垂直电子耦合InGaAs 量子结的光学特性

第10卷　第1期强激光与粒子束V o l.10,N o.1 1998年2月H IGH POW ER LA SER AND PA R T I CL E BEAM S Feb.,1998　
垂直电子耦合I nGaA s量子结的光学特性Ξ赵　震　M.V.M axi m ov,N.N.L edentsov,A.E.Zhukov,V.M.U stinov,
A.Yu.Ego rov,
B.V.V o lovik,Yu.M.Shernyakov,P.S.Kopev,Zh.I.A lferov
(俄罗斯科学院,A.F.I offe物理技术研究所,圣彼得堡,1904021,俄罗斯)
J.B o¨h rer,D.B i m berg
(柏林理工大学,H ardenbergstr36,D10623,柏林,德国)
摘　要　报导了InGaA s GaA s和InGaA s A lGaA s垂直耦合量子结注入式激光器的制
备工艺及其光致荧光谱,量热吸收谱和电致荧光谱的特性。

该激光器的连续波发光功率在室温
下可达1W。

关键词　半导体激光　异质结构　量子结
近年来世界各地对空间量子化量子导线和量子结异质材料的浓厚兴趣在迅速增加[1～3],这些材料具有超过传统一维材料的许多优点,被认为在微电子和光电子领域具有美好的前景。

以InGaA s GaA s的量子结为活性区的注入式激光展现了极高阈值电流密度J th的温度稳定性,在很宽的温度范围(80～150K)[4],其特征温度T0=350～400K。

对更高的温度区域(> 150K),由于载流子从量子结中热逃逸的增加,阈值电流密度上升,特征温度减小(60K),其激光产生的波长出现兰移,其值接近于湿层(w ettinglayer)的带宽[4]。

分别采用GaA s和A lGaA s 基体的垂直电子耦合InGaA s量子结,激光特性有明显改善,在300K通过量子结的光致跃迁产生的激光波长为Κ=1103Λm[5,6]。

1　实验部份
通过光致荧光(PL)、量热吸收谱(CA S)和电致荧光(EL)的方法来对比以GaA s和A l2 GaA s为基体的垂直电子耦合InGaA s量子结的光学及其激光特性。

垂直电子耦合的量子结(V ECOD s)的几何结构将通过透射电镜(T E M)加以观察。

InGaA s GaA s V ECOD s(以GaA s为基体的垂直电子耦合InGaA s量子结)的结构是在R iber32P的M B E机器上采用分子束外延固体源生长在掺Si的GaA s(100)衬底上。

其活性区包括3或10层InGaA s GaA s V ECOD s,这样垂直电子耦合的量子结被夹在012Λm厚的GaA s 层中间,然后在其两侧用10层超晶格A l A s(2nm) GaA s(2nm)材料约束。

V ECOD是利用自组织效应通过相继沉积几层由5nm厚的以GaA s为间隔的InGaA s量子结而制成的,其中每一层InGaA s量子结的沉积有效厚度为112nm。

每层InGaA s量子结是由亚单原子层沉积而成,沉积过程为:(011nm GaA s+011nm InA s+10秒停顿)×6。

当沉积活性区和10nm厚的GaA s 覆盖层时,其衬底温度为485℃。

激光结构采用类似于文献[5]的有波导的标准几何尺寸(双异质结),沉积波导层和覆盖层时衬底温度为630℃。

Ξ俄罗斯基础科学基金、V o lk s w agen基金资助课题。

1997年10月16日收到原稿,1997年12月4日收到修改稿。

赵震,男,1970年2月9日生,俄罗斯约飞物理技术所在读副博士。

以A lGaA s 为基体的量子结的形成大体类似于GaA s 基体的情况。

In 0.5Ga 0.5A s A l 0.15Ga 0.85A s V ECOD s 的激光结构也生长在掺Si 的GaA s (100)的衬底上,活性区包含3或10层In 0.5Ga 0.5A s A l 0.15Ga 0.85A s V ECOD 排列。

在V ECOD s 两侧用短周期的超晶格A lGaA s (2nm ) GaA s (2nm )×10来约束。

当沉积量子结区域和10nm 的A lGaA s 覆盖层时,衬底温度为485℃;沉积其他结构时,衬底温度700℃。

V ECOD s 是相继沉积几层由5nm 厚的A lGaA s 层所隔离的量子结形成的。

对于光致荧光(PL )接触层及最上面厚覆盖层的去除均采用化学刻蚀方法。

PL 是由A r
+离子激光器(100W c m 2)激发,用经冷却的Ge 光二极管探测。

量热吸收谱(CA S )是在015K 下测量的,最低Α的探测值是10-5[7]。

为了减小输出能量损失、获得很低的阈值电流密度,激光结构采用四个劈裂面。

其激光特性是以脉冲(1Λs 持续时间,5kH z 重复频率)和连续波的形式在80～300K 的温度区域被研究的。

为了测量连续工作状态的电流2电压特性及其它激光参数特性,激光二极管采用条状的几何结构,不采用半反射和半穿透层。

文献[8]研究了InA s 2GaA s V ECOD s 的形成,当InA s 金字塔般的量子结在GaA s 表面形成之后,再覆盖上一层薄的GaA s 间隔层。

