一種應變多量子阱激光器有源層應變補償的方法與流程

本發明涉及量子阱激光器技術領域，具體是一種應變多量子阱激光器有源層應變補償的方法。

背景技術：

超薄晶體的量子尺寸效應是量子阱結構的理論模型,貝爾實驗室的朱肇祥和江崎在60年代末提出的,就是說當有源區足夠薄的時候,達到小于電子的德布羅意的情況下,有源區就是轉變為勢阱區,兩邊的寬帶隙的材料就自然轉變為勢壘區,載流子在這個空間內的運動就會二維化,不同于在載流子在體材料中的三維運動,使得這種材料與體材料的能帶結構完全不同,當然激光器的輸出也就會有很大的變化。在此基礎上，可以去改變超薄層的應變量，引起能帶結構的變化。繼而可以從能帶的角度去研究，使其性能出現了本質的改變，量子阱半導體激光器的量子效應好、溫度穩定性好、壽命長、閾值電流低、激射的波長單一性好等。

近年來國內主要研究InGaAsP/InP材料系列激光器,對AlGaInAs/InP激光器的研究還剛開始,目前我們正在進行AlGaInAs應變多量子阱的金屬有機化學氣相外延(MOVPE)工藝技術研究和激光器的研制。為了獲得良好的器件特性,在器件的核心部分采用AlGaInAs(阱)/AlGaInAs(壘)應變多量子阱結構作為激光器的有源層,使依賴于載流子密度的階帶間吸收損耗減少,從而提高量子效率,降低閾值電流密度,進一步提高激光器的溫度特性。

隨著光通信技術的發展，特別是當前光纖高速互聯網和光纖到戶目標的提出，人們對半導體激光器提出了更高的要求，希望能研制出能在較高環境溫度下工作、無需采用熱電制冷的低成本1310nm激光器。采用量子阱結構及引入適當的應變是改善半導體激光器溫度特性的主要方法。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是：如何通過調整勢阱層的材料組份，進而提高量子阱激光器的效率。

本發明所采用的技術方案是：一種應變多量子阱激光器有源層應變補償的方法，按照如下步驟進行

步驟一、利用器件仿真實驗模型制作一個量子阱激光器，使滿足量子阱激光器的波長為1310nm，量子阱激光器的有源層的材料為由Al、Ga、In、As四種元素組成的四元化合物，其它根據現有技術自由選擇；

步驟二、在量子阱激光器其它條件不變的情況下調整勢阱層的材料組份為Al_xGa_yIn_1-x-yAs，使得有源層凈應變量的絕對值最小，然后根據調整后的勢阱層的材料組份，在其它條件不變的情況下制作量子阱激光器，x和y滿足以下兩個公式

E_g0＝0.36+2.093x+0.629y+0.577x²+0.436y²+1.013xy

+2xy(1-x-y)eV

$y=\frac{0.1893-0.3961x}{0.405}$

其中∈_w為勢阱層的應變量為張應變，∈_b為勢壘層的應變量為壓應變，L_w為勢阱層的的厚度，L_b為勢壘層的厚度，H為有源區的厚度即為L_w和L_b之和，E_g0為材料非應變帶隙，在波長為1310nm時，E_g0＝0.95eV。

本發明的有益效果是：勢壘和勢阱之間的帶隙差比較大，能有效的阻止載流子的泄露，提高了量子效率，改善器件的高線性大功率特性。在激光器有源區采用應變補償的方法，使的有源區凈應變為零。這種結構就可以實現多量子阱的生長，不用考慮由于應變的存在而導致的每個單層都存在的一個臨界厚度，進而導致整個應變多量子阱結構由于每個阱層的應變累計效應，存在的一個有源層的臨界厚度。本發明采用阱壘之間相反應變的應變補償量子阱結構，會使應變多量子阱結構更加優化，降低整個有源區的平均應變量，使量子阱的阱寬、阱數將不受應變量的限制。可以有效的增加有源區的微分增益，降低閾值，提高飽和功率。

附圖說明

圖1為本發明的勢阱層四元化合物Al_xGa_yIn_1-x-yAs各參數的計算結果表

圖2為本發明中應變多量子阱結構表；

圖3為本發明中激光器的輸出功率隨偏置電流的變化曲線圖；

圖4為本發明中激光器有源區載流子增益隨偏置電流的變化曲線圖；

圖5為本發明中激光器平均載流子密度隨偏置電流的變化曲線圖；

圖6為本發明中激光器偏置電壓隨偏置電流的變化曲線圖。

具體實施方式

以下由特定的具體實施例說明本發明的實施方式，熟悉該技術的人士可以通過本說明書所揭露的內容比較容易地了解本發明的其他功效和特點。

本說明書所附圖式所繪示的結構、大小和比例等，均僅用以配合說明書所揭示的內容，以供熟悉此技術的人士閱讀和理解，并非用來限定本發明可以實施的限定條件，因此不具有技術上的實質意義，任何結構的修飾、大小的改變和比例關系的調整，在不影響本發明所能產生的功效以及本發明所能實現的目的的前提條件下，均應仍落在本發明所揭示的技術內容所能涵蓋的范圍內。另外，本說明書中所引用的諸如“上”、“下”、“左”、“右”以及“一”等用語，也僅僅是為了便于敘述的明了，而不是用來限定本發明可以實施的范圍，其相對關系的調整或更改在無實質變更技術內容的前提下，應當也視為本發明可以實施的范疇。

