Élimination de la taille bimodale dans les points quantiques InAs/GaAs pour la préparation de lasers à points quantiques de 1,3 μm

Introduction

Il y a dix ans, le laser à points quantiques (QD) de 1,3 μm a été développé ; Cependant, il n'y a eu aucun développement ou progrès distincts sur la croissance des points quantiques depuis lors jusqu'à maintenant. Le laser à points quantiques de 1,3 µm est redevenu un sujet d'étude brûlant. Il est devenu l'un des principaux concurrents pour la source lumineuse de réseau local (LAN) de communication optique à haut débit. La haute densité de points quantiques est un facteur important pour une faible consommation d'énergie, une stabilité à haute température et une vitesse élevée. Comme cela est bien connu, le laser à points quantiques InAs/GaAs de 1,3 μm devrait présenter d'excellentes performances au niveau du courant de seuil, de la stabilité de la température et des caractéristiques de modulation en raison des confinements quantiques tridimensionnels [1]. Au cours des 10 dernières années, de nombreux laboratoires ont atteint leur objectif partout dans le monde, d'améliorer considérablement les performances des lasers QD [2,3,4,5]. Cependant, la taille bimodale dans le système de points quantiques InAs/GaAs existe toujours [6, 7]. La qualité du point quantique peut être augmentée si la taille bimodale peut être éliminée.

Les hétérostructures InAs/GaAs développées par épitaxie par faisceau moléculaire (MBE) ont fait l'objet d'une grande attention afin de fabriquer des nanostructures de faible dimension, telles que des QD auto-assemblés en raison d'un grand décalage de réseau (~ 7%) entre les couches d'InAs et le substrat de GaAs [8] . La croissance de l'InAs sur le substrat GaAs (001) conduit à la formation d'une forme d'îlot tridimensionnel (3D) sur l'InAs avec le mode de croissance de Stranski-Krastanov (SK). La technique de croissance SK devrait être une méthode de fabrication pratique des QD cohérents à haute densité et reste un défi ouvert [9, 10]. Cependant, les QD SK ont quelques problèmes, tels que le grand élargissement inhomogène des niveaux d'énergie QD et le problème de taille bimodale [11,12,13,14,15]. Pour les points quantiques à haute densité de croissance MBE, la méthode conventionnelle consiste à augmenter le taux de dépôt d'InAs et à abaisser la température de croissance. Le but de cette approche est de réduire le taux de migration qui peut rendre la formation de l'île rapide. Cependant, une croissance à basse température peut réduire la qualité du réseau du matériau épitaxié. D'un autre côté, une croissance rapide peut augmenter la densité de points quantiques, mais elle crée également plus de dislocations. En conséquence, l'intensité de photoluminescence des QD InAs est devenue faible lorsque nous avons atteint une densité élevée de QD InAs en utilisant l'approche conventionnelle.

Dans cette lettre, le recuit monocouche à haute température peut éliminer efficacement les défauts du matériau du capuchon et modifier la direction de croissance des luxations. La taille et la forme des points quantiques InAs SK montrent un degré élevé d'uniformité par recuit monocouche qui se développe sur des substrats GaAs (001). Il y a eu une augmentation du dépôt d'InAs qui a amélioré la saturation de chaque QD en même temps. Les spectres PL des QD InAs uniformes ont révélé une largeur de raie étroite inférieure à 26 meV. Des lasers QD InAs/GaAs de 1,3 μm sont fabriqués et présentent un courant de seuil laser I _ème de 220 mA et une densité de courant de seuil de 110 A/cm ² .

Optimisation des matériaux

Dans cette étude, la structure de la boîte quantique est développée sur des substrats GaAs (001) (N+) dans un système Veeco Gen 930 MBE. La température de recuit a été étudiée et les températures de recuit pour ces quatre échantillons (N170813, N170824A-N17084C) sont respectivement de 630, 680, 730 et 780 °C. Les paramètres de croissance des points quantiques de ces quatre échantillons ont exactement les mêmes (tableau 1).

Des mesures de photoluminescence (PL) ont été effectuées pour les quatre échantillons. Avec l'augmentation de la température de recuit, la plus forte intensité PL a été atteinte à la température de recuit de 680 °C (comme le montre la Fig. 1). En effet, l'arsenic (As) et le Ga sont désorbés lorsque la température de recuit augmente. Ce processus peut créer plus de défauts, et le réseau des points quantiques InAs a changé à haute température.

