版权说明:本文档由用户提供并上传,收益归属内容提供方,若内容存在侵权,请进行举报或认领
文档简介
1、物理雙月刊(廿八卷四期)2006年8月717不同位置之電子阻擋層對1310-nm磷砷化鎵錮雷射二極體之影響文/王泰鈞、黃滿芳本文是以模擬軟體利用理論分析之方式來探討不同位置之電子阻擋層(electron stopper layer, ESL)對發光波長為1310-nm之磷砷化鎵錮(InGaAsP)雷射二極體之影響。主要是將電子阻擋層放在兩個不同位置做比較, 其中一個位置位於 p 型披覆層(p-cladding layer)與光侷限層(separated confinement heterostructure layer; SCH layer)之界面;另一位置為量子井(quantum well)
2、與靠近p型披覆層的光侷限層之界面。由計算結果得知, 電子阻擋層無論位在哪一個位置皆可以有效的改善雷射二極體的特性。當電子阻障層位於量子井與靠近p型披覆層的光侷限層之界面時,易使載子侷限於光侷限層,而造成縱向與橫向之電子溢流過大,使得量子轉換 效率(slope efficiency)降低。最後,當電子阻擋層位於披覆層與p型光侷限層之界面為最佳位置。一、前言近年隨著光纖通訊的蓬勃發展而使得發光波長850-nm、1310-nm及1550-nm之半導體雷射有被重視 的機會1。發光波長1310-nm的雷射光在 SiO2光纖 中有最低之單模色散(dispersion)1。發光波長為1310 nm之皿-V族
3、化合物半導體中,又以InGaAsP/InP材料系統最被廣泛應用於長程光纖通訊之光源。但此材 料系統有較小的con duction ba nd offset (Ec=0.4 A g)2,所以對溫度的敏感性極高,當在高溫下操作時, 雷射二極體之特性急遽下降,也因此近十年來有大量 的文獻針對此一缺點提出許多改進的方式。近幾年也 有其他具有較高 co nduction band offset 的材料系統被 提岀,如:AlGaInAs/InP 3-6 丨及 InGaAsN/GaAs 7-10 等。但此新興材料系統在磊晶製程上有其困難點,含 鋁成分易於磊晶過程中與氧產生結合行成缺陷,而含 氮成分也因其氮原
4、子遠小於其他三者,在長晶過程中 摻入氮易形成缺陷。故在產業界此一波段之雷射二極 體仍以InGaAsP/InP為主流。影響長波長雷射二極體特性主要因素分成兩大部分,一部分為載子損失(carrier loss),另一部份為光 子損失(photon loss) 11。在載子損失中,包含Shockley-Read-Hallrecomb in ati on、 Spontan eousemissi on、Auger recomb in ati on 及從活性區中溢流之 載子。而InGaAsP/InP具有較小的能隙(energy gap) 及較低的 conduction band offset , 所以 A
5、uger recombination及載子溢流的現象成為支配此雷射特性 好壞的兩大主因。而光子損失的部分主要包含了freecarrier absorpti on 及 In ter Vala nee Band Absorpti on(IVBA ) 12-16。過去已有大量的文獻探討利用活性區的形變應力(strain )來改變能帶結構17-18,使重電洞等效質量(effective mass)下降,導致能量狀態密度(density ofstate)下降,使臨界載子密度 (threshold carrier density) 下降,也因此降低雷射二極體之臨界電流。應力除了 有上述優點外,也因為電洞等
6、效質量的下降而使得 Auger recomb in ati on 及 IVBA 得以獲得改善。而改善載子溢流的方式除了選用con duction bandoffset較大的材料系統外,亦可以在p型披覆層做大量 的摻雜,藉此提高光侷限層與p型披覆層之界面能障高度差19。但在界面處過大的摻雜,亦可能提高free carrier absorption。另外一個方法就是加入載子之阻 擋層,可加入電子或電洞之阻擋層來抑制載子離開活 性區,使載子可以有效侷限於活性區中。過去曾有文物理雙月刊(廿八卷四期)2006年8月7181.5n-c I adding InPInP獻提岀在InGaAsP/lnP材料系統中
7、,改變不同的能障 材料來改變井內對載子不同的侷限能力,並且在光侷 限層與p型披覆層之界面加入一層InAlAs電子阻擋層20。亦有文獻將電子阻擋層成分改成InGaP21。在2004年也有文獻提岀將此電子阻擋層成長於靠近p型披覆層的光侷限層中,同樣可以提升雷射二極體的特 性22。本文將針對此一重點來加以討論,探討當電 子阻擋層分別位於不同位置時,其對雷射二極體產生 了何種影響,並且找出最佳的阻擋層位置。、元件結構本元件採用脊狀波導(ridge waveguide )的結構,脊狀寬度為3.5卩m,脊狀高度為1.2卩m,腔長為900 卩m,前後鏡面反射率皆為0.32。活性區由五個量子井(quantum
