叶磊　张殿尧　李晓东　杨渝川　张天

摘 要：980nm波长量子阱激光器常用的有源层材料体系为InGaAs/AlGaAs体系。理论计算与仿真结果表明当有源层量子阱的个数为三个并且垒层材料的铝组分为0.12时，能够获得较低的阈值电流。

关键词：有源层结构；980nm；多量子阱；半导体激光器

1 概述

为了获得更低的阈值电流和更高的出光功率，文中对载流子的泄露和不均衡的载流子分布以及光场限制因子进行分析，并且对量子阱的数目以及垒层材料中的铝组分进行优化仿真，得到最优的输出特性。

2 理论分析

2.1 载流子的泄漏电流

电子电流从N型层注入到量子阱并和量子阱中的空穴复合，因此电子电流密度在量子阱中减小。泄漏电流即是从量子阱中溢出的电流。泄漏电子电流对激光器的光学性能有很大的负面影响。有几种方法可以抑制泄漏电流，如增加势垒层的高度（增大带隙），在有源层与上波导层之间增加一层电流阻挡层都可以有效地抑制泄漏电流。

2.2 载流子分布不均匀

多量子阱激光器有源区的光特性很大程度上受到载流子分布不均匀的影响。增加垒层铝组分使得势垒高度变大，这将使载流子分布对光特性产生的影响更加放大，恶化光特性。载流子分布不均匀也会导致有源区光增益受到影响。为了提高激光器的性能，导带偏置比越靠近0.5左右，载流子分布不均匀的影响将越小。

2.3 光场限制因子

其中E（y）表示光场垂直于结平面的分布。激光器的光场限制因子受垒层、阱层材料的结构参数影响。小的光场限制因子会导致量子阱激光器所需的光增益增大，导致阈值电流密度变大。

2.4 阈值电流密度

其中，Nw表示阱层数目，J0是透明电流密度，ai表示内部损耗，L表示激光器腔长，R1，R2分别表示激光器端面反射率，G0表示材料增益，ΓN表示光场限制因子。

3 仿真结果与分析

3.1 载流子泄漏电流

文章主要是讨论有源区的优化，因此，从增加势垒高度的方法出发来抑制泄漏电流。势垒高度可有导带带阶△Ec反映。器件波导层采用AlGaAs材料。电导越小器件的串联电阻越大，由此激光器的阈值电流也随之增大。

如图1知高Al组分的AlGaAs材料电导率小电阻大，因此将波导层中Al组分取0.18.

温度特性是激光器的一个重要指标，如图2可以看出AlGaAs材料随温度的变化趋势，其在低Al组分的情况下热阻较小，取低Al组分对激光器的输出特性有益。

如图3可知，随着垒层铝组分的增大，量子阱中导带带阶随之线性增大，为了更好地限制载流子，Al组分越高越好，但是垒层带隙高于波导层带隙会抑制载流子注入量子阱，综合上述考虑垒层中铝组分取0.12左右比较适合。

3.2 载流子分布不均匀

如图4，随着Al组分的增加，导带偏置比逐渐向0.5靠拢，综合导带带阶、AlGaAs的电导和热阻，垒层Al组分取0.12较合适。

3.3 光场限制因子

图5显示了不同量子阱数目的有源层的光场限制因子随着垒层Al组分的变化分布图，不难看出随着量子阱数目的增多，光场限制因子逐渐增大，对特定数目的量子阱，其光场限制因子随着垒层Al组分的增加而减小，而当Al组分在0.12左右时减小的幅度最大。

3.4 量子阱数目

由图5可知量子阱数目的增加有利于光场限制因子的增大，提高激光器的输出特性。综合上面的考虑，取垒层Al组分为0.12，垒层厚度为10nm阱层In组分为0.22，阱层厚度为7.6nm，图6为该有源层结构阈值电流密度与量子阱数目的关系分布。

由图可看出阈值电流密度开始随着量子阱个数的增加急剧减小，当量子阱个数超过3个时，阈值电流密度不再急剧减小，而是随着量子阱个数的增加出现缓慢增加，考虑到要实现半导体激光器的低阈值激射和激光器的制作技术，量子阱的个数最终取3。

4 结束语

精确计算了量子阱中导带价带的能级分布，由此确定了阱层材料中In组分为0.22并且阱厚7.6nm时，仿真结果显示峰值波长981nm。综合考虑AlGaAs材料的热阻和电导，确立波导层材料Al组分取0.2，并针对载流子泄漏和其分布不均匀恶化激光器的输出特性来分别提高垒层的带阶和导带偏置比。理论计算了不同量子阱数目时各Al组分对应的光场限制因子，并得出当量子阱数目为3个，垒层Al组分取0.12时得到最低的阈值电流密度。

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作者简介：叶磊（1990-），男，汉族，硕士，主要从事半导体激光器方面的研究。