Полупроводниковые лазеры на квантовых точках - Студенческий научный форум

XII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2020

Полупроводниковые лазеры на квантовых точках

Морковский А.Д. 1
1Поволжский Государственный Университет Телекоммуникаций и Информатики
 Комментарии
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

На сегодняшний день трудно представить себе современную физику твердого тела без полупроводниковых гетероструктур. Предложение полупроводниковых лазеров на р – n-структуре на основе GaAs с возможностью стимулированного излучения и создание лазеров и светоизлучающих диодов (СИД) на pn-переходе были теми зернами, из которых начала расти полупроводниковая электроника. Однако лазеры были неэффективны из-за высоких оптических и электрических потерь. Пороговые токи были очень высоки, и для получения генерации требовались низкие температуры. Эффективность СИД была также очень низкой вследствие высоких внутренних потерь.

Одно из главных преимуществ КТ-структур является результатом полного трехмерного ограничения распространения носителей в нанометровом масштабе [25]. Поэтому полупроводниковые квантовые точки ведут себя как отдельные невзаимодействующие или слабо взаимодействующие атомы. Они показывают дискретный энергетический спектр с энергией расщепления зависящей от геометрических размеров. Из дискретности энергетического спектра можно непосредственно уменьшить максимум плотности состояний при энергии излучения лазера, и достигнуть значительного уменьшения пороговой плотности носителей. В качестве примера, коэффициент модового усиления в КЯ- (не закрашенные точки) и КТ- (черные точки) лазерных материалах сравниваются как функции плотности тока на рис. 1.1 [18]. Оба лазера излучают на длине волны 980 нм при 20°С и имеют одинаковую вертикальную конструкцию волновода. Для сравнения, внутреннее поглощение 2,2 см-1 отмечено пунктирной линией. Из-за снижения активного объема примерно на порядок величины коэффициент модового усиления КТлазера с одним слоем квантовых точек значительно ниже КЯ-лазера при более высоких токах накачки. Тем не менее, пороговое условие в КТ-лазере может быть выполнено при заметно более низких токах накачки и в основном ограничено внутренним поглощением, тогда как для КЯ-лазеров минимальная пороговая плотность тока обычно не менее 60 А/см2.

С начала использования квантовых ям в качестве активной области полупроводниковых лазеров велись активные исследования, направленные на поиск путей расширения использования эффектов, связанных с пространственным ограничением носителей, при лазерной генерации. Аракава и Сакаки в своих работах обратили внимание на то, что использование в качестве активной области лазера материалов, в которых распространение носителей ограничено во всех трех направлениях (квантовых точек (КТ)), может привести к отсутствию зависимости свойств прибора от температуры [2]. Затем Асада показал, что структуры на основе квантовых точек позволяют получить значительное снижение порогового тока по сравнению с лазерами на основе квантовых ям [1]. Однако, потребовалось больше десятилетия на то, чтобы улучшить качество КТ структур до уровня возможности изготовления приборов на их основе. Прорывом стала разработка технологии получения самоорганизованных квантовых точек в процессе эпитаксиального роста [5, 11, 12]. Дальнейшие улучшения были получены за счет внедрения квантовых точек InAs в слои GaInAs [13, 14] и оптимизации ограничения распространения носителей [15, 16]. Были получены приборы с низким пороговым током [17, 18] и высокой выходной мощностью, излучающие на длинах волн 980 нм [19] и 1,3 мкм [20]. Как и предсказывалось теоретически, при температурах ниже комнатной наблюдалась высокая стабильность пороговой плотности тока [21, 22], но выше комнатной температуры характеристическая температура Дебая значительно ухудшалась. Для телекоммуникационных приложений имеют сопоставимое значение другие свойства материалов, такие как высокая стабильность длины волны в непрерывном режиме работы и в режиме малосигнальной модуляции [24]. Для стабилизации длины волны лазеров Фабри-Перо используется решетка распределенной обратной связи (РОС). К сожалению, из-за сильного температурного смещения максимума усиления по сравнению с изменением показателя преломления обычные РОС лазеры могут использоваться только в относительно ограниченном температурном диапазоне около 50 К. В КТлазерах температурный сдвиг функции усиления значительно ниже и позволяет получить устойчивое одномодовое излучение в гораздо большем диапазоне температур [23].

Одно из главных преимуществ КТ-структур является результатом полного трехмерного ограничения распространения носителей в нанометровом масштабе [25]. Поэтому полупроводниковые квантовые точки ведут себя как отдельные невзаимодействующие или слабо взаимодействующие атомы. Они показывают дискретный энергетический спектр с энергией расщепления зависящей от геометрических размеров. Из дискретности энергетического спектра можно непосредственно уменьшить максимум плотности состояний при энергии излучения лазера, и достигнуть значительного уменьшения пороговой плотности носителей.

