电驱动光子晶体薄膜激光器中的载流子传输

《Laser & Photonics Reviews》：Carrier Transport in Electrically-Driven Photonic Crystal Membrane Lasers

二维光子晶体激光器的载流子传输建模显示，横向电流注入（LCI）方案因电场增强能垒导致电子泄漏路径，显著降低注入效率。通过分析电-光耦合模型，发现p型掺杂区与 buried heterostructure（BH）的偏移量影响泄漏路径强度。优化掺杂偏移可减少电子泄漏，提升注入效率达80%以上，并验证实验中观测到的低注入效率及p-i界面自发辐射增强现象。模型为纳米激光器设计提供了关键参数依据。

　　在现代半导体激光器的发展历程中，研究者不断探索如何提高其性能，尤其是在降低阈值电流和提升能量效率方面。随着纳米技术和光子晶体（Photonic Crystal, PhC）结构的引入，这一领域取得了显著进展。光子晶体激光器因其独特的光学特性，如光子带隙和光子局域化效应，被广泛应用于各种光子集成系统中。然而，尽管光子晶体激光器在低阈值电流方面表现出色，其实际应用中仍面临一个关键问题：由于电流注入效率的不足，导致了光子晶体膜激光器在运行过程中存在非传统的载流子泄漏路径，这不仅限制了其性能，还引发了实验中观察到的增强自发复合现象。因此，深入研究载流子在光子晶体激光器中的传输行为，以及如何优化注入效率和抑制泄漏，对于推动下一代高效、低功耗的纳米激光器发展至关重要。

光子晶体膜激光器通常采用横向电流注入（Lateral Current Injection, LCI）方案，这与传统的垂直电流注入（Vertical Current Injection, VCI）方案有所不同。在LCI方案中，电流通过横向路径注入到光子晶体的活性区域，这种设计在制造过程中提供了更大的灵活性，使得研究人员可以更精确地控制掺杂分布，从而减少掺杂引起的光学损耗。然而，LCI方案的一个显著缺点是缺乏有效的电流阻断机制，这使得载流子容易从活性区域泄露出去，降低了注入效率。为了应对这一问题，一些研究团队提出了通过蚀刻沟槽来实现电流阻断的策略，如Matsuo等人提出的方法。然而，即便如此，载流子泄漏问题依然存在，这促使科学家们开发更为精确的模型来理解其成因并进行优化。

在本文中，研究者通过二维有限体积模拟对光子晶体膜激光器中的载流子传输行为进行了深入分析。该模型基于载流子漂移-扩散方程和泊松方程，通过自洽求解的方式模拟了载流子在光子晶体结构中的分布与运动。研究结果表明，载流子注入效率的降低主要与电子泄漏路径有关，尤其是在横向注入的XY平面中。电子由于其较高的迁移率，容易在未充分注入的活性区域中形成泄漏，而这些泄漏路径的存在会增加电子进入活性区域所需的能量势垒，从而显著降低注入效率。此外，研究还发现，掺杂区域的偏移量对载流子注入效率和泄漏路径的形成具有重要影响。通过调整p型掺杂区域与活性区域之间的距离，可以有效控制电子和空穴的分布，进而优化激光器的性能。

为了进一步探讨这一现象，研究者分析了不同掺杂偏移量下的电流-电压（IV）特性、注入效率和内部量子效率。实验和模拟结果表明，当p型掺杂区域与活性区域之间的距离较小时，注入效率会显著提高，同时泄漏路径的强度也会相应减弱。这一趋势与载流子的迁移率差异密切相关：电子具有较高的迁移率，而空穴迁移率较低，因此在注入过程中，空穴更容易受到掺杂区域的限制，无法充分进入活性区域。这种空穴注入不足会导致活性区域内部产生净负电荷，从而影响电子的注入效率。通过研究不同偏移量下的能量势垒，研究者发现，当p型掺杂区域靠近活性区域时，电子更容易进入，这表明优化掺杂结构可以有效减少载流子泄漏，提高注入效率。

在光子晶体膜激光器中，活性区域通常由量子阱（Quantum Well, QW）结构构成，其设计需要考虑多个因素，包括载流子的注入路径、光学增益的分布以及光子的寿命。研究者指出，光子晶体的周期性结构会显著影响载流子的运动，而掺杂区域的分布则决定了电流的注入效率。因此，在设计光子晶体膜激光器时，需要在载流子注入效率与光学损耗之间找到最佳平衡点。同时，研究者还强调了电流阻断结构的重要性，通过引入特定的掺杂偏移量，可以在一定程度上抑制载流子的泄漏，从而提高激光器的性能。

实验观测到的现象，如低注入效率和增强的自发复合，与模拟结果高度一致。这表明，载流子泄漏路径的存在是影响激光器性能的关键因素之一。研究者通过详细的模拟分析，揭示了在高电压条件下，电子和空穴的分布如何影响载流子注入效率和激光阈值。例如，当电压升高时，电子更容易进入活性区域，而空穴由于迁移率较低，难以充分注入，这导致了电子与空穴之间的不匹配，进一步加剧了载流子泄漏。此外，研究还发现，掺杂区域的偏移量对激光阈值具有重要影响，合理的偏移量可以显著降低阈值电流，提高激光器的效率。

为了更直观地展示这些现象，研究者绘制了不同偏移量下的载流子电流密度分布图，并结合能带结构分析了电子和空穴的运动趋势。结果显示，当p型掺杂区域与活性区域之间的距离减小时，电子的注入效率会提高，而空穴的注入不足则会增加电子进入活性区域的势垒。这种势垒的增加会降低注入效率，并导致更多的自发复合现象。因此，优化掺杂区域的偏移量，不仅有助于提高载流子注入效率，还能有效减少载流子泄漏，从而提升激光器的整体性能。

研究还探讨了光子晶体膜激光器的量子效率问题。内部量子效率（Internal Quantum Efficiency, IQE）是衡量激光器性能的重要指标之一，它反映了在活性区域中发生的辐射复合与总复合的比例。模拟结果显示，当电压升高时，非辐射复合（如Shockley–Reid–Hall, SRH复合）和Auger复合的增加会显著降低内部量子效率。然而，当p型掺杂区域靠近活性区域时，电子和空穴的注入更加均匀，这有助于提高内部量子效率。此外，研究者还发现，掺杂区域的偏移量会影响光子晶体的光学特性，如Q因子和阈值增益，这进一步强调了在设计过程中需要综合考虑多种因素。

总之，本文通过二维有限体积模拟对光子晶体膜激光器中的载流子传输行为进行了系统研究，揭示了横向电流注入方案中存在的载流子泄漏路径及其对激光器性能的影响。研究结果表明，优化掺杂区域的偏移量可以有效提高载流子注入效率，减少泄漏，并提升激光器的内部量子效率。此外，研究还强调了电流阻断结构和光学损耗之间的权衡关系，为未来设计高效、低功耗的纳米激光器提供了重要的理论依据和实践指导。这些发现不仅有助于理解光子晶体膜激光器的工作原理，也为进一步优化其性能提供了新的思路。