Penghapusan Ukuran Bimodal dalam Titik Kuantum InAs/GaAs untuk Persiapan Laser Titik Kuantum 1,3-μm
Abstrak
Karakteristik perangkat laser titik kuantum semikonduktor telah ditingkatkan dengan kemajuan dalam struktur lapisan aktif. Titik kuantum InAs yang terbentuk sendiri yang tumbuh di GaAs telah dipromosikan secara intensif untuk mencapai laser titik kuantum dengan kinerja perangkat yang unggul. Dalam proses menumbuhkan titik kuantum InAs/GaAs berdensitas tinggi, ukuran bimodal terjadi karena ketidakcocokan yang besar dan faktor lainnya. Ukuran bimodal dalam sistem titik kuantum InAs/GaAs dihilangkan dengan metode anil suhu tinggi dan dioptimalkan suhu anil in situ. Suhu anil diambil sebagai parameter pengoptimalan utama, dan suhu anil optimal 680 °C diperoleh. Dalam proses ini, temperatur pertumbuhan quantum dot, deposisi InAs, dan tekanan arsenik (As) dioptimalkan untuk meningkatkan kualitas quantum dot dan panjang gelombang emisi. Laser titik kuantum F-P performa tinggi 1,3 m dengan kerapatan arus ambang batas 110 A/cm
2
didemonstrasikan.
Pengantar
Sepuluh tahun yang lalu, laser kuantum dot (QD) 1,3-μm dikembangkan; namun, tidak ada perkembangan atau kemajuan yang jelas pada pertumbuhan quantum dot sejak saat itu hingga sekarang. Laser quantum dot 1,3 m sekali lagi menjadi topik studi yang hangat. Ini telah menjadi salah satu pesaing kuat untuk sumber cahaya jaringan area lokal (LAN) komunikasi optik berkecepatan tinggi. Kepadatan tinggi dari titik-titik kuantum merupakan faktor penting dalam menghasilkan konsumsi daya yang rendah, stabilitas suhu tinggi, dan kecepatan tinggi. Seperti diketahui, laser kuantum dot InAs/GaAs 1,3-μm diharapkan menunjukkan kinerja yang sangat baik pada arus ambang, stabilitas suhu, dan karakteristik modulasi karena kurungan kuantum tiga dimensi [1]. Dalam 10 tahun terakhir, banyak sekali laboratorium yang telah mencapai tujuannya di seluruh dunia, untuk sangat meningkatkan kinerja laser QD [2,3,4,5]. Namun, ukuran bimodal dalam sistem titik kuantum InAs/GaAs masih ada [6, 7]. Kualitas titik kuantum dapat ditingkatkan jika ukuran bimodal dapat dihilangkan.
Heterostruktur InAs/GaAs yang ditumbuhkan oleh epitaksi berkas molekul (MBE) telah mendapat banyak perhatian untuk membuat struktur nano berdimensi rendah, seperti QD rakitan sendiri karena ketidakcocokan kisi besar (~ 7%) antara lapisan InAs dan substrat GaAs [8] . Pertumbuhan InAs pada substrat GaAs (001) menghasilkan pembentukan bentuk pulau tiga dimensi (3D) pada InAs dengan mode pertumbuhan Stranski-Krastanov (SK). Teknik pertumbuhan SK diharapkan menjadi metode fabrikasi yang nyaman dari QD koheren densitas tinggi dan masih merupakan tantangan terbuka [9, 10]. Namun, SK QD memiliki beberapa masalah, seperti perluasan tak homogen yang besar dari tingkat energi QD dan masalah ukuran bimodal [11,12,13,14,15]. Untuk MBE yang menumbuhkan titik kuantum densitas tinggi, cara konvensional adalah dengan meningkatkan laju deposisi InAs dan menurunkan suhu pertumbuhan. Tujuan dari pendekatan ini adalah untuk mengurangi laju migrasi yang dapat mempercepat pembentukan pulau. Namun, pertumbuhan suhu rendah dapat mengurangi kualitas kisi bahan epitaksial. Di sisi lain, pertumbuhan yang cepat dapat meningkatkan kepadatan titik kuantum, tetapi juga menciptakan lebih banyak dislokasi. Oleh karena itu, intensitas fotoluminesensi InAs QDs menjadi lemah ketika kami mencapai kepadatan tinggi InAs QDs menggunakan pendekatan konvensional.
Dalam surat ini, anil suhu tinggi satu lapis dapat secara efektif menghilangkan cacat bahan tutup dan mengubah arah pertumbuhan dislokasi. Ukuran dan bentuk titik-titik kuantum InAs SK menunjukkan tingkat keseragaman yang tinggi dengan anil satu lapis yang ditumbuhkan pada substrat GaAs (001). Terjadi peningkatan deposisi InAs yang meningkatkan saturasi setiap QD secara bersamaan. Spektrum PL dari QD InAs seragam mengungkapkan lebar garis sempit kurang dari 26 meV. Laser QD InAs/GaAs 1,3-μm dibuat yang menunjukkan arus ambang batas penguat Ith 220 mA dan kerapatan arus ambang 110 A/cm
2
.
