吴亚宁,董海亮,2,贾志刚,贾 伟,2,梁 建,许并社,2,4

(1.太原理工大学 新材料界面科学与工程教育部重点实验室,山西 太原 030024;2.山西浙大新材料与化工研究院,山西 太原 030024;3.太原理工大学材料科学与工程学院,山西 太原 030024;4.陕西科技大学 材料原子·分子科学研究所,陕西 西安 710021)

1 引 言

光纤通信已经成为当今社会最主要的有线通信方式,1300 nm半导体激光器作为光纤通信的主要光源,由于其在该领域的应用而备受关注[1-2]。1300 nm波长光纤具有色散损耗以及衰耗低的优点,受到了人们的青睐,所以该波长是光纤通信网络传输的理想波长。因此,制备高性能1300 nm半导体激光器的关键技术是当前的研究重点,具有重要的科学意义和实际应用价值。传统以InP为衬底的InGaAsP/InP材料体系实现1300 nm波长激射,但由于其俄歇复合较高、载流子泄漏严重、价带间吸收以及InGaAsP器件的热稳定性较差,导致其光电性能及可靠性较差[3-4]。对于InGaNAs/GaAs材料体系,由于氮化物系统的缺陷密度高和材料生长的均匀性差,降低了器件的可靠性[5-6]。对于GaAsSb/GaAs材料体系,由于衬底的晶格失配大,量子阱中较高的Sb组分难以用于制备高性能器件,同时,GaAsSb材料受到临界层厚度限制。此外,该体系能带结构呈现Ⅱ型排列,导致其电子限制差,光学性能较差[7-9]。近年来InGaAsSb/GaAsSb材料体系受到了广泛的关注,该材料体系能够更容易的实现波长调节和组分调控,但是由于该材料体系在有源区中应变累积量大,容易产生失配位错。另外,传统中红外器件一般使用窄禁带半导体材料,其载流子吸收和非辐射复合等效应大,导致器件的光电性能下降[10-12]。

为了解决上述问题,本文阱层选用Sb组分的InGaAsSb和GaAsSb,垒层材料选用张应力的GaAsP,补偿阱层所引起的压应力[13]。与传统压应变有源区结构相比,新型有源区结构不仅降低有源区的累计应变量,还能提高势垒层价带带阶,从而改善其光电特性。

2 理论分析

压应变量子阱激光器拥有优异的光电特性,但是当材料的厚度超出一定的范围时,应变的增大使材料的生长质量下降,从而降低该激光器的稳定性[14]。临界厚度指的是当外延层中应力与产生失配位错所需要的张力相等时,外延层厚度就是材料的临界厚度。临界厚度通常采用应变驰豫能量平衡模型来计算,公式如下:

(1)

为了避免超过临界厚度,缓解有源区应变积累效应,Quillec等人在1986年首次在文章中论述了应变补偿假说,即调控势垒层的厚度和应力使其和势阱层的应变量抵消,从而使有源区整体应变量消失[16]。因此,通过对有源区结构参数进行合理选取来实现应变补偿,可以突破临界厚度的限制,进一步改善器件的性能。临界厚度和平均应变两者的关系为:

fave=N(fwtw+fbtb)/H

(2)

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

(3)

其中,fi可表示为:

fi=(ai-as)/as

(4)

其中,ai是第i层的晶格常数;as是衬底的晶格常数。由方程(2)可以看出,当阱层中总压应变和垒层中总张应变大小相等时,可以使得整体结构净应变量为零,在理论上实现无限周期个量子阱[17]。

为了更好地限制载流子,势垒层的带隙宽度必须大于势阱的带隙宽度。由于1300 nm波长相对应的子带跃迁能级差为0.947 eV,因此,垒层的带隙应大于0.947 eV。同时为了满足应变补偿需要,势垒层使用0.8 %张应变的GaAs0.95P0.05材料。当有源区中存在压应变时,由于材料能带之间的偏移比值小,导致有源区对载流子的限制能力比较弱[18]。因此,势垒层引入适量的张应变进行补偿,能够降低有源区中应变量,增大阱层和垒层之间的能阶,加强有源区对载流子束缚,从而使激光器具有较低的损耗和高的光电性能。

