CHARAKTERIZÁCIA LASEROVÝCH ŠTRUKTÚR NA BÁZE MATERIÁLOV GaInNAs/GaAs

Marek Gašparovič
FEI STU Bratislava, Katedra mikroelektroniky, Ilkovičova 3, 812 19 Bratislava

Doc. Ing. Jaroslav Kováč, PhD
FEI STU Bratislava, Katedra mikroelektroniky, Ilkovičova 3, 812 19 Bratislava

V spolupráci s univerzitou v Lipsku bol realizovaný rast laserových štruktúr s aktívnou oblasťou GaInNAs/GaAs pomocou chemickej depozície z pár orgánokovov (MOCVD). Boli zmerané I-V charakteristiky, externá kvantová účinnosť a spektrálna odozva pri izbovej teplote pre základnú charakterizáciu vlastností týchto štruktúr.

1. ÚVOD

Posledných pár rokov sa venuje veľká pozornosť výskumu materiálov pre laserové diódy emitujúce na vlnovej dĺžke 1300 nm [1, 2, 3], ktoré by umožňovali rast aktívnej vrstvy na substráte GaAs. Dnes sa používa typicky pre túto vlnovú dĺžku materiálový systém InGaAsP/InP, ktorý má však niekoľko nedostatkov. Sú to hlavne nízka tepelná vodivosť a malý rozdiel indexov lomu oboch materiálov, čo má za následok zlé optické ohraničenie. V tomto smere sa zdá byť perspektívna kvaternárna zliatina GaInNAs, ktorú je možné epitaxne narásť na substráte GaAs. Takéto štruktúry májú potom viacero výhodných vlastností – napr. veľkú skokovú zmenu vo vodivostnom pásme, ktorá zabezpečuje ich použitie a dobré vlastnosti pri vyšších teplotách, alebo možnosť zložením zliatiny meniť vlnovú dĺžku emisie v určenom rozsahu. V neposlednom rade je možné realizovať GaInNAs/GaAs povrchovo emitujúce lasery (VCSEL) na 1300 nm využitím v súčasnosti používaných metód rastu. Materiál GaInNAs bol po prvýkrát vyšetrovaný tímom japonských výskumníkov firmy Hitachi pod vedením M. Kondowa [1], ktorí realizovali funkčný laser s týmto materiálom pracujúci na vlnovej dĺžke 1200 nm. Ich výsledky poukázali na dobré teplotné vlastnosti materiálu GaInNAs a tiež zistili, že účinnosť vyžarovania prudko klesá so zvyšovaním podielu dusíka. Efektívne využiteľným sa ukázal obsah dusíka 1 – 2 %. Napriek týmto pozitívnym výsledkom nimi realizovaný laser mal horšie vlastnosti v porovnaní s laserom na báze InGaAsP, čo sa týka prahovej prúdovej hustoty a účinnosti. Na tomto mieste sa teda vynorila otázka, či sú problémy kvality materiálu InGaAsN principiálne, alebo či sa dajú vyriešiť optimizáciou materiálového rastu a návrhu štruktúr.

Veľkú hodnotu koeficientu priehybu energetickej medzery medzi binármi skupín III-As a III-N zapríčiňuje rozdielna veľkosť atómov a elektronegativít arzénu a dusíka [2]. Toto má za následok zúženie energetickej medzery kvaternáru GaInNAs v porovnaní s GaAs a tým možnosť emisie na vyšších vlnových dĺžkach. Zmenou obsahu dusíka sme schopný pokryť pomerne veľkú oblasť vlnových dĺžok a do tejto oblasti spadajú aj vlnové dĺžky používané v optických komunikáciách – 1,3 a 1,55 mm. Ďalej je dôležité, že pre hodnotu x priližne rovnú 2,8y môžme Ga1-xInxNyAs1-y považovať za mriežkovo prispôsobený ku GaAs. Konštrukcia a usporiadanie meraných vzoriek

Naše vzorky s označením DHS 12 obsahovali aktívnu oblasť so zložením Ga0,65In0,35N0,01As0,99. Boli pripravené AIX–200 nízko-tlakovou depozíciou z orgáno-kovových pár (MOCVD) na n-dopovanom GaAs substráte na Univerzite v Lipsku. Aparatúra bola vybavená rotujúcim držiakom vzoriek. Aktívna oblasť (core) je tvorená GaInNAs kvantovou jamou hrúbky 12 nm a bariéry GaAs sú hrúbky 90 nm – ide teda o štruktúru s jednoduchou kvantovou jamou (SQW). Potenciálové optické ohraničenie aktívnej oblasti tvoria vrstvy
Al0,35Ga0,65As (tzv. cladding) hrúbky 550 a 1300 nm. Na spodnej aj hornej časti sú vytvorené kovové ohmické kontakty – horný je tvorený naparenou vrstvou AuBe, spodný zliatinou AuGeNi. Samotné vzorky boli štiepané z narastených platničiek pozdĺž prirodzených štiepnych hrán materiálov, čím sa realizuje u polovodičových laserov Fabry-Perotov rezonátor. Ohmický kontakt s GaAs bol vytvorený žíhaním naparenej kovovej vrstvy pri teplote 420 °C počas dvoch minút. Rôzne šírky pásika (w) vrchného kontaktu boli realizované v rozsahu 5 – 50 μm.

