1060 nm锑化物应变补偿有源区激光二极管仿真及其性能研究.pdf
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1、第 52 卷 第 9 期2023 年 9 月人工晶体学报JOURNALOFSYNTHETICCRYSTALSVol.52 No.9September,20231 060 nm 锑化物应变补偿有源区激光二极管仿真及其性能研究梁财安1,董海亮1,2,贾志刚1,2,贾 伟1,2,梁 建3,许并社1,2,4(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,太原 030024;2.山西浙大新材料与化工研究院,太原 030024;3.太原理工大学材料科学与工程学院,太原 030024;4.陕西科技大学材料原子分子科学研究所,西安 710021)摘要:本文设计了 GaAs 基 1 060 nm 高性能
2、激光二极管的有源区结构,通过在有源区中引入锑化物的应变补偿结构GaAsP/InGaAs/GaAsSb/InGaAsSb/GaAsP,改变了有源区的能带结构,解决了禁带宽度对发光波长的限制,将弱型的量子阱能带结构变为型,增大了电子空穴的波函数重叠,提高了激光二极管跃迁概率和辐射复合概率及内量子效率,降低了非辐射复合,有效增强了器件输出功率和电光转换效率。同时,设计了非对称异质双窄波导结构,p 侧采用导带差大、价带差小的 AlGaAs 作为内、外波导层,有利于价带空穴注入有源区且对导带中的电子形成良好的限制。n侧采用导带差小、价带差大的 GaInAsP 作为内、外波导层,有利于导带电子的注入且对价
3、带中的空穴形成更高的势垒。电子注入势垒和空穴注入势垒分别由原先的 218、172 meV 降低到 148、155 meV,提高了激光二极管的载流子注入效率;电子泄漏势垒和空穴泄漏势垒分别由 252、287 meV 上升到 289、310 meV,增强了载流子限制能力。最后获得的激光二极管的输出功率和电光转换效率分别达到了 6.27 W 和 85.39%,为制备高性能 GaAs 基 1 060 nm 激光二极管提供了理论指导和数据支撑。关键词:锑化物;应变补偿量子阱结构;非对称异质双窄波导;输出功率;电光转换效率;1 060 nm 激光二极管;大功率中图分类号:TN248.4;TN312+.8;
4、O471文献标志码:A文章编号:1000-985X(2023)09-1624-11Simulation and Performance of 1 060 nm AntimonideStrain-Compensated Active Laser DiodeLIANG Caian1,DONG Hailiang1,2,JIA Zhigang1,2,JIA Wei1,2,LIANG Jian3,XU Bingshe1,2,4(1.Key Laboratory of Interface Science and Engineering in Advanced Materials,Ministry of E
5、ducation,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China;2.Shanxi-Zheda Institute of Advanced Materials and Chemical Engineering,Taiyuan 030024,China;3.College of Materials Science and Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China;4.Institute of Atomic and Molecular Science
6、,Shaanxi University of Science and Technology,Xian 710021,China)收稿日期:2023-03-06 基金项目:国家自然科学基金(61904120,21972103);山西浙大新材料与化工研究院资助项目(2022SX-TD018,2021SX-AT001、002、003);山西省“1331 工程”项目 作者简介:梁财安(1994),男,河南省人,硕士研究生。E-mail:2899137630 通信作者:董海亮,博士,高级实验师。E-mail:Abstract:In this paper,an active region structur
7、e of GaAs-based 1 060 nm high performance laser diode was designed.Anstrain compensation structure of antimonide GaAsP/InGaAs/GaAsSb/InGaAsSb/GaAsP was introduced into the active region,which alter the energy band structure of active region and solve the limitation of bandgap width on emission wavel
8、ength.Theweak type quantum well band structure is transformed into type,and the overlap of the electron and hole wave functionsincrease.The transition probability,radiation recombination probability and internal quantum efficiency are improved,and thenon-radiative recombination is reduced.Therefore,
