1.3μm InGaAsSb/GaAsSb量子阱激光器有源區(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計

何斌太，劉國軍，魏志鵬，劉 超，安 寧，劉鵬程，王 旭

(長春理工大學(xué)高功率半導(dǎo)體激光國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林長春130022)

1 引言

如今光纖通信已經(jīng)成為當(dāng)代通信主流，半導(dǎo)體激光器作為光纖通信系統(tǒng)中非常重要的光源，極大地推動了信息光電子技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用范圍覆蓋了整個光電子學(xué)領(lǐng)域。1.3μm波段近紅外光在石英光纖傳輸中損耗很低且色散為零，因此該波段的半導(dǎo)體激光器在中遠(yuǎn)距離高速數(shù)據(jù)通信、光互聯(lián)、光并行處理和光識別等方面有著廣闊的應(yīng)用前景［1－3］。目前已經(jīng)報道了利用InGaNAs/GaAs材料系［4－7］和GaAsSb/GaAs材料系［8－9］來實(shí)現(xiàn)1.3μm波長激射。然而InGaNAs/GaAs材料系中N組分對材料增益峰值波長影響明顯且在生長過程中組分不易控制，導(dǎo)致器件的可靠性受到很大影響［10－11］;GaAsSb/GaAs材料系的能帶結(jié)構(gòu)呈II型排列，發(fā)光性能較差［12］。鑒于以上材料的缺陷，為了研制滿足光纖通信應(yīng)用要求的高性能1.3μm波段半導(dǎo)體激光器，亟需找到一種新材料來實(shí)現(xiàn)該波長的激射。

InGaAsSb材料擁有兩個獨(dú)立的組分變量，能在較寬的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)材料的晶格常數(shù)和能帶帶隙，波長范圍覆蓋了0.87～6.89μm，可以較容易地實(shí)現(xiàn)波長調(diào)節(jié)且組分易于控制，是一種非常重要的化合物材料［13］。本文提出以InGaAsSb作為量子阱激光器有源區(qū)材料，對有源區(qū)材料組分以及量子阱個數(shù)進(jìn)行設(shè)計，基于Lastip軟件建立了激光器仿真模型，分析有源區(qū)結(jié)構(gòu)對器件性能的影響。

2 理論分析

2.1 勢阱和勢壘材料的選取

材料選擇主要考慮材料的晶格匹配和能帶帶隙這兩個因素。對于AByC1－y三元化合物和AxB1－xCyD1－y四元化合物材料來說，晶格常數(shù)可以通過維嘉定律求得，然而能帶帶隙不完全符合維嘉定律，可以根據(jù)Moon公式進(jìn)行一定修正。

由于勢阱為InxGa1－xAsySb1－y，為了更好限制載流子，勢壘的禁帶寬度必須大于勢阱的禁帶寬度。與1.3μm波長相對應(yīng)的子帶躍遷能級差為0.95 eV，GaAsSb的能帶帶隙隨著Sb組分的增加逐漸減小，同時過高Sb組分會增大與襯底的晶格失配度。隨著x、y變化，勢阱和襯底有不同的失配度。為滿足不間斷生長工藝的要求，保持量子阱中阱和壘y相同，經(jīng)過分析了材料的晶格匹配和能帶帶隙，本文取GaAs0.92Sb0.08勢壘進(jìn)行計算。

2.2 阱材料組分和阱寬的確定

根據(jù)應(yīng)變量子阱能帶理論［14］，InxGa1－xAsySb1－y材料的應(yīng)變帶隙為:

式中，Eg0為材料非應(yīng)變帶隙;ac為導(dǎo)帶的靜壓力形變勢;av為價帶的靜壓力形變勢;b為切變形變勢;C11和C12為彈性應(yīng)變系數(shù);ε為失配度。除Eg0外其他參數(shù)可以用二元系材料的數(shù)值進(jìn)行插值。所用二元化合物材料的參數(shù)如表1所示。

表1 二元化合物的材料參數(shù)Tab．1 Material parameters of binary compounds

考慮到量子尺寸效應(yīng)，與1.3μm波長相對應(yīng)的InxGa1－xAsySb1－y材料應(yīng)變帶隙要小于0.95 eV。圖2為InxGa1－xAsySb1－y材料的應(yīng)變帶隙圖，圖2為不同應(yīng)變帶隙所對應(yīng)的材料組分。根據(jù)圖1和圖2可以確定與特定激射波長相對應(yīng)的阱材料組分。

圖1 In x Ga1－x As y Sb1－y材料應(yīng)變帶隙Fig.1 In x Ga1－x As y Sb1－y material strain bandgap

圖2 不同應(yīng)變帶隙所對應(yīng)的材料組分Fig.2 the material component of the different strain bandgap

