Vergleich von MBE-gewachsenen Quantenpunkten und Quantenfilmen für Laseranwendungen im Materialsystem GaInP

Abstract

Halbleiterlaserdioden mit Emissionswellenlängen im sichtbaren roten Bereich sind für optische Kommunikationssysteme von großem Interesse. In der Literatur wurde in den letzten Jahren viel über AlGaInP Quantenfilm (QF)-Laser berichtet. Ein alternativer Ansatz zur Herstellung von Lasern basiert auf selbstord-nenden InP-Quantenpunkten (QP) auf Ga0,52In0,48P, das heteroepitaktisch auf GaAs-Wafern abgeschieden werden kann.

In dieser Arbeit wird ein InP-QP-Laser mit einem kompressiv verspannten GaInP-QF-Laser verglichen. Beide Laser wurden unter denselben Wachstumsbedingungen in einer MBE-Maschine hergestellt und emittieren auf fast derselben Wellenlänge. Die ver-gleichende Studie beschäftigt sich u.a. mit der Temperaturabhängigkeit der Schwell-stromdichte, der Quantenausbeute und mit der spektralen optischen Verstärkung. Beide Diodenstrukturen zeigen Lasertätigkeit aus dem Grundzustand mit einer Wel-lenlänge von l = 732 nm für den QP-Laser und 741 nm für den QF-Laser bei Raumtem-peratur. Nur der QP-Laser zeigt bei Temperaturen T < 200 K Lasertätigkeit aus einem angeregten Niveau. Diese Beobachtung gibt Aufschluss über die thermisch induzierten Kopplungsmechanismen der Ladungsträger in den QP und im QF mit der Benetzungs-schicht und dem Wellenleiter.

Der zweite Teil der Arbeit beschäftigt sich mit Ordnungsphänomenen des Wellenlei-termaterials GaInP und den sich daraus ergebenen Konsequenzen für die optischen Ei-genschaften der darin eingebetteten niederdimensionalen Strukturen. InP/GaInP QP haben eine anisotrope Form und emittieren polarisiertes Licht entlang ihrer Elongation in [1-10]-Richtung, während das von den QF emittierte Licht nahezu unpolarisiert ist. Es wird der Frage nachgegangen, inwiefern sich die Anisotropie des Wellenleitermaterials auf die geometrischen und optischen Eigenschaften der eingebette-ten QP und QF überträgt. Schließlich wird der Einfluss der Polarisation auf die Laserei-genschaften untersucht.

In this work the lasing characteristics of a threefold stack of InP quantum dots (QDs) and a compressively strained GaInP quantum well (QW) laser diode are compared. The laser diodes were grown under the same epitaxial conditions in the same molecular beam epitaxy (MBE) machine. They consist of the same epitaxial structure except the optical active region and they emit at nearly the same wavelength. The study of the QD and QW laser properties allows information on the fundamentally different charge carrier population mechanisms to be ob-tained.

For a threefold stacked InP QD laserdiode, stimulated emission occurs via the ground state at l = 732 nm for cavities as short as 0.5 mm at RT. Threshold current densities of 1.8 kA/cm2 as lowest value and external differential quantum efficiencies of hext = 21.5 % have been measured for 2 mm long devices. Maximum light output power as high as 250 mW without saturation effects can be reached in pulsed excitation with a cycle of 1:100. A laser diode based on a single compressively strained Ga0.3In0.7P QW which has a threshold current density of 3.9 kA/cm2 at a wavelength of l = 741 nm shows lasing from the ground state for every temperature from 50-300 K, whereas the QD laser diode shows lasing from excited states at low temperatures and changes to ground state lasing for T > 200 K. We attribute this effect to an nonequilibrium population of the QDs at low temperatures whereas at higher temperatures thermal coupling of charge carriers provides effective filling of those dots with low ground state energies. To compare more laser properties of the two laser diodes, we measured the optical gain spectra at T = 120 K. The total optical gain of the QW laser at a power excitation of P = 2.2 kW/cm2 is gmod = 21 cm-1, and for the QD laser for P = 1.8 kW/cm2 gmod = 37 cm-1. Although the two gain characteristics of the laser diodes are very similar, it is obvious that the QD laser shows the higher optical gain at T = 120 K, where the threshold current densities of both de-vices are comparable.

Self-assembled InP quantum dots, embedded in Ga0.52In0.48P and grown by solid source molecular beam epitaxy, exhibit strong structural and optical anisotropy. Photoluminescence measurements reveal that the quantum dots are elongated in [1-10] crystal direction and the optical transitions of both the dots and the surrounding GaInP material are preferred for light polarized along this direction. On the contrary, embedded compressively strained GaxIn1-xP quantum wells behave isotropic. The comparison of the optical gain of a strained GaxIn1-xP quantum well laser and a threefold stacked quantum dot laser in [110] and [1-10] directions (edge-emission) emphasizes this difference: whereas the gain of the quantum well laser shows no directional dependence, the quantum dot laser reveals significantly larger gain for light propagating perpendicular to the dot elongation. Thus, particular care has to be taken to align the cavities of InP/GaInP QD lasers in [110] direction. We conclude that despite many similarities of a QD and a QW laser diode characteristics in this material system, the QD laser has a smaller temperature sensitivity of the threshold current density, a smaller threshold current density at RT and a higher optical gain at 120 K compared to the QW laser. The improved QD laser characteristics is finally a consequence of the strong polarized edge emission, because, while the light output from the [110] facets for the QD laser diode is much higher than that in the orthogonal direction. The radiation charac-teristics of the QW laser is isotropic and therefore not especially amplified in one direction.