[論文レビュー] Modified exponential I(U) dependence and optical efficiency of AlGaAs SCH lasers in computer modeling with Synopsys TCAD

Z. Kozioł, S. I. Matyukhin|arXiv (Cornell University)|Jul 23, 2011

Semiconductor Quantum Structures and Devices参考文献 4被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、Synopsys TCAD シミュレーションを用いて、AlGaAs 分離.confined ハイブリッド構造（SCH）レーザーの電気的および光学的挙動を正確に記述するための修正された指数関数的 I(V) モデルを提案する。光学効率 η(U) のための2パラメータの現象論的モデルを導入し、レーザー閾値を超えた領域における微分抵抗 r = dU/dI と強く相関させることで、最小限のフィッティングパラメータで η(U) を高精度に予測可能となる。

ABSTRACT

Optical and electrical characteristics of AlGaAs lasers with separate confinement heterostructures are modeled by using Synopsys's Sentaurus TCAD, and open source software. We propose a modified exponential $I-V$ dependence to describe electrical properties. A simple analytical, phenomenological model is found to describe optical efficiency, $η$, with a high accuracy, by using two parameters only. A link is shown between differential electrical resistivity $r=dU/dI$ just above the lasing offset voltage, and the functional $η(U)$ dependence.

研究の動機と目的

• Synopsys TCAD を用いた AlGaAs SCH レーザーの電気的および光学的特性のモデル化を通じて、設計最適化の向上を図ること。
• レーザー閾値付近における非線形的 I(V) および η(U) の依存関係を正確に記述する課題に対処すること。
• フィッティングパラメータをたった2つに抑えた、光学効率 η(U) のシンプルで現象論的なモデルの開発。
• レーザーのオフセット電圧を超えた領域における微分電気的抵抗 r = dU/dI と η(U) の関数的形との間の定量的関係を確立すること。
• L(I) および η(U) の非線形性を捉えることで、シミュレーションおよび実験データの分析をより正確に可能にする。

提案手法

• AlGaAs SCH レーザー構造の2次元シミュレーションに Synopsys Sentaurus TCAD を用い、所定の層組成およびドーピングプロファイルを設定した。
• レーザー閾値付近の電圧-電流特性をモデル化するため、修正された指数関数的 I(V) 依存性（式 1）を提案した。
• 光学効率 η(U) = S·U / (U·I) を電圧の関数として記述する2パラメータの現象論的モデル（式 4–5）を導入した。パラメータは α および β である。
• gnuplot および Perl スクリプトを用いて L(I) および U(I) 曲線の自動フィッティングを行い、I_th、U₀、および勾配 S を抽出した。
• U₀ を超えた直後の微分抵抗 r = dU/dI と η(U) 曲線の形状との相関を評価し、予測的リンクを確立した。
• さまざまなドーピング構成において、式 5 からの計算された η(U) と、シミュレーションデータから直接抽出された η(U) を比較することで、モデルの妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 修正された指数関数的 I(V) モデルは、AlGaAs SCH レーザーのレーザー閾値付近における電気的挙動を正確に記述できるか？
• RQ2 光学効率 η(U) を、たった2つのパラメータで高精度にモデル化できるか？
• RQ3 U₀ を超えた領域における微分抵抗 r = dU/dI と η(U) の関数的形との間にはどのような関係があるか？
• RQ4 発光部、波ガイド部、および活性層におけるドーピング濃度の変化が、I(V) および η(U) 特性にどのように影響を与えるか？
• RQ5 L(I) の非線形性は、標準的な効率モデルにおける有効な β パラメータにどの程度影響を与えるか？

主な発見

• 修正された指数関数的 I(V) モデル（式 1）は、レーザー閾値付近における U(I) 曲線のキーンクのような偏差を正確に捉えており、標準的な指数関数的フィットに比べて優れている。
• 光学効率 η(U) は、2パラメータの現象論的モデル（式 5）で良好に記述され、さまざまなドーピング構成においても高い精度を示した。
• U₀ を超えた直後の微分抵抗 r = dU/dI と η(U) 曲線の形状との間に強く相関関係が確認され、予測的モデリングが可能となった。
• I(V) モデルのパラメータ D は、発光部のドーピング濃度と強く相関しており、ドーピングが 1×10¹⁷ から 2.5×10¹⁸ cm⁻³ に上昇するに従い、D は約 0.01 から約 0.03 に増加した。
• N-P ドーピング波ガイド構造において、モデルは η(U) を高い忠実度で予測した。式 5 とシミュレーションデータの直接比較により、図 5 で確認された。
• 基準構造において、勾配 S = dL/dI は約 1.25 W/A、U₀ ≈ 1.65 V であり、シミュレーションでは η(U) が約 1.8 V 付近でピークに達した。