1 060 nm銻化物應變補償有源區激光二極管仿真及其性能研究

梁財安,董海亮,2,賈志剛,2,賈 偉,2,梁 建,許并社,2,4

(1.太原理工大學新材料界面科學與工程教育部重點實驗室,太原 030024;2.山西浙大新材料與化工研究院,太原 030024;3.太原理工大學材料科學與工程學院,太原 030024;4.陜西科技大學材料原子·分子科學研究所,西安 710021)

0 引 言

1 060 nm激光二極管(laser diode, LD)在軍事、激光醫療、激光通信、光譜、材料加工等領域有著十分重要的應用。目前,輸出功率和電光轉換效率低嚴重制約著1 060 nm大功率LD的進一步發展,其原因有串聯電阻過大引起的焦耳熱[1]、非輻射復合(比如俄歇復合、有源區的雜質和缺陷引起的非輻射復合等)、光子在有源區的反射與吸收,以及光子在波導層的散射損耗等[2]。這些因素還會進一步造成器件的發熱,很容易引起災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換效率是實現高性能LD的前提。

本文通過設計新型有源區結構解決1 060 nm LD電光轉換效率和輸出功率低的關鍵問題。在有源區引入了含Sb的GaAsP/InGaAs/GaAsSb/InGaAsSb/GaAsP應變補償雙量子阱結構,將弱Ⅱ型的量子阱結構變為Ⅰ型,不僅能解決禁帶寬度對激發波長的限制,而且使得電子與空穴的波函數重疊度增大,進而提高了器件的輻射復合概率和內量子效率,降低了非輻射復合,有效增強了器件輸出功率和電光轉換效率。同時,采用非對稱異質雙波導結構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換效率進一步提高[19]。即p側采用導帶差大、價帶差小的AlGaAs作為內、外波導層和限制層,能夠對電子形成良好的限制,且有利于價帶空穴注入有源區。同理,n側采用導帶差小、價帶差大的GaInAsP作為內、外波導層(限制層仍為AlGaAs),有利于導帶電子的注入和在價帶中對空穴形成更高的勢壘,從而提高注入效率,并增強對載流子的限制能力,進而提高輸出功率。

1 器件外延結構設計

有源區引入了含Sb的GaAs0.75Sb0.25/In0.2Ga0.8As0.9Sb0.1雙阱結構,形成弱Ⅱ型半導體異質結構(電子、空穴分別被限制在不同材料中),如圖1(a)所示。在此基礎上將LD1靠近p側的壘阱結構由GaAs0.75Sb0.25/In0.2Ga0.8As0.9Sb0.1替換為GaAs0.9P0.1/In0.22Ga0.78As壘阱,靠近n側的勢壘層由GaAs0.75Sb0.25替換為GaAs0.9P0.1,由公式ε=(a-a0)/a0計算出每個層中的應變,其中,ε是應變,a是層的晶格常數,a0是相應塊體材料的晶格常數。通過計算得出各層應變相互抵消,形成應變補償結構[20],如圖1(b)所示,應變補償的引入改變了有源區的能帶結構,將LD器件由弱Ⅱ型轉變為了含Sb的Ⅰ型異質結構(電子、空穴被限制在同一材料中),同時導致了LD發射波長發生偏移。為了保持LD激發波長不變,應該減小有源區厚度,具體參數如圖所示。采用非對稱異質雙窄波導結構,n側采用導帶差更小、價帶差更大的Ga0.51In0.49As0.9P0.1、Ga0.51In0.49As0.6P0.4作為內、外波導層,p側采用Al0.1Ga0.9As、Al0.2Ga0.8As作為內、外波導層[21]。三種結構的p、n側限制層均為Al0.4Ga0.6As,具體結構及參數如圖1所示。

