1.3μm 양자점 레이저 준비를 위한 InAs/GaAs 양자점의 바이모달 크기 제거

자료 최적화

이 연구에서 양자점 구조는 Veeco Gen 930 MBE 시스템의 GaAs(001)(N+) 기판에서 성장되었습니다. 어닐링 온도가 조사되었으며 이 네 가지 샘플(N170813, N170824A-N17084C)에 대한 어닐링 온도는 각각 630, 680, 730 및 780°C입니다. 이 4가지 샘플의 양자점 성장 매개변수는 정확히 동일합니다(표 1).

4개의 샘플에 대해 광발광(PL) 측정을 수행했습니다. 어닐링 온도가 증가함에 따라 680°C의 어닐링 온도에서 가장 강한 PL 강도가 달성되었습니다(그림 1 참조). 이는 소둔 온도가 높을수록 비소(As)와 Ga가 탈착되기 때문이다. 그 과정에서 더 많은 결함이 생길 수 있고, 고온에서 InAs 양자점의 격자가 바뀌었다.

다양한 어닐링 온도에서 에피택시 웨이퍼의 광발광(PL) 스펙트럼 비교

양자점 레이저 활성 영역은 4 × 10 ^{− 7} 의 낮은 비소 압력에서 최적화되었습니다. Torr[16] 및 0.025ML/s의 낮은 성장률. 어닐링 후 파장이 1300nm 미만임을 발견했습니다. 따라서 성장 조건을 미세 조정했습니다. 2.5단층(ML) 두께의 InAs를 520°C에서 성장시키고 5nm 두께의 In_0.15으로 덮었습니다. Ga_0.85 동일한 온도에서 변형 감소 층으로. 이 층 다음에는 520°C의 더 낮은 온도(LT)에서 증착된 15nm GaAs 층이 이어졌습니다. 그런 다음 630°C의 더 높은 온도(HT)에서 최종 20nm GaAs 층을 성장시켰습니다(그림 2a 참조).

활성 영역 구조 및 PL 스펙트럼 아 도핑되지 않은 QD 레이저 활성 영역의 구조. ㄴ 실온(RT)에서 QD 레이저 활성 영역의 PL 스펙트럼입니다. 방출 피크는 1305nm이고 FWHM은 약 31nm입니다.

테스트 샘플에 대해 QD 표면의 PL 스펙트럼 및 AFM(Atomic Force Microscopy) 이미지를 측정했습니다. 1308nm의 방출 피크는 바닥 상태 전이로 인한 것이며 피크의 반치폭(FWHM)은 약 31nm입니다(그림 2b 참조). 우리는 AFM 측정을 수행하기 위해 테스트 샘플의 5개 층의 매립된 층에 베어 퀀텀닷 층을 성장시켰다. 성장 조건은 앞에서 설명한 매립형 양자점과 정확히 동일합니다. QD 표면의 AFM 이미지는 열처리된 샘플의 QD 밀도가 약 3.2 × 10 ¹⁰ 임을 보여줍니다. cm ^{− 2} (그림 3a 참조). 양자점의 평균 높이는 8nm입니다. 이에 반해 열처리되지 않은 양자점 샘플의 크기와 분포는 균일하지 않다. 바이모달 크기를 볼 수 있으며 QD 밀도는 약 2.9 × 10 ¹⁰ 입니다. cm ^{− 2} . 양자점의 높이는 5~7nm입니다(그림 3b 참조).

InAs/GaAs QD의 AFM 이미지. 아 단층 고온 어닐링. ㄴ 어닐링 없음. ㄷ 고온 어닐링에 의한 3차원 소면적 분포 이미지. d 어닐링이 없는 3D 소영역 크기 분포 이미지

1.3μm 양자점 레이저의 에피택셜 성장 동안 InAs 양자점의 바이모달 크기는 레이저 활성 영역에 대한 단층 어닐링을 통해 잘 제거될 수 있습니다. 어닐링 없이 성장한 샘플과 비교하여(그림 3c 참조), 680 ^° 에서 어닐링 온도로 성장한 샘플 C(그림 3d 참조)는 양자점 밀도가 더 높고 양자점 크기가 균일합니다. 그 이유는 다음과 같습니다. 초기에 GaAs 캡층은 InAs 양자점 성장 직후에 성장하기 때문에 저온에서만 성장할 수 있어 GaAs의 격자 품질이 저하되고 결함이 발생한다. 고온 어닐링은 결함을 제거하고 InAs 양자점을 계속 성장시키는 데 사용되는 고품질 GaAs 캡 층을 성장시킬 수 있습니다. 또한 InAs/GaAs 이종 에피택시 동안 전위가 생성되며, 제자리 단층 어닐링은 전위를 제거하거나 전위 성장 방향을 변경한 다음 InAs 양자점의 품질을 향상시킬 수 있습니다.

기기 설계 및 준비

레이저의 구조는 자체 조립된 InAs QD 코어 레이어의 5개 레이어가 포함된 GaAs 레이어로 구성되었습니다. 200nm n-도파로 층과 p-도파로 층은 QD 구조의 상단과 하단에 성장되었습니다. QD 활성 영역과 도파관 층은 두 개의 1.8μm p형(Be:4E18) 및 n형(Si:2E18) Al_0.45로 샌드위치되었습니다. Ga_0.55 레이어로. 200nm p+ GaAs(Be:3E19) 층이 ​​전기 접촉을 위해 증착되었습니다(그림 4a 참조).

