Книги по разным темам Pages:     | 1 | 2 | Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 9 Лазерная генерация в гетероструктурах Cd(Zn)Se/ZnMgSSe при накачке излучением азотного и InGaN/GaN лазеров й И.В. Седова, С.В. Сорокин, А.А. Торопов, В.А. Кайгородов, С.В. Иванов, П.С. Копьев, + + + + + Е.В. Луценко, В.Н. Павловский, В.З. Зубелевич, А.Л. Гурский, Г.П. Яблонский, = Y. Dikme, H. Kalisch, A. Szymakowski, R.H. Jansen, B. Schineller, M. Heuken= Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия + Институт физики им. Б.И. Степанова Национальной академии наук Белоруссии, 220072 Минск, Белоруссия Institut fr Theoretische Elektrotechnik, RWTH, Aachen, Germany = AIXTRON AG, Aachen, Germany (Получена 22 декабря 2003 г. Принята к печати 25 декабря 2003 г.) Исследована фотолюминесценция и генерация Cd(Zn)Se/ZnMgSSe-лазеров с различным дизайном активной области, излучающих в зеленом спектральном диапазоне (длины волн = 510-530 нм) в широком интервале температур и интенсивностей накачки азотным лазером. Минимальный порог генерации 10 кВт/см2, максимальная внешняя квантовая эффективность 12% и максимальная выходная мощность 20 Вт были получены для структуры, активная область которой состояла из трех изолированных квантовых ям ZnSe с дробно-монослойными вставками CdSe. Лазеры имели высокую температурную стабильность порога генерации (характеристическая температура T0 = 330 K до 100C). Впервые предложен и исследован интегральный конвертер, состоящий из зеленого Cd(Zn)Se/ZnMgSSe-лазера, оптически накачиваемого синим InGaN/GaN-лазером с множественными квантовыми ямами, выращенным на подложке Si (111).

1. Введение составляет = 460 нм при комнатной температуре [3].

Однако получение стимулированного зеленого излучеВ последние годы большое внимание уделяется сония в полупроводниковых структурах на базе нитридов зданию коммерческих полупроводниковых лазеров и весьма проблематично из-за принципиальных трудносветодиодов, излучающих в сине-зеленой области спекстей формирования малодефектных квантовых ям (КЯ) тра, необходимых для систем проекционного лазерного InGaN с большим содержанием индия, необходимых для телевидения, коротко-дистанционных волоконно-оптиполучения требуемой длины волны излучения [4,5].

ческих линий связи, использующих пластиковые волокВ начале 90-х годов наряду с широкозонными пона, устройств высококачественной цветной печати и лупроводниками AIIBVI в качестве материала для придругих лазерных применений. По-прежнему наиболее боров, излучающих в сине-зеленой области спектра, вероятными кандидатами для создания зеленых лазеисследовались гетероструктуры на базе фосфидов элеров остаются гетероструктуры на основе широкозонментов III группы. Минимальная достигнутая длина ных полупроводников AIIBVI. Однако, несмотря на все волны излучения лазерного диода на основе AlGaInP предпринимаемые попытки, проблема создания промышравна 555 нм в непрерывном режиме генерации при ленно используемого инжекционного лазера на основе температуре T = 77 K [6]. При комнатной температуре соединений AIIBVI остается нерешенной на настоящий была получена длина волны 615 нм в непрерывном момент. Все усилия по оптимизации лазерных диодов режиме [7], в импульсном Ч 607 нм [8]. Однако при на основе ZnSe не привели к сколь-нибудь заметному получении лазерных диодов в системе AlGaP/AlGaInP увеличению их времени жизни, и результат, полученный возникает ряд проблем, основной из которых являетфирмой Sony Co, Ч 400 ч работы в непрерывном режися специфическая зонная структура твердых растворов ме при комнатной температуре Ч до сих пор остается (AlxGa1-x )0.52In0.48P, изопериодных с GaAs. При изменепревзойденным [1].

