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Quantenpunktlaser
Geschichte des Quantenpunktlasers
Technologische Entwicklung
• 1985 Observation of InGaAs clusters in GaAsL. Goldstein, et al, Appl. Phys. Lett. 47(10), 1985 “Growth by molecular beam epitaxy and characterization of InAs/GaAs strained-layer superlattices”,.
• 1993 Bright PL intensity from such clustersD. Leonard et al Appl. Phys. Lett. 63(23), 1993
• 1994 First lasing with QD active mediumA.Yu.Egorov et al, Semiconductor 28, 1994N.Kirstaedter et al, Electron. Lett. 30, 1994
• 1998 1.3 m QD laser (Atomic Layer Epitaxy)D.L.Huffaker et al, Appl. Phys. Lett. 73(18), 1998
• 1999 1.3 m QD laser (Quantum dots in Quantum Well or DWELLTM)L.F.Lester et al Photon. Technol. Lett. 11(8), 1999A.R.Kovsh et al, Semiconductor, 1999 / Zhukov et al, Appl.Phys.Lett. 75, 1999
Quantum Dot start-ups• 2001 ZIA Lasers Ltd, Albuquerque, New Mexico, USA (22 mlo USD pumped in)
– team from University of New Mexico (Profs.Lester and Malloy)• 2003 NL Nanosemiconductor GmbH (5 mlo Euro pumped in)
– team from Ioffe Inst. (Prof.Ledentsov)• 2006 QDLasers, Joint venture Fujitsu and Mitsui, University of Tokyo, Prof. Arakawa
Aus:Alexey Kovsh, “Quantum Dot Lasers”Technological and Commercial ChallengesVortrag, Würzburg 2005
Dot.com Blase
Internet
CD/DVD
Dot.com Blase
Was ist so toll an Quantenpunktlasern?
1.3 µm Laser auf GaAs Substrat
SichtbaresLicht
Si1.3 m
1.5 m
0.8 m
Verspannung von 1.3 µm InGaAs Quantenfilmen auf GaAs-Substrat zu groß=> Defekte beim Wachstum => kein Laserbetrieb möglich
1.3 µm Laser auf GaAs Basis mit Quantenpunkten möglich
Schwellenstrom vs. Temperatur
InGaAs/AlGaAsQuantenfilmlaser
00 exp
TTjjth
Temperatur und QuasifermienergieVolumenmaterial Quantenfilm
T1
T2 >T2
EF wird bei steigender Temperatur kleiner => Schwelle steigt
Quasifermienergie im Quantenpunkt
Für genügend großen Abstand zwischen E0 und E1=> Keine thermische Anregung von Ladungsträgern möglich
Y. Arakawa and H. SakakiAppl. Phys. Lett. 40 pp. 939-941 (1982)
Schwellenstrom vs. Temperatur
a - Volumen (3D)
b - Quantenfilm (2D)
c - Quantendraht (1D)
d - Quantenpunkt (0D)
Schwelle im Magnetfeld
Y. Arakawa and H. SakakiAppl. Phys. Lett. 40 pp. 939-941 (1982)
Zusätzlicher Einschluss der Ladungsträger durch Magnetfeld erhöht T0
Technologie zur Herstellung von Quantenpunkten noch nicht verfügbar
Verstärkungsspektren
M. Asada et al. IEEE J. Quantum Electron. 22, pp. 1915-1921 (1986)
Identische Strukturen
Verbreiterung durch thermische Verteilung (3D, 2D, und 1D) und Lebensdauer der Zustände (100 fs)
Verstärkung und Stromdichte
Laserschwelle für Volumenmaterial, Q-Film, Q-Drähte und Q-Punkte
Unterschiedliche Materialverstärkung wegen Füllfaktor
Kleinste Schwelle für Quantenpunktlaser
Ideales ‚Quantenpunktensemble‘
=> emittiert Licht einer Wellenlänge
- Lichtwellenlänge größenabhängig- Licht einer Farbe aus mehreren Quantenpunkten erfordert extreme Kontrolle über Größe (± ein Atom !)→ bislang nicht möglich
Emission von idealen Quantenpunkten
Herstellung von Quantenpunkten
Lithographie und Ätzen von Quantenfilmen
Nasschemische geätzte InGaAs/InPQuantenpunkte
O. Schilling et al. Superlattices andMicrostructures 16, 261 (1994)
InP
Quantenfilm
InGaAs
InP
Quantenpunkt
Optische Spektroskopie
Verschiebung der Emission zu größeren Energie bei kleineren Strukturen=> Quantisierungseffekte
Lumineszenz wird breiter=> Quantenpunkte haben
unterschiedliche Größen
O. Schilling et al. Superlattices andMicrostructures 16, 261 (1994)
Quanten-film
Verschiedene Größen => Verbreiterung des Spektrums
- Schwankung der Größe um einigeProzent
- Inhomogene Verbreiterung
Emission von realen Quantenpunkten
Epitaktische Herstellung
3D-Wachstum wird bestimmt durch:
• Unterschiede in der Oberflächenenergie und Wachstumsdynamik• Totaler Energiegewinn = Oberflächenenergie - Verspannungsgewinn
Planares Wachstum(Frank v. d. Merve)
Esurf(substr.) > Esurf(film)
Inselwachstum(Volmer-Weber)
Esurf(substr.) < Esurf(film)
Metastabiles Wachstum(Stranski-Krastanov)
Esurf(substr.) Esurf(film)
Oberflächen-Energiedifferenz:
Esurf ~x2 (~Oberfläche)
Verspannungs-Energiediff.:
Erelax ~x3 (~ Volumen)
Energiebilanz:
= Oberflächenenergie = Elastizitätsmodul = Verspannungskoeff.
