InAs / GaAs Láser de retroalimentación distribuida de modo dual de punto cuántico hacia un amplio rango de sintonización Aplicación de terahercios de onda continua

Métodos

Preparación y caracterización de materiales

Las estructuras láser de InAs / GaAs QD se cultivaron en sustratos de GaAs (100) dopados con Si mediante un sistema MBE. La región activa de la estructura del láser son ocho pilas de capa QD separadas por barreras de GaAs de 33 nm de espesor. Cada capa QD comprende 2,7 ml de InAs cubiertos con una capa reductora de deformación de InGaAs de 6 nm de espesor. Y toda la región activa está intercalada por las capas de revestimiento del n-Al _0.3 inferior de ~ 2800 nm Ga _0,7 As y el superior ~ 1800 nm p-Al _0.3 Ga _0,7 Como. La deposición de InAs a una temperatura de crecimiento de 510 ° C y una tasa de crecimiento de 0,01 ML / s. La modulación p-dopaje con Be se realizó en una capa de 6 nm ubicada en la capa espaciadora de GaAs 10 nm debajo de cada capa QD, y la concentración de dopaje se controló para que fuera de 25 aceptores por punto. La imagen de microscopía electrónica de transmisión (TEM) de sección transversal de las capas QD de InGa / GaAs se muestra en la Fig. 1a. Se determina que la densidad de QD de InAs / GaAs es 4 × 10 ¹⁰ cm ⁻² por medición de microscopio de fuerza atómica. El tratamiento RTA se realizó en un N ₂ ambiente a la temperatura de 700 ° C durante 45 s. Las muestras QD fueron protegidas por una tapa de proximidad de GaAs durante el proceso de recocido.

Diagrama esquemático y morfología de la estructura del láser InAs / GaAs QDs LC-DFB. un Diagrama esquemático de la estructura del láser InAs / GaAs QD LC-DFB. Recuadro:imagen TEM de sección transversal de la estructura de la capa activa QD. b La vista superior de la imagen SEM de la estructura del láser LC-DFB con rejilla de primer orden. Recuadro:imagen SEM ampliada enfocada en la unión entre la rejilla y la guía de ondas de la cresta

Diseño, fabricación y caracterización de LC-DFB

El diagrama esquemático de la estructura del láser LC-DFB diseñada se muestra en la Fig. 1a. Este enfoque de diseño permite la fabricación de láseres LC-DFB con solo un crecimiento epitaxial redondo y reduce la relación de aspecto en el grabado de rejilla óptica. La formación de la guía de ondas de cresta estrecha y su estructura de rejilla acoplada lateralmente se divide en dos pasos de procesamiento, que es diferente del proceso tradicional de definición de litografía [1, 9, 10]. La fabricación de la rejilla acoplada lateralmente requiere un grabado poco profundo y eso reduce la alta relación de aspecto en el grabado en seco que exige el enfoque tradicional de grabado profundo. Además, grabar las rejillas de solo más de cien nanómetros en los semiconductores permite que la estructura de la rejilla con tamaños de características muy pequeños, como la rejilla de primer orden, se realice fácilmente y, por lo tanto, brinde una nueva oportunidad para desarrollar una estructura de dispositivo ingeniosa para aplicaciones de THz.

