一种超辐射发光二极管的优化方法技术

本发明专利技术提供一种超辐射发光二极管的优化方法，包括：S1，基于分数维度电子态系理论，根据超辐射发光二极管有源区厚度、导带准费米能级和价带准费米能级，获取其有源区载流子联系分谱密度CSD曲线、载流子联系浓度和载流子联系谱效因子；载流子联系谱效因子为CSD曲线峰值平方与载流子联系浓度之比；S2，调节有源区厚度、导带准费米能级和价带准费米能级，获取有源区优化厚度，即CSD曲线呈单峰状时载流子联系谱效因子和CSD曲线的‑3dB带宽的乘积的最大值对应的有源区厚度；S3，基于有源区优化厚度设计超辐射发光二极管。本发明专利技术提供的方法，通过优化有源区厚度增大了功率带宽乘积，有效地提高了超辐射发光二极管的综合性能。

An optimization method for ultra radiant light emitting diodes

The invention provides an optimization method for a super radiant light emitting diode, including: S1, based on the theory of fractional dimension electronic states, based on the thickness of the active region, the quasi Fermi level of the guide band and the valence band of the valence band, the carrier contact density CSD curve, the carrier contact concentration and the carrier flow in the active region are obtained. The spectral efficiency factor of the carrier is associated with the ratio of the peak square of the CSD curve to the carrier density of the carrier, and S2, which regulates the thickness of the active region, the quasi Fermi energy level of the guide band and the valence band quasi Fermi level, and obtains the optimal thickness of the active region, that is, the 3dB bandwidth of the CSD curve is single peak and the CSD curve. The maximum value of the product corresponds to the thickness of the active area; S3, the design of the super luminescent diode based on the optimized thickness of the active region. The method provided by the invention increases the power bandwidth product by optimizing the thickness of the active region, and effectively improves the comprehensive performance of the super luminescent diode.

【技术实现步骤摘要】
一种超辐射发光二极管的优化方法
本专利技术涉及半导体光电子器件领域，尤其涉及一种超辐射发光二极管的优化方法。
技术介绍
