We propose a design for a semiconductor structure emitting broadband light in the infrared, based on InAs quantum dots (QDs) embedded into a metamorphic step-graded InxGa1−xAs buffer. We developed a model to calculate the metamorphic QD energy levels based on the realistic QD parameters and on the strain-dependent material properties; we validated the results of simulations by comparison with the experimental values. On this basis, we designed a p-i-n heterostructure with a graded index profile toward the realization of an electrically pumped guided wave device. This has been done by adding layers where QDs are embedded in InxAlyGa1−x−yAs layers, to obtain a symmetric structure from a band profile point of view. To assess the room temperature electro-luminescence emission spectrum under realistic electrical injection conditions, we performed device-level simulations based on a coupled drift-diffusion and QD rate equation model. On the basis of the device simulation results, we conclude that the present proposal is a viable option to realize broadband light-emitting devices.

1.
N.
Ozaki
,
K.
Takeuchi
,
S.
Ohkouchi
,
N.
Ikeda
,
Y.
Sugimoto
,
H.
Oda
,
K.
Asakawa
, and
R. A.
Hogg
,
Appl. Phys. Lett.
103
,
051121
(
2013
).
2.
M.
Rossetti
,
L.
Li
,
A.
Markus
,
A.
Fiore
,
L.
Occhi
,
C.
Velez
,
S.
Mikhrin
,
I.
Krestnikov
, and
A. R.
Kovsh
,
IEEE J. Quantum Electron.
43
,
676
(
2007
).
3.
S. M.
Chen
,
K. J.
Zhou
,
Z. Y.
Zhang
,
D. T. D.
Childs
,
M.
Hugues
,
A. J.
Ramsay
, and
R. A.
Hogg
,
Appl. Phys. Lett.
100
,
041118
(
2012
).
4.
S.
Chen
,
M.
Tang
,
Q.
Jiang
,
J.
Wu
,
V. G.
Dorogan
,
M.
Benamara
,
Y. I.
Mazur
,
G. J.
Salamo
,
P.
Smowton
,
A.
Seeds
, and
H.
Liu
,
ACS Photonics
1
,
638
(
2014
).
5.
N.
Ozaki
,
T.
Yasuda
,
S.
Ohkouchi
,
E.
Watanabe
,
N.
Ikeda
,
Y.
Sugimoto
, and
R. A.
Hogg
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 1
53
,
04EG10
(
2014
).
6.
N.
Ozaki
,
K.
Takeuchi
,
S.
Ohkouchi
,
N.
Ikeda
,
Y.
Sugimoto
,
K.
Asakawa
, and
R. A.
Hogg
,
J. Cryst. Growth
323
,
191
(
2011
).
7.
L.
Li
,
M.
Rossetti
, and
A.
Fiore
,
J. Cryst. Growth
278
,
680
(
2005
).
8.
S. K.
Ray
,
T. L.
Choi
,
K. M.
Groom
,
B. J.
Stevens
,
H.
Liu
,
M.
Hopkinson
, and
R. A.
Hogg
,
IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron.
13
,
1267
(
2007
).
9.
H. S.
Djie
,
C. E.
Dimas
, and
B. S.
Ooi
,
IEEE Photonics Technol. Lett.
18
,
1747
(
2006
).
10.
G.
Balakrishnan
,
S.
Huang
,
T. J.
Rotter
,
A.
Stintz
,
L. R.
Dawson
,
K. J.
Malloy
,
H.
Xu
, and
D. L.
Huffaker
,
Appl. Phys. Lett.
84
,
2058
(
2004
).
11.
N. V.
Kryzhanovskaya
,
A. Y.
Gladyschev
,
S.
Blokhin
,
Y. G.
Musikhin
,
A. E.
Zhukov
,
M. V.
Maksimov
,
N.
Zakharov
,
A.
Tsatsul'nikov
,
N. N.
Ledentsov
,
P.
