1.3μm InGaAsSb/GaAsSb 量子阱激光器有源區結構設計

2023年12月13日發(作者：紅山口會議)

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1.3μm InGaAsSb／GaAsSb 量子阱激光器有源區結構設計

何斌太;劉國軍;魏志鵬;劉超;安寧;劉鵬程;王旭

【摘 要】為了研制滿足光纖通訊需求的高性能半導體激光器，對壓應變

InGaAsSb ／GaAsSb 量子阱激光器有源區進行了研究。根據應變量子阱能帶理論、固體模型理論和克龍尼克－潘納模型，確定了激射波長與量子阱材料組分及阱寬的關系。基于 Lastip 軟件建立了條寬為50μm、腔長為800μm 的半導體激光器仿真模型，模擬器件的輸出特性，討論了量子阱個數對器件光電特性的影響。結果表明：當量子阱組分為 In0.44 Ga0.56 As0.92 Sb0.08／GaAs0.92 Sb0.08、阱寬為9 nm、量子阱個數為2時，器件的性能達到最佳，閾值電流為48 mA，斜率效率為0.76 W／A。

【期刊名稱】《激光與紅外》

【年(卷),期】2015(000)005

【總頁數】4頁(P505-508)

【關鍵詞】半導體激光器;InGaAsSb /GaAsSb;量子阱;有源區

【作 者】何斌太;劉國軍;魏志鵬;劉超;安寧;劉鵬程;王旭

【作者單位】長春理工大學 高功率半導體激光國家重點實驗室，吉林 長春

130022;長春理工大學 高功率半導體激光國家重點實驗室，吉林 長春 130022;長春理工大學 高功率半導體激光國家重點實驗室，吉林 長春 130022;長春理工大學

高功率半導體激光國家重點實驗室，吉林 長春 130022;長春理工大學 高功率半導體激光國家重點實驗室，吉林 長春 130022;長春理工大學 高功率半導體激光國家重點實驗室，吉林 長春 130022;長春理工大學 高功率半導體激光國家重點實驗室，吉林 長春 130022

【正文語種】中 文

【中圖分類】TN365

1 引言

如今光纖通信已經成為當代通信主流，半導體激光器作為光纖通信系統中非常重要的光源，極大地推動了信息光電子技術的發展，應用范圍覆蓋了整個光電子學領域。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，因此該波段的半導體激光器在中遠距離高速數據通信、光互聯、光并行處理和光識別等方面有著廣闊的應用前景［1－3］。目前已經報道了利用InGaNAs/GaAs材料系［4－7］和GaAsSb/GaAs材料系［8－9］來實現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，導致器件的可靠性受到很大影響［10－11］;GaAsSb/GaAs材料系的能帶結構呈II型排列，發光性能較差［12］。鑒于以上材料的缺陷，為了研制滿足光纖通信應用要求的高性能1.3μm波段半導體激光器，亟需找到一種新材料來實現該波長的激射。

InGaAsSb材料擁有兩個獨立的組分變量，能在較寬的范圍內調節材料的晶格常數和能帶帶隙，波長范圍覆蓋了0.87～6.89μm，可以較容易地實現波長調節且組分易于控制，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材料，對有源區材料組分以及量子阱個數進行設計，基于Lastip軟件建立了激光器仿真模型，分析有源區結構對器件性能的影響。

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AB y C1－y三元化合物和A x B1－x C y D1－y四元化合物材料來說，晶格常數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Moon公式進行一定修正。

由于勢阱為In x Ga1－x As y Sb1－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勢壘進行計算。

2.2 阱材料組分和阱寬的確定

根據應變量子阱能帶理論［14］，In x Ga1－x As y Sb1－y材料的應變帶隙為:

式中，Eg0為材料非應變帶隙;ac為導帶的靜壓力形變勢;av為價帶的靜壓力形變勢;b為切變形變勢;C11和C12為彈性應變系數;ε為失配度。除E g0外其他參數可以用二元系材料的數值進行插值。所用二元化合物材料的參數如表1所示。

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

compoundsGaAs GaSb InAs InSb a /nm 0.56533 0.60959 0.60583 0.64794

Eg/eV 1.424 0.750 0.354 0.180 ac/eV －7.17 －7.50 －5.08 －6.94 av/eV －1.16 －0.80 －1.00 －0.36 b /eV －2.00 －2.00 －1.80 －2.00 C11/GPa 1221

