Устранение бимодального распределения размеров в квантовых точках InAs/GaAs для лазеров на 1,3 мкм

Аннотация

Недавние достижения в инженерии активного слоя значительно повысили производительность полупроводниковых лазеров на квантовых точках (КТ). Самоорганизованные InAs КТ на подложках GaAs — ведущая платформа для лазеров 1,3 мкм, однако наличие бимодального распределения размеров препятствует однородности и выходу пригодных устройств. В данном исследовании показано, что однслойный высокотемпературный отжиг при 680 °C эффективно подавляет бимодальность размеров, давая КТ с узкой полосой фотолюминесценции (ФЛ) (< 26 мэВ) и равномерной плотностью 3,2 × 10¹⁰ см⁻². Полученный лазер Фабри-Перо (Ф-П) достигает низкого порогового токового угла 110 А/см² на 1,3 мкм в непрерывном режиме.

Введение

Хотя первый лазер на КТ 1,3 мкм появился десять лет назад, существенный прогресс в технологии выращивания разблокировал его полный потенциал лишь недавно. Высокая плотность хорошо контролируемых КТ необходима для низкоэнергетельной, высокотемпературной и высокоскоростной работы, делая систему InAs/GaAs главным кандидатом для оптических интерконнектов следующего поколения. Однако большое несоответствие решеток (~7%) между InAs и GaAs часто порождает бимодальное распределение размеров, расширяющее спектр излучения и деградирующее лазерные характеристики. Устранение этой бимодальности критично для достижения высококачественных низкопороговых устройств.

Выращивание InAs на GaAs(001) методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) следует механизму Странски–Крастанова (СК), образуя трехмерные острова, настраиваемые скоростью осаждения и температурой подложки. Конвенциональные стратегии — высокий поток InAs и низкая температура подложки — повышают плотность точек, но вводят решеточные дефекты, снижая интенсивность ФЛ. Напротив, послеростовой однслойный отжиг может залечить дефекты, однородить размер точек и улучшить кристаллическое качество шапочного слоя, как показано в этой работе.

Оптимизация материала

Все образцы выращивали на GaAs(001) (N+) подложках в системе МЛЭ Veeco Gen 930. Четыре тестовых вефера (N170813, N170824A–C) отжигали при 630, 680, 730 и 780 °C соответственно с идентичными параметрами выращивания (Таблица 1).

Измерения фотолюминесценции выявили наибольшую интенсивность ФЛ при 680 °C (рис. 1). Повышение температуры отжига способствует десорбции излишнего As и Ga, уменьшая поверхностные дефекты при сохранении решеточной целостности КТ.

Сравнение спектров фотолюминесценции при разных температурах отжига.

Ключевые параметры выращивания оптимизировали: давление арсенида установили на 4 × 10⁻⁷ Торр, скорость осаждения InAs — 0,025 МЛ/с. Слой InAs толщиной 2,5 МЛ выращивали при 520 °C, покрывали 5 нм In₀.₁₅Ga₀.₈₅As, затем 15 нм GaAs при 520 °C и финальный слой 20 нм GaAs при 630 °C (рис. 2a).

Структура активного региона и его комнатная температура ФЛ спектр: пик на 1305 нм с ПШПМ 31 нм.

АФМ изображения отжигнутого образца (рис. 3a) показывают равномерную плотность КТ 3,2 × 10¹⁰ см⁻² и среднюю высоту 8 нм. В отличие от этого, неотжиженный образец (рис. 3b) демонстрирует бимодальное распределение (5–7 нм) и более низкую плотность 2,9 × 10¹⁰ см⁻².

АФМ изображения: (a) отжиженный, (b) неотжиженный, (c) распределение размеров с отжигом, (d) без отжига.

Отжиг не только однородит размер точек, но и восстанавливает шапочный слой GaAs, уменьшая дислокации, которые иначе распространились бы в слой КТ. Полученный спектр излучения 1,3 мкм сужается, с пиком ФЛ на 1308 нм и ПШПМ 31 нм.

Проектирование и подготовка устройства

Структура лазера состоит из пяти слоев InAs КТ, помещенных между 1,8 мкм волноводными слоями Al₀.₄₅Ga₀.₅₅As (n-тип Si: 2 × 10¹⁸ см⁻³, p-тип Be: 4 × 10¹⁸ см⁻³). Слой 200 нм p⁺ GaAs (Be: 3 × 10¹⁹ см⁻³) обеспечивает низкоомный контакт (рис. 4a).

Структура устройства: (a) эпитаксиальные слои; (b) комнатная температура ФЛ с пиком 1294 нм.

После эпитаксии верхний обтекатель химически разжижали (H₃PO₄–H₂O₂–H₂O 1:1:4). Этот шаг смещает пик ФЛ до 1294 нм из-за более высокой температуры роста (650 °C) и дрифта индия в шапочном слое In₀.₁₅Ga₀.₈₅As.

Фотолитографию определили 100 мкм гребневую структуру, травленную до 2 мкм ИЦП, и изолировали 260 нм SiO₂ (PECVD). Контактные окна (90 мкм) открыли для инъекции тока, и электроды Ti/Pt/Au (51/94,7/1122 нм) распыляли на лицевой стороне. Вефер разжижали до 120 мкм; 50 нм сплав AuGeNi (80:10:10 масс.%) затем 300 нм Au испаряли на тыльной стороне для n-тип электрода. Отжиг 460 °C, 10 с сформировал омические контакты.

СЭМ поперечное сечение: 2 мкм глубина травления GaAs/AlGaAs, 260 нм PECVD SiO₂.

Электрические и оптические характеристики измеряли в CW при комнатной температуре. Устройство демонстрирует пороговый токовый угол 110 А/см² и длину волны генерации, центрированную на 1,3 мкм (рис. 6). Красный сдвиг лазерного пика относительно ФЛ атрибутируется самонагреву во время работы. Ни покрытие граней, ни легирование активного региона не требовались, подчеркивая высокое кристаллическое качество, достигнутое однслойным отжигом.

Измерения устройства: (a) P-I-V кривые; (b) спектр генерации на 1,3 мкм.

Выводы

Систематически оптимизируя условия выращивания и отжига, мы успешно устранили бимодальное распределение размеров в InAs/GaAs КТ. Оптимальный однслойный отжиг при 680 °C, выполненный на 20 нм выше слоя КТ, дает равномерный ансамбль точек и высокую плотность 3,2 × 10¹⁰ см⁻². Полученный лазер Фабри-Перо 1,3 мкм достигает низкого порогового токового угла 110 А/см² в непрерывном режиме при комнатной температуре, демонстрируя жизнеспособность этого подхода для высокопроизводительных лазеров на квантовых точках.

Аббревиатуры

AFM:

Атомно-силовая микроскопия

Annealing T:

Температура отжига

CW:

Непрерывная волна

F-P:

Фабри-Перо

FWHM:

Полная ширина на полувысоте

Growth T:

Температура роста

HT:

Высокая температура

LT:

Низкая температура

MBE:

Молекулярно-лучевая эпитаксия

PL:

Фотолюминесценция

QD:

Квантовая точка

RT:

Комнатная температура

SEM:

Растровое электронное микроскопирование

WPE:

Коэффициент преобразования электроэнергии в свет