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(xué) 新材料界面科學(xué)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(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,山西 太原 030024;4.陜西科技大學(xué) 材料原子·分子科學(xué)研究所,陜西 西安 710021)

1 引 言

光纖通信已經(jīng)成為當(dāng)今社會最主要的有線通信方式,1300 nm半導(dǎo)體激光器作為光纖通信的主要光源,由于其在該領(lǐng)域的應(yīng)用而備受關(guān)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(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)睦硐氩ㄩL。因此,制備高性能1300 nm半導(dǎo)體激光器的關(guān)鍵技術(shù)是當(dāng)前的研究重點,具有重要的科學(xué)意義和實際應(yīng)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(fù)合較高、載流子泄漏嚴(yán)重、價帶間吸收以及InGaAsP器件的熱穩(wěn)定性較差,導(dǎo)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(jié)構(gòu)呈現(xiàn)Ⅱ型排列,導(dǎo)致其電子限制差,光學(xué)性能較差[7-9]。近年來InGaAsSb/GaAsSb材料體系受到了廣泛的關(guān)注,該材料體系能夠更容易的實現(xiàn)波長調(diào)節(jié)和組分調(diào)控,但是由于該材料體系在有源區(qū)中應(yīng)變累積量大,容易產(chǎn)生失配位錯。另外,傳統(tǒng)中紅外器件一般使用窄禁帶半導(dǎo)體材料,其載流子吸收和非輻射復(fù)合等效應(yīng)大,導(dǎo)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(yīng)力的GaAsP,補償阱層所引起的壓應(yīng)力[13]。與傳統(tǒng)壓應(yīng)變有源區(qū)結(jié)構(gòu)相比,新型有源區(qū)結(jié)構(gòu)不僅降低有源區(qū)的累計應(yīng)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(yīng)變量子阱激光器擁有優(yōu)異的光電特性,但是當(dāng)材料的厚度超出一定的范圍時,應(yīng)變的增大使材料的生長質(zhì)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(dāng)外延層中應(yīng)力與產(chǎn)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(yīng)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(yīng)變積累效應(yīng),Quillec等人在1986年首次在文章中論述了應(yīng)變補償假說,即調(diào)控勢壘層的厚度和應(yīng)力使其和勢阱層的應(yīng)變量抵消,從而使有源區(qū)整體應(yīng)變量消失[16]。因此,通過對有源區(qū)結(jié)構(gòu)參數(shù)進行合理選取來實現(xiàn)應(yīng)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(yīng)變兩者的關(guān)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(dāng)阱層中總壓應(yīng)變和壘層中總張應(yīng)變大小相等時,可以使得整體結(jié)構(gòu)凈應(yīng)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(yīng)的子帶躍遷能級差為0.947 eV,因此,壘層的帶隙應(yīng)大于0.947 eV。同時為了滿足應(yīng)變補償需要,勢壘層使用0.8 %張應(yīng)變的GaAs0.95P0.05材料。當(dāng)有源區(qū)中存在壓應(yīng)變時,由于材料能帶之間的偏移比值小,導(dǎo)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(yīng)變進行補償,能夠降低有源區(qū)中應(yīng)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(shè)計GaAsSb/GaAsP/InGaAsSb應(yīng)變補償量子阱結(jié)構(gòu),中間勢阱層中采用6 nm具有3 %的壓應(yīng)變的InGaAsSb材料,兩邊阱層采用厚度為6 nm且具有0.5 %壓應(yīng)變的GaAsSb材料,壘層采用10 nm且具有0.8 %張應(yīng)變的GaAsP材料,使得有源區(qū)平均應(yīng)變?yōu)榱?進而避免了傳統(tǒng)壓應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)超出臨界厚度導(dǎo)致應(yīng)力過大,影響整個量子阱激光器的材料晶體質(zhì)量,從而影響器件性能的穩(wěn)定性。

3 軟件模擬和器件結(jié)構(gòu)

半導(dǎo)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(nèi)量子效率、輸出功率以及電光轉(zhuǎn)換效率等的影響規(guī)律,建立外延結(jié)構(gòu)與器件性能關(guān)系。

