Menghilangkan Ukuran Bimodal Titik Kuantum InAs/GaAs untuk Laser Titik Kuantum 1,3-mikron
Abstrak
Perkembangan terbaru dalam rekayasa lapisan aktif secara signifikan meningkatkan performa laser titik kuantum (QD) semikonduktor. Titik kuantum InAs yang ditumbuhkan sendiri pada substrat GaAs adalah platform terdepan untuk laser 1,3-mikron, namun keberadaan distribusi ukuran bimodal menghambat keseragaman dan hasil perangkat. Studi ini menunjukkan bahwa anil tunggal lapis pada suhu tinggi 680 °C secara efektif menekan ukuran bimodal, menghasilkan QD dengan garis PL sempit (< 26 meV) dan densitas seragam 3,2 × 10¹⁰ cm⁻². Laser Fabry–Perot (F–P) yang dihasilkan mencapai densitas arus ambang rendah sebesar 110 A cm⁻² pada 1,3 µm dalam operasi gelombang kontinyu.
Pendahuluan
Sementara laser QD 1,3-mikron pertama muncul satu dekade yang lalu, kemajuan signifikan dalam teknologi pertumbuhan baru-baru ini membuka potensi penuhnya. Densitas tinggi QD yang terkontrol dengan baik sangat penting untuk operasi daya rendah, suhu tinggi, dan kecepatan tinggi, menjadikan sistem InAs/GaAs sebagai kandidat utama untuk interkoneksi optik generasi mendatang. Namun, ketidakcocokan jaringan yang besar (~ 7%) antara InAs dan GaAs sering menghasilkan distribusi ukuran bimodal, yang melebarkan spektrum emisi dan menurunkan performa laser. Oleh karena itu, menghilangkan bimodalitas ukuran ini sangat penting untuk mencapai perangkat berkualitas tinggi dan ambang rendah.
Pertumbuhan InAs pada GaAs(001) melalui epitaksi aliran molekul (MBE) mengikuti mekanisme Stranski–Krastanov (SK), membentuk pulau tiga dimensi yang dapat diatur oleh laju deponasi dan suhu pertumbuhan. Strategi konvensional—fluks InAs tinggi dan suhu substrat rendah—meningkatkan densitas titik tetapi memperkenalkan cacat jaringan, mengurangi intensitas PL. Sebaliknya, anil satu lapis setelah pertumbuhan dapat menyembuhkan cacat, homogenisasi ukuran titik, dan meningkatkan kualitas kristal lapisan penutup, seperti yang ditunjukkan dalam karya ini.
Optimasi Material
Semua sampel ditumbuhkan pada GaAs(001) (N+) substrat dalam sistem MBE Veeco Gen 930. Empat wafer uji (N170813, N170824A–C) dianil pada 630, 680, 730, dan 780 °C, masing-masing, dengan parameter pertumbuhan yang sama (Tabel 1).
Pengukuran fotoluminescensi mengungkapkan intensitas PL terkuat pada 680 °C (Gambar 1). Peningkatan suhu anil mendorong desorpsi As dan Ga berlebih, mengurangi cacat permukaan sambil mempertahankan integritas jaringan QD.
Perbandingan spektrum fotoluminescensi pada berbagai suhu anil.
Parameter pertumbuhan utama dioptimalkan: tekanan arsena ditetapkan pada 4 × 10⁻⁷ Torr, dan laju deponasi InAs pada 0,025 ML s⁻¹. Lapisan InAs 2,5 ML ditumbuhkan pada 520 °C, dicap oleh 5 nm In₀,₁₅Ga₀,₈₅As, diikuti oleh 15 nm GaAs pada 520 °C dan lapisan GaAs akhir 20 nm pada 630 °C (Gambar 2a).
Struktur wilayah aktif dan spektrum PL suhu ruangnya: puncak pada 1305 nm dengan FWHM 31 nm.
Pencitraan AFM dari sampel yang dianil (Gambar 3a) menunjukkan densitas QD seragam 3,2 × 10¹⁰ cm⁻² dan rata-rata tinggi 8 nm. Sebaliknya, sampel yang tidak dianil (Gambar 3b) menunjukkan distribusi bimodal (5–7 nm) dan densitas lebih rendah sebesar 2,9 × 10¹⁰ cm⁻².
Gambar AFM: (a) dianil, (b) tidak dianil, (c) distribusi ukuran dengan anil, (d) distribusi ukuran tanpa anil.
Anil tidak hanya homogenisasi ukuran titik tetapi juga memperbaiki lapisan penutup GaAs, mengurangi dislokasi yang sebaliknya akan menyebar ke lapisan QD. Spektrum emisi 1,3-mikron yang dihasilkan menyempit, dengan puncak PL pada 1308 nm dan FWHM 31 nm.
Desain dan Persiapan Perangkat
Tumpukan laser terdiri dari lima lapisan QD InAs yang ditempel antara lapisan waveguide Al₀,₄₅Ga₀,₅₅As tebal 1,8 µm (n-type Si: 2 × 10¹⁸ cm⁻³, p-type Be: 4 × 10¹⁸ cm⁻³). Lapisan p⁺ GaAs tebal 200 nm (Be: 3 × 10¹⁹ cm⁻³) menyediakan kontak resistensi rendah (Gambar 4a).
Struktur perangkat: (a) lapisan epitaksi; (b) PL suhu ruang dengan puncak 1294 nm.
Setelah epitaksi, lapisan penutup atas dicampur secara kimiawi (H₃PO₄–H₂O₂–H₂O 1:1:4). Langkah ini menggeser puncak PL menjadi 1294 nm karena suhu pertumbuhan yang lebih tinggi (650 °C) dan drift indium dalam cap In₀,₁₅Ga₀,₈₅As.
Fotolitografi mendefinisikan rongga 100 µm, dietch hingga 2 µm melalui ICP, dan diinsulasi dengan 260 nm SiO₂ (PECVD). Jendela kontak (90 µm) dibuka untuk injeksi arus, dan elektroda Ti/Pt/Au (51/94,7/1122 nm) ditembakkan pada sisi depan. Wafer ditebalkan hingga 120 µm; legur AuGeNi (80:10:10 wt%) tebal 50 nm diikuti oleh 300 nm Au diavaporasi pada belakang untuk elektroda tipe-n. Anil 460 °C, 10 detik membentuk kontak ohmik.
Pengukuran listrik dan optik dilakukan dalam CW pada suhu ruang. Perangkat menunjukkan densitas arus ambang 110 A cm⁻² dan panjang gelombang lasing berpusat pada 1,3 µm (Gambar 6). Red-shift puncak lasing relatif terhadap PL disebabkan oleh pemanasan diri selama operasi. Tidak diperlukan pelapisan faset atau dopansi wilayah aktif, menekankan kualitas kristal tinggi yang dicapai melalui anil satu lapis.
Dengan mengoptimalkan secara sistematis kondisi pertumbuhan dan anil, kami berhasil menghilangkan distribusi ukuran bimodal dalam QD InAs/GaAs. Anil satu lapis optimal pada 680 °C, yang dilakukan 20 nm di atas lapisan QD, menghasilkan ensembel titik seragam dan densitas tinggi sebesar 3,2 × 10¹⁰ cm⁻². Laser Fabry–Perot 1,3-mikron yang dihasilkan mencapai densitas arus ambang rendah sebesar 110 A cm⁻² dalam operasi gelombang kontinyu, suhu ruang, menunjukkan kelayakan pendekatan ini untuk aplikasi laser QD tinggi performa.
