Eliminação do tamanho bimodal em pontos quânticos InAs / GaAs para preparação de lasers de pontos quânticos de 1,3 μm

Resumo

As características do dispositivo de lasers de pontos quânticos semicondutores foram aprimoradas com o progresso nas estruturas da camada ativa. Os pontos quânticos InAs formados por automontagem crescidos em GaAs foram intensamente promovidos a fim de obter lasers de pontos quânticos com desempenho superior do dispositivo. No processo de crescimento de pontos quânticos de InAs / GaAs de alta densidade, o tamanho bimodal ocorre devido à grande incompatibilidade e outros fatores. O tamanho bimodal no sistema de pontos quânticos InAs / GaAs é eliminado pelo método de recozimento de alta temperatura e otimizado a temperatura de recozimento in situ. A temperatura de recozimento é considerada como os principais parâmetros de otimização, e a temperatura de recozimento ideal de 680 ° C foi obtida. Nesse processo, a temperatura de crescimento do ponto quântico, a deposição de InAs e a pressão do arsênio (As) são otimizados para melhorar a qualidade do ponto quântico e o comprimento de onda de emissão. Um laser de pontos quânticos F-P de 1,3 μm de alto desempenho com uma densidade de corrente de limiar de 110 A / cm ² foi demonstrado.

Introdução

Dez anos atrás, o laser de pontos quânticos (QD) de 1,3 μm foi desenvolvido; no entanto, não houve nenhum desenvolvimento ou progresso distinto no crescimento dos pontos quânticos desde então até agora. O laser de pontos quânticos de 1,3 µm tornou-se mais uma vez um tema quente de estudo. Tornou-se um dos fortes competidores pela fonte de luz de rede de área local (LAN) de comunicação óptica de alta velocidade. A alta densidade de pontos quânticos é um fator importante que resulta em baixo consumo de energia, estabilidade em alta temperatura e alta velocidade. Como é bem conhecido, espera-se que o laser de pontos quânticos de 1,3 µm InAs / GaAs exiba excelente desempenho na corrente de limiar, estabilidade de temperatura e características de modulação devido aos confinamentos quânticos tridimensionais [1]. Nos últimos 10 anos, muitos laboratórios alcançaram seu objetivo em todo o mundo, de melhorar muito o desempenho dos lasers QD [2,3,4,5]. No entanto, o tamanho bimodal no sistema de pontos quânticos InAs / GaAs ainda existe [6, 7]. A qualidade do ponto quântico pode ser aumentada se o tamanho bimodal puder ser eliminado.

Heteroestruturas InAs / GaAs crescidas por epitaxia de feixe molecular (MBE) têm recebido muita atenção a fim de fabricar nanoestruturas de baixa dimensão, como QDs automontados devido à grande incompatibilidade de rede (~ 7%) entre as camadas de InAs e o substrato de GaAs [8] . O crescimento de InAs no substrato GaAs (001) resulta na formação de uma forma de ilha tridimensional (3D) nos InAs com o modo de crescimento Stranski-Krastanov (SK). Espera-se que a técnica de crescimento SK seja um método de fabricação conveniente de QDs coerentes de alta densidade e ainda é um desafio aberto [9, 10]. No entanto, SK QDs têm alguns problemas, como o grande alargamento não homogêneo dos níveis de energia QD e o problema do tamanho bimodal [11,12,13,14,15]. Para pontos quânticos de alta densidade crescendo em MBE, a maneira convencional é aumentar a taxa de deposição de InAs e diminuir a temperatura de crescimento. O objetivo desta abordagem é reduzir a taxa de migração que pode tornar a formação da ilha rapidamente. No entanto, o crescimento em baixa temperatura pode reduzir a qualidade da rede do material epitaxial. Por outro lado, o crescimento rápido pode aumentar a densidade de pontos quânticos, mas também cria mais deslocamentos. Consequentemente, a intensidade da fotoluminescência de InAs QDs tornou-se fraca quando atingimos uma alta densidade de InAs QDs usando a abordagem convencional.

Nesta carta, o recozimento de alta temperatura de camada única pode efetivamente eliminar os defeitos do material da tampa e alterar a direção de crescimento dos deslocamentos. O tamanho e a forma dos pontos quânticos InAs SK mostram um alto grau de uniformidade por recozimento de camada única que cresceu em substratos de GaAs (001). Houve um aumento na deposição de InAs, o que melhorou a saturação de cada QD ao mesmo tempo. Os espectros PL dos QDs InAs uniformes revelaram uma largura de linha estreita de menos de 26 meV. Lasers de 1,3 μm InAs / GaAs QD são fabricados que exibem uma corrente de limiar de laser I _th de 220 mA e uma densidade de corrente de limiar de 110 A / cm ² .

Otimização de material

Neste estudo, a estrutura de pontos quânticos é cultivada em substratos GaAs (001) (N +) em um sistema Veeco Gen 930 MBE. A temperatura de recozimento foi investigada e as temperaturas de recozimento para essas quatro amostras (N170813, N170824A-N17084C) são 630, 680, 730 e 780 ° C, respectivamente. Os parâmetros de crescimento dos pontos quânticos dessas quatro amostras são exatamente iguais (Tabela 1).