超辐射发光二极管(SuperluminescentDiode，SLD)是一类非常重要的非相干半导体宽谱光源，超辐射发光二极管的发光特性介于半导体激光器(LD)和发光二极管(LED)之间。与半导体激光器相比，超辐射发光二极管具有更宽的发光光谱，以及更短的相干长度；与发光二极管相比，超辐射发光二极管的输出功率更高、发散角更小、耦合效率更高、响应速度更快。基于上述特性，超辐射发光二极管在光纤陀螺(FOG)、光时域反射仪(OTDR)、光学相干断层成像(OCT)、光处理、光测量等领域获得了广泛的应用。超辐射发光二极管的结构与半导体激光器基本类似，有源区通常采用典型量子阱(二维)或其它典型低维半导体异质结构(如零维的量子点)提供高的增益。超辐射发光二极管与半导体激光器最大的不同集中体现在：超辐射发光二极管采用端面镀消反膜、斜波导或弯曲波导等方式抑制谐振以实现放大的自发辐射(ASE)。近年来，随着FOG、OCT等技术的快速发展，对于超辐射发光二极管的发光特性要求也越来越高，不仅要求超辐射发光二极管具有较高的输出功率和宽光谱，即具有较高的功率带宽积，还要求超辐射发光二极管的带内光谱尽可能平坦、对称，偏振消光比尽可能低。因此，开展超辐射发光二极管器件优化设计研究，实现超辐射发光二极管器件诸多性能的协同控制和提升，对于深化超辐射发光二极管在特定领域的实际应用显得尤为重要。在上述各种有关超辐射发光二极管指标的要求中，功率带宽积是最基本、也是最重要的指标。功率带宽积提高的意义不仅在于该指标本身，还为其它相关指标的提高留出了余地。采用典型的量子阱异质结构替代典型的体材料异质结构在提高超辐射发光二极管的功率和功率效率方面具有其优越性，然而在超辐射发光二极管光谱带宽方面却并不占优势。这是因为典型量子阱异质结构阱层中的电子态密度函数DOS是台阶状的，相应地其载流子分谱密度(包括导带中的电子分谱密度ESD和价带中的空穴分谱密度HSD)曲线呈锯齿状，而不是像典型体材料异质结构中那样呈单峰结构。如何克服常规量子阱超辐射发光二极管在这方面的不足，成为一个需要解决的问题。
技术实现思路
本专利技术为解决现有技术中存在的超辐射发光二极管中典型的量子阱异质结构导致光谱带宽不理想的问题，提供了一种超辐射发光二极管的优化方法。一方面，本专利技术提出一种超辐射发光二极管的优化方法，包括：S1，基于分数维度电子态系理论，根据所述超辐射发光二极管的有源区厚度、导带准费米能级和价带准费米能级，获取所述超辐射发光二极管有源区的载流子联系分谱密度CSD曲线、载流子联系浓度和载流子联系谱效因子；所述载流子联系谱效因子为所述CSD曲线峰值的平方与载流子联系浓度之比；S2，调节所述有源区厚度、导带准费米能级和价带准费米能级，获取有源区优化厚度；所述有源区优化厚度为所述CSD曲线呈单峰状时所述载流子联系谱效因子和CSD曲线的-3dB带宽的乘积的最大值对应的有源区厚度；S3，基于所述有源区优化厚度设计所述超辐射发光二极管。具体地，所述步骤S1进一步包括：S11，基于分数维度电子态系理论，根据有源区厚度计算电子态密度函数DOS的导带部分和价带部分，所述价带部分由重空穴带、轻空穴带和自旋分裂空穴带组成；S12，根据DOS的导带部分和导带准费米能级，获取导带的电子分谱密度ESD曲线和电子浓度；根据DOS的价带部分和价带准费米能级，获取价带的重空穴分谱密度函数h-HSD曲线以及重空穴浓度、轻空穴分谱密度函数l-HSD曲线以及轻空穴浓度和自旋分裂带空穴分谱密度函数s-HSD曲线以及自旋分裂带空穴浓度；S13，根据所述h-HSD曲线、l-HSD曲线、s-HSD曲线和ESD曲线分别计算导带电子和价带重空穴间的载流子联系分谱密度h-CSD曲线、导带电子和价带轻空穴间的载流子联系分谱密度l-CSD曲线以及导带电子和价带自旋分裂带空穴间的载流子联系分谱密度s-CSD曲线；S14，根据所述h-CSD曲线、l-CSD曲线和s-CSD曲线获取载流子联系分谱密度CSD曲线；S15，将所述重空穴浓度、轻空穴浓度和自旋分裂带空穴浓度相加获取总空穴浓度；S16，根据所述电子浓度和总空穴浓度获取载流子联系浓度；所述载流子联系浓度为所述电子浓度和总空穴浓度乘积的平方根值；S17，根据所述CSD曲线和载流子联系浓度计算所述载流子联系谱效因子。