一种1064nm应变双量子阱激光器的设计与制作

陈福川 石英亮

【摘要】为能得窄谱宽、高亮度的1064nm-InGaAs/GaAs应变双量子阱激光器，分析了In组份与临界厚度、应变量的变化关系，并给出了In组份的选择范围。采用Kane模型给出了量子阱中第一分立能级分裂宽度与垒宽的关系，明确了应变双量子阱激光器中垒宽的选择。最后，通过金属有机气相沉积（MOCVD）法生长了1064nm应变双量子阱激光器，实验结果与理论计算的辐射波长值基本吻合。

【关键词】InGaAs;应变双量子阱;1064nm;半导体激光器

1.引言

辐射波长范围覆盖900nm～1100nm的InGaAs/GaAs应变量子阱结构是目前的研究热点之一[1-4]，其中该类结构的1064nm半导体激光器作为光纤激光器的理想种子光源之一，常被要求具有高亮度、窄谱宽、输出波长稳定可靠等特性。与应变单量子阱结构相比，应变多量子阱结构具有更高的模式增益、更窄的输出谱宽、更宽的调制带宽等优点[3-5]，因此本文设计并制作了1064nm应变双量子阱激光器。在应变双量子阱结构中，垒宽、阱宽和材料组份均对能带结构有影响，为了得到输出波长可靠的1064nm应变双量子阱激光器，对其结构分析将具有非常重要的实际意义。本文针对InGaAs/GaAs应变双量子阱结构，分析了In組份与临界厚度、应变量的变化关系，并采用三带Kane模型讨论了垒宽对量子阱中第一分立能级发生分裂的影响;然后，计算了输出波长与垒宽固定时，In组份与阱宽的变化关系;最后，设计并生长了合适结构的1064nm应变双量子阱激光器。

2.基本参量推导

文中InxGa1-xAs的材料参数均由相关二元化合物的材料参数通过线性插值法求得，其插值公式如下：

（1）

式中d为弯曲参数，d=0表示该项无弯曲参数。计算时所需材料参数如表1所示[6-8]，所有材料参数的背景温度均为300K。

2.1 应变效应下的有效禁带宽度

应变的存在使晶格常数不同的材料得以匹配，从而改善器件的性能。发生应变时，轴向应力Pε使整个价带边下降或者上升，应变的切向分量Qε使轻、重空穴带的简并被消除。在InGaAs/GaAs应变双量子阱结构中，InxGa1-xAs阱层的晶格常数恒大于GaAs垒层，则阱层发生的是压应变，垒层在实际制作中通常保持无应变[7]。压应变时，重空穴带在轻空穴带之上，这时辐射波长主要由重空穴带与导带之间的跃迁能级决定。那么阱层InGaAs材料发生压应变后跃迁能级的有效禁带宽度为[5]：

（2）

应变引起的能带漂移量为：

（3）

式中，是生长界面内的应变量，它决定了该层材料的应变类型;，表示生长方向的应变量。aa、ab表示两种相邻生长层材料的晶格常数，C12、C11表示材料的弹性模量，ac、av分别表示导带和价带的流体静压势，b为剪切形势变，Eg表示无应变时材料的有效禁带宽度。

应变效应存在一个临界厚度hl，当阱层厚度超过hl时，生长界面将产生大量位错，致使器件性能变坏。根据Matthews模型[5]，临界厚度hl可表示为：

（4）

式中a表示材料的晶格常数，K为常数，多量子阱时为2，单应变层时为4。

2.2 双量子阱中的分立能级

对于具有直接能隙结构的InGaAs和GaAs材料，这里采用了三带Kane模型进行计算，与Kronig-Penney模型[8]相比，Kane模型引入了电子有效质量与能量的关系，更能反映出量子阱结构参数改变引起的能带变化。通过解三带Kane模型可得双量子阱中分立能级的本征解表达式如下[9]：

（5）

（6）

（7）

式中，符号右下标时，分别对应导带和重空穴带的相关参数，E为待求解的分立能级，表示约化普朗克常数，Δa、Δb分别表示阱层和垒层材料的自旋耦合分裂值， Ebch表示垒层材料的禁带宽度，其他参数定义与前面相同;等式（5）、（6）分别表示对称态和反对称态的本征方程;阱层材料的重空穴有效质量mah由表1中的Luttinger参数求得;Pa、Pb是与阱层、垒层材料相关的Kane参数，表1已经给出;重空穴带和导带的带阶ΔEh、ΔEc可表示为：，能带偏置比Qc取0.6[7]，Qh则取0.4。