LD1表示的是弱Ⅱ型的GaAs0.75Sb0.25/In0.2Ga0.8As0.9Sb0.1張應變非對稱雙窄波導結構。LD2是在LD1的基礎上,對有源區進行了優化,引入了GaAs0.9P0.1/In0.22Ga0.78As/GaAs0.75Sb0.25/In0.2Ga0.8As0.9Sb0.1/GaAs0.9P0.1應變補償結構。LD3是在LD2的基礎上優化了波導層,將n側的內、外波導層材料由Al0.1Ga0.9As、Al0.2Ga0.8As替換成Ga0.51In0.49As0.9P0.1、Ga0.51In0.49As0.6P0.4。設計三種結構除有源區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)對三種結構進行了仿真計算。SiLENSe軟件通過一維漂移擴散模型來模擬能帶結構和p-n結偏置電壓如何影響流子濃度分布、載流子電流密度、輻射和非輻射復合率、發射和增益譜,以及LD器件的內部量子效率(internal quantum efficiency, IQE)。該軟件通過仿真波導模式,對比分析LD器件的不同外延結構,分析IQE、電光轉換效率和折射率分布的變化規律。器件腔長設置為1 000 μm,條寬設置為98 μm。

2 模擬結果與分析

2.1 光學性能

為了研究應變補償量子阱結構和異質雙窄波導結構對LD光學性能的影響,分析了三種LD器件的折射率和光場強度分布(a)、遠場強度和發散角(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(但是近場光強的最高峰仍在量子阱內)。這主要是非對稱窄波導造成的,即n側波導厚度大于p側,導致光場分布向n側移動,從而減少p側光場分布,進而減少空穴對光子的吸收以及p側波導層對自由載流子的吸收[22-23]。非對稱窄波導結構在電學方面,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散,這使得載流子可以更加有效地在波導中傳輸。而異質窄波導可以進一步阻止載流子泄漏(電學部分會具體解釋),避免了因載流子的擴散和泄漏導致的能量損失和熱量產生,使得LD器件的發熱問題得到改善[24-26]。由圖1(a)可以看到三種LD器件均只有基模TE0(TE0模是發生激射產生光增益的主要模式,在大電流下,高階模式會與TE0模產生模式競爭,影響光束質量),這主要是因為窄波導使得高階模式被抑制,而且窄波導的遠場發光特性優于寬波導[27]。如圖2(b)可以看到LD3的遠場發光強度比LD2提高了27%。這可能是由LD3中將LD2 n側內外波導由Al0.1Ga0.9As、Al0.2Ga0.8As替換成Ga0.51In0.49As0.9P0.1、Ga0.51In0.49As0.6P0.4形成異質波導所致。相比于AlGaAs,GaInAsP能夠提供更小的導帶差和更大的價帶差,有利于導帶電子的注入和在價帶中對空穴形成更高的勢壘,提高了輻射復合概率和載流子限制能力,增強了遠場光場強度。同時異質波導的存在也增大了波導層對基模TE0的限制作用,使得LD3的TE0模的光限制因子ΓQW明顯增加(ΓQW表示有源區對光的限制能力),如表2所示。

表2 三種LD結構的光學限制因子Table 2 Optical limiting factors of three LDs

圖2 三種LD結構的TE0模折射率與近場強分布(a)、遠場強分布(b),以及光損耗與注入電流的關系(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器件光學性能的兩個重要參數,且光增益與光損耗呈正比關系。如圖2(c)所示光損耗與注入電流的關系圖,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應變補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型的量子阱結構。這可能是因為LD1這種弱Ⅱ型的張應變量子阱結構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GaAs0.75Sb0.25兩側形成了局域態,降低了電子、空穴的復合概率[28],且由于應變的存在會形成大量的位錯和缺陷,這將導致激光器中的非輻射復合增加,進而增加激光器的光損耗。而應變補償結構將弱Ⅱ型量子阱轉換為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材料和異質波導結構提高了注入效率和載流子限制能力,從而提高了LD2與LD3電子與空穴輻射復合概率[29],而且經過應變補償后的量子阱的位錯和缺陷密度更低,從而減少了非輻射復合及載流子輸運過程的損失,整體發光強度得到了提高。此外,LD2和LD3不僅增強了器件的近場發光強度,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,應變補償的LD2與LD3光增益也較低。

