Elektronika 2009-05.pdf - Instytut Systemów Elektronicznych ...

laserowym E2 oraz depopulacji stanu E2 z jednoczesnąemisją fononu optycznego (fononu LO) [2]. Istotna jest takżeodpowiednia efektywność tunelowania pomiędzy poszczególnymiobszarami kaskady. Czas życia elektronów na poziomiewzbudzonym (pompowanym) oraz macierzowy element przejściamają wartości, odpowiednio τ 3 = 1,4 ps i z 32 = 1,71 nm.Czas depopulacji stanu podstawowego to τ 2-1 ~0,3 ps [1]. Powyższedane dotyczą stanu polaryzacji zewnętrznej 48 kV/cm,czyli dla przewidywanego progu laserowania.Obszar aktywny lasera wbudowany jest w obszar podwójnegofalowodu plazmonowego (ang. double-plasmon),który zbudowany jest z GaAs o odpowiednim profilu domieszkitypu n [3]. Rdzeń falowodu jest domieszkowany krzememna poziomie n v = 4•10 16 cm -3 , natomiast jego płaszcz(ang. cladding) zawiera domieszkę krzemową o maksymalniewysokiej koncentracji nie powodującej jeszcze zjawiska autokompensacji,tj. n v = 6•10 18 cm -3 . Taki profil domieszkowaniazapewnia skok współczynnika załamania na granicach falowodu∆n ≈ 1.Zasada działania lasera kaskadowego nakłada na heterostrukturyepitaksjalne oraz na technologię ich wykonaniaścisłe wymagania precyzji. Odnoszą się one zarówno dodokładności realizacji założonej konstrukcji i - co za tym idzie- jednorodności struktury w obszarze płytki epitaksjalnej, jakrównież do powtarzalności technologii osadzania z procesuna proces. Krytyczna dla działania lasera, ze względu na koniecznośćuzyskania wymaganych czasów życia i prawdopodobieństwaprzejść jest wysoka zgodność geometrii pasmaprzewodnictwa obszaru aktywnego z teoretycznymizałożeniami konstrukcyjnymi. Geometrię tę determinują grubościi składy warstw. To zagadnienie technologiczne jest przytym komplikowane, ponieważ liczba docelowo identycznychperiodów (modułów) budujących ten obszar jest znaczna, zazwyczajrzędu 10 1 - 10 2 . Bardzo istotnym zagadnieniem,wpływającym na szanse uzyskania efektywnego wzmocnieniajest także koncentracja domieszki wprowadzonej do obszarówiniektorowych [4,5], a ze wzrostem domieszkowaniamożna bowiem oczekiwać wzrostu gęstości prądu progowego.Jednocześnie jednak rośnie gęstość prądu nasycenia,tj. prądu dla którego polaryzowana struktura wchodzi w obszarlokalnego wzrostu rezystancji różniczkowej: stan tenzwiązany jest z zanikiem odpowiedniego ułożenia poziomówkwantowych, warunkującego efektywną iniekcję nośników domodułu laserowego. Tym samym, w przypadku np. istnieniawysokich strat w falowodzie, powodujących podwyższeniewarunku progowego, zmniejsza się szansa na laserowaniedla niskodomieszkowanych obszarów aktywnych.Technologia MBE i właściwości strukturepitaksjalnychRys. 1. Schemat heterostruktury lasera QCL wykonanego w ITEFig. 1. A scheme of the heterostructure of QCL made in the ITEStruktury laserowe wykonano z zastosowaniem technologiiepitaksji z wiązek molekularnych MBE (ang. Molecular BeamEpitaxy) w urządzeniu Riber Compact 21T (rys. 2), używającstałych źródeł pierwiastkowych SS (ang. Solid Sources).Wiązki molekularne pierwiastków grupy III były emitowane zestandardowych komórek efuzyjnych ABN 80 DF (Double Filament),z zastosowaniem ultraczystych metali Al 6,5N i Ga7N. Arsen emitowany był w postaci molekuł As 4 z komórki krakingowejz zaworem. Heterostruktury osadzano na podłożachGaAs n+, dostarczonych przez firmę AXT, Inc.Temperaturę powierzchni kryształu (T s ) podczas wzrostustruktur kontrolowano za pomocą pirometru, utrzymując stałąwartość 580°C. Procesy epitaksji wykonywano automatyczniez zastosowaniem procedur komputerowych, w ramachktórych profile temperatur komórek efuzyjnych oraz podłożarealizowano za pomocą systemu termopar i kontrolerów Eurotherm.Stosunek strumieni molekularnych V/III (mierzonyjako stosunek wartości BEPs - Beam Equivalent Pressures)dla wszystkich warstw miał wartość nie niższą niż 35. Tymsamym na powierzchni GaAs utrzymywano rekonstrukcję2x4. Obszar aktywny osadzano w sposób ciągły, tzn. bez zatrzymywaniawzrostu pomiędzy epitaksją poszczególnychwarstw materiału. Stąd też jedyną komórką efuzyjną otwieranąi zamykaną podczas procesu epitaksji, była komórka Al,generująca strumień pozwalający uzyskać szybkość wzrostuAlAs równą V AlAs = 0,39 ML/s. Natomiast strumień galu pozostawałstały, co odpowiadało stałej szybkości wzrostuV GaAs = GaAs (0,5 ML/s). Czystość środowiska epitaksji kontrolowanoza pomocą spektrometru masowego oraz próżniomierzajonizacyjnego Bayarda-Alperta.Rys. 2. Urządzenie do epitaksji z wiązek molekularnych MBE, RiberCompact 21T (ITE)Fig. 2. Riber Compact 21T - the MBE machine (ITE)44 ELEKTRONIKA 5/2009