9、output power and electro-optical conversion efficiency of the device areeffectively enhanced.Additionally,an asymmetric hetero-double narrow waveguide structure was designed.The p-side of thestructure used AlGaAs with large conduction band offset and small valence band offset as the inner and outer
10、waveguide layers,which is beneficial for valence band holes injecting into the active region and restricted electrons in the conduction band.The 第 9 期梁财安等:1 060 nm 锑化物应变补偿有源区激光二极管仿真及其性能研究1625n-side of the structure used GaInAsP with small conduction band offset and large valence band offset as the i
11、nner and outerwaveguide layers,which is beneficial for conduction band electrons injecting into the active region and forming a higherpotential barrier for holes in the valence band.The electrons injection barrier and holes injection barrier are reduced from 218and 172 meV to 148 and 155 meV,respect
12、ively,which improve the carrier injection efficiency.The electron leakage barrierand hole leakage barrier are increased from 252 and 287 meV to 289 and 310 meV,respectively,which enhance carrierconfined ability.Finally,output power and electro-optical conversion efficiency of laser diode reach 6.27
13、W and 85.39%,respectively.The results provide theoretical guidance and data support for achieving high-performance GaAs-based 1 060 nmlaser diode.Key words:antimonide;strain-compensated quantum well structure;asymmetric heterogenous double narrow waveguide;output power;electro-optical conversion eff
14、iciency;1 060 nm laser diode;high power0 引 言1 060 nm 激光二极管(laser diode,LD)在军事、激光医疗、激光通信、光谱、材料加工等领域有着十分重要的应用。目前,输出功率和电光转换效率低严重制约着1 060 nm 大功率 LD 的进一步发展,其原因有串联电阻过大引起的焦耳热1、非辐射复合(比如俄歇复合、有源区的杂质和缺陷引起的非辐射复合等)、光子在有源区的反射与吸收,以及光子在波导层的散射损耗等2。这些因素还会进一步造成器件的发热,很容易引起灾变性端面光损耗问题3。因此,提高 1 060 nm LD 器件的输出功率和电光转换效率是实现
15、高性能 LD的前提。针对 LD 器件输出功率和电光转换效率低的关键问题,研究人员不断对有源区结构改进优化。早期对有源区结构的研究主要倾向于选择合适的材料和组分以满足晶格匹配、临界厚度和禁带宽度等要求。例如,杜瀚洋等4设计并制备了 In 组分为 0.26,临界厚度为 1.2 m 的晶格匹配的 GaInAs/GaAs 大功率量子阱激光器。柳建杰等5研究了有源区材料组分与量子阱临界厚度的关系,证明了晶格失配大的应变量子阱必须考虑临界厚度的影响。Li 等6发现可以通过增大量子阱有源区厚度的方式来提高限制因子和模式增益,使得器件输出功率和转换效率增大,设计并制作了条宽为 150 m,腔长为 1 200
16、m 的双量子阱有源区结构的LD 器件,当波长为 1 070 nm 时,输出功率达到 1.5 W。Qiao 等7设计制作了一个条宽为 100 m,腔长为1 mm的 InGaAs 双量子阱器件,电光转换效率达 47%,实现最大连续输出功率为 2 W。Mala,g 等8发现双量子阱 LD 器件光电转换效率无法进一步提升,主要是由重空穴子带的热激活占据增加,以及在较小程度上对第二量子能级占据造成的,这种占据将有利于减少发散角和限制因子。孙俊华等9提出通过调控有源区势阱内组分,实现轻重空穴子带合并。张敬明等10提出了通过设计多量子阱结构来解决双量子阱光电转换效率无法进一步提升的问题,发现在波长为 1 0
17、60 nm 时连续输出功率达到 5 W,进一步提高了多量子阱 LD 的转换效率。Liu 等11将 InAs/GaAs 量子点充当有源区,研制了 1 080 nm 的大功率 LD,连续输出功率达到3.6 W。近年来,研究焦点转向了有源区中引入应变量或者应变补偿从而提高其光电性能12。例如,Levy等13利用 InGaAlAs/AlGaAs 和 InGaAsP/InGaP 组成的有源区结构讨论了量子阱的压应变和张应变对大功率 LD 增益和透明电流密度的影响,证明了张应变材料增益比压缩应变的好。Park 等14通过对应变补偿型 GaAsSb/GaAs/GaAsP 量子阱的研究,证明了应变补偿量子阱结