2.2 電學性能

為了研究應變補償量子阱與異質波導結構對電學性能的影響規律,圖3分別對比了三種結構的IQE、輻射復合、非輻射復合、俄歇復合、有源區載流子密度、注入效率、泄漏電流密度與LD注入電流的關系。首先分析IQE對LD電學性能的影響,IQE直接決定了器件電光轉換效率的大小。IQE可由下式表示

(1)

式中:ηinj和ηrad分別是注入效率和輻射復合效率,Nstin、Nspon、Nnr和Nar分別是受激輻射復合、自發輻射復合、非輻射復合和俄歇復合。有源區的載流子有兩種躍遷過程,一種是使器件發光的輻射復合即受激輻射復合和自發輻射復合,另一種就是非輻射復合,比如俄歇復合以及有源區的雜質和缺陷引起的非輻射復合,這種復合的存在會使IQE降低[30]。此外有源區的載流子密度、泄漏電流也對IQE造成顯著的影響。與LD1相比,當注入電流為6 A時,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合的增加、非輻射復合和俄歇復合的降低有關。當注入電流為6 A時,LD2與LD3的輻射復合從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。

由非輻射復合率的定義Rnr=Cnrnp2及俄歇復合的定義RA=CAnp(其中Cnr為非輻射復合系數,CA為俄歇復合系數,n、p分別為有源區電子濃度與空穴濃度)可知,非輻射復合和俄歇復合的大小主要與有源區載流子濃度有關[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%。所以非輻射復合和俄歇復合的降低主要是由于有源區電子和空穴濃度的降低。

輻射復合的大小與注入效率和載流子泄漏有關,其中與注入效率正相關,與泄漏電流密度負相關[34-35]。當注入電流為6 A時,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致了輻射復合效率增大。LD2注入效率增加和泄漏電流密度降低主要是由于應變補償的引入改變了有源區的能帶結構與注入勢壘高度,提高了電子與空穴的復合概率和注入效率,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為n側使用了導帶差小、價帶差大的Ga0.51In0.49As0.9P0.1、Ga0.51In0.49As0.6P0.4作為內外波導,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,增強了載流子的限制能力,進而降低了泄漏電流。因此,該結構有效增加了有源區的輻射復合概率。通過降低非輻射復合、俄歇復合、泄漏電流,從而提高IQE。結果表明應變補償結構的LD2相比于LD1提高了注入效率和載流子的限制能力,從而提高了輻射復合效率和IQE,而LD3的異質波導結構可以進一步提高器件的輻射復合效率和IQE。

為了進一步探究應變補償量子阱和異質雙窄波導結構對IQE的影響,當注入電流為6 A時,三種結構有源區勢壘的變化高度和能帶特點如圖4(a)所示,分析有源區能帶結構,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中引入了GaAs0.75Sb0.25/In0.2Ga0.8As0.9Sb0.1弱Ⅱ型半導體異質結構,使得有源區能帶發生彎曲,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,通過調節有源區的厚度有效控制禁帶寬度[36],此時電子與空穴波函數重疊度比較低,輻射復合的概率低。而LD2與LD3引入了GaAs0.9P0.1/In0.22Ga0.78As/GaAs0.75Sb0.25/In0.2Ga0.8As0.9Sb0.1/GaAs0.9P0.1應變補償結構,應變補償的引入,改變了有源區的能帶結構,使得LD器件從弱Ⅱ型轉換為了I型,電子與空穴在k空間位置對應,此時電子與空穴的波函數重疊度增大,輻射復合概率增加,如圖4(b)所示。圖4(b)描述了三種結構有源區內電子與空穴的波函數重疊情況,因為三種結構導帶勢阱底部和價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最高峰分別對應導帶勢阱與價帶勢阱的最中心處,可以清晰地看到弱Ⅱ型的LD1電子空穴波函數重疊度遠小于應變補償的I型LD2、LD3的電子空穴波函數重疊度[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,這是應變補償的引入改變有源區能帶所致。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側采用更小導帶差和更大價帶差的GaInAsP波導材料所致。

