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

梁财安,董海亮,2,贾志刚,2,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,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)

0 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高性能LD的前提。

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。在有源区引入了含Sb的GaAsP/InGaAs/GaAsSb/InGaAsSb/GaAsP应变补偿双量子阱结构,将弱Ⅱ型的量子阱结构变为Ⅰ型,不仅能解决禁带宽度对激发波长的限制,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Ⅱ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ε=(a-a0)/a0计算出每个层中的应变,其中,ε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Ⅱ型转变为了含Sb的Ⅰ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Al0.4Ga0.6As,具体结构及参数如图1所示。

LD1表示的是弱Ⅱ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。LD3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LD器件的内部量子效率(internal quantum efficiency, IQE)。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 μm,条宽设置为98 μm。

2 模拟结果与分析

2.1 光学性能

为了研究应变补偿量子阱结构和异质双窄波导结构对LD光学性能的影响,分析了三种LD器件的折射率和光场强度分布(a)、远场强度和发散角(b)以及光损耗(c)的变化曲线,如图2所示。由图2(a)可以看到三种LD器件的光场中心均偏离了量子阱中心(但是近场光强的最高峰仍在量子阱内)。这主要是非对称窄波导造成的,即n侧波导厚度大于p侧,导致光场分布向n侧移动,从而减少p侧光场分布,进而减少空穴对光子的吸收以及p侧波导层对自由载流子的吸收[22-23]。非对称窄波导结构在电学方面,因电子和空穴在不同方向上受到不同的限制,从而减少了它们之间的交叉扩散,这使得载流子可以更加有效地在波导中传输。而异质窄波导可以进一步阻止载流子泄漏(电学部分会具体解释),避免了因载流子的扩散和泄漏导致的能量损失和热量产生,使得LD器件的发热问题得到改善[24-26]。由图1(a)可以看到三种LD器件均只有基模TE0(TE0模是发生激射产生光增益的主要模式,在大电流下,高阶模式会与TE0模产生模式竞争,影响光束质量),这主要是因为窄波导使得高阶模式被抑制,而且窄波导的远场发光特性优于宽波导[27]。如图2(b)可以看到LD3的远场发光强度比LD2提高了27%。这可能是由LD3中将LD2 n侧内外波导由Al0.1Ga0.9As、Al0.2Ga0.8As替换成Ga0.51In0.49As0.9P0.1、Ga0.51In0.49As0.6P0.4形成异质波导所致。相比于AlGaAs,GaInAsP能够提供更小的导带差和更大的价带差,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,提高了辐射复合概率和载流子限制能力,增强了远场光场强度。同时异质波导的存在也增大了波导层对基模TE0的限制作用,使得LD3的TE0模的光限制因子ΓQW明显增加(ΓQW表示有源区对光的限制能力),如表2所示。

表2 三种LD结构的光学限制因子Table 2 Optical limiting factors of three LDs

图2 三种LD结构的TE0模折射率与近场强分布(a)、远场强分布(b),以及光损耗与注入电流的关系(c)Fig.2 TE0 mode refractive index distributions and near-field intensity distributions (a), far field intensity distributions (b), and optical loss versus injection current (c) for three LDs

光增益与光损耗也是影响LD器件光学性能的两个重要参数,且光增益与光损耗呈正比关系。如图2(c)所示光损耗与注入电流的关系图,LD2与LD3的光损耗从LD1的22.87 cm-1分别降低至16.22和14.75 cm-1,分别降低了29.0%和35.5%,即LD2、LD3引入GaAs0.9P0.1/In0.22Ga0.78As/GaAs0.75Sb0.25/In0.2Ga0.8As0.9Sb0.1/GaAs0.9P0.1应变补偿后的器件光损耗明显低于LD1这种GaAs0.75Sb0.25/In0.2Ga0.8As0.9Sb0.1弱Ⅱ型的量子阱结构。这可能是因为LD1这种弱Ⅱ型的张应变量子阱结构存在一定的能带弯曲,电子和空穴在k空间不同位置,电子跃迁既需要改变能量又需要改变动量,在GaAs0.75Sb0.25两侧形成了局域态,降低了电子、空穴的复合概率[28],且由于应变的存在会形成大量的位错和缺陷,这将导致激光器中的非辐射复合增加,进而增加激光器的光损耗。而应变补偿结构将弱Ⅱ型量子阱转换为I型量子阱,使得LD2与LD3的电子与空穴在k空间相同位置,电子的跃迁只需要改变能量不需要改变动量。高空穴迁移率GaAsSb材料和异质波导结构提高了注入效率和载流子限制能力,从而提高了LD2与LD3电子与空穴辐射复合概率[29],而且经过应变补偿后的量子阱的位错和缺陷密度更低,从而减少了非辐射复合及载流子输运过程的损失,整体发光强度得到了提高。此外,LD2和LD3不仅增强了器件的近场发光强度,而且也减少了自由电子对光子的吸收,从而降低了光损耗。但是由于光损耗与光增益成正比,因此相比LD1,应变补偿的LD2与LD3光增益也较低。

