[논문 리뷰] 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)|2011. 07. 23.

Semiconductor Quantum Structures and Devices참고 문헌 4인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 Synopsys TCAD 시뮬레이션을 사용하여 AlGaAs 별도 봉쇄 헤테로구조(SCH) 레이저의 전기적 및 광학적 거동을 정확하게 기술하기 위해 수정된 지수적 I(V) 모델을 제안한다. 전기적 효율 η(U)에 대한 두 매개변수의 현상학적 모델을 도입하여, 레이저 진동 임계값 이상에서 미분 저항 r = dU/dI와 강하게 연관되며, 최소한의 피팅 매개변수로 η(U)를 정밀하게 예측할 수 있다.

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.

연구 동기 및 목표

• Synopsys TCAD를 사용하여 AlGaAs SCH 레이저의 전기적 및 광학적 특성을 모델링하여 설계 최적화를 향상시키기.
• 레이저 진동 임계값 근처에서 비선형 I(V) 및 η(U) 의존성의 정확한 기술에 도전하기.
• 오직 두 개의 피팅 매개변수만을 필요로 하는 단순한 현상학적 모델을 개발하여 광학 효율 η(U)를 기술하기.
• 레이저 오프셋 전압 이상에서의 미분 전기 저항 r = dU/dI와 η(U)의 기능적 형태 사이의 정량적 연관성을 설정하기.
• L(I) 및 η(U) 의존성의 비선형성을 반영함으로써, 시뮬레이션 및 실험 데이터의 분석 정확도를 향상시키기.

제안 방법

• 정의된 층 조성 및 도핑 프로파일을 갖는 AlGaAs SCH 레이저 구조의 2차원 시뮬레이션을 위해 Synopsys Sentaurus TCAD를 사용하였다.
• 레이저 진동 임계값 U₀ 근처에서의 전압-전류 거동을 모델링하기 위해 수정된 지수적 I(V) 의존성(식 1)을 제안하였다.
• 전압에 대한 광학 효율 η(U) = S·U / (U·I) 를 기술하기 위해 두 매개변수의 현상학적 모델(식 4–5)을 도입하였다. 매개변수는 α 및 β이다.
• L(I) 및 U(I) 곡선의 자동 피팅을 위해 gnuplot 및 Perl 스크립트를 사용하여 I_th, U₀, 및 기울기 S 를 추출하였다.
• U₀ 이상에서의 미분 저항 r = dU/dI 와 η(U) 곡선의 형태 사이의 연관성을 설정하여 예측 가능성을 확보하였다.
• 다양한 도핑 구성에서의 시뮬레이션 데이터로부터 직접 추출한 η(U) 와 식 5로부터 계산된 η(U) 를 비교하여 모델의 타당성을 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 수정된 지수적 I(V) 모델은 레이저 진동 임계값 근처에서 AlGaAs SCH 레이저의 전기적 거동을 정확하게 기술할 수 있는가?
• RQ2 오직 두 개의 매개변수만을 사용하여 광학 효율 η(U) 를 얼마나 정밀하게 모델링할 수 있는가?
• RQ3 U₀ 이상에서의 미분 저항 r = dU/dI 와 η(U) 의 기능적 형태 사이의 관계는 무엇인가?
• RQ4 에미터, 웨이브가이드 및 활성 영역에서의 도핑 농도 변화는 I(V) 및 η(U) 특성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 L(I) 에서의 비선형성은 표준 효율 모델에서 효과적인 β 매개변수에 어느 정도의 영향을 미치는가?

주요 결과

• 수정된 지수적 I(V) 모델(식 1)은 레이저 진동 임계값에서 U(I) 곡선의 '굽은' 형태의 편차를 정확히 캡처하며, 표준 지수적 피팅보다 뛰어난 성능을 보였다.
• 광학 효율 η(U) 는 다양한 도핑 구성에서 두 매개변수의 현상학적 모델(식 5)로 잘 기술되며, 높은 정확도를 확보하였다.
• U₀ 이상에서의 미분 저항 r = dU/dI 와 η(U) 곡선의 형태 사이에 강한 상관관계가 확립되어 예측 모델링이 가능해졌다.
• I(V) 모델의 매개변수 D 는 에미터 도핑 농도와 강하게 연관되어 있으며, 도핑 농도가 1×10¹⁷에서 2.5×10¹⁸ cm⁻³ 으로 증가함에 따라 D 는 약 0.01에서 약 0.03으로 증가하였다.
• N-P 도핑 웨이브가이드 구조에서는 모델이 높은 정밀도로 η(U) 를 예측하였으며, 식 5와 시뮬레이션 데이터 간의 직접 비교를 통해 확인되었다(그림 5).
• 기준 구조에서 기울기 S = dL/dI 는 약 1.25 W/A 이며, U₀ ≈ 1.65 V 로 추정되었으며, 시뮬레이션에서 η(U) 는 약 1.8 V 근처에서 최대값을 보였다.