第二层金字塔般的量子结正好形成在原来下面金字塔之上。

随着InA s 继续沉积,相应新的受体2耦合的InA s 量子结形成。

耦合的量子结的密度约为5×1010～6×1010c m -2。

量子结沿着[001]和[011]方向排列。

所有这些量子结所形成的岛的电子波函数明显地重叠,因此V ECOD s 可以看作是一个单独的整体。

2　结果与讨论
图1(a )、
(c )为3层InGaA s V ECOD s 结构在300K 和8K 下的PL 谱,在图1(a )中为了更清楚地看出随着温度的升高,GaA s 禁带宽度的红移,最上面的光能量坐标轴的值也向低能移动。

图1(b )显示在015K 下的量热吸收谱(CA S )。

在低激发功率密度时,观测到由量子结的基态原子的光致跃迁所引起的PL 强度峰。

在高激发功率密度下出现了由量子结的激发态原子F ig .1　Spectra PL and calo ri m etric ab so rp ti on
spectra fo r InGaA s V ECOD s (N =3)structu re
图1　N =3的InGaA s 结构的光致荧光
(PL )与量热吸收谱(CA S
)F ig .2　Spectra PL of structu re w ith differen t sheets of InGaA s GaA s V ECOD s at h igh excitati on den sity 图2　不同层数的InGaA s GaA s V ECOD s 结构在高激发功率密度下的PL 谱
跃迁所引起的另一个附加的峰值。

在高温时,由湿层所引起的强度峰值同样也出现在PL 谱04强激光与粒子束第10卷　
中,随着温度增加,PL 谱线由于禁带宽度缩小,而呈现红移。

在8K 的PL 谱中,通过量子结激发态的激发光辐射跃迁所引起的峰值的位置与量热吸收谱中的峰值一一吻合。

图2显示了不同层数N 的样品在高激发功率密度下的PL 谱。

N =1的样品显现出V E 2
COD s 的基态的跃迁引起的峰值的明显的饱和性。

由在湿层中的电子和在量子结中的空穴之间的跃迁所引起的PL 强度峰;及在湿层之中的电子与空穴之间的跃迁都同样可在PL 谱的短波部分观察到。

对于N =3的样品其基态的饱和效应显著降低,并实际上在N =6时消失。

这个现象说明:随着层数N 的增加,有效辐射时间减少[8],如果层数N 继续增加,会观察到一种新的效应,在大N 情况下,上面的V ECOD s 的外形明显地增大,形成外形相关的V ECOD s [9]。

当N >10时,在上层的相邻量子结出现外形重叠,一个附加的PL 强度峰值将出现在谱的低能区。

图3显示了N =3的InGaA s A lGaA s V ECOD s 结构的透射电子显微镜的横截面,采用宽能带的A lGaA s 基体能显著改善V ECOD s 的光学特性。

我们已经发现相应量子结岛所形成的临界In 0.5Ga 0.5A s 厚度约为1nm ,并且不依赖于基体中的A l A s 的摩尔百分数[10]。

基体中A l 的增加将导致分布在湿层和量子结材料中的电子(空穴)的势垒能带宽度的增加。

在量子结区域,湿层的电子(空穴)态有更大的波函数渗透进势垒,导致在湿层中的能级比在量子结中的能级有更强的能级提升。

F ig .3　T he cro ss 2secti onal of N =3
InGaA s A lGaA s V ECOD s by T E M
图3　InGaA s A lGaA s V ECOD s
样品的横截面F ig .4　Spectra PL of InGaA s GaA s and InGaA s A l 0.3Ga 0.7A s w ith 8K ,200W c m 2图4　InGaA s GaA s 和InGaA s A l 0.3Ga 0.7A s 的PL 谱 在图4中显示了N =10以GaA s 为基体和A l 0.3Ga 0.7A s 为基体的InGaA s V ECOD s 的PL 谱。

随着A l A s 成份在基体材料中的增加将引起PL 峰值的兰移。

在图4中的箭头显示相应于湿层(W L )和基体的光学跃迁。

在两种情况下(GaA s 基体和A lGaA s 基体),相应于湿层的光学跃迁能量已经通过激发光致荧光谱得到。

从图中可清楚看到A lGaA s 基体的成份从x =0增加到x =0.3将导致PL 的量子结峰值和湿层峰值之间的能量间隔从142m eV 增加到325m eV (图4)。

