We report on a III-nitride vertical-cavity surface-emitting laser (VCSEL) with a III-nitride tunnel junction (TJ) intracavity contact. The violet nonpolar VCSEL employing the TJ is compared to an equivalent VCSEL with a tin-doped indium oxide (ITO) intracavity contact. The TJ VCSEL shows a threshold current density (Jth) of ∼3.5 kA/cm2, compared to the ITO VCSEL Jth of 8 kA/cm2. The differential efficiency of the TJ VCSEL is also observed to be significantly higher than that of the ITO VCSEL, reaching a peak power of ∼550 μW, compared to ∼80 μW for the ITO VCSEL. Both VCSELs display filamentary lasing in the current aperture, which we believe to be predominantly a result of local variations in contact resistance, which may induce local variations in refractive index and free carrier absorption. Beyond the analyses of the lasing characteristics, we discuss the molecular-beam epitaxy (MBE) regrowth of the TJ, as well as its unexpected performance based on band-diagram simulations. Furthermore, we investigate the intrinsic advantages of using a TJ intracavity contact in a VCSEL using a 1D mode profile analysis to approximate the threshold modal gain and general loss contributions in the TJ and ITO VCSEL.
References
1.
2.
3.
K. L.
Lear
and A. N.
Al-Omari
, Proc. SPIE
6484
, 64840
J (2007
).4.
D. K.
Serkland
, K. M.
Geib
, G. M.
Peake
, R.
Lutwak
, A.
Rashed
, M.
Varghese
, G.
Tepolt
, and M.
Prouty
, Proc. SPIE
6484
, 648406
(2007
).5.
M. J.
Miah
, A.
Al-Samaneh
, A.
Kern
, D.
Wahl
, P.
Debernardi
, and R.
Michalzik
, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron.
19
, 1701410
(2013
).6.
R.
Lutwak
, A.
Rashed
, M.
Varghese
, G.
Tepolt
, J.
Leblanc
, M.
Mescher
, C.
Stark
, D. K.
Serkland
, K. M.
Geib
, and G. M.
Peake
, in 39th Annu. Precise Time Time Interval Meet.
(The Institute of Navigation (ION)
, 2007
), pp. 269
–290
.7.
S.
Knappe
, V.
Shah
, P. D. D.
Schwindt
, L.
Hollberg
, J.
Kitching
, L. A.
Liew
, and J.
Moreland
, Appl. Phys. Lett.
85
, 1460
(2004
).8.
J. J. D.
McKendry
, D.
Massoubre
, S.
Zhang
, B. R.
Rae
, R. P.
Green
, E.
Gu
, R. K.
Henderson
, A. E.
Kelly
, and M. D.
Dawson
, J. Lightwave Technol.
30
, 61
(2012
).9.
J. J. D.
McKendry
, R. P.
Green
, A. E.
Kelly
, Z. G. Z.
Gong
, B.
Guilhabert
, D.
Massoubre
, E.
Gu
, and M. D.
Dawson
, IEEE Photonics Technol. Lett.
22
, 1346
(2010
).10.
T.-C.
Lu
, C.-C.
Kao
, H.-C.
Kuo
, G.-S.
Huang
, and S.-C.
Wang
, Appl. Phys. Lett.
92
, 141102
(2008
).11.
T.-C.
Lu
, J.-R.
Chen
, S.-W.
Chen
, H.-C.
Kuo
, C.-C.
Kuo
, C.-C.
Lee
, and S.-C.
Wang
, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron.
15
, 850
(2009
).12.
T.-C.
Lu
, S.-W.
Chen
, T.-T.
Wu
, P.-M.
Tu
, C.-K.
Chen
, C.-H.
Chen
, Z.-Y.
Li
, H.-C.
Kuo
, and S.-C.
Wang
, Appl. Phys. Lett.
97
, 071114
(2010
).13.
T.-C.
Lu
, T.-T.
Wu
, S.-W.
Chen
, P.-M.
Tu
, Z.-Y.
Li
, C.-K.
Chen
, C.-H.
Chen
, H.-C.
Kuo
, S.-C.
Wang
, H.-W.
Zan
, and C.-Y.
Chang
, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron.
17
, 1594
(2011
).14.
G.
Cosendey
, A.
Castiglia
, G.
Rossbach
, J.-F.
Carlin
, and N.
Grandjean
, Appl. Phys. Lett.