8、 well )所組成,成分為 In 073Ga0.27As0.67P0.33,具由0.3%的壓縮應力(compressive strain ),井寬為 4 nm。 能障(barrier)成分為 In 039Ga0.11As0.24P0.76,寬 度為10 nm。光侷限層成分與能障相同,寬度為 100 nm。其詳細成分、寬度及摻雜濃度如圖一所示22。本文將針對三個不同的結構加以討論,structure A為原始之雷射二極體結構,如圖二 所示;structure B為電子阻擋層(InGaP)位於光侷限層與 p型披覆 層之界面,此阻擋層厚度為 5 nm,具0.64 %舒張形變 應力(tensile-
9、strain ),摻雜濃度為 1X1018 cm-3,結構R=032圖一 :InGaAsP/lnP雷射二極體成分結構圖示意圖如圖二(b)所示;structure C為電子阻擋層位於 量子井與靠近p型披覆層的光侷限層之界面,此阻擋 層結構與structure B相似,唯一不一樣之處為此層沒 有摻雜,結構示意圖如圖二(c)所示。本文所加入之電子阻擋層皆為InGaP,成分皆相同且具有0.6 %舒張形變(tensile strain ),厚度為5 nm。主要是利用應力 而產生電洞能帶的分裂,使得電子阻擋層之輕電洞能 帶與p型披覆層之電洞能帶形成type- n之異質接面(hetero-junction
10、),如此將使電洞選擇從電子阻擋層 之輕電洞能帶通過而順利注入活性區,可避免在遇到 一個能障高度而使電洞注入效率降低23,如圖三的structure B價電帶能帶圖所示。若電子阻擋層位在 structure C 之位置,如圖四structure C價電帶能帶圖所示,電子阻擋層依然會因應力而產生能帶的分裂, 但此時電洞注入時,無論選擇經過重電洞還是輕電 洞,皆會遇到一個能障高度,而此能障高度將會影響 電洞注入量子井中,而降低載子注入效率。三、模擬結果與分析本文主要將針對三種不同結構structure A、structure B 及structure C來加以探討分析。由圖五輸 岀功率與輸入電流關係
11、圖可得知 ,在高溫下,structure B和structure C皆可得到較低的臨界電流,在室溫下 亦可得到相同之趨勢。但在量子轉換效率(slopeefficiency )方面,structure B無論在室溫或高溫下確 實可以提高元件的量子轉換效率,但structure C在高溫下,量子轉換效率並未獲得改善,甚至在高注入電 流或高溫下,元件特性下降。但考慮到此元件將應用 o.i gm4 nmf In. GA AS P0.1 10.W 0.7610 nmin G As P血肿 0.110,24 0.7*1.2 pmInPn-S.C.H.UxID cm 0.5pmP-S.CH.well x 5
12、barrier M 4irnipinis -3(1*10 cm ) 1.6 |im物理雙月刊(廿八卷四期)2006年8月719於光纖通訊中,故不需考慮在高輸出功率的操作情 況,一般應用上輸岀功率約15 mW,故在此操作範圍內,電子阻擋層皆可提高元件特性。圖六與圖七為在溫度為 338 K,注入電流為72 mA 下之電子電洞濃度分佈對活性區位置之關係圖。X座標軸為長晶方向(量子井位置)。由圖中可知,當加入物理雙月刊(廿八卷四期)2006年8月720電子阻擋層之後,量子井內之載子濃度皆有降低。此 載子濃度分佈圖是在動態平衡下的狀況,故表示在相 同注入電流及相同操作溫度下,有加入電子侷限層之 結構只需
13、要較少的載子濃度即可達到動態平衡,換句 話說,加入電子阻擋層使其臨界條件相對也會降低, 故structure B與structure C可得到較低的臨界電流。 觀察structure B與structure C在動態平衡下的電子電圖四:structure C之價電帶能帶圖洞濃度分佈圖,發現兩著幾乎沒什麼差別,但為何會 造成兩者臨界電流有所差異呢?原因可由圖四 structure C能帶圖可以得知,當電洞欲由光侷限層進 入量子井時,會遇到一個因電子阻擋層而造成的能障 高度。由圖七電洞濃度分佈圖可以確實得知,structureC在電子阻擋層與 p型披覆層之區域確實聚集了較多 的電洞。故對電洞而言,
