Gain-spectra measurement by using optical pumping and

current injection in T-shaped quantum wire laser diodes

21pTG-3

光励起及び電流注入によるＴ型量子細線の利得スペクトル測定

東大物性研A,阪大理B,CREST(JST)C,アルカテル・ルーセント・ベル研D

岡野真人A,C,劉舒曼A,C,吉田正裕A,C,秋山英文A,C,懐平B,C,小川哲生B,C

Loren N. PfeifferD, Ken W. WestD

光励起及び電流注入によるＴ型量子細線の利得スペクトル測定

21pTG-3

Gain-spectra measurement by using optical pumping and

current injection in T-shaped quantum wire laser diodes

ISSP Univ. of TokyoA, Osaka UnivB. CREST(JST)C, Alcatel-Lucent Bell Lab.D

Makoto OkanoA,C, Shu-man LiuA,C, Masahiro YoshitaA,C, Hidefumi AkiyamaA,C,Ping HuaiB,C, Tetsuo OgawaB,C, Loren N. PfeifferD, Ken W. WestD

電流注入Ｔ型量子細線の研究概要電流注入Ｔ型量子細線の研究概要1994　W.Wegscheider et al.　マルチモード発振 @ 4.2K

2001　M.Yoshita et al.　�成長中断アニール法による結晶品質の著しい向上

2007　S.M.Liu et al. 平行配置型電流注入Ｔ型量子細線レーザーで0.27mAでの発振を達成 M.Okano et al.　垂直配置型電流注入Ｔ型量子細線レーザーで110Ｋでの発振を達成

as-cleaved 試料を用いて利得スペクトル測定を行い内部の電子状態を観測

高温動作を目指して各量子井戸の厚み、組成を変更

導波路中の光モード共振器端面はＨＲコート

Emis

sion

inte

nsit

y (a

rb.u

nits

)

1.581.561.541.52Photon energy (eV)

T (K)=110100

9080706050403015

5

発振スペクトル

15-period stem wells

arm well

[110]

[001]

…p-ドーピング層…n-ドーピング層…クラッド層…正孔の流れ…電子の流れ

Ib (mA) = 7.0

6.5

6.0

5.5

5.0

4.5

4.0

3.5

3.0

2.5

2.0

1.5

1.0

0.5

実験配置導波路放出光スペクトル

利得スペクトル

イメージ測定からキャリアがアンバランスと推測電子・正孔を等しく生成する光励起実験と比較・考察

Ele

ctro

lum

ines

cenc

e in

tens

ity (

arb.

units

)

1.591.581.571.561.55Photon energy (eV)

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

Mod

al G

ain

(cm

-1)

1.591.581.571.561.55Photon energy (eV)

T = 5 K

T = 5 KCL / CLL = 0.5 mm

[001]

[110]

Cassidy法を用いてF-P振動を解析

CW

電流注入による利得スペクトル測定電流注入による利得スペクトル測定

-1

Ib (mA)

-40

-30

-20

-10

0

10

20

Mod

al G

ain

(cm

-1)

Ele

ctro

lum

ines

cenc

e in

tens

ity (

arb.

units

)

1.591.581.571.561.55Photon energy (eV)

= 7.0

6.5

6.0

5.5

5.0

4.5

4.0

3.5

3.0

2.5

2.0

1.5

1.0

0.5

exc.P (mW)

-40

-30

-20

-10

0

10

20

Mod

al G

ain

(cm

)W

aveg

uide

Em

issi

on (

arb.

units

)1.51.581.571.561.55

Photon energy (eV)

= 47

36

31

27

23

20

16

12

8.2

7.1

5.8

4.3

光励起電流注入T = 5 K T = 5 K

exc.E = 1.692 eV

特性を比較するためには共通のパラメータが必要！

光励起実験配置

電流注入実験配置

[001]

[110]

[001]

[110]

CW

CW (duty: 2%)

