मध्य-अवरक्त InAs/InP क्वांटम-डॉट लेजर

InAs/InP QDs का अनुकूलन

2 µm, 20 nm In से अधिक उत्सर्जित करने वाले InAs QDs प्राप्त करने के लिए_0.532गा_0.468चूँकि InP से मेल खाने वाली परत जाली को InAs QDs को सैंडविच करने के लिए नियोजित किया गया था, जिससे कम बैंड ऑफसेट के माध्यम से तरंग दैर्ध्य का विस्तार हुआ। इसके अलावा, विकास के प्रारंभिक चरण में इंडियम के अनिसोट्रोपिक प्रसार को दबाने के लिए विकास मापदंडों का चयन किया गया था। इनमें 0.42 मोनोलेयर (एमएल) s− की उच्च InAs वृद्धि दर शामिल है¹अस का उपयोग₂ अस के बजाय₄ QD वृद्धि के लिए, और 480 और 510 डिग्री सेल्सियस के बीच अपेक्षाकृत कम QD वृद्धि तापमान शासन। InP (001) सब्सट्रेट सतह पर, इंडियम प्रसार गुणांक की अनिसोट्रॉपी ([110]) और ([1bar{1}0]) विशिष्ट वृद्धि तापमान (~500 डिग्री सेल्सियस) पर दिशाओं को ~3 के कारक के रूप में जाना जाता है क्योंकि समूह III परमाणु दोनों दिशाओं में अलग-अलग संख्या में पार्श्व बंधन बनाता है।³⁰. इसलिए, यदि प्रसार प्रक्रिया को नियंत्रित नहीं किया गया तो लम्बी संरचनाओं की उम्मीद की जा सकती है। अपेक्षाकृत कम विकास तापमान के साथ उच्च जमाव दर, एडैटोम्स के सतह प्रवास को सीमित कर सकती है क्योंकि बड़ी मात्रा में एडैटोम्स की सतह पर चलने के लिए कम ऊर्जा होगी³¹. के रूप में उपयोग करना₂ As को क्रैक करने की प्रक्रिया को समाप्त कर देता है₄ सतह पर, स्थिर एज़-टर्मिनेटेड परमाणु चरण प्रदान करता है ([1bar{1}0]) दिशा और इस प्रकार इंडियम एडाटम माइग्रेशन एनिसोट्रॉपी को महत्वपूर्ण रूप से कम करना³². QD गठन के लिए इन प्रारंभिक विकास स्थितियों के आधार पर, InAs जमाव मोटाई, V/III अनुपात और विकास तापमान को 2 µm से अधिक उत्सर्जित होने वाले InAs/InP QDs का एहसास करने के लिए अनुकूलित किया गया था।

चित्र 1a QD विकास स्थितियों को अनुकूलित करने के लिए उपयोग की जाने वाली एकल-परत InAs/InP QD एपिटैक्सियल संरचना का एक योजनाबद्ध चित्रण प्रदर्शित करता है। सबसे पहले, 5.5, 6.5, 7.5, और 8.5 एमएल आईएनए को 485 डिग्री सेल्सियस के विकास तापमान और 18 के वी/III अनुपात पर उच्च-घनत्व, समान क्यूडी के लिए इष्टतम मोटाई निर्धारित करने के लिए जमा किया गया था। चित्र 1 बी 1 × 1 µm दिखाता है² विकसित InAs/InP QDs का परमाणु बल माइक्रोस्कोपी (AFM) स्कैन। कम घनत्व (9.70 × 10⁹सेमी⁻²) गोल आकार के QDs को शुरू में बड़े द्वि-आयामी (2-डी) विशेषताओं की उपस्थिति के साथ 5.5 एमएल पर बनाया गया था, जो अपर्याप्त तनाव संचय के साथ QDs के अपूर्ण गठन का संकेत है। कमजोर रूप से तनावपूर्ण InAs/InP सामग्री प्रणाली के लिए, कुल तनाव ऊर्जा को InAs और InGaAs परत के बीच एक इंटरफेशियल मिश्र धातु के गठन से आंशिक रूप से आराम दिया जा सकता है। नया इंटरफेशियल InGaAs मिश्र धातु, InAs की तुलना में कम तनाव उत्पन्न करता है, जिससे उच्च-घनत्व, गोल आकार के QDs का निर्माण और बढ़ जाता है।³³ . दूसरी ओर, InAs की मोटाई 6.5 और 7.5 ML तक बढ़ाने से 1.68 × 10 की डॉट घनत्व में उल्लेखनीय सुधार हुआ।¹⁰सेमी^-2और 1.72 × 10¹⁰ सेमी^-2 क्रमशः, और 2-डी सुविधाओं को बहुत कम कर दिया। हालाँकि, InAs की मोटाई को 8.5 एमएल तक बढ़ाने से डॉट घनत्व 1.50 × 10 कम हो गया।¹⁰सेमी^-2संयुक्त द्वीपों की संख्या में वृद्धि और आकार में गैर-एकरूपता के साथ। चित्र 1सी प्रत्येक संबंधित एएफएम छवि से निकाले गए डॉट-ऊंचाई हिस्टोग्राम प्रस्तुत करता है, जो एक स्पष्ट द्विमोडल आकार वितरण दिखाता है जिसे हल करने की आवश्यकता है। औसत ऊंचाई 5.5 एमएल पर 8.33 एनएम से बढ़कर 8.5 एमएल पर 12.94 एनएम हो जाती है। 7.5 एमएल नमूना 9.14 एनएम की औसत ऊंचाई और 3.32 एनएम के मानक विचलन के साथ न्यूनतम बिमोडल आकार वितरण प्रदर्शित करता है। चित्र 1d InAs मोटाई के एक फ़ंक्शन के रूप में गोल और दोषपूर्ण (2-डी सुविधा और/या सम्मिलित) डॉट घनत्व दोनों का सारांश प्रस्तुत करता है। InAs मोटाई बढ़ने के साथ दोषपूर्ण डॉट घनत्व कम हो जाता है, न्यूनतम 1.60 × 10 तक पहुँच जाता है⁹ सेमी^-2 फिर से 2.5 × 10 तक बढ़ने से पहले 7.5 एमएल पर⁹ सेमी^-28.5 एमएल पर.