由于激光器的辐射波长主要由量子阱中导带的第一分立能级c1与重空穴带第一分立能级h1之间的跃迁光子能量决定，因此辐射波长为：

（8）

式中Ec1、Eh1是由等式（5）或（6）求解得到的第一分立能级值。

图1 临界厚度hl、应变量大小|ε‖|与In组份（X）的关系

图2 阱层有效禁带宽度Each与In组份（X）的关系

3.理论计算与结果分析

图1为临界厚度hl、应变量大小|ε‖|与In组份的变化关系。在实际材料生长过程，应变量的值超过3%时，材料的成核生长就会变得困难，为了得到高质量的生长层，从图1可知In组份应该小于0.4。根据等式（2）可得，In组份为0到0.4时，阱层有效禁带宽度与In组份的变化关系如图2所示，虚线表示辐射波长为1064nm的跃迁光子能量。在量子阱中，跃迁光子能量大于有效禁带宽度，又由等式（8）可知，辐射波长与跃迁光子能量成反比，因此要得到辐射波长为1064nm的应变双量子阱激光器，阱层有效禁带宽度Each应选择图2中虚线以下的值，即In组份应该在0.24～0.4之间。

（a）重空穴第一分立能级Eh1的分裂宽度与垒宽的关系

（b）导带第一分立能级Ec1的分裂宽度与垒宽的关系

图3 第一分立能级的分裂宽度与垒宽的关系

图4 固定垒宽、辐射波长时，阱宽与In组份（X）的关系

图5 器件结构

在应变双量子阱激光器的设计中，垒宽对量子阱中分立能级的影响如图3所示，它是由等式（5）～（7）求解得到的第一分立能级与垒宽的关系。从图3可知，重空穴带与导带的第一分立能级均随垒宽的减小发生分裂，并且相同阱宽、垒宽下，分立能级的分裂宽度随In组份增大而减小。分裂宽度说明了势阱之间耦合作用的强弱，垒宽越小，能级分裂宽度就越大。为了实现单模输出，应该避免能级分裂，从图3（a）知，垒宽应选择在6nm以上。

（a） 器件发光谱（450mA，25℃）

（b） 常温下激光器的電流功率曲线

图6 激光器的测试结果图

根据以上结论，我们选择了高In组份（0.3～0.4）、垒宽10nm的应变双量子阱结构进行1064nm激光器的设计。在辐射波长为1064nm、垒宽为10nm的应变双量子阱结构中，理论计算得到In组份与阱宽的变化关系如图4所示。

4.实验与生长制作

对于输出波长为1064nm的应变双量子阱激光器，对比图4和图1可知，In组份越低，阱宽越接近临界厚度，位错能则越高;反之，In组份越高，材料的成核生长越难。综合以上因素，优化计算得到In组份为0.34，图4中对应的阱宽则为5.5nm，小于图1中的临界厚度。

通过MOCVD设备，完成了1064nm应变双量子阱激光器的生长制作。器件结构如图5所示，腔长2mm、脊波导宽2μm、高1.5μm，为提高生长层的质量，加入了6nm的In0.1Ga0.9As应变缓冲层。图6（a）是常温25℃下器件的发光谱，在450mA直流驱动时的峰值波长为1064.4nm，光谱半宽为0.4nm，优于国内某商用产品的1～2nm。图6（b）是常温下激光器的电流功率曲线图，输出功率可以达到200mW以上，满足应用要求。

5.结论

1064nm半导体激光器作为一种具有发展前景的光电子器件，在达到高亮度、窄谱宽的同时，还需要输出波长稳定可靠。通过对InGaAs/GaAs应变双量子阱结构的理论分析与计算，确定了1064nm应变双量子激光器中阱宽、垒宽与阱层中In组份的值，并通过MOCVD进行了生长制作，实验测试结果达到了预期要求。本文的计算及分析结果还为其他波长的InGaAs/GaAs应变双量子阱激光器的设计提供了一定的理论依据。

参考文献

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