Arm-Stem電流注入型T型 量子細線レーザーの発振特性

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1 Arm-Stem電流注入型T型 量子細線レーザーの発振特性
24aXL-12 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 背景・目的 試料構造・プロセス アウトライン まとめ・展開 「タイトル」について東大物性研の岡野が発表します 本発表のアウトラインはこのようになっております。 まず、本研究の背景及び目的と合わせて、前回の発表と今回の発表の要点を述べます。 その後、試料構造とプロセス方法を簡単に示し、 実験結果と考察を述べていきます。 そして最後にまとめと今後の展開を述べます。 IV、ILの温度依存性 利得吸収スペクトル 実験結果

2 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, (1994) ・M. Yoshita et al. JJAP part2, 40 L252 (2001) まず本研究の背景と目的を述べます。 我々がArm-Stem電流注入型と呼んでいるT型量子細線からのレーザー発振は1994年にWegによって報告されています。 このときは５Kでのマルチモード発振で閾値電流は0.4～0.8mAでしたが、試料の均一性は高くなかったことがわかっています。 そこで、本研究の目的は、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ことです。

3 前回及び今回の発表の要旨 前回の発表(’06 Mar. JPS) 今回 ・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 次に前回の発表と今回の発表の要点を述べます。 今年の春の物理学会では、 Arm-Stem電流注入型Ｔ型量子細線レーザーの作製方法についてのべました。 また、劈開面をそのまま共振器として用いたレーザーを５Kに冷やして実験を行いましたが 0~2.0mAの範囲では発振しませんでした。 EL Image測定によってこの電流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りました。 今回、同じ構造の試料にHRコーティングをし、5～120Kで0～7mAで実験を 行ったところ、5~110Kの範囲においてシングルモードでの発振を観測しました。 今回は主に発振特性について話させていただきたいと思います。

4 Arm-Stem電流注入型T型量子細線レーザー
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 次に、今回作製した電流注入型T型量子細線の試料構造について説明します。 この青い線で囲われた部分が光導波路を形成し、その中心部に量子細線が15本形成されています。 この青く塗られた部分にSiが、ピンクに塗られた部分にCがドーピングされており、細線部を拡大するとこのようになっています。 （クリック） こちらがArm井戸、こちらがStem井戸です。 電子はarm井戸を通って、正孔はstem井戸を通って細線に注入されます。 そこで、我々はこの構造をArm-Stem電流注入型量子細線と呼んでいます。

5 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
電流・電圧特性の温度依存性 T=5K 15K 30K 40K 50K 70K 110K 100K 60K 80K 90K このグラフはArm-Stem電流注入型におけるIV特性の温度依存性を示しています。 傾きが小さいほうが抵抗が大きいわけですが、この試料では温度と共に傾きがだんだん小さく つまり抵抗がだんだん大きくなっていきます。 この温度依存性は、Stem Wellにおける正孔の移動度の温度依存性と一致しており この抵抗の上昇は移動度の減少に起因していることがわかります。 つまり、主にStem Wellがシリーズ抵抗として働いていることがわかります。 次に100Kでの発振スペクトル及びIV,IL特性を示します。 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

6 導波路放出光 & IV,IL特性 at 100K T=100K x4x10-2 I=2.35mA x3x10-1 I=1.50mA
左のグラフが各電流におけるELスペクトルです。 このピークが細線からの発光に対応しています。 また、こちらのグラフはIVとILを同時にプロットしたものです。 このIL曲線に対してフィッティングして求められた閾値及び微分量子効率は それぞれ2.1mA,0.9%になります。 微分量子効率とは、電流をキャリア数に換算したとき 注入したキャリア数に対する外に出てきたフォトン数の割合で、 この値が大きいほどデバイスとしては優秀であるといえます。 次に、この二つの値の温度依存性を示します。 発振閾値：2.1mA　微分量子効率：0.9%

7 110Kが発振温度限界→ノンドープ試料とほぼ同じ
閾値電流・微分量子効率の温度依存性 微分量子効率 閾値電流 実線が閾値電流を、点線が微分量子効率の温度依存性を表しています。 微分量子効率は温度上昇に伴ってだんだんと上昇し100Kで最大値をとります。 また、閾値電流はだんだんと減少し100Kで最小値をとります。 量子井戸やバルク半導体では通常温度に対して比例して閾値は上がっていくことが知られています。 T型量子細線でもノンドープの試料では閾値は30Kで極小をもち温度上昇に比例して閾値が上昇していきます。 そこでこのような温度依存性はArm-Stem電流注入特有の傾向であり、 内部でのTransport変化に起因していると考えられます。 さて、この閾値はIL曲線から求められたものですが、 次に、ELスペクトルから利得吸収スペクトルを導出し、 利得の変化から理論的な閾値を見積もってみました。 110Kが発振温度限界→ノンドープ試料とほぼ同じ

8 利得吸収スペクトルの導出 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 ピーク値を電流に対してプロット
まず利得吸収スペクトルの導出方法を説明します。 左のグラフは各電流に於けるELスペクトルです。 このスペクトルにのっているフリンジは内部に吸収がないとすると 両端面の反射率のみに依存するものであり、そこで、このフリンジをCassidyの方法 を用いて解析する事でこのような利得吸収スペクトルが得られます。 これを見ると電流に従って利得ピーク値が増大しており、 これは細線のキャリア密度が増大した事を示しております。 次にこの利得ピーク値の変化を電流に対してプロットします。 ピーク値を電流に対してプロット