Inselwachstum: x > xcrit
Energiebetrachtung
island size x
Selbstorganisiertes QP-Wachstum
In
GaAs
As
Benetzungsschicht
In As
Selbstorganisation tritt spontan während des Wachstums auf
Inselwachstum
Quantenpunkt
• Formation von atom-ähnlichen Inseln (d 20 nm) wegen Energieminimierung(Benetzungsschichtdicke: 1.7 ML für InAs)
• Effekt ansatzweise vergleichbar mit Bildung von Wassertropfen auf Glasplatte, aber auf atomarer Skala
In(Ga)As Quanten-Dashes auf InP
In(Ga)As Quantenpunkteauf GaAs
Quantum Dots und Dashes
Quantum Dashes
• Ursache für Quanten-Dash Wachstum:Unterschiedliche Oberflächenrekonstruktion für unterschiedliche Kristallrichtungen aufgrund von As-Dimer-Bildung unterschiedliche Verspannungszustände
• Bildung begünstigt bei GSMBE-Wachstumsbedingungen (Temperatur, Materialflüsse)
TEM Bild InAs/GaAs Quantenpunkt
Benetzungsschicht (wetting layer)
In Segregation ?
100 nm
Referenz
1,25 1,30 1,35 1,40
Nor
m. I
nten
sitä
t
Energie [eV]
100 nm
200 nm
300 nm
Einzelquantenpunktlinien bei kleinen Mesen sichtbar
Spektroskopie einzelner Quantenpunkte
Aufbau Quantenpunktlaser
Q-Well- und Q-Dotlaser bei =1 µm
Quantenpunkte liefern bei kleinen Schwellenverstärkungen kleinere Schwellenstromdichten
Schwellenstromdichte für verschiedene Dimensionalitäten
Quantenpunktlaser bei =1.3 µm
Optische Übergänge in Quantenpunkten
Quantenpunkte sind keine idealen 0D-Strukturen!
gsat ~ max(DOS)~nQD /
Alexey Kovsh, “Quantum Dot Lasers”Technological and Commercial ChallengesVortrag, Würzburg 2005
Laser mit einer Q-Punktschicht
Elektrolumineszenzspektrum Schwelle und Wellenlänge als Funktion der Temperatur
Verstärkung einer QD-Schicht (=1.3 µm) reicht nicht für Laserbetrieb aus!
Verstärkungssättigung
Wellenlänge vs. Verluste
Sättigung der Verstärkung=> Laseremission auf anderen Übergängen
Schwelle vs. Verluste
Höhere Quantenpunktdichte
http://qdlaser.com‚New era of quantum dot lasers with evolution
history of semiconductor lasers‘ (2008)
Mehrere Quantenpunktschichten
Typischerweise 5-10 Quantenpunktschichten bei =1.3 µm Lasern
Modulationsdotierung
e≈80 meV>kT
h≈10 meV<kT
D.G. Deppe et al. IEEE J. Quantum Electron. 38, 1587 (2002)
Löcher sind auf mehrere Zustände im Valenzband verteilt=> Verbesserung von T0 durch p-Dotierung
T0 für dotierte Quantenpunkte
D.G. Deppe et al., IEEE J. Quantum Electron. 38, 1587 (2002)
P-Dotierung verbessert Laserschwelle und T0
Temperaturverhalten
Quantenpunktlaser zeigt nahezu temperaturunabhängige Schwelle http://qdlaser.com
Datenübertragung mit Quantenpunktlasern
Verstärkung eines Quantenfilm- und Quantenpunktlasers
Breiteres Verstärkungsspektrum aufgrund von inhomogener Verbreiterung
Einmodige Laser auf Quantenpunktbasis
Gitterperioden 189.8nm 193.4nm 196.0nm191.6nm 195.1nm, 197.8nm
Größenverteilung liefert breites Verstärkungsspektrum
260 1270 1280 1290 1300 1310 1320
wavelength (nm)-60
-40
-20
0
20in
tens
it y(d
B)
Laser mit Wellenlängen von 1.26 bis 1.31 µm auf einerSchichtstruktur
Verbreiterung der Verstärkung
Gray Lin et al. Opt. Express 20, 3941 (2012)
InAs Quantenpunkte in In0.15Ga0.85As Film
=> verkleinert Barrierenund Verspannung
=> Emission bei kleineren Energien
External cavity laser (ECL)
Littrow Konfiguration
- Beugungsgitter koppelt erste Ordnung in Laser zurück- Auskopplung aus Resonator über nullte Ordnung
Verstärkung & Schwellenstromdichte
Gray Lin et al. Opt. Express 20, 3941 (2012)
Laser läuft auf angeregtem Zustand für Verluste größer als 20 cm-1
Abstimmcharakteristik
Gray Lin et al. Opt. Express 20, 3941 (2012)
Zusammenfassung
- Quantenpunktlaser: 30 Jahre von der Idee bis zum Produkt
- Viele Vorhersagen trotz nicht-idealer Strukturen erfüllt(kleine Schwelle, Temperaturverhalten, ….)
- Nicht alle Vorteile vorhergesagt (1.3 µm Laser auf GaAs)
- Nutzung von ‚Dreckeffekten‘inhomogene Verbreiterung => weit abstimmbare Laser