Comparaison des spectres de photoluminescence (PL) de plaquettes épitaxiales sous différentes températures de recuit

La zone active du laser à points quantiques a été optimisée à la faible pression d'arsenic de 4 × 10 ^− 7 Torr [16] et faible taux de croissance de 0,025 ML/s. Après recuit, nous avons constaté que la longueur d'onde était inférieure à 1 300 nm ; par conséquent, nous avons affiné les conditions de croissance. Un InAs d'une épaisseur de 2,5 monocouches (ML) a été cultivé à 520 °C et recouvert d'un InAs de 5 nm d'épaisseur_0,15 Ga_0,85 En tant que couche de réduction de contrainte à la même température. Cette couche a été suivie d'une couche de GaAs de 15 nm qui s'est déposée à une température plus basse (LT) de 5 20°C. Ensuite, nous avons fait croître la couche finale de GaAs de 20 nm à une température plus élevée (HT) de 630 °C (comme le montre la figure 2a).

La structure de la région active et le spectre PL. un La structure de la région active du laser QD non dopée. b Spectre PL de la région active du laser QD à température ambiante (RT). Le pic d'émission est de 1305 nm et le FWHM est d'environ 31 nm

Le spectre PL et les images de microscopie à force atomique (AFM) de la surface des QD ont été mesurés pour l'échantillon d'essai. Le pic d'émission de 1308 nm est dû à la transition de l'état fondamental, et la pleine largeur du demi-maximum (FWHM) du pic est d'environ 31 nm (comme le montre la figure 2b). Nous avons fait croître une couche de points quantiques nus sur la couche enterrée de cinq couches dans l'échantillon d'essai pour effectuer la mesure AFM. Les conditions de croissance sont exactement les mêmes que pour les points quantiques enfouis décrits précédemment. L'image AFM de la surface des QD montre que la densité QD de l'échantillon recuit est d'environ 3,2 × 10 ¹⁰ cm ^− 2 (comme le montre la figure 3a). Le point quantique a une hauteur moyenne de 8 nm. Au contraire, la taille et la distribution de l'échantillon de points quantiques non recuits ne sont pas uniformes. La taille bimodale peut être vue et la densité QD est d'environ 2,9 × 10 ¹⁰ cm ^− 2 . La boîte quantique a une hauteur de 5 à 7 nm (comme le montre la figure 3b).

Images AFM des QD InAs/GaAs. un Recuit monocouche à haute température. b Pas de recuit. c Image de distribution 3D de petite taille avec recuit à haute température. d Image de distribution 3D de petite taille sans recuit

Au cours de la croissance épitaxiale d'un laser à points quantiques de 1,3 μm, la taille bimodale des points quantiques InAs peut être bien éliminée grâce au recuit monocouche pour la zone active du laser. Par rapport à l'échantillon cultivé sans recuit (comme le montre la figure 3c), l'échantillon cultivé avec une température de recuit à 680  ^° C (comme le montre la figure 3d) a une densité de points quantiques plus élevée et une taille de point quantique uniforme. Cela peut être attribué aux raisons suivantes. Au début, la couche de couverture de GaAs se développe immédiatement après la croissance des points quantiques d'InAs, de sorte qu'elle ne peut croître qu'à basse température, ce qui réduit la qualité du réseau de GaAs et introduit des défauts. Le recuit à haute température peut éliminer les défauts et développer une couche de protection GaAs de haute qualité utilisée pour continuer à développer des points quantiques InAs. De plus, les dislocations sont générées lors de l'hétéroépitaxie InAs/GaAs, le recuit monocouche in situ peut éliminer la dislocation ou changer la direction de croissance de la dislocation et ensuite améliorer la qualité des points quantiques InAs.

Conception et préparation de l'appareil

La structure du laser consistait en une couche de GaAs incrustée de cinq couches de couches centrales en InAs QD auto-assemblées. La couche de guide d'ondes n de 200 nm et la couche de guide d'ondes p ont été développées en haut et en bas de la structure QD. La région active QD et la couche de guide d'ondes ont été prises en sandwich par deux de 1,8 μm de type p (Be :4E18) et de type n (Si :2E18) Al_0,45 Ga_0,55 En tant que couches. Une couche de 200 nm p+ GaAs (Be :3E19) a été déposée pour le contact électrique (comme illustré sur la figure 4a).