光励起及び電流注入による利得スペクトル比較光励起及び電流注入による利得スペクトル比較

何を横軸にとるべきか？何を横軸にとるべきか？キャリア密度と直接関連していそうな自然放出光強度を考えてみる

導波路に結合しない自然放出光の強度は minority carrier density を反映していると考えられる

自然放出光強度を横軸として採用して特性をプロット、両実験結果を比較

[001]

[110]

自然放出光検出

各励起強度或いは各電流時の自然放出光強度をプロットする自然放出光強度が等しい励起強度と電流の利得スペクトルを比較するのが妥当

-

-

76543210Bias current (mA)

0

I sp

(arb

.uni

t)403020100

Excitation power (mW)C-b

V-b

C-b

V-b

Optical pumping Current injection

1.利得ピーク線幅 - 電流注入が太い2.利得ピーク値 - 傾きは光励起が大きい - 弱発光領域では電流注入の方が値が大3.利得ピークエネルギー - 電流注入が常に低エネルギー側

Optical pumpingCurrent injection

Optical pumpingCurrent injection

Optical pumpingCurrent injection

14

12

10

8

6

4

2

0

FW

HM

of G

ain

Pea

k (m

eV)

1.57

0

0

1.56

Ene

rgy

of G

ain

Pea

k (

eV)

Isp (arb. unit)

Isp (arb. unit)

12x103

10

8

6

4

2

0

Pea

k M

ater

ial G

ain

(cm

-1)

3600 (cm-1)

4.2 (meV)

6 (meV)

Red-ShiftBroaden

キャリアバランスの違いから考察

各キャリア注入方法における特性比較各キャリア注入方法における特性比較

各注入方法の利得ピーク変化に対する考察各注入方法の利得ピーク変化に対する考察

キャリアがバランス(光励起)

電流注入時には確かにキャリアがアンバランスであることが示される

C-b

V-b

キャリアがアンバランス(電流注入)

C-b

V-b

C-b

V-b

一方のキャリアが少なくても利得が出る(反転分布条件を満たす)

キャリアが少ない領域では利得は出ない

電流注入は発光が弱くても利得が出る(minority carrier が少なくても)

Isp (arb. unit)

12x103

10

8

6

4

2

00

Pea

k M

ater

ial G

ain

(cm

-1) Optical pumping

Current injection

実験結果の特徴を再現

片方のキャリア密度を5.0x105 (cm-1) に固定してアンバランスな状態を計算

T = 5 KOptical pumping (exc.power = 27 mW)Current injection (I b = 5.3 mA )

int

~ 25 (cm-1)

-40

-30

-20

-10

0

Mod

al G

ain

(cm

-1)

1.581.561.541.52Photon energy (eV)

自然放出光強度が等しい利得スペクトルの形状

利得スペクトル形状の比較及び理論計算利得スペクトル形状の比較及び理論計算

T = 10 K T = 10 K16x103

12

8

4

0

M

ater

ial g

ain

(cm

-1)

-30 -20 -10-30-40 -20 -10∆E (meV) ∆E (meV)

正孔を増やした場合 電子を増やした場合

nh = 0.5~1.0x106 (cm-1)

ne = 0.5~1.0x106 (cm-1)

各キャリアバランスにおける特性比較各キャリアバランスにおける特性比較

傾向が実験結果と良い一致を示す

電流注入のキャリアはアンバランス

balance of carrier

imbalance of carriernh or ne =1.0x106 (cm-1)

balance of carrier

imbalance of carriernh or ne =1.0x106 (cm-1)

balance of carrier

imbalance of carriernh or ne =1.0x106 (cm-1)

20

15

10

5

0

FW

HM

of G

ain

Pea

k (m

eV)

-30

-25

-20

-15

Ene

rgy

of G

ain

Pea

k (m

eV)

1.0x106

0.80.60.40.20.0Minority carrier density (cm

-1)

20x103

15

10

5

0

Pea

k M

ater

ial G

ain

(cm-1

)

1.0x106

0.80.60.40.20.0Minority carrier density (cm

-1)

