Quantenpunktlaser

Geschichte des Quantenpunktlasers

Technologische Entwicklung

• 1985 Observation of InGaAs clusters in GaAsL. Goldstein, et al, Appl. Phys. Lett. 47(10), 1985 “Growth by molecular beam epitaxy and characterization of InAs/GaAs strained-layer superlattices”,.

• 1993 Bright PL intensity from such clustersD. Leonard et al Appl. Phys. Lett. 63(23), 1993

• 1994 First lasing with QD active mediumA.Yu.Egorov et al, Semiconductor 28, 1994N.Kirstaedter et al, Electron. Lett. 30, 1994

• 1998 1.3 m QD laser (Atomic Layer Epitaxy)D.L.Huffaker et al, Appl. Phys. Lett. 73(18), 1998

• 1999 1.3 m QD laser (Quantum dots in Quantum Well or DWELLTM)L.F.Lester et al Photon. Technol. Lett. 11(8), 1999A.R.Kovsh et al, Semiconductor, 1999 / Zhukov et al, Appl.Phys.Lett. 75, 1999

Quantum Dot start-ups• 2001 ZIA Lasers Ltd, Albuquerque, New Mexico, USA (22 mlo USD pumped in)

– team from University of New Mexico (Profs.Lester and Malloy)• 2003 NL Nanosemiconductor GmbH (5 mlo Euro pumped in)

– team from Ioffe Inst. (Prof.Ledentsov)• 2006 QDLasers, Joint venture Fujitsu and Mitsui, University of Tokyo, Prof. Arakawa

Aus:Alexey Kovsh, “Quantum Dot Lasers”Technological and Commercial ChallengesVortrag, Würzburg 2005

Dot.com Blase

Internet

CD/DVD

Dot.com Blase

Was ist so toll an Quantenpunktlasern?

1.3 µm Laser auf GaAs Substrat

SichtbaresLicht

Si1.3 m

1.5 m

0.8 m

Verspannung von 1.3 µm InGaAs Quantenfilmen auf GaAs-Substrat zu groß=> Defekte beim Wachstum => kein Laserbetrieb möglich

1.3 µm Laser auf GaAs Basis mit Quantenpunkten möglich

Schwellenstrom vs. Temperatur

InGaAs/AlGaAsQuantenfilmlaser

00 exp

TTjjth

Temperatur und QuasifermienergieVolumenmaterial Quantenfilm

T1

T2 >T2

EF wird bei steigender Temperatur kleiner => Schwelle steigt

Quasifermienergie im Quantenpunkt

Für genügend großen Abstand zwischen E0 und E1=> Keine thermische Anregung von Ladungsträgern möglich

Y. Arakawa and H. SakakiAppl. Phys. Lett. 40 pp. 939-941 (1982)

Schwellenstrom vs. Temperatur

a - Volumen (3D)

b - Quantenfilm (2D)

c - Quantendraht (1D)

d - Quantenpunkt (0D)

Schwelle im Magnetfeld

Y. Arakawa and H. SakakiAppl. Phys. Lett. 40 pp. 939-941 (1982)

Zusätzlicher Einschluss der Ladungsträger durch Magnetfeld erhöht T0

Technologie zur Herstellung von Quantenpunkten noch nicht verfügbar

Verstärkungsspektren

M. Asada et al. IEEE J. Quantum Electron. 22, pp. 1915-1921 (1986)

Identische Strukturen

Verbreiterung durch thermische Verteilung (3D, 2D, und 1D) und Lebensdauer der Zustände (100 fs)

Verstärkung und Stromdichte

Laserschwelle für Volumenmaterial, Q-Film, Q-Drähte und Q-Punkte

Unterschiedliche Materialverstärkung wegen Füllfaktor

Kleinste Schwelle für Quantenpunktlaser

Ideales ‚Quantenpunktensemble‘

=> emittiert Licht einer Wellenlänge

- Lichtwellenlänge größenabhängig- Licht einer Farbe aus mehreren Quantenpunkten erfordert extreme Kontrolle über Größe (± ein Atom !)→ bislang nicht möglich

Emission von idealen Quantenpunkten

Herstellung von Quantenpunkten

Lithographie und Ätzen von Quantenfilmen

Nasschemische geätzte InGaAs/InPQuantenpunkte

O. Schilling et al. Superlattices andMicrostructures 16, 261 (1994)

InP

Quantenfilm

InGaAs

InP

Quantenpunkt

Optische Spektroskopie

Verschiebung der Emission zu größeren Energie bei kleineren Strukturen=> Quantisierungseffekte

Lumineszenz wird breiter=> Quantenpunkte haben

unterschiedliche Größen

O. Schilling et al. Superlattices andMicrostructures 16, 261 (1994)

Quanten-film

Verschiedene Größen => Verbreiterung des Spektrums

- Schwankung der Größe um einigeProzent

- Inhomogene Verbreiterung

Emission von realen Quantenpunkten

Epitaktische Herstellung

3D-Wachstum wird bestimmt durch:

• Unterschiede in der Oberflächenenergie und Wachstumsdynamik• Totaler Energiegewinn = Oberflächenenergie - Verspannungsgewinn

Planares Wachstum(Frank v. d. Merve)

Esurf(substr.) > Esurf(film)

Inselwachstum(Volmer-Weber)

Esurf(substr.) < Esurf(film)

Metastabiles Wachstum(Stranski-Krastanov)

Esurf(substr.) Esurf(film)

Oberflächen-Energiedifferenz:

Esurf ~x2 (~Oberfläche)

Verspannungs-Energiediff.:

Erelax ~x3 (~ Volumen)

Energiebilanz:

= Oberflächenenergie = Elastizitätsmodul = Verspannungskoeff.