нении x от 0 до 1 твердый раствор (Alx Ga1-x)0.52In0.48P Основными конкурентами соединениям AIIBVI для трансформируется из прямозонного полупроводника в оптоэлектронных применений являются полупроводниполупроводник с непрямой запрещенной зоной, причем ки AIIIN. В 1996 г. на подложках из сапфира метоточка перехода соответствует значению x 0.50. При дом металлорганической газофазной эпитаксии были этом ширина непрямой запрещенной зоны составляет созданы лазерные диоды с множественными квантовывсего Eg = 2.33 эВ [9] и практически не зависит от x, ми ямами (МКЯ) InGaN с длиной волны излучения не позволяя увеличивать Eg активной области, вслед = 417 нм и пороговой плотностью тока 4 кА/см2 [2] ствие чего резко ухудшается электронное ограничение в в импульсном режиме генерации. В настоящее врегетероструктурах AlGaN/AlGaInP с КЯ.

мя максимальная длина волны излучения лазерных Таким образом, несмотря на все проблемы, связанные InGaN/GaN-диодов, работающих в непрерывном режиме, в первую очередь с чрезвычайно низкой энергией актива E-mail: irina@beam.ioffe.rssi.ru ции дефектообразования, характерной для большинства 1136 И.В. Седова, С.В. Сорокин, А.А. Торопов, В.А. Кайгородов, С.В. Иванов, П.С. Копьев, Е.В. Луценко...

широкозонных материалов AIIBVI [10], гетероструктуры параметров решетки ( a/a 7%). Структура A содерна основе ZnSe остаются единственными кандидатами жит одну плоскость КД CdSe в центре слоя КЯ ZnSe для создания промышленных лазеров, излучающих в толщиной 10 нм. Структура B состоит из 3 изолирозеленой области спектра. ванных КЯ ZnSe со вставками КД CdSe той же номиВ конце 90-х годов была предложена новая конструк- нальной толщины, что и в структуре A, помещенных ция активной области лазерных структур на основе в расширенном до 0.4 мкм сверхрешеточном волноводе.

соединений AIIBVI, направленная на увеличение их вре- Особенности выращивания активной области на основе мени жизни и устранение основной причины быстрой КД CdSe методом МПЭ подробно описаны в [11,13].

деградации лазерных диодов, а именно Ч безызлу- Для сравнения была выращена аналогичная структура C, чательной рекомбинации на дефектах активной обла- но с активной областью в виде обычной одиночной КЯ сти, способствующей дальнейшему росту их концентра- ZnCdSe. Использование переменно-напряженной коротции [11Ц13]. копериодной СР позволяет увеличить электронное ограМеханизм медленной деградации лазерных структур ничение для дырок при оптимальном оптическом ограна основе ZnSe объясняется прежде всего наличием то- ничении, повысить эффективность сбора носителей и чечных дефектов, диффундирующих в активную область стойкость всей структуры к механическим напряжениям, в основном из легированной верхней p-области [14] и а также защитить активную область от проникновения и связанных с компенсирующими донорными центрами Ч развития протяженных и точечных дефектов [12,17].

атомами азота в междоузлиях, ответственными за неста- Синие лазеры в системе InGaN/GaN ( 455 нм), бильность электрических характеристик ZnSe : N [15]. используемые для оптической накачки лазеров на основе Кроме того, мелкий азотный акцептор и сам проявляет Cd(Zn)Se/ZnMgSSe, были выращены методом металлорметастабильную природу, трансформируясь при опреде- ганической газофазной эпитаксии при низких давлениях ленных условиях в межузельный центр, образующий по- на подложках n-Si (111) фирмой AIXTRON (Гермадвижный заряженный комплекс с вакансией селена [16]. ния) [18]. Для релаксации возникающих напряжений исПоэтому полупроводниковые лазеры с импульсной пользовались буферные слои GaN/AlGaN/AlN. Активная оптической накачкой и лазеры с накачкой электронным область лазеров состояла из 10 КЯ InGaN, которые пучком [17], не требующие p-n-перехода и омических затем заращивались слоем GaN толщиной 50 нм.

