基于双轴张应变的双异质结边缘发射锗激光器的模型研究与性能优化

发布时间：2018-01-12 11:32

本文关键词：基于双轴张应变的双异质结边缘发射锗激光器的模型研究与性能优化　出处：《华南理工大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：近年来,半导体激光器加上低损耗光纤对光纤通信产生了重大的影响,并加速了它的发展。然而目前商用化激光器器件多采用Ⅲ-V族半导体材料作为光源,由于其制备工艺与CMOS大规模集成工艺不兼容,且采用晶片键合到硅片上的技术成本昂贵、产量低,导致Ⅲ-V族半导体材料与芯片的光电异质集成不能被广泛接受。而近年来随着与硅同属Ⅳ族半导体材料的锗在硅上外延生长技术的发展,对锗的研究重新成为了热点。与Ⅲ-V族半导体材料激光器相比,目前锗激光器面临的最主要问题之一是其具有很高的阈值电流密度。以麻省理工学院制备的双异质结电激发边缘发射锗激光器为例,顶部多晶硅接触引起的高串联电阻、锗N型掺杂和多晶硅P型掺杂导致的高自由载流子吸收引起的光损耗、光腔尺寸不合适导致出现光泄漏等因素都是造成高阈值条件的原因。因此,本文的研究目的将定位于对锗激光器在不同光腔结构尺寸、应变、少数载流子寿命以及温度下的工作性能进行系统研究,特别是对锗激光器在不同条件下的阈值电流浓度、电光转换效率等参数的变化情况进行分析,以探索锗激光器工作性能优化的方案。合理地构建锗激光器模型是研究锗激光器并对其工作性能进行优化的前提。半导体材料发光的原理是导带电子与价带空穴之间通过直接带隙跃迁过程以产生光增益,而跃迁发生的必要条件则是导带Γ谷和L谷至少位于同一能级,形成直接带隙的粒子数反转条件。双轴张应变和N型掺杂的共同作用是达到这一条件的有效方式之一。与以往文献着重于对锗材料性质的理论运算不同,本文在MIT双异质结法布里-珀罗电激发边缘发射锗激光器的基础上,运用二维边缘发射激光器件模拟软件Lastip,对以间接带隙半导体材料锗作为发光源、基于双轴张应变的边缘发射激光器进行建模。在建模过程中考虑了分别由双轴张应变和N型掺杂和引起的价带分裂效应和带隙变窄效应,首次提出了包括光腔结构、金属接触以及衬底等在内的锗激光器整体结构模型。仿真数据能较好地与实验数据相吻合,验证了模型的可行性。利用所建立的模型,本文对锗激光器阈值条件在不同光腔尺寸下的变化关系进行了研究。以阈值电流大小作为衡量标准,分别对重要的光腔尺寸参数,包括光腔长度、宽度、厚度以及多晶硅覆盖层厚度进行了优化。结果表明,经过光腔尺寸优化后的锗激光器阈值电流下降了17倍,本征量子效率和外微分量子效率也分别得到了5.6倍和9.6倍的提升。证明了通过优化光腔尺寸改善锗激光器工作性能的可行性。同时,仿真结果表明,改善锗的材质,提高少数载流子寿命,可以进一步降低阈值条件,是实现锗激光器的高效低阈值工作的有效方式之一。另一方面,增大锗的双轴张应变也是降低激光器阈值条件的有效方法。应变的增大可以使得导带Γ谷和L谷之间的能量差减小,从而减小因N型掺杂所引起的自由载流子吸收带来的光损耗。在此基础上,本文分析了锗激光器光增益、阈值电流密度以及电光转换效率在不同应变及掺杂条件下的变化关系。并且给出了在不同应变下的最优掺杂浓度,为制备高应变锗激光器提供了理论参考。在实际的应用中,锗激光器会受到环境温度和自热效应的影响。本文结合材料参数与温度之间的关系,提出了锗激光器工作的温度模型。采用该模型,对锗激光器出现的与Ⅲ-V族半导体材料激光器相反的温度效应,即阈值条件随温度上升而下降的情况进行了机理分析。仿真结果表明,较大的阈值电流密度带来的大量注入载流子会使参与直接带隙跃迁的能级在高温时的载流子浓度比低温时要大,这是造成异常温度效应的原因。因此,优化光腔尺寸以及增大应变是降低阈值条件,避免异常温度效应现象出现的有效方式之一。
[Abstract]:In recent years , semiconductor lasers and low - loss optical fibers have a great impact on optical fiber communication and accelerated the development of germanium lasers . In this paper , the temperature model of germanium laser working is put forward based on the relationship between the material parameter and the temperature , and the temperature effect of the germanium laser is analyzed . The simulation results show that the large amount of injected carriers brought by the higher threshold current density will cause the carrier concentration to be larger at high temperature than in the low temperature , which is the cause of the abnormal temperature effect . Therefore , optimizing the optical cavity size and increasing the strain is one of the effective ways to reduce the threshold condition and avoid the abnormal temperature effect phenomenon .

【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN248

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