垂直腔体表面发射激光器理论特性与基于ISE TCAD的仿真研究

摘要

新型的光电器件垂直腔体表面发射激光器（VCSEL）具有极低的阈值电流及高的转换效率，且共振腔极短而容易产生单一纵模，出射激光的发散角度较小，较易与光纤耦合。又由于其在制造时可直接在晶片上做测试并且易于集成二维阵列，因此成为多芯片组件（MCM）波导光互连技术的首选光源。
论文对 VCSEL 的原理、基本结构进行了论述，从半导体物理的角度讨论了激光产生的条件，研究了半导体激光器的起振原理，分析了造成二极管激光器结构不断演变的关键动力及主要技术，并对激光器的光模式特性及求解光场的主流仿真方法进行了简述。
以激光原理为基础，从两个基本速率方程出发，详细推导了矩形截面一般结构 VCSEL 的阈值电流表达式，该公式表明 VCSEL 的阈值电流主要与腔体损耗、材料增益曲线、实际发光区域及泄漏电流程度有关。通过对表达式的讨论得出了几种可以减小阈值电流的办法，包括降低腔体损耗，减小有源区发光孔径及采用应变量子阱材料等。针对氧化限制型内腔接触式结构 VCSEL，提出了一种可能的阈值电流修正形式。
论文研究了适用于二维量子阱二极管激光器仿真的载流子“捕获”模型，给出了器件不同区域对应的不同的连续性方程。利用 ISE TCAD 对具体的矩形截面VCSEL 结构进行了仿真，给出了 VCSEL 基本 P-I 特性、I-V 特性、材料增益随注入电流变化关系及近场光强分布的仿真结果。仿真结果显示，理想情况下 VCSEL的阈值电流量级在数毫安以下，随着发光孔径的增大，阈值电流增加，一阶横模近场光强分布更加分散。当发光有源区具有统一的电流密度时，矩形截面外腔接触式结构 VCSEL 的阈值电流随发光孔径的变化呈平方率关系。