Werner
,
F.
Guffarth
, and
D.
Bimberg
,
Semiconductors
38
,
833
(
2004
).
12.
L.
Seravalli
,
M.
Minelli
,
P.
Frigeri
,
S.
Franchi
,
G.
Guizzetti
,
M.
Patrini
,
T.
Ciabattoni
, and
M.
Geddo
,
J. Appl. Phys.
101
,
024313
(
2007
).
13.
L.
Seravalli
,
P.
Frigeri
,
G.
Trevisi
, and
S.
Franchi
,
Appl. Phys. Lett.
92
,
213104
(
2008
).
14.
E. S.
Semenova
,
R.
Hostein
,
G.
Patriarche
,
O.
Mauguin
,
L.
Largeau
,
I.
Robert-Philip
,
A.
Beveratos
, and
A.
Lemaitre
,
J. Appl. Phys.
103
,
103533
(
2008
).
15.
L.
Seravalli
,
G.
Trevisi
,
P.
Frigeri
,
D.
Rivas
,
G.
Munoz-Matutano
,
I.
Suarez
,
B.
Alen
,
J.
Canet
, and
J. P.
Martinez-Pastor
,
Appl. Phys. Lett.
98
,
173112
(
2011
).
16.
G.
Munoz-Matutano
,
D.
Rivas
,
A. L.
Ricchiuti
,
D.
Barrera
,
C. R.
Fernandez-Pousa
,
J.
Martinez-Pastor
,
L.
Seravalli
,
G.
Trevisi
,
P.
Frigeri
, and
S.
Sales
,
Nanotechnology
25
,
035204
(
2014
).
17.
Z.
Mi
,
P.
Bhattacharya
, and
J.
Yang
,
Appl. Phys. Lett.
89
,
153109
(
2006
).
18.
N. N.
Ledentsov
,
V. A.
Shchukin
,
T.
Kettler
,
K.
Posilovic
,
D.
Bimberg
,
L. Y.
Karachinskii
,
A. Y.
Gladyschev
,
M. V.
Maksimov
,
S. V.
Novikov
,
Y. M.
Shernyakov
,
A. E.
Zhukov
,
V. M.
Ustinov
, and
A. R.
Kovsh
,
J. Cryst. Growth
301–302
,
914
(
2007
).
19.
T.
Kettler
,
L. Y.
Karachinskii
,
N. N.
Ledentsov
,
V. A.
Shchukin
,
G.
Fiol
,
M.
Kuntz
,
A.
Lochmann
,
O.
Schulz
,
L.
Reissmann
,
K.
Posilovic
,
D.
Bimberg
,
S. V.
Novikov
,
Y. M.
Shernyakov
,
N. Y.
Gordeev
,
M. V.
Maksimov
,
N. V.
Kryzhanovskaya
,
A. E.
Zhukov
,
E. S.
Semenova
,
A. P.
Vasil Ev
,
V. M.
Ustinov
, and
A. R.
Kovsh
,
Appl. Phys. Lett.
89
,
041113
(
2006
).
20.
W.
Guter
,
J.
Schoene
,
S. P.
Philipps
,
M.
Steiner
,
G.
Siefer
,
A.
Wekkeli
,
E.
Welser
,
E.
Oliva
,
A. W.
Bett
, and
F.
Dimroth
,
Appl. Phys. Lett.
94
,
223504
(
2009
).
21.
S.-G.
Ihn
,
S. J.
Jo
, and
J.-I.
Song
,
Appl. Phys. Lett.
88
,
132108
(
2006
).
22.
M.
Boudrissa
,
E.
Delos
,
C.
Gaquiere
,
M.
Rousseau
,
Y.
Cordiere
,
D.
Theron
, and
J. C.
De Jaeger
,
IEEE Trans. Electron Devices
48
,
1037
(
2001
).
23.