884.2 832.9 684.7 C12/GPa 566 402.6 452.6 373.5

考慮到量子尺寸效應，與1.3μm波長相對應的In x Ga1－x As y Sb1－y材料應變帶隙要小于0.95 eV。圖2為In x Ga1－x As y Sb1－y材料的應變帶隙圖，圖2為不同應變帶隙所對應的材料組分。根據圖1和圖2可以確定與特定激射波長相對應的阱材料組分。

圖1 In x Ga1－x As y Sb1－y材料應變帶隙Fig.1 In x Ga1－x As y Sb1－y

material strain bandgap

圖2 不同應變帶隙所對應的材料組分Fig.2 the material component of the

different strain bandgap

根據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，從而確定相應的激射波長與量子阱組分及阱寬的關系。圖3為不同組分In x Ga1－x As y Sb1－y/GaAsSb量子阱激射波長與阱寬之間的關系。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，設計時量子阱寬度應該取整數納米。從圖中可以看出，阱寬為8 nm的In0.47 Ga0.53 As0.92 Sb0.08和阱寬為9 nm的In0.44Ga0.56As0.92Sb0.08這兩種結構符合要求。對于大應變InGaAsSb/GaAsSb材料體系，在As組分一定情況下，In組分越大應變就越大，為了盡量減小晶格失配，采用了In0.44 Ga0.56 As0.92 Sb0.08材料。

2.3 器件結構參數

根據上述分析，量子阱激光器有源區結構采用In0.44Ga0.56As0.92

Sb0.08/GaAs0.92 Sb0.08材料作為有源材料。為了研究有源區量子阱個數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，采用分別限制結構來增強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。考慮到材料的臨界厚度，量子阱個數從1到4。器件的詳細結構參數如表2所示。

表2 In0．44Ga0．56As0．92Sb0．08/GaAs0．92Sb0．08量子阱激光器結構參數Tab．2 the structure parameters of In0．44 Ga0．56 As0．92

Sb0．08/GaAs0．92 Sb0．08 quantum well lar材料 厚度/nm 摻雜/cm－3結構名稱p－GaAs 300 1×1019 p－Cap layer p－Al0.37Ga0.63As 1500

1×1018 p－Clading layer p－GaAs 100 none Guide layer InGaAsSb/GaAsSb

9/14 none Active region n－GaAs 100 none Guide layer n－Al0.37 Ga0.63

As 1500 1×1018 n－Clading layer n－GaAs 500 1×1018 n－Buffer layer n－GaAs 2×1018 Substrate

3 輸出特性模擬與結果分析

根據表2所示的結構參數，利用Lastip軟件建立了In0.44 Ga0.56 As0.92

Sb0.08/GaAs0.92 Sb0.08量子阱激光器仿真模型。模擬不同量子阱個數下，量子阱激光器光學及電學特性，仿真結果如圖4～6所示。

圖4為器件P－I曲線隨量子阱個數的變化圖。從圖中看出隨著量子阱個數的增加，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目成正比，導致器件閾值電流增加。由于單量子阱結構隨著注入電流的增加，在較低的電流下就會出現增益飽和現象，為了提高工作電流，一般采用多量子阱結構。

圖4 器件P－I曲線與量子阱個數的關系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的關系圖。通過計算P－I曲線的斜率效率，發現隨著量子阱個數的增加，斜率效率先增大后減小。這是由于量子阱個數增加不能使得所有阱區位置都與電學區域中波形的峰值位置相重疊，偏離峰值位置越遠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的關系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變化的關系圖，從圖中可以看出閾值電流密度隨著量子阱個數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體激光器的標志參數，降低閾值電流密度有利于降低器件的發熱，尤其對高功率器件而言。因此適當的選擇量子阱的個數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的關系Fig.6 Relations between the threshold

current density and the number of quantum well

4 結論

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結構進行研究，對比不同組分的In x Ga1－x As y Sb1－y/GaAsy Sb1－y量子阱材料的發光波長，確定了波長與量子阱材料的組分和量子阱的阱寬的關系，并討論了量子阱個數對激光器光學及電學特性的影響。結果表明，當量子阱組分為In0.44Ga0.56 As0.92Sb0.08/GaAs0.92Sb0.08、阱寬為9 nm、量子阱個數為2時，器件的綜合性能達到最佳，其中閾值電流為48 mA，斜率效率為0.76 W/A。該設計具有較好的輸出特性，對研制滿足中遠距離光纖通訊技術需求的半導體激光器光源具有一定的指導意義。

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