Effects of growth orientation on the properties of strained semiconductor quantum well lasers

Abstract

ÖZET BÜYÜTME YÖNÜNÜN STRAIN UYGULANMIŞ YARIİLETKEN KUYU LAZERLERİNİN ÜZERİNDEKİ ETKİLERİ ODUNCUOGLU Murat Yüksek Lisans Tezi Fizik Mühendisliği Tez Danışmanı: Doç. Dr Beşire GÖNÜL Ocak 2000, 77 Sayfa Tezde yapılmış olan bu çalışma birim uzama-kısalmanm ve kristalin büyütme yönünün kuantum kuyu lazerinin bant yapısını nasıl etkilediğini araştırır. Bu çalışma; etkin kütlenin, birim uzama kısalmanın yol açtığı bant kıyısındaki değişikliğin, yasak bant aralığındaki değişimin ve yayılma dalga boyunun büyütme yönüne bağlı olan değişimin daha iyi anlaşılmasını sağlar. Kuyu içerisine hapsolmuş izinli enerji seviyeleri; kuyu derinliği, genişliği, kristalin büyütme yönü, piezoelektrik alanı, izinli ve izinsiz geçişlerde geçiş şiddeti göz önüne alınarak detaylı bir şekilde hesaplandı.Ters dönme simetrisine sahip olmayan zinc-blende gibi kristaller (001) yönünden farklı bir yönde büyütüldüğünde ve bunlara strain uygulandığında bu yapılarda piezoelektrik alanı oluşur. Oluşan bu elektrik alanı kristalin elektronik yapısını ve optik özelliklerini değiştirir. Son zamanlarda böyle bir yapıya sahip kuantum kuyusunun entegre lazer olarak kullanılabileceği ileri sürüldü. Bu tür cihazların tasarımı lazerin kazanç materyalinin taşıyıcı ve akım yoğunluğunun araştırılmasını gerektirir. Daha önce yapılan çalışma maksimum kazancın piezoelektrik alanı ile azaldığını göstermiştir. Biz bu çalışmada bu azalışın hapsolmuş seviyelerin overlap integrallerinin, piezoelektrik alanı ile değişimini inceleyerek açıklamaya çalıştık. Anahtar Kelimeler: Kuantum kuyular, büyütme yönü, strain, kritik kalınlık, optik kazanç vı

ABSTRACT / EFFECTS OF GROWTH ORIENTATION ON THE PROPERTIES OF STRAINED SEMICONDUCTOR QUANTUM WELL LASERS ODUNCUOGLU Murat M. Sc in Physics Engineering Supervisor: Assoc. Prof. Dr Beşire GÖNÜL January 2000, 77 Pages The work described in this thesis investigates how strain and crystal orientation affect the band structure of quantum well lasers. The study provides a better understanding of the dependence of effective mass, strain-induced band-edge shift, change in the band-gaps and emission wavelengths on the substrate orientation. A detailed calculation of the confined states considering the effects of well width, substrate orientation, piezoelectric field, band-offsets, transition strengths of allowed and forbidden transitions was carried out. The lack of inversion symmetry in polar, zinc-blende crystals when grown on axes other than (001) leads to the formation of internal piezoelectric fields when such structures are strained. The built-in electric field modifies the electronic uistructure and optical properties of the crystal. Recently, it has been suggested that piezoelectric quantum well lasers operated under forward bias could be used in an integrated laser. Design of such devices requires a knowledge of the behaviour of the quantum well structure as a function of carrier and current densities. It has been shown previously that maximum gain reduces with increasing piezoelectric field. We explain the reductions of maximum gain in the presence of internal piezoelectric fields considering the overlaps between envelope functions of the confined states. Keywords: Quantum wells, growth orientation, strain, critical thickness, optical gain IV