本文设计GaAsSb/GaAsP/InGaAsSb应变补偿量子阱结构,中间势阱层中采用6 nm具有3 %的压应变的InGaAsSb材料,两边阱层采用厚度为6 nm且具有0.5 %压应变的GaAsSb材料,垒层采用10 nm且具有0.8 %张应变的GaAsP材料,使得有源区平均应变为零,进而避免了传统压应变量子阱结构超出临界厚度导致应力过大,影响整个量子阱激光器的材料晶体质量,从而影响器件性能的稳定性。

3 软件模拟和器件结构

半导体激光器(LD)的模拟仿真使用SiLENSe软件来模拟仿真,该软件基于一维漂移扩散模型,能够讨论激光器的材料组分、阱宽垒宽和掺杂浓度等参数对内量子效率、输出功率以及电光转换效率等的影响规律,建立外延结构与器件性能关系。

采用6×6的k·p方法,设计1300 nm LD的外延结构,在相同参数条件下,设计了势垒层没有引入张应变补偿的InGaAsSb/GaAsSb结构激光器,标记为LD1,如图1(a)所示。设计的有应变补偿的新结构LD2,如图1(b)所示,其外延参数如表1所示,并计算了其光学和电学性质。设定LD2的基本仿真参数为:电压0～2 V,腔长800 μm,条宽50 μm,量子阱材料的电子迁移率5000 cm2·V-1·s-1,空穴迁移率200 cm2·V-1·s-1,能带偏移的比值为ΔEc/ΔEv=0.7/0.3,电子和空穴的非辐射寿命分别为5.0×10-9s和5.0×10-8s,位错密度100 cm-2,工作温度300 K。

图1 1300 nm 两种LD外延结构示意图

表1 1300 nm新结构LD2的结构参数

4 结果与分析

4.1 光学性能

增益和损耗是体现激光器发光强度的关键参数之一[19]。图2是两种结构LD增益和损耗随电流注入的关系。在图2(a)、(b)中我们可以看到,与LD1相比,LD2的光学增益降低了1.37 %,其光学损耗降低了0.3 cm-1LD2拥有更低的光学损耗。这主要是由于LD1压应变结构的导带带价较小,对电子的限制能力较弱,而在其有源区两边采用GaAsP势垒提高了带阶,提高电子的限制能力,减少载流子的泄露,从而减小了光学损耗[20]。

图2 两种结构LD光学增益和损耗随注入电流变化曲线

4.2 电学性能

为了讨论两种结构的能带结构的变化,揭示对载流子的输运影响。图3为两种不同结构在电流为1.5 A时的能带图,从图中可以看出LD1和LD2的电子注入势垒分别为246 meV和185 meV,电子泄漏势垒分别为132 meV和217 meV。LD2的电子注入势垒降低了24.79 %,电子泄漏势垒提高了39.17 %。LD1和LD2的空穴注入势垒分别为279 meV和140 meV,空穴泄漏势垒分别为344 meV和225 meV。LD2的空穴注入势垒提高了49.8 %。结果表明,LD2能提高载流子的注入效率,增强有源区对载流子的限制能力,阻止其泄漏。这是由于价带空穴进入的势垒降低,导带电子流出的势垒高度增加,使有源区中的载流子产生辐射复合的概率增加。因此,新结构LD2在增加电子和空穴的注入势垒高度的同时,也增加了其抑制泄漏势垒高度,从而有效降低了泄露电流密度和非辐射复合几率[21]。

