1300 nm應變補償量子阱激光器光電性能研究

吳亞寧,董海亮,2,賈志剛,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,山西 太原 030024;2.山西浙大新材料與化工研究院,山西 太原 030024;3.太原理工大學材料科學與工程學院,山西 太原 030024;4.陜西科技大學 材料原子·分子科學研究所,陜西 西安 710021)

1 引 言

光纖通信已經成為當今社會最主要的有線通信方式,1300 nm半導體激光器作為光纖通信的主要光源,由于其在該領域的應用而備受關注[1-2]。1300 nm波長光纖具有色散損耗以及衰耗低的優(yōu)點,受到了人們的青睞,所以該波長是光纖通信網絡傳輸?shù)睦硐氩ㄩL。因此,制備高性能1300 nm半導體激光器的關鍵技術是當前的研究重點,具有重要的科學意義和實際應用價值。傳統(tǒng)以InP為襯底的InGaAsP/InP材料體系實現(xiàn)1300 nm波長激射,但由于其俄歇復合較高、載流子泄漏嚴重、價帶間吸收以及InGaAsP器件的熱穩(wěn)定性較差,導致其光電性能及可靠性較差[3-4]。對于InGaNAs/GaAs材料體系,由于氮化物系統(tǒng)的缺陷密度高和材料生長的均勻性差,降低了器件的可靠性[5-6]。對于GaAsSb/GaAs材料體系,由于襯底的晶格失配大,量子阱中較高的Sb組分難以用于制備高性能器件,同時,GaAsSb材料受到臨界層厚度限制。此外,該體系能帶結構呈現(xiàn)Ⅱ型排列,導致其電子限制差,光學性能較差[7-9]。近年來InGaAsSb/GaAsSb材料體系受到了廣泛的關注,該材料體系能夠更容易的實現(xiàn)波長調節(jié)和組分調控,但是由于該材料體系在有源區(qū)中應變累積量大,容易產生失配位錯。另外,傳統(tǒng)中紅外器件一般使用窄禁帶半導體材料,其載流子吸收和非輻射復合等效應大,導致器件的光電性能下降[10-12]。

為了解決上述問題,本文阱層選用Sb組分的InGaAsSb和GaAsSb,壘層材料選用張應力的GaAsP,補償阱層所引起的壓應力[13]。與傳統(tǒng)壓應變有源區(qū)結構相比,新型有源區(qū)結構不僅降低有源區(qū)的累計應變量,還能提高勢壘層價帶帶階,從而改善其光電特性。

2 理論分析

壓應變量子阱激光器擁有優(yōu)異的光電特性,但是當材料的厚度超出一定的范圍時,應變的增大使材料的生長質量下降,從而降低該激光器的穩(wěn)定性[14]。臨界厚度指的是當外延層中應力與產生失配位錯所需要的張力相等時,外延層厚度就是材料的臨界厚度。臨界厚度通常采用應變馳豫能量平衡模型來計算,公式如下:

(1)

為了避免超過臨界厚度,緩解有源區(qū)應變積累效應,Quillec等人在1986年首次在文章中論述了應變補償假說,即調控勢壘層的厚度和應力使其和勢阱層的應變量抵消,從而使有源區(qū)整體應變量消失[16]。因此,通過對有源區(qū)結構參數(shù)進行合理選取來實現(xiàn)應變補償,可以突破臨界厚度的限制,進一步改善器件的性能。臨界厚度和平均應變兩者的關系為:

fave=N(fwtw+fbtb)/H

(2)

H=N(tw+tb)/H+tcap

(3)

其中,fi可表示為:

fi=(ai-as)/as

(4)

其中,ai是第i層的晶格常數(shù);as是襯底的晶格常數(shù)。由方程(2)可以看出,當阱層中總壓應變和壘層中總張應變大小相等時,可以使得整體結構凈應變量為零,在理論上實現(xiàn)無限周期個量子阱[17]。

