1 060 nm銻化物應(yīng)變補(bǔ)償有源區(qū)激光二極管仿真及其性能研究

梁財(cái)安,董海亮,2,賈志剛,2,賈 偉,2,梁 建,許并社,2,4

(1.太原理工大學(xué)新材料界面科學(xué)與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030024;2.山西浙大新材料與化工研究院,太原 030024;3.太原理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,太原 030024;4.陜西科技大學(xué)材料原子·分子科學(xué)研究所,西安 710021)

0 引 言

1 060 nm激光二極管(laser diode, LD)在軍事、激光醫(yī)療、激光通信、光譜、材料加工等領(lǐng)域有著十分重要的應(yīng)用。目前,輸出功率和電光轉(zhuǎn)換效率低嚴(yán)重制約著1 060 nm大功率LD的進(jìn)一步發(fā)展,其原因有串聯(lián)電阻過大引起的焦耳熱[1]、非輻射復(fù)合(比如俄歇復(fù)合、有源區(qū)的雜質(zhì)和缺陷引起的非輻射復(fù)合等)、光子在有源區(qū)的反射與吸收,以及光子在波導(dǎo)層的散射損耗等[2]。這些因素還會進(jìn)一步造成器件的發(fā)熱,很容易引起災(zāi)變性端面光損耗問題[3]。因此,提高1 060 nm LD器件的輸出功率和電光轉(zhuǎn)換效率是實(shí)現(xiàn)高性能LD的前提。

本文通過設(shè)計(jì)新型有源區(qū)結(jié)構(gòu)解決1 060 nm LD電光轉(zhuǎn)換效率和輸出功率低的關(guān)鍵問題。在有源區(qū)引入了含Sb的GaAsP/InGaAs/GaAsSb/InGaAsSb/GaAsP應(yīng)變補(bǔ)償雙量子阱結(jié)構(gòu),將弱Ⅱ型的量子阱結(jié)構(gòu)變?yōu)棰裥?不僅能解決禁帶寬度對激發(fā)波長的限制,而且使得電子與空穴的波函數(shù)重疊度增大,進(jìn)而提高了器件的輻射復(fù)合概率和內(nèi)量子效率,降低了非輻射復(fù)合,有效增強(qiáng)了器件輸出功率和電光轉(zhuǎn)換效率。同時(shí),采用非對稱異質(zhì)雙波導(dǎo)結(jié)構(gòu)將有利于提高器件的注入效率和載流子限制能力,使得器件輸出功率和電光轉(zhuǎn)換效率進(jìn)一步提高[19]。即p側(cè)采用導(dǎo)帶差大、價(jià)帶差小的AlGaAs作為內(nèi)、外波導(dǎo)層和限制層,能夠?qū)﹄娮有纬闪己玫南拗?且有利于價(jià)帶空穴注入有源區(qū)。同理,n側(cè)采用導(dǎo)帶差小、價(jià)帶差大的GaInAsP作為內(nèi)、外波導(dǎo)層(限制層仍為AlGaAs),有利于導(dǎo)帶電子的注入和在價(jià)帶中對空穴形成更高的勢壘,從而提高注入效率,并增強(qiáng)對載流子的限制能力,進(jìn)而提高輸出功率。

