本發(fā)明涉及量子阱激光器技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種應(yīng)變多量子阱激光器有源層應(yīng)變補(bǔ)償?shù)姆椒ā?/p>

背景技術(shù)：

超薄晶體的量子尺寸效應(yīng)是量子阱結(jié)構(gòu)的理論模型,貝爾實(shí)驗(yàn)室的朱肇祥和江崎在60年代末提出的,就是說(shuō)當(dāng)有源區(qū)足夠薄的時(shí)候,達(dá)到小于電子的德布羅意的情況下,有源區(qū)就是轉(zhuǎn)變?yōu)閯?shì)阱區(qū),兩邊的寬帶隙的材料就自然轉(zhuǎn)變?yōu)閯?shì)壘區(qū),載流子在這個(gè)空間內(nèi)的運(yùn)動(dòng)就會(huì)二維化,不同于在載流子在體材料中的三維運(yùn)動(dòng),使得這種材料與體材料的能帶結(jié)構(gòu)完全不同,當(dāng)然激光器的輸出也就會(huì)有很大的變化。在此基礎(chǔ)上，可以去改變超薄層的應(yīng)變量，引起能帶結(jié)構(gòu)的變化。繼而可以從能帶的角度去研究，使其性能出現(xiàn)了本質(zhì)的改變，量子阱半導(dǎo)體激光器的量子效應(yīng)好、溫度穩(wěn)定性好、壽命長(zhǎng)、閾值電流低、激射的波長(zhǎng)單一性好等。

近年來(lái)國(guó)內(nèi)主要研究InGaAsP/InP材料系列激光器,對(duì)AlGaInAs/InP激光器的研究還剛開(kāi)始,目前我們正在進(jìn)行AlGaInAs應(yīng)變多量子阱的金屬有機(jī)化學(xué)氣相外延(MOVPE)工藝技術(shù)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(yīng)變多量子阱結(jié)構(gòu)作為激光器的有源層,使依賴(lài)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(jìn)一步提高激光器的溫度特性。

隨著光通信技術(shù)的發(fā)展，特別是當(dāng)前光纖高速互聯(lián)網(wǎng)和光纖到戶目標(biāo)的提出，人們對(duì)半導(dǎo)體激光器提出了更高的要求，希望能研制出能在較高環(huán)境溫度下工作、無(wú)需采用熱電制冷的低成本1310nm激光器。采用量子阱結(jié)構(gòu)及引入適當(dāng)?shù)膽?yīng)變是改善半導(dǎo)體激光器溫度特性的主要方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是：如何通過(guò)調(diào)整勢(shì)阱層的材料組份，進(jìn)而提高量子阱激光器的效率。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種應(yīng)變多量子阱激光器有源層應(yīng)變補(bǔ)償?shù)姆椒?，按照如下步驟進(jìn)行

步驟一、利用器件仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭谱饕粋€(gè)量子阱激光器，使?jié)M足量子阱激光器的波長(zhǎng)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(jù)現(xiàn)有技術(shù)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(diào)整勢(shì)阱層的材料組份為Al_xGa_yIn_1-x-yAs，使得有源層凈應(yīng)變量的絕對(duì)值最小，然后根據(jù)調(diào)整后的勢(shì)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(gè)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(shì)阱層的應(yīng)變量為張應(yīng)變，∈_b為勢(shì)壘層的應(yīng)變量為壓應(yīng)變，L_w為勢(shì)阱層的的厚度，L_b為勢(shì)壘層的厚度，H為有源區(qū)的厚度即為L(zhǎng)_w和L_b之和，E_g0為材料非應(yīng)變帶隙，在波長(zhǎng)為1310nm時(shí)，E_g0＝0.95eV。