為了更好地限制載流子,勢壘層的帶隙寬度必須大于勢阱的帶隙寬度。由于1300 nm波長相對應的子帶躍遷能級差為0.947 eV,因此,壘層的帶隙應大于0.947 eV。同時為了滿足應變補償需要,勢壘層使用0.8 %張應變的GaAs0.95P0.05材料。當有源區(qū)中存在壓應變時,由于材料能帶之間的偏移比值小,導致有源區(qū)對載流子的限制能力比較弱[18]。因此,勢壘層引入適量的張應變進行補償,能夠降低有源區(qū)中應變量,增大阱層和壘層之間的能階,加強有源區(qū)對載流子束縛,從而使激光器具有較低的損耗和高的光電性能。

本文設計GaAsSb/GaAsP/InGaAsSb應變補償量子阱結構,中間勢阱層中采用6 nm具有3 %的壓應變的InGaAsSb材料,兩邊阱層采用厚度為6 nm且具有0.5 %壓應變的GaAsSb材料,壘層采用10 nm且具有0.8 %張應變的GaAsP材料,使得有源區(qū)平均應變?yōu)榱?進而避免了傳統(tǒng)壓應變量子阱結構超出臨界厚度導致應力過大,影響整個量子阱激光器的材料晶體質量,從而影響器件性能的穩(wěn)定性。

3 軟件模擬和器件結構

半導體激光器(LD)的模擬仿真使用SiLENSe軟件來模擬仿真,該軟件基于一維漂移擴散模型,能夠討論激光器的材料組分、阱寬壘寬和摻雜濃度等參數(shù)對內量子效率、輸出功率以及電光轉換效率等的影響規(guī)律,建立外延結構與器件性能關系。

采用6×6的k·p方法,設計1300 nm LD的外延結構,在相同參數(shù)條件下,設計了勢壘層沒有引入張應變補償?shù)腎nGaAsSb/GaAsSb結構激光器,標記為LD1,如圖1(a)所示。設計的有應變補償?shù)男陆Y構LD2,如圖1(b)所示,其外延參數(shù)如表1所示,并計算了其光學和電學性質。設定LD2的基本仿真參數(shù)為:電壓0～2 V,腔長800 μm,條寬50 μm,量子阱材料的電子遷移率5000 cm2·V-1·s-1,空穴遷移率200 cm2·V-1·s-1,能帶偏移的比值為ΔEc/ΔEv=0.7/0.3,電子和空穴的非輻射壽命分別為5.0×10-9s和5.0×10-8s,位錯密度100 cm-2,工作溫度300 K。

圖1 1300 nm 兩種LD外延結構示意圖

表1 1300 nm新結構LD2的結構參數(shù)

4 結果與分析

4.1 光學性能

增益和損耗是體現(xiàn)激光器發(fā)光強度的關鍵參數(shù)之一[19]。圖2是兩種結構LD增益和損耗隨電流注入的關系。在圖2(a)、(b)中我們可以看到,與LD1相比,LD2的光學增益降低了1.37 %,其光學損耗降低了0.3 cm-1LD2擁有更低的光學損耗。這主要是由于LD1壓應變結構的導帶帶價較小,對電子的限制能力較弱,而在其有源區(qū)兩邊采用GaAsP勢壘提高了帶階,提高電子的限制能力,減少載流子的泄露,從而減小了光學損耗[20]。

圖2 兩種結構LD光學增益和損耗隨注入電流變化曲線

4.2 電學性能

為了討論兩種結構的能帶結構的變化,揭示對載流子的輸運影響。圖3為兩種不同結構在電流為1.5 A時的能帶圖,從圖中可以看出LD1和LD2的電子注入勢壘分別為246 meV和185 meV,電子泄漏勢壘分別為132 meV和217 meV。LD2的電子注入勢壘降低了24.79 %,電子泄漏勢壘提高了39.17 %。LD1和LD2的空穴注入勢壘分別為279 meV和140 meV,空穴泄漏勢壘分別為344 meV和225 meV。LD2的空穴注入勢壘提高了49.8 %。結果表明,LD2能提高載流子的注入效率,增強有源區(qū)對載流子的限制能力,阻止其泄漏。這是由于價帶空穴進入的勢壘降低,導帶電子流出的勢壘高度增加,使有源區(qū)中的載流子產生輻射復合的概率增加。因此,新結構LD2在增加電子和空穴的注入勢壘高度的同時,也增加了其抑制泄漏勢壘高度,從而有效降低了泄露電流密度和非輻射復合幾率[21]。

