Eliminatie van bimodale grootte in InAs/GaAs Quantum Dots voor de voorbereiding van 1,3-μm Quantum Dot Lasers

Materiaaloptimalisatie

In deze studie wordt de quantum dot-structuur gekweekt op GaAs (001) (N+)-substraten in een Veeco Gen 930 MBE-systeem. De gloeitemperatuur is onderzocht en de gloeitemperatuur voor deze vier monsters (N170813, N170824A-N17084C) zijn respectievelijk 630, 680, 730 en 780 °C. De groeiparameters van kwantumdots van deze vier monsters hebben exact hetzelfde (tabel 1).

Fotoluminescentie (PL) metingen werden uitgevoerd voor de vier monsters. Met de toename van de gloeitemperatuur werd de sterkste PL-intensiteit bereikt bij de gloeitemperatuur van 680 ° C (zoals weergegeven in Fig. 1). Dit komt omdat arseen (As) en Ga worden gedesorbeerd naarmate de gloeitemperatuur hoger wordt. Dat proces kan meer defecten veroorzaken, en het rooster van InAs-kwantumdots is bij hoge temperatuur veranderd.

Vergelijking van fotoluminescentie (PL) spectra van epitaxiale wafels onder verschillende gloeitemperaturen

Het actieve gebied van de Quantum Dot-laser is geoptimaliseerd bij de lage arseendruk van 4 × 10 ^− 7 Torr [16] en lage groeisnelheid van 0,025 ML/s. Na uitgloeien ontdekten we dat de golflengte kleiner was dan 1300 nm; daarom hebben we de groeiomstandigheden verfijnd. Een 2,5 monolaag (ML) dikke InAs werd gekweekt bij 520 °C en afgedekt met een 5 nm dikke In_0,15 Ga_0,85 Als rekverlagende laag bij dezelfde temperatuur. Deze laag werd gevolgd door een GaAs-laag van 15 nm die bij een lagere temperatuur (LT) van 520°C werd afgezet. Vervolgens groeiden we de laatste 20-nm GaAs-laag bij een hogere temperatuur (HT) van 630 °C (zoals weergegeven in figuur 2a).

De actieve regiostructuur en het PL-spectrum. een De structuur van het niet-gedoteerde QD-laser-actieve gebied. b PL-spectrum van het actieve gebied van de QD-laser bij kamertemperatuur (RT). De emissiepiek is 1305 nm en de FWHM is ongeveer 31 nm

Het PL-spectrum en de atomic force microscopie (AFM) beelden van het oppervlak van de QD's werden gemeten voor het testmonster. De emissiepiek van 1308 nm is te wijten aan de overgang van grondtoestand en de volledige breedte van het halve maximum (FWHM) van de piek is ongeveer 31 nm (zoals weergegeven in figuur 2b). Om de AFM-meting uit te voeren, groeiden we een laag kale kwantumstippen op de begraven laag van vijf lagen in het testmonster. De groeiomstandigheden zijn precies hetzelfde als de eerder beschreven begraven kwantumstippen. Het AFM-beeld van het oppervlak van de QD's laat zien dat de QD-dichtheid van het gegloeide monster ongeveer 3,2 × 10 ¹⁰ is cm ^− 2 (zoals weergegeven in Fig. 3a). De quantum dot heeft een gemiddelde hoogte van 8 nm. Integendeel, de grootte en verdeling van het niet-gegloeide kwantumpuntmonster zijn niet uniform. Bimodale grootte kan worden gezien en QD-dichtheid is ongeveer 2,9 × 10 ¹⁰ cm ^− 2 . De quantum dot heeft een hoogte van 5-7 nm (zoals weergegeven in figuur 3b).

AFM-beelden van de InAs/GaAs QD's. een Enkellaags gloeien bij hoge temperatuur. b Geen gloeien. c 3D-beeld met kleine oppervlakteverdeling met gloeien bij hoge temperatuur. d 3D-beeld met kleine oppervlakteverdeling zonder uitgloeien

Tijdens de epitaxiale groei van een 1,3-μm quantum dot laser, kan de bimodale grootte van InAs quantum dots goed worden geëlimineerd door de enkellaagse annealing voor het laseractieve gebied. Vergeleken met het monster dat is gekweekt zonder gloeien (zoals weergegeven in Fig. 3c), is het monster gegroeid met een gloeitemperatuur van 680  ^° C (zoals weergegeven in figuur 3d) heeft een hogere kwantumpuntdichtheid en een uniforme kwantumpuntgrootte. Dat kan aan de volgende redenen worden toegeschreven. In het begin groeit de GaAs-kaplaag onmiddellijk na de groei van InAs-kwantumdots, dus deze kan alleen groeien bij een lage temperatuur, wat de roosterkwaliteit van GaAs vermindert en defecten introduceert. Uitgloeien op hoge temperatuur kan defecten elimineren en kan een hoogwaardige GaAs-afdeklaag laten groeien die wordt gebruikt om de InAs-kwantumdots te blijven laten groeien. Bovendien worden de dislocaties gegenereerd tijdens InAs/GaAs hetero-epitaxy, in situ enkellaagse annealing kan dislocatie elimineren of de dislocatiegroeirichting veranderen en vervolgens de kwaliteit van InAs-kwantumdots verbeteren.

Apparaatontwerp en voorbereiding

De structuur van de laser bestond uit een GaAs-laag ingebed met vijf lagen zelf-geassembleerde InAs QD-kernlagen. De 200 nm n-golfgeleiderlaag en p-golfgeleiderlaag werden boven en onder op de QD-structuur gekweekt. Het actieve QD-gebied en de golfgeleiderlaag werden gesandwiched door twee 1,8 μm p-type (Be:4E18) en n-type (Si:2E18) Al_0,45 Ga_0,55 Als lagen. Een 200-nm p+ GaAs (Be:3E19) laag werd afgezet voor elektrisch contact (zoals weergegeven in figuur 4a).