контактов, что позволяет уйти от проблем, ограничиваю- Для оптического возбуждения исследуемых структур щих время жизни инжекционных лазеров, по-прежнему использовалось излучение непрерывного HeЦCdостаются в поле зрения исследований и дают возмож- лазера (длина волны exc = 325 нм, интенсивность ность продвинуться в зеленую область спектра, для Iexc = 0.5-20 Вт/см2) и импульсного N2-лазера которой нет инжекционных лазеров на основе других (exc = 337.1 нм, длительность импульса p = 8 нс, часоединений. стота = 103 Гц, Iexc = 5-1500 кВт/см2) в интервале В настоящей работе представлены результаты ис- температур от 77 до 593 K.

следования люминесцентных и лазерных свойств гетероструктур Cd(Zn)Se/ZnMgSSe с различным типом 3. Результаты и обсуждение активной области. Определены основные лазерные параметры: пороговая плотность мощности накачки, внешняя Фотолюминесцентные свойства гетероструктур исслеквантовая эффективность, характеристическая темперадовались как при низком (5Вт/см2), так и при высоком тура, выходная мощность. Впервые произведена оптиче(от 6 до 400 кВт/см2) уровнях возбуждения при комнатская накачка гетероструктуры на основе ZnSe излучениной температуре и температуре жидкого азота. Как и ем оптически накачиваемого лазера InGaN/GaN.

ожидалось [13], структуры со вставками КД CdSe показывают заметно более высокую эффективность спонтанного излучения по сравнению с контрольной струк2. Эксперимент турой с КЯ (рис. 1). По соотношению интенсивностей Структуры в системе (Zn,Mg)(S,Se) для лазе- излучения из активной области и волноводных слоев, ров с оптической накачкой были выращены мето- I(QW)/I(SL) > 103, можно судить о хорошем электрондом молекулярно-пучковой эпитаксии (МПЭ) псевдо- ном ограничении неравновесных носителей при комморфно на подложках GaAs (001) при температу- натной температуре. Даже при высоких уровнях возбурах роста 270-280C. Структуры содержат нижний ждения (выше 400 кВт/см2) люминесценция из активной и верхний ограничивающие слои Zn0.9Mg0.1S0.15Se0.85 области остается доминирующей.

толщиной 0.7 и 0.2 мкм соответственно, симметрич- Лазерные свойства исследуемых структур изучались ный волновод в виде короткопериодной сверхрешет- в широких интервалах температур и интенсивностей ки (СР) ZnS0.14Se0.86 (15 ) / ZnSe (18 ) общей толщи- возбуждения. Для лазеров с длинными резонаторами ной 0.2 мкм и активную область на основе квантовых (L 400 мкм и более) минимальная пороговая мощдисков (КД) CdSe, самоорганизующихся при осаждении ность генерации (Ith = 10 кВт/см2) зарегистрирована 2.5 монослоев (МС) CdSe на поверхность ZnSe вслед- в структуре с активной областью, содержащей 3 КЯ ствие упругой релаксации напряжений несоответствия ZnSe с КД CdSe. Структура с одной плоскостью Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. Лазерная генерация в гетероструктурах Cd(Zn)Se/ZnMgSSe при накачке излучением азотного... Все исследуемые гетероструктуры являются структурами с симметричным волноводом, для которых фактор оптического ограничения имеет максимальное значение для нулевой (фундаментальной) моды. Исследование спектрально-углового распределения лазерной генерации показало, что излучение всех структур в дальнем поле имеет одно центральное пятно, что говорит о генерации на фундаментальной моде волновода [19]. УгРис. 1. Спектры фотолюминесценции исследуемых гетероструктур A, B, C при низком уровне возбуждения непрерывным HeЦCd-лазером при температурах жидкого азота (a) и комнатной (b). exc = 325 нм, Iexc = 5Вт/см2.