ए इन द्वारा सैंडविच की गई सिंगल-लेयर InAs/InP QDs की योजनाबद्ध एपिटेक्सी संरचना_0.532गा_0.468अवरोधक परतों के रूप में. बी 5.5 से 8.5 एमएल तक विभिन्न आईएनए जमाव मोटाई के लिए अनकैप्ड आईएनए क्यूडी की एएफएम छवियां। सी InAs QD की ऊंचाई का हिस्टोग्राम 5.5 से 8.5 एमएल तक है, जहां बिमोडल वितरण 7.5 एमएल पर न्यूनतम किया जाता है। डी InAs मोटाई के एक फ़ंक्शन के रूप में गोल-आकार और दोषपूर्ण (2-डी सुविधा और/या सम्मिलित) डॉट घनत्व

सिंगल-लेयर InAs/InP QDs के ऑप्टिकल लक्षण वर्णन के लिए, PL स्पेक्ट्रा को RT पर मापा गया, जैसा कि चित्र 2a में दिखाया गया है। जैसे-जैसे InAs की मोटाई बढ़ती है, उत्सर्जन शिखर तरंग दैर्ध्य 6.5, 7.5 और 8.5 ML नमूनों के साथ 2 μm (क्रमशः 2012, 2044 और 2092 एनएम) से अधिक उत्सर्जित होता है, जो चित्र 1c में प्रस्तुत बड़े डॉट आकार के अनुरूप है। 5.5, 6.5, और 7.5 एमएल नमूनों के लिए शिखर तीव्रता लगभग समान है जबकि 8.5 एमएल नमूने के लिए, पीएल तीव्रता काफी कम हो गई है। चित्र 2बी इन संरचनाओं से शिखर तरंग दैर्ध्य, एफडब्ल्यूएचएम और पीएल की एकीकृत तीव्रता का सारांश देता है। एफडब्ल्यूएचएम 5.5 एमएल पर 42.0 एमईवी से 7.5 एमएल पर न्यूनतम 40.9 एमईवी तक सीमित हो जाता है, फिर 8.5 एमएल पर 44.7 एमईवी तक विस्तृत हो जाता है, जो दर्शाता है कि 7.5 एमएल सबसे समान डॉट संयोजन प्रदान करता है। 5.5-7.5 एमएल के लिए एकीकृत पीएल तीव्रता लगभग स्थिर रहती है, 8.5 एमएल पर तेजी से गिरने से पहले 7.5 एमएल पर केवल छोटी कमी होती है, जो संचित तनाव-प्रेरित क्रिस्टलीय दोषों से बढ़े हुए गैर-विकिरणीय पुनर्संयोजन के कारण होता है।^34,35. ये 8.5 एमएल पर मोटी InAs परत से उत्पन्न होते हैं और अंतर्निहित InGaAs परत से प्रवासन में, लोचदार विश्राम सीमा से अधिक, पहले के अवलोकनों के अनुरूप हैं।^26,36 .

ए आरटी पर 5.5 से 8.5 एमएल तक विभिन्न आईएनए मोटाई के साथ सिंगल-लेयर आईएनए/आईएनपी क्यूडी का पीएल स्पेक्ट्रा। बी केंद्रीय शिखर उत्सर्जन तरंग दैर्ध्य, एफडब्ल्यूएचएम, और आईएनएएस मोटाई के एक समारोह के रूप में आईएनएएस/आईएनपी क्यूडी की एकीकृत पीएल तीव्रता का सारांश

