1.3μm InGaAsSb/GaAsSb量子阱激光器有源区结构设计

何斌太，刘国军，魏志鹏，刘 超，安 宁，刘鹏程，王 旭

(长春理工大学高功率半导体激光国家重点实验室，吉林长春130022)

1 引言

如今光纤通信已经成为当代通信主流，半导体激光器作为光纤通信系统中非常重要的光源，极大地推动了信息光电子技术的发展，应用范围覆盖了整个光电子学领域。1.3μm波段近红外光在石英光纤传输中损耗很低且色散为零，因此该波段的半导体激光器在中远距离高速数据通信、光互联、光并行处理和光识别等方面有着广阔的应用前景［1－3］。目前已经报道了利用InGaNAs/GaAs材料系［4－7］和GaAsSb/GaAs材料系［8－9］来实现1.3μm波长激射。然而InGaNAs/GaAs材料系中N组分对材料增益峰值波长影响明显且在生长过程中组分不易控制，导致器件的可靠性受到很大影响［10－11］;GaAsSb/GaAs材料系的能带结构呈II型排列，发光性能较差［12］。鉴于以上材料的缺陷，为了研制满足光纤通信应用要求的高性能1.3μm波段半导体激光器，亟需找到一种新材料来实现该波长的激射。

InGaAsSb材料拥有两个独立的组分变量，能在较宽的范围内调节材料的晶格常数和能带带隙，波长范围覆盖了0.87～6.89μm，可以较容易地实现波长调节且组分易于控制，是一种非常重要的化合物材料［13］。本文提出以InGaAsSb作为量子阱激光器有源区材料，对有源区材料组分以及量子阱个数进行设计，基于Lastip软件建立了激光器仿真模型，分析有源区结构对器件性能的影响。

2 理论分析

2.1 势阱和势垒材料的选取

材料选择主要考虑材料的晶格匹配和能带带隙这两个因素。对于AByC1－y三元化合物和AxB1－xCyD1－y四元化合物材料来说，晶格常数可以通过维嘉定律求得，然而能带带隙不完全符合维嘉定律，可以根据Moon公式进行一定修正。

由于势阱为InxGa1－xAsySb1－y，为了更好限制载流子，势垒的禁带宽度必须大于势阱的禁带宽度。与1.3μm波长相对应的子带跃迁能级差为0.95 eV，GaAsSb的能带带隙随着Sb组分的增加逐渐减小，同时过高Sb组分会增大与衬底的晶格失配度。随着x、y变化，势阱和衬底有不同的失配度。为满足不间断生长工艺的要求，保持量子阱中阱和垒y相同，经过分析了材料的晶格匹配和能带带隙，本文取GaAs0.92Sb0.08势垒进行计算。

2.2 阱材料组分和阱宽的确定

根据应变量子阱能带理论［14］，InxGa1－xAsySb1－y材料的应变带隙为:

式中，Eg0为材料非应变带隙;ac为导带的静压力形变势;av为价带的静压力形变势;b为切变形变势;C11和C12为弹性应变系数;ε为失配度。除Eg0外其他参数可以用二元系材料的数值进行插值。所用二元化合物材料的参数如表1所示。

表1 二元化合物的材料参数Tab．1 Material parameters of binary compounds

考虑到量子尺寸效应，与1.3μm波长相对应的InxGa1－xAsySb1－y材料应变带隙要小于0.95 eV。图2为InxGa1－xAsySb1－y材料的应变带隙图，图2为不同应变带隙所对应的材料组分。根据图1和图2可以确定与特定激射波长相对应的阱材料组分。

图1 In x Ga1－x As y Sb1－y材料应变带隙Fig.1 In x Ga1－x As y Sb1－y material strain bandgap

图2 不同应变带隙所对应的材料组分Fig.2 the material component of the different strain bandgap

根据固体模型理论和克龙尼克－潘纳模型［15－16］，计算出能带带阶及量子化子能级，从而确定相应的激射波长与量子阱组分及阱宽的关系。图3为不同组分InxGa1－xAsySb1－y/GaAsSb量子阱激射波长与阱宽之间的关系。在组分一定的情况下，随着阱宽的增加，激射波长向长波方向移动。