圖4 注入電流為6 A時,三種LD的能帶圖(a)、有源區電子與空穴的波函數(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

為了探究應變補償和異質波導對LD工作電壓、輸出功率和轉換效率等電學性能的影響,分別對比了三種LD器件的工作電壓、輸出功率和電光轉換效率與注入電流的關系,如圖5所示。V-I曲線的斜率是器件的串聯電阻[41],如圖5(a)所示。在注入電流為6 A時,結果表明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%。造成這一現象的原因,其一是由于LD1中靠近p側的GaAsSb勢壘、InGaAsSb勢阱和靠近n側的GaAsSb勢壘材料本身的電阻大于LD2與LD3靠近p側的GaAsP勢壘、InGaAs勢阱和靠近n側的GaAsP勢壘材料的電阻。其二是由于LD1未引入應變補償(存在張應變),屬于弱Ⅱ型張應變量子阱結構,其能帶和費米能級存在一定的彎曲,從而引入了額外的電阻,使得內建電壓偏高,而且張應變的存在可能導致雜質和缺陷增加,載流子在半導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引入了應變補償,使得能帶結構從弱Ⅱ型轉換為了I型。其三是LD3相比于LD2在n側引入了GaInAsP構成異質雙窄波導結構,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)和電光轉換效率(c)與注入電流的關系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內和有源區外的光吸收,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合、俄歇復合,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,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。可以通過降低閾值電流的方式來提高輸出功率[45]。因為LD3的閾值電流小于LD2小于LD1,所以在工作電流為6 A時,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%。

電光轉換效率是影響LD器件電學性能的重要參數。電光轉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為串聯電阻,ηi為內量子微分效率,αm為腔面損耗,αi為內損耗。根據公式(3)和(4),可以看出提高電光轉換效率,可以通過增大輸出光功率或者減小串聯電阻來實現,也可以通過提高IQE或者減小工作電壓、閾值電流來實現[46]。由圖3(a)、圖5(b)以及LD1與LD2、LD3的串聯電阻可知,IQE的增大、輸出功率的增大、串聯電阻的減小、閾值電流的減小、工作電壓的減小,導致LD3的電光轉換效率大于LD2大于LD1。如圖5(c)所示,LD2與LD3的電光轉換效率從57.12%分別提高至81.44%和85.39%,分別提高了42.48%和49.49%。

3 結 論

通過SiLENSe軟件仿真分析發現,將設計的新型應變補償GaAsP/InGaAs/GaAsSb/InGaAsSb/GaAsP有源區結構替代傳統弱Ⅱ型的GaAsSb/InGaAaSb/GaAsSb/InGaAaSb/GaAsSb張應變有源區結構,可以提高電子的躍遷概率和輻射復合概率,降低非輻射復合。在6 A的工作電流下,IQE達到了98.2%,閾值電流降低了21.64%、串聯電阻減小了34.26%、輸出功率提高了37.81%、轉換效率提高至81.44%。異質波導結構將n側的AlGaAs內外波導用導帶差更小、價帶差更大的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,此時注入效率達到了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。新結構器件獲得的輸出功率達6.27 W,電光轉換效率達85.39%。因此,應變補償銻化物有源區和異質波導結構提高了載流子注入效率,增大了輻射復合效率和IQE,有效減少了非輻射復合,從而提高了LD的輸出功率和電光轉換效率,為高性能1060 nm LD結構設計提供了理論指導。