Eliminatie van bimodale grootte in InAs/GaAs kwantumpunten voor 1.3-µm kwantumpunt lasers

Samenvatting

Recente vooruitgang in actieve-laag engineering heeft de prestaties van halfgeleider kwantumpunt (QD) lasers aanzienlijk verbeterd. Zelf-geassembleerde InAs QDs gekweekt op GaAs substraten zijn een leidend platform voor 1.3-µm lasers, maar de aanwezigheid van een bimodale grootteverdeling belemmert uniformiteit en apparaatopbrengst. Deze studie demonstreert dat een enkel-laag hoge-temperatuur verbranding bij 680 °C de bimodale grootte effectief onderdrukt, resulterend in QDs met een smalle fotoluminescentie (PL) lijndikte (< 26 meV) en een uniforme dichtheid van 3.2 × 10¹⁰ cm⁻². De resulterende Fabry-Perot (F-P) laser bereikt een lage drempelstroomdichtheid van 110 A cm⁻² bij 1.3 µm in continue-golf operatie.

Inleiding

Hoewel de eerste 1.3-µm QD laser een decennium geleden verscheen, heeft substantiële vooruitgang in kweektechnologie pas recentelijk zijn volledige potentieel ontgrendeld. Een hoge dichtheid van goed gecontroleerde QDs is essentieel voor laag-vermogen, hoge-temperatuur, en hoge-snelheid operatie, wat het InAs/GaAs systeem een primair kandidaat maakt voor next-generation optische interconnects. Echter, de grote roostermismatch (~ 7%) tussen InAs en GaAs produceert vaak een bimodale grootteverdeling, wat het emissiespectrum verbreedt en laserprestaties degradeert. Het elimineren van deze grootte bimodaliteit is daarom kritiek voor het bereiken van hoogwaardige, lage-drempel apparaten.

Groei van InAs op GaAs(001) via moleculaire bundel epitaxie (MBE) volgt het Stranski-Krastanov (SK) mechanisme, vormend driedimensionale eilanden die afgestemd kunnen worden door depositiesnelheid en groeitemperatuur. Conventionele strategieën - hoge InAs flux en lage substraattemperatuur - verhogen punt dichtheid maar introduceren roosterdefecten, wat PL intensiteit vermindert. Integenstelling, een post-groei, enkel-laag verbranding kan defecten genezen, puntgrootte homogeniseren, en de kristallijne kwaliteit van de kaplaag verbeteren, zoals gedemonstreerd in dit werk.

Materiaal Optimalisatie

Alle monsters werden gekweekt op GaAs(001) (N+) substraten in een Veeco Gen 930 MBE systeem. Vier test wafers (N170813, N170824A-C) werden verbrand bij 630, 680, 730, en 780 °C, respectievelijk, met identieke groeiparameters (Tabel 1).

Fotoluminescentie metingen onthulden de sterkste PL intensiteit bij 680 °C (Fig. 1). De toename in verbrandingstemperatuur bevordert desorptie van overmaat As en Ga, verminderd oppervlaktedefecten terwijl QD roosterintegriteit behouden blijft.

Belangrijke groeiparameters werden geoptimaliseerd: arseen druk was ingesteld op 4 × 10⁻⁷ Torr, en de InAs depositiesnelheid op 0.025 ML s⁻¹. Een 2.5 ML InAs laag werd gekweekt bij 520 °C, gecapt door 5 nm In₀.₁₅Ga₀.₈₅As, gevolgd door 15 nm GaAs bij 520 °C en een finale 20 nm GaAs laag bij 630 °C (Fig. 2a).

AFM imaging van het verbrande monster (Fig. 3a) toont een uniforme QD dichtheid van 3.2 × 10¹⁰ cm⁻² en een gemiddelde hoogte van 8 nm. In tegenstelling, het niet-verbrande monster (Fig. 3b) vertoont een bimodale verdeling (5-7 nm) en een lagere dichtheid van 2.9 × 10¹⁰ cm⁻².

De verbranding homogeniseert niet alleen de puntgrootte maar herstelt ook de GaAs kaplaag, wat dislocaties reduceert die anders in de QD laag zouden voortplanten. De resulterende 1.3-µm emissiespectrum is vernauwd, met een PL piek bij 1308 nm en een 31 nm FWHM.

Apparaat Ontwerp en Bereiding

De laser stapel bestaat uit vijf InAs QD lagen ingesloten tussen 1.8 µm Al₀.₄₅Ga₀.₅₅As golgleiders (n-type Si: 2 × 10¹⁸ cm⁻³, p-type Be: 4 × 10¹⁸ cm⁻³). Een 200-nm p⁺ GaAs (Be: 3 × 10¹⁹ cm⁻³) laag biedt een laag-weerstandscontact (Fig. 4a).

Na epitaxie, werd de bovenste kaplaag chemisch gedund (H₃PO₄-H₂O₂-H₂O 1:1:4). Deze stap verschuift de PL piek naar 1294 nm door een hogere groeitemperatuur (650 °C) en indium drift in de In₀.₁₅Ga₀.₈₅As kap.

Fotolithografie definieerde een 100 µm rug, geëtst tot 2 µm via ICP, en geïsoleerd met 260 nm SiO₂ (PECVD). Contactvensters (90 µm) werden geopend voor stroominjectie, en Ti/Pt/Au (51/94.7/1122 nm) elektroden gesputterd op de voorzijde. De wafer werd gedund tot 120 µm; een 50 nm AuGeNi (80:10:10 wt%) legering gevolgd door 300 nm Au werd verdampt op de achterkant voor de n-type elektrode. Een 460 °C, 10 s verbranding vormde ohmische contacten.

Elektrische en optische prestaties werden gemeten in CW bij kamertemperatuur. Het apparaat vertoont een drempelstroomdichtheid van 110 A cm⁻² en een lasergolflengte gecentreerd op 1.3 µm (Fig. 6). De rode verschuiving van de laserpiek ten opzichte van de PL wordt toegeschreven aan zelfverwarming tijdens operatie. Geen facet coating of actieve-regio doping was vereist, wat de hoge kristallijne kwaliteit benadrukt bereikt door enkelvoudige laag verbranding.

Conclusies

Door systematisch groei- en verbrandingscondities te optimaliseren, hebben we met succes de bimodale grootteverdeling in InAs/GaAs QDs geëlimineerd. De optimale enkelvoudige laag verbranding bij 680 °C, uitgevoerd 20 nm boven de QD laag, levert een uniforme puntenensemble en een hoge dichtheid van 3.2 × 10¹⁰ cm⁻² op. De resulterende 1.3-µm Fabry-Perot laser bereikt een lage drempelstroomdichtheid van 110 A cm⁻² in continue-golf, kamertemperatuur operatie, wat de levensvatbaarheid van deze benadering voor hoog-presterende QD laser toepassingen demonstreert.

Afkortingen

AFM:

Atoomkrachtmicroscoop

Verbranding T:

Verbrandingstemperatuur

CW:

Continue golf

F-P:

Fabry-Perot

FWHM:

Volledige breedte op halve maximum

Groei T:

Groeitemperatuur

HT:

Hoge temperatuur

LT:

Lage temperatuur

MBE:

Moleculaire bundel epitaxie

PL:

Fotoluminescentie

QD:

Kwantumpunt

RT:

Kamertemperatuur

SEM:

Scanning elektronenmicroscoop

WPE:

Muurstop efficiëntie