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对于InP基 1310 nm 半导体激光器其多量子阱有源区的材料选择非常经典和成熟。
其核心是利用四元化合物 InGaAsP通过精确调节 In、Ga、As、P 四种元素的组分比例来同时满足发光波长和晶格匹配的双重要求。
下图展示了该激光器的典型材料结构以下是各层材料的详细说明
势阱层材料Insubx/subGasub1-x/subAssuby/subPsub1-y/sub设计要求发光波长 为了实现1310 nm的光发射势阱材料的带隙对应的发光波长体材料时通常在1500 - 1600 nm范围。
量子限制效应电子和空穴被限制在阱内能级分立会使有效带隙蓝移从而将发射波长拉到目标值1310 nm。
晶格匹配/应变 为了获得更好的性能如降低阈值电流、提高微分增益现代激光器通常采用压应变异质结。
即势阱层的晶格常数略大于InP衬底约1%的压应变。
这种应变可以改善能带结构降低价带有效质量增强辐射复合效率。
典型参数 In组分x约为
53-
57 As组分y相应调整以保证实现目标带隙和应变。
阱层厚度很薄通常在5 - 7 nm左右。
势垒层材料Insubx/subGasub1-x/subAssuby/subPsub1-y/sub设计要求带隙 势垒层的带隙必须明显大于势阱层以形成足够的势垒高度有效限制载流子。
其对应的波长体材料时通常在1100 - 1200 nm即
1-
2 μm范围。
晶格匹配/应变 在采用应变补偿设计时势垒层常被设计为具有张应变即其晶格常数略小于InP衬底。
这样一个“压应变”的阱和一个“张应变”的垒交替生长两者的应变可以部分抵消使得整个多量子阱区域的平均晶格常数仍然与InP衬底完美匹配从而避免产生位错允许生长更多周期的量子阱。
典型参数 In组分x约为
7-
8 As组分y相应调整。
垒层厚度通常在8 - 12 nm左右。
关键设计思想应变补偿如上图所示1310nm激光器多量子阱设计的精髓在于应变补偿。
通过精心计算阱和垒的组分、厚度和应变大小使得(阱的压应变 × 阱厚) (垒的张应变 × 垒厚) ≈ 0这样整个多层有源区结构对外表现出的平均晶格常数与InP衬底一致实现了完美的“应变补偿”保证了晶体质量。
对比包层/波导层材料为了完整性与有源区相邻的层通常是波导层/限制层 也使用InGaAsP但其带隙比量子垒更宽对应波长约为
05 -
3 μm并且严格晶格匹配于InP无净应变。
它的作用是进一步将光场限制在有源区附近同时帮助载流子限制。
包层 通常是InP晶格完美匹配或带隙更宽的晶格匹配InGaAsP。
它们的主要作用是提供折射率差以实现光波导以及电势垒以限制载流子。