En referencia al principio de acoplamiento de LC-DFB, es bien sabido que la proximidad de las rejillas a la cresta es un factor clave que influye en gran medida en el rendimiento del láser [20]. En el proceso de fabricación, después de que se define por primera vez la guía de ondas de cresta, la muestra para la litografía por haz de electrones (EBL) tiene una diferencia de altura con respecto a la guía de ondas, y la fotorresistencia se apilará a un lado de la pared lateral durante la EBL, lo que dificulta su fabricación. la formación de rejilla adyacente a la cresta. Para resolver el problema del recubrimiento fotorresistente no uniforme y formar una rejilla de alta calidad con patrón de EBL, el espesor de la capa protectora de polimetilmetacrilato (PMMA) se seleccionó cuidadosamente para que fuera tan delgado como 75 nm, que está optimizado para permitir la calidad de la rejilla. para alcanzar sus puntos de equilibrio. El láser LC-DFB se fabricó mediante los siguientes procedimientos. Primero, un SiO ₂ de 75 nm La capa se depositó en la parte superior de la estructura de epitaxia mediante el uso de deposición de vapor químico mejorada con plasma (PECVD), que actúa como la capa protectora de grabado para el grabado superficial de las rejillas. La estructura de la guía de ondas de la cresta se modeló mediante litografía óptica y se grabó a una profundidad de aproximadamente 1,75 μm con la técnica de plasma acoplado inductivamente (ICP) con una mezcla gaseosa de Cl ₂ y BCl ₃ . Habiendo sido definida la estructura de la guía de ondas, la capa superior de revestimiento de AlGaAs del lado p se atacó adicionalmente mediante ataque en húmedo que se detuvo a ~ 280 nm por encima de las regiones activas de QD. Después de eso, la muestra se revistió por rotación con reserva de PMMA (peso molecular de 950 K y espesor de 75 nm) y se horneó durante 90 sa 180 ° C. La rejilla de primer orden se definió junto con la guía de ondas de cresta por EBL, y luego la imagen de resistencia se transfirió a las AlGaAs mediante grabado en seco ICP. Las velocidades de grabado de PMMA resist y AlGaAs fueron de aproximadamente 5 nm / sy 10 nm / s, respectivamente. En la figura 1b se muestra una imagen de microscopía electrónica de barrido (SEM) de la estructura LC-DFB fabricada. Beneficiándose de la elección cuidadosa de la dosis de exposición EBL y el apilamiento de fotorresistencia altamente aliviado debido a la capa protectora delgada, las rejillas están estrechamente unidas a la guía de ondas de la cresta láser, como lo revela el recuadro de la Fig. 1b. La profundidad de grabado de la rejilla es de 135 nm y el período de la rejilla es de 194 nm. Para lograr un láser de longitud de onda dual precisa y ampliamente sintonizado, se fabricaron dos períodos de Bragg diferentes para rejillas laterales en los dos lados de la guía de ondas de la cresta. La capa de contacto óhmico en la guía de ondas de la cresta estaba completamente protegida por el SiO ₂ de 75 nm de espesor capa protectora para asegurar que el contacto óhmico sobreviva durante el proceso de grabado ICP. La rejilla de grabado poco profundo se controló para que estuviera 150 nm por encima del intervalo activo QD para formar un buen acoplamiento con la luz. Para el objetivo de aislamiento y planarización, otra capa de SiO ₂ se depositó sobre la muestra con PECVD después de grabar las rejillas. Finalmente, el grabado en seco de iones reactivos (RIE) se empleó para abrir una ventana de contacto en SiO ₂ . Luego se depositaron Ti / Au y Au / Ge / Ni / Au para formar los contactos óhmicos superior e inferior, respectivamente. Los sustratos se adelgazaron hasta aproximadamente 80 µm para minimizar el efecto de autocalentamiento. Se fabricaron las cavidades láser de 1 y 0,45 mm de largo y no se recubrieron las facetas emisoras. Las barras láser se montaron con el lado p hacia arriba en un disipador de calor de cobre, y todas las mediciones se realizaron bajo operación CW.

Resultados y discusión

La Figura 2a muestra una característica típica de potencia-corriente-voltaje (P-I-V) del láser LC-DFB tal como se fabrica, basada en una estructura QD dopada con p de modulación múltiple. El láser muestra una alta eficiencia de pendiente obvia de 0,20 W / A y un umbral bajo de 33 mA, lo que revela la alta calidad del material y la alta ganancia óptica de la estructura QD. La densidad de corriente umbral y la eficiencia de la pendiente con respecto a la temperatura para un láser QD LC-DFB no dopado y dopado p se presentan en las Fig. 2b, c, respectivamente. La temperatura característica para la densidad de corriente umbral ( T ₀ ) de 52,3 K se calcula para el láser QD LC-DFB sin dopar como se ve en la Fig. 2b, mientras que el T ₀ para el láser QD LC-DFB dopado p tiene un aumento significativo, especialmente en el rango de temperatura de 15 a 50 ° C, en el que una T infinita ₀ es observado. Además, en este rango de temperatura, la eficiencia de la pendiente casi no muestra degradación (degradación del 2,6% para el láser QD LC-DFB sin dopar), lo que indica una temperatura característica infinita para la eficiencia de la pendiente ( T ₁ ) también para láser LC-DFB dopado p. La gran diferencia de ambos T ₀ y T ₁ entre los láseres LC-DFB no dopados y dopados con p se atribuye principalmente a los efectos inducidos por el exceso de agujeros incorporados debido al dopaje p de modulación que puede inhibir significativamente el ensanchamiento térmico de los agujeros en los niveles de energía estrechamente espaciados [21, 22 ]. En base a los resultados anteriores, se seleccionó el láser QD LC-DFB dopado con p para la caracterización adicional de los espectros láser.