101
, 151113
(2012
).15.
J. T.
Leonard
, D. A.
Cohen
, B. P.
Yonkee
, R. M.
Farrell
, T.
Margalith
, S.
Lee
, S. P.
DenBaars
, J. S.
Speck
, and S.
Nakamura
, Appl. Phys. Lett.
107
, 011102
(2015
).16.
R.
Michalzik
, VCSELs: Fundamental, Technology and Applications of Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers
, 1st ed. (Springer
, Berlin, Heidelberg
, 2013
).17.
F. A.
Kish
and R. M.
Fletcher
, Semicond. Semimetals
48
, 149
–226
(1997
).18.
C. O.
Holder
, J. T.
Leonard
, R. M.
Farrell
, D. A.
Cohen
, B.
Yonkee
, J. S.
Speck
, S. P.
DenBaars
, S.
Nakamura
, and D. F.
Feezell
, Appl. Phys. Lett.
105
, 031111
(2014
).19.
C. O.
Holder
, J. S.
Speck
, S. P.
DenBaars
, S.
Nakamura
, and D.
Feezell
, Appl. Phys. Express
5
, 092104
(2012
).20.
J. T.
Leonard
, D. A.
Cohen
, B. P.
Yonkee
, R. M.
Farrell
, S. P.
Denbaars
, J. S.
Speck
, and S.
Nakamura
, “Smooth e-beam-deposited tin-doped indium oxide (ITO) for III-nitride vertical-cavity surface-emitting laser intracavity contacts,” J. Appl. Phys.
(unpublished).21.
A.
Hirai
, Z.
Jia
, M. C.
Schmidt
, R. M.
Farrell
, S. P.
DenBaars
, S.
Nakamura
, J. S.
Speck
, and K.
Fujito
, Appl. Phys. Lett.
91
, 191906
(2007
).22.
R. M.
Farrell
, D. A.
Haeger
, X.
Chen
, C. S.
Gallinat
, R. W.
Davis
, M.
Cornish
, K.
Fujito
, S.
Keller
, S. P.
DenBaars
, S.
Nakamura
, and J. S.
Speck
, Appl. Phys. Lett.
96
, 231907
(2010
).23.
M.
Diagne
, Y.
He
, H.
Zhou
, E.
Makarona
, A. V.
Nurmikko
, J.
Han
, T.
Takeuchi
, and M.
Krames
, Phys. Status Solidi
188
, 105
(2001
).24.
S. R.
Jeon
, Y. H.
Song
, H. J.
Jang
, G. M.
Yang
, S. W.
Hwang
, and S. J.
Son
, Appl. Phys. Lett.
78
, 3265
(2001
).25.
I.
Ozden
, E.
Makarona
, a. V.
Nurmikko
, T.
Takeuchi
, and M.
Krames
, Appl. Phys. Lett.
79
, 2532
(2001
).26.
T.
Takeuchi
, G.
Hasnain
, S.
Corzine
, M.
Hueschen
, R. P.
Schneider
, Jr., C.
Kocot
, M.
Blomqvist
, Y.
Chang
, D.
Lefforge
, M. R.
Krames
, L. W.
Cook
, and S. A.
Stockman
, Jpn. J. Appl. Phys.
40
, 861
(2001
).27.
M.
Diagne
, Y.
He
, H.
Zhou
, E.
Makarona
, a. V.
Nurmikko
, J.
Han
, K. E.
Waldrip
, J. J.
Figiel
, T.
Takeuchi
, and M.
Krames
, Appl. Phys. Lett.
79
, 3720
(2001
).28.
S.
Krishnamoorthy
, F.
Akyol
, and S.
Rajan
, Appl. Phys. Lett.
105
, 141104
(2014
).29.
Z. H.
Zhang
, S.
Tiam Tan
, Z.
Kyaw
, Y.
Ji
, W.
Liu
, Z.
Ju
, N.
Hasanov
, X.
Wei Sun
, and H.
Volkan Demir
, Appl. Phys. Lett.
102
, 193508
(2013
).30.
S.
Krishnamoorthy
, T. F.
Kent
, J.
Yang
, P. S.
Park
, R. C.
Myers
, and S.
Rajan
, Nano Lett.
13
, 2570
(2013
).31.
Y.
Higuchi
, K.
Omae
, H.
Matsumura
, and T.
Mukai
, Appl. Phys. Express
1
, 121102
(2008
).32.
