以分子束磊晶法在砷化鎵基板上成長1.3 μm砷化銦/砷化銦鎵量子點與雷射

Growth of GaAs-based 1.3 μm InAs/InGaAs Quantum Dots and Lasers by Molecular Beam Epitaxy

張福裕(Fu-Yu Chang)

指導教授 ： 林浩雄

國立臺灣大學/電機資訊學院/電機工程學研究所/博士(2004年)

https://doi.org/10.6342/NTU.2004.02446

摘要

在本篇論文中，我們分別以氣態源分子束磊晶法和固態源分子束磊晶法研究在砷化鎵基板上成長長波長砷化銦/砷化銦鎵量子點及量子點雷射。
首先，我們以氣態源分子束磊晶法在(100)指向的砷化鎵基板上，有系統地研究成長放光波長為1.3 μm的量子點。我們發現以V/III比為2成長的砷化銦量子點，擁有最好的光學與表面結構特性。在砷化銦量子點上成長砷化銦鎵帽層，可使量子點放光紅移，同時放光強度會增強且半高寬會變窄。另外，砷化銦量子點的成長條件會嚴重影響砷化銦/砷化銦鎵量子點的品質。我們藉由不同的成長方法成長砷化銦鎵帽層，可在對放光強度影響不大的情況下，將砷化銦/砷化銦鎵量子點密度控制在2.3 × 1010到 1.7 × 1011 cm-2的範圍，且成功地成長出發光波長為1.32 μm、密度高達7.6 × 1010 cm-2的量子點。此外，我們結合在基板溫度530oC成長之砷化銦和以次原子層沈積法成長砷化銦鎵帽層的方法，成長出放光波長為1292 nm的高品質量子點，其光激螢光的半高寬為26 meV，量子點密度為4.5 × 1010 cm-2。
其次，我們以氣態源分子束磊晶法成長不含鋁之多層砷化銦/砷化銦鎵量子點雷射結構，並探討不同長晶方法對於量子點雷射特性的影響。以次原子層遷移強化法成長砷化銦鎵帽層，因單層量子點密度僅為2.3 × 1010 cm-2，即使使用4層的砷化銦/砷化銦鎵量子點雷射結構，雷射亦無法在基態達到起振。以傳統分子束磊晶法成長砷化銦鎵帽層，由於單層量子點密度高達1.7 × 1011 cm-2，故2層的砷化銦/砷化銦鎵量子點雷射在共振腔長度為1.5 mm時仍可達到基態起振；但以傳統分子束磊晶法成長高成分的砷化銦鎵帽層可能會有缺陷伴隨產生，而使起振電流密度高達5.3 KA/cm2。而使用次原子層沈積法成長砷化銦鎵帽層，則可同時兼顧高量子點密度與量子點的品質，使得量子點雷射能夠達到基態起振。3層的SMD量子點雷射在共振腔長度為3.96 mm時，其雷射起振放光波長為1305 nm，起振電流密度為360 A/cm2。最後，我們以結合高溫成長的砷化銦和次原子層沈積法成長的砷化銦鎵，獲得高均勻度的量子點，並製作出起振放光波長為1296 nm，起振電流密度為111 A/cm2的量子點雷射，據我們所知，這是目前成長在砷化鎵基板上不含鋁的1.3 μm雷射最低的起振電流密度值。
最後，我們以在氣態源分子束磊晶機研究得到之量子點磊晶方法，成功地應用在固態源分子束磊晶機上，並得到特性相當好的量子點雷射。首先，我們研究砷化銦鎵厚度對於砷化銦/砷化銦鎵量子點的影響。並發現覆蓋6.0 ML砷化銦鎵的砷化銦/砷化銦鎵量子點因無額外的缺陷產生，使得其量子點發光效率最好。以此長晶條件成長的3層砷化銦/砷化銦鎵量子點雷射，在共振腔長度為2.54 mm時，其起振電流密度為124 A/cm2，雷射起振放光波長為1212 nm。此量子點雷射之內部量子效率、外部量子效率內部損失、基態飽和增益和特徵溫度分別為74 %、59 %、2.5 cm-1、23.0 cm-1和59 K。

關鍵字

量子點 ； 分子束磊晶

並列摘要

In this disseration, high quality 1300 nm InAs/InGaAs quantum dots (QDs) and QD lasers grown by gas-source molecular-beam epitaxy (GSMBE) and solid-source molecular-beam epitaxy (SSMBE) were studied.
The growth condition for QDs with emission wavelength at 1.3 μm was systematically investigated by GSMBE on (100) GaAs substrates. InAs QDs grown at V/III ratio ~ 2 show the best structural and optical properties. After depositing InGaAs capping layer on top of the InAs QDs, the resultant InAs/InGaAs QDs have longer emission wavelength, stronger photoluminescence (PL) intensity, and narrower PL linewidth. It is also found that the growth condition of the InAs QDs could affect the quality of the InAs/InGaAs QDs significantly. With different deposition methods for the InGaAs capping layer, namely sub-monolayer migration-enhanced epitaxy (SMEE), sub-monolayer deposition (SMD) and traditional MBE deposition, the dot density of InAs/InGaAs QDs ranging from 2.3

並列關鍵字

molecular beam epitaxy ； quantum dot

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