本文關(guān)鍵詞：基于雙軸張應(yīng)變的雙異質(zhì)結(jié)邊緣發(fā)射鍺激光器的模型研究與性能優(yōu)化　出處：《華南理工大學(xué)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：近年來,半導(dǎo)體激光器加上低損耗光纖對(duì)光纖通信產(chǎn)生了重大的影響,并加速了它的發(fā)展。然而目前商用化激光器器件多采用Ⅲ-V族半導(dǎo)體材料作為光源,由于其制備工藝與CMOS大規(guī)模集成工藝不兼容,且采用晶片鍵合到硅片上的技術(shù)成本昂貴、產(chǎn)量低,導(dǎo)致Ⅲ-V族半導(dǎo)體材料與芯片的光電異質(zhì)集成不能被廣泛接受。而近年來隨著與硅同屬Ⅳ族半導(dǎo)體材料的鍺在硅上外延生長技術(shù)的發(fā)展,對(duì)鍺的研究重新成為了熱點(diǎn)。與Ⅲ-V族半導(dǎo)體材料激光器相比,目前鍺激光器面臨的最主要問題之一是其具有很高的閾值電流密度。以麻省理工學(xué)院制備的雙異質(zhì)結(jié)電激發(fā)邊緣發(fā)射鍺激光器為例,頂部多晶硅接觸引起的高串聯(lián)電阻、鍺N型摻雜和多晶硅P型摻雜導(dǎo)致的高自由載流子吸收引起的光損耗、光腔尺寸不合適導(dǎo)致出現(xiàn)光泄漏等因素都是造成高閾值條件的原因。因此,本文的研究目的將定位于對(duì)鍺激光器在不同光腔結(jié)構(gòu)尺寸、應(yīng)變、少數(shù)載流子壽命以及溫度下的工作性能進(jìn)行系統(tǒng)研究,特別是對(duì)鍺激光器在不同條件下的閾值電流濃度、電光轉(zhuǎn)換效率等參數(shù)的變化情況進(jìn)行分析,以探索鍺激光器工作性能優(yōu)化的方案。合理地構(gòu)建鍺激光器模型是研究鍺激光器并對(duì)其工作性能進(jìn)行優(yōu)化的前提。半導(dǎo)體材料發(fā)光的原理是導(dǎo)帶電子與價(jià)帶空穴之間通過直接帶隙躍遷過程以產(chǎn)生光增益,而躍遷發(fā)生的必要條件則是導(dǎo)帶Γ谷和L谷至少位于同一能級(jí),形成直接帶隙的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)條件。雙軸張應(yīng)變和N型摻雜的共同作用是達(dá)到這一條件的有效方式之一。與以往文獻(xiàn)著重于對(duì)鍺材料性質(zhì)的理論運(yùn)算不同,本文在MIT雙異質(zhì)結(jié)法布里-珀羅電激發(fā)邊緣發(fā)射鍺激光器的基礎(chǔ)上,運(yùn)用二維邊緣發(fā)射激光器件模擬軟件Lastip,對(duì)以間接帶隙半導(dǎo)體材料鍺作為發(fā)光源、基于雙軸張應(yīng)變的邊緣發(fā)射激光器進(jìn)行建模。在建模過程中考慮了分別由雙軸張應(yīng)變和N型摻雜和引起的價(jià)帶分裂效應(yīng)和帶隙變窄效應(yīng),首次提出了包括光腔結(jié)構(gòu)、金屬接觸以及襯底等在內(nèi)的鍺激光器整體結(jié)構(gòu)模型。仿真數(shù)據(jù)能較好地與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相吻合,驗(yàn)證了模型的可行性。利用所建立的模型,本文對(duì)鍺激光器閾值條件在不同光腔尺寸下的變化關(guān)系進(jìn)行了研究。以閾值電流大小作為衡量標(biāo)準(zhǔn),分別對(duì)重要的光腔尺寸參數(shù),包括光腔長度、寬度、厚度以及多晶硅覆蓋層厚度進(jìn)行了優(yōu)化。結(jié)果表明,經(jīng)過光腔尺寸優(yōu)化后的鍺激光器閾值電流下降了17倍,本征量子效率和外微分量子效率也分別得到了5.6倍和9.6倍的提升。證明了通過優(yōu)化光腔尺寸改善鍺激光器工作性能的可行性。同時(shí),仿真結(jié)果表明,改善鍺的材質(zhì),提高少數(shù)載流子壽命,可以進(jìn)一步降低閾值條件,是實(shí)現(xiàn)鍺激光器的高效低閾值工作的有效方式之一。另一方面,增大鍺的雙軸張應(yīng)變也是降低激光器閾值條件的有效方法。應(yīng)變的增大可以使得導(dǎo)帶Γ谷和L谷之間的能量差減小,從而減小因N型摻雜所引起的自由載流子吸收帶來的光損耗。在此基礎(chǔ)上,本文分析了鍺激光器光增益、閾值電流密度以及電光轉(zhuǎn)換效率在不同應(yīng)變及摻雜條件下的變化關(guān)系。并且給出了在不同應(yīng)變下的最優(yōu)摻雜濃度,為制備高應(yīng)變鍺激光器提供了理論參考。在實(shí)際的應(yīng)用中,鍺激光器會(huì)受到環(huán)境溫度和自熱效應(yīng)的影響。本文結(jié)合材料參數(shù)與溫度之間的關(guān)系,提出了鍺激光器工作的溫度模型。采用該模型,對(duì)鍺激光器出現(xiàn)的與Ⅲ-V族半導(dǎo)體材料激光器相反的溫度效應(yīng),即閾值條件隨溫度上升而下降的情況進(jìn)行了機(jī)理分析。仿真結(jié)果表明,較大的閾值電流密度帶來的大量注入載流子會(huì)使參與直接帶隙躍遷的能級(jí)在高溫時(shí)的載流子濃度比低溫時(shí)要大,這是造成異常溫度效應(yīng)的原因。因此,優(yōu)化光腔尺寸以及增大應(yīng)變是降低閾值條件,避免異常溫度效應(yīng)現(xiàn)象出現(xiàn)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 .

【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TN248

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本文編號(hào)：1414080