[논문 리뷰] The radiative characteristics of quantum-well active region of AlGaAs lasers with separate-confinement heterostructure (SCH)

S. I. Matyukhin, Z. Kozioł외 1명|arXiv (Cornell University)|2010. 10. 03.

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한 줄 요약

이 연구는 알루미늄 목분율이 활성 영역과 웨이브가이드에서 어떻게 전자 에너지 준위와 발광 파장에 영향을 미치는지 분석하기 위해 Sentaurus TCAD 시뮬레이션을 사용한다. 주요 발견은 레이저의 레이저 파장이 웨이브가이드보다는 양자우물 내 알루미늄 농도에 의해 주로 결정되며, 30% 이상의 농도 차이가 초과되면 웨이브가이드의 알루미늄 농도에 대한 의존도가 최소화된다는 것이다.

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.

연구 동기 및 목표

• AlGaAs 양자우물 레이저에서 활성 영역과 웨이브가이드의 알루미늄 목분율이 전자 에너지 준위에 미치는 영향를 이해하기 위해.
• 단일 모드 AlGaAs SCH 레이저에서 레이저 파장을 제어하는 주요 인자를 규명하기 위해.
• 스펙트럼 출력과 임계 전류 밀도에 영향을 주는 핵심 매개변수를 식별함으로써 레이저 설계를 최적화하기 위해.
• 알루미늄 농도 변화에 따른 밴드 오프셋과 효과 질량 변화가 양자우물 상태 에너지에 미치는 영향를 분석하기 위해.
• 웨이브가이드와 활성 영역 간의 알루미늄 농도 차이가 광학적 특성에 미치는 영향를 평가하기 위해.

제안 방법

• 다양한 알루미늄 목분율을 가진 AlGaAs SCH 레이저의 2차원 장치 시뮬레이션을 위해 Synopsys Sentaurus TCAD를 사용하였다.
• 전자 및 정공 상태의 1D 슈뢰딩거 방정식을 해결하기 위해 직사각형 Well 잠금 모델을 적용하였다.
• 알루미늄 농도 x에 대한 전자 및 정공의 효과 질량(m, m_h, m_l)을 선형 보간법을 사용하여 정의하였다.
• 밴드 갭 에너지 E_g(x)는 두 부분의 경험적 공식을 사용하여 계산하였다: x ≤ 0.45일 경우 E_g = 1.42248 + 0.56267x, x > 0.45일 경우 이차형식을 사용하였다.
• 사용자 정의 Perl 스크립트를 통해 시뮬레이션 로그 파일에서 에너지 준위(E_c1, E_v1, E_hh1, E_lh1)를 추출하였다.
• 레이저 파장은 λ = hc / (E_g + E_c1 + E_hh1) 공식을 사용하여 계산하였으며, 활성 영역과 웨이브가이드 층의 알루미늄 농도에 따른 의존도를 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 웨이브가이드 내 알루미늄 목분율이 양자우물 내 전자 및 정공 준위에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 AlGaAs SCH 레이저의 레이저 파장은 웨이브가이드의 알루미늄 농도보다 활성 영역의 농도에 얼마나 의존하는가?
• RQ3 Al_xGa_{1-x}As 고체 용액 내 알루미늄 농도 변화에 따라 전자 및 정공의 효과 질량은 어떻게 변하는가?
• RQ4 밴드 오프셋과 양자 구속이 단일 모드 AlGaAs 레이저의 스펙트럼 출력에 미치는 역할은 무엇인가?
• RQ5 웨이브가이드와 활성 영역 간 알루미늄 농도의 에너지 차이가 광학적 전이 에너지에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• AlGaAs SCH 레이저의 레이저 파장은 알루미늄 농도가 다양한 범위에 걸쳐 웨이브가이드 내 농도 변화에 거의 영향을 받지 않는다.
• 9 nm 및 18 nm의 양자우물 두께에서, 웨이브가이드와 활성 영역 간 알루미늄 농도 차이 Δx ≤ 30%일 경우, 첫 번째 도너대 에너지 준위(E_c1)와 무거운 정공 준위(E_hh1)의 에너지 이완은 5 meV 이하이다.
• 웨이브가이드 내 알루미늄 농도가 50%를 초과하면, 양자우물 내 실체 에너지 준위는 추가적인 알루미늄 농도 증가에 거의 영향을 받지 않는다.
• 활성 영역 내 알루미늄 농도 증가에 따라 첫 번째 도너대 에너지 준위 E_c1는 단조적으로 증가하지만, E_hh1 역시 증가하지만 밴드 구조 변화로 인해 더 복잡한 의존성을 보인다.
• 최대 발광 파장은 웨이브가이드의 알루미늄 농도가 아니라 주로 밴드 갭 에너지 E_g와 양자우물 내 첫 번째 준위 E_c1 및 E_hh1에 의해 결정된다.
• 9–18 nm의 양자우물에 대한 시뮬레이션 파장은 모스크바 소재 연구소 'Polyus'에서 생산한 고출력 레이저의 보고된 값과 밀도적으로 일치하여 모델의 타당성을 입증하였다.