温度对InAlAs/InGaAs量子级联激光器性能的影响
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【摘要】设计了基于InAIAs/InGaAs材料体系的垂直跃迁型量子级联激光器有源区，其包括激射区和注入区，并用能级微带注入原理与纵向光学声子散射原理实现了量子级联激射，采用时域有限差分法计算了外加电场下的能级分布及影响激光器的重要参数，如偶极矩阵元、散射时间、增益系数、阂值电流密度、外微分量子效率等，分析了温度对阈值电流密度及激光输出功率的影响。结果表明在300K下输出功率为15mW，外微分量子效率为10%，部分参数优于相关文献，也为室温下工作的量子级联激光器设计奠定了理论基础。
【关键词】量子级联激光器；有源区；偶极矩阵元；电增益系数
中图分类号：O47
文献标识码：A
文章编号：1000-5617（2015）02-0102-04
引言
Bell实验室于1994年研制出了世界第一台以材料InAIAs/InGaAs为有源区的量子级联激光器（QCL），通过有源区结构的有效变化可实现不同波长激光激射。1998年，法国的Sirtori等多位研究人员设计出了以材料AIGaAs/GaAs为有源区的QCL，有些性能略低于InAIAs/ln-GaAs QCL，但有源区材料的设计有所突破，从此以后很多科研人员在QCL的有源区设计领域开展了诸多研究。上述文献实现量子级联激射的主要原理可归结于：利用（1）外加电场下半导体材料导带能级分裂；（2）纵向光学声子散射；（3）隧穿原理来实现粒子数反转与级联激射。该文设计了基于InAIAs/InGaAs材料体系的垂直跃迁型量子级联激光器有源区结构，并分析了相关参数对其影响。
理论分析
利用时域有限差分法（FDTD）求解薛定谔方程，得到了量子阱中的能级及其对应的波函InGaAs中镓掺杂的百分含量，y为在InAIAs中铝掺杂的百分含量，由（4）式为半导体导带的计算种材料的导带偏移量，（7）式给出了势能函数的计算.其中F为外加电场强度，e为电子的电荷量；Z为生长方向的长度。腔长，该文分别取34 μm和1000 μm。
计算与分析
图1给出了基于材料的双周期有源区能级结构及波函数分布，其中外加电场为39 kV/cm，有源区结构为4.2/1.5/0.5/8.4/1/6/2.8/5.2/1.2/4.6/1/4.2/1/4.2/1/3.4/0.8/4.2nm，加黑部分为势垒，下划线表示此部分注入区掺杂别表示第一周期和第二周期的第3、2、1能级；g表示能级微带带底。每个周期是由一个激射"K（Lasering region）和一个注入区（Injectioegion）构成，其中激射区第一个量子阱厚度为1.5nm及注入区的最后一个势垒厚度为8.4 nm，目的是避免在高温工作时自由载流子回填到上一周期的注入区，进而导致激光器的阈值电流过高。注入区中的能级微带能够使电子快速
温度特性
3.1温度对阈值电流密度的影响
不同温度下，激光器的输出性能相差很大，根据（12）式计算了不同温度下的阈值电流密度，如图3所示。由图3可知阈值电流密度随温度
3.2温度对输出光功率的影响
由（14）式与（15）式计算得10 K时外微分量子效率为42%，室温下的外微分量子效率为10%。由（16）式与（17）式可得不同温度下输出激光功率与驱动电流之间的变化关系，如图4所示。图4中每条曲线的驱动电流都必须大于该温度下的阈值电流，且每条曲线都接近于线性。当T=10 K时，阈值电流仅为0.6 A，当T=300 K时阈值电流升至2.6 A，而P-I曲线的斜率为外微分量子效率，可见温度越高，外微分量子效率越低。表2给出了不同温度下该文的计算结果与相关文献的比较。由表2可以看出，该文设计QCL有源区结构可实现室温下工作。
结论
设计了基于材料InAIAs/InGaAs的新型量子级联激光器的有源区结构。理论计算了激光器的相关参数，比较分析了相关参数对激光器的影响，结果表明，所设计有源区结构组成的激光器部分输出参数由于相关文献的结果。尤其温度特性优于相关文献，为后续的室温下工作激光器设计提供了理论支持。