[论文解读] 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 3

一句话总结

本研究利用Sentaurus TCAD仿真，探究AlGaAs分离波导异质结构（SCH）量子阱激光器中，有源区与波导层内铝的摩尔分数对载流子能级及发射波长的影响。主要发现为：激光波长主要由量子阱中的铝浓度决定，而非波导层，且当波导层铝含量差异超过30%的阈值后，其影响可忽略不计。

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.

研究动机与目标

• 理解有源区与波导层中铝摩尔分数对AlGaAs量子阱激光器中载流子能级的影响。
• 确定单模AlGaAs SCH激光器中激光波长的主要控制因素。
• 通过识别影响光谱输出与阈值电流密度的关键参数，优化激光器设计。
• 分析铝浓度变化对导带与价带偏移及有效质量变化的影响，及其对量子阱态能级的作用。
• 评估波导层与有源区之间铝浓度差异对光学特性的影响。

提出的方法

• 采用Synopsys Sentaurus TCAD对不同铝摩尔分数的AlGaAs SCH激光器进行二维器件仿真。
• 利用矩形势阱近似求解电子与空穴在量子阱中的1D薛定谔方程。
• 通过线性插值方法，建立电子与空穴的有效质量（m, m_h, m_l）随铝浓度x变化的函数关系。
• 采用分段经验公式计算带隙能量E_g(x)：当x ≤ 0.45时，E_g = 1.42248 + 0.56267x；当x > 0.45时，采用二次函数形式。
• 通过自定义Perl脚本从仿真日志文件中提取能级（E_c1, E_v1, E_hh1, E_lh1）。
• 通过λ = hc / (E_g + E_c1 + E_hh1)计算激光波长，分析其在有源区与波导层中铝浓度变化下的依赖关系。

实验结果

研究问题

• RQ1 波导层中的铝摩尔分数如何影响量子阱中电子与空穴的能级？
• RQ2 AlGaAs SCH激光器的激光波长在多大程度上依赖于波导层中的铝浓度，而非有源区中的铝浓度？
• RQ3 Al_xGa_{1-x}As固溶体中，电子与空穴的有效质量如何随铝浓度变化？
• RQ4 导带与价带偏移及量子限制效应对单模AlGaAs激光器光谱输出起何作用？
• RQ5 波导层与有源区之间铝浓度差异如何影响光学跃迁能量？

主要发现

• AlGaAs SCH激光器的激光波长在宽范围铝含量下，几乎与波导层中的铝浓度无关。
• 对于9 nm与18 nm的量子阱宽度，当波导层与有源区之间铝浓度差Δx ≤ 30%时，第一导带态能级（E_c1）与重空穴态能级（E_hh1）的能级偏移小于5 meV。
• 当波导层中铝浓度超过50%时，量子阱中的载流子能级几乎不再随铝浓度进一步增加而变化。
• 第一导带态能级E_c1随有源区中铝浓度的增加而单调上升，而E_hh1也呈上升趋势，但其依赖关系更为复杂，源于能带结构的变化。
• 最大发射波长主要由带隙能量E_g及量子阱中第一激发态E_c1与E_hh1决定，而非波导层中的铝含量。
• 9–18 nm量子阱的仿真波长与莫斯科“Polyus”研究院所研制的高性能激光器报告值高度吻合，验证了该模型的准确性。