<그림>

장치 구조. 아 1.3μm 양자점 F-P 광역 레이저의 에피택셜 구조. ㄴ RT에서 QD 레이저의 에피택셜 구조의 PL 스펙트럼. 중심 파장은 1294nm입니다.

웨이퍼의 작은 부분을 화학적 에칭으로 에칭하여 H₃로 상부 클래딩 층을 얇게 합니다. PO₄ -H₂ O₂ -H₂ O(1:1:4) 레이저 에피택시 구조가 완료된 후 [17, 18]. 이 샘플의 PL 스펙트럼은 중심 파장이 1294nm임을 알 수 있습니다(그림 4b 참조). 위에서 언급한 테스트 샘플(그림 2a 참조)과 비교하여 중심 파장의 청색 편이는 2시간 이상의 성장 시간을 갖는 상부 클래딩의 성장 단계 동안 고온 성장(650°C) 때문입니다. . 또한 In_0.15의 인듐(In) 구성 요소에서 나올 수도 있습니다. GaAs 캡 층의 암석 드리프트.

InAs/GaAs QD 레이저 웨이퍼는 표면 패턴을 정의하기 위해 포토레지스트로 코팅되었습니다. 포토리소그래피의 초판은 100μm의 능선 패턴을 형성합니다. 능선 도파관은 2μm의 에칭 깊이로 유도 결합 플라즈마(ICP) 에칭에 의해 제작된 다음 SiO₂를 형성하기 위해 플라즈마 강화 화학 기상 증착(PECVD)이 뒤따랐습니다. 단열재. 다음 단계에서는 전류 주입용 능선에 너비 90μm의 접촉 창을 만들었습니다. 그런 다음 Ti/Pt/Au 51nm/94.7nm/1122nm가 마그네트론 스퍼터링을 사용하여 p형 전극으로 증착되었습니다(그림 5 참조). 웨이퍼는 120μm로 얇아지고 300nm 두께의 Au 층과 함께 50nm 두께의 AuGeNi(80:10:10wt% 합금)가 n형 전극용 열 증착을 사용하여 웨이퍼 뒷면에 증착됩니다. [19, 20]. 옴 접촉을 형성하기 위해 전체 샘플을 460°C에서 10초 동안 어닐링했습니다. 전체 제작 과정에서 샘플을 아세톤과 이소프로필 알코올로 차례로 세척하고 탈이온수로 헹구었습니다.

<그림>

레이저 단면의 SEM 이미지입니다. 표준 레이저 제작 공정을 사용하는 F-P 광역 레이저입니다. GaAs/AlGaAs 에칭 깊이는 약 2μm입니다. PECVD는 SiO₂를 형성했습니다. 260nm

레이저가 완성되었을 때 소자의 전기적, 광학적 특성을 측정하였다. 전력-전류-전압(P −I−V ) 광역 레이저의 특성은 RT에서 연속파(CW)에서 테스트되었습니다. 레이저의 임계 전류 밀도는 110A/cm ² 입니다. (그림 6a와 같이), 레이저 스펙트럼의 중심 파장은 1.3μm입니다(그림 6b와 같이). 레이저 동작의 발열 효과로 인해 상온에서 레이저의 중심 파장이 적색편이되는 것을 레이저 스펙트럼에서 알 수 있다. 이 연구에서 레이저는 상온에서 지속적으로 레이저를 발사할 수 있으며 활성 영역에서 패싯 코팅 및 도핑 해제 없이 양호한 출력 전력뿐만 아니라 양호한 임계 전류 밀도에 도달할 수 있으며 이는 레이저의 높은 결정 품질을 나타냅니다. 단층 어닐링 방법은 바이모달 크기 양자점 시스템에 일정한 영향을 미칩니다. 더 낮은 임계 전류, 더 낮은 전력 소비, 더 높은 출력 및 높은 특성 온도를 달성하기 위해 QD의 밀도를 더욱 개선하기 위해 이를 기반으로 더 깊은 수준의 연구가 더 연구될 것입니다.

<그림>

장치 측정. 아 QD 레이저의 P-I-V 곡선. ㄴ 레이저 파장은 1.3μm

결론

고밀도 양자점의 성장 매개변수에 대한 일련의 최적화가 조사되었습니다. 단일층 어닐링 방법은 양자점의 바이모달 크기 시스템의 형성을 성공적으로 억제하는 데 사용되었습니다. 우리는 어닐링 온도와 어닐링 층 위치를 자세히 연구했습니다. 680°C의 최적화된 어닐링 온도와 20nm의 양자점 층으로부터의 거리가 얻어졌습니다. 임계값 전류 밀도 110A/cm ² 실온에서 1.3μm InAs/GaAs QD F-P 레이저와 1.3μm의 레이저 파장을 가진 연속파 작동에 대해 달성되었습니다.

약어

AFM:

원자력 현미경

어닐링 T:

어닐링 온도

CW:

연속파

F-P:

파브리-페로

FWHM:

최대 절반에서 전체 너비

성장 T:

성장 온도

HT:

고온

LT:

저온

MBE:

분자빔 에피택시

PL:

광발광

QD:

양자점

RT:

실내 온도

SEM:

주사 전자 현미경

WPE:

벽면 플러그 효율성

리튬 이온 배터리용 펄스 레이저 증착으로 준비된 나노결정 Fe2O3 필름 양극 리튬 이온 배터리의 Si 전극에 대한 텅스텐 나노층 코팅 효과