Arm-Stem 電流注入型 T 型量子細線レーザーの発振特性

0. 序論　　　～ T 型量子細線について～1. 背景　　　～なぜ電流注入型なのか～

2. 試料構造　～ 2 種の試料の簡単な紹介～3. 実験結果 1 　～利得吸収スペクトル解析～

4. 実験結果 2 　～発振閾値の温度依存性～5. まとめ・今後の展開

東京大学　物性研究所　秋山研究室　 M2 　岡野真人2006/6/29 　 at 大阪大

研磨・傷入れ置き換え

GaAs基板

へき開

500℃で成長

成長を中断して600℃でanneal

arm wellの界面が凸凹

arm wellの界面が平坦

第一次ＭＢＥ成長(600℃)(001)方向

へき開再成長(第二次ＭＢＥ成長)(500℃)(110)方向

cleaved surface2.0nm

0.0nm

2μ m

[001]

[110]

0. 序論　～Ｔ型量子細線について～

↑ メリット：構造が制御しやすい。非常に均一性が高い。↓ デメリット：作製が困難。品質が成長条件に大きく依存。

1. 背景　 ～なぜ電流注入型なのか～

量子細線レーザーは量子井戸レーザーに比べ、低閾値になることが期待されている。

↓電流注入型Ｔ型量子細線レーザーからの発振は 1994 年に　 W. Wegscheider らによって報告されている。しかし、均一性はあまりよくなかった。 (Ith ＝ 0.4 ～ 0.8 ｍA)

↓近年、我々の研究により均一性の高いＴ型量子細線が作製可能となった。

↓電流注入型Ｔ型量子細線レーザーを作製し、評価する。低閾値の検証と、量子細線レーザーの物理の解明を目指す。メリット：電流からキャリア密度が見積もれる ( 閾値 )

　　　　　光出力を測定するのが容易 ( 外部量子効率 )

2-1. 試料構造　 ～ 2 種の試料の簡単な紹介～

電子は Arm wellから

正孔は Stem wellから

Arm-Stem電流注入型

電子は Arm wellから

正孔も Arm wellから

Arm-Arm電流注入型

2-1. 試料構造　 ～ 2 種の試料の簡単な紹介～

15 細線の本数 20

5~110K 動作温度領域 30~70K

2.0mA at 100K 最小閾値 0.27mA at 30K

0.9% at 100K 最大外部量子効率 12% at 30K

内部量子効率、内部損失が同じであると考えると閾値、外部量子効率は注入効率の差を表していると考えられる。

2-2.Arm-Stem 電流注入型の試料構造　

0. 序論　　　～ T 型量子細線について～1. 背景　　　～なぜ電流注入型なのか～

2. 試料構造　～ 2 種の試料の簡単な紹介～3. 実験結果 1 　～利得吸収スペクトル解析～4. 実験結果 2 　～発振閾値の温度依存性～

5. まとめ・今後の展開

実験結果

３ -1. 低電流領域での EL (HR コートなし )

EL の強度は強くなっていくが、スペクトル形状に変化はない。

un-coated

３ - ２ . 低電流領域での利得吸収スペクトル

発光強度が増加しても、利得が増加しない。

電子と正孔の濃度がアンバランスに増加しているからだろう。

un-coatedcf. 光励起　 (Vb=2.1V)

Ib = 10uAVb=1.64V

Ib =2.0 ｍ AVb=4.19V

3-3. 電流による EL Image の変化

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

正孔が細線から溢れ出正孔が細線から溢れ出していることを示唆していることを示唆

3- ４ . キャリアの閉じ込め

正孔が wire を通り過ぎて arm の方へと流れ出しているのか？

正孔の閉じ込めが弱いからか？

従来の Arm-Stem型

3- ４ . キャリアの閉じ込め

正孔が stem の高い障壁によって wire に閉じ込められる？

電子の方は影響がないと考えられるが、、、？

新しい Arm-Stem型

閾値電流及び外部量子効率の温度依存性

4. 発振特性　 (HR コートした試料 )

14

12

10

8

6

4

2

0

Opt

ical

pow

er[u

W]

3.02.01.00.0Current[mA]

