М.Шерняков, Ж.И.Алферов, D.Bimberg, "Инжекционный гетеролазер на квантовых точках со сверхвысокой температурной стабильностью порогового тока до 50° С", Физика и Техника Полупроводников, 31(2), 162 (1997).

20. А.Е.Жуков, А.Ю.Егоров, А.Р.Ковш, В.М.Устинов, М.В.Максимов, А.Ф.Цацульников, Н.НЛеденцов, С.В.Зайцев, Н.Ю.Гордеев,

П.С.Копьев, Д.Бимберг, Ж.И.Алферов,"Инжекционный лазер на основе массива вертикально совмещенных квантовых точек InGaAs в матрице AlGaAs", Физика и Техника Полупроводников, 31(4), 483 (1997).

21. С.В.Зайцев, Н.Ю.Гордеев, В.М.Устинов, А.Е.Жуков, А.Ю.Егоров, М.В.Максимов, А.Ф.Цацульников, Н.Н.Леденцов, П.С.Копьев, Д.Бимберг, Ж.И.Алферов, "Исследование свойств низкопороговых гетеролазеров с массивами квантовых точек", Физика и Техника Полупроводников, 31(5), 539 (1997).

22. A.R.Kovsh, A.E.Zhukov, M.A.Odnoblyudov, A.Yu.Egorov, V.M.Ustinov, N.N.Ledentsov, A.F.Tsatsurnikov, N.Yu.Gordeev, S.V.Zaitsev, P.S.Kop'ev, "Quantum dot laser with high temperature stability of threshold current density", Proc. NATO ASI, "Devices Based on Low-Dimensional Semiconductor Structures" Sopol, Bulgaria September 18-29, 1996 (to be published in NATO ASI series 1997).

23. A.E.Zhukov, V.M.Ustinov, A.Yu.Egorov, A.R.Kovsh, N.N.Ledentsov, M.V.Maksimov, A.F.Tsatsurnikov, N.Yu.Gordeev, S.V.Zaitsev, P.S.Kop'ev, "Injection lasers based on vertically coupled quantum Dots", Proc. NATO ASI, "Devices Based on Low-Dimensional Semiconductor Structures" Sopol, Bulgaria September 18-29, 1996 (to be published in NATO ASI series 1997).

24. М.В.Максимов, Ю.М.Шерняков, С.В.Зайцев, Н.Ю.Гордеев,

A.Ю.Егоров, А.Е.Жуков, П.С.Копьев, А.О.Косогов, А.В.Сахаров, Н.НЛеденцов, В.М.Устинов, А.Ф.Цацульников, Ж.И.Алферов, J.Bohrer, D.Bimberg, "Оптические свойства вертикально связанных квантовых точек InGaAs в матрице GaAs", Физика и Техника Полупроводников, 31(6), 670 (1997).

25. С.В.Зайцев, Н.Ю.Гордеев, В.И.Копчатов, А.М.Георгиевский,

B.М.Устинов, А.Е.Жуков, А.Ю.Егоров, А.Р.Ковш, Н.Н.Леденцов, П.С.Копьев, Д.Бимберг, Ж.И.Алферов, "Лазеры на квантовых точках: основные компоненты пороговой плотности тока", Физика и Техника Полупроводников, т.31(9), 1106-1108 (1997).

26. N.Yu.Gordeev, A.M.Georgievski, V.I.Kopchatov, S.V.Zaitsev, A.Yu.Egorov, A.R.Kovsh, V.M.Ustinov, A.E.Zhukov, and P.S.Kop'ev, "Modal composition of radiation in room temperature quantum dot

Lasers", Proc. Int. Symp. Nanostructures: Physics and Technology, St.Petersburg, Russia, 183 (1997).

27. M.V.Maximov, Yu.M.Shernyakov, N.N.Ledentsov, A.F.Tsatsul'nikov, A.V.Lunev, A.V.Sakharov, V.M.Ustinov, A.Yu.Egorov, A.E.Zhukov, A.R.Kovsh, S.V.Zaitsev, N.Yu.Gordeev, P.S.Kop'ev, Zh.I.Alferov, D.Bimberg, "High power InGaAs/AlGaAs quantum dot laser", Proc. Int. Symp. Nanostructures: Physics and Technology, St.Petersburg, Russia, 202(1997).

28. A.E.Zhukov, V.M.Ustinov, A.Yu.Egorov, A.R.Kovsh, A.F.Tsatsurnikov, M.V.Maximov, N.N.Ledentsov, S.V.Zaitsev, N.Yu.Gordeev, V.I.Kopchatov, Yu.M.Shernyakov, P.S.Kop'ev, D.Bimberg, Zh.I.Alferov, "Injection lasers based on InGaAs quantum dots in an AlGaAs matrix", Proc. 39m electronic materials conference, Colorado State University, Fort Collins, Colorado, June 25-27, 1997.

29. S.V.Zaitsev, A.M.Georgievski, N.Yu.Gordeev, V.I.Kopchatov, V.M.Ustinov, A.E.Zhukov, A.Yu.Egorov, A.R.Kovsh, N.N.Ledentsov, P.S.Kop'ev, Zh.I.Alferov, D.Bimberg, G.S.Buller, I.Gontijo, "Room Temperature multi-stacked quantum dot lasers: basic components of threshold current density", Proc. Pacific Rim Conference on Lasers and Electro-Optics, CLEO Pacific Rim'97, Chiba, Japan, July 14-18, 1997.

Цитированная литература:

1. 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.

2. Y.Arakawa and H.Sakaki, "Multidimensional quantum well laser and temperature dependence of its threshold current", Appl. Phys. Lett., 40(11), 939(1982).

3. N.Kirstaedter, N.N.Ledentsov, M.Grundmann, D.Bimberg, V.M.Ustinov, S.S.Ruvimov, M.V.Maximov, P.S.Kop'ev, Zh.I.Alferov, U.Richter, P.Werner, U.Gosele, and J.Heydenreich, "Low threshold, large T0 injection laser emission from (InGa)As quantum dots", Electron. Lett., 30(17), 1416 (1994).