Spontaneous and stimulated emission in InAs LEDs with cavity formed by gold anode and semiconductor/Air interface

Abstract

The paper presents results on spectral and power measurements in InAsSbP/InAs double heterostructure flip-chip LEDs with cavity formed by bottom anode mirror and air/semiconductor interface in the temperature range of 77-573 K. Data on near and far field patterns in the 3 µm range together with the threshold characteristincs of the L-I curves are discussed with respect to resonant cavity effects at 77-573 K and stimulated emission at 77 K in the direction perpendicular to the p-n junction.1 Introduction There has been remarkable progress in the performance of the mid-IR LEDs and diode lasers that can be used for optical methane and carbon dioxide detection in the 3.3-4.3 µm spectral band. Unfortunately the emission spectrum of the above diodes is strongly effected by the temperature change that is not appropriate for many applications. On the other hand creation of interaction of exited states and a microcavity whose planes are parallel to the p-n junction enables to achieve temperature insensitive wavelength position with subsequent increase of the output power. The corresponding resonant cavity LEDs (RC LEDs) and vertical cavity surface emitting lasers (VCSELs) are known for the near infrared spectral region while there are only few publications on electrically pumped RC LEDs [1,2] and optically pumped VCSELs [3] in the mid-IR 3-5 µm range. To the best of our knowledge there have been no report on electrically pumped III-V VCSELs operating in the 3 µm range.The report will describe resonant cavity features of emission of the electrically injected diodes in the 2.9-4.3 µm spectral range in the 77-573 K range with the output escaping perpendicular to the p-n junction in double heterostructure (DH) diodes with InAs active layer including measurements of stimulated emission at 77 K.

Электролюминесценция светодиодных гетероструктур InAs/InAs(Sb)/InAsSbP в диапазоне температур 4.2-300 K

“…Если говорить о структу-рах с активной областью из InAs, то, как уже отмечено выше, об аналогичном эффекте впервые сообщалось в [2]. Стимулированное излучение из более узкозонных по сравнению с InAs твердых растворов InAsSb до сих пор наблюдалось только в специально изготовленных лазерных структурах, в частности в структурах с по-лосковым резонатором и электронным ограничением за счет создания двойной гетероструктуры с симметричны-ми высокими барьерами (см., например, [7][8][9]).…”

“…Кроме того, было установлено, что для структур типа B при T = 77 K, когда наблюдалось стимулированное излучение, сигнал ЭЛ, собираемый с поверхности чипа (подложки InAs), на несколько порядков превышал сигнал, который регистрировался при измерении со сколов. Отсюда можно было сделать однозначный вывод о том, что оптический резонатор формировался перпендикулярно слоям гетерострукту-ры -вероятнее всего, между хорошо отшлифованной нижней гранью кристалла со сплошным золотым кон-тактом и верхней гранью, отполированной химически и образовывавшей границу раздела полупроводник/воздух, аналогично случаю, описанному в [2]. В этом случае для структур типа A плотность порогового тока при T = 4.2 K можно было оценить как j th ∼ 140 А/см 2 .…”

“…В этом случае оказывается возможным наблюдать эффекты, позволяющие более точно установить механизмы про-исходящих в структурах процессов. Так, например, во флип-чип светодиодах на основе двойных гетеро-структур InAsGaP/InAs/InAsGaP, выращенных на под-ложках из InAs и излучавших при рабочей темпе-ратуре T = 300 K на длине волны λ = 3.4 мкм, при охлаждении до T = 77 K ранее наблюдался эффект воз-никновения стимулированного излучения c пиком при λ = 3.0 мкм [2]. Такой же эффект при T = 77 K недавно наблюдался нами для более узкозонных структур с активной областью из InAsSb, также выращенных на подложке из InAs.…”

Spectral characteristics of mid-infrared light-emitting diodes based on InAs(Sb,P)

“…Аналогичный эффект, по-видимому, имел место и для гетерост-руктур второй группы InAs/InAsSb/InAsSbP, но здесь он был выражен сильнее из-за более узкой запре-щенной зоны активной области и проявлялся уже при комнатной температуре. Что касается наблюдения в структурах InAs/InAsSb/InAsSbP стимулированного излучения, то аналогичный эффект впервые наблю-дался при 77 К во флип-чип светодиодах с активной областью из n-InAs [14]. Исследованные в работе [14] гетероструктуры были в целом аналогичны структурам, изучавшимся в настоящей работе.…”

“…Что касается наблюдения в структурах InAs/InAsSb/InAsSbP стимулированного излучения, то аналогичный эффект впервые наблю-дался при 77 К во флип-чип светодиодах с активной областью из n-InAs [14]. Исследованные в работе [14] гетероструктуры были в целом аналогичны структурам, изучавшимся в настоящей работе. Наблюде-ние стимулированного излучения в структурах, описанных в [14], приписывалось формированию резона-тора Фабри-Перо, расположенного перпендикулярно p-n-переходу и образованного границами раздела «полупроводник/воздух», c одной стороны, и «полупроводник/контактный металл», с другой стороны.…”