Введение к работе
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 AlGaAs/GaAs 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 (In,Ga)As 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 (In,Ga,Al)As, получаемые с помощью молекулярно-пучковой эпитак-сии и газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений на подложках GaAs.
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 эпи-таксии 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 (In,Ga,Al)As за счет создания и исследования их нового поколения: лазеров с активной областью на основе массивов квантовых точек (In,Ga)As.
Объектом исследования являлись лазерные гетероструктуры с массивами квантовых точек (In,Ga)As, 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.
-
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.
-
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 КТ.
-
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 %.
-
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.
-
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.
-
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-n переходу, а также отсутствием свободного обмена носителями между квантовыми точками в активной области лазера.
-
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-n 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 (In,Ga)As в матрице системы (Al,Ga)As, 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.