Optimalisasi Material
Pada penelitian ini, struktur quantum dot ditumbuhkan pada substrat GaAs (001) (N+) dalam sistem Veeco Gen 930 MBE. Suhu anil telah diselidiki, dan suhu anil untuk keempat sampel ini (N170813, N170824A-N17084C) masing-masing adalah 630, 680, 730, dan 780 °C. Parameter pertumbuhan titik-titik kuantum dari keempat sampel ini memiliki persamaan yang persis sama (Tabel 1).
Photoluminescence (PL) pengukuran dilakukan untuk empat sampel. Dengan peningkatan suhu annealing, intensitas PL terkuat dicapai pada suhu annealing 680 °C (seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1). Ini karena arsenik (As) dan Ga terdesorbsi saat suhu annealing naik lebih tinggi. Proses tersebut dapat menciptakan lebih banyak cacat, dan kisi titik kuantum InAs telah berubah pada suhu tinggi.
Perbandingan spektrum photoluminescence (PL) wafer epitaxial di bawah suhu anil yang berbeda
Area aktif laser kuantum dot telah dioptimalkan pada tekanan arsenik rendah sebesar 4 × 10
− 7
Torr [16] dan tingkat pertumbuhan rendah 0,025 ML/dtk. Setelah anil, kami menemukan bahwa panjang gelombangnya kurang dari 1300 nm; oleh karena itu, kami menyempurnakan kondisi pertumbuhan. InAs setebal 2,5 monolayer (ML) ditumbuhkan pada 520 °C dan dibatasi oleh In0,15 setebal 5 nm Ga0,85 Sebagai lapisan pengurang regangan pada suhu yang sama. Lapisan ini diikuti oleh lapisan GaAs 15 nm yang diendapkan pada suhu yang lebih rendah (LT) 520 °C. Kemudian, kami menumbuhkan lapisan GaAs 20 nm terakhir pada suhu (HT) yang lebih tinggi yaitu 630 °C (seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2a).
Struktur wilayah aktif dan spektrum PL. a Struktur wilayah aktif laser QD yang tidak didoping. b Spektrum PL dari wilayah aktif laser QD pada suhu kamar (RT). Puncak emisi adalah 1305 nm dan FWHM sekitar 31 nm
Spektrum PL dan gambar mikroskop gaya atom (AFM) dari permukaan QD diukur untuk sampel uji. Puncak emisi 1308 nm disebabkan oleh transisi keadaan dasar, dan lebar penuh setengah maksimum (FWHM) puncak adalah sekitar 31 nm (seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2b). Kami menumbuhkan lapisan titik kuantum telanjang pada lapisan terkubur dari lima lapisan dalam sampel uji untuk melakukan pengukuran AFM. Kondisi pertumbuhan persis sama dengan titik-titik kuantum terkubur yang dijelaskan sebelumnya. Gambar AFM dari permukaan QD menunjukkan bahwa kerapatan QD dari sampel anil adalah sekitar 3,2 × 10
10
cm
− 2
(seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3a). Titik kuantum memiliki ketinggian rata-rata 8 nm. Sebaliknya, ukuran dan distribusi sampel titik kuantum yang tidak dianil tidak seragam. Ukuran bimodal dapat dilihat dan kepadatan QD sekitar 2,9 × 10
10
cm
− 2
. Titik kuantum memiliki ketinggian 5–7 nm (seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3b).
Gambar AFM dari QD InAs/GaAs. a Anil suhu tinggi lapisan tunggal. b Tidak ada anil. c Gambar distribusi ukuran area kecil 3D dengan anil suhu tinggi. d Gambar distribusi ukuran area kecil 3D tanpa anil
Selama pertumbuhan epitaksi dari laser titik kuantum 1,3 m, ukuran bimodal titik kuantum InAs dapat dihilangkan dengan baik melalui anil lapisan tunggal untuk area aktif laser. Dibandingkan dengan sampel yang ditumbuhkan tanpa anil (seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3c), sampel yang ditumbuhkan dengan suhu anil pada 680
°
C (seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3d) memiliki kerapatan titik kuantum yang lebih tinggi dan ukuran titik kuantum yang seragam. Itu dapat dikaitkan dengan alasan berikut. Pada awalnya, lapisan penutup GaAs tumbuh segera setelah pertumbuhan titik-titik kuantum InAs, sehingga hanya dapat tumbuh pada suhu rendah, yang mengurangi kualitas kisi GaAs dan menimbulkan cacat. Anil suhu tinggi dapat menghilangkan cacat dan dapat menumbuhkan lapisan penutup GaAs berkualitas tinggi yang digunakan untuk terus menumbuhkan titik kuantum InAs. Selain itu, dislokasi dihasilkan selama heteroepitaxy InAs/GaAs, anil lapisan tunggal in situ dapat menghilangkan dislokasi atau mengubah arah pertumbuhan dislokasi dan kemudian meningkatkan kualitas titik kuantum InAs.
