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 アウトライン背景・目的試料構造・プロセス実験結果 IV、ILの温度依存性利得吸収スペクトルまとめ・展開研究の背景・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電流・電圧特性の温度依存性 8 T=5K 15K 30K 40K Current[mA] 6 50K 60K 70K 80K 90K100K 110K 4 2 0 0 2 4 6 8 10 Bias-Voltage[V] 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導波路放出光 & IV,IL特性 at 100K 14 10 T=100K 8 x4x10-2 I=2.35mA x3x10-1 6 8 6 4 4 I=1.50mA Optical power[uW] 10 Voltage[V] Electroluminescence intensity[arb.unit] 12 2 2 I=0.25mA 0 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 Current[mA] 2.5 0 3.0 発振閾値：2.1mA 微分量子効率：0.9% 1.53 1.54 1.55 Photon energy[eV] 1.56 微分量子効率  検出したフォトン数注入されたキャリア数閾値電流・微分量子効率の温度依存性微分量子効率 8 0.8 6 0.6 4 0.4 2 0.2 Threshold current[mA] Differential quantum efficiency[%] 1.0 閾値電流 0.0 0 20 40 60 80 100 0 120 Temperature[K] 110Kが発振温度限界→ノンドープ試料とほぼ同じ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 I=6.3mA 0 I=4.6mA Modal gain[/cm] Electroluminescence intensity[arb.units] T=5K I=3.1mA 1.540 1.550 1.560 Photon energy[eV] 1.570 -10 -20 -30 ピーク値を電流に対してプロット -40 1.540 1.550 1.560 Photon energy[eV] 1.570 利得ピーク値変化の温度依存性 Peak Modal Gain[/cm] 5 T=100K T=5K T=30K T=70K Gth 0 -5 -10 0 2 4 Bias-current[mA] 6 8 閾値電流の比較 Differential quantum efficiency[%] 0.8 6 0.6 4 0.4 2 0.2 0.0 0 20 40 60 80 100 Threshold current[mA] 8 1.0 0 120 Temperature[K] 内部量子効率  活性領域で発光するキャリア数デバイス全体に注入されるキャリア数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 excitonの拡散長は温度と共に上昇 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, 39 10901 (1984) x x x x x x x x x exciton cladding cladding 1.5um 1.5um 各構造間の比較 Arm-Stem Arm-Arm 閾値電流 2.1mA x10 0.27mA 微分量子効率 0.9% 1/10 12% 活性領域の構造は同じ→発光確率は等しい内部量子効率  活性領域で発光するキャリア数デバイス全体に注入されるキャリア数 Arm-Stemの内部量子効率はArm-Armの1/10程度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 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 ΔE=7meV Eth=8meV 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。電流・出力特性の温度依存性 20 80K 20 15 100K 90K 10 15 90K 100K Optical power[uW] 70K 50K 5 120K 0 2.0 10 2.5 3.0 40K 60K 3.5 4.0 30K 15K 5 T=5K 0 0 1 2 3 4 Bias-Current[mA] 5 6 7 Cassidyの方法による利得スペクトルの導出 A  (1  R) 2 e l I (E)  (1  R  e l ) 2  4R  e l sin 2 θ I sum p FSR  I min 1  1 p 1     ln    l  R p 1   : 吸収係数 (Free Spectral Range) R : 反射率 nl  E  c 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 井戸厚=6nm T=100K T=30K D=18[cm2/s] D=2[cm2/s] life time=2.25[ns] life time=0.9[ns] 拡散長=2um 拡散長=0.4um 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 正孔が細線から溢れ出していることを示唆