图3 In x Ga1－x As y Sb1－y/GaAsSb量子阱激射波长与阱宽之间的关系Fig.3 Relations between the lasing wavelength and the well width of In x Ga1－x As y Sb1－y/GaAsSb quantum well

考虑到外延生长过程中的厚度误差，设计时量子阱宽度应该取整数纳米。从图中可以看出，阱宽为8 nm的In0.47Ga0.53As0.92Sb0.08和阱宽为9 nm的In0.44Ga0.56As0.92Sb0.08这两种结构符合要求。对于大应变InGaAsSb/GaAsSb材料体系，在As组分一定情况下，In组分越大应变就越大，为了尽量减小晶格失配，采用了In0.44Ga0.56As0.92Sb0.08材料。

2.3 器件结构参数

根据上述分析，量子阱激光器有源区结构采用In0.44Ga0.56As0.92Sb0.08/GaAs0.92Sb0.08材料作为有源材料。为了研究有源区量子阱个数对激光器输出特性的影响，本文以条宽为50μm，腔长为800μm的器件为例，采用分别限制结构来增强对光子和电子的限制作用，提高光场限制因子，降低阈值电流。考虑到材料的临界厚度，量子阱个数从1到4。器件的详细结构参数如表2所示。

表2 In0．44Ga0．56As0．92Sb0．08/GaAs0．92Sb0．08量子阱激光器结构参数Tab．2 the structure parameters of In0．44 Ga0．56 As0．92 Sb0．08/GaAs0．92 Sb0．08 quantum well laser

3 输出特性模拟与结果分析

根据表2所示的结构参数，利用Lastip软件建立了In0.44Ga0.56As0.92Sb0.08/GaAs0.92Sb0.08量子阱激光器仿真模型。模拟不同量子阱个数下，量子阱激光器光学及电学特性，仿真结果如图4～6所示。

图4为器件P－I曲线随量子阱个数的变化图。从图中看出随着量子阱个数的增加，器件阈值电流也逐渐增加。这是由于器件总透过电流与量子阱的数目成正比，导致器件阈值电流增加。由于单量子阱结构随着注入电流的增加，在较低的电流下就会出现增益饱和现象，为了提高工作电流，一般采用多量子阱结构。

图4 器件P－I曲线与量子阱个数的关系Fig.4 Relations between the P－I curve of device and the number of quantum well

图5 为器件斜率效率与量子阱个数的关系图。通过计算P－I曲线的斜率效率，发现随着量子阱个数的增加，斜率效率先增大后减小。这是由于量子阱个数增加不能使得所有阱区位置都与电学区域中波形的峰值位置相重叠，偏离峰值位置越远的量子阱增益效率越低，使得斜率效率将会随之下降。

图5 斜率效率与量子阱个数的关系Fig.5 Relations between the slope efficiency and the number of quantum well

图6 为300 K时阈值电流密度随量子阱个数变化的关系图，从图中可以看出阈值电流密度随着量子阱个数的增加先急剧降低再逐渐缓慢升高。阈值电流密度作为半导体激光器的标志参数，降低阈值电流密度有利于降低器件的发热，尤其对高功率器件而言。因此适当的选择量子阱的个数对激光器的特性来说非常重要。

图6 阈值电流密度与量子阱个数的关系Fig.6 Relations between the threshold current density and the number of quantum well

4 结论

本文通过理论计算与软件模拟对InGaAsSb/GaAsSb量子阱激光器有源区结构进行研究，对比不同组分的InxGa1－xAsySb1－y/GaAsySb1－y量子阱材料的发光波长，确定了波长与量子阱材料的组分和量子阱的阱宽的关系，并讨论了量子阱个数对激光器光学及电学特性的影响。结果表明，当量子阱组分为In0.44Ga0.56As0.92Sb0.08/GaAs0.92Sb0.08、阱宽为9 nm、量子阱个数为2时，器件的综合性能达到最佳，其中阈值电流为48 mA，斜率效率为0.76 W/A。该设计具有较好的输出特性，对研制满足中远距离光纤通讯技术需求的半导体激光器光源具有一定的指导意义。

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