2.2 电学性能

为了研究应变补偿量子阱与异质波导结构对电学性能的影响规律,图3分别对比了三种结构的IQE、辐射复合、非辐射复合、俄歇复合、有源区载流子密度、注入效率、泄漏电流密度与LD注入电流的关系。首先分析IQE对LD电学性能的影响,IQE直接决定了器件电光转换效率的大小。IQE可由下式表示

(1)

式中:ηinj和ηrad分别是注入效率和辐射复合效率,Nstin、Nspon、Nnr和Nar分别是受激辐射复合、自发辐射复合、非辐射复合和俄歇复合。有源区的载流子有两种跃迁过程,一种是使器件发光的辐射复合即受激辐射复合和自发辐射复合,另一种就是非辐射复合,比如俄歇复合以及有源区的杂质和缺陷引起的非辐射复合,这种复合的存在会使IQE降低[30]。此外有源区的载流子密度、泄漏电流也对IQE造成显著的影响。与LD1相比,当注入电流为6 A时,LD2与LD3的IQE从95.1%分别提高至98.2%和99.4%,分别提高了3.26%和4.52%,如图3(a)所示。LD2与LD3 IQE的提高主要与辐射复合的增加、非辐射复合和俄歇复合的降低有关。当注入电流为6 A时,LD2与LD3的辐射复合从4 787 A/cm2分别增加至5 691和6 285 A/cm2,分别增加了18.88%和31.29%,如图3(b)所示;LD2与LD3的非辐射复合从65.15 A/cm2分别降低至40.36和31.69 A/cm2,分别降低了38.05%和51.36%,如图3(c)所示;LD2与LD3的俄歇复合从45.32 A/cm2分别降低至26.69和19.75 A/cm2,分别降低了41.11%和56.42%,如图3(d)所示。

由非辐射复合率的定义Rnr=Cnrnp2及俄歇复合的定义RA=CAnp(其中Cnr为非辐射复合系数,CA为俄歇复合系数,n、p分别为有源区电子浓度与空穴浓度)可知,非辐射复合和俄歇复合的大小主要与有源区载流子浓度有关[31-33]。如图3(e)所示,相比于LD1,LD2与LD3的电子浓度(n2D)从4.22×1012cm-2分别降低至3.26×1012和2.79×1012cm-2,分别降低了22.75%和33.89%;空穴浓度(p2D)由4.05×1012cm-2分别降低至3.11×1012和2.64×1012cm-2,分别降低了23.21%和34.81%。所以非辐射复合和俄歇复合的降低主要是由于有源区电子和空穴浓度的降低。

辐射复合的大小与注入效率和载流子泄漏有关,其中与注入效率正相关,与泄漏电流密度负相关[34-35]。当注入电流为6 A时,LD2与LD3的注入效率从97.61%升高至99.38%和99.99%,分别升高了1.8%和2.4%,如图3(f)所示;LD2与LD3的泄漏电流密度从5×10-4A/cm2分别降低至6.12×10-5和4.72×10-8A/cm2,分别降低了87.76%和99.99%,如图3(g)所示,正是注入效率的提高及泄漏电流的减少导致了辐射复合效率增大。LD2注入效率增加和泄漏电流密度降低主要是由于应变补偿的引入改变了有源区的能带结构与注入势垒高度,提高了电子与空穴的复合概率和注入效率,降低了因载流子泄漏引起的泄漏电流。LD3注入效率增加和泄漏电流密度降低主要是因为n侧使用了导带差小、价带差大的Ga0.51In0.49As0.9P0.1、Ga0.51In0.49As0.6P0.4作为内外波导,不仅降低了注入势垒而且也增大了泄漏势垒,从而提高了注入效率,增强了载流子的限制能力,进而降低了泄漏电流。因此,该结构有效增加了有源区的辐射复合概率。通过降低非辐射复合、俄歇复合、泄漏电流,从而提高IQE。结果表明应变补偿结构的LD2相比于LD1提高了注入效率和载流子的限制能力,从而提高了辐射复合效率和IQE,而LD3的异质波导结构可以进一步提高器件的辐射复合效率和IQE。