2. PRACOVISKO

Na meranie spektrálnych charakteristík sme využívali automatizované pracovisko, na KME FEI STU. Meraná vzorka bola umiestnená v držiaku a napájaná z impulzného zdroja. Stredná hodnota prúdu vzorkou bola meraná digitálnym multimetrom. Elekroluminiscenčné žiarenie sa privádzalo priamo do vstupnej štrbiny monochromátora a z výstupnej štrbiny sa snímalo fotodetektorom. Signál z fotodetektora bol privedený do selektívneho nanovoltmetra a odtiaľ sa privádzal do A/Č prevodníka. Merané údaje boli uchovávané v počítači, ktorý riadil cez rozhranie servopohon natáčajúci mriežku monochromátora. Na meranie externej kvantovej účinnosti bola použitá Ulbrichtova integrálna guľa spolu s impulzným zdrojom a LOCK-IN zosilňovačom. 3. NAMERANÉ VÝSLEDKY

V prvom kroku charakterizácie daných vzoriek sme sa zamerali na základné elektrické parametre a zmerali sme I-V charakteristiky.

Prúd sa vynáša v logaritmickej mierke, aby bolo dobre rozoznať jednotlivé zložky prúdu. Ďalej bola zmeraná externá kvantová účinnosť pri izbovej teplote pomocou Ulbrichtovej integrálnej gule v závislosti od napácieho prúdu a bol vypočítaný optický výkon daných vzoriek v závislosti od prúdu (L-I harakteristiky). Napájací prúd sa menil v rozsahu 20 až 180 mA v pulze so striedou 1:20. Charakterizácia pokračovala meraním spektrálnych odoziev jednotlivých vzoriek pri izbovej teplote a pri zmene napájacieho prúdu v rozsahu 15 až 50 mA v pulze. Na spektrálnych charakteristikách je dolezitym parametrom pološírka píku emisie, ktorá sa so šírkou pásika menila len minimálne. 4. DISKUSIA

Priebeh nameranej I-V charakteristiky môžno rozdeliť na dve časti, kde v každej z nich sa prejavuje iný mechanizmus vzniku prúdu. V prvej časti pri malom priepustnom napätí prúd stúpa pomaly a prevláda tu zvodový prúd daný defektami v štruktúre. Defekty môžu byť mechanického pôvodu (štiepanie) alebo technologického (nehomogenity v štruktúre). Tento mechanizmus bude ešte treba preveriť a podľa možnosti odstrániť ho. Druhá časť charakteristiky má už typický priebeh pre prúd vznikajúci injekciou nosičov cez priechod P-N.
Namerané hodnoty externej kvantovej účinnosti sa pohybovali v rozsahu stotín percenta a následne vypočítaný optický výkon bol maximálne 100 mW pre vzorky s pásikom 5 mm. Z toho vyplýva, že tieto diódy pracujú v režime spontánnej emisie a pri izbovej teplote ich nie je možné vybudiť do režimu stimulovanej emisie. Preto ďalší postup bude meranie pri nízkych teplotách v kryostate. Z nameraných spektrálnych charakteristík možné približne určiť vlnovú dĺžku maxima emisie v okolí 1 mm. Z dostupných informácií o vzorkách sme nezistili presný obsah dusíka v aktívnej oblasti, ale z hodnoty maxima emisie je ju možné odhadnúť pomocou absorpčných spektier vrstiev GaInNAs s rôznym zložením uverejnených v referencii [3]. Vychádza to približne 1 %, čo zodpovedá predpokladom z technologických podmienok rastu štruktúr. V charakteristikách si je možné všimnúť rozdielnu strmosť hrán píkov, keď pravá hrana je menej strmá ako ľavá. V tomto mieste usudzujeme ďalšiu nežiadúcu emisiu pravdepodobne spôsobenú nehomogenitou materiálu aktívnej oblasti a jej identifikáciu bude možné vykonať meraním pri nízkych teplotách. Podstatné zlepšenie kvality nitridového materiálu aktívnej oblasti sa očakáva aj po procese žíhania, o ktorom sa v odborných kruhoch veľa diskutuje [4, 5] a je preukázaný jeho pozitívny prínos.

Realizuje sa to pri teplotách v okolí 600 – 650
°C a predpokladá sa zlepšené usporiadanie dusíkových atómov v materiáli aktívnej oblasti. 5. ZÁVERY

Problematikou nitridových materiálov a ich využitím pri konštrukcii laserových diód pre oblasť optických komunikácií sa dnes zaoberá mnoho špičkových výskumných pracovísk. Naším cieľom bolo preskúmať základné charakteristiky prvých štruktúr založených na báze nitridových vrstiev pre ich ďalší výskum a optimizáciu technológie prípravy. Úspešne sme overili možnosť vybudiť emisiu v týchto štruktúrach v oblasti vlnových dĺžok 1000 nm a boli zmerané prvé elektrické a emisné vlastnosti. V nasledujúcom období bude na základe získaných výsledkov urobená dôkladnejšia analýza pri nízkych teplotách a po tepelnom žíhaní vzoriek.

	Tento článok bol vytlačený zo stránky https://referaty.centrum.sk

Charakterizácia laserových štruktúr (ŠVOČ práca)