Рис. 1.1. Модовое усиление лазера на основе квантовых ям (не закрашенные точки) и квантовых точек (черные точки) как функция тока накачки [18].

В реальных КТ-структурах, выращенных методом самоорганизции, размер квантовых точек сильно колеблется. Поэтому дискретные уровни энергии одиночной квантовой точки уширяются в ансамбле точек. Однако, флуктуации размера можно в некоторой степени регулировать параметрами роста и использовать как дополнительную степень свободы. Как прямое следствие уширения энергии перехода, КТ-материалы показывают более широкую область усиления, чем КЯ-материалы. На рис. 1.2 построен спектр функции усиления КТ-материала, излучающего на 1,3 мкм, для различных токов накачки [26]. Усиление первого перехода насыщается уже при низких токах и становится более плоским при более высоких токах вследствие вклада двукратно вырожденного перехода более высокого порядка. Таким образом, может быть получен плоский профиль усиления на протяжении более 100 нм, что примерно в 3 раза больше, чем в КЯ-лазерах.

Рис. 1.2. Спектр усиления InAs/GaAs КТ-лазера при различных токах накачки. Пунктирной линией обозначено внутреннее поглощение структуры [26].

В последние несколько лет был достигнут значительный прогресс в понимании принципов устройства квантовых точек. Во-первых, объяснение процесса включения лазерной генерации было несколько противоречивым. В идеальном случае, когда функция плотности состояний точек является дельта-функцией, в процесс генерации могут внести вклад только несколько точек. Полное модовое усиление объяснялось очень высоким значением материального усиления. Но это противоречит фундаментальному факту, согласно которому сила осциллятора материи должна быть в приближении нулевого порядка, пропорционально числу задействованных атомов, достаточно низкому в случае нескольких квантовых точек [24]. В то же время, наблюдалось, что работающий при низких температурах КТ-лазер дает широкий многоволновый спектр излучения при узкой однородной линии < 0,1 мЭв, тогда как при комнатной температуре спектр излучения довольно узкий [31]. Согласно расчетам, данный эффект сужения спектра при комнатной температуре требует гораздо более широкой линии порядка 10 мЭв. Это однородное уширение линии может быть подтверждено с помощью спектроскопии одиночных квантовых точек и определенная ширина линии 12 мЭв при температуре 300 К может быть объяснена главным образом рассеянием электронов на продольных оптических фононах. В связи с уширением однородно уширенной линии, примерно 20 – 30 % всех точек будут принимать участие в лазерной генерации с помощью электромагнитного взаимодействия распространяющейся волны. Тем не менее, функция спектрального усиления при комнатной температуре остается разделенной на отдельные области усиления, которые позволяют усиление на нескольких длинах волн в отличие от квантовых ям.

В качестве примера на рис. 1.3 приведена температурная зависимость длины волны излучения (980 нм) КЯ- (не закрашенные точки) и КТ- (черные точки) лазеров. Специальная геометрия точек в сочетании с соответствующим фактором оптического ограничения может привести к уменьшению температурной зависимости длины волны почти в 2 раза [27]. Причина гораздо более низкой температурной зависимости длины волны лежит в характере заполнения уровней, который может быть спроектирован таким образом, что температурная зависимость сжатия ширины запрещенной зоны материала в значительной степени компенсируется [28]. Чтобы проиллюстрировать этот эффект, на рис. 1.4 приведена функция спектра усиления для различных плотностей носителей в случае квантовой ямы (верхний график) и квантовых точек (нижний график) [29]. Для КТ структуры учитывались только фундаментальный и несколько переходов более высокого порядка, а также предполагалась гауссова форма линии уширения. Вследствие увеличения заполнения уровня, максимум усиления смещается в сторону более высоких энергий при более высоких концентрациях носителей. В то время как в случае КЯ-структуры сдвиг энергии слабый в связи с высоким модовым усилением, в КТ-структуре сдвиг энергии особенно сильный вблизи плоской промежуточной области между двумя переходами. Наклон профиля усиления может быть задан с помощью энергии расщепления и неоднородного уширения. Рабочая точка внутри функции усиления может быть зафиксирована посредством фактора оптического ограничения. Почти оптимальные условия были достигнуты в материале на основе InP в работе [30]. На рис. 1.5 показана температурная зависимость длины волны излучения КТ- (черные ромбики) и КЯ- (не закрашенные точки) лазерных материалов. В этом случае, температурный коэффициент КТ-материала примерно в 4,4 раза ниже, чем КЯ-материала, и почти такой же низкий, как коэффициент изменения показателя преломления с температурой.

Рис. 1.3 – Смещение длины волны излучения как функция рабочей температуры GaInAs/GaAs КЯ- (не закрашенные точки) и КТ- (черные точки) лазеров. Длины волны излучения обоих приборов 980 нм [27].