Medidas de fotoluminescência (PL) foram realizadas para as quatro amostras. Com o aumento da temperatura de recozimento, a intensidade PL mais forte foi alcançada na temperatura de recozimento de 680 ° C (conforme mostrado na Fig. 1). Isso ocorre porque o arsênio (As) e o Ga são dessorvidos à medida que a temperatura de recozimento aumenta. Esse processo pode criar mais defeitos, e a rede de pontos quânticos InAs mudou em alta temperatura.

Comparação de espectros de fotoluminescência (PL) de bolachas epitaxiais sob diferentes temperaturas de recozimento

A área ativa do laser de pontos quânticos foi otimizada na baixa pressão de arsênico de 4 × 10 ^{- 7} Torr [16] e baixa taxa de crescimento de 0,025 ML / s. Após o recozimento, descobrimos que o comprimento de onda era inferior a 1300 nm; portanto, ajustamos as condições de crescimento. Um InAs de 2,5 monocamada (ML) de espessura foi cultivado a 520 ° C e coberto por um InAs de 5 nm de espessura _0,15 Ga _0,85 Como camada redutora de deformação na mesma temperatura. Esta camada foi seguida por uma camada de GaAs de 15 nm que se depositou a uma temperatura inferior (LT) de 520 ° C. Então, nós crescemos a camada final de GaAs de 20 nm a uma temperatura mais alta (HT) de 630 ° C (como mostrado na Fig. 2a).

A estrutura da região ativa e o espectro PL. a A estrutura da região ativa do laser QD não dopado. b Espectro PL da região ativa do laser QD à temperatura ambiente (RT). O pico de emissão é de 1305 nm e o FWHM é de cerca de 31 nm

O espectro PL e as imagens de microscopia de força atômica (AFM) da superfície dos QDs foram medidos para a amostra de teste. O pico de emissão de 1308 nm é devido à transição do estado fundamental, e a largura total da metade do máximo (FWHM) do pico é de cerca de 31 nm (como mostrado na Fig. 2b). Nós crescemos uma camada de pontos quânticos nus na camada enterrada de cinco camadas na amostra de teste para realizar a medição AFM. As condições de crescimento são exatamente as mesmas dos pontos quânticos enterrados descritos antes. A imagem AFM da superfície dos QDs mostra que a densidade QD da amostra recozida é de cerca de 3,2 × 10 ¹⁰ cm ^{- 2} (como mostrado na Fig. 3a). O ponto quântico tem uma altura média de 8 nm. Pelo contrário, o tamanho e a distribuição da amostra de pontos quânticos não recozidos não são uniformes. O tamanho bimodal pode ser visto e a densidade QD é de cerca de 2,9 × 10 ¹⁰ cm ^{- 2} . O ponto quântico tem uma altura de 5–7 nm (como mostrado na Fig. 3b).

Imagens AFM dos InAs / GaAs QDs. a Recozimento de alta temperatura de camada única. b Sem recozimento. c Imagem 3D de distribuição de tamanho de área pequena com recozimento de alta temperatura. d Imagem 3D de distribuição de tamanho de área pequena sem recozimento

Durante o crescimento epitaxial de um laser de ponto quântico de 1,3 µm, o tamanho bimodal dos pontos quânticos InAs pode ser bem eliminado por meio do recozimento de camada única para a área ativa do laser. Em comparação com a amostra cultivada sem recozimento (como mostrado na Fig. 3c), a amostra cultivada com uma temperatura de recozimento em 680 ^° C (como mostrado na Fig. 3d) tem uma densidade de pontos quânticos mais alta e um tamanho de pontos quânticos uniforme. Isso pode ser atribuído às seguintes razões. No início, a camada de cobertura de GaAs cresce imediatamente após o crescimento dos pontos quânticos de InAs, portanto, ela só pode crescer a uma temperatura baixa, o que reduz a qualidade da rede de GaAs e introduz defeitos. O recozimento em alta temperatura pode eliminar defeitos e pode aumentar a camada de cobertura de GaAs de alta qualidade usada para continuar a aumentar os pontos quânticos de InAs. Além disso, os deslocamentos são gerados durante a heteroepitaxia InAs / GaAs, o recozimento de camada única in situ pode eliminar o deslocamento ou alterar a direção do crescimento do deslocamento e, em seguida, melhorar a qualidade dos pontos quânticos InAs.

Projeto e preparação do dispositivo

A estrutura do laser consistia em uma camada de GaAs incorporada com cinco camadas de camadas centrais de QD de InAs automontadas. A camada de guia de onda n de 200 nm e a camada de guia de onda p cresceram na parte superior e inferior da estrutura QD. A região ativa QD e a camada de guia de onda foram ensanduichadas por dois tipo p de 1,8 μm (Be:4E18) e tipo n (Si:2E18) Al _0,45 Ga _0,55 Como camadas. Uma camada de 200 nm p + GaAs (Be:3E19) foi depositada para contato elétrico (como mostrado na Fig. 4a).