P – I – V y característica de dependencia de la temperatura del láser LC-DFB. un Característica P – I – V del láser LC-DFB dopado p en RT. b Dependencias de la temperatura de la densidad de corriente umbral para láseres LC-DFB no dopados y dopados p. c Dependencias de la temperatura de la eficiencia de la pendiente para láseres LC-DFB sin dopar y dopados con p

El recuadro de la Fig. 3 muestra un espectro de emisión del láser LC-DFB dopado p de 1 mm de longitud de la cavidad medida bajo I =2 yo _th Se puede observar el nivel de inyección a temperatura ambiente (RT), y un modo longitudinal único con láser a 1292,4 nm con un SMSR muy grande de 47 dB. La Figura 3 muestra la longitud de onda de emisión en función de la temperatura de operación del láser LC-DFB dopado con p, que revela una tasa de variación de solo 0.092 nm / K. La estabilidad a alta temperatura de la longitud de onda láser está en buena conformidad con el coeficiente de temperatura del índice de refracción, que es aproximadamente cinco veces menor que el del cambio de ganancia del material.

Dependencia de la temperatura de la longitud de onda de emisión. Recuadro:espectro de emisión del láser LC-DFB dopado p medido a 2 I _th

Recientemente, Goshima et al. [10] informó un láser LC-DFB QD de InAs / GaAs QD de 1.3 μm fabricado por rejillas profundas grabadas verticalmente en la estructura de la guía de ondas de la cresta, y se observaron eficiencias de pendiente baja por debajo de 0.03 W / A y un pequeño SMSR de 20 dB, que son principalmente debido a las grandes pérdidas de guía de ondas causadas por el proceso de grabado profundo. Con una estructura de rejilla poco profunda, Briggs et al. [23] han fabricado con éxito láseres LC-DFB basados ​​en GaSb con un SMSR más grande de 25 dB. Pero la mejora adicional se vio limitada por el coeficiente de acoplamiento más bajo debido a la gran distancia entre las rejillas y la guía de ondas de cresta, que es crucial para el rendimiento de un láser LC-DFB. En nuestro trabajo, la guía de ondas de cresta estrecha y las estructuras de rejilla se fabricaron por separado, lo que dio como resultado una pared lateral muy afilada y suave de la guía de ondas de cresta y, por lo tanto, una pequeña pérdida de guía de ondas. El método de grabado superficial para la fabricación de rejillas empleado en nuestros experimentos puede reducir drásticamente la relación de aspecto de las rejillas grabadas y permitir la fabricación de la estructura de rejilla de primer orden de alta calidad que asegura un buen acoplamiento con la luz. Al controlar cuidadosamente el grosor de la capa protectora de PMMA y los parámetros de litografía EBL, los fenómenos de apilamiento de la capa protectora fotosensible a un lado de la pared lateral de las crestas se aliviaron de manera efectiva, lo que conduce a la formación de rejillas muy adyacentes a la guía de ondas de la cresta láser. Además, la alta densidad de puntos de ~ 4,3 × 10 ¹⁰ cm ⁻² obtenido mediante la optimización de los parámetros de crecimiento de la epitaxia MBE y la alta ganancia de los ensamblajes QD realizados por la modulación p-doping y el tratamiento de recocido posterior al crecimiento pueden explicar el gran SMSR de 47 dB de nuestro láser LC-DFB.

Además de las aplicaciones generalizadas ya demostradas en la transmisión óptica de larga distancia y los sistemas de multiplexación por división de longitud de onda (WDM) debido a las características superiores del espectro de emisión estrecho y la alta estabilidad térmica, los láseres LC-DFB también han demostrado ventajas para generar radiación CW THz. En comparación con el método tradicional para crear radiación THz mediante el uso de dos láseres de diodo independientes [24,25,26], los láseres LC-DFB con emisión simultánea de dos modos son muy atractivos para fabricar fuentes de radiación THz debido a su rentabilidad, compacidad, alta estabilidad y alta calidad espectral. A diferencia de los láseres de pozo cuántico (QW), los emisores basados ​​en QD son adecuados para fuentes sintonizables de banda ancha debido a dos características únicas de las estructuras QD. En primer lugar, la naturaleza de la baja densidad de estados conduce a la fácil saturación de los niveles de GS, lo que resulta en una mayor población de los estados excitados (ES). En segundo lugar, la variación del tamaño del punto se puede utilizar para ampliar el rango de sintonización, debido al hecho de que la amplia distribución del tamaño del conjunto QD autoensamblado conduce a un amplio espectro de emisión de luz gobernada por el efecto de tamaño cuántico.