Рис. 2. Пороговые характеристики лазеров на основе струкКД CdSe имеет чуть более высокий порог генерации тур A, B, C с длинными резонаторами при возбуждении (Ith = 12-15 кВт/см2), тогда как порог генерации в N2-лазером при комнатной температуре. A, C: L = 430 мкм; B:

контрольной структуре ZnCdSe/ZnSe с КЯ в 3Ц4 раза L = 440 мкм. На вставке Ч спектр генерации лазера на основе выше порога в структурах с КД CdSe (рис. 2). Такое структуры B с коротким резонатором, L = 100 мкм.

различие в величинах пороговой мощности генерации объясняется прежде всего устройством активной области. В структурах с активной областью, состоящей из когерентных CdSe-обогащенных островков в матрице ZnSe, происходит эффективная локализация носителей в этих наноостровках, что препятствует их миграции к дефектным областям, где они могут рекомбинировать безызлучательно и вызывать ускоренное размножение дефектов в активной области [13]. В результате увеличения числа вставок КД CdSe (структура B) улучшается оптическое ограничение в структуре и увеличивается общая толщина активной области, что приводит к дальнейшему снижению порога генерации. В спектрах генерации лазеров на основе образца с множественными вставками КД, имеющих достаточно короткий резонатор (длина резонатора L < 150 мкм), легко разрешается моРис. 3. Зависимость выходной мощности лазеров с раздовая структура спектра (см. вставку к рис. 2). Следует ными длинами резонаторов от интенсивности возбуждения отметить, однако, что уменьшение длины резонатора N2-лазером при комнатной температуре. 1 Ч структура A, до 100 мкм приводит к значительному увеличению по- L = 580 мкм; (2Ц4) Ч структура B, L = 185 (2), 330 (3), рога генерации. 830 мкм (4).

8 Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 1138 И.В. Седова, С.В. Сорокин, А.А. Торопов, В.А. Кайгородов, С.В. Иванов, П.С. Копьев, Е.В. Луценко...

Измерение выходной мощности в абсолютных единицах позволило оценить величину внешней квантовой эффективности, которая является одной из наиболее важных лазерных характеристик. Как видно из рис. 4, при преодолении порога генерации внешняя квантовая эффективность исследуемых структур довольно быстро увеличивается с накачкой и достигает при некотором значении своей максимальной величины (для структуры B более 11%). При дальнейшем увеличении накачки происходит ее уменьшение, которое вызвано увеличением потерь за счет рассеяния на свободных носителях заряда, перегревом активной области, насыщением процессов усиления и, возможно, деградацией.

Для структуры с множественными вставками КД CdSe генерация без заметных деградационных явлений наРис. 4. Зависимость внешней квантовой эффективности лазеблюдалась до 230C, что является чрезвычайно высокой ров с разными длинами резонаторов от интенсивности возбурабочей температурой для полупроводниковых лазеров.

ждения N2-лазером при комнатной температуре. 1 Ч структуТемпературная зависимость порога генерации для струкра A, L = 580 мкм; (2Ц4) Ч структура B, L = 185 (2), 330 (3), туры B представлена на рис. 5. Зависимость имеет 830 мкм (4).

стандартный для квантово-размерных лазеров характер с двумя экспоненциально возрастающими участками и перегибом в интервале температур 100-120C. При этом характеристическая температура (T0) для диапазона температур до 100C равна 330 K, выше 120C T0 = 68 K. Как известно, температурная зависимость порога генерации полупроводниковых лазеров в сильной степени обусловлена квантовым ограничением носителей в активной области [20], что связано с уменьшением диапазона разрешенных состояний при уменьшении числа степеней свободы неравновесных носителей заряда (ННЗ). Высокое значение T0 = 330 K характерно для квантово-размерных гетероструктур с трехмерным квантовым ограничением носителей, что свидетельствует об эффективной локализации ННЗ в обогащенных кадмием КД при температурах ниже 100C.

Pages:     | 1 | 2 |    Книги по разным темам