Transcript 電流注入型T型量子細線レーザーの 作製と評価

24aXL-12
Arm-Stem電流注入型T型
量子細線レーザーの発振特性
東大物性研、CREST(JST)、ルーセント・ベル研A
岡野真人、劉舒曼、井原章之、吉田正裕、秋山英文
Loren N. Pfeiffer A、Ken W. West A 、Oana Malis A
アウトライン
背景・目的
試料構造
実験結果
IV、ILの温度依存性
利得吸収スペクトル
まとめ・展開
研究の背景・目的
背景
Arm-Stem電流注入型T型量子細線では4.2Kにおけるマルチ
モード発振が、1994年にW.Wegscheiderらによって報告さ
れている。(Ith = 0.4~0.6mA)
目的
均一性の高い一次元状態を実現可能なT型量子細線を用いて
電流注入型T型量子細線レーザーを作製、測定し、量子細線
レーザーの物理の解明を目指す。
・W. Wegsheider et al. APL, 65 2510 (1994)
・M. Yoshita et al. JJAP part2, 40 L252 (2001)
前回及び今回の発表の要点
前回の発表(’06 Mar. JPS)
・Arm-Stem電流注入型Ｔ型量子細線レーザーの作製した
・劈開面をそのまま共振器として用いたレーザー試料(as cleaved)を5K
にして実験を行ったが、0~2.0mAの範囲では発振しなかった。
・EL Image測定より0~2.0mAの範囲では活性領域へのキャリア注入が
アンバランスであることがわかった
今回
・前回と同じ構造の試料の共振器端面をHRコーティングした。
・HRコートした試料で、5～120Kの温度領域で電流を0～7mA流して実
験を行った
・5～110Kの範囲においてシングルモードでの発振を観測し、その発振
特性を得た
試料構造
電子はArm wellを、正孔はStem wellを通って、細線に注入される。
Arm-Stem電流注入型T型量子細線レーザー
電流・電圧特性の温度依存性
8
T=5K
15K
30K
40K
Current[mA]
6
50K
60K 70K
80K
90K100K
110K
4
2
0
0
2
4
6
8
10
Bias-Voltage[V]
温度上昇に伴った抵抗上昇
Stem wellの正孔の移動度減少に起因
導波路放出光,電流･光出力特性 at 100K
14
12
x4x10-2
I=2.35mA
x3x10-1
I=1.50mA
Output Power[uW]
Electroluminescence intensity[arb.unit]
T=100K
10
8
6
4
2
I=0.25mA
0
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
Bias-Current[mA]
2.5
3.0
閾値電流：2.1mA 微分量子効率：0.9%
1.53
1.54
1.55
Photon energy[eV]
1.56
微分量子効率

デバイスの外に出た光
注入されたキャリア数
子数
閾値電流・微分量子効率の温度依存性
8
0.8
6
0.6
4
0.4
2
0.2
0.0
0
20
40
60
80
100
Threshold current[mA]
Differential quantum efficiency[%]
1.0
0
120
Temperature[K]
110Kが発振温度限界→ノンドープ試料とほぼ同じ
利得吸収スペクトルの導出
Cassidyの方法を用いて
F-P振動から利得吸収
スペクトルを導出
I=6.3mA
0
I=4.6mA
Modal gain[/cm]
Electroluminescence intensity[arb.units]
T=5K
I=3.1mA
1.540
1.550
1.560
Photon energy[eV]
1.570
-10
-20
-30
ピーク値を電流に
対してプロット
-40
1.540
1.550
1.560
Photon energy[eV]
1.570
利得ピーク値変化の温度依存性
Peak Modal Gain[/cm]
5
T=100K
T=5K
T=30K
T=70K
Gth
0
-5
-10
0
2
4
Bias-current[mA]
6
8
閾値電流の比較
8
0.8
6
0.6
4
0.4
2
0.2
0.0
0
20
40
60
80
100
Threshold current[mA]
Differential quantum efficiency[%]
1.0
0
120
Temperature[K]
温度上昇と共にキャリアが細線に注入されやすくなる
電子-正孔対の拡散長の温度依存性
正孔と電子の共存領域に電子-正孔対生成
電子-正孔対の拡散長は温度と共に上昇
ex. 30K =0.4um ,100K = 2um
H.Hillmer et al. PRB, 39 10901 (1989)
高温ではwireで発光するキャリア数が増加
e-h
e-h
e-h
e-h
e-h
e-h
e-h
e-h
e-h
e-h pair
cladding
cladding
1.5um
1.5um
構造の改善案
改善する点：Stem wellからくるキャリアのクラッド層への流れ出し
案1．クラッド層のバリアーを高くする
N
変更点:クラッド層のAl含有率
50%→100%
100%
100%
P
ΔE=1meV→1.5meV
案2．ドーピング層を入れ替える
P
cladding
N
1.5um
変更点:Stem Wellから注入する
キャリア
hole → electron
ΔE=1meV→15meV
まとめと展開
まとめ
1.HRコーティングした電流注入型T型量子細線試料において
5K~110Kでシングルモード発振が観測された。
広い発振温度領域をもつ電流注入型T型量子細線は世界初
2.IL曲線から得られた閾値電流は利得ピーク値変化から得られた
ものと良い一致を示した。
3.100Kでもっとも良いデバイス特性を示した。
・温度上昇と共にキャリアが細線に注入されやすくなる
・構造の改善が必要
今後の展開
nドープ層とpドープ層を入れ替えた試料を作製し、閾値電流の温
度依存性を測定し、構造の改善を図る。
Fin.
Cassidyの方法による利得スペクトルの導出
A  (1  R) e
2
I (E ) 
(1  R  e
L
L
)  4R  e
2
L
p
sin
2
θ
I sum
FSR  I min
 1 p 1 
   ln  