Red-ShiftBroaden

まとめまとめ

・横軸を自然放出光強度にすることによって注入方法によらない定量的　且つ直接的な比較を可能にした - 利得スペクトルの線幅・ピーク値・エネルギーを比較し、明確な違い　 を観測した - 自然放出光に対する利得ピーク値の変化から電流注入時には確かにキ　 ャリアがアンバランスであることが示された・実験への理解を深めるためクーロン相互作用を含めた計算を行ったと　ころ実験結果の傾向を良く再現した

電流注入と光励起という異なるキャリア注入方法によって得られた利得スペクトルに違いが見られた

・温度依存性を取ることで利得発生メカニズムについての理解を深める・計算との比較をさらに進め、予測される特性に基づいて新しい試料構　造の提案を行う

今後の課題

背景・目的背景・目的

barrier stemwell

arm wellbarrier

barrier

[110]

[001]

低次元系半導体レーザーにおけるデバイス特性向上の理論的予測(~'80s)

e.g. 低閾値化、高微分利得、温度依存性の減少

作製及び評価における困難

界面揺らぎ、サイズ不均一性

設計・結晶成長・電極付けプロセス

１次元系状態密度のバンド端発散強いクーロン相互作用フェルミ液体描像の崩れ etc..

e.g.

なぜならば...

しかし...

20年経った現在でも確固たる検証を行った研究はない

・デバイス向上の理論的予測について検証を行う　（応用物理的側面）・１次元電子正孔系の利得メカニズムへの理解を深める（基礎物理的側面）

世界一の均一性を有する１次元系

T型量子細線の作製方法

クーロン相互作用を含めた計算結果（@30K）クーロン相互作用を含めた計算結果（@30K）

20

15

10

5

0

FW

HM

of p

eak

gain

(m

eV)

1.0x106

0.80.60.40.2

1.0x106

0.80.60.40.2Minority carrier density (cm

-1) Minority carrier density (cm

-1)

Minority carrier density (cm-1

)10x10

3

8

6

4

2

0

Pea

k m

ater

ial g

ain

(cm

-1)

-27

-26

-25

-24

-23

-22

-21

-20

Ene

rgy

of g

ain

peak

(m

eV)

1.0x106

0.80.60.40.2

-50 -40 -30 -20 -10 0 10Energy (meV)

10x103

8

6

4

2

0

-2

-4

Mat

eria

l gai

n (c

m-1

)

undope systemh-dominant systeme-dominant system

undope systemh-dominant systeme-dominant system

undope systemh-dominant systeme-dominant system

T = 30 K nh (fixed) = 0.5 x 106 (cm-1)

ne = 0.1~1.0 x 106 (cm-1)

アンドープ試料との利得特性比較アンドープ試料との利得特性比較

20151050-5-10-15Chemical Potential (meV)

12x103

10

8

6

4

2

0

Pea

k M

ater

ial G

ain

(cm

-1)

25

20

15

10

5

0

FW

HM

of G

ain

Pea

k (m

eV)

Undope 3-wire lasersCurrent-injection lasers

TiSa excitation energy conditionUndope 3-wire lasers : 1.661 eVCurrent-injection lasers : 1.692 eV

undope 3周期T型量子細線と線幅及びピーク値を比較

化学ポテンシャル(μ)の導出

Internal loss

Material gain

confinement factorModal gain

g int―＝G

実験から得られる値

構造によって異なる値

ドーピングによる量子構造への影響は観測されない

Spo

ntan

eous

em

issi

on in

tens

ity (

arb.

unit)

-10 -5 00

5Chemical potential (meV)

int

g

G

T = 5 K

T = 5 K

温度依存メカニズム温度依存メカニズム

electron distribution hole distribution

excitonic diffusion

exciton formation and recombination

[110]

[001]

arm well

sidecladding

sidecladding

upper claddingoptical arm

capGaAs

exciton

正孔が arm well に広く分布

励起子が arm well で広く生成

励起子の拡散長が温度によって上昇

注入効率が温度と共に上昇

ref. GaAs QW 内の励起子の拡散長

H. Hillmer et al., Phys. Rev. B, 39, 10901 (1989)

30 K100 K

… 0.4 µm… 2.0 µm

x 5

core