J. A.
Czaban
and
D. A.
Thompson
,
Nanotechnology
21
,
134005
(
2010
).
24.
L.
Seravalli
,
P.
Frigeri
,
L.
Nasi
,
G.
Trevisi
, and
C.
Bocchi
,
J. Appl. Phys.
108
,
064324
(
2010
).
25.
L.
Seravalli
,
G.
Trevisi
, and
P.
Frigeri
,
CrystEngComm
14
,
1155
(
2012
).
26.
L.
Seravalli
,
M.
Gioannini
,
F.
Cappelluti
,
F.
Sacconi
,
G.
Trevisi
, and
P.
Frigeri
, in
Fotonica AEIT Italian Conference on Photonics Technologies
(
2015
), p.
1
.
27.
M.
Auf der Maur
,
G.
Penazzi
,
G.
Romano
,
F.
Sacconi
,
A.
Pecchia
, and
A.
Di Carlo
,
IEEE Trans. Electron Devices
58
,
1425
(
2011
).
28.
See www.tiberlab.com for TiberCAD software.
29.
M.
Gioannini
,
A. P.
Cedola
,
N.
Di Santo
,
F.
Bertazzi
, and
F.
Cappelluti
,
IEEE J. Photovoltaics
3
,
1271
(
2013
).
30.
A. P.
Cedola
,
M.
Gioannini
, and
F.
Cappelluti
,
IET Optoelectron.
9
,
69
(
2015
).
31.
K.
Ludge
and
E.
Schöll
,
IEEE J. Quantum Electron.
45
,
1396
(
2009
).
32.
M.
Loeser
and
B.
Witzigmann
,
IEEE J. Quantum Electron.
44
,
505
(
2008
).
33.
S.
Haggett
,
M.
Krakowski
,
I.
Montrosset
, and
M. A.
Cataluna
,
Opt. Express
22
,
22854
(
2014
).
34.
F.
Romanato
,
E.
Napolitani
,
A.
Carnera
,
A.
Drigo
,
L.
Lazzarini
,
G.
Salviati
,
C.
Ferrari
,
A.
Bosacchi
, and
S.
Franchi
,
J. Appl. Phys.
86
,
4748
(
1999
).
35.
F.
Capotondi
,
G.
Biasiol
,
D.
Ercolani
,
V.
Grillo
,
E.
Carlino
,
F.
Romanato
, and
L.
Sorba
,
Thin Solid Films
484
,
400
(
2005
).
36.
L.
Seravalli
,
C.
Bocchi
,
G.
Trevisi
, and
P.
Frigeri
,
J. Appl. Phys.
108
,
114313
(
2010
).
37.
D.
Barettin
,
R.
De Angelis
,
P.
Prosposito
,
M.
Auf Der Maur
,
M.
Casalboni
, and
A.
Pecchia
,
Nanotechnology
25
,
195201
(
2014
).
38.
F.
Sacconi
,
M.
Auf der Maur
, and
A.
Di Carlo
,
IEEE Trans. Electron Devices
59
,
2979
(
2012
).
39.
M.
Povolotskyi
and
A.
Di Carlo
,
J. Appl. Phys.
100
,
063514
(
2006
).
40.
L.
Seravalli
,
G.
Trevisi
, and
P.
Frigeri
,
J. Appl. Phys.
114
,
184309
(
2013
).
41.
H.
Jiang
and
J.
Singh
,
Phys. Rev. B
56
,
4696
(
1997
).
42.
O.
Stier
,
M.
Grundmann
, and
D.
Bimberg
,
Phys. Rev. B
59
,
5688
(
1999
).
43.
L.
Wang
,
J.
Kim
, and
A.
Zunger
,
Phys. Rev. B
59
,
5678
(
1999
).
44.
M.
Yahyaoui
,
K.
Sellami
,
K.
Boujdaria
,
M.
Chamarro
, and
C.
Testelin
,
Semicond. Sci. Technol.
