[論文レビュー] The radiative characteristics of quantum-well active region of AlGaAs lasers with separate-confinement heterostructure (SCH)

S. I. Matyukhin, Z. Kozioł+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 3, 2010

Semiconductor Quantum Structures and Devices参考文献 3被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、Sentaurus TCADを用いたシミュレーションを通じて、AlGaAs分離自己閉じ型ヘテロ構造（SCH）量子井戸レーザーの活性層および波導層におけるアルミニウムモル分率がキャリア準位および発光波長に与える影響を調査した。主な発見は、レーザー発振波長は波導層のアルミニウム含有量にほとんど依存せず、量子井戸内のアルミニウム濃度に支配的に依存しており、30%の差異を超えると波導のAl含有量の変化による影響は最小限に抑えられるということである。

ABSTRACT

Computer simulations with Synopsys' Sentaurus TCAD are used to study the effect of the molar concentration of aluminum in the active and waveguide regions on the energy spectrum of carriers in Quantum Well (QW) and the optical spectral characteristics of radiation of semiconductor lasers with AlxGa1-xAs double heterostructures and separate confinement (SCH). Wavelength of single-mode lasers is shown to be almost independent of the concentration of aluminum in the waveguide, in a wide range of aluminum content, but to depend mainly on Al concentrations in QW region.

研究の動機と目的

• AlGaAs量子井戸レーザーにおける活性層および波導のアルミニウムモル分率がキャリア準位に与える影響を理解すること。
• 単モードAlGaAs SCHレーザーのレーザー発振波長を制御する主因を特定すること。
• スペクトル出力およびしきい値電流密度に影響を与える主要パラメータを同定することで、レーザー設計を最適化すること。
• Al濃度に伴うバンドオフセットおよび有効質量の変化が量子井戸状態エネルギーに与える影響を分析すること。
• 波導層と活性層間のAl濃度差が光学的特性に与える影響を評価すること。

提案手法

• AlGaAs SCHレーザーの2次元デバイスシミュレーションに、Synopsys Sentaurus TCADを用い、異なるAlモル分率を想定した。
• 電子およびホール状態の量子井戸内における1次元シュレーディンガー方程式を、長方形井戸近似を用いて解いた。
• 電子およびホールの有効質量（m, m_h, m_l）を、Al濃度xの関数として線形補間により算出。
• バンドギャップエネルギーE_g(x)は、2段階の経験的公式を用いて計算：x ≤ 0.45の場合はE_g = 1.42248 + 0.56267x、x > 0.45の場合は二次関数形を採用。
• カスタムPerlスクリプトを用いて、シミュレーションログファイルからエネルギー準位（E_c1, E_v1, E_hh1, E_lh1）を抽出。
• λ = hc / (E_g + E_c1 + E_hh1)によりレーザー発振波長を計算し、活性層および波導層におけるAl濃度依存性を分析。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 波導におけるアルミニウムモル分率が、量子井戸内における電子およびホールのエネルギー準位にどのように影響を与えるか？
• RQ2 AlGaAs SCHレーザーのレーザー発振波長は、波導層のAl濃度と比較して、活性層のAl濃度にどの程度依存するか？
• RQ3 Al_xGa_{1-x}As固溶体における電子およびホールの有効質量は、Al濃度にどのように変化するか？
• RQ4 バンドオフセットおよび量子閉じ込め効果が、単モードAlGaAsレーザーのスペクトル出力に果たす役割は何か？
• RQ5 波導層と活性層におけるAl濃度差が、光学的遷移エネルギーにどのように影響を与えるか？

主な発見

• AlGaAs SCHレーザーの発振波長は、広範なAl含有量範囲において、波導層のアルミニウム濃度にほとんど依存しない。
• 量子井戸幅9 nmおよび18 nmの条件下で、波導と活性層間のAl濃度差Δx ≤ 30%の範囲では、第一励起導電帯状態（E_c1）および重ホール状態（E_hh1）のエネルギーシフトは5 meV未満に抑えられる。
• 波導層のAl濃度が50%を超えると、量子井戸内のキャリアエネルギー準位は、さらなるAl濃度上昇にほとんど依存しなくなる。
• 活性層におけるAl濃度上昇に伴い、第一導電帯状態エネルギーE_c1は単調に増加するが、E_hh1も増加するが、バンド構造の変化に起因するより複雑な依存関係を示す。
• 最大発光波長は、主に量子井戸内のバンドギャップエネルギーE_gおよび第一励起状態E_c1とE_hh1に支配的に依存しており、波導のAl含有量には依存しない。
• 9–18 nmの量子井戸を有するレーザーのシミュレート波長は、モスクワの研究機関「Polyus」で開発された高出力レーザーの報告値とよく一致しており、モデルの妥当性が裏付けられた。