La estructura LC-DFB compuesta por rejillas laterales fabricadas de forma independiente permite una gran flexibilidad en la definición de la longitud de onda de Bragg diseñada. El láser de longitud de onda dual se puede lograr fabricando dos juegos de rejillas de diferentes períodos de Bragg Ʌ ₁ y Ʌ ₂ que permiten dos longitudes de onda diferentes λ ₁ y λ ₂ . El método informado aquí implica definir dos períodos de rejilla diferentes para cada lado de las rejillas. Las mediciones de láser de longitud de onda dual se llevaron a cabo en condiciones de onda continua. Se observó un láser de longitud de onda dual estable, con SMSR de alrededor de 40 dB. Como se ilustra en la Fig. 4a, las líneas cian oscuro, azul, rojo y negro exhiben espectros láser con dos longitudes de onda láser diferentes. Para un láser LC-DFB de 1 mm con diferencia de período de rejilla Ʌ ₁ - Ʌ ₂ =0.10 nm, las dos longitudes de onda láser son 1292.40 y 1292.90 nm, respectivamente, produciendo un espaciado de longitud de onda de 0.50 nm correspondiente a la diferencia de frecuencia de ~ 0.10 THz. Al ajustar la diferencia del período de rejilla a 0,64 nm, el espaciado de longitud de onda dual se puede ampliar a 4,1 nm, lo que corresponde a una frecuencia de batido de 0,74 THz.

El espectro del láser LC-DFB de modo dual. un Espectros de emisión del láser LC-DFB de doble longitud de onda con un período de rejilla diferente. b Espaciado amplio de espectros láser de modo dual del láser LC-DFB con una longitud de cavidad ultracorta de 450 μm

Para obtener un rango de sintonización más grande del láser de modo dual, la longitud de la cavidad de los láseres LC-DFB se acortó cuidadosamente a 450 μm, lo que da como resultado el láser GS y ES simultáneo debido al efecto de la saturación de ganancia de GS y el aumento de la población de la ES. La estructura del láser LC-DFB consta de dos períodos de Bragg diferentes de 182 y 194 nm, respectivamente, que es similar a lo que se describió en informes anteriores [27, 28]. Como se muestra en la Fig. 4b, los dos modos longitudinales exhiben una gran separación de longitud de onda de 73,4 nm, correspondiente a la diferencia de frecuencia de 14 THz. Al implementar dos rejillas de período diferentes lateralmente a una guía de ondas de cresta y acortar la longitud de la cavidad delicadamente para permitir el láser ES, los diodos láser basados ​​en InAs / GaAs QD podrían emitir líneas de láser duales con un espaciado de longitud de onda sintonizable muy amplio de 0.5 a 73.4 nm correspondiente a 0.10 –14 THz de diferencia de frecuencia. En comparación con otros tipos de esquemas propuestos de fotomezcla de THz basados ​​en dos láseres separados, nuestro dispositivo ofrece las ventajas de una estructura simple, tamaño compacto, bajo costo de fabricación y un rango de ajuste muy amplio.

Conclusiones

Se ha fabricado un láser QD LC-DFB de 1,3 μm con rejillas de grabado superficial, en el que se evitan con éxito la complejidad del crecimiento excesivo y las dificultades de los procesos de grabado profundo en el proceso general de fabricación del láser DFB. Beneficiándose de la alta ganancia de material de las muestras QD preparadas con modulación p-doping, tratamiento RTA y estructura optimizada de guía de ondas láser LC-DFB, el dispositivo exhibe un SMSR grande de 47 dB y una alta estabilidad térmica dλ / dT de 0.092 nm / K . Mediante la definición de dos períodos diferentes para las rejillas a cada lado de la guía de ondas de cresta estrecha o acortando la longitud de la cavidad láser, se pueden obtener dos líneas láser simultáneamente y el espaciado entre las dos longitudes de onda láser se puede ajustar de manera flexible y en gran medida, lo que puede modificarse de 0,5 a 73,4 nm, correspondiente a la diferencia de frecuencia de 0,10 a 14 THz. Es de destacar que este amplio rango de sintonía se realiza en un solo dispositivo láser, lo que no se ha informado hasta ahora. Estos resultados demuestran la prometedora aplicación de los láseres LC-DFB para generar radiación CW THZ.

Abreviaturas

CW:

Onda continua

DFB:

Comentarios distribuidos

EBL:

Litografía por haz de electrones

ES:

Estados emocionados

GS:

Estado fundamental

ICP:

Plasma acoplado inductivamente

LC-DFB:

Retroalimentación distribuida acoplada lateralmente

MOCVD:

Deposición química de vapor metalorgánico

PECVD:

Deposición de vapor químico mejorada con plasma

P – I – V:

Potencia-corriente-voltaje

PMMA:

Polimetilmetacrilato

QD:

Punto cuántico

QW:

Pozo cuántico

RT:

Temperatura ambiente

RTA:

Recocido térmico rápido

SEM:

Microscopía electrónica de barrido

SMSR:

Relación de supresión de modo lateral

TEM:

Microscopía electrónica de transmisión

WDM:

Múltiplex por división de longitud de onda

Síntesis controlada y propiedades de adsorción selectiva de las nanohojas de Pr2CuO4:una discusión del mecanismo Efecto del nano-SiO2 en la expresión y metilación aberrante de genes impresos en pulmones y testículos