具体地，所述步骤S2进一步包括：S21，调节所述导带准费米能级并重复步骤S1，直至所述载流子联系谱效因子达到最大值；S22，调节所述有源区厚度，获取所述CSD曲线呈单峰状时的最小有源区厚度和载流子谱效带宽第一乘积；所述载流子谱效带宽第一乘积为所述最小有源区厚度对应的所述载流子联系谱效因子和CSD曲线的-3dB带宽的乘积；S23，基于所述最小有源区厚度，增加所述有源区厚度，获取载流子谱效带宽第二乘积；所述载流子谱效带宽第二乘积为所述CSD曲线呈单峰状且有源区厚度大于所述最小有源区厚度时，所述载流子联系谱效因子和CSD曲线的-3dB带宽的乘积最大值；S24，获取有源区优化厚度；所述有源区优化厚度为所述载流子谱效带宽第一乘积和第二乘积中的较大乘积对应的有源区厚度。具体地，所述步骤S1中的步骤S11，还包括步骤S0：获取用于所述超辐射发光二极管的半导体材料系和工作温度；对应地，所述步骤S11进一步包括：根据所述半导体材料系和工作温度获取能级弥散宽度；基于分数维度电子态系理论，根据所述能级弥散宽度和有源区厚度，计算电子态密度函数DOS的导带部分和价带部分，所述价带部分由重空穴带、轻空穴带和自旋分裂空穴带组成；所述步骤S12进一步包括：根据所述工作温度和导带准费米能级获取导带电子的费米-狄拉克分布函数；根据所述DOS的导带部分和导带电子的费米-狄拉克分布函数，计算所述ESD曲线；根据所述ESD曲线计算导带电子浓度；其中，ESD＝(DOS的导带部分)×(导带电子的费米-狄拉克分布函数)；所述导带电子浓度等于从弥散型导带底到导带电子能量无穷大处对ESD的积分值；所述弥散型导带底系指DOS导带部分在导带底下方的拖尾减小至导带底DOS值的1/e的能量位置；根据所述工作温度和价带准费米能级获取空穴的费米-狄拉克分布函数；根据所述空穴的费米-狄拉克分布函数和DOS的重空穴带部分、轻空穴带部分和自旋分裂空穴带部分，分别计算h-HSD曲线、l-HSD曲线和s-HSD曲线；根据所述h-HSD曲线、l-HSD曲线和s-HSD曲线分别计算重价带空穴浓度nhh、轻空穴浓度nhl和自旋分裂带空穴浓度nhs；其中，h-HSD、l-HSD和s-HSD分别为h-HSD＝(DOS的重空穴带部分)×(价带空穴的费米-狄拉克分布函数)、l-HSD＝(DOS的轻空穴带部分)×(价带空穴的费米-狄拉克分布函数)和s-HSD＝(DOS的自旋分裂空穴带部分)×(价带空穴的费米-狄拉克分布函数)；所述nhh、nhl和nhs分别为从重空穴子带、轻空穴子带和自旋分裂带空穴子带电子能量为零处到弥散型带顶对h-HSD、l-HSD和s-HSD的积分值，重空穴子带、轻空穴子带和自旋分裂带空穴子带弥散型带顶分别指DOS的重空穴子带本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超辐射发光二极管的优化方法，其特征在于，包括：S1，基于分数维度电子态系理论，根据所述超辐射发光二极管的有源区厚度、导带准费米能级和价带准费米能级，获取所述超辐射发光二极管有源区的载流子联系分谱密度CSD曲线、载流子联系浓度和载流子联系谱效因子；所述载流子联系谱效因子为所述CSD曲线峰值的平方与载流子联系浓度之比；S2，调节所述有源区厚度、导带准费米能级和价带准费米能级，获取有源区优化厚度；所述有源区优化厚度为所述CSD曲线呈单峰状时所述载流子联系谱效因子和CSD曲线的‑3dB带宽的乘积的最大值对应的有源区厚度；S3，基于所述有源区优化厚度设计所述超辐射发光二极管。

【技术特征摘要】