डॉट आकृति विज्ञान को और अधिक अनुकूलित करने के लिए, V/III अनुपात और QD वृद्धि तापमान के प्रभाव की जांच की गई। 485 डिग्री सेल्सियस पर अनुकूलित 7.5 एमएल आईएनए के साथ 18, 27 और 36 के विभिन्न वी/III अनुपात के तहत उगाए गए सिंगल-लेयर आईएनए/आईएनपी क्यूडी की क्यूडी घनत्व, दोषपूर्ण डॉट घनत्व और क्यूडी माध्य ऊंचाई सहित रूपात्मक विशेषताओं को चित्र 3 ए में दिखाया गया है। 18 के वी/III अनुपात (पहले से अनुकूलित नमूना) के तहत नमूने की तुलना में, डॉट घनत्व 1.89 × 10 तक बढ़ जाता है¹⁰सेमी^-2 27 के V/III अनुपात के तहत नमूने के लिए, जबकि डॉट आकृति विज्ञान 1 × 1 μm द्वारा पुष्टि के अनुसार अपरिवर्तित रहता है²एएफएम छवियां (अनुपूरक चित्र। S1a)। हालाँकि, V/III अनुपात को 36 तक बढ़ाने से डॉट घनत्व 1.65 × 10 कम हो जाता है।¹⁰सेमी^-2और 2.7 × 10 के दोषपूर्ण डॉट घनत्व के साथ 2-डी सुविधाओं में वृद्धि हुई⁹सेमी^-2 . सभी अनुपातों के लिए औसत ऊंचाई स्थिर रही (9.14-9.30 एनएम), जबकि 27 के अनुपात ने सबसे समान डॉट वितरण हासिल किया, जिसमें कोई द्विरूपता नहीं दिखी (पूरक छवि एस1बी)। 27 के उन्नत V/III अनुपात द्वारा डॉट घनत्व में देखी गई वृद्धि को प्रचुर मात्रा में As द्वारा लाई गई बढ़ी हुई सतह प्रतिक्रिया दक्षता द्वारा समझाया जा सकता है।₂ आपूर्ति। इसके साथ ही, समृद्ध एज़ दबाव इंडियम एडैटोम्स के अनिसोट्रोपिक सतह प्रसार को और अधिक रोकता है, और अधिक समान डॉट संयोजन के गठन को बढ़ावा देता है। हालाँकि, इष्टतम V/III अनुपात विंडो से बाहर, यानी, हमारे मामले में 36, कम एडाटम गतिशीलता के कारण एकत्रित बिंदु उभरने लगते हैं। इसके अलावा, एएस की अधिकता से सामग्री और इंटरफ़ेस की गुणवत्ता खराब हो सकती है, जिससे ऑप्टिकल गुण ख़राब हो सकते हैं³⁷.

ए V/III अनुपात भिन्नता और बी विकास तापमान भिन्नता. QD घनत्व (नीले बिंदु) बाएँ अक्ष का उपयोग करता है; दोषपूर्ण बिंदु घनत्व (नारंगी बिंदु) और QDs की औसत ऊंचाई (ग्रे बार) सही अक्ष का उपयोग करें

चित्र 3बी 485, 495, और 505 डिग्री सेल्सियस पर अनुकूलित 7.5 एमएल इनए और 27 के वी/III अनुपात के साथ विकसित आईएनए/आईएनपी क्यूडी के रूपात्मक गुणों को दर्शाता है। 485 और 495 डिग्री सेल्सियस के लिए डॉट घनत्व लगभग स्थिर रहता है, जबकि दोषपूर्ण डॉट घनत्व 1.3 × 10 से 495 डिग्री सेल्सियस पर थोड़ा कम हो जाता है।⁹ सेमी^-2से 0.9 × 10⁹सेमी^-2 . इसके विपरीत, बिंदु घनत्व तेजी से घटकर 2.4 × 10 हो जाता है⁹सेमी^-2505 डिग्री सेल्सियस पर, और दोषपूर्ण बिंदु घनत्व 2.6 × 10 तक बढ़ जाता है⁹सेमी^-2. एएफएम छवियां आगे बताती हैं कि डॉट आकृति विज्ञान 485 और 495 डिग्री सेल्सियस के लिए समान रहता है, जबकि 505 डिग्री सेल्सियस के लिए चापलूसी और लम्बी डैश अलग-अलग बड़े, एकत्रित बिंदुओं (पूरक छवि एस 2 ए) के बीच प्रस्तुत किए जाते हैं। यह इंगित करता है कि इस तापमान पर, कम चिपकने वाला गुणांक और उच्च एडाटम गतिशीलता ने अनिसोट्रोपिक सतह प्रसार को बढ़ावा दिया, जिसके परिणामस्वरूप लम्बी संरचनाएं हुईं। इसके अलावा, शुरू में बने छोटे बिंदु एक पकने की प्रक्रिया के माध्यम से आसन्न बड़े बिंदुओं के साथ जुड़ते हैं, जो अंततः बड़े, स्थानिक रूप से विच्छेदित बिंदुओं को जन्म देते हैं। इसके अतिरिक्त, विकास तापमान में परिवर्तन के साथ बिंदु ऊंचाई में पर्याप्त भिन्नता देखी गई। जबकि 505 डिग्री सेल्सियस पर बढ़ी हुई डॉट ऊंचाई (~15.6 एनएम) लंबी उत्सर्जन तरंग दैर्ध्य और वाहकों के लिए एक गहरी कारावास क्षमता की सुविधा प्रदान करती है।³⁸ यह क्वांटम कारावास प्रभाव को भी कम करता है, ऑगर पुनर्संयोजन और थर्मल संवेदनशीलता के प्रति संवेदनशीलता बढ़ाता है³⁹. इसके अलावा, 505 डिग्री सेल्सियस पर व्यापक डॉट-ऊंचाई वितरण (अनुपूरक चित्र। एस2बी) महत्वपूर्ण अमानवीय लाभ को चौड़ा कर सकता है, चरम लाभ को कम कर सकता है और इस तरह थ्रेशोल्ड आवश्यकताओं को बढ़ा सकता है।²⁴ . इसके विपरीत, ~9 एनएम की ऊंचाई के साथ 495 डिग्री सेल्सियस पर उगाए गए डॉट्स, द्वि-मॉडलिटी के बिना एक संकीर्ण डॉट-ऊंचाई वितरण दिखाते हैं, मजबूत वाहक कारावास और उच्च ऑप्टिकल लाभ को बनाए रखते हुए पर्याप्त उत्सर्जन रेडशिफ्ट की पेशकश कर सकते हैं, जो लेज़िंग प्राप्त करने के लिए महत्वपूर्ण हैं।