9 利得ピーク値変化の温度依存性 これはそれぞれ5,30,70,100Kにおける利得ピーク値変化を電流に対してプロットしたものです。
これらにフィッティングするとこのようになります。 利得ピーク値がこの値に達したときに、トータルロスが０となり理論的に発振といえます。 この丸がILから求められた閾値であり、利得ピークの変化から見積もった値は それよりも少し高めな値になっています。

10 閾値電流の比較 これを先ほどのグラフに加えてみるとこのように成ります。 多少のズレはありますが、傾向は見えておりよい一致を示します。
ここからILからも正しく閾値が見積もられているといえます。

11 内部量子効率の温度依存性 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 x exciton
ex. 30K =0.4um ,100K = 2um 高温ではwireで発光するexicitonが増大 H.Hillmer et al. PRB, (1984) x exciton cladding 1.5um cladding 1.5um

12 Arm-Stemの内部量子効率はArm-Armの1/10程度
各構造間の比較 Arm-Stem Arm-Arm 閾値電流 2.1mA 0.27mA 微分量子効率 0.9% 12% x10 1/10 活性領域の構造は同じ→発光確率は等しい 最後にArm-ArmとArm-Stemの特性の比較をおこないます。 閾値電流、微分量子効率ともに10倍程度悪化しています。 注入されたキャリアに対する発光するキャリアの割合を内部量子効率とよびますが、 アクティブレイヤーの構造はほぼ同じであるので二つの内部量子効率はほぼ等しいと考えられます。 するとこの特性の違いは注入効率に起因していると考えられます。 注入効率とはデバイス全体に注入される電流に対する活性領域に注入される電流の事をいい、 Arm-StemではこれがArm-Armの1/10程度であるといえます。 Arm-Stemの内部量子効率はArm-Armの1/10程度

13 まとめと展開 まとめ 今後の展開 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。

14 Fin.

15 内部量子効率の温度依存性 ΔE=7meV Eth=0.4meV クラッドのbarrierが高く電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細線に注入されやすくなる cf.正孔の場合 ΔE=0.5meV程度で5KのEthとほぼ等しい

16 プロセス方法 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。 次に、MBEで作製後、実際に測定するために行うプロセスを簡単に示します。 まず、Pドープ層へのコンタクトをとりやすくするため、エッチングを行ったのちにP側電極を蒸着します。 次に、N側電極を蒸着し、アニールしてコンタクトをとります。 この際、シリーズ抵抗としては主にこの部分が働くことがわかりました。 次に電流・電圧特性の温度依存性からその理由を述べます。

17 電流・出力特性の温度依存性 このグラフはIL特性の温度依存性です。
５Kからだんだんと閾値が減少し、傾きが大きくつまり微分量子効率が大きくなっていきます。 この部分を拡大したものがこちらのグラフになっており、100Kでもっとも低い閾値と高い微分量子効率を示した後 110Kではともに悪化、120Kでは発振しなくなってしまいます。 この120Kという発振温度限界はノンドープ試料のものと一致しており、この構造において 熱エネルギーの上昇により細線部への閉じ込めが有効でなくなってくるためだと考えられています。 これらのIL曲線からそれぞれ閾値電流、微分量子効率を求めるとこのようになります。

18 Cassidyの方法による利得スペクトルの導出
(Free Spectral Range)

19 温度上昇に従って利得ピークエネルギーがred-shift
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

20 拡散長の温度依存性 井戸厚=6nm T=100K D=18[cm2/s] life time=2.25[ns] 拡散長=2um

21 電流によるEL imageの変化 Ib = 10uA Vb=1.64V 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
Ib =2.0mA Vb=4.19V これらはレーザー端面からの発光imageです。 白い線はレーザーの中のT型光導波路のコア層とクラッド層の境界に対応しています。右図の黒い線も同様で、ここと、ここがコア層を、 その両側がクラッド層をあらわしています。 非常に低い電流値では、発光は主にコア層の中心で起こっているのがわかります。 これを模式的にあらわすと、このようになっていると考えられます。 アーム井戸から流れ込んでくる電子がちょうどコア層で正孔と再結合を起こし、そこで発光していると考えられるわけです。 こちらは高い電流のときの発光Imageです。 他のエネルギーでのイメージを見てみると、 001表面側や、基板のGaAs部分など、コア層以外の構造からも発光しているのがわかります。 正孔が細線部から流れ出すことによってアーム井戸から流れ込んでくる電子はコア層以外のところで再結合を起こし、そこで発光していると考えられるわけです。 これは、閉じ込めの弱い正孔が細線部からあふれ出していることを示唆していて、正孔が細線部においてはドミナントではないかと考えられます。 次に、本当に電子と正孔の濃度差が原因かどうかを調べるために、光励起による実験を行いました。 もし、本当に濃度差が原因であれば、電子と正孔を等しく生成（？）する光励起では利得が生じると考えられるからです。 正孔が細線から溢れ出していることを示唆