L  R p 1 
1
 : 吸収係数
R : 反射率
L : 共振器長
 
(Free Spectral Range)
2 nLeE
c
各構造間の比較
Arm-Stem
Arm-Arm
閾値電流
2.1mA
x10
0.27mA
微分量子効率
0.9%
1/10
12%
活性領域の構造は同じ→発光確率は等しいと仮定
内部量子効率

活性領域で発光するキ
デバイス全体に注入さ
ャリア数
れるキャリア数
Arm-Stemの内部量子効率はArm-Armの1/10程度
電流・電圧特性の温度依存性
5
60
3
50
2
40
Current[uA]
Current[uA]
4
1
0
1.0
30
20
1.2
1.4
1.6
Bias-Voltage[V]
1.8
2.0
10
0
1.4
1.5
1.6
1.7
Bias-Voltage[V]
1.8
電流・出力特性の温度依存性
20
80K
20
15
100K
90K
10
15
90K
100K
Optical power[uW]
70K
50K
5
120K
0
2.0
10
2.5
3.0
40K
60K
3.5
4.0
30K
15K
5
T=5K
0
0
1
2
3
4
Bias-Current[mA]
5
6
7
拡散長の温度依存性
井戸厚=6nm
井戸厚=6nm
T=100K
T=30K
D=18[cm2/s]
D=2[cm2/s]
life time=2.25[ns]
life time=0.9[ns]
拡散長=2um
拡散長=0.4um
各温度におけるEL image
T=5K
1.571eV
I=3.5mA
V=4.8V
T=30K
1.572eV
I=1.5mA
V=3.5V
T=100K
1.565eV
I=0.5mA
V=2.9V
全ての温度領域でクラッド
層の外部の構造からの発光
は観測される。
電流・電圧特性の温度依存性
6
30K
4
50K
3
2
100K
Current[mA]
T=5K
5
Current[mA]
50K
1.5
T=5K
1.0
0.5
300K
1
0
0
300K
2
4
6
Bias-Voltage[V]
μe
μh
8
0.0
0
2
4
6
Bias-Voltage[V]
4K
2.6x103
1.8x103
77K
2.4x103
1.0x103
300K
1.6x103
1.4x102
8
10
利得・吸収スペクトルの温度依存性
温度上昇に従って利得ピーク
エネルギーがred-shift
↓
Band gapの縮小と一致
↓
利得の起源が同じ
温度上昇によって利得ピーク
の半値全幅が広がっていく
↓
発振時の利得ピーク値は一致
↓
発振時のキャリア密度は温度
が上昇するほど大きい
↓
閾値以上に注入効率は上昇
プロセス方法
ここにプロセスの簡単な流れを書くかどうか検討中・・・
書いておくと、次のIVについては理解しやすいが、あんまり物理
学会っぽくない気もしてます。
内部量子効率の温度依存性
ΔE=7meV Eth=0.4meV
クラッドのbarrierが高く電子
が細線に注入されにくい
ΔE=7meV Eth=8meV
熱エネルギーによって電子が
細線に注入されやすくなる
cf.正孔の場合 ΔE=0.5meV程度で5KのEthとほぼ等しい
電流によるEL imageの変化
Ib = 10uA
Vb=1.64V
主にコア層から発光
コア層の外側の構造か
らの発光が観測できる
Ib =2.0mA
Vb=4.19V
正孔が細線から溢れ出
していることを示唆