8

7

6

5

4

3

2

1

0

Bia

s-V

olta

ge[V

]

1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0 Ext

erna

l Qua

ntum

Effi

cien

cy [

%]

100500

Temperature[K]

7.0

6.0

5.0

4.0

3.0

2.0

Thr

esho

ld C

urre

nt[m

A]

EL

inte

nsity

[arb

.uni

ts]

1.561.551.541.53Photon energy[eV]

I=2.35mAx4x10-2

x3x10-1I=1.50mA

T=100KEL スペクトル I-V,I-L 特性

閾値電流、外部量子効率ともに 100K が最もよい値を示すArm-Arm 型とは明らかに異なる特徴 ( 電荷輸送の影響？ )

5. まとめ

今後の展開

１． HR コートしていない試料を用いて利得の変化を測定２． n と p を入れ替えた試料を測定し、閉じ込めの影響による　　注入効率の変化を比較する

１．低電流領域では EL の強度は増加するが 利得に変化が見､　　られない。　　細線部で正孔濃度が過剰２． HR コートした試料では発振が確認されたが、性能はあ　　まりよくない。 100K で最もよい特性を示す。　　注入効率が悪い　　新しい構造によって改善される（？）　　電荷輸送の影響　　どう評価するべきか？

Fin.

Thank you for your 　 kind attention.

See you next time…

20

15

10

5

0

Op

tica

l po

we

r[μW

]

6420

Current[mA]

T=5K

15K

30K

40K

50K

60K

70K80K

14

12

10

8

6

4

2

03.02.82.62.42.22.0

100K

120K

110K

90K

4- ２ .I-L 特性の温度依存性

4- ３ . 温度変化　 (HR コートした試料 )

温度上昇で考えるのは妥当か？ (QCSE 、 BGR ？ )

-0.012

-0.010

-0.008

-0.006

-0.004

-0.002

0.000

Pe

ak

en

erg

y d

iffe

ren

ce[e

V]

8642

Bias-Voltage[V]

T=120K100K40K5K

97531

各温度で 8～ 10meV程度ピークがレッドシフトする。

↓

温度による BGの変化が表れているとすると

５ K→50K

40K→70K

100K→125K

120K→150K

３ -5. 光励起導波路放出光スペクトル at 5K

励起強度に伴って利得が増加

正孔と電子がバランス→利得発生利得発生

ゆっくりと利得が発生していく。変化し始めるのは 40ｍW以下。利得がブロード。

利得の変化が比較的大きい。変化し始めるのは同じく 40ｍW以下。

明らかに変化し始めるのが遅い。変化し始めるのは 70ｍW。

光励起によって作られたキャリアが、電流によって注入されたキャリアよりも多くなったときに変化が起こるのか？

Waveguide Emission の電圧依存性

バイアス電圧が 2Vの近傍では、下側包絡線のピーク(P1)は上側包絡線のピーク(P2)よりも高エネルギー側にある。

ドープなし試料と同じ傾向

ELが強くなってくるとその影響で、 P1は徐々に P2の低エネルギー側に移動。

過電圧による低エネルギー側の吸収の増加を示唆？？

θee

eE

ll

l

I22

2

sinR4)R1(

R)1(A)(

11

R1

ln1pp

l

min

sum

FSR I

Ip

c

Eln

α ：吸収係数R ：反射率

（ Free Spectral Range ）

Cassidy 法による利得吸収スペクトル導出

Photo Luminescence スペクトル at 5K

IVは非常にきれいで、低温では leakしない。

少し均一性は悪いが、高品質な試料が作製できた。

高電流時 (Ib=2.0mA) の EL-Image

低電流時 (Ib=10uA) の EL-Image

利得吸収スペクトルの電圧依存性1.2～ 1.9Vでの利得の変化は、励起強度依存性に近く、徐々に細線にキャリアが注入されていっていると推測される。

しかし、 1.9～ 3.9Vでは明らかに利得が減少していっているのがわかる。

利得の減少がキャリアの減少によるものであれば、上と下の図はほとんど同じになるはずだが、明らかに異なる。

つまり、利得の減少はキャリアの減少ではなく、なんらかの吸収の増加によるものと考えられる。