为了进一步探究应变补偿量子阱和异质双窄波导结构对IQE的影响,当注入电流为6 A时,三种结构有源区势垒的变化高度和能带特点如图4(a)所示,分析有源区能带结构,LD1的电子势阱与空穴势阱在空间上略微分离,这主要是由于有源区中引入了GaAs0.75Sb0.25/In0.2Ga0.8As0.9Sb0.1弱Ⅱ型半导体异质结构,使得有源区能带发生弯曲,电子和空穴分别被限制在GaAs0.75Sb0.25和In0.2Ga0.8As0.9Sb0.1不同薄层中,通过调节有源区的厚度有效控制禁带宽度[36],此时电子与空穴波函数重叠度比较低,辐射复合的概率低。而LD2与LD3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,应变补偿的引入,改变了有源区的能带结构,使得LD器件从弱Ⅱ型转换为了I型,电子与空穴在k空间位置对应,此时电子与空穴的波函数重叠度增大,辐射复合概率增加,如图4(b)所示。图4(b)描述了三种结构有源区内电子与空穴的波函数重叠情况,因为三种结构导带势阱底部和价带势阱顶部均是平带,无能带弯曲,所以电子与空穴的波函数最高峰分别对应导带势阱与价带势阱的最中心处,可以清晰地看到弱Ⅱ型的LD1电子空穴波函数重叠度远小于应变补偿的I型LD2、LD3的电子空穴波函数重叠度[37-39]。LD1、LD2、LD3的电子注入势垒和空穴注入势垒分别为235、218、148和232、172、155 meV,降低了电子和空穴注入势垒,提高了载流子的注入效率。而LD1、LD2、LD3的电子泄漏势垒和空穴泄漏势垒分别为218、252、289和219、287、310 meV,电子和空穴泄漏势垒的提高有效阻止了载流子的泄漏及因载流子泄漏引起的泄漏电流,减小了外延材料的等效电阻。降低注入势垒和增大泄漏势垒可以有效提高注入效率(见3(f))并减少载流子泄漏[40],使得器件辐射复合效率增大、泄漏电流减小,从而提高IQE。LD2相比于LD1,注入势垒的降低与泄漏势垒的增大,这是应变补偿的引入改变有源区能带所致。相比于LD2,LD3具有更低的载流子注入势垒和更高的载流子泄漏势垒,主要是由LD3在n侧采用更小导带差和更大价带差的GaInAsP波导材料所致。

图4 注入电流为6 A时,三种LD的能带图(a)、有源区电子与空穴的波函数(b)Fig.4 Energy band diagrams (a), wave functions of electron and hole in the active region (b) of three LDs at injection current 6 A

为了探究应变补偿和异质波导对LD工作电压、输出功率和转换效率等电学性能的影响,分别对比了三种LD器件的工作电压、输出功率和电光转换效率与注入电流的关系,如图5所示。V-I曲线的斜率是器件的串联电阻[41],如图5(a)所示。在注入电流为6 A时,结果表明LD2、LD3的工作电压从1.67 V分别降低到了1.28和1. 21 V,分别降低了23.35%和27.55%,串联电阻从0.324 Ω分别降低到了0.213和0.198 Ω,分别降低了34.26%和38.89%。造成这一现象的原因,其一是由于LD1中靠近p侧的GaAsSb势垒、InGaAsSb势阱和靠近n侧的GaAsSb势垒材料本身的电阻大于LD2与LD3靠近p侧的GaAsP势垒、InGaAs势阱和靠近n侧的GaAsP势垒材料的电阻。其二是由于LD1未引入应变补偿(存在张应变),属于弱Ⅱ型张应变量子阱结构,其能带和费米能级存在一定的弯曲,从而引入了额外的电阻,使得内建电压偏高,而且张应变的存在可能导致杂质和缺陷增加,载流子在半导体中的迁移率可能会降低,从而增大LD的工作电压,而LD2与LD3引入了应变补偿,使得能带结构从弱Ⅱ型转换为了I型。其三是LD3相比于LD2在n侧引入了GaInAsP构成异质双窄波导结构,使得LD3具有更好的载流子注入能力和更高的载流子限制能力,提高了注入效率,降低了载流子泄漏[42]。