采用6×6的k·p方法,設(shè)計1300 nm LD的外延結(jié)構(gòu),在相同參數(shù)條件下,設(shè)計了勢壘層沒有引入張應(yīng)變補償?shù)腎nGaAsSb/GaAsSb結(jié)構(gòu)激光器,標(biāo)記為LD1,如圖1(a)所示。設(shè)計的有應(yīng)變補償?shù)男陆Y(jié)構(gòu)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(xué)和電學(xué)性質(zhì)。設(shè)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(jié)構(gòu)示意圖

表1 1300 nm新結(jié)構(gòu)LD2的結(jié)構(gòu)參數(shù)

4 結(jié)果與分析

4.1 光學(xué)性能

增益和損耗是體現(xiàn)激光器發(fā)光強度的關(guān)鍵參數(shù)之一[19]。圖2是兩種結(jié)構(gòu)LD增益和損耗隨電流注入的關(guān)系。在圖2(a)、(b)中我們可以看到,與LD1相比,LD2的光學(xué)增益降低了1.37 %,其光學(xué)損耗降低了0.3 cm-1LD2擁有更低的光學(xué)損耗。這主要是由于LD1壓應(yīng)變結(jié)構(gòu)的導(dǎo)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(xué)損耗[20]。

圖2 兩種結(jié)構(gòu)LD光學(xué)增益和損耗隨注入電流變化曲線

4.2 電學(xué)性能

為了討論兩種結(jié)構(gòu)的能帶結(jié)構(gòu)的變化,揭示對載流子的輸運影響。圖3為兩種不同結(jié)構(gòu)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(jié)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(dǎo)帶電子流出的勢壘高度增加,使有源區(qū)中的載流子產(chǎn)生輻射復(fù)合的概率增加。因此,新結(jié)構(gòu)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(fù)合幾率[21]。

IQE、非輻射復(fù)合、有源區(qū)載流子濃度和泄漏電流密度是影響LD電學(xué)性能的關(guān)鍵參數(shù)。為了探究有源區(qū)結(jié)構(gòu)對LD電學(xué)性能影響規(guī)律,圖4(a)～(d)分別對比了兩種結(jié)構(gòu)IQE(a)、非輻射復(fù)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(guān)系。結(jié)果表明,與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)LD1相比,注入電流為1.5 A時,新結(jié)構(gòu)LD2的IQE從95.4 %提高至97.4 %,提高了2.1 %;非輻射復(fù)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(fù)合和泄漏電流密度兩方面因素的影響。非輻射復(fù)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(dǎo)致非輻射復(fù)合降低,有源區(qū)中空穴和電子輻射復(fù)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(fù)合效率,導(dǎo)致IQE的提高。因此,采用應(yīng)變補償量子阱結(jié)構(gòu)不僅能夠降低非輻射復(fù)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(zhuǎn)換效率(c)與注入電流的關(guān)系曲線。閾值電流和工作電壓是對LD電學(xué)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(yīng)變結(jié)構(gòu)LD1閾值電流135 mA,工作電壓1.38 V;應(yīng)變補償結(jié)構(gòu)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(fù)合的大小決定了載流子損耗的多少[23],LD2的非輻射復(fù)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(jié)構(gòu)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(nèi),導(dǎo)致工作電壓降低。輸出功率和電光轉(zhuǎn)換效率也是反映LD性能的重要電學(xué)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(zhuǎn)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(yīng)變補償,改善了有源區(qū)的能帶結(jié)構(gòu),電子泄漏和光子損耗受到了抑制,輻射復(fù)合率和IQE得到了增強,非輻射復(fù)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(zhuǎn)換效率。因此,應(yīng)變補償量子阱結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換效率。

圖5 電壓、輸出功率和電光轉(zhuǎn)換效率隨注入電流變化曲線

5 結(jié) 論

本文設(shè)計1300 nm InGaAsSb和GaAsSb量子阱半導(dǎo)體激光器,其勢壘層采用GaAsP材料。對比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu),新結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu),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(dǎo)層結(jié)構(gòu),探索波導(dǎo)層材料、組分、厚度等參數(shù)與LD光電性能的關(guān)系,選擇合適的波導(dǎo)層結(jié)構(gòu),進一步提高器件輸出特性。這種結(jié)構(gòu)將對制備高性能1300 nm中紅外半導(dǎo)體激光器具有重要的理論指導(dǎo)意義。