根據(jù)固體模型理論和克龍尼克－潘納模型［15－16］，計算出能帶帶階及量子化子能級，從而確定相應(yīng)的激射波長與量子阱組分及阱寬的關(guān)系。圖3為不同組分InxGa1－xAsySb1－y/GaAsSb量子阱激射波長與阱寬之間的關(guān)系。在組分一定的情況下，隨著阱寬的增加，激射波長向長波方向移動。

圖3 In x Ga1－x As y Sb1－y/GaAsSb量子阱激射波長與阱寬之間的關(guān)系Fig.3 Relations between the lasing wavelength and the well width of In x Ga1－x As y Sb1－y/GaAsSb quantum well

考慮到外延生長過程中的厚度誤差，設(shè)計時量子阱寬度應(yīng)該取整數(shù)納米。從圖中可以看出，阱寬為8 nm的In0.47Ga0.53As0.92Sb0.08和阱寬為9 nm的In0.44Ga0.56As0.92Sb0.08這兩種結(jié)構(gòu)符合要求。對于大應(yīng)變InGaAsSb/GaAsSb材料體系，在As組分一定情況下，In組分越大應(yīng)變就越大，為了盡量減小晶格失配，采用了In0.44Ga0.56As0.92Sb0.08材料。

2.3 器件結(jié)構(gòu)參數(shù)

根據(jù)上述分析，量子阱激光器有源區(qū)結(jié)構(gòu)采用In0.44Ga0.56As0.92Sb0.08/GaAs0.92Sb0.08材料作為有源材料。為了研究有源區(qū)量子阱個數(shù)對激光器輸出特性的影響，本文以條寬為50μm，腔長為800μm的器件為例，采用分別限制結(jié)構(gòu)來增強(qiáng)對光子和電子的限制作用，提高光場限制因子，降低閾值電流?？紤]到材料的臨界厚度，量子阱個數(shù)從1到4。器件的詳細(xì)結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。

表2 In0．44Ga0．56As0．92Sb0．08/GaAs0．92Sb0．08量子阱激光器結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab．2 the structure parameters of In0．44 Ga0．56 As0．92 Sb0．08/GaAs0．92 Sb0．08 quantum well laser

3 輸出特性模擬與結(jié)果分析

根據(jù)表2所示的結(jié)構(gòu)參數(shù)，利用Lastip軟件建立了In0.44Ga0.56As0.92Sb0.08/GaAs0.92Sb0.08量子阱激光器仿真模型。模擬不同量子阱個數(shù)下，量子阱激光器光學(xué)及電學(xué)特性，仿真結(jié)果如圖4～6所示。

圖4為器件P－I曲線隨量子阱個數(shù)的變化圖。從圖中看出隨著量子阱個數(shù)的增加，器件閾值電流也逐漸增加。這是由于器件總透過電流與量子阱的數(shù)目成正比，導(dǎo)致器件閾值電流增加。由于單量子阱結(jié)構(gòu)隨著注入電流的增加，在較低的電流下就會出現(xiàn)增益飽和現(xiàn)象，為了提高工作電流，一般采用多量子阱結(jié)構(gòu)。

圖4 器件P－I曲線與量子阱個數(shù)的關(guān)系Fig.4 Relations between the P－I curve of device and the number of quantum well

圖5 為器件斜率效率與量子阱個數(shù)的關(guān)系圖。通過計算P－I曲線的斜率效率，發(fā)現(xiàn)隨著量子阱個數(shù)的增加，斜率效率先增大后減小。這是由于量子阱個數(shù)增加不能使得所有阱區(qū)位置都與電學(xué)區(qū)域中波形的峰值位置相重疊，偏離峰值位置越遠(yuǎn)的量子阱增益效率越低，使得斜率效率將會隨之下降。

圖5 斜率效率與量子阱個數(shù)的關(guān)系Fig.5 Relations between the slope efficiency and the number of quantum well

圖6 為300 K時閾值電流密度隨量子阱個數(shù)變化的關(guān)系圖，從圖中可以看出閾值電流密度隨著量子阱個數(shù)的增加先急劇降低再逐漸緩慢升高。閾值電流密度作為半導(dǎo)體激光器的標(biāo)志參數(shù)，降低閾值電流密度有利于降低器件的發(fā)熱，尤其對高功率器件而言。因此適當(dāng)?shù)倪x擇量子阱的個數(shù)對激光器的特性來說非常重要。

圖6 閾值電流密度與量子阱個數(shù)的關(guān)系Fig.6 Relations between the threshold current density and the number of quantum well

4 結(jié)論

本文通過理論計算與軟件模擬對InGaAsSb/GaAsSb量子阱激光器有源區(qū)結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，對比不同組分的InxGa1－xAsySb1－y/GaAsySb1－y量子阱材料的發(fā)光波長，確定了波長與量子阱材料的組分和量子阱的阱寬的關(guān)系，并討論了量子阱個數(shù)對激光器光學(xué)及電學(xué)特性的影響。結(jié)果表明，當(dāng)量子阱組分為In0.44Ga0.56As0.92Sb0.08/GaAs0.92Sb0.08、阱寬為9 nm、量子阱個數(shù)為2時，器件的綜合性能達(dá)到最佳，其中閾值電流為48 mA，斜率效率為0.76 W/A。該設(shè)計具有較好的輸出特性，對研制滿足中遠(yuǎn)距離光纖通訊技術(shù)需求的半導(dǎo)體激光器光源具有一定的指導(dǎo)意義。