K.
Omae
, Y.
Higuchi
, K.
Nakagawa
, H.
Matsumura
, and T.
Mukai
, Appl. Phys. Express
2
, 052101
(2009
).33.
D.
Kasahara
, D.
Morita
, T.
Kosugi
, K.
Nakagawa
, J.
Kawamata
, Y.
Higuchi
, H.
Matsumura
, and T.
Mukai
, Appl. Phys. Express
4
, 072103
(2011
).34.
T.
Onishi
, O.
Imafuji
, K.
Nagamatsu
, M.
Kawaguchi
, K.
Yamanaka
, and S.
Takigawa
, IEEE J. Quantum Electron.
48
, 1107
(2012
).35.
S.
Fritze
, A.
Dadgar
, H.
Witte
, M.
Bügler
, A.
Rohrbeck
, J.
Bläsing
, A.
Hoffmann
, and A.
Krost
, Appl. Phys. Lett.
100
, 122104
(2012
).36.
Y.
Kuwano
, M.
Kaga
, T.
Morita
, K.
Yamashita
, K.
Yagi
, M.
Iwaya
, T.
Takeuchi
, S.
Kamiyama
, and I.
Akasaki
, Jpn. J. Appl. Phys.
52
, 08JK12
(2013
).37.
J.
Simon
, Z.
Zhang
, K.
Goodman
, H.
Xing
, T.
Kosel
, P.
Fay
, and D.
Jena
, Phys. Rev. Lett.
103
, 026801
(2009
).38.
STR Gr. (
2015
).39.
X. a.
Cao
, E. B.
Stokes
, P. M.
Sandvik
, S. F.
LeBoeuf
, J.
Kretchmer
, and D.
Walker
, IEEE Electron Device Lett.
23
, 535
(2002
).40.
J. B.
Fedison
, T. P.
Chow
, H.
Lu
, and I. B.
Bhat
, Appl. Phys. Lett.
72
, 2841
(1998
).41.
K.
Sakowski
, L.
Marcinkowski
, S.
Krukowski
, S.
Grzanka
, and E.
Litwin-Staszewska
, J. Appl. Phys.
111
, 123115
(2012
).42.
T. P.
Chow
and M.
Ghezzo
, in III-Nitride, SiC, and Diamond Materials For Electronic Devices
, edited by D. K.
Gaskill
, C. D.
Brandt
, and R. J.
Nemanich
(Mater. Res. Soc. Proc.
, 1996
), Vol. 423, pp. 69
–73
.43.
R. M.
Farrell
, D. A.
Haeger
, P. S.
Hsu
, K.
Fujito
, D. F.
Feezell
, S. P.
Denbaars
, J. S.
Speck
, and S.
Nakamura
, Appl. Phys. Lett.
99
, 171115
(2011
).44.
R. M.
Farrell
, Growth, Fabrication, and Characterization of Continuous-Wave AlGaN-Cladding-Free M-Plane InGaN/GaN Laser Diodes
(University of California
, Santa Barbara
, 2010
).45.
L. A.
Coldren
, S. W.
Corzine
, and M. L.
Mašanović
, Diode Lasers and Photonic Integrated Circuits
(John Wiley & Sons, Inc.
, Hoboken, NJ, USA
, 2012
).46.
J.
Piprek
, Appl. Phys. Lett.
105
, 011116
(2014
).47.
P.
Shan Hsu
, M. T.
Hardy
, E. C.
Young
, A. E.
Romanov
, S. P.
DenBaars
, S.
Nakamura
, and J. S.
Speck
, Appl. Phys. Lett.
100
, 171917
(2012
).48.
F. R.
Nash
, J. Appl. Phys.
44
, 4696
(1973
).49.
E.
Kioupakis
, P.
Rinke
, and C. G.
Van de Walle
, Appl. Phys. Express
3
, 082101
(2010
).50.
E.
Kioupakis
, P.
Rinke
, A.
Schleife
, F.
Bechstedt
, and C. G.
Van De Walle
, Phys. Rev. B
81
, 241201(R)
(2010
).51.
M.
Kuramoto
, C.
Sasaoka
, N.
Futagawa
, M.
Nido
, and A. A.
Yamaguchi
, Phys. Status Solidi A
192
, 329
(2002
).© 2015 AIP Publishing LLC.
2015
AIP Publishing LLC
You do not currently have access to this content.