图5 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Fig.5 Operating voltage (a), output power (b), electro-optical conversion efficiency (c) versus injection current

提高载流子限制能力将有利于降低阈值电流[43]。光子损耗和载流子损耗决定了阈值电流大小,其中,光子损耗包括有源区内和有源区外的光吸收,由图2(c)可知LD3的光子损耗小于LD2小于LD1;而载流子损耗主要来自非辐射复合、俄歇复合,以及界面损耗。载流子限制能力的提高和光子损耗的减少使得阈值电流降低[44]。因此,LD3阈值电流(213 mA)小于LD2阈值电流(286 mA),并且小于LD1阈值电流(365 mA),如图5(b)所示。相比于LD1,LD2与LD3的阈值电流分别降低了21.64%、41.64%。输出功率是决定大功率LD性能的重要指标,输出功率Pout可由如下公式表示。

(2)

式中:ηe为外微分量子效率,hν为光子能量,q为电子电荷,I为激光器的工作电流,Ith为阈值电流。可以通过降低阈值电流的方式来提高输出功率[45]。因为LD3的阈值电流小于LD2小于LD1,所以在工作电流为6 A时,LD3的输出功率(6.27 W)大于LD2的输出功率(6.05 W),并且大于LD1的输出功率(4.39 W)。相比于LD1,LD2与LD3输出功率分别提高了37.81%、42.82%。

电光转换效率是影响LD器件电学性能的重要参数。电光转换效率的公式可以由以下两种方式表示。

(3)

(4)

式中:Pout为LD的输出光功率,Pin为LD的输入功率,V0为开启电压,Rs为串联电阻,ηi为内量子微分效率,αm为腔面损耗,αi为内损耗。根据公式(3)和(4),可以看出提高电光转换效率,可以通过增大输出光功率或者减小串联电阻来实现,也可以通过提高IQE或者减小工作电压、阈值电流来实现[46]。由图3(a)、图5(b)以及LD1与LD2、LD3的串联电阻可知,IQE的增大、输出功率的增大、串联电阻的减小、阈值电流的减小、工作电压的减小,导致LD3的电光转换效率大于LD2大于LD1。如图5(c)所示,LD2与LD3的电光转换效率从57.12%分别提高至81.44%和85.39%,分别提高了42.48%和49.49%。

3 结 论

通过SiLENSe软件仿真分析发现,将设计的新型应变补偿GaAsP/InGaAs/GaAsSb/InGaAsSb/GaAsP有源区结构替代传统弱Ⅱ型的GaAsSb/InGaAaSb/GaAsSb/InGaAaSb/GaAsSb张应变有源区结构,可以提高电子的跃迁概率和辐射复合概率,降低非辐射复合。在6 A的工作电流下,IQE达到了98.2%,阈值电流降低了21.64%、串联电阻减小了34.26%、输出功率提高了37.81%、转换效率提高至81.44%。异质波导结构将n侧的AlGaAs内外波导用导带差更小、价带差更大的GaInAsP代替,电子和空穴注入势垒分别由218、172 meV降低到148、155 meV,电子和空穴注入势垒的降低,提高了载流子的注入效率,此时注入效率达到了99.99%。而电子、空穴的泄漏势垒则分别由252、287 meV增大到289、310 meV,电子和空穴泄漏势垒的提高有效阻止了载流子的泄漏,泄漏电流密度降低至4.72×10-8A/cm2,增强了载流子限制能力,有效降低了因载流子泄漏引起的泄漏电流。新结构器件获得的输出功率达6.27 W,电光转换效率达85.39%。因此,应变补偿锑化物有源区和异质波导结构提高了载流子注入效率,增大了辐射复合效率和IQE,有效减少了非辐射复合,从而提高了LD的输出功率和电光转换效率,为高性能1060 nm LD结构设计提供了理论指导。