1 器件外延結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

有源區(qū)引入了含Sb的GaAs0.75Sb0.25/In0.2Ga0.8As0.9Sb0.1雙阱結(jié)構(gòu),形成弱Ⅱ型半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)(電子、空穴分別被限制在不同材料中),如圖1(a)所示。在此基礎(chǔ)上將LD1靠近p側(cè)的壘阱結(jié)構(gòu)由GaAs0.75Sb0.25/In0.2Ga0.8As0.9Sb0.1替換為GaAs0.9P0.1/In0.22Ga0.78As壘阱,靠近n側(cè)的勢壘層由GaAs0.75Sb0.25替換為GaAs0.9P0.1,由公式ε=(a-a0)/a0計(jì)算出每個(gè)層中的應(yīng)變,其中,ε是應(yīng)變,a是層的晶格常數(shù),a0是相應(yīng)塊體材料的晶格常數(shù)。通過計(jì)算得出各層應(yīng)變相互抵消,形成應(yīng)變補(bǔ)償結(jié)構(gòu)[20],如圖1(b)所示,應(yīng)變補(bǔ)償?shù)囊敫淖兞擞性磪^(qū)的能帶結(jié)構(gòu),將LD器件由弱Ⅱ型轉(zhuǎn)變?yōu)榱撕琒b的Ⅰ型異質(zhì)結(jié)構(gòu)(電子、空穴被限制在同一材料中),同時(shí)導(dǎo)致了LD發(fā)射波長發(fā)生偏移。為了保持LD激發(fā)波長不變,應(yīng)該減小有源區(qū)厚度,具體參數(shù)如圖所示。采用非對稱異質(zhì)雙窄波導(dǎo)結(jié)構(gòu),n側(cè)采用導(dǎo)帶差更小、價(jià)帶差更大的Ga0.51In0.49As0.9P0.1、Ga0.51In0.49As0.6P0.4作為內(nèi)、外波導(dǎo)層,p側(cè)采用Al0.1Ga0.9As、Al0.2Ga0.8As作為內(nèi)、外波導(dǎo)層[21]。三種結(jié)構(gòu)的p、n側(cè)限制層均為Al0.4Ga0.6As,具體結(jié)構(gòu)及參數(shù)如圖1所示。

LD1表示的是弱Ⅱ型的GaAs0.75Sb0.25/In0.2Ga0.8As0.9Sb0.1張應(yīng)變非對稱雙窄波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。LD2是在LD1的基礎(chǔ)上,對有源區(qū)進(jìn)行了優(yōu)化,引入了GaAs0.9P0.1/In0.22Ga0.78As/GaAs0.75Sb0.25/In0.2Ga0.8As0.9Sb0.1/GaAs0.9P0.1應(yīng)變補(bǔ)償結(jié)構(gòu)。LD3是在LD2的基礎(chǔ)上優(yōu)化了波導(dǎo)層,將n側(cè)的內(nèi)、外波導(dǎo)層材料由Al0.1Ga0.9As、Al0.2Ga0.8As替換成Ga0.51In0.49As0.9P0.1、Ga0.51In0.49As0.6P0.4。設(shè)計(jì)三種結(jié)構(gòu)除有源區(qū)以外各層厚度和摻雜濃度相同,并利用仿真軟件SiLENSe(simulator of light emitters based on nitride semiconductors)對三種結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真計(jì)算。SiLENSe軟件通過一維漂移擴(kuò)散模型來模擬能帶結(jié)構(gòu)和p-n結(jié)偏置電壓如何影響流子濃度分布、載流子電流密度、輻射和非輻射復(fù)合率、發(fā)射和增益譜,以及LD器件的內(nèi)部量子效率(internal quantum efficiency, IQE)。該軟件通過仿真波導(dǎo)模式,對比分析LD器件的不同外延結(jié)構(gòu),分析IQE、電光轉(zhuǎn)換效率和折射率分布的變化規(guī)律。器件腔長設(shè)置為1 000 μm,條寬設(shè)置為98 μm。