IQE、非辐射复合、有源区载流子浓度和泄漏电流密度是影响LD电学性能的关键参数。为了探究有源区结构对LD电学性能影响规律,图4(a)～(d)分别对比了两种结构IQE(a)、非辐射复合(b)、有源区载流子浓度(c)和泄漏电流密度(d)与注入电流的关系。结果表明,与传统结构LD1相比,注入电流为1.5 A时,新结构LD2的IQE从95.4 %提高至97.4 %,提高了2.1 %;非辐射复合从69.39 A/cm2降低至39.45 A/cm2,降低了43.14 %;有源区电子浓度(n2D)从4.84×1012cm-2降低至2.31×1012cm-2,降低了52.27 %;空穴浓度(p2D)从4.57×1012cm-2降低至2.14×1012cm-2,降低了53.17 %;泄漏电流密度1.58×10-8A/cm-2降低至6.38×10-9A/cm-2,降低了59.6 %。LD2中IQE的提高受到了非辐射复合和泄漏电流密度两方面因素的影响。非辐射复合速率的大小和载流子的浓度成正比,有源区中载流子浓度降低,空穴注入增加,电子泄漏减少,导致非辐射复合降低,有源区中空穴和电子辐射复合增强,从而提高了IQE。泄漏电流也是影响IQE的因素之一,LD2拥有更小的泄漏电流密度,这是由于LD2中空穴流入变强,电子泄漏受到阻拦,从而加强了有源区中辐射复合效率,导致IQE的提高。因此,采用应变补偿量子阱结构不仅能够降低非辐射复合和泄漏电流密度,而且还提高了IQE[22]。

图5为两个器件的工作电压(a)、输出功率(b)和电光转换效率(c)与注入电流的关系曲线。阈值电流和工作电压是对LD电学性能有着重要的影响作用。如图5(a),在1.5 A的注入电流下,压应变结构LD1阈值电流135 mA,工作电压1.38 V;应变补偿结构LD2阈值电流95 mA,工作电压1.25 V。LD2阈值电流和工作电压明显降低,这是由于载流子和光子损耗影响着阈值电流的大小,而非辐射复合的大小决定了载流子损耗的多少[23],LD2的非辐射复合和光子损耗均小于LD1,从而降低了其阈值电流;载流子注入效率影响着工作电压的大小,LD2结构中电子和空穴的注入效率提高,使载流子更容易被束缚在有源区内,导致工作电压降低。输出功率和电光转换效率也是反映LD性能的重要电学参数。从图5(b)和(c)可以看出,在1.5 A的注入电流下,LD2输出功率从1.07 W提高到1.21 W,提高了13.08 %;LD2电光转换效率从52.1 %提高到64.6 %,提高了23.99 %,器件性能得到了改善。这是由于在有源区引入应变补偿,改善了有源区的能带结构,电子泄漏和光子损耗受到了抑制,辐射复合率和IQE得到了增强,非辐射复合率也相对较小,从而使阈值电流减小,实现高输出功率和高电光转换效率。因此,应变补偿量子阱结构可以降低器件的阈值电流和工作电压,提高输出功率和电光转换效率。

图5 电压、输出功率和电光转换效率随注入电流变化曲线

5 结 论

本文设计1300 nm InGaAsSb和GaAsSb量子阱半导体激光器,其势垒层采用GaAsP材料。对比传统结构,新结构阈值电流从135 mA降低至95 mA,工作电压从1.38 V降低至1.25 V,在1.5 A的注入电流下,其电光转换效率由52.1 %提高至64.6 %,输出功率由1.07 W提高至1.21 W。因此,有源区中引入GaAsSb和GaAsP材料,能够改善能带结构,提高光电性能,从而提高输出功率。未来工作重心将致力于优化波导层结构,探索波导层材料、组分、厚度等参数与LD光电性能的关系,选择合适的波导层结构,进一步提高器件输出特性。这种结构将对制备高性能1300 nm中红外半导体激光器具有重要的理论指导意义。