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

24aXL-12

背景・目的試料構造・プロセス

アウトライン

まとめ・展開実験結果 IV、 ILの温度依存性

利得吸収スペクトル

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旨前回の発表 (’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・ノーコートの試料 (as cleaved) で 5K において 0~2.0mA の電流で測定し　たが発振はしなかった・ 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

8

6

4

2

0

Cu

rre

nt[m

A]

1086420

Bias-Voltage[V]

T=5K15K

30K

40K

50K70K

110K100K

60K80K90K

電流・電圧特性の温度依存性

温度上昇に比例して抵抗上昇　　 P ドープ層の正孔の移動度減少に起因

発振閾値： 2.1mA 　微分量子効率： 0.9%

14

12

10

8

6

4

2

0

Opt

ical

pow

er[u

W]

3.02.52.01.51.00.50.0Current[mA]

10

8

6

4

2

0Vol

tage

[V]

Ele

ctro

lum

ines

cenc

e in

tens

ity[a

rb.u

nit]

1.561.551.541.53Photon energy[eV]

I=2.35mA

I=1.50mA

I=0.25mA

x4x10-2

x3x10-1

T=100K

注入されたキャリア数検出したフォトン数

微分量子効率

導波路放出光 & IV,IL 特性 at 100K

8

6

4

2

0

Thr

esho

ld c

urre

nt[m

A]

120100806040200

Temperature[K]

1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

Diff

eren

tial q

uant

um e

ffic

ienc

y[%

]

閾値電流・微分量子効率の温度依存性

110K が発振温度限界→ノンドープ試料とほぼ同じ

閾値電流微分量子効率

Ele

ctro

lum

ines

cenc

e in

tens

ity[a

rb.u

nits

]

1.5701.5601.5501.540

Photon energy[eV]

Mod

al g

ain

[/cm

]

1.5701.5601.5501.540

Photon energy[eV]

-40

-30

-20

-10

0

T=5K

I=6.3mA

I=4.6mA

I=3.1mA

利得吸収スペクトルの導出

ピーク値を電流に対してプロット

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

Pea

k M

odal

G

ain[

/cm

]

86420Bias-current[mA]

-10

-5

0

5

T=100K T=70KT=30K T=5K

Gth

利得ピーク値変化の温度依存性P

eak

Mod

al

Gai

n[/c

m]

86420Bias-current[mA]

-10

-5

0

5

T=100K T=70KT=30K T=5K

Gth

8

6

4

2

0

Thr

esho

ld c

urre

nt[m

A]

120100806040200

Temperature[K]

1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

Diff

eren

tial q

uant

um e

ffic

ienc

y[%

]

閾値電流の比較

れるキャリア数デバイス全体に注入さャリア数活性領域で発光するキ

内部量子効率

内部量子効率の温度依存性

xx

xx

xx

xx

xexciton

正孔と電子の共存する領域に exciton生成

高温では wireで発光する exicitonが増大

H.Hillmer et al. PRB, 39 10901 (1984)

cladding

1.5um

cladding

1.5um

excitonの拡散長は温度と共に上昇ex. 30K =0.4um ,100K = 2um

各構造間の比較

活性領域の構造は同じ→発光確率は等しい

Arm-Stem Arm-Arm

閾値電流 2.1mA 0.27mA

微分量子効率 0.9% 12%

Arm-Stem の内部量子効率は Arm-Arm の 1/10 程度

x10

1/10

れるキャリア数デバイス全体に注入さャリア数活性領域で発光するキ

内部量子効率

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 T 型量子細線は世界初2 ．注入効率の変化によって 100K がもっとも良いデバイス特性を　 示した。　 温度依存性は内部量子効率の変化に起因3 ．内部量子効率は最も良い状態でも Arm-Arm 電流注入型の 1/10程　 度しかない　 低閾値のためには構造の改善が必要

今後の展開n ドープ層と p ドープ層を入れ替えた試料の測定を行い、内部量子効率の温度依存性を測定し、構造の改善を図る。

Fin.

内部量子効率の温度依存性

クラッドのクラッドの barrierbarrier が高く電が高く電子が細線に注入されにくい子が細線に注入されにくい

熱エネルギーによって電子が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細線に注入されやすくなる

ΔE=7meV EΔE=7meV Ethth=0.4meV=0.4meV

ΔE=7meV EΔE=7meV Ethth=8meV=8meV

cf.cf. 正孔の場合 正孔の場合 ΔE=0.5meVΔE=0.5meV 程度で程度で 5K5K のの EEthth とほぼ等しいとほぼ等しい

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。

プロセス方法

20

15

10

5

0

Opt

ical

pow

er[u

W]

76543210

Bias-Current[mA]

20

15

10

5

04.03.53.02.52.0

T=5K

15K

30K

40K

50K

60K

70K80K

90K

100K

100K

120K

90K

電流・出力特性の温度依存性

θee

eE

ll

l

I22

2

sinR4)R1(

R)1(A)(

11

R1

ln1pp

l

min

sum

FSR I

Ip

c

Eln

(Free Spectral Range)

Cassidy の方法による利得スペクトルの導出

反射率吸収係数:

:

R

Net

Abs

orpt

ion[

/cm

]

1.571.561.551.541.531.52Photon Energy[eV]

T=5K I=6.3mA

T=15K I=5.9mA

T=30K I=4.6mA

T=40K I=3.7mA

T=50K I=3.0mA

T=60K I=2.6mA

T=70K I=2.4mA

T=80K I=2.2mA

T=90K I=2.1mA

T=100K I=2.1mA

T=110K I=2.3mA

T=120K I=2.5mA

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

拡散長の温度依存性

井戸厚 =6nm

T=30K

D=2[cm2/s]

life time=0.9[ns]

拡散長 =0.4um

井戸厚 =6nm

T=100K

D=18[cm2/s]

life time=2.25[ns]

拡散長 =2um

Ib = 10uAVb=1.64V

Ib =2.0mAVb=4.19V

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

正孔が細線から溢れ出正孔が細線から溢れ出していることを示唆していることを示唆

電流による EL image の変化