14、此阻擋層卻也成了阻止電洞 進入量子井內的一個位能障礙。對電子而言,此阻擋 層可以防止電子溢流離開量子井,但當電子越過電子T= 338 K35 .圖二:三種不同結構之能帶示意圖5 5 0 0 5 5 0 0 )w)w warwar-Structure C -Structure B -Structure A2030405060708090Curre nt (mA)0.550.60.650.70.75Distance (|_Jm)物理雙月刊(廿八卷四期)2006年8月721ESLHHLHp-cladding0.60.650.70.750.80.85Dista nee (-h)圖三:structure
15、 B之價電帶能帶圖 圖五:三種不同結構在高溫下(T=338 K)輸岀功率對輸入 電流之關係圖阻擋層後,電子易被侷限在電子阻擋層與p型披覆層之區域,由圖六電子濃度分佈圖可以觀察得知, structure C在電子阻擋層與p型披覆層之間的光侷限層確實有較高的電子濃度。Structure C因為載子易被侷限在電子阻擋層與p型披覆層之區域,因而使得臨界電流較structure B為高。由圖八自發輻射率與位置 之關係圖可以得知,在靠近 p型披覆層的光侷限層因 載子有較多的聚集而使此區域的自發輻射率上升。至 於structure C之量子轉化效率為何會在高溫高電流QWp-S.C.H.物理雙月刊(廿八卷四期
16、)2006年8月722下比structure A還差呢?圖九(b)(c)為咼溫下電子流密 度與磊晶面位置之關係圖。圖(b)橫軸為X1沿著第三個量子井之磊晶面方向;圖 (c)橫軸為X2沿著靠近p 型披覆層的光侷限層之正中央磊晶面方向;圖 (b)與圖 (c)之縱軸為脊狀與脊狀側邊之交界處之磊晶方向。X1、X2與丫軸其相對位置如圖九所標示。當電子遇到阻擋層確實將電子阻擋回量子井中,預期可以提 高受激放射率,但由圖九(b)可以得知 structure C並沒有在脊狀下方之活性區得到較多載子濃度,反而是 過多的載子被阻擋回來之後,而往脊狀兩側移動,由 圖中可觀察到structure C在脊狀兩側下方有較
17、多的電 子聚集。而由圖九(c)可以得知被侷限在阻擋層與 p型 披覆層之區域中的電子有部分電子是往脊狀兩側移圖八:三種不同結構之自發輻射率與位置之關係圖動,如圖所示在脊狀兩側下方structure C有較structureA與structure B為多的電子流密度。在此我們將圖九(b)與(c)之橫向分佈在脊狀側邊下方的電子流密度定 義為橫向漏電流(lateral leakage)。故三種結構以 structure C有較大的橫向漏電流,此橫向漏電流將降 低雷射元件特性。電子被侷限於阻擋層與p型披覆層之光侷限層中,除了有橫向漏電流,亦會有縱向的漏電流。本文0.580.600.620.640.660
18、.680.700.720.74Distance (-E)5 5 o o cdcd cdcd5 57-7-7-7-5 5o oDistance (I E)圖六:在注入電流72mA,操作溫度為338 K下之電子濃度 分佈與長晶方向之關係0.580.600.620.640.660.680.700.720.74Distanee (I E)物理雙月刊(廿八卷四期)2006年8月723圖七:在注入電流72mA,操作溫度為338 K下之電洞濃度 分佈與長晶方向之關係物理雙月刊(廿八卷四期)2006年8月724InG&As(2x10)H2 pn1.5 pmVlnl1(IxlC Cl 1.h Lmn-5.H.1
19、41 nme.iumInP能障高度,故有效降低縱向之漏電流。綜合以上之討 論,在高溫高電流下, structure C電子被侷限在電子 阻擋層與p型披覆層之間的光侷限層中,因而有較大 的縱向與橫向漏電流,使其量子轉換效率較原先未加 任何阻擋層之結構(structure A)為差。但此元件若應用在長程光纖通訊系統中,依現在市場上應用於光纖 通訊之雷射二極體,其操作功率約10 mW左右之條件,則Structure C依然有達到改善元件特性之功效。SLibstrie I前面所討論之元件皆為五個量子井的條件下,若 改變不同的量子井數目,是否依然可以得到相同的趨 勢?表一為在高溫、不同量子井數目下之臨界
20、電流與 量子轉換效率之實際計算結果值,由表中可以得知無 論在四個或六個量子井的條件下,臨界電流之趨勢依 然以structure B為最低值,而 structure A有最高的臨 界電流值。但量子轉換效率之趨勢已經有所改變,在 四個量子井時,structure C得到比structure A更低的 量子轉換效率值;而在六個量子井時,structure C之量子轉換效率與structure A約相同。其原因為當量子井數目增加時,載子被侷限於井內之數目就愈多,故70(b) II * 1 *=Q+n ir+i ire CSLiuctuie CStiuctuie B Structure A!.1 .i