1.一种超辐射发光二极管的优化方法，其特征在于，包括：S1，基于分数维度电子态系理论，根据所述超辐射发光二极管的有源区厚度、导带准费米能级和价带准费米能级，获取所述超辐射发光二极管有源区的载流子联系分谱密度CSD曲线、载流子联系浓度和载流子联系谱效因子；所述载流子联系谱效因子为所述CSD曲线峰值的平方与载流子联系浓度之比；S2，调节所述有源区厚度、导带准费米能级和价带准费米能级，获取有源区优化厚度；所述有源区优化厚度为所述CSD曲线呈单峰状时所述载流子联系谱效因子和CSD曲线的-3dB带宽的乘积的最大值对应的有源区厚度；S3，基于所述有源区优化厚度设计所述超辐射发光二极管。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S1进一步包括：S11，基于分数维度电子态系理论，根据有源区厚度计算电子态密度函数DOS的导带部分和价带部分，所述价带部分由重空穴带、轻空穴带和自旋分裂空穴带组成；S12，根据DOS的导带部分和导带准费米能级，获取导带的电子分谱密度ESD曲线和电子浓度；根据DOS的价带部分和价带准费米能级，获取价带的重空穴分谱密度函数h-HSD曲线以及重空穴浓度、轻空穴分谱密度函数l-HSD曲线以及轻空穴浓度和自旋分裂带空穴分谱密度函数s-HSD曲线以及自旋分裂带空穴浓度；S13，根据所述ESD曲线和h-HSD曲线、l-HSD曲线、s-HSD曲线分别计算导带电子和价带重空穴间的载流子联系分谱密度h-CSD曲线、导带电子和价带轻空穴间的载流子联系分谱密度l-CSD曲线以及导带电子和价带自旋分裂带空穴间的载流子联系分谱密度s-CSD曲线；S14，根据所述h-CSD曲线、l-CSD曲线和s-CSD曲线获取载流子联系分谱密度CSD曲线；S15，将所述重空穴浓度、轻空穴浓度和自旋分裂带空穴浓度相加获取总空穴浓度；S16，根据所述电子浓度和总空穴浓度获取载流子联系浓度；所述载流子联系浓度为所述电子浓度和总空穴浓度乘积的平方根值；S17，根据所述CSD曲线和载流子联系浓度计算所述载流子联系谱效因子。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S2进一步包括：S21，调节所述导带准费米能级并重复步骤S1，直至所述载流子联系谱效因子达到最大值；S22，调节所述有源区厚度，获取所述CSD曲线呈单峰状时的最小有源区厚度和载流子谱效带宽第一乘积；所述载流子谱效带宽第一乘积为所述最小有源区厚度对应的所述载流子联系谱效因子和CSD曲线的-3dB带宽的乘积；S23，基于所述最小有源区厚度，增加所述有源区厚度，获取载流子谱效带宽第二乘积；所述载流子谱效带宽第二乘积为所述CSD曲线呈单峰状且有源区厚度大于所述最小有源区厚度时，所述载流子联系谱效因子和CSD曲线的-3dB带宽的乘积最大值；S24，获取有源区优化厚度；所述有源区优化厚度为所述第一乘积和第二乘积中的较大乘积对应的有源区厚度。4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，还包括步骤S0：获取用于所述超辐射发光二极管的半导体材料系和工作温度；对应地，所述步骤S11进一步包括：根据所述半导体材料系和工作温度获取能级弥散宽度；基于分数维度电子态系理论，根据所述能级弥散宽度和有源区厚度，计算电子态密度函数DOS的导带部分和价带部分，所述价带部分由重空穴带、轻空穴带和自旋分裂空穴带组成；所述步骤S12进一步包括：根据所述工作温度和导带准费米能级获取导带电子的费米-狄拉克分布函数；根据所述DOS的导带部分和导带电子的费米-狄拉克分布函数，计算所述ESD曲线；根据所述ESD曲线计算导带电子浓度；其中，ESD＝(DOS的导带部分)×(导带电子的费米-狄拉克分布函数)；所述导带电子浓度等于从弥散型导带底到导带电子能量无穷大处对ESD的积分值；所述弥散型导带底系指DOS导带部分在导带底下方的拖尾减小至导带底DOS值的1/e的能量位置；根据所述工作温度和价带准费米能级获取价带空穴的费米-狄拉克分布函数；根据所述价带空穴的费米-狄拉克分布函数和DOS的重空穴带部分、轻空穴带部分和自旋分裂空穴带部分，分别计算h-HSD曲线、l-HSD曲线和s-HSD曲线；根据所述h-HSD曲线、l-HSD曲线和s-HSD曲线分别计算价带重空穴浓度nhh、轻空穴...

【专利技术属性】
技术研发人员：任晓敏，王琦，刘昊，黄永清，
申请(专利权)人：北京邮电大学，
类型：发明
国别省市：北京,11