本發(fā)明的有益效果是：勢(shì)壘和勢(shì)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(qū)采用應(yīng)變補(bǔ)償?shù)姆椒?，使的有源區(qū)凈應(yīng)變?yōu)榱恪＿@種結(jié)構(gòu)就可以實(shí)現(xiàn)多量子阱的生長(zhǎng)，不用考慮由于應(yīng)變的存在而導(dǎo)致的每個(gè)單層都存在的一個(gè)臨界厚度，進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)應(yīng)變多量子阱結(jié)構(gòu)由于每個(gè)阱層的應(yīng)變累計(jì)效應(yīng)，存在的一個(gè)有源層的臨界厚度。本發(fā)明采用阱壘之間相反應(yīng)變的應(yīng)變補(bǔ)償量子阱結(jié)構(gòu)，會(huì)使應(yīng)變多量子阱結(jié)構(gòu)更加優(yōu)化，降低整個(gè)有源區(qū)的平均應(yīng)變量，使量子阱的阱寬、阱數(shù)將不受應(yīng)變量的限制?？梢杂行У脑黾佑性磪^(qū)的微分增益，降低閾值，提高飽和功率。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的勢(shì)阱層四元化合物Al_xGa_yIn_1-x-yAs各參數(shù)的計(jì)算結(jié)果表

圖2為本發(fā)明中應(yīng)變多量子阱結(jié)構(gòu)表；

圖3為本發(fā)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(fā)明中激光器有源區(qū)載流子增益隨偏置電流的變化曲線圖；

圖5為本發(fā)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(fā)明中激光器偏置電壓隨偏置電流的變化曲線圖。

具體實(shí)施方式

以下由特定的具體實(shí)施例說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式，熟悉該技術(shù)的人士可以通過(guò)本說(shuō)明書(shū)所揭露的內(nèi)容比較容易地了解本發(fā)明的其他功效和特點(diǎn)。

本說(shuō)明書(shū)所附圖式所繪示的結(jié)構(gòu)、大小和比例等，均僅用以配合說(shuō)明書(shū)所揭示的內(nèi)容，以供熟悉此技術(shù)的人士閱讀和理解，并非用來(lái)限定本發(fā)明可以實(shí)施的限定條件，因此不具有技術(shù)上的實(shí)質(zhì)意義，任何結(jié)構(gòu)的修飾、大小的改變和比例關(guān)系的調(diào)整，在不影響本發(fā)明所能產(chǎn)生的功效以及本發(fā)明所能實(shí)現(xiàn)的目的的前提條件下，均應(yīng)仍落在本發(fā)明所揭示的技術(shù)內(nèi)容所能涵蓋的范圍內(nèi)。另外，本說(shuō)明書(shū)中所引用的諸如“上”、“下”、“左”、“右”以及“一”等用語(yǔ)，也僅僅是為了便于敘述的明了，而不是用來(lái)限定本發(fā)明可以實(shí)施的范圍，其相對(duì)關(guān)系的調(diào)整或更改在無(wú)實(shí)質(zhì)變更技術(shù)內(nèi)容的前提下，應(yīng)當(dāng)也視為本發(fā)明可以實(shí)施的范疇。

一種應(yīng)變多量子阱激光器有源層應(yīng)變補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ凑杖缦虏襟E進(jìn)行