अनुकूलित स्थितियों (7.5 एमएल आईएनए, 27 का वी/III अनुपात, और 495 डिग्री सेल्सियस का क्यूडी विकास तापमान) के आधार पर, दो पांच-स्टैक आईएनए/आईएनपी क्यूडी नमूने उगाए गए: एक संरचनात्मक/ऑप्टिकल लक्षण वर्णन के लिए समर्पित और दूसरा लेजर में निर्मित। दोनों संरचनाओं का विवरण विधि अनुभाग में वर्णित है। पांच-स्टैक InAs/InP QD संरचना को चिह्नित करने के लिए, PL और AFM किए गए। चित्र 4ए 42.4 एमईवी के संकीर्ण एफडब्ल्यूएचएम के साथ 2040 एनएम पर आरटी पीएल उत्सर्जन दिखाता है। पांच-स्टैक InAs/InP QD संरचना के लिए PL विशेषताएँ अनुकूलित सिंगल-लेयर InAs/InP QD संरचना के समान हैं। चित्र 4a का इनसेट 1 × 1 µm प्रदर्शित करता है²पांच-स्टैक InAs/InP QD संरचना के शीर्ष पर सतह QDs के लिए AFM स्कैन छवि, 1.83 × 10 के डॉट घनत्व की पुष्टि करता है¹⁰ सेमी^-2. पांच-स्टैक InAs/InP QD लेजर संरचना में QDs की गहन आकृति विज्ञान की पुष्टि दोनों में उच्च-कोण कुंडलाकार डार्क फील्ड (HAADF) STEM छवियों द्वारा की गई थी। ([110]) और ([1bar{1}0]) दिशाएँ, जैसा कि क्रमशः चित्र 4 बी, सी में दिखाया गया है। चूँकि HAADF छवि में कंट्रास्ट नमूना मोटाई और I के रूप में औसत परमाणु क्रमांक Z के समानुपाती होता है ∼ जेड^एन(एन= 1.4-1.8)⁴⁰InGaAs परतों में पिरामिड के आकार के द्वीप का उज्ज्वल कंट्रास्ट दोनों दिशाओं में InAs QDs के सफल गठन को दर्शाता है। पिरामिड के आकार के QDs और बफर परतों की नोक पर चमकीली रेखाएँ दोनों में HAADF छवियों में देखी जा सकती हैं ([110]) और ([1bar{1}0]) दिशानिर्देश, कैपिंग और एनीलिंग चरणों के दौरान प्रसार का संकेत देते हैं। बिंदुओं के ऊपर 10 एनएम InGaAs कैपिंग परत की वृद्धि के दौरान, बिंदुओं के शीर्ष पर उच्च तनाव के कारण InGaAs सबसे पहले बिंदुओं के बीच जमा होगा।⁴¹. जब सतह की ऊर्जा बराबर हो जाती है, तो InGaAs मैट्रिक्स की तुलना में छोटे जाली बेमेल के कारण InAs QDs के शीर्ष पर बढ़ने वाले परमाणुओं के साथ बिंदुओं के ऊपर विकास शुरू हो जाएगा।⁴²और शिथिल इनास द्वीपों में कम न्यूक्लियेशन ऊर्जा⁴³जिसके परिणामस्वरूप InAs QDs के ऊपर एक समृद्ध क्षेत्र बनता है। InAlGaAs वृद्धि में भी यही तंत्र चलता है। बाद के एनीलिंग चरण में, InAlGaAs परत से In का आंशिक अवशोषण होता है, साथ ही InAs QDs से सतह की ओर In प्रसार होता है, जो InAs QDs से ऊपर के क्षेत्रों जैसे In-समृद्ध क्षेत्रों की तुलना में InGaAs मैट्रिक्स में In की कम गतिशीलता का परिणाम है।⁴⁴ . यह बिंदुओं के ऊपर इंडियम-समृद्ध क्षेत्रों को और बढ़ाता है, जो चित्र 4 बी, सी में एचएएडीएफ छवियों में उज्ज्वल-विपरीत रेखाओं के रूप में दिखाई देता है। इस तरह का प्रसार QDs के पास स्थानीय संरचना और बैंड ऑफसेट को संशोधित करता है^43,45जो प्रभावी वाहक कारावास को कम कर सकता है। नीचे से ऊपर तक QD परतों तक, आकार में वृद्धि की स्पष्ट प्रवृत्ति देखी गई है। विशेष रूप से, नीचे से ऊपर तक प्रत्येक परत में InAs QD की औसत लंबाई 34.5, 41.4, 42.9, 51.2, और 54.2 एनएम है, और औसत ऊंचाई क्रमशः 6.1, 6.4, 6.6, 8.2 और 9.2 एनएम है, साथ ही डॉट घनत्व में कमी भी है। उच्च QD परतों पर बिंदु के आकार में वृद्धि और घनत्व में कमी को तनाव-युग्मन प्रभाव द्वारा समझाया जा सकता है, जो InAs/InP सामग्री प्रणाली में अपेक्षाकृत बड़े QD आकार से उत्पन्न होता है।^46,47 . उत्कृष्ट डॉट समरूपता बेहतर वाहक कारावास सुनिश्चित करती है और अमानवीय चौड़ीकरण को कम करती है, जो लेज़िंग के लिए आवश्यक उच्च लाभ प्राप्त करने के लिए महत्वपूर्ण है।