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 光學(xué)性能

為了研究應(yīng)變補(bǔ)償量子阱結(jié)構(gòu)和異質(zhì)雙窄波導(dǎo)結(jié)構(gòu)對LD光學(xué)性能的影響,分析了三種LD器件的折射率和光場強(qiáng)度分布(a)、遠(yuǎn)場強(qiáng)度和發(fā)散角(b)以及光損耗(c)的變化曲線,如圖2所示。由圖2(a)可以看到三種LD器件的光場中心均偏離了量子阱中心(但是近場光強(qiáng)的最高峰仍在量子阱內(nèi))。這主要是非對稱窄波導(dǎo)造成的,即n側(cè)波導(dǎo)厚度大于p側(cè),導(dǎo)致光場分布向n側(cè)移動,從而減少p側(cè)光場分布,進(jìn)而減少空穴對光子的吸收以及p側(cè)波導(dǎo)層對自由載流子的吸收[22-23]。非對稱窄波導(dǎo)結(jié)構(gòu)在電學(xué)方面,因電子和空穴在不同方向上受到不同的限制,從而減少了它們之間的交叉擴(kuò)散,這使得載流子可以更加有效地在波導(dǎo)中傳輸。而異質(zhì)窄波導(dǎo)可以進(jìn)一步阻止載流子泄漏(電學(xué)部分會具體解釋),避免了因載流子的擴(kuò)散和泄漏導(dǎo)致的能量損失和熱量產(chǎn)生,使得LD器件的發(fā)熱問題得到改善[24-26]。由圖1(a)可以看到三種LD器件均只有基模TE0(TE0模是發(fā)生激射產(chǎn)生光增益的主要模式,在大電流下,高階模式會與TE0模產(chǎn)生模式競爭,影響光束質(zhì)量),這主要是因?yàn)檎▽?dǎo)使得高階模式被抑制,而且窄波導(dǎo)的遠(yuǎn)場發(fā)光特性優(yōu)于寬波導(dǎo)[27]。如圖2(b)可以看到LD3的遠(yuǎn)場發(fā)光強(qiáng)度比LD2提高了27%。這可能是由LD3中將LD2 n側(cè)內(nèi)外波導(dǎo)由Al0.1Ga0.9As、Al0.2Ga0.8As替換成Ga0.51In0.49As0.9P0.1、Ga0.51In0.49As0.6P0.4形成異質(zhì)波導(dǎo)所致。相比于AlGaAs,GaInAsP能夠提供更小的導(dǎo)帶差和更大的價(jià)帶差,有利于導(dǎo)帶電子的注入和在價(jià)帶中對空穴形成更高的勢壘,提高了輻射復(fù)合概率和載流子限制能力,增強(qiáng)了遠(yuǎn)場光場強(qiáng)度。同時(shí)異質(zhì)波導(dǎo)的存在也增大了波導(dǎo)層對基模TE0的限制作用,使得LD3的TE0模的光限制因子ΓQW明顯增加(ΓQW表示有源區(qū)對光的限制能力),如表2所示。

表2 三種LD結(jié)構(gòu)的光學(xué)限制因子Table 2 Optical limiting factors of three LDs

圖2 三種LD結(jié)構(gòu)的TE0模折射率與近場強(qiáng)分布(a)、遠(yuǎn)場強(qiáng)分布(b),以及光損耗與注入電流的關(guān)系(c)Fig.2 TE0 mode refractive index distributions and near-field intensity distributions (a), far field intensity distributions (b), and optical loss versus injection current (c) for three LDs

光增益與光損耗也是影響LD器件光學(xué)性能的兩個(gè)重要參數(shù),且光增益與光損耗呈正比關(guān)系。如圖2(c)所示光損耗與注入電流的關(guān)系圖,LD2與LD3的光損耗從LD1的22.87 cm-1分別降低至16.22和14.75 cm-1,分別降低了29.0%和35.5%,即LD2、LD3引入GaAs0.9P0.1/In0.22Ga0.78As/GaAs0.75Sb0.25/In0.2Ga0.8As0.9Sb0.1/GaAs0.9P0.1應(yīng)變補(bǔ)償后的器件光損耗明顯低于LD1這種GaAs0.75Sb0.25/In0.2Ga0.8As0.9Sb0.1弱Ⅱ型的量子阱結(jié)構(gòu)。這可能是因?yàn)長D1這種弱Ⅱ型的張應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)存在一定的能帶彎曲,電子和空穴在k空間不同位置,電子躍遷既需要改變能量又需要改變動量,在GaAs0.75Sb0.25兩側(cè)形成了局域態(tài),降低了電子、空穴的復(fù)合概率[28],且由于應(yīng)變的存在會形成大量的位錯(cuò)和缺陷,這將導(dǎo)致激光器中的非輻射復(fù)合增加,進(jìn)而增加激光器的光損耗。而應(yīng)變補(bǔ)償結(jié)構(gòu)將弱Ⅱ型量子阱轉(zhuǎn)換為I型量子阱,使得LD2與LD3的電子與空穴在k空間相同位置,電子的躍遷只需要改變能量不需要改變動量。高空穴遷移率GaAsSb材料和異質(zhì)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)提高了注入效率和載流子限制能力,從而提高了LD2與LD3電子與空穴輻射復(fù)合概率[29],而且經(jīng)過應(yīng)變補(bǔ)償后的量子阱的位錯(cuò)和缺陷密度更低,從而減少了非輻射復(fù)合及載流子輸運(yùn)過程的損失,整體發(fā)光強(qiáng)度得到了提高。此外,LD2和LD3不僅增強(qiáng)了器件的近場發(fā)光強(qiáng)度,而且也減少了自由電子對光子的吸收,從而降低了光損耗。但是由于光損耗與光增益成正比,因此相比LD1,應(yīng)變補(bǔ)償?shù)腖D2與LD3光增益也較低。