步驟一、利用器件仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭谱饕粋€(gè)量子阱激光器，使?jié)M足量子阱激光器的波長(zhǎng)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(jù)現(xiàn)有技術(shù)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(zhǎng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，按照?qǐng)D示結(jié)構(gòu)，分別生長(zhǎng)了阱寬為L(zhǎng)_w＝3.3nm，壘寬為L(zhǎng)_b＝8.1nm，阱數(shù)為n＝10，勢(shì)阱層的組份為Al_0.2Ga_0.23In_0.57As，勢(shì)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(diào)整勢(shì)阱層的材料組份為Al_xGa_yIn_1-x-yAs，使得有源層凈應(yīng)變量的絕對(duì)值最小，由于壘材料和阱材料的應(yīng)變類(lèi)型相反，這樣可以調(diào)節(jié)壘材料應(yīng)變大小和厚度，使得∈_wL_w+∈_bL_b等于零，即凈應(yīng)變量為零。這種結(jié)構(gòu)就可以實(shí)現(xiàn)多量子阱的生長(zhǎng)，不用考慮由于應(yīng)變的存在而導(dǎo)致的每個(gè)單層都存在的一個(gè)臨界厚度，進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)由于每個(gè)阱層的應(yīng)變累計(jì)效應(yīng)，存在的一個(gè)有源層的臨界厚度。在超出臨界厚度后，整個(gè)量子阱激光器的生長(zhǎng)質(zhì)量下降，導(dǎo)致的發(fā)光效率的降低。然后根據(jù)調(diào)整后的勢(shì)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(gè)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(shì)阱層的應(yīng)變量為張應(yīng)變，∈_b為勢(shì)壘層的應(yīng)變量為壓應(yīng)變，L_w為勢(shì)阱層的的厚度，L_b為勢(shì)壘層的厚度，H為有源區(qū)的厚度即為L(zhǎng)_w和L_b之和，E_g0為材料非應(yīng)變帶隙，在波長(zhǎng)為1310nm時(shí)，E_g0＝0.95eV。

帶入公式求的x＝0.00385，y＝0.566，獲得勢(shì)阱層的組份為Al_0.00385Ga_0.566In_0.43015As，如圖2所示。測(cè)得在有源層應(yīng)用應(yīng)變補(bǔ)償后該激光器的閾值電流為：13.4313mA，相較于在有源區(qū)未進(jìn)行應(yīng)變補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的閾值電流20.1435mA更小，從圖3可以看出激光器有源區(qū)進(jìn)行應(yīng)變補(bǔ)償設(shè)計(jì)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(qū)進(jìn)行應(yīng)變補(bǔ)償設(shè)計(jì)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(qū)進(jìn)行應(yīng)變補(bǔ)償設(shè)計(jì)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(qū)進(jìn)行應(yīng)變補(bǔ)償設(shè)計(jì)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(yīng)變多量子阱激光器的有源區(qū)實(shí)現(xiàn)應(yīng)變補(bǔ)償對(duì)應(yīng)變量子阱激光器的器件性能有很大的提升。所以本發(fā)明具有較強(qiáng)的實(shí)用性。

上述實(shí)施例僅例示性說(shuō)明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神和技術(shù)思想下，對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識(shí)者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神和技術(shù)思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應(yīng)由本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。

四元化合物的晶格常數(shù)a，禁帶寬度E_g，導(dǎo)帶的靜壓力形變勢(shì)a_c，價(jià)帶的靜壓力形變勢(shì)a_v，為切變形變勢(shì)b，彈性應(yīng)變系數(shù)C₁₁和C₁₂，失配度ε等參數(shù)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(yīng)變層超晶格生長(zhǎng)存在的臨界厚度，量子阱個(gè)數(shù)受到一定的限制的問(wèn)題，采用多量子肼結(jié)構(gòu)，根據(jù)應(yīng)變積累效應(yīng)，引入平均應(yīng)變的概念。

本發(fā)明設(shè)計(jì)采用的材料的導(dǎo)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(dǎo)帶偏移比InGaAsP/InP材料大了近一倍，采用AlGaInAs/InP材料使勢(shì)壘和勢(shì)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(shè)計(jì)1310nm激光器，則設(shè)勢(shì)阱Al_xGa_yIn_1-x-yAs四元系激光器的波長(zhǎng)為1310nm，由于半導(dǎo)體激光器的激射波長(zhǎng)與有源區(qū)材料的禁帶寬度有直接的關(guān)系。

滿足下式：

λ＝1.24/E_gt

式中λ是激射波長(zhǎng)，E_gt是禁帶寬度，由上式可以求得發(fā)射波長(zhǎng)為1310nm的激光器的禁帶寬度理論上應(yīng)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(dǎo)帶邊的漂移值，δE_hh為量子阱層的價(jià)帶漂移值，驗(yàn)證結(jié)果近似接近于滿足激射波長(zhǎng)為1310nm的激光器的禁帶寬度。