Вольтамперная характеристика лазерного диода с квантоворазмерной активной областью

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВОЛЬТАМПЕРНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЛАЗЕРНОГО ДИОДА С КВАНТОВОРАЗМЕРНОЙ АКТИВНОЙ ОБЛАСТЬЮ

Матюхин С.И., Макулевский Г.Р.

Россия, г. Орел, ФГБОУ ВПО «Госуниверситет - УНПК»

Представлена математическая модель прямой ветви вольтамперной характеристики лазерного диода на основе AlGaAs с раздельным ограничением и квантоворазмерной активной областью, позволяющая изучить факторы, определяющие пороговое напряжение и дифференциальное сопротивление таких диодов.

A mathematical model of the forward I-V characteristics of the AlGaAs laser diode with separate confinement and quantum-well active region for determining the threshold voltage and differential resistance of the diodes is presented.

Одной из фундаментальных проблем лазерной техники является проблема повышения эффективности преобразования электрической энергии в энергию когерентного лазерного излучения. Возможным способом решения этой проблемы является понижение тепловых потерь лазерных диодов, обусловленное снижением их порогового напряжения UT и дифференциального сопротивления r. В настоящей работе построена математическая модель прямой ветви ВАХ лазерного диода на основе AlGaAs с раздельным ограничением и квантоворазмерной активной областью, позволяющая изучить все факторы, определяющие эти характеристики диодов.

Исходя из структуры лазерного диода, можно сделать вывод, что прямое падение напряжения на диоде равно:

, (1)

вольтамперный лазерный диод

где первое слагаемое в правой части отвечает сумме падений напряжения на гетеропереходах, второе - падению напряжения на слаболегированной n-базе, а третье - суммарному падению напряжения на сильно легированных слоях полупроводниковой структуры, которое определяется их омическим сопротивлением и током IF:

. (2)

В выражении (2) - это активная площадь переходов, равная в случае полосковых контактов произведению длины лазерного резонатора на ширину полоска ; - толщины соответствующих слоёв, а - удельные сопротивления этих слоев, определяемые подвижностью соответствующих носителей заряда [1] и уровнем легирования слоёв :

. (3)

Падение напряжения на n-базе при высоких уровнях инжекции равно [2]:

, (4)

где - равная ширине волновода толщина n-базы, а - амбиполярная диффузионная длина дырок в волноводе, которая выражается через амбиполярный коэффициент диффузии . Величины и в этом последнем выражении - это подвижности электронов и дырок, а и - соответственно, коэффициент диффузии и среднее время жизни дырок в волноводе. Исходя из соотношения Эйнштейна, , а среднее время жизни дырок в AlxGa1-xAs мы принимаем равным 1 нс ( нс).

Первое слагаемое в выражении (4) учитывает тот факт, что сопротивлением квантоворазмерной активной области при высоких уровнях инжекции можно пренебречь, а удельная электропроводность волновода из-за роста концентрации электронов и дырок увеличивается с ростом тока пропорционально току. Вследствие этого падение напряжения на базе остается постоянным. Однако с ростом концентрации носителей в базе возрастает инжекция неосновных носителей в p+- и n+-эмиттеры, коэффициенты инжекции этих эмиттеров падают; кроме того, начинает проявляться взаимное рассеяние электронов и дырок, что приводит к уменьшению их подвижности. Вследствие этого проводимость базы, несмотря на рост концентрации электронов и дырок, остается примерно постоянной, а падение напряжения на базе возрастает пропорционально току.

Это обстоятельство учитывает второе слагаемое в выражении (4). Входящее в это слагаемое удельное сопротивление , обусловленное взаимным рассеянием носителей, является в нашей модели феноменологическим параметром и уменьшается с температурой как вследствие роста определяемой рассеянием подвижности [2 - 3]:

, (5)

где = 300 K, - диэлектрическая проницаемость [4], а и - эффективные массы электронов и дырок в волноводе [5]. в данном случае - это подгоночная постоянная; сравнение теоретических расчетов с экспериментальными данными [6] дает для этой постоянной величину 114 Омсм.