2.2 電學(xué)性能

為了研究應(yīng)變補(bǔ)償量子阱與異質(zhì)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)對電學(xué)性能的影響規(guī)律,圖3分別對比了三種結(jié)構(gòu)的IQE、輻射復(fù)合、非輻射復(fù)合、俄歇復(fù)合、有源區(qū)載流子密度、注入效率、泄漏電流密度與LD注入電流的關(guān)系。首先分析IQE對LD電學(xué)性能的影響,IQE直接決定了器件電光轉(zhuǎn)換效率的大小。IQE可由下式表示

(1)

式中:ηinj和ηrad分別是注入效率和輻射復(fù)合效率,Nstin、Nspon、Nnr和Nar分別是受激輻射復(fù)合、自發(fā)輻射復(fù)合、非輻射復(fù)合和俄歇復(fù)合。有源區(qū)的載流子有兩種躍遷過程,一種是使器件發(fā)光的輻射復(fù)合即受激輻射復(fù)合和自發(fā)輻射復(fù)合,另一種就是非輻射復(fù)合,比如俄歇復(fù)合以及有源區(qū)的雜質(zhì)和缺陷引起的非輻射復(fù)合,這種復(fù)合的存在會使IQE降低[30]。此外有源區(qū)的載流子密度、泄漏電流也對IQE造成顯著的影響。與LD1相比,當(dāng)注入電流為6 A時(shí),LD2與LD3的IQE從95.1%分別提高至98.2%和99.4%,分別提高了3.26%和4.52%,如圖3(a)所示。LD2與LD3 IQE的提高主要與輻射復(fù)合的增加、非輻射復(fù)合和俄歇復(fù)合的降低有關(guān)。當(dāng)注入電流為6 A時(shí),LD2與LD3的輻射復(fù)合從4 787 A/cm2分別增加至5 691和6 285 A/cm2,分別增加了18.88%和31.29%,如圖3(b)所示;LD2與LD3的非輻射復(fù)合從65.15 A/cm2分別降低至40.36和31.69 A/cm2,分別降低了38.05%和51.36%,如圖3(c)所示;LD2與LD3的俄歇復(fù)合從45.32 A/cm2分別降低至26.69和19.75 A/cm2,分別降低了41.11%和56.42%,如圖3(d)所示。

由非輻射復(fù)合率的定義Rnr=Cnrnp2及俄歇復(fù)合的定義RA=CAnp(其中Cnr為非輻射復(fù)合系數(shù),CA為俄歇復(fù)合系數(shù),n、p分別為有源區(qū)電子濃度與空穴濃度)可知,非輻射復(fù)合和俄歇復(fù)合的大小主要與有源區(qū)載流子濃度有關(guān)[31-33]。如圖3(e)所示,相比于LD1,LD2與LD3的電子濃度(n2D)從4.22×1012cm-2分別降低至3.26×1012和2.79×1012cm-2,分別降低了22.75%和33.89%;空穴濃度(p2D)由4.05×1012cm-2分別降低至3.11×1012和2.64×1012cm-2,分別降低了23.21%和34.81%。所以非輻射復(fù)合和俄歇復(fù)合的降低主要是由于有源區(qū)電子和空穴濃度的降低。