Рис. 1.4. Расчетное материальное усиление для различных концентраций носителей в случае лазера на КЯ (верхний график) и КТ (нижний график). Квазиуровень Ферми изменялся от 1,25 до 1,39 эВ в обоих случаях, энергии перехода одинаковы [29].

Рис.1.5 Сравнение температурной зависимости длины волны излучения InP лазера на основе квантовых точек (черные ромбики) и квантовых ям (не закрашенные точки) [30].

Литература

Asada, M. Gain and the threshold of three dimensional quantum-box lasers / M. Asada, Y. Miyamoto, Y. Suematsu // IEEE Journal of Quantum Electronics. – 1986. – v. 22. – p. 1915–1921.

Arakawa, Y. Multidimensional quantum well laser and temperature dependence of its threshold current / Y. Arakawa, H. Sakaki // Applied Physics Letters. – 1982. – v. 40. – p. 939–941.

Kuntz, M. 10 Gbit/s data modulation using 1.3μm InGaAs quantum dot lasers / M. Kuntz, G. Fiol, M. Lämmlin, C. Schubert, A. R. Kovsh, A. Jacob, A. Umbach, D. Bimberg // Electron. Lett. – 2005. – v. 41. – p. 244-245.

Нанотехнология: физика, процессы, диагностика, приборы / ред. В. В. Лучинина, Ю. М. Таирова. – М.: Физматлит. 2006. – 552с.

Ustinov, V.M. Low-threshold injection lasers based on vertically coupled quantum dots / V.M. Ustinov, A.Y. Egorov, A.R. Kovsh, A.E. Zhukov,M.V. Maximov, A.F. Tsatsulinikov, N.Y. Gordeev, S.V. Zaitsev, Y.M. Shernyakov, N.A. Bert, P.S. Kop’ev, Z.I. Alferov, N.N. Ledentsov, J. Boehrer, D. Bimberg, A.O. Kosogov, P. Werner, U. Goesele // Journal of Crystal Growth. – 1997. – v. 175. – p. 689–695.

Qin, W. 2000W high beam quality diode laser for direct materials processing / W.Qin ; Y.Liu ; Y.Cao ; J.Gao ; F.Pan ; Z.Wang // Proceedings of SPIE. – 2011. – v.8197. – p. 81971J.

Campos, V.B. Hair removal with an 800-nm pulsed diode laser / V.B. Campos, C.C. Dierickx, W.A. Farinelli, T.Y.D. Lin, W. Manuskiatti, R.R. Anderson // Journal of the American Academy of Dermatology. – 2000. – v.43(3). – pp.442-447.

I. Greppi. Diode laser hair removal of the black patient/ I. Greppi// Lasers in Surgery and Medicine. – 2001. – v.28(2). – p.150-155.

P.Chen Laser Liposuction Using 980-nm Diode Laser vs 1064-nm Nd:YAG for Laser Lipolysis and Lipo- Aspiration for Male Breast Reduction (A Pioneering Largest Personal Series in Australia 2005-2009) – An Effective, Safe, Minimal Invasive Method for Treating Gynecomastia // 13th Annual Meeting of the American-Society-of-Breast-Surgeons. – Phoenix, 2012. – p. 0159

G.S.Sokolovskii, S.B.Onikienko, A.V.Zemlyanoi, N.A.Pikhtin, I.S.Tarasov, B.A.Margulis, I.V.Guzova / Int. Conf. Laser Optics. – St Petersburg, 2010.

Huffaker, D.L. 1.3 μm room-temperature GaAs-based quantum dot laser / D.L. Huffaker, G. Park, Z. Zhou, O.B. Shchekin, D.G. Deppe // Applied Physics Letters.– 1998. – v. 73. – p. 2564–2566.

Lester, L.F. Optical characteristics of 1.24 μm InAs quantum dot laser diodes / L.F. Lester, A. Stintz, H. Li, T.C. Newell, E.A. Pease, B.A. Fuchs, K.J. Malloy // IEEE Photonics Technology Letters. – 1999. – v. 11. – p. 931–933.

Stintz, A. Low-threshold current density 1.3 μm InAs quantum-dot lasers with the dots-in-a-well (DWELL) structure / A. Stintz, G.T. Liu, H. Li, L.F. Lester, K.J.Malloy // IEEE Photonics Technology Letters. – 2000. – v. 12. – p. 591–593.

Shernyakov, Y.M. 1.3 μm GaAs-based laser using quantum dots obtained by activated spinodal decomposition / Y.M. Shernyakov, D.A. Bedarev, E.Y. Kondrat’eva, P.S. Kop’ev, A.R. Kovsh, N.A. Maleev, M.V. Maximov, S.S. Mikhrin, A.F. Tsatsul’nikov, V.M. Ustinov, B.V. Volovik, A.E. Zhukov, Z.J. Alferov, N.N. Ledentsov, D. Bimberg // Electronics Letters. – 1999. – v. 35. – p. 898–899.