Сумму падений напряжения на гетеропереходах лазерной структуры согласно существующей теории гетеропереходов [7] можно представить в виде:

, (6)

где - так называемый фактор идеальности, а - обратный ток насыщения.

Если ток через диод ограничивается процессами термоэлектронной эмиссии на p+-n-гетеропереходе [8],

, (7)

, (8)

где и - диэлектрическая проницаемость и уровень легирования p-эмиттера, - возникающая на p+-n-гетеропереходе контактная разность потенциалов [7], а - постоянная, определяемая, в основном, проницаемостью барьера на гетерогранице. Сравнение теоретических расчетов с экспериментальными данными [6] дает для величину 2.210-16 Асм.

Таким образом, вольтамперная характеристика лазерного диода в прямом направлении имеет вид:

. (9)

Степень согласия теоретических расчетов по формуле (9) [сплошные кривые] с результатами компьютерного моделирования лазерного диода [8 - 9] (маркеры) демонстрирует рисунок 1.

Рисунок 1 - ВАХ лазерного диода на основе AlGaAs, излучающего на длине волны 808 нм. Сплошные кривые - результаты теоретических расчетов по формуле (37); маркеры - результаты компьютерного моделирования в пакете Sentaurus TCAD фирмы Synopsys

Литература

1. Sotoodeh M., Khalid A.H., Rezazadeh A.A. Empirical low-field mobility model for III-V compounds applicable in device simulation codes // Journal of Applied Physics. 2000. V.87. N. 6. P. 2890 - 2900.

2. Евсеев Ю.А., Дерменжи П.Г. Силовые полупроводниковые приборы. - М.: Энергоиздат, 1981. - С. 9 - 50.

3. Отблеск А.Е., Челноков В.Е. Физические проблемы в силовой полупроводниковой электронике. - Л.: Наука, 1984. С. 8 - 11.

4. Samara G.A. Temperature and pressure dependence of the dielectric constants of semiconductors // Phys. Rev. B. 1983. V. 27. P. 3494 - 3505.

5. New Semiconductor Materials. Characteristics and Properties.- Electronic archive of the Ioffe Institute: http://www.ioffe.rssi.ru/SVA/NSM/Semicond/AlGaAs/index.html (или http://www.matprop. ru/AlGaAs).

6. Мощные лазеры ( = 808 нм) на основе гетероструктур раздельного ограничения AlGaAs/GaAs /Андреев А.Ю., Зорина С.А., Лешко А.Ю., Лютецкий А.В., Мармалюк А.А., Мурашева А.В., Налет Т.А., Падалица А.А., Пихтин Н.А., Сабитов Д.Р., Симаков В.А., Слипченко С.О., Телегин К.Ю., Шамахов В.В., Тарасов И.С.//ФТП. - 2009. - Т. 43. - Вып. 4. - С. 543 - 547.

7. Шарма Б.Л., Пурохит Р.К. Полупроводниковые гетеропереходы. - М.: Советское радио, 1979. 232 с.

8. Зависимость характеристик полупроводникового ДГС РО лазера на основе AlGaAs от концентрации алюминия в области волновода и эмиттеров /Матюхин С.И., Козил З.Ж., Магомедов Г.Р., Малый Д.О., Ромашин С.Н. //Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. - 2011. - №3 (287). - C. 26 - 35.

9. Матюхин С.И., Козил З.Ж. Зависимость характеристик полупроводникового ДГС РО лазера на основе AlGaAs от ширины квантоворазмерной активной области // Наноинженерия. - 2012. - № 5. С. 14 - 17.

10. Степанов Ю.С., Барсуков Г.В., Степанова Е.Ю. Научно-образовательный центр нанотехнологий в структуре учебно-научно-производственного комплекса // Наноинженерия. - № 5. - 2012. - С. 3 - 6.

Размещено на Allbest.ru