Desain dan Persiapan Perangkat
Struktur laser terdiri dari lapisan GaAs yang disematkan dengan lima lapisan lapisan inti QD InAs yang dirakit sendiri. Lapisan n-waveguide 200 nm dan lapisan p-waveguide ditanam di atas dan bawah struktur QD. Wilayah aktif QD dan lapisan pandu gelombang diapit oleh dua tipe-p 1,8 m (Be:4E18) dan tipe-n (Si:2E18) Al0,45 Ga0,55 Sebagai lapisan. Lapisan 200-nm p+ GaAs (Be:3E19) diendapkan untuk kontak listrik (seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4a).
Struktur perangkat. a 1,3-μm quantum dot FP struktur epitaxial laser area luas. b Spektrum PL dari struktur epitaxial laser QDs di RT. Panjang gelombang pusat adalah 1294 nm
Sebagian kecil wafer digores dengan etsa kimia untuk mengencerkan lapisan kelongsong atas dengan H3 PO4 -H2 O2 -H2 O (1:1:4) setelah struktur epitaksi laser selesai [17, 18]. Dapat dilihat bahwa spektrum PL sampel ini memiliki panjang gelombang pusat 1294 nm (seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4b). Pergeseran biru panjang gelombang tengah dibandingkan dengan sampel uji yang disebutkan di atas (seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2a) disebabkan oleh pertumbuhan suhu tinggi (650 °C) selama langkah pertumbuhan kelongsong atas dengan waktu pertumbuhan lebih lama dari 2 jam . Mungkin juga dari komponen indium (Dalam) dari In0,15 Batuan lapisan penutup GaAs melayang.
Wafer laser QD InAs/GaAs dilapisi dengan photoresist untuk menentukan pola permukaan. Fotolitografi edisi pertama membentuk pola punggungan 100 m. Pemandu gelombang ridge dibuat dengan etsa plasma berpasangan induktif (ICP) dengan kedalaman etsa 2 μm, diikuti oleh Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD) untuk membentuk SiO2 isolasi. Pada langkah berikutnya, kami membuat jendela kontak dengan lebar 90 m pada punggungan untuk injeksi arus. Kemudian Ti/Pt/Au 51 nm/94.7 nm/1122 nm diendapkan sebagai elektroda tipe-p dengan magnetron sputtering (seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5). Wafer ditipiskan hingga 120 μm, dan AuGeNi setebal 50 nm (paduan 80:10:10 % berat) dengan lapisan Au setebal 300 nm diendapkan di bagian belakang wafer, menggunakan penguapan termal untuk elektroda tipe-n [19, 20]. Seluruh sampel dianil pada suhu 460 °C selama 10 detik untuk membentuk kontak ohmik. Selama seluruh proses pembuatan, sampel dibersihkan secara berurutan dengan aseton dan isopropil alkohol dan dibilas dengan air deionisasi.
Gambar SEM dari penampang laser. Laser area luas FP dengan proses fabrikasi laser standar. Kedalaman etsa GaAs/AlGaAs sekitar 2-μm. PECVD membentuk SiO2 adalah 260 nm
Sifat listrik dan optik perangkat diukur ketika laser selesai. Tegangan arus-daya (PI−V ) karakteristik laser area luas diuji dalam gelombang kontinu (CW) di RT. Kerapatan arus ambang laser adalah 110 A/cm
2
(seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 6a), dan panjang gelombang pusat dari spektrum penguat adalah 1,3 μm (seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 6b). Dapat dilihat dari spektrum penguat bahwa panjang gelombang pusat laser pada suhu kamar digeser merah karena efek pemanasan dari operasi laser. Dalam penelitian ini, laser dapat terus menerus lase pada suhu kamar dan mencapai kerapatan arus ambang yang baik serta daya keluaran yang baik tanpa pelapisan faset dan undoping di wilayah aktif, yang menunjukkan kualitas kristal laser yang tinggi. Metode anil lapisan tunggal memiliki efek tertentu pada sistem titik kuantum ukuran bimodal. Penelitian tingkat yang lebih dalam akan dipelajari lebih lanjut berdasarkan ini untuk lebih meningkatkan kepadatan QD, untuk mencapai arus ambang yang lebih rendah, konsumsi daya yang lebih rendah, daya keluaran yang lebih tinggi, dan suhu karakteristik yang tinggi.
Pengukuran perangkat. a Kurva P-I-V dari laser QD. b Panjang gelombang penguat adalah 1,3 μm
Kesimpulan
Serangkaian optimasi parameter pertumbuhan titik kuantum kepadatan tinggi diselidiki. Metode anil lapisan tunggal digunakan untuk berhasil menekan pembentukan sistem titik kuantum ukuran bimodal. Kami mempelajari suhu anil dan posisi lapisan anil secara rinci. Suhu anil yang dioptimalkan 680 °C dan jarak dari lapisan titik kuantum 20 nm diperoleh. Kepadatan arus ambang batas 110 A/cm
2
telah dicapai untuk laser FP InAs/GaAs QD 1,3-m pada suhu kamar dan operasi gelombang kontinu dengan panjang gelombang penguat 1,3 μm.
