Регистрация / Вход
Прислать материал

Высокотемпературная лазерная генерация в инжекционных микродисковых резонаторах с активной средой на основе квантовых точек InAs/InGaAs

Сведения об участнике
ФИО
Моисеев Эдуард Ильмирович
Вуз
Федеральное государственное бюджетное учреждение высшего профессионального образования и науки Академический университет - научно-образовательный центр нанотехнологий Российской академии наук
Тезисы (информация о проекте)
Область наук
Физика и астрономия
Раздел области наук
Оптика, квантовая электроника
Тема
Высокотемпературная лазерная генерация в инжекционных микродисковых резонаторах с активной средой на основе квантовых точек InAs/InGaAs
Резюме
Актуальность работы обусловлена необходимостью создания источника оптического излучения, пригодного для передачи данных между чипами и внутри чипа. В проекте предлагается использовать микролазеры с резонатором на основе высокодобротных мод шепчущей галереи и квантовыми точками InAs/InGaAs в активной области. В работе впервые продемонстрирована лазерная генерация при повышенных температурах (до 100 оС) для инжекционного микродискового лазера с диаметром 31 мкм с пороговым током 13.7 мА. Разработана простая технология создания инжекционных микродисковых лазеров с полупрозрачной токопроводящей углеродной пленкой в качестве верхнего электрического контакта.
Ключевые слова
микродискавые лазеры, моды шепчущей галереи, квантовые точки, нанофотоника
Цели и задачи
Целью работы является получение лазерной генерации и исследование свойств инжекционных микродисковых лазеров с диаметром менее 31 мкм при повышенных температурах (до 100 оС), разработка простой технологии создания и исследование свойств инжекционных микродисковых лазеров с полупрозрачной токопроводящей углеродной пленкой в качестве верхнего электрического контакта.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
1) Произвести эпитаксиальный синтез инжекционной гетероструктуры с квантовыми точками InAs/InGaAs методом молекулярно-пучковой эпитаксии;
2) Сформировать микрорезонаторы методами фотолитографии и плазмохимического травления;
3) Сформировать верхний и нижний металлические контакты;
4) Синтезировать и нанести полупрозрачную токопроводящую углеродную пленку на массив инжекционных микродисковых лазеров;
5) Исследовать микролазеры методом спектроскопии электролюминесценции при комнатной температуре и повышенных температурах (до 100 оС).
Введение

Актуальность работы обусловлена необходимостью создания источника оптического излучения, пригодного для передачи данных между чипами и внутри чипа. Такой лазер должен быть компактным, иметь узкую резонансную линию, потреблять мало мощности, иметь простой процесс изготовления и стабильно работать при высоких (до 100оС) температурах. В проекте предлагается использовать микролазеры с резонатором на основе высокодобротных мод шепчущей галереи [1], квантовыми точками InAs/InGaAs в активной области и полупрозрачной токопроводящей углеродной пленкой в качестве верхнего электрического контакта [2].

Методы и материалы

Для синтеза гетероструктуры была использована технология эпитаксиального роста -  молекулярно-пучковая эпитаксия (МПЭ), которая является одной из лидирующих технологий роста полупроводниковых лазеров на основе наноструктур. МПЭ позволяет контролировать состав и толщину эпитаксиального слоя с высокой точностью и надежностью, что обеспечивает высокую степень воспроизводимости результатов работы и возможность использования технологии в массовом производстве. Применение различных методов контроля непосредственно в процессе роста обеспечивает всей необходимой информацией об образцах.

Микрорезонаторы различных размеров были сформированы при помощи метода фотолитографии и плазмохимического травления.

Метод фотолитографии является оптимальным для достижения  большой площадь засветки и приемлемых для большинства задач значений пространственного разрешения. В методе происходит селективная полимеризация фоторезиста. Участки фоторезиста, не подвергшиеся полимеризации, смываются специальным растворителем. Далее методом плазмохимического травления происходит формирование мез. 

Пленка пиролитического углерода была выращена на подложке кремния методом осаждения из паровой фазы (CVD) без непрерывного потока газа внутри камеры, чтобы уменьшить потребление газа и предоставить больше времени для формирования полиароматических структур.