輻射復(fù)合的大小與注入效率和載流子泄漏有關(guān),其中與注入效率正相關(guān),與泄漏電流密度負(fù)相關(guān)[34-35]。當(dāng)注入電流為6 A時(shí),LD2與LD3的注入效率從97.61%升高至99.38%和99.99%,分別升高了1.8%和2.4%,如圖3(f)所示;LD2與LD3的泄漏電流密度從5×10-4A/cm2分別降低至6.12×10-5和4.72×10-8A/cm2,分別降低了87.76%和99.99%,如圖3(g)所示,正是注入效率的提高及泄漏電流的減少導(dǎo)致了輻射復(fù)合效率增大。LD2注入效率增加和泄漏電流密度降低主要是由于應(yīng)變補(bǔ)償?shù)囊敫淖兞擞性磪^(qū)的能帶結(jié)構(gòu)與注入勢壘高度,提高了電子與空穴的復(fù)合概率和注入效率,降低了因載流子泄漏引起的泄漏電流。LD3注入效率增加和泄漏電流密度降低主要是因?yàn)閚側(cè)使用了導(dǎo)帶差小、價(jià)帶差大的Ga0.51In0.49As0.9P0.1、Ga0.51In0.49As0.6P0.4作為內(nèi)外波導(dǎo),不僅降低了注入勢壘而且也增大了泄漏勢壘,從而提高了注入效率,增強(qiáng)了載流子的限制能力,進(jìn)而降低了泄漏電流。因此,該結(jié)構(gòu)有效增加了有源區(qū)的輻射復(fù)合概率。通過降低非輻射復(fù)合、俄歇復(fù)合、泄漏電流,從而提高IQE。結(jié)果表明應(yīng)變補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的LD2相比于LD1提高了注入效率和載流子的限制能力,從而提高了輻射復(fù)合效率和IQE,而LD3的異質(zhì)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)可以進(jìn)一步提高器件的輻射復(fù)合效率和IQE。

為了進(jìn)一步探究應(yīng)變補(bǔ)償量子阱和異質(zhì)雙窄波導(dǎo)結(jié)構(gòu)對IQE的影響,當(dāng)注入電流為6 A時(shí),三種結(jié)構(gòu)有源區(qū)勢壘的變化高度和能帶特點(diǎn)如圖4(a)所示,分析有源區(qū)能帶結(jié)構(gòu),LD1的電子勢阱與空穴勢阱在空間上略微分離,這主要是由于有源區(qū)中引入了GaAs0.75Sb0.25/In0.2Ga0.8As0.9Sb0.1弱Ⅱ型半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu),使得有源區(qū)能帶發(fā)生彎曲,電子和空穴分別被限制在GaAs0.75Sb0.25和In0.2Ga0.8As0.9Sb0.1不同薄層中,通過調(diào)節(jié)有源區(qū)的厚度有效控制禁帶寬度[36],此時(shí)電子與空穴波函數(shù)重疊度比較低,輻射復(fù)合的概率低。而LD2與LD3引入了GaAs0.9P0.1/In0.22Ga0.78As/GaAs0.75Sb0.25/In0.2Ga0.8As0.9Sb0.1/GaAs0.9P0.1應(yīng)變補(bǔ)償結(jié)構(gòu),應(yīng)變補(bǔ)償?shù)囊?改變了有源區(qū)的能帶結(jié)構(gòu),使得LD器件從弱Ⅱ型轉(zhuǎn)換為了I型,電子與空穴在k空間位置對應(yīng),此時(shí)電子與空穴的波函數(shù)重疊度增大,輻射復(fù)合概率增加,如圖4(b)所示。圖4(b)描述了三種結(jié)構(gòu)有源區(qū)內(nèi)電子與空穴的波函數(shù)重疊情況,因?yàn)槿N結(jié)構(gòu)導(dǎo)帶勢阱底部和價(jià)帶勢阱頂部均是平帶,無能帶彎曲,所以電子與空穴的波函數(shù)最高峰分別對應(yīng)導(dǎo)帶勢阱與價(jià)帶勢阱的最中心處,可以清晰地看到弱Ⅱ型的LD1電子空穴波函數(shù)重疊度遠(yuǎn)小于應(yīng)變補(bǔ)償?shù)腎型LD2、LD3的電子空穴波函數(shù)重疊度[37-39]。LD1、LD2、LD3的電子注入勢壘和空穴注入勢壘分別為235、218、148和232、172、155 meV,降低了電子和空穴注入勢壘,提高了載流子的注入效率。而LD1、LD2、LD3的電子泄漏勢壘和空穴泄漏勢壘分別為218、252、289和219、287、310 meV,電子和空穴泄漏勢壘的提高有效阻止了載流子的泄漏及因載流子泄漏引起的泄漏電流,減小了外延材料的等效電阻。降低注入勢壘和增大泄漏勢壘可以有效提高注入效率(見3(f))并減少載流子泄漏[40],使得器件輻射復(fù)合效率增大、泄漏電流減小,從而提高IQE。LD2相比于LD1,注入勢壘的降低與泄漏勢壘的增大,這是應(yīng)變補(bǔ)償?shù)囊敫淖冇性磪^(qū)能帶所致。相比于LD2,LD3具有更低的載流子注入勢壘和更高的載流子泄漏勢壘,主要是由LD3在n側(cè)采用更小導(dǎo)帶差和更大價(jià)帶差的GaInAsP波導(dǎo)材料所致。