Estrutura do dispositivo. a Estrutura epitaxial do laser de área ampla de pontos quânticos de 1,3 μm F-P. b Espectro PL da estrutura epitaxial do laser QDs em RT. O comprimento de onda central é 1294 nm

Uma pequena parte do wafer é gravada por corrosão química para afinar a camada de revestimento superior com H ₃ PO ₄ -H ₂ O ₂ -H ₂ O (1:1:4) depois que a estrutura epitaxial do laser foi concluída [17, 18]. Pode ser visto que o espectro PL desta amostra tem um comprimento de onda central de 1294 nm (como mostrado na Fig. 4b). O deslocamento para o azul do comprimento de onda central em comparação com a amostra de teste mencionada acima (como mostrado na Fig. 2a) é devido ao crescimento de alta temperatura (650 ° C) durante a etapa de crescimento do revestimento superior com um tempo de crescimento superior a 2 h . Também pode ser do componente índio (In) do In _0,15 A rocha da camada de cobertura de GaAs se desvia.

O wafer de laser InAs / GaAs QD foi revestido com fotorresiste para definir o padrão da superfície. A primeira edição da fotolitografia forma um padrão de crista de 100 μm. O guia de onda do cume foi fabricado por ataque de plasma indutivamente acoplado (ICP) com uma profundidade de ataque de 2 μm, seguido por Deposição de Vapor Químico Aprimorado por Plasma (PECVD) para formar SiO ₂ isolamento. Na próxima etapa, fizemos uma janela de contato de 90 μm de largura na crista para injeção de corrente. Em seguida, Ti / Pt / Au 51 nm / 94,7 nm / 1122 nm foi depositado como um eletrodo do tipo p com pulverização catódica (como mostrado na Fig. 5). O wafer é diluído para 120 μm, e um AuGeNi de 50 nm de espessura (liga 80:10:10% em peso) com uma camada de Au de 300 nm de espessura foi depositado na parte de trás do wafer, usando evaporação térmica para eletrodo tipo n [19, 20]. Toda a amostra foi recozida a 460 ° C por 10 s, a fim de formar um contato ôhmico. Durante todo o processo de fabricação, a amostra foi limpa sequencialmente com acetona e álcool isopropílico e enxaguada com água desionizada.

Imagem SEM da seção transversal do laser. O laser de área ampla F-P com um processo de fabricação de laser padrão. A profundidade de corrosão de GaAs / AlGaAs é de cerca de 2 μm. O PECVD formou SiO ₂ é 260 nm

As propriedades elétricas e ópticas do dispositivo foram medidas quando o laser foi concluído. Potência-corrente-tensão ( P - I − V ) características de lasers de área ampla foram testadas na onda contínua (CW) em RT. A densidade de corrente limite do laser é 110 A / cm ² (como mostrado na Fig. 6a), e o comprimento de onda central do espectro de laser é 1,3 μm (como mostrado na Fig. 6b). Pode ser visto a partir do espectro de laser que o comprimento de onda central do laser em temperatura ambiente é desviado para o vermelho devido ao efeito de aquecimento da operação do laser. Neste estudo, o laser pode lase continuamente à temperatura ambiente e atingir um bom limiar de densidade de corrente, bem como uma boa potência de saída sem revestimento de faceta e undoping na região ativa, o que indica a alta qualidade do cristal do laser. O método de recozimento de camada única tem um certo efeito no sistema de pontos quânticos de tamanho bimodal. Pesquisa de nível mais profundo será estudada com base nisso para melhorar ainda mais a densidade de QDs, a fim de atingir um limite de corrente mais baixo, menor consumo de energia, maior potência de saída e alta temperatura característica.

Medições do dispositivo. a Curvas P-I-V de um laser QD. b O comprimento de onda laser é 1,3 μm

Conclusões

Uma série de otimizações dos parâmetros de crescimento de pontos quânticos de alta densidade foram investigadas. O método de recozimento de camada única foi usado para suprimir com sucesso a formação do sistema de tamanho bimodal de pontos quânticos. Estudamos a temperatura de recozimento e a posição da camada de recozimento em detalhes. Uma temperatura de recozimento otimizada de 680 ° C e uma distância da camada de pontos quânticos de 20 nm foram obtidas. Um limite de densidade de corrente de 110 A / cm ² foi obtido para um laser de 1,3 μm InAs / GaAs QD F-P em temperatura ambiente e operação de onda contínua com um comprimento de onda de laser de 1,3 μm.

Abreviações

AFM:: Microscópio de Força Atômica
Annealing T:: Temperatura de recozimento
CW:: Onda continua
F-P:: Fabry – Perot
FWHM:: Largura total pela metade no máximo
Growth T:: Temperatura de crescimento
HT:: Temperatura alta
LT:: Temperatura baixa
MBE:: Epitaxia de feixe molecular
PL:: Fotoluminescência
QD:: Ponto quântico
RT:: Temperatura do quarto
SEM:: Microscópio eletrônico de varredura
WPE:: Eficiência de tomada de parede

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