980nm多量子阱激光器有源層的優(yōu)化分析

葉磊　張殿堯　李曉東　楊渝川　張?zhí)?/p>

摘 要：980nm波長(zhǎng)量子阱激光器常用的有源層材料體系為InGaAs/AlGaAs體系。理論計(jì)算與仿真結(jié)果表明當(dāng)有源層量子阱的個(gè)數(shù)為三個(gè)并且壘層材料的鋁組分為0.12時(shí)，能夠獲得較低的閾值電流。

關(guān)鍵詞：有源層結(jié)構(gòu)；980nm；多量子阱；半導(dǎo)體激光器

1 概述

為了獲得更低的閾值電流和更高的出光功率，文中對(duì)載流子的泄露和不均衡的載流子分布以及光場(chǎng)限制因子進(jìn)行分析，并且對(duì)量子阱的數(shù)目以及壘層材料中的鋁組分進(jìn)行優(yōu)化仿真，得到最優(yōu)的輸出特性。

2 理論分析

2.1 載流子的泄漏電流

電子電流從N型層注入到量子阱并和量子阱中的空穴復(fù)合，因此電子電流密度在量子阱中減小。泄漏電流即是從量子阱中溢出的電流。泄漏電子電流對(duì)激光器的光學(xué)性能有很大的負(fù)面影響。有幾種方法可以抑制泄漏電流，如增加勢(shì)壘層的高度（增大帶隙），在有源層與上波導(dǎo)層之間增加一層電流阻擋層都可以有效地抑制泄漏電流。

2.2 載流子分布不均勻

多量子阱激光器有源區(qū)的光特性很大程度上受到載流子分布不均勻的影響。增加壘層鋁組分使得勢(shì)壘高度變大，這將使載流子分布對(duì)光特性產(chǎn)生的影響更加放大，惡化光特性。載流子分布不均勻也會(huì)導(dǎo)致有源區(qū)光增益受到影響。為了提高激光器的性能，導(dǎo)帶偏置比越靠近0.5左右，載流子分布不均勻的影響將越小。

2.3 光場(chǎng)限制因子

其中E（y）表示光場(chǎng)垂直于結(jié)平面的分布。激光器的光場(chǎng)限制因子受壘層、阱層材料的結(jié)構(gòu)參數(shù)影響。小的光場(chǎng)限制因子會(huì)導(dǎo)致量子阱激光器所需的光增益增大，導(dǎo)致閾值電流密度變大。

2.4 閾值電流密度

其中，Nw表示阱層數(shù)目，J0是透明電流密度，ai表示內(nèi)部損耗，L表示激光器腔長(zhǎng)，R1，R2分別表示激光器端面反射率，G0表示材料增益，ΓN表示光場(chǎng)限制因子。

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 載流子泄漏電流

文章主要是討論有源區(qū)的優(yōu)化，因此，從增加勢(shì)壘高度的方法出發(fā)來(lái)抑制泄漏電流。勢(shì)壘高度可有導(dǎo)帶帶階△Ec反映。器件波導(dǎo)層采用AlGaAs材料。電導(dǎo)越小器件的串聯(lián)電阻越大，由此激光器的閾值電流也隨之增大。

如圖1知高Al組分的AlGaAs材料電導(dǎo)率小電阻大，因此將波導(dǎo)層中Al組分取0.18.

溫度特性是激光器的一個(gè)重要指標(biāo)，如圖2可以看出AlGaAs材料隨溫度的變化趨勢(shì)，其在低Al組分的情況下熱阻較小，取低Al組分對(duì)激光器的輸出特性有益。

如圖3可知，隨著壘層鋁組分的增大，量子阱中導(dǎo)帶帶階隨之線性增大，為了更好地限制載流子，Al組分越高越好，但是壘層帶隙高于波導(dǎo)層帶隙會(huì)抑制載流子注入量子阱，綜合上述考慮壘層中鋁組分取0.12左右比較適合。

3.2 載流子分布不均勻

如圖4，隨著Al組分的增加，導(dǎo)帶偏置比逐漸向0.5靠攏，綜合導(dǎo)帶帶階、AlGaAs的電導(dǎo)和熱阻，壘層Al組分取0.12較合適。

3.3 光場(chǎng)限制因子

圖5顯示了不同量子阱數(shù)目的有源層的光場(chǎng)限制因子隨著壘層Al組分的變化分布圖，不難看出隨著量子阱數(shù)目的增多，光場(chǎng)限制因子逐漸增大，對(duì)特定數(shù)目的量子阱，其光場(chǎng)限制因子隨著壘層Al組分的增加而減小，而當(dāng)Al組分在0.12左右時(shí)減小的幅度最大。

3.4 量子阱數(shù)目

由圖5可知量子阱數(shù)目的增加有利于光場(chǎng)限制因子的增大，提高激光器的輸出特性。綜合上面的考慮，取壘層Al組分為0.12，壘層厚度為10nm阱層In組分為0.22，阱層厚度為7.6nm，圖6為該有源層結(jié)構(gòu)閾值電流密度與量子阱數(shù)目的關(guān)系分布。

由圖可看出閾值電流密度開始隨著量子阱個(gè)數(shù)的增加急劇減小，當(dāng)量子阱個(gè)數(shù)超過(guò)3個(gè)時(shí)，閾值電流密度不再急劇減小，而是隨著量子阱個(gè)數(shù)的增加出現(xiàn)緩慢增加，考慮到要實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體激光器的低閾值激射和激光器的制作技術(shù)，量子阱的個(gè)數(shù)最終取3。

4 結(jié)束語(yǔ)

精確計(jì)算了量子阱中導(dǎo)帶價(jià)帶的能級(jí)分布，由此確定了阱層材料中In組分為0.22并且阱厚7.6nm時(shí)，仿真結(jié)果顯示峰值波長(zhǎng)981nm。綜合考慮AlGaAs材料的熱阻和電導(dǎo)，確立波導(dǎo)層材料Al組分取0.2，并針對(duì)載流子泄漏和其分布不均勻惡化激光器的輸出特性來(lái)分別提高壘層的帶階和導(dǎo)帶偏置比。理論計(jì)算了不同量子阱數(shù)目時(shí)各Al組分對(duì)應(yīng)的光場(chǎng)限制因子，并得出當(dāng)量子阱數(shù)目為3個(gè)，壘層Al組分取0.12時(shí)得到最低的閾值電流密度。

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作者簡(jiǎn)介：葉磊（1990-），男，漢族，碩士，主要從事半導(dǎo)體激光器方面的研究。