IQE、非輻射復合、有源區(qū)載流子濃度和泄漏電流密度是影響LD電學性能的關鍵參數(shù)。為了探究有源區(qū)結構對LD電學性能影響規(guī)律,圖4(a)～(d)分別對比了兩種結構IQE(a)、非輻射復合(b)、有源區(qū)載流子濃度(c)和泄漏電流密度(d)與注入電流的關系。結果表明,與傳統(tǒng)結構LD1相比,注入電流為1.5 A時,新結構LD2的IQE從95.4 %提高至97.4 %,提高了2.1 %;非輻射復合從69.39 A/cm2降低至39.45 A/cm2,降低了43.14 %;有源區(qū)電子濃度(n2D)從4.84×1012cm-2降低至2.31×1012cm-2,降低了52.27 %;空穴濃度(p2D)從4.57×1012cm-2降低至2.14×1012cm-2,降低了53.17 %;泄漏電流密度1.58×10-8A/cm-2降低至6.38×10-9A/cm-2,降低了59.6 %。LD2中IQE的提高受到了非輻射復合和泄漏電流密度兩方面因素的影響。非輻射復合速率的大小和載流子的濃度成正比,有源區(qū)中載流子濃度降低,空穴注入增加,電子泄漏減少,導致非輻射復合降低,有源區(qū)中空穴和電子輻射復合增強,從而提高了IQE。泄漏電流也是影響IQE的因素之一,LD2擁有更小的泄漏電流密度,這是由于LD2中空穴流入變強,電子泄漏受到阻攔,從而加強了有源區(qū)中輻射復合效率,導致IQE的提高。因此,采用應變補償量子阱結構不僅能夠降低非輻射復合和泄漏電流密度,而且還提高了IQE[22]。

圖5為兩個器件的工作電壓(a)、輸出功率(b)和電光轉換效率(c)與注入電流的關系曲線。閾值電流和工作電壓是對LD電學性能有著重要的影響作用。如圖5(a),在1.5 A的注入電流下,壓應變結構LD1閾值電流135 mA,工作電壓1.38 V;應變補償結構LD2閾值電流95 mA,工作電壓1.25 V。LD2閾值電流和工作電壓明顯降低,這是由于載流子和光子損耗影響著閾值電流的大小,而非輻射復合的大小決定了載流子損耗的多少[23],LD2的非輻射復合和光子損耗均小于LD1,從而降低了其閾值電流;載流子注入效率影響著工作電壓的大小,LD2結構中電子和空穴的注入效率提高,使載流子更容易被束縛在有源區(qū)內,導致工作電壓降低。輸出功率和電光轉換效率也是反映LD性能的重要電學參數(shù)。從圖5(b)和(c)可以看出,在1.5 A的注入電流下,LD2輸出功率從1.07 W提高到1.21 W,提高了13.08 %;LD2電光轉換效率從52.1 %提高到64.6 %,提高了23.99 %,器件性能得到了改善。這是由于在有源區(qū)引入應變補償,改善了有源區(qū)的能帶結構,電子泄漏和光子損耗受到了抑制,輻射復合率和IQE得到了增強,非輻射復合率也相對較小,從而使閾值電流減小,實現(xiàn)高輸出功率和高電光轉換效率。因此,應變補償量子阱結構可以降低器件的閾值電流和工作電壓,提高輸出功率和電光轉換效率。

圖5 電壓、輸出功率和電光轉換效率隨注入電流變化曲線

5 結 論

本文設計1300 nm InGaAsSb和GaAsSb量子阱半導體激光器,其勢壘層采用GaAsP材料。對比傳統(tǒng)結構,新結構閾值電流從135 mA降低至95 mA,工作電壓從1.38 V降低至1.25 V,在1.5 A的注入電流下,其電光轉換效率由52.1 %提高至64.6 %,輸出功率由1.07 W提高至1.21 W。因此,有源區(qū)中引入GaAsSb和GaAsP材料,能夠改善能帶結構,提高光電性能,從而提高輸出功率。未來工作重心將致力于優(yōu)化波導層結構,探索波導層材料、組分、厚度等參數(shù)與LD光電性能的關系,選擇合適的波導層結構,進一步提高器件輸出特性。這種結構將對制備高性能1300 nm中紅外半導體激光器具有重要的理論指導意義。