［1］ E Hugues-Salas，RP Giddings，XQ Jin，et al．Real-time experimental demonstration of low-cost VCSEL intensitymodulated 11．25Gb/s optical OFDM signal transmission over 25 km PON systems［J］．Optics Express，2011，19(4):2979－2988．

［2］ GENG Shujie，WANG Lin．The applications of semiconductor lasers in communication optical fiber［J］．Laser＆Infrared，2000，4(30):198－199．(in Chinese)耿淑杰，王琳．半導(dǎo)體激光器在光纖通信中的應(yīng)用［J］．激光與紅外，2000，4(30):198－199．

［3］ ZHANG Dongyan，WANG Rongrui．Progress on mid－infrared lasers［J］．Laser＆Infrared，2011，5(41):487－491．(in Chinese)張冬燕，王戎瑞．高功率中紅外激光器的進(jìn)展［J］．激光與紅外，2011，5(41):487－491．

［4］ K Nakahara，M Kondow，T Kitatani，et al．1．3－μm continuous-wave lasing operation in GaInNAs quantum-well lasers［J］．Photonics Technology Letters，IEEE，1998，10(4):487－488．

［5］ CW Coldren，MC Larson，SG Spruytte，et al．1200nm GaAs-based vertical cavity lasers employing GaInNAs multiquantum well active regions［J］．Electronics Letters，2000，36(11)，951－952．

［6］ LIN Xuejiao，CAI Jiafa，WU Zhengyun．Photoluminescence spectroscopy studies of InGaAsN quantum wells［J］．Chinese Journal of Light Scattering，2004，1(16):70－75．(in Chinese)林雪嬌，蔡加法，吳正云．InGaAsN量子阱的光致發(fā)光譜研究［J］．光散射學(xué)報，2004，1(16):70－75．

［7］ NAA Manaf，MS Alias，SM Mitani，et al．Multiple quantum wells GaInNAs for ridge-wave-guide laser diodes［C］//Electronic Manufacturing Technology Symposium(IEMT)，2010 34th IEEE/CPMT International．IEEE，2010:1－4．

［8］ JIANG Desheng，WANG Jiangbo，C Navarro，et al．Luminescence properties of GaAsSb/GaAs quantum well laser structures［J］．J．Infrared Millim Waves，2002，21(Suppl．):7－10．(in Chinese)江德生，王江波，CNavarro，等．GaAssb/GaAs量子阱激光器結(jié)構(gòu)的發(fā)光研究［J］．紅外與毫米波學(xué)報，2002，21(Suppl．):7－10．

［9］ PW Liu，GH Liao，HH Lin．1．3μm GaAs/GaAsSb quantum well laser grown by solid source molecular beam epitaxy［J］．Electronics Letters，2004，40(3):177－179．

［10］RA Mair，JY Lin，HX Jiang，et al．Time-resolved photoluminescence studies of InxGa1-xAs1-yNy［J］．Appl．Phys．Lett．，2000，76，(2):188－190．

［11］YAN Changling，QIN Li，ZHANG Shumin，et al．Long wavelength GaInNAs vertical cavity surface emitting lasers［J］．Chinese Journal of Quantum Electronics，2004，21(5):565－570．(in Chinese)晏長嶺，秦莉，張淑敏，等．長波長GaInNAs垂直腔面發(fā)射激光器［J］．量子電子學(xué)報，2004，21(5):565－570．

［12］TSWang，JT Tsai，KI Lin，et al．Characterization of band gap in GaAsSb/GaAs heterojunction and band alignment in GaAsSb/GaAs multiple quantum wells［J］．Materials Science and Engineering:B，2008，147(2):131－135．

［13］ZOU Yonggang，LIU Guojun，MA Xiaohui，et al．MBE growth and photoluminescence charterization of InGaAsSb quantum well［J］．Chinese Journal of Light Scattering，2011，4(23):336－339．(in Chinese)鄒永剛，劉國軍，馬曉輝，等．InGaAsSb量子阱的MBE生長和光致發(fā)光特性研究［J］．光散射學(xué)報，2011，4(23):336－339．

［14］Chang Chih-Sheng，Chuang Shun Lien．Modeling of strained quantum-well lasers with spin-orbit coupling［J］．IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics，1995，1(2):218－229．

［15］C G Van der Walle．Band lineups and deformation potentials in the model－solid theory［J］．Phys．Rev．B，1989，39:1871－1883．

［16］L Solymar，D Walsh．Lectures on the electrical properties of materials［M］．Oxford:Oxford University Press，1985．