圖4 注入電流為6 A時(shí),三種LD的能帶圖(a)、有源區(qū)電子與空穴的波函數(shù)(b)Fig.4 Energy band diagrams (a), wave functions of electron and hole in the active region (b) of three LDs at injection current 6 A

為了探究應(yīng)變補(bǔ)償和異質(zhì)波導(dǎo)對LD工作電壓、輸出功率和轉(zhuǎn)換效率等電學(xué)性能的影響,分別對比了三種LD器件的工作電壓、輸出功率和電光轉(zhuǎn)換效率與注入電流的關(guān)系,如圖5所示。V-I曲線的斜率是器件的串聯(lián)電阻[41],如圖5(a)所示。在注入電流為6 A時(shí),結(jié)果表明LD2、LD3的工作電壓從1.67 V分別降低到了1.28和1. 21 V,分別降低了23.35%和27.55%,串聯(lián)電阻從0.324 Ω分別降低到了0.213和0.198 Ω,分別降低了34.26%和38.89%。造成這一現(xiàn)象的原因,其一是由于LD1中靠近p側(cè)的GaAsSb勢壘、InGaAsSb勢阱和靠近n側(cè)的GaAsSb勢壘材料本身的電阻大于LD2與LD3靠近p側(cè)的GaAsP勢壘、InGaAs勢阱和靠近n側(cè)的GaAsP勢壘材料的電阻。其二是由于LD1未引入應(yīng)變補(bǔ)償(存在張應(yīng)變),屬于弱Ⅱ型張應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu),其能帶和費(fèi)米能級存在一定的彎曲,從而引入了額外的電阻,使得內(nèi)建電壓偏高,而且張應(yīng)變的存在可能導(dǎo)致雜質(zhì)和缺陷增加,載流子在半導(dǎo)體中的遷移率可能會降低,從而增大LD的工作電壓,而LD2與LD3引入了應(yīng)變補(bǔ)償,使得能帶結(jié)構(gòu)從弱Ⅱ型轉(zhuǎn)換為了I型。其三是LD3相比于LD2在n側(cè)引入了GaInAsP構(gòu)成異質(zhì)雙窄波導(dǎo)結(jié)構(gòu),使得LD3具有更好的載流子注入能力和更高的載流子限制能力,提高了注入效率,降低了載流子泄漏[42]。

圖5 工作電壓(a)、輸出功率(b)和電光轉(zhuǎn)換效率(c)與注入電流的關(guān)系Fig.5 Operating voltage (a), output power (b), electro-optical conversion efficiency (c) versus injection current

提高載流子限制能力將有利于降低閾值電流[43]。光子損耗和載流子損耗決定了閾值電流大小,其中,光子損耗包括有源區(qū)內(nèi)和有源區(qū)外的光吸收,由圖2(c)可知LD3的光子損耗小于LD2小于LD1;而載流子損耗主要來自非輻射復(fù)合、俄歇復(fù)合,以及界面損耗。載流子限制能力的提高和光子損耗的減少使得閾值電流降低[44]。因此,LD3閾值電流(213 mA)小于LD2閾值電流(286 mA),并且小于LD1閾值電流(365 mA),如圖5(b)所示。相比于LD1,LD2與LD3的閾值電流分別降低了21.64%、41.64%。輸出功率是決定大功率LD性能的重要指標(biāo),輸出功率Pout可由如下公式表示。