18、构比传统量子阱结构拥有更大的光学矩阵元素。能带结构特殊的锑化物结合应变补偿结构,为有源区能带结构设计提供了新的自由度,解决了发光波长受禁带宽度限制、有源区受临界厚度限制的问题,同时提高了有源区电子与空穴的波函数重叠。Zheng等15-16利用 X 射线衍射和光致发光研究了接近 1.1 m 应变补偿量子阱的光学特性,证明了将拉伸应变的GaAsP 层插入 GaAsSb/GaAs 量子阱的有源区形成应变补偿结构,可以有效提高器件的光学质量。Huang等17-18利用金属有机气相外延技术在 GaAs 衬底上生长了 1.3 m 的 GaAsSb/GaAs 传统弱型量子阱和GaAsSb/GaAs/GaAs
19、P 应变补偿量子阱,通过光学表征技术,证明了 GaAsSb/GaAs 弱型量子阱受插入的GaAsP 的影响,可以将弱型结构转变为型结构,提高了器件的辐射复合概率。但是目前对于锑化物激光器的研究大多集中在中红外波段,针对 1 060 nm 波段的大功率锑化物激光器的研究尚存在不足之处。本文通过设计新型有源区结构解决 1 060 nm LD 电光转换效率和输出功率低的关键问题。在有源区引1626研究论文人 工 晶 体 学 报 第 52 卷入了含 Sb 的 GaAsP/InGaAs/GaAsSb/InGaAsSb/GaAsP 应变补偿双量子阱结构,将弱型的量子阱结构变为型,不仅能解决禁带宽度对激发波
20、长的限制,而且使得电子与空穴的波函数重叠度增大,进而提高了器件的辐射复合概率和内量子效率,降低了非辐射复合,有效增强了器件输出功率和电光转换效率。同时,采用非对称异质双波导结构将有利于提高器件的注入效率和载流子限制能力,使得器件输出功率和电光转换效率进一步提高19。即 p 侧采用导带差大、价带差小的 AlGaAs 作为内、外波导层和限制层,能够对电子形成良好的限制,且有利于价带空穴注入有源区。同理,n 侧采用导带差小、价带差大的 GaInAsP 作为内、外波导层(限制层仍为 AlGaAs),有利于导带电子的注入和在价带中对空穴形成更高的势垒,从而提高注入效率,并增强对载流子的限制能力,进而提高
21、输出功率。1 器件外延结构设计有源区引入了含 Sb 的 GaAs0.75Sb0.25/In0.2Ga0.8As0.9Sb0.1双阱结构,形成弱型半导体异质结构(电子、空穴分别被限制在不同材料中),如图 1(a)所示。在此基础上将 LD1 靠近 p 侧的垒阱结构由GaAs0.75Sb0.25/In0.2Ga0.8As0.9Sb0.1替换为 GaAs0.9P0.1/In0.22Ga0.78As 垒阱,靠近 n 侧的势垒层由 GaAs0.75Sb0.25替换为 GaAs0.9P0.1,由公式 =(a-a0)/a0计算出每个层中的应变,其中,是应变,a 是层的晶格常数,a0是相应块体材料的晶格常数。通
22、过计算得出各层应变相互抵消,形成应变补偿结构20,如图 1(b)所示,应变补偿的引入改变了有源区的能带结构,将 LD 器件由弱型转变为了含 Sb 的型异质结构(电子、空穴被限制在同一材料中),同时导致了 LD 发射波长发生偏移。为了保持 LD 激发波长不变,应该减小有源区厚度,具体参数如图所示。采用非对称异质双窄波导结构,n 侧采用导带差更小、价带差更大的 Ga0.51In0.49As0.9P0.1、Ga0.51In0.49As0.6P0.4作为内、外波导层,p 侧采用 Al0.1Ga0.9As、Al0.2Ga0.8As 作为内、外波导层21。三种结构的p、n 侧限制层均为 Al0.4Ga0.
23、6As,具体结构及参数如图 1 所示。图 1 LD1(a)、LD2(b)和 LD3(c)的外延结构示意图Fig.1 Schematic diagrams of epitaxial structure of LD1(a),LD2(b),and LD3(c)LD1 表示的是弱型的 GaAs0.75Sb0.25/In0.2Ga0.8As0.9Sb0.1张应变非对称双窄波导结构。LD2 是在 LD1 的基础上,对有源区进行了优化,引入了 GaAs0.9P0.1/In0.22Ga0.78As/GaAs0.75Sb0.25/In0.2Ga0.8As0.9Sb0.1/GaAs0.9P0.1应变补偿结构。LD
24、3 是在 LD2 的基础上优化了波导层,将 n 侧的内、外波导层材料由 Al0.1Ga0.9As、Al0.2Ga0.8As替换成 Ga0.51In0.49As0.9P0.1、Ga0.51In0.49As0.6P0.4。设计三种结构除有源区以外各层厚度和掺杂浓度相同,并利用仿真软件 SiLENSe(simulator of light emitters based on nitride semiconductors)对三种结构进行了仿真计算。SiLENSe 软件通过一维漂移扩散模型来模拟能带结构和 p-n 结偏置电压如何影响流子浓度分布、载流子电流密度、辐射和非辐射复合率、发射和增益谱,以及 L
25、D 器件的内部量子效率(internal quantum efficiency,第 9 期梁财安等:1 060 nm 锑化物应变补偿有源区激光二极管仿真及其性能研究1627IQE)。该软件通过仿真波导模式,对比分析 LD 器件的不同外延结构,分析 IQE、电光转换效率和折射率分布的变化规律。器件腔长设置为 1 000 m,条宽设置为 98 m。表 1 GaAs 基锑化物 1 060 nm LD 外延参数Table 1 Epitaxial parameters of GaAs based antimonide 1 060 nm LDLayerThickness/nmDoping density/
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