Apparaat structuur. een 1,3-μm quantum dot FP wide area laser's epitaxiale structuur. b PL-spectrum van de epitaxiale structuur van de QDs-laser bij RT. De centrale golflengte is 1294 nm

Een klein deel van de wafel wordt geëtst door chemisch etsen om de bovenste bekledingslaag te verdunnen met H₃ PO₄ -H₂ O₂ -H₂ O (1:1:4) nadat de epitaxiale laserstructuur was voltooid [17, 18]. Het is te zien dat het PL-spectrum van dit monster een centrale golflengte heeft van 1294 nm (zoals weergegeven in figuur 4b). De blauwe verschuiving van de middelste golflengte in vergelijking met het bovengenoemde testmonster (zoals weergegeven in Fig. 2a) is te wijten aan de groei bij hoge temperatuur (650 ° C) tijdens de groeistap van de bovenste bekleding met een groeitijd langer dan 2 uur . Het kan ook afkomstig zijn van de indium (In)-component van de In_0.15 Het gesteente van de GaAs-afdeklaag drijft weg.

De InAs/GaAs QD-laserwafel werd gecoat met fotoresist om het oppervlaktepatroon te definiëren. De eerste editie van fotolithografie vormt een nokpatroon van 100 m. De nokgolfgeleider werd vervaardigd door middel van inductief gekoppeld plasma (ICP) etsen met een etsdiepte van 2 μm, gevolgd door Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition (PECVD) om SiO₂ te vormen isolatie. In de volgende stap maakten we een contactvenster van 90 μm breed op de nok voor stroominjectie. Vervolgens werd Ti/Pt/Au 51 nm/94,7 nm/1122 nm afgezet als een p-type elektrode met magnetronsputteren (zoals weergegeven in figuur 5). De wafel wordt verdund tot 120 m en een 50 nm dikke AuGeNi (80:10:10 gew.% legering) met een 300 nm dikke Au-laag werd op de achterkant van de wafel afgezet, met behulp van thermische verdamping voor n-type elektrode [19, 20]. Het gehele monster werd gedurende 10 seconden bij 460 °C gegloeid om een ​​ohms contact te vormen. Tijdens het hele fabricageproces werd het monster achtereenvolgens schoongemaakt met aceton en isopropylalcohol en gespoeld met gedeïoniseerd water.

SEM-afbeelding van de dwarsdoorsnede van de laser. De F-P breedvlaklaser met een standaard laserfabricageproces. De etsdiepte van GaAs/AlGaAs is ongeveer 2 m. De PECVD vormde SiO₂ is 260 nm

De elektrische en optische eigenschappen van het apparaat werden gemeten toen de laser klaar was. Vermogen-stroom-spanning (P −I−V ) kenmerken van lasers met een groot oppervlak werden getest in de continue golf (CW) bij kamertemperatuur. De drempelstroomdichtheid van de laser is 110 A/cm ² (zoals weergegeven in figuur 6a), en de centrale golflengte van het laserspectrum is 1,3 m (zoals weergegeven in figuur 6b). Uit het laserspectrum kan worden gezien dat de centrale golflengte van de laser bij kamertemperatuur roodverschoven is vanwege het verwarmingseffect van de laserbewerking. In deze studie kan de laser continu laseren bij kamertemperatuur en een goede drempelstroomdichtheid bereiken, evenals een goed uitgangsvermogen zonder facetcoating en ongedaan maken in het actieve gebied, wat de hoge kristalkwaliteit van de laser aangeeft. De enkellaagse gloeimethode heeft een bepaald effect op het kwantumpuntsysteem van bimodale grootte. Op basis hiervan zal verder onderzoek op dieper niveau worden bestudeerd om de dichtheid van QD's verder te verbeteren, om een ​​lagere drempelstroom, een lager stroomverbruik, een hoger uitgangsvermogen en een hoge karakteristieke temperatuur te bereiken.

Apparaat metingen. een P-I-V-curven van een QD-laser. b De lasergolflengte is 1,3 μm

Conclusies

Een reeks optimalisaties van de groeiparameters van kwantumdots met hoge dichtheid werden onderzocht. De enkellaagse gloeimethode werd gebruikt om de vorming van het bimodale systeem van kwantumstippen met succes te onderdrukken. We hebben de gloeitemperatuur en de gloeilaagpositie in detail bestudeerd. Een geoptimaliseerde gloeitemperatuur van 680 °C en een afstand van de kwantumdotlaag van 20 nm werden verkregen. Een drempelstroomdichtheid van 110 A/cm ² is bereikt voor een 1,3-μm InAs/GaAs QD F-P-laser bij kamertemperatuur en continu-golfwerking met een lasergolflengte van 1,3 μm.

Afkortingen

AFM:

Atoomkrachtmicroscoop

Uitgloeien T:

Gloeitemperatuur

CW:

Continue golf

FP:

Fabry–Perot

FWHM:

Volledige breedte op halve maximum

Groei T:

Groeitemperatuur

HT:

Hoge temperatuur

LT:

Lage temperatuur

MBE:

Moleculaire bundelepitaxie

PL:

Fotoluminescentie

QD:

Kwantumpunt

RT:

Kamertemperatuur

SEM:

Scanning elektronenmicroscoop

WPE:

Efficiëntie van stopcontacten