ए 2040 एनएम के केंद्रीय उत्सर्जन तरंग दैर्ध्य और 42.4 एमईवी के एफडब्ल्यूएचएम के साथ आरटी पर पांच-स्टैक आईएनए/आईएनपी क्यूडी संरचना का पीएल स्पेक्ट्रम। इनसेट अनकैप्ड पांच-स्टैक InAs/InP QDs की AFM छवि प्रस्तुत करता है। क्रॉस-सेक्शनल HAADF छवियां पांच-स्टैक InAs/InP QD लेजर संरचना में QD आकृति विज्ञान दिखाती हैं बी ([110]) और सी ([1bar{1}0]) दिशा-निर्देश

पांच-स्टैक InAs/InP QD लेज़रों का प्रदर्शन

चित्र 5a अनुकूलित पांच-स्टैक InAs/InP QDs से निर्मित एज-उत्सर्जक लेजर की एक क्रॉस-सेक्शनल स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (SEM) छवि दिखाता है। स्व-हीटिंग प्रभाव को कम करने के लिए निर्मित लेजर को स्पंदित इंजेक्शन (1% कर्तव्य चक्र, 1 μs पल्स चौड़ाई) के तहत चित्रित किया गया था। चित्र 5बी 15 माइक्रोन की गुहा चौड़ाई और 3 मिमी की लंबाई के साथ InAs/InP QD लेजर के लिए तापमान-निर्भर प्रकाश-वर्तमान (LI) वक्र प्रदर्शित करता है। डिवाइस ने निम्न स्तर हासिल किया जे_वां 589 ए सेमी का⁻² आरटी पर, के अनुरूप जे_वां प्रति परत 118 ए सेमी^-2और अधिकतम ऑपरेटिंग तापमान 50 डिग्री सेल्सियस। आरटी पर इस उपकरण की अधिकतम शक्ति 1250 एमए (पूरक छवि एस3ए) के इंजेक्शन करंट पर 8.5 मेगावाट प्रति पहलू मापी गई थी। चित्र 5सी में एक ग्राफ दर्शाया गया है जे_वां लघुगणकीय पैमाने में तापमान के फलन के रूप में भिन्नता। में बढ़ोतरी जे_वां1.96 kA सेमी तक^-250 डिग्री सेल्सियस पर, देखा गया। विशेषता तापमान (टी₀), तापमान पर निर्भरता का एक माप जे_वांकी गणना 27 K (चित्र 5c का इनसेट) के रूप में की गई थी। ध्यान दें कि तापमान संवेदनशीलता अपेक्षाकृत अधिक रहती है, जो 2 माइक्रोन तरंग दैर्ध्य और प्रक्रिया-प्रेरित गिरावट दोनों मूलभूत भौतिक सीमाओं से उत्पन्न होती है। पारंपरिक C-/L-बैंड InAs/InP QD लेज़रों की तुलना में, कम टी₀ लंबी-तरंगदैर्घ्य संचालन में निहित मूलभूत चुनौतियों से उत्पन्न होता है। 2 माइक्रोन उत्सर्जन के लिए आवश्यक बड़ा बिंदु आकार क्वांटम कारावास प्रभाव और संबंधित संक्रमण ऊर्जा को कम करता है, जिससे ऑगर पुनर्संयोजन दर में काफी वृद्धि होती है और थर्मल संवेदनशीलता बढ़ती है।⁴⁸जबकि मुक्त वाहक अवशोषण जो स्केल करता है एल²इस तरंग दैर्ध्य पर एक अधिक महत्वपूर्ण आंतरिक हानि तंत्र बन जाता है⁴⁹ . ये प्रभाव सामूहिक रूप से मध्य-अवरक्त QD लेजर की थर्मल स्थिरता पर एक मौलिक सीमा लगाते हैं। हालाँकि, टी₀ 27 K का मान InP-आधारित QW/QDash लेज़रों (अक्सर 35-50 K रेंज में) के लिए रिपोर्ट किए गए सामान्य मान से कम है। इस अतिरिक्त थर्मल गिरावट को वर्तमान डिवाइस में प्रक्रिया-प्रेरित कारकों के लिए जिम्मेदार ठहराया गया है। पी-इनपी क्लैडिंग परत का विषम पुनर्विकास उन दोषों का परिचय देता है जो कुशल शॉक्ले-रीड-हॉल पुनर्संयोजन केंद्र के रूप में कार्य करते हैं⁵⁰जबकि रासायनिक गीली नक़्क़ाशी द्वारा बनाई गई चौड़ी, उथली रिज वेवगाइड अवांछनीय वर्तमान प्रसार और उच्च-क्रम मोड प्रतिस्पर्धा में योगदान करती है, जिससे थ्रेशोल्ड करंट बढ़ जाता है (मैं_वां) और इस प्रकार गर्मी उत्पन्न होती है⁵¹ . इन मूलभूत सीमाओं और बाहरी निर्माण मुद्दों के बीच परस्पर क्रिया वर्तमान में QDs से अपेक्षित तापमान-असंवेदनशील व्यवहार को अस्पष्ट कर देती है।

