Инжекционные лазеры на основе самоорганизующихся квантовых точек

• Автор: Жуков, Алексей Евгеньевич
• Шифр специальности: 01.04.10
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 336 с. : ил

Оглавление
Введение
1. Основные принципы лазера на основе квантовых точек; самоорганизующиеся массивы квантовых точек
1.1. Влияние плотности состояний на оптическое усиление. Лазер на основе идеального массива квантовых точек
1.2. Структурные и оптические свойства самоорганизующихся массивов квантовых точек
2. Оптимизация режимов эпитаксиального роста и конструкции структур с массивами самоорганизующихся квантовых точек для
О лазерных применений
2.1. Экспериментальные методы получения и исследования инжекционных лазеров на основе самоорганизующихся квантовых точек
2.2. Оптимизация режимов выращивания массивов самоорганизующихся КТ для применений в инжекционных лазерах
2.3. Управление длиной волны излучения и энергией локализации основного состояния массива самоорганизующихся квантовых точек
2.4. Оптимизация конструкции активной области на основе самоорганизующихся квантовых точек для лазерных применений
3. Оптическое усиление и пороговые характеристики лазеров на основе самоорганизующихся квантовых точек
' 3.1. Специфические особенности и взаимосвязь усиления с плотностью
тока в лазере на основе самоорганизующихся квантовых точек
3.2. Аналитическое выражение для оптического усиления КТ лазеров с учетом факторов неидеальности. Переход к генерации через возбужденное состояние.
3.3. Зависимость характеристик усиления и пороговой плотности тока от поверхностной плотности массива КТ
3.4. Температурная зависимость усиления КТ лазера с неоднородно уширенной плотностью состояний
4. Инжекционные лазеры на основе самоорганизующихся массивов

квантовых точек
4.1. Длинноволновые лазеры на основе квантовых точек на подложках 188 GaAs
4.2. Лазеры на основе квантовых точек на подложках InP
4.3. Мощные лазеры на основе самоорганизующихся квантовых точек
Заключение
Список публикаций, включенных в диссертацию
Список цитированной литературы

1. Введение
Актуальность проблемы, объект исследования
Изобретение инжекционного лазера на основе полупроводниковых гетероструктур [1] произвело переворот в электронике, открыв, по существу, новое направление науки и техники - оптоэлекгронику. В настоящее время полупроводниковые лазеры широко используются в качестве компактных источников когерентного излучения во многих применениях, включая передачу данных, накачку, считывание информации и др. В зависимости от специфического применения, лазерный диод должен обеспечивать определенный уровень выходной мощности на заданной длине волны. Чтобы минимизировать потребление энергии и избежать перегрева диода, степень преобразования электрической мощности в световую, т.е. коэффициент полезного действия, должна быть максимально высокой. В свою очередь, КПД лазерного диода зависит от пороговой плотности тока, внутренних потерь, внутренней дифференциальной эффективности и других приборных параметров. Большинство этих характеристик лазера тесно связаны с зонной структурой активной области, в которой собственно и происходит преобразование потока носителей заряда в свет. Изобретение лазера на основе квантовой ямы [2] наглядно показало, что зонная структура активной области может быть целенаправленно изменена с помощью использования эффектов размерного квантования, улучшая приборные характеристики лазерного диода. К настоящему времени приборные характеристики лазеров на основе квантовых ям практически достигли своих теоретически предсказанных пределов [3,4]. Дальнейший прогресс технологии полупроводниковых лазеров связан с использованием структур с размерностью ниже чем два - квантовых проволок и квантовых точек.
Когда степень свободы движения носителей заряда уменьшается с помощью уменьшения размерности активной области, эффекты размерного квантования начинают сказываться на энергетическом спектре носителей и плотности состояний. В предельном случае ансамбля квантовых точек все носители заряда могут быть сосредоточены в очень узких энергетических интервалах, определяемых уровнями размерного квантования. Фактически, электронная структура массива квантовых точек воспроизводит спектр атома. Таким образом, отсутствуют более высоко лежащие “паразитные” состояния, которые давали бы
где с/ - толщина активной области, например 0.1 мкм, г - время жизни (время излучательной рекомбинации), типично порядка 1 не. При таких значениях, плотность тока прозрачности объемного материала оказывается порядка 500-800 А/см2, в хорошем согласии с экспериментальными результатами для ДГС-лазеров.
Таким образом, оценки, сделанные исходя из вида функции плотности состояний, показывают, что пороговая плотность тока лазера с трехмерной активной областью оказывается неприемлемо высокой, что является результатом сильного размытия носителей заряда по доступным состояниям в области больших энергий. Более того, пороговая плотность тока сильно зависит от температуры, также вследствие увеличивающегося с температурой заселения более высоко лежащих состояний по отношению к состояниям, на которых достигается лазерная генерация (вблизи дня зоны). Эффекты, обусловленные размерным квантованием носителей заряда в активной области, позволяют модифицировать ФПС и значительно улучшить приборные характеристики лазера.
Полупроводниковые материалы, имеющие разный химический состав, характеризуются отличными энергиями краев зон по отношению друг к другу. Таким образом, на интерфейсе двух полупроводников может иметься потенциальный барьер для носителей заряда. Наибольший интерес для лазерных применений представляют гетеропереход типа I, в случае которого при переходе от более узкозонного полупроводника к более широкозонному барьер возникает как для электронов, так и для дырок. В этом случае узкозонный полупроводник, помещенный в матрицу широкозонного материала, представляет собой потенциальную яму, позволяющую пространственно ограничить носители заряда обоих типов, что существенно для эффективной излучательной рекомбинации.
Когда ширина области локализации носителей уменьшается, наличие потенциальных барьеров на гетероганицах начинает сказываться на свободе движения носителей заряда в пределах активной области. Импульс электрона в направлении, в котором движение ограничено, может принимать только дискретные значения, что приводит к модификации функции плотности состояний. Размерное квантование начинает заметно влиять на ФПС, когда энергия квантового уровня становится сравнима с характерной энергией системы (например, квТ или энергией Ферми), т.е. когда ширина потенциальной ямы порядка электронной