21、.)A m m cenkP lFev2090圖十:高溫下,三種結構之縱向漏電流與注入電流之關係圖(c)圖九:(a) structure C結構側面圖與座標軸標示,(b)量子井 內之側向電子流密度分佈圖,(c) p型光侷限層內之側向電 子流密度分佈圖將縱向漏電流定義為當電子離開光侷限層進入p型披覆層之電子流密度。圖十為高溫下縱向漏電流與注入 電流之關係圖,由圖中可以明顯觀察得知structure C有最大的縱向漏電流,而 structure B因為電子阻擋層 的加入而提高電子欲離開光侷限層進入p型披覆層之表一、不同量子井數目在高溫下之臨界電流、量子轉換效率與特徵溫度值。QW=4QW=5QW=6T
22、=338 KIth(mA)SE(W/A)T0I th(mA)SE(W/A)T0Ith(mA)SE(W/A)T03.3岬p S.C.ILF.S-L.n I 3 As- rjn,n典迪well x 5tsarrier x 4R (1.32S n m4- nnk an. 11 *礼岂九2.02.5X1_Distance ( Lm )3.070054mA T=338K6 6 6 6 5 5 5 5 4 4 4 4 Q Q ArpArp j j i i tntn J J c c t-t-rara - - rsrs 二一l=54mA T=338K2.02.53.0X2_Distance ( 阳)60605
23、0504030302020o oo o-Structure A -Structure B -Structure C20205 5 o oT=338 K304050607080In put curre nt (mA)物理雙月刊(廿八卷四期)2006年8月725Structure A610.3970680.3873750.3674Structure B350.4580380.4583430.4585Structure C390.3676430.3778480.3679溢流岀量子井之載子數目就降低,被侷限在光侷限層 之載子數目因而減少,使縱向與橫向之漏電流降低, 故可有效改善高溫下structure
24、 C之量子轉換效率。反言之,在四個量子井時,因其載子不易侷限於量子井 中,故溢流量相對較大,其縱向與橫向漏電流也相對 較大,因而對structure C產生不利之影響。如此高的功率,所以無論電子侷限層位於上述之兩個 位置的任一位置,皆能有效的改善元件的特性,降低 其對溫度的敏感度,提高特徵溫度值。其中以將電子 侷限層位於於 p型披覆層與光侷限層之界面時,可以 得到最佳的元件特性。四、結論就InGaAsP/InP此材料系統而言,因為其較小的 能隙,導致 Auger recombination 及IVBA 過大,但 皆可利用應力來降低此缺失。此材料系統也因有較小 的con duction band
25、 offset,故侷限載子的能力有限,造 成在高溫或高注入電流下易有載子溢流的現象發生。 本文利用將電子侷限層成長於不同之位置,探討岀其 最佳的位置。當電子侷限層位於p型披覆層與光侷限層之界面時,元件之臨界電流確實可以大幅降低,並 且提升其量子轉化效率。當電子侷限層位於量子井與 靠近p型披覆層的光侷限層之界面時,臨界電流亦可 達到降低之效果,但在高溫操作下時,量子轉化效率 並沒有任何提升之效,甚至在高功率操作下會得到較 原始結構更差的量子轉化效率。其主因是使電子易聚 集於電子侷限層與 p型披覆層之間,因而造成橫向與 縱向漏電流增加。若一定得使用此結構時,建議採用 六個量子井數目,可有效改善量子
26、轉化效率不佳的元 件特性,但臨界電流將因量子井數目增加而提高。但 在只考慮應用於光纖通訊之系統中時,並不需要用到參考資料:1 G. P. Agrawal and N. K. Dutta, Semic on ductor Lasers, 2nd ed, Van Nostra nd Rein hold,USA,(1993).2 J. Piprek, P. Abraham and J. E. Bowers, IEEE J. Sel.Top. Quantum Electron., 5,643(1999).3 S. R. Selmic, T. M. Chou, J. P. Sih, J. B. Kirk
27、, A. Ma ntie, J. K. Butler, D. Bour and G. A. Eva ns, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron., 7340(2001).4 R. M. Ash, D. J. Robbins and J. Thompson, Elec. Lett., 25, 1530(1989).5 J. W. Pan and J. I. Chyi, IEEE J. Qua ntum Electro n.,32, 2133(1996). J. W. Pan, K. G . Chau, J. I. Chyi, Y . K. Tu and J. W
