Modellierung und Simulation von langwelligen SMQW-Halbleiterlasern

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Modellierung und Simulation von langwelligen SMQW-Halbleiterlasern

Bearbeiter: U. Bandelow , H. Gajewski , H.-Chr. Kaiser , H. Stephan

Kooperation: Bosch Telekom GmbH (Backnang), U. Troppenz, M. Möhrle (Heinrich-Hertz-Institut für Nachrichtentechnik Berlin (HHI))

Förderung: BMBF: ,,Modellierung und Simulation verspannter Quantenschichten in Halbleiterlasern`` (03-KA7FV1-4), DFG: ,,Komplexe nichtlineare Prozesse``

Beschreibung der Forschungsarbeit: Gegenstand des Projekts ist die Modellierung und Simulation leistungsstarker, thermisch stabil arbeitender InP-basierter Halbleiterlaser für die optische Kommunikationstechnik, die im langwelligen (1,55 $\mu m$ ) Spektralbereich einmodig emittieren können.

Um diese Anforderungen zu erfüllen, ist ein aufwendiges Design der Laser nötig. Dieses umfasst Nanostrukturen, insbesondere mechanisch verspannte (Multi-) Quantum-Well-Strukturen als optisch aktive Zone solcher Laser, die ein gezieltes Bandstrukturdesign ermöglichen. Entsprechende Bandstrukturdetails wurden auf Basis der KPLIB berechnet, über die hier gesondert berichtet wird (siehe S. ).

$% latex2html id marker 16600 \minipage{0.5\textwidth}\begin{figure} \ProjektEPS... ...re}\begin{imagesonly} \addtocounter{projektbild}{-1}\end{imagesonly}\endminipage$ Das für den langwelligen Spektralbereich in Frage kommende InP-basierte Material verursacht insbesondere thermische Probleme, die die Brauchbarkeit der Laser einschränken. Die Erhöhung der thermischen Stabilität war daher ein Optimierungsziel, vgl. Abb. 4.

Ziel des Projekts war die Erweiterung des am WIAS für die Simulation von Halbleiterbauelementen entwickelten Programmsystems WIAS-TeSCA zur Simulation des Zusammenspiels von Ladungsträgertransport, optischer Wellenleitung sowie Wärmeproduktion und -transport im Bauelement, vgl. Abb. 1. Die Bandstrukturinformationen gehen parametrisch über Zustandsdichten (n(F_n,T), p(F_p,T) in Abb. 1) und die optische Responsefunktion (gain in Abb. 1) ein ([1, 2]). Das Zusammenspiel der entsprechenden Komponenten in WIAS-TeSCA ist in Abb. 1 dargestellt.

Ein schwieriges Problem stellt die Beschreibung des Vertikaltransports in Quantum-Well-Bauelementen dar. Unter bestimmten Bedingungen (Flachband-Fall) bietet sich dafür der vergleichsweise einfache Capture-Escape-Mechanismus an ([3]). Der Flachband-Fall ist in der Regel bei hohen Anregungsdichten im Halbleiter -- insbesondere bei den Schwellendichten der in Rede stehenden Halbleiterlaser -- durch die resultierende Abschirmung gegen externe Felder gegeben. Quantenkinetische Grundlagen für das Capture-Escape-Modell wurden innerhalb des Projektes untersucht ([4]).

$% latex2html id marker 16603 \minipage{0.5\textwidth}\begin{figure} \ProjektEPS... ...re}\begin{imagesonly} \addtocounter{projektbild}{-1}\end{imagesonly}\endminipage$ Neben den bisher untersuchten Stegwellenleiter- (Ridge Waveguide-) SMQW-Laserstrukturen (Abb. 3 und 4 rechts) wurde WIAS-TeSCA auch erfolgreich auf neue BH-SMQW-Laser (siehe Abb. 2) angewendet. Letztere erweisen sich als thermisch stabiler (siehe Abb. 4), da die Wärme auch seitlich abfließen kann. Allerdings müssen Geometrie und Dotierung optimiert sein, um Leckströme zu minimieren (siehe Abb. 3).

Die erzielten Simulationsergebnisse stimmen mit experimentellen Daten zufriedenstellend überein, was die Anwendbarkeit dieser Simulationen beim Design moderner optoelektronischer Bauelemente nachweist.

**Abb. 3:** Dotierungsprofil, Intensitätsverteilung der optischen Grundmode und Löcherinjektionsstrom im Querschnitt einer vergrabenen (BH) SMQW-Laserstruktur (links) und einer SMQW-Laserstruktur mit Stegwellenleiter (rechts). Aus Symmetriegründen ist nur eine Hälfte des Querschnitts dargestellt.
$\makeatletter \@ZweiProjektbilderNocap[h]{.45\textwidth}{bh_64.ps}{rw_64.ps} \makeatother$

**Abb. 4:** Temperaturverteilung im (halben) Querschnitt von SMQW-Laserstrukturen, entsprechend Abb. 3. Die Wärmeableitung aus dem aktiven Bereich ist bei der BH-Struktur (links) günstiger, während sich die Wärme im Steg der RW-Struktur (rechts) aufstaut.
$\makeatletter \@ZweiProjektbilderNocap[h]{.45\textwidth}{bh_63.ps}{rw_63.ps} \makeatother$

Projektliteratur:

U. BANDELOW, H. GAJEWSKI, H.-CHR. KAISER, Modeling combined effects of carrier injection, photon dynamics and heating in strained multi-quantum well lasers, in: Physics and Simulation of Optoelectronic Devices VIII (R. H. Binder, P. Blood, M. Osinski, Hrsg.), Proceedings of SPIE, 3944, SPIE, Bellingham, WA, 2000, pp. 301-310.
U. BANDELOW, H.-CHR. KAISER, TH. KOPRUCKI, J. REHBERG, Modeling and simulation of strained quantum wells in semiconductor lasers, WIAS-Preprint No. 582, 2000, erscheint in: BMBF-Förderprogramm ,,Mathematische Verfahren zur Lösung von Problemstellungen in Industrie und Wirtschaft``, Springer.
G. A. BARRAFF, Semiclassical description of electron transport in semiconductor quantum-well devices, Phys. Rev. B, 55 (1997), pp. 10745-10753.
U. BANDELOW, Capture-escape treatment of quantum transport,
in Vorbereitung.

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4/30/2001