Structure de l'appareil. un Structure épitaxiale du laser à large zone F-P à point quantique de 1,3 μm. b Spectre PL de la structure épitaxiale du laser QDs à RT. La longueur d'onde centrale est de 1294 nm

Une petite partie de la plaquette est gravée par gravure chimique pour amincir la couche de gaine supérieure avec H₃ Bon de commande₄ -H₂ O₂ -H₂ O (1:1:4) après l'achèvement de la structure épitaxiale laser [17, 18]. On peut voir que le spectre PL de cet échantillon a une longueur d'onde centrale de 1294 nm (comme le montre la figure 4b). Le décalage vers le bleu de la longueur d'onde centrale par rapport à l'échantillon d'essai mentionné ci-dessus (comme le montre la Fig. 2a) est dû à la croissance à haute température (650 °C) pendant l'étape de croissance de la gaine supérieure avec un temps de croissance supérieur à 2 h . Il peut également provenir du composant indium (In) du In_0.15 Dérive rocheuse de la couche de couverture de GaAs.

La plaquette laser InAs/GaAs QD a été recouverte d'une résine photosensible pour définir le motif de surface. La première édition de la photolithographie forme un motif de crête de 100 μm. Le guide d'ondes à crête a été fabriqué par gravure au plasma à couplage inductif (ICP) avec une profondeur de gravure de 2 μm, suivie d'un dépôt chimique en phase vapeur amélioré par plasma (PECVD) afin de former SiO₂ isolation. Dans l'étape suivante, nous avons réalisé une fenêtre de contact de 90 μm de largeur sur la crête pour l'injection de courant. Ensuite, Ti/Pt/Au 51 nm/94,7 nm/1122 nm a été déposé en tant qu'électrode de type p avec pulvérisation cathodique magnétron (comme le montre la figure 5). La plaquette est amincie à 120 μm, et un AuGeNi de 50 nm d'épaisseur (alliage 80 : 10 : 10 % en poids) avec une couche d'Au de 300 nm d'épaisseur a été déposé à l'arrière de la plaquette, en utilisant l'évaporation thermique pour l'électrode de type n [19, 20]. L'échantillon entier a été recuit à 460 °C pendant 10 s afin de former un contact ohmique. Pendant tout le processus de fabrication, l'échantillon a été nettoyé successivement avec de l'acétone et de l'alcool isopropylique et rincé avec de l'eau déminéralisée.

Image SEM de la section transversale du laser. Le laser à large zone F-P avec un processus de fabrication laser standard. La profondeur de gravure GaAs/AlGaAs est d'environ 2 µm. Le PECVD a formé SiO₂ est de 260 nm

Les propriétés électriques et optiques de l'appareil ont été mesurées lorsque le laser a été terminé. Puissance-courant-tension (P −I−V ) les caractéristiques des lasers à large zone ont été testées dans l'onde continue (CW) à RT. La densité de courant seuil du laser est de 110 A/cm ² (comme indiqué sur la Fig. 6a), et la longueur d'onde centrale du spectre laser est de 1,3 μm (comme indiqué sur la Fig. 6b). On peut voir à partir du spectre laser que la longueur d'onde centrale du laser à température ambiante est décalée vers le rouge en raison de l'effet de chauffage du fonctionnement du laser. Dans cette étude, le laser peut fonctionner en continu à température ambiante et atteindre une bonne densité de courant de seuil ainsi qu'une bonne puissance de sortie sans revêtement de facettes ni dédopage dans la région active, ce qui indique la haute qualité cristalline du laser. La méthode de recuit monocouche a un certain effet sur le système de points quantiques de taille bimodale. Des recherches plus approfondies seront étudiées plus avant sur cette base pour améliorer encore la densité des QD, afin d'obtenir un courant de seuil inférieur, une consommation d'énergie inférieure, une puissance de sortie plus élevée et une température caractéristique élevée.

Mesures de l'appareil. un Courbes P-I-V d'un laser QD. b La longueur d'onde laser est de 1,3 μm

Conclusions

Une série d'optimisations des paramètres de croissance des boîtes quantiques à haute densité ont été étudiées. La méthode de recuit monocouche a été utilisée pour supprimer avec succès la formation du système bimodal de points quantiques. Nous avons étudié en détail la température de recuit et la position de la couche de recuit. Une température de recuit optimisée de 680 °C et une distance de la couche de points quantiques de 20 nm ont été obtenues. Un seuil de densité de courant de 110 A/cm ² a été obtenu pour un laser QD F-P InAs/GaAs de 1,3 μm à température ambiante et en fonctionnement continu avec une longueur d'onde laser de 1,3 μm.

Abréviations

AFM :

Microscope à force atomique

Recuisson T :

Température de recuit

CW :

Onde continue

F-P :

Fabry–Pérot

FWHM :

Pleine largeur à mi-hauteur

Croissance T :

Température de croissance

HT :

Haute température

LT :

Basse température

MBE :

Epitaxie par faisceau moléculaire

PL :

Photoluminescence

QD :

Point quantique

RT :

Température ambiante

SEM :

Microscope électronique à balayage

WPE :

Efficacité de la prise murale