(2)

式中:ηe為外微分量子效率,hν為光子能量,q為電子電荷,I為激光器的工作電流,Ith為閾值電流?？梢酝ㄟ^降低閾值電流的方式來提高輸出功率[45]。因?yàn)長D3的閾值電流小于LD2小于LD1,所以在工作電流為6 A時(shí),LD3的輸出功率(6.27 W)大于LD2的輸出功率(6.05 W),并且大于LD1的輸出功率(4.39 W)。相比于LD1,LD2與LD3輸出功率分別提高了37.81%、42.82%。

電光轉(zhuǎn)換效率是影響LD器件電學(xué)性能的重要參數(shù)。電光轉(zhuǎn)換效率的公式可以由以下兩種方式表示。

(3)

(4)

式中:Pout為LD的輸出光功率,Pin為LD的輸入功率,V0為開啟電壓,Rs為串聯(lián)電阻,ηi為內(nèi)量子微分效率,αm為腔面損耗,αi為內(nèi)損耗。根據(jù)公式(3)和(4),可以看出提高電光轉(zhuǎn)換效率,可以通過增大輸出光功率或者減小串聯(lián)電阻來實(shí)現(xiàn),也可以通過提高IQE或者減小工作電壓、閾值電流來實(shí)現(xiàn)[46]。由圖3(a)、圖5(b)以及LD1與LD2、LD3的串聯(lián)電阻可知,IQE的增大、輸出功率的增大、串聯(lián)電阻的減小、閾值電流的減小、工作電壓的減小,導(dǎo)致LD3的電光轉(zhuǎn)換效率大于LD2大于LD1。如圖5(c)所示,LD2與LD3的電光轉(zhuǎn)換效率從57.12%分別提高至81.44%和85.39%,分別提高了42.48%和49.49%。

3 結(jié) 論

通過SiLENSe軟件仿真分析發(fā)現(xiàn),將設(shè)計(jì)的新型應(yīng)變補(bǔ)償GaAsP/InGaAs/GaAsSb/InGaAsSb/GaAsP有源區(qū)結(jié)構(gòu)替代傳統(tǒng)弱Ⅱ型的GaAsSb/InGaAaSb/GaAsSb/InGaAaSb/GaAsSb張應(yīng)變有源區(qū)結(jié)構(gòu),可以提高電子的躍遷概率和輻射復(fù)合概率,降低非輻射復(fù)合。在6 A的工作電流下,IQE達(dá)到了98.2%,閾值電流降低了21.64%、串聯(lián)電阻減小了34.26%、輸出功率提高了37.81%、轉(zhuǎn)換效率提高至81.44%。異質(zhì)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)將n側(cè)的AlGaAs內(nèi)外波導(dǎo)用導(dǎo)帶差更小、價(jià)帶差更大的GaInAsP代替,電子和空穴注入勢壘分別由218、172 meV降低到148、155 meV,電子和空穴注入勢壘的降低,提高了載流子的注入效率,此時(shí)注入效率達(dá)到了99.99%。而電子、空穴的泄漏勢壘則分別由252、287 meV增大到289、310 meV,電子和空穴泄漏勢壘的提高有效阻止了載流子的泄漏,泄漏電流密度降低至4.72×10-8A/cm2,增強(qiáng)了載流子限制能力,有效降低了因載流子泄漏引起的泄漏電流。新結(jié)構(gòu)器件獲得的輸出功率達(dá)6.27 W,電光轉(zhuǎn)換效率達(dá)85.39%。因此,應(yīng)變補(bǔ)償銻化物有源區(qū)和異質(zhì)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)提高了載流子注入效率,增大了輻射復(fù)合效率和IQE,有效減少了非輻射復(fù)合,從而提高了LD的輸出功率和電光轉(zhuǎn)換效率,為高性能1060 nm LD結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了理論指導(dǎo)。