IEEE SiPhotonics2025 | 电注入InGaAs/GaAs单片纳米脊激光二极管的复合系数提取

逍遥设计自动化 · 发表于前天 08:01

引言
单片集成III-V族激光器于硅基底代表了光电子集成芯片的重要发展。纳米脊工程的最新进展使得直接生长在硅上的电注入InGaAs/GaAs多量子阱激光器成为现实。这些新型器件面临与载流子动力学和复合过程相关的独特挑战，需要仔细表征以优化其性能[1]。

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纳米脊激光器技术介绍
单片In0.2Ga0.8As/GaAs多量子阱激光器的电泵浦传统上面临着由金属接触引起的显著吸收损耗问题。然而，研究人员通过引入模式拍频效应有效减轻了这些损耗，使电注入下的激光发射成为可行。这些在300毫米硅基底上单片生长的纳米脊激光器阵列展示了室温下的连续波激光发射，波长约为1020纳米。

纳米脊激光器堆栈特点是由钨光栅形成的p型接触。这些器件的一个重要特征是，具有更宽沟槽宽度的纳米脊具有更大的盒高度和宽度。用于电接触的稀疏钨插头间隔为4.8微米，导致显著的载流子传输时间，这影响了器件的电阻抗和调制响应。

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图1：纳米脊激光器堆栈的示意图和80纳米沟槽纳米脊的TEM横截面图像。图中标识了关键组件，包括InGaP、p+ GaAs、p GaAs、量子阱(QWs)、n-GaAs、SiO2层和硅基底。

这些创新激光结构的表征需要对其载流子动力学进行详细分析，特别是提取复合系数并理解纳米脊尺寸如何影响这些参数。

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确定有效载流子捕获时间
分析纳米脊激光器复合动力学的第一步涉及确定有效载流子捕获时间。此参数包括载流子捕获时间和载流子传输时间，可以从小信号调制响应中提取，使用以下方程：

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其中ωR表示共振频率，γ是阻尼因子，τs是有效载流子捕获时间。

为测量小信号调制响应，研究人员使用高速微波探针向激光二极管注入直流偏置和小信号调制。通过连接到1.6 GHz光电探测器的透镜光纤从劈开面收集发射，电输出发送到网络分析仪。

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图2：在8.6毫安偏置电流（高于阈值）下测量的小信号调制响应，显示了测量数据和拟合曲线，以及提取的参数，包括共振频率(fR = 1.3 GHz)、阻尼因子(γ = 3.1 GHz)和有效载流子捕获时间(τs = 114 ps)。

提取的有效载流子捕获时间114皮秒略高于量子阱激光器典型报告值20至100皮秒。这一增加值可归因于纳米脊设计的稀疏接触配置。

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复合系数的提取
确定有效载流子捕获时间后，下一步涉及提取表征激光器内载流子动力学的复合系数。此过程始于使用网络分析仪执行阈值下反射系数(S11)测量以评估输入阻抗。利用从调制响应提取的有效载流子捕获时间，可以从每个偏置电流下输入阻抗的实部提取微分载流子寿命，使用：

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其中Z是输入阻抗，Rs是频率和偏置无关的串联电阻，Rd是与微分激光器阻抗相关的频率和偏置相关电阻，τd是微分载流子寿命。

在各种偏置点确定微分载流子寿命后，可以使用以下公式计算载流子密度：

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其中N是载流子密度，I是偏置电流，ηi是注入效率，q是基本电荷，V是量子阱的体积。

通过从电气模拟获得的80%注入效率和通过从样品的TEM横截面获取尺寸计算的有源区域体积，确定了每个偏置电流下的载流子密度。最后，使用标准复合公式从微分载流子寿命与载流子密度曲线中提取复合系数：

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其中A、B和C分别是与缺陷、辐射复合和俄歇复合相关的复合系数。

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图3：(a)在2毫安偏置电流下提取Rs、Rd和τd的图表，显示针对频率数据的拟合曲线及提取值(Rd = 276.8 Ω、Rs = 36 Ω、τd = 0.8 ns)；(b)通过拟合微分载流子寿命与载流子密度数据提取复合系数A、B和C的图表，提取值为A = 1.24×10?/s、B = 2.51×10?1? cm3/s和C = 8.85×10?2? cm?/s；(c)显示A、B和C复合系数与沟槽宽度(60纳米、80纳米和100纳米)关系的图表，每个宽度有多个数据点显示样品间的变化。

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沟槽宽度对复合动力学的影响
为研究沟槽宽度对复合系数的影响，研究者对三组不同沟槽宽度（60纳米、80纳米和100纳米）的器件进行了表征，每组包含三个器件。图3(c)中的结果显示了A、B和C系数与沟槽宽度的依赖关系。

值得注意的是，A系数似乎随沟槽宽度增加而增加，这可能是由于限制在沟槽开口附近（或纳米脊体积）的穿线位错缺陷，或随着沟槽加宽在纳米脊器件堆栈中的非限制缺陷。此外，100纳米沟槽的纳米脊表现出较低的C值和较高的B值。这可能归因于靠近稀疏金属插头的热点引起的器件加热，随着器件体积增加而可能减少。

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结论
对具有不同沟槽宽度的电注入单片纳米脊激光器的全面分析提供了关于其载流子动力学的重要见解。稀疏接触导致较大的载流子传输时间，这对整体有效载流子捕获时间有所贡献。具有较大GaAs盒尺寸的纳米脊表现出较高的缺陷相关复合，这从沟槽宽度增加导致A系数增加可见一斑。

此外，100纳米沟槽宽度的纳米脊显示出较高的B（辐射复合）和较低的C（俄歇复合）系数，表明这些较宽结构在效率上有潜在改进。

这些发现为优化集成在硅基底上的单片纳米脊激光器设计提供了关键信息。了解结构参数（如沟槽宽度）与复合动力学之间的关系使工程师能够在为特定应用设计激光结构时做出明智决定。通过调整沟槽尺寸调节这些属性的能力为器件设计提供了宝贵的自由度，可能导致未来光电子集成芯片的性能和集成能力的提升。

本文描述的提取复合系数的技术可应用于其他新型激光结构，为新兴光电子器件载流子动力学的全面表征提供了方法。随着III-V族激光器在硅上的单片集成继续发展，对基础物理的深入理解对于实现这些技术的全部潜力变得越来越重要。

参考文献
[1] A. Yimam, D. Colucci, C. Caer, D. Yudistira, Y. De Koninck, H. Sar, M. Baryshnikova, P. Verheyen, J. Van Campenhout, B. Kunert, G. Morthier, and D. Van Thourhout, "Extraction of Recombination Coefficients for Electrically Injected InGaAs/GaAs Monolithic Nano-ridge Laser Diodes Integrated on Silicon," in IEEE SiPhotonics, 2025.
END
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