Для исследования микрорезонаторов использован метод спектроскопии электролюминесценции.

Описание и обсуждение результатов

Спектр электролюминесценции при комнатной температуре от микродискового лазера с диаметром резонатора 15 мкм при токе накачки 4.5 мА приведен на рисунке 1.

Узкие резонансные линии соответствуют высокодобротным модам шепчущей галереи.  Для наиболее интенсивной моды наблюдался переход в режим лазерной генерации, о чем свидетельствует пороговый вид зависимость интенсивности линии 1260 нм от тока накачки. Порог лазерной генерации составил около 1.6 мА, напряжение открытия U0 = 1 В.


Важным параметром лазерной структуры является спектральное расстояние между ближайшими резонансными линиями – межмодовый интервал. На рисунке 2 представлена зависимость межмодового интервала Δλ от диаметра резонатора D. Зависимость хорошо аппроксимируется известной формулой для межмодового интервала.

В работе была исследована зависимость порогового тока лазерной генерации от температуры при нагреве до 100 оС для микрорезонатора с внешним диаметром 31 мкм. На рисунке 3 представлены зависимость интенсивности лазерной линии от тока накачки при различных температурах (80, 90, 100, 110 оС).

Максимальная температура, при которой наблюдалась лазерная генерация, составила 100 оС. Из зависимости значения порогового тока от температуры (см. рисунке 4) была оценена характеристическая температура To в диапазоне 25-80 оС.  Характеристическая температура составила 100 К, что сопоставимо с полученными ранее значениями для полосковых лазеров с аналогичной активной областью [3] и свидетельствует о глубокой локализации носителей заряда в квантовых точках.

Наибольшая температура, при которой наблюдалась лазерная генерация составила 100 оС. Лазерная длина волны составила 1304 нм. Порог лазерной генерации составил 13.7 мА, а добротность, оцененная по отношению резонансной длины волны к полуширине линии, составила около 40 000. 

В результате исследования продемонстрирована лазерная генерация микродискового лазера с диаметром 31 мкм при 100 оС, что является рекордным значением для столь малого диаметра инжекционного микродискового лазера.

После нанесения токопроводящей углеродной пленки на массив инжекционных  микродисковых лазеров были исследованы спектры электролюминесценции от структур при комнатной температуре. На рисунке 5 приведены спектры электролюминесценции инжекционного микродискового лазера с диаметром 27 мкм без пленки углерода и с пленкой углерода при токе накачки 9 мА.

После нанесения токопроводящей пленки интенсивность излучения микролазеров в спектральной области 1.3 мкм снижалась на 65%. Эти потери обусловлены отражением и поглощением излучения пленкой углерода и хорошо согласуются с ожидаемыми потерями [4]. Уменьшение толщины пленки должно привести к увеличению прозрачности токопроводящей пленки углерода. 

Используемые источники
[1] McCall S. L. et al. Whispering‐gallery mode microdisk lasers // Applied physics letters, Vol. 60, No. 3, 1992. pp. 289-291.
[2] Cao Q., Rogers J. A. Ultrathin films of single‐walled carbon nanotubes for electronics and sensors: a review of fundamental and applied aspects // Advanced Materials, Vol. 21, No. 1, 2009. pp. 29-53
[3] Kovsh A. R. et al. InAs/InGaAs/GaAs quantum dot lasers of 1.3 μm range with enhanced optical gain // Journal of Crystal Growth, Vol. 251, No. 1, 2003. pp. 729-736.
[4] Kaplas T., Svirko Y. Direct deposition of semitransparent conducting pyrolytic carbon films // Journal of Nanophotonics, Vol. 6, No. 1, 2012. pp. 061703-061703
Information about the project
Surname Name
Moiseev Eduard
Project title
High-temperature lasing injection microdisk lasers with InAs/InGaAs quantum dots
Summary of the project
In this work, we present results on high-temperature operation of microdisk laser. We also present microdisk lasers with top contacts made of a semitransparent conducting pyrolytic carbon film are developed. Room temperature electroluminescence spectra from an array of the microdisk lasers and a single 27 µm in diameter microdisk laser are demonstrated.
Keywords
microdisk lasers, whispering gallery modes, quantum dots, nanophotonics