Исследование одноуровневого и многоуровневого режимов генерации в полупроводниковых лазерах на основе квантовых точек InAs/InGaAs

• Автор: Коренев, Владимир Владимирович
• Шифр специальности: 01.04.10
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 140 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
Оглавление
Введение
^ Актуальность темы исследования
К Основная цель
Задачи
^ Научная новизна работы
^ Практическая значимость
•/ Методология и методы исследования
•/ Научные положения, выносимые на защиту
^ Апробация результатов работы
Глава 1. Лазеры с активной областью на основе самоорганизующихся квантовых точек ІпАя/ІпСаАз
1.1. Применение полупроводниковых лазеров на квантовых точках ІпАь/ІпСаАз
1.2. Одноуровневая генерация в лазерах на КТ ІпАь/ІпСаАь
1.3. Многоуровневая (двухуровневая) генерация в полупроводниковых лазерах на квантовых точках ІпАв/ІпОаАз
1.4. Влияние модулированного р-легирования на свойства КТ-лазеров
Глава 2. Экспериментальное исследование одно- и многоуровневой генерации в лазерах с квантовыми точками
2.1. Эпитаксиальный синтез полупроводниковых структур с квантовыми точками и изготовление лазерных диодов
2.2. Экспериментальное исследование явления одноуровневой генерации в лазерах на КТ ІпАь/ІпОаАз

Глава 3. Аналитическая модель одноуровневой генерации в лазерах иа квантовых точках
3.1. Основные приближения модели одноуровневой генерации
3.2. Модель одноуровневой генерации в случае малого однородного уширения
3.3. Исследование влияния параметров активной области лазера на спектры излучения в случае гауссовского распределения КТ по энергии
3.4. Оптимизация параметров активной области лазера с КТ ІпАь/ІпОаАз. 71 К Активная область с несколькими идентичными слоями квантовых
точек
К Активная область с несколькими слоями различных квантовых точек
3.5. Заключение к Главе
Глава 4. Модель многоуровневой генерации в лазерах на квантовых точках ІпАь/ІпСаАь
4.1. Механизм многоуровневой генерации в лазерах на квантовых точках.
4.2. Операционная диаграмма лазера на КТ
4.3. Температурные зависимости пороговых токов генерации
4.4. Заключение к Главе
Глава 5. Влияние модулированного легирования квантовых точек акцепторной примесью на многоуровневую генерацию
5.1. Многоуровневый режим генерации в лазерах на основе КТ ІпАз/ІпСаАь с модулированным р-легированием
5.2. Теоретический анализ влияния модулированного легирования на многоуровневую генерацию в КТ-лазерах
5.3. Заключение к Главе
Заключение
Список основных публикаций по теме диссертации
Список цитированной литературы

Введение
Актуальность темы исследования. Объём информации, передаваемой между компьютерами в сети Интернет, а также в крупных дата-центрах, в период с 2009 по 2013 год увеличился практически в 20 раз и в настоящее время продолжает неуклонно расти [1 - 3]. В связи с этим особую актуальность приобретает вопрос перехода к сетям, основанным на оптических линиях связи, позволяющих значительно увеличить скорость передачи данных, в том числе и на малые расстояния. В качестве источника излучения в таких сетях требуются компактные лазеры, излучающие в диапазоне длин волн 1.2 - 1.3 мкм, отвечающем окну прозрачности стандартного кремниевого оптоволокна. Благодаря использованию полупроводниковых квантовых точек (КТ) БгАэЛпОаАз в качестве активной области лазеров, удаётся создавать источники излучения, которые позволяют не только перекрыть требуемый диапазон длин волн, но также обладают низкими пороговыми токами, а также высокой температурной стабильностью [1, 2, 4 — 6]. Всё это делает длинноволновые лазеры на основе КТ 1пАз/1пОаАз, идеальными кандидатами для использования их в качестве источника излучения в системах оптической связи. Более того, применение таких лазерных диодов, обладающих широкими спектрами излучения, для многоканальной передачи данных представляет собой выгодную альтернативу используемым в настоящее время массивам одночастотных лазеров с распределённой обратной связью (РОС-лазеров) вследствие дешевизны и простоты их производства [7]. В связи с этим, в качестве объекта исследования были выбраны инжекционные лазеры полосковой конструкции с активной областью на основе КТ БзАзЛпОаАз, излучающие в широком спектральном диапазоне около длины волны 1.3 мкм.
В большинстве практически важных случаев требуется излучение высокой мощности в широком спектральном диапазоне вблизи 1.3 мкм, что отвечает излучению на основном оптическом переходе КТ. В то же время, с увеличением тока накачки в спектрах лазерной генерации появляется новая, более

Для проведения экспериментальных исследований была выращена серия лазерных образцов, активная область которых содержала различное число слоев КТ ЫАзЛпОаАэ, сформированных описанным выше методом. Слои КТ разделялись прослойками ненапряжённого материала (спейсерами), в качестве которого в большинстве случаев использовался ОаАэ. Толщина спейсерных слоев составляла 30 нм, что позволяло формировать в активной области вплоть до 10 рядов КТ 1пАз/1пОаАз при сохранении высокого структурного совершенства и оптического качества. Схематическое изображение активной области исследуемых лазерных структур приведено на Рисунке 8 (см. левую часть).
В некоторых случаях использовалось модулированное легирование активной области. В этих образцах средняя часть спейсерных слоев толщиной 10 нм легировалась примесью р-типа, в качестве которой использовался углерод либо бериллий. Концентрация акцепторной примеси составляла 5x1017 см'3, что соответствует примерно 10 атомам акцепторной примеси на одну КТ в активной области - см. Рисунок 8 (правая часть).
Активная область помещалась в середину волноводного слоя ОаАз, полная толщина которого (включая спейсерные слои) составляла около 0.4 мкм. В качестве эмиттеров использовались слои АЮаАь толщиной 1.2-1.5 мкм с мольной долей А1Аз около 0.7, либо сверхрешётки [(200 нм А10.750ао.25Аз)/(20 нм ваАз)].
Лазерные диоды изготавливались в полосковой геометрии с шириной полоска 100 мкм - см. Рисунок 9. Использовались лазеры с различной длиной резонатора со сколотыми гранями. Далее образцы напаивались на медный теплоотвод эпитаксиальными слоями вниз при помощи индиевого припоя. Лазерные характеристики исследовались в непрерывном режиме, либо при импульсной накачке.