ए एज़-क्लीव्ड फाइव-स्टैक InAs/InP QD लेज़रों की क्रॉस-अनुभागीय SEM छवि। बी 15 μm की गुहा चौड़ाई और 3 मिमी की लंबाई के साथ QD लेजर के लिए तापमान-निर्भर LI विशेषताएँ। सी जे_वां तापमान के कार्य के रूप में भिन्नता। इनसेट विशिष्ट तापमान प्रदर्शित करता है, टी₀. डी पहले रिपोर्ट की गई तुलना जे_वां 2-2.5 μm विंडो में उत्सर्जित होने वाले InP-आधारित QW और Qdash लेज़रों की प्रति परत

15 μm की कैविटी चौड़ाई और 1 से 3 मिमी तक की विभिन्न कैविटी लंबाई वाले डिवाइस के लिए RT LI विशेषताओं को भी मापा गया (पूरक चित्र। S3b)। जे_वां 1, 1.5, और 2 मिमी लंबाई वाले उपकरणों के लिए 993, 760, और 664 ए सेमी मापे गए^-2क्रमश। के आधार पर जे_वां विभिन्न गुहा लंबाई से मान, उलटा गुहा लंबाई बनाम जे_वां प्लॉट किया गया था, जिससे पारदर्शिता वर्तमान घनत्व (जे_{टी.आर.}) का 367.7 ए सेमी^-2के अनुरूप जे_{टी.आर.} प्रति परत 73.5 ए सेमी^-2निकाला गया (पूरक चित्र. S3c)। डिवाइस के प्रदर्शन का और अधिक मूल्यांकन करने के लिए, कैविटी-लंबाई-निर्भर माप से प्रमुख लेजर पैरामीटर निकाले गए। आंतरिक हानि (ए_मैं) और आंतरिक क्वांटम दक्षता (या_मैं) बाहरी अंतर क्वांटम दक्षता की निर्भरता से निकाले गए (या_डी) गुहा की लंबाई पर (पूरक चित्र। S3d)। इस डेटा के एक रैखिक फिट से एक परिणाम प्राप्त हुआ ए_मैं ~6.7 सेमी^-1और एक या_मैं 60% का. इसके अलावा, सामग्री अंतर लाभ (डीजी/डीएन) 8.05 × 10 होने का अनुमान लगाया गया था^-15सेमी²जहां कारावास कारक (सी= 0.03), क्यूडी भरण कारक (एक्स= 0.51), विकिरण जीवनकाल (टी_आर = 1 एनएस)⁵²और सक्रिय क्षेत्र की मोटाई सहित प्रयोगात्मक रूप से गणना किए गए मान (डी= 250 एनएम), या_मैं = 60%, और ए_मैं = 6.7 सेमी^-1प्रयोग किये गये।