Inselwachstum: x > xcrit

Energiebetrachtung

island size x

Selbstorganisiertes QP-Wachstum

In

GaAs

As

Benetzungsschicht

In As

Selbstorganisation tritt spontan während des Wachstums auf

Inselwachstum

Quantenpunkt

• Formation von atom-ähnlichen Inseln (d 20 nm) wegen Energieminimierung(Benetzungsschichtdicke: 1.7 ML für InAs)

• Effekt ansatzweise vergleichbar mit Bildung von Wassertropfen auf Glasplatte, aber auf atomarer Skala

In(Ga)As Quanten-Dashes auf InP

In(Ga)As Quantenpunkteauf GaAs

Quantum Dots und Dashes

Quantum Dashes

• Ursache für Quanten-Dash Wachstum:Unterschiedliche Oberflächenrekonstruktion für unterschiedliche Kristallrichtungen aufgrund von As-Dimer-Bildung unterschiedliche Verspannungszustände

• Bildung begünstigt bei GSMBE-Wachstumsbedingungen (Temperatur, Materialflüsse)

TEM Bild InAs/GaAs Quantenpunkt

Benetzungsschicht (wetting layer)

In Segregation ?

100 nm

Referenz

1,25 1,30 1,35 1,40

Nor

m. I

nten

sitä

t

Energie [eV]

100 nm

200 nm

300 nm

Einzelquantenpunktlinien bei kleinen Mesen sichtbar

Spektroskopie einzelner Quantenpunkte

Aufbau Quantenpunktlaser

Q-Well- und Q-Dotlaser bei =1 µm

Quantenpunkte liefern bei kleinen Schwellenverstärkungen kleinere Schwellenstromdichten

Schwellenstromdichte für verschiedene Dimensionalitäten

Quantenpunktlaser bei =1.3 µm

Optische Übergänge in Quantenpunkten

Quantenpunkte sind keine idealen 0D-Strukturen!

gsat ~ max(DOS)~nQD /

Alexey Kovsh, “Quantum Dot Lasers”Technological and Commercial ChallengesVortrag, Würzburg 2005

Laser mit einer Q-Punktschicht

Elektrolumineszenzspektrum Schwelle und Wellenlänge als Funktion der Temperatur

Verstärkung einer QD-Schicht (=1.3 µm) reicht nicht für Laserbetrieb aus!

Verstärkungssättigung

Wellenlänge vs. Verluste

Sättigung der Verstärkung=> Laseremission auf anderen Übergängen

Schwelle vs. Verluste

Höhere Quantenpunktdichte

http://qdlaser.com‚New era of quantum dot lasers with evolution

history of semiconductor lasers‘ (2008)

Mehrere Quantenpunktschichten

Typischerweise 5-10 Quantenpunktschichten bei =1.3 µm Lasern

Modulationsdotierung

e≈80 meV>kT

h≈10 meV<kT

D.G. Deppe et al. IEEE J. Quantum Electron. 38, 1587 (2002)

Löcher sind auf mehrere Zustände im Valenzband verteilt=> Verbesserung von T0 durch p-Dotierung

T0 für dotierte Quantenpunkte

D.G. Deppe et al., IEEE J. Quantum Electron. 38, 1587 (2002)

P-Dotierung verbessert Laserschwelle und T0

Temperaturverhalten

Quantenpunktlaser zeigt nahezu temperaturunabhängige Schwelle http://qdlaser.com

Datenübertragung mit Quantenpunktlasern

Verstärkung eines Quantenfilm- und Quantenpunktlasers

Breiteres Verstärkungsspektrum aufgrund von inhomogener Verbreiterung

Einmodige Laser auf Quantenpunktbasis

Gitterperioden 189.8nm         193.4nm             196.0nm191.6nm         195.1nm,           197.8nm                          

Größenverteilung liefert breites Verstärkungsspektrum

260 1270 1280 1290 1300 1310 1320

wavelength (nm)-60

-40

-20

0

20in

tens

it y(d

B)

Laser mit Wellenlängen von 1.26 bis 1.31 µm auf einerSchichtstruktur

Verbreiterung der Verstärkung

Gray Lin et al. Opt. Express 20, 3941 (2012)

InAs Quantenpunkte in In0.15Ga0.85As Film

=> verkleinert Barrierenund Verspannung

=> Emission bei kleineren Energien

External cavity laser (ECL)

Littrow Konfiguration

- Beugungsgitter koppelt erste Ordnung in Laser zurück- Auskopplung aus Resonator über nullte Ordnung

Verstärkung & Schwellenstromdichte

Gray Lin et al. Opt. Express 20, 3941 (2012)

Laser läuft auf angeregtem Zustand für Verluste größer als 20 cm-1

Abstimmcharakteristik

Gray Lin et al. Opt. Express 20, 3941 (2012)

Zusammenfassung

- Quantenpunktlaser: 30 Jahre von der Idee bis zum Produkt

- Viele Vorhersagen trotz nicht-idealer Strukturen erfüllt(kleine Schwelle, Temperaturverhalten, ….)

- Nicht alle Vorteile vorhergesagt (1.3 µm Laser auf GaAs)

- Nutzung von ‚Dreckeffekten‘inhomogene Verbreiterung => weit abstimmbare Laser