28
,
125018
(
2013
).
45.
I.
Vurgaftman
,
J.
Meyer
, and
L.
Ram-Mohan
,
J. Appl. Phys.
89
,
5815
(
2001
).
46.
L.
Seravalli
,
G.
Trevisi
,
P.
Frigeri
,
S.
Franchi
,
M.
Geddo
, and
G.
Guizzetti
,
Nanotechnology
20
,
275703
(
2009
).
47.
L.
Seravalli
,
P.
Frigeri
,
M.
Minelli
,
P.
Allegri
,
V.
Avanzini
, and
S.
Franchi
,
Appl. Phys. Lett.
87
,
063101
(
2005
).
48.
T. R.
Nielsen
,
P.
Gartner
, and
F.
Jahnke
,
Phys. Rev. B
69
,
235314
(
2004
).
49.
A. H.
Marshak
and
K. M.
van Vliet
,
Solid-State Electron.
21
,
417
(
1978
).
50.
P.
Spencer
,
E.
Clarke
,
R.
Murray
,
K. M.
Groom
,
R. R.
Alexander
, and
R. A.
Hogg
,
Phys. Rev. B
83
,
205407
(
2011
).
51.
I.
O'Driscoll
,
P.
Blood
, and
P. M.
Smowton
,
IEEE J. Quantum Electron.
46
,
525
(
2010
).
52.
M.
Gioannini
,
IEEE J. Quantum Electron.
40
,
364
(
2004
).
53.
L.
Seravalli
,
G.
Trevisi
,
P.
Frigeri
,
R. J.
Royce
, and
D. J.
Mowbray
,
J. Appl. Phys.
112
,
034309
(
2012
).
54.
M.
Rossetti
,
L.
Li
,
A.
Fiore
,
L.
Occhi
,
C.
Velez
,
S.
Mikhrin
, and
A.
Kovsh
,
IEEE Photonics. Technol. Lett.
18
,
1946
(
2006
).
55.
D.
Guimard
,
S.
Tsukamoto
,
M.
Nishioka
, and
Y.
Arakawa
,
Appl. Phys. Lett.
89
,
083116
(
2006
).
56.
O.
Schumann
,
S.
Birner
,
M.
Baudach
,
L.
Geelhaar
,
H.
Eisele
,
L.
Ivanova
,
R.
Timm
,
A.
Lenz
, and
S.
Becker
,
Phys. Rev. B
71
,
245316
(
2005
).
57.
Z.
Mi
,
J.
Yang
, and
P.
Bhattacharya
,
J. Cryst. Growth
301–302
,
923
(
2007
).
58.
H.
Liu
,
Y.
Qiu
,
C. Y.
Jin
,
T.
Walther
, and
A. G.
Cullis
,
Appl. Phys. Lett.
92
,
111906
(
2008
).
59.
Y.
Xin
,
L.
Vaughn
,
L. R.
Dawson
,
A.
Stintz
,
Y.
Lin
,
L. F.
Lester
, and
D. L.
Huffaker
,
J. Appl. Phys.
94
,
2133
(
2003
).
60.
R.
Jakomin
,
M.
de Kersauson
,
M.
El Kurdi
,
L.
Largeau
,
O.
Mauguin
,
G.
Beaudoin
,
S.
Sauvage
,
R.
Ossikovski
,
G.
Ndong
,
M.
Chaigneau
,
I.
Sagnes
, and
P.
Boucaud
,
Appl. Phys. Lett.
98
,
091901
(
2011
).
61.
F.
Gao
and
G.
Li
,
Appl. Phys. Lett.
104
,
042104
(
2014
).
62.
P. B.
Joyce
,
T. J.
Krzyzewski
,
G. R.
Bell
,
T. S.
Jones
,
S.
Malik
,
D.
Childs
, and
R.
Murray
,
Phys. Rev. B
62
,
10891
(
2000
).
You do not currently have access to this content.