चित्र 5डी आरटी का सारांश प्रस्तुत करता है जे_वां प्रति परत – सेमीकंडक्टर लेज़रों के लिए एक प्रमुख पैरामीटर – 2-2.5 μm विंडो में उत्सर्जित होने वाले मध्य-अवरक्त InP-आधारित QW और Qdash लेज़रों की, जैसा कि पिछले दो दशकों में विभिन्न समूहों द्वारा रिपोर्ट किया गया है^{10,11,53,54,55,56,57,58,59,60,61,62,63,64,65,66,67,68,69,70}. पर्याप्त प्रयासों के बावजूद, जे_वां पहले प्रदर्शन के बाद से QW और Qdash लेज़रों की प्रति परत में थोड़ा सुधार हुआ है। इसके विपरीत, यहां प्रदर्शित पहला मध्य-अवरक्त InP-आधारित QD लेजर निम्न स्तर प्राप्त करता है जे_वांप्रति परत, इसके QW और Qdash समकक्षों के लिए पहले बताए गए मानों को पार करते हुए और मध्य-अवरक्त अर्धचालक लेजर के लिए लाभ माध्यम के रूप में InAs/InP QDs के लाभ को प्रदर्शित करता है। एक निम्न के अलावा जे_वां~42 meV (चित्र 4ए) के आरटी पीएल एफडब्ल्यूएचएम से अनुमानित रूप से विस्तृत लाभ स्पेक्ट्रम, विशिष्ट InP-आधारित QW लेज़रों की तुलना में व्यापक लाभ बैंडविड्थ की क्षमता को इंगित करता है। तरंग दैर्ध्य ट्यूनिंग या लघु ऑप्टिकल दालों की पीढ़ी की आवश्यकता वाले अनुप्रयोगों के लिए यह आंतरिक संपत्ति अत्यधिक फायदेमंद है। इसके अलावा, जबकि टी₀इस प्रारंभिक उपकरण में वर्तमान में बाहरी कारकों द्वारा 27 K तक सीमित है, QDs में मौलिक वाहक कारावास परिपक्व निकट-अवरक्त QD लेज़रों में देखी गई बेहतर तापमान स्थिरता के लिए एक मार्ग प्रदान करता है।^71,72. हालाँकि 2 माइक्रोन पर प्रत्यक्ष जीवनकाल तुलना अभी तक साहित्य में उपलब्ध नहीं है, QD प्रणाली में दबा हुआ वाहक प्रसार और बढ़ी हुई दोष सहनशीलता QW/Qdash उपकरणों की तुलना में बेहतर विश्वसनीयता की संभावना का सुझाव देती है।⁷³. इसलिए, जबकि निम्न जे_वांयहां प्रदर्शित प्रति परत एक महत्वपूर्ण मील का पत्थर है, क्यूडी लाभ माध्यम बेहतर दक्षता, थर्मल स्थिरता और लाभ बैंडविड्थ के साथ मध्य-अवरक्त अर्धचालक लेजर प्राप्त करने के लिए एक आशाजनक मंच प्रदान करता है।

लेज़िंग तरंग दैर्ध्य पर तापमान के प्रभाव को चिह्नित करने के लिए, तापमान-प्रेरित तरंग दैर्ध्य बदलाव की जांच की गई। चित्र 6ए विभिन्न वर्तमान इंजेक्शनों के तहत आरटी पर लेज़िंग उत्सर्जन स्पेक्ट्रा प्रदर्शित करता है। 28.6 एनएम के एफडब्ल्यूएचएम के साथ 2013 एनएम पर केंद्रित एक व्यापक सहज उत्सर्जन 260 एमए (नीचे) के इंजेक्शन करंट पर देखा जाता है मैं_वां). 265 एमए के करीब एक इंजेक्शन करंट पर मैं_वां2017 एनएम पर चरम तीव्रता तेजी से बढ़ती है और एफडब्ल्यूएचएम 6.4 एनएम तक सीमित हो जाता है, जो लेज़िंग का प्रमाण प्रदान करता है। इसके अलावा इंजेक्शन करंट को बढ़ाकर 290 mA (1.1 ×) कर दें मैं_वां ), तीव्रता को 2018.4 एनएम पर लेज़िंग पीक तरंग दैर्ध्य और 7.4 एनएम के एफडब्ल्यूएचएम के साथ बढ़ाया जाता है। ध्यान दें कि कमजोर संकेतों के संग्रह को बढ़ाने के लिए लेज़िंग माप (0.5 मिमी) की तुलना में सहज उत्सर्जन माप के लिए एक व्यापक स्लिट चौड़ाई (2 मिमी) का उपयोग किया गया था, जिसके परिणामस्वरूप नीचे मजबूत सहज उत्सर्जन तीव्रता हुई। मैं_वां . देखा गया व्यापक, मल्टीमोड लेज़िंग स्पेक्ट्रम एक लंबी गुहा और एक व्यापक लाभ माध्यम के साथ फैब्री-पेरोट लेज़रों की एक विशेषता है। सबसे पहले, लंबी गुहा लंबाई (3 मिमी) के परिणामस्वरूप एक बहुत ही संकीर्ण मुक्त वर्णक्रमीय सीमा होती है। 2018 एनएम की लेज़िंग तरंग दैर्ध्य पर, अनुदैर्ध्य मोड रिक्ति की गणना केवल ~0.18 एनएम की जाती है। यह सघन मोड स्पेक्ट्रम कई अनुदैर्ध्य मोडों को QD समूह के विस्तृत, अमानवीय रूप से विस्तृत लाभ स्पेक्ट्रम के भीतर एक साथ दोलन करने की अनुमति देता है। दूसरा, इसके गैर-ऊर्ध्वाधर साइडवॉल के साथ उथला, गीला-नक्काशीदार चौड़ा रिज वेवगाइड कमजोर पार्श्व ऑप्टिकल कारावास प्रदान करता है, जो उच्च-क्रम अनुप्रस्थ मोड की उत्तेजना की अनुमति देता है। इन एकाधिक पार्श्व और अनुदैर्ध्य मोड के सुपरपोजिशन के परिणामस्वरूप व्यापक वर्णक्रमीय आउटपुट देखा गया। चित्र 6बी तापमान-निर्भर शिखर लेज़िंग तरंग दैर्ध्य बदलाव को प्रस्तुत करता है, जिसे 1.1 × के इंजेक्शन करंट पर मापा जाता है। मैं_वां . जैसे-जैसे तापमान बढ़ता है लेज़िंग शिखर लाल हो जाता है, 0.09 ± 0.018 एनएम K की एक छोटी तरंग दैर्ध्य शिफ्ट के साथ^-1. ध्यान दें कि 50 डिग्री सेल्सियस पर लेज़िंग शिखर की माप माप प्रणाली के रिज़ॉल्यूशन द्वारा बाधित थी। लेज़िंग की स्थानिक सुसंगतता की और पुष्टि करने के लिए, दूर-क्षेत्र विवर्तन पैटर्न को 8 × 3000 μm से मापा गया²बेहतर बीम गुणवत्ता वाला उपकरण, जिसकी LI विशेषता पुष्टि करती है मैं_वांअनुपूरक चित्र S4a में ~200 mA प्रदान किया गया है। के नीचे मैं_वां(150 एमए पर), दूर-क्षेत्र पैटर्न ने हस्तक्षेप सीमा के बिना केवल सहज उत्सर्जन प्रदर्शित किया (चित्र 6सी)। के ऊपरमैं_वां(250 एमए पर), अलग-अलग हस्तक्षेप फ्रिंज उभरे, जो सुसंगत लेज़िंग दोलन की शुरुआत का संकेत देते हैं (चित्र 6डी)। 450 एमए के उच्च इंजेक्शन करंट पर, पैटर्न ने अच्छी तरह से परिभाषित हस्तक्षेप सुविधाओं (छवि 6e) के साथ एक उज्ज्वल केंद्रीय लेज़िंग स्पॉट दिखाया।