28、. Liaw, App. Phys. Lett., 722090(1998).7 Gh. Dumitras and H. Riechert, J. Appl. Phys., 94, 3955(2003).8 Y. A. Cha ng, H. C. Kuo, Y . H. Cha ng and S. C. Wang,Opt. Commu ni., 241, 195(2004).9 J. C. L. Yong, J. M. Roriso n, M. Othma n, H. D. Sun,M. D. Dawson, and K. A. Williams, IEE Proc.Optoelectro n
29、i cs, 150, 80(2003).10 C. S. Pe ng, N. La ine, J. Kon tt inen, S. Karir inne, T.Jouhti and M. Pessa, Electron. Lett., 40604(2004).11 Patrick Abraham, Joachim Piprek, Steve n P. Den Baars and Joh n E. Bowers, Semic ond. Sci. Tech nol., 1 419(1999).12 J. Braithwaite, M. Silver, V. A. Wilkinson, E. P.
30、O Reilly a nd A. R. Adams, Appl. Phys. Lett., 67, 3546(1995).物理雙月刊(廿八卷四期)2006年8月72613 L. J. P. Ketelsen and R. F. Kazarinov, IEEE J. Quantum Electron., 34,811 (1995).14 J. Piprek, D. Babic and J. E. Bowers, J. Appl. Phys.,81, 3382(1997).15 A. A. Bernussi, H. Temkin, D. L. Coblentz and R. A.Loga n, Appl.
温馨提示
- 1. 本站所有资源如无特殊说明,都需要本地电脑安装OFFICE2007和PDF阅读器。图纸软件为CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
- 2. 本站的文档不包含任何第三方提供的附件图纸等,如果需要附件,请联系上传者。文件的所有权益归上传用户所有。
- 3. 本站RAR压缩包中若带图纸,网页内容里面会有图纸预览,若没有图纸预览就没有图纸。
- 4. 未经权益所有人同意不得将文件中的内容挪作商业或盈利用途。
- 5. 人人文库网仅提供信息存储空间,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对用户上传分享的文档内容本身不做任何修改或编辑,并不能对任何下载内容负责。
- 6. 下载文件中如有侵权或不适当内容,请与我们联系,我们立即纠正。
- 7. 本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。
最新文档
- 托班安全教案我的小手
- 放射性粒子治疗护理规范
- 节油赛自驾游活动方案
- 4.1.2化学电源高二上学期化学人教版(2019)选择性必修1
- 3.2.1金属材料 课件高一上学期化学人教版(2019)必修第一册
- 食品安全问题答题活动
- 企业工作职业生涯规划
- 糖尿病的措施
- 智慧旅游运营方案
- 食品安全四员培训
- 发展汉语-初级综合2-1入乡随俗
- YY/T 1429-2016外科植入物丙烯酸类树脂骨水泥矫形外科用丙烯酸类树脂骨水泥弯曲疲劳性能试验方法
- 烧结过程中氮氧化物生成机理及控制
- GB/T 19889.5-2006声学建筑和建筑构件隔声测量第5部分:外墙构件和外墙空气声隔声的现场测量
- 兴业矿产资源总体规划
- GB 16780-2021水泥单位产品能源消耗限额
- GA 1800.3-2021电力系统治安反恐防范要求第3部分:水力发电企业
- 英属哥伦比亚大学PPT
- 《说优点-讲不足-手拉手-同进步》主题队会课件
- 2022年新版《建设工程工程量清单计价规范》
- 食用香料香精产品生产许可实施细则
评论
0/150
提交评论