图5显示了N =3InGaA s V ECOD 在A l 0.15Ga 0.85A s 基体的PL 谱。

比较图2和图5可以得出:对A lGaA s 基体上的V ECOD s ,其PL 谱的基态饱和性不再发生,并且由量子结的激发态14第1期 赵　震等:垂直电子耦合InGaA s 量子结的光学特性
和在湿层中态之间跃迁所引起的能量峰值未被观测到。

甚至在室温下和足够高的激发密度下也未观测到。

虽然,从PL 数据尚不能完全明确地区分电子和空穴对能级抬升所起的贡献,但从图5中可以知道对于这两种载流子,A lGaA s 基体的影响可使量子结中的能级和在湿层中能级的能量间隔增加,也使量子结的能级和基体能带边缘的能量间隔增加。

它还引起湿层与基体的能级上载流子密度减小。

从图4中可明显看到,采用A lGaA s 基体代替GaA
s 基体,基体中能带宽度的增大(约370m eV )大于湿层的短波方向移动(约300m eV )和V ECOD s 的短波方向移动(约120m eV )。

F ig .5　Spectra PL of 32fo ld InGaA s A l 0.3Ga 0.7A s at differen
t excitati on den sities
图5　3层InGaA s A l 0.3Ga 0.7A s 结构在不同激发功率
密度下的PL 谱和室温下的PL 谱F ig .6　Cu rren t 2pow er characteristics of the laser w ith InGaA s GaA s V ECOD s N =10and EL spectra 图6　N =10InGaA s GaA s V ECOD s 连续激光在室温的电功率特性和不同电流下电致荧光特性
图6为N =10InGaA s GaA s V ECOD s 的连续激光在室温300K 下的电流和功率特性,其条宽为60Λm ,共振长度为1200Λm (图6a );不同电流下的电致荧光(EL )特性(图6b )。

增加V ECOD 到10层将导致阈值电流密度的明显降低,这是由于光波与增益区域的重叠增加[8]。

N =10的InGaA s GaA s 和InGaA s A lGaA s V ECOD s 的条形激光阈值电流密度的降F ig .7　Cu rren t 2pow er characteristics of the laser w ith InGaA s A lGaA s V ECOD s N =10at 289K and EL spectra 图7　N =10InGaA s A lGaA s V ECOD s 连续激光在298K 下的电功率特性和电致荧光谱
低,可使其在室温下实现连续工作。

图6a 和7a 展示了以InGaA s GaA s 和InGaA s A lGaA s 为活性区的激光的电流和功率特性。

两种情况下的激光能量接近于在PL 谱中量子结的基态跃迁时所对应的能量。

当注入电流增加,以
GaA s 为基体的最大峰值所对应的能量不
出现明显的能量移动;而以A lGaA s 为基
体的最大峰值出现红移。

在EL 谱中不出
现通过湿层的辐射跃迁所引起的附加峰
值,因此在两种情况下,直到最高的注入
电流,激光皆通过V ECOD s 的基态跃迁
产生。

图7为N =10InGaA s A lGaA s V E 2
COD s 的连续激光在289K 下的电流和功率特性(条宽114Λm ,共振腔长1100Λm )(图7a );和在不同的电流下的电致荧光(EL )谱(图7b )。

对比图6b 和图7b 可显示24强激光与粒子束第10卷　
在V ECOD s 结构中采用A lGaA s 基体能改善量子结激光器的发光特性。

当共振腔长为1150Λm 时,其微分有效功率可从在GaA s 基体时的23%增加到在A lGaA s 基体时的40%。

In 2GaA s A lGaA s V ECOD s 结构的发光特性与前面图4,5中的PL 谱是很好对应的,实际上,在V ECOD s 的基态与湿层中的能级之间的能量间隔的增长将导致在湿层和基体材料中载流子热逃逸的减少。

3　结　论
通过对半导体激光光学特性的研究证明:利用自组织效应制备的垂直电子耦合InGaA s 量子结注入式激光器的结构中,如采用A lGaA s 去替代GaA s 作为基体材料,可以改善其光学特性,减少载流子的热逃逸,提高输出功率。

本文所制备的InGaA s A lGaA s V ECOD s 的激光结构的连续波最大发光功率在室温下可达1W ,V ECOD s 十分适合于制造大功率注入式激光器。

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T echn ische U n iversita t B erlin ,H a rd enberg str 36,D 10623B erlin ,Ger m any
ABSTRACT A n in jecti on hetero laser based on vertically coup led quan tum do ts of InGaA s GaA s o r In 2GaA s A lGaA s are repo rted in th is paper .T he m anufactu re and the spectra of pho to lum inescence ,calo ri m etric ab so rp ti on and electro lum inescence are p resen ted .Its C W laser pow er cou ld be 1W at room temperatu re . KEY WOR D S sem iconducto r laser ,betero structu res ,guan tum do ts 34第1期 赵　震等:垂直电子耦合InGaA s 量子结的光学特性。