一種應變多量子阱激光器有源層應變補償的方法，按照如下步驟進行

步驟一、利用器件仿真實驗模型制作一個量子阱激光器，使滿足量子阱激光器的波長為1310nm，量子阱激光器的有源層的材料為由Al、Ga、In、As四種元素組成的四元化合物，其它根據現有技術自由選擇；選用量子阱激光器的工作溫度為300K，量子阱激光器生長結構如圖2所示，按照圖示結構，分別生長了阱寬為L_w＝3.3nm，壘寬為L_b＝8.1nm，阱數為n＝10，勢阱層的組份為Al_0.2Ga_0.23In_0.57As，勢壘層的組份為Al_0.2Ga_0.23In_0.57As。

步驟二、在量子阱激光器其它條件不變的情況下調整勢阱層的材料組份為Al_xGa_yIn_1-x-yAs，使得有源層凈應變量的絕對值最小，由于壘材料和阱材料的應變類型相反，這樣可以調節壘材料應變大小和厚度，使得∈_wL_w+∈_bL_b等于零，即凈應變量為零。這種結構就可以實現多量子阱的生長，不用考慮由于應變的存在而導致的每個單層都存在的一個臨界厚度，進而導致整個應變量子阱結構由于每個阱層的應變累計效應，存在的一個有源層的臨界厚度。在超出臨界厚度后，整個量子阱激光器的生長質量下降，導致的發光效率的降低。然后根據調整后的勢阱層的材料組份，在其它條件不變的情況下制作量子阱激光器，x和y滿足以下兩個公式

E_g0＝0.36+2.093x+0.629y+0.577x²+0.436y²+1.013xy

+2xy(1-x-y)eV

$y=\frac{0.1893-0.3961x}{0.405}$

其中∈_w為勢阱層的應變量為張應變，∈_b為勢壘層的應變量為壓應變，L_w為勢阱層的的厚度，L_b為勢壘層的厚度，H為有源區的厚度即為L_w和L_b之和，E_g0為材料非應變帶隙，在波長為1310nm時，E_g0＝0.95eV。

帶入公式求的x＝0.00385，y＝0.566，獲得勢阱層的組份為Al_0.00385Ga_0.566In_0.43015As，如圖2所示。測得在有源層應用應變補償后該激光器的閾值電流為：13.4313mA，相較于在有源區未進行應變補償結構的閾值電流20.1435mA更小，從圖3可以看出激光器有源區進行應變補償設計后輸出功率有了顯著的提升；從圖4可以看出激光器激光器有源區進行應變補償設計后載流子增益有了顯著的提升，從圖5平均載流子密度隨偏置電流的變化曲線，可以看出激光器有源區進行應變補償設計后平均載流子密度有了顯著的提升，如圖6激光器偏置電壓隨偏置電流的變化曲線，可以看出激光器有源區進行應變補償設計后器件工作所需的偏置電壓有了顯著的下降。綜上所述，可以看出在大應變多量子阱激光器的有源區實現應變補償對應變量子阱激光器的器件性能有很大的提升。所以本發明具有較強的實用性。

上述實施例僅例示性說明本發明的原理及其功效，而非用于限制本發明。任何熟悉此技術的人士皆可在不違背本發明的精神和技術思想下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術領域中具有通常知識者在未脫離本發明所揭示的精神和技術思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應由本發明的權利要求所涵蓋。

四元化合物的晶格常數a，禁帶寬度E_g，導帶的靜壓力形變勢a_c，價帶的靜壓力形變勢a_v，為切變形變勢b，彈性應變系數C₁₁和C₁₂，失配度ε等參數的確定可由P(Al_xGa_yIn_1-x-yAs)＝xP(AlAs)+yP(GaAs)+(1-x-y)P(InAs)，以采用線性插值法近似獲得，如圖1所示。為解決應變層超晶格生長存在的臨界厚度，量子阱個數受到一定的限制的問題，采用多量子肼結構，根據應變積累效應，引入平均應變的概念。

本發明設計采用的材料的導帶偏移為ΔE_c＝0.72ΔE_g。而InGaAsP/InP材料的ΔE_c＝0.4ΔE_g，AlGaInAs/InP材料的導帶偏移比InGaAsP/InP材料大了近一倍，采用AlGaInAs/InP材料使勢壘和勢阱之間的帶隙差比較大，能有效的阻止載流子的泄露，提高了量子效率，改善器件的高線性大功率特性。

由于要設計1310nm激光器，則設勢阱Al_xGa_yIn_1-x-yAs四元系激光器的波長為1310nm，由于半導體激光器的激射波長與有源區材料的禁帶寬度有直接的關系。

滿足下式：

λ＝1.24/E_gt

式中λ是激射波長，E_gt是禁帶寬度，由上式可以求得發射波長為1310nm的激光器的禁帶寬度理論上應為0.95eV。

由公式E_g＝E_g0-δE_c-δE_hh

${\mathrm{\δE}}_c=2a_c(1-\frac{C_{12}}{C_{11}})\mathrm{\ϵ}\left(001\right)$

${\mathrm{\δE}}_{hh}=2a_v(1-\frac{C_{12}}{C_{11}})\mathrm{\ϵ}+b(1-2\frac{C_{12}}{C_{11}})\mathrm{\ϵ}\left(001\right)$

δE_c為導帶邊的漂移值，δE_hh為量子阱層的價帶漂移值，驗證結果近似接近于滿足激射波長為1310nm的激光器的禁帶寬度。