ए पांच-स्टैक InAs/InP QD लेज़रों का RT लेज़िंग स्पेक्ट्रा (15 × 3000 µm)²) 260 एमए (नीचे) के इंजेक्शन धाराओं पर मैं_वां), 265 एमए (~मैं_वां), और 290 mA (1.1 ×मैं_वां). बी 1.1 × के इंजेक्शन करंट पर तापमान-निर्भर लेज़िंग तरंग दैर्ध्य बदलावमैं_वां. 8 × 3000 µm से प्राप्त सुदूर-क्षेत्र पैटर्न²के इंजेक्शन धाराओं पर उपकरण सी 150 एमए (नीचे)।मैं_वां), डी 250 एमए, और ई 450 एमए

आगे देखते हुए, 2 माइक्रोन InAs/InP QD लेजर प्रदर्शन को डिवाइस आर्किटेक्चर में अनुकूलन के माध्यम से बढ़ाया जा सकता है, जो थर्मल स्थिरता, आउटपुट पावर और वर्णक्रमीय नियंत्रण की परस्पर संबंधित चुनौतियों का समाधान करता है। आउटपुट पावर (8.5 मेगावाट/पहलू) और थर्मल संवेदनशीलता में वर्तमान सीमाएं (टी₀= 27 के) मुख्य रूप से थर्मल प्रभावों और वर्तमान निर्माण प्रक्रिया से बढ़े आंतरिक नुकसान से उत्पन्न होता है। महत्वपूर्ण सुधारों में शामिल हैं: (1) दोषपूर्ण पुनर्विकास इंटरफ़ेस को खत्म करने के लिए अखंड विकास प्रक्रिया, जिससे गैर-विकिरण संबंधी पुनर्संयोजन को कम किया जा सके; (2) उन्नत पार्श्व ऑप्टिकल कारावास और कम वर्तमान प्रसार के लिए गहरे-नक़्क़ाशीदार, संकीर्ण रिज वेवगाइड; और (3) 2 µm पर मुक्त वाहक अवशोषण से उत्पन्न होने वाले नुकसान को कम करते हुए अलग-अलग कारावास हेटरोस्ट्रक्चर को अनुकूलित किया गया। एकल-मोड संचालन और तरंग दैर्ध्य स्थिरता की आवश्यकता वाले व्यावहारिक अनुप्रयोगों के लिए, वितरित फीडबैक या वितरित ब्रैग रिफ्लेक्टर झंझरी का कार्यान्वयन आवश्यक है। यह व्यापक दृष्टिकोण-सामग्री की गुणवत्ता, वेवगाइड डिज़ाइन और कैविटी इंजीनियरिंग को शामिल करते हुए-आरटी पर उच्च-शक्ति, कुशल, निरंतर-तरंग संचालन की दिशा में एक स्पष्ट मार्ग प्रदान करता है, जो मध्य-अवरक्त अनुप्रयोगों के लिए InAs/InP QD लेजर की पूरी क्षमता को अनलॉक करने के लिए महत्वपूर्ण है।