Schäfer, F. High-performance GaInAs/GaAs quantum-dot lasers based on a single active layer / F. Schäfer, J.P. Reithmaier, A. Forchel // Applied Physics Letters. – 1999. – v. 74. – p. 2915–2917.

Park, G. InGaAs quantum dot lasers with submilliamp thresholds and ultralow threshold current density below room temperature / G. Park, O.B. Shchekin, D.L. Huffaker, D.G. Deppe // Electronics Letters. – 2000. – v. 36. – p. 1283–1284.

Liu, G.T. Extremely low room-temperature threshold current density diode lasers using InAs dots in In0.15Ga0.85As quantum well / G.T. Liu, A. Stintz, H. Li, K.J. Malloy, L.F. Lester // Electronics Letters.– 1999. – v. 35. – p. 1163–1165.

Klopf, F. Highly efficient GaInAs/(Al)GaAs quantum-dot lasers based on a single active layer versus 980 nm high-power quantum-well lasers / F. Klopf, J.P. Reithmaier, A. Forchel // Applied Physics Letters.– 2000. – v. 77. – p. 1419–1421.

Klopf, F. High performance 980 nm quantum dot lasers for high power applications / F. Klopf, J.P. Reithmaier, A. Forchel, P. Collot, M. Krakowski // Electronics Letters. – 2001. – v. 37. – p. 353–354.

Grundmann, M. Progress in Quantum Dot Lasers: 1100 nm, 1300 nm, and high power applications / M. Grundmann, F. Heinrichsdorff, N.N. Ledentsov, C. Ribbat, D. Bimberg, A.E. Zhukov, A.R. Kovsh, M.V. Maximov, Y.M. Shernyakov, D.A. Lifshits, V.M. Ustinov, Z.J. Alferov // Japanese Journal of Applied Physics. – 2000. – v. 39. – p. 2341–2343.

Shchekin, O.B. Low-threshold continuous-wave two-stack quantum-dot laser with reduced temperature sensitivity / O.B. Shchekin, G. Park, D.L. Huffaker, Q. Mo, D.G. Deppe // IEEE Photonics Technology Letters.– 200. – v. 12. – p. 1120–1122.

Mukai. K. 1.3 μm CW lasing characteristics of self-assembled InGaAs– GaAs quantum dots / K. Mukai, Y. Nakata, K. Otsubo, M. Sugawara, N. Yokoyama, H. Ishikawa // IEEE Journal of Quantum Electronics.– 2000. – v. 36. – p. 472.

Kamp, M. InGaAs/AlGaAs quantum dot DFB lasers operating up to 213 ◦C / M. Kamp, M. Schmitt, J. Hofmann, F. Schäfer, J.P. Reithmaier, A. Forchel // Electronics Letters. – 1999. – v. 35. – p. 2036–2037.

Reithamaier, J. P. Recent advances in semiconductor quantum-dot lasers / J. P. Reithmaier, A. Forchel // Comptes Rendus Physique. – 2003. – v. 4(6). – p. 611–619.

Шик, А. Я. Физика низкоразмерных систем / А. Я. Шик, Л. Г. Бакуева, С. Ф. Мусихин, С. А. Рыков // С-Пб.: Наука, 2001. – 160 с.

Krebs, R. High performance 1.3 μm quantum-dot lasers / R. Krebs, F. Klopf, J.P. Reithmaier, A. Forchel // Japanese Journal of Applied Physics. – 2002. – v. 41. – p. 1158–1161.

Deubert S., Klopf F., Reithmaier J.P., Forchel A., High-power GaInAs/(Al)GaAs quantum dot lasers with optimised waveguide design for high brightness applications // International Semiconductor Laser Conference. – Germany, 2002. – p. 147–148

Klopf, F. Correlation between the gain profile and the temperature-induced wavelength-shift of quantum dot lasers / F. Klopf, S. Deubert, J.P. Reithmaier, A. Forchel // Applied Physics Letters. – 2002. – v. 81(2). – p. 217–219.

Klopf, F. 980 nm quantum dot lasers for high power applications / F. Klopf, St. Deubert, J.P. Reithmaier, A. Forchel, P. Collot, M. Krakowski // Electronics Letters. – 2001. – v. 37(6). – p. 353.

Schwertberger, R. Long wavelength InP based quantum dot lasers / R. Schwertberger, D. Gold, J.P. Reithmaier, A. Forchel // IEEE Photonics Technology Letters. – 2002. – v. 14. – p. 735–737.

Алфёров Ж.И. Двойные гетероструктуры: концепция и применения в физике, электронике и технологии / Ж.И Алфёров // УФН. - 2002. – Т. 172. – № 9. – С.1068-1086.

Просмотров работы: 35