目錄
1. 簡介與概述
本研究針對一種新型基於氮化鎵（GaN）的雙極串聯雷射（BCL）設計，進行了全面的數值模擬與分析。該元件採用獨特的架構，包含多個由穿隧接面（TJs）分隔的主動區（量子井），實現了電子與電洞的循環利用，使其量子效率有潛力超過100%。一個關鍵的區別特徵是使用了非尋常寬度的氮化銦鎵（InGaN）量子井（25奈米），這挑戰了傳統的設計典範。本研究採用自洽數值模型來解析元件內部物理機制，識別關鍵的性能瓶頸——即內部吸收、p型覆蓋層導電性差以及自熱現象——並提出優化途徑。此分析對於推動應用於感測、光達（LiDAR）及工業系統的高效率、高功率氮化物半導體雷射至關重要。
關鍵元件參數
- 共振腔長度： 1 毫米
- 脊型波導寬度： 15 微米
- 主動區數量： 2
- 量子井寬度： 25 奈米
- 目標發射波長： 藍光
2. 元件結構與物理機制
2.1 磊晶層設計
雷射結構（詳見所附表格）是一個透過電漿輔助分子束磊晶（PAMBE）生長的複雜堆疊層。它包含兩個基於InGaN的相同單量子井（SQW）主動區，由基於InGaN的穿隧接面分隔並覆蓋。穿隧接面由重摻雜的n++和p++ InGaN層組成，旨在促進能帶間穿隧。主動區嵌入波導層和覆蓋層之中，並使用氮化鋁鎵（AlGaN）電子阻擋層（EBLs）來侷限載子。在主動區和穿隧接面層均使用InGaN（而非更常見的GaN）是一個影響能帶對齊與極化電場的關鍵設計選擇。
2.2 寬量子井之角色
25奈米寬的InGaN量子井與氮化物雷射中典型的2-4奈米量子井截然不同。模擬結果顯示，這些寬量子井並非由其基態提供主要的光學增益。相反地，其主要功能是在低注入水平下累積足夠密度的自由載子，以屏蔽困擾氮化物異質結構的強大內建極化電場（壓電與自發極化）。此屏蔽效應使量子侷限史塔克效應（QCSE）趨於平緩，減少電子與電洞波函數的空間分離，從而間接提升復合效率。光學增益則由這些寬量子井內較高能量的次能帶提供。
2.3 穿隧接面機制
穿隧接面是實現串聯操作的關鍵。它們允許在一個主動區中復合的電子，透過從p++層的價帶穿隧到n++層的導帶而得到補充，有效地為下一個主動區循環利用載子。這種循環利用是實現微分量子效率（DQE）超過100%的基礎，正如本模擬元件對應的實驗文獻[7]所報告。穿隧接面的設計必須在低電阻（需要高摻雜與薄阻障層）與光學透明性（以最小化內部損耗）之間取得平衡。
3. 模擬方法與關鍵發現
3.1 自洽數值模型
此分析基於先進的多物理場數值模擬軟體（例如，類似於Crosslight或Synopsys Sentaurus等商業工具）。該模型自洽地求解靜電學的泊松方程式、載子傳輸的漂移-擴散方程式，以及主動區的量子力學特性（例如，使用k·p理論或薛丁格-泊松求解器）。這種耦合方法對於準確捕捉此非標準結構中極化電場、載子屏蔽、穿隧電流和光學增益之間複雜的相互作用至關重要。
3.2 已識別之性能限制
模擬指出了三個限制雷射性能的主要因素：
- 內部光學吸收： 在重摻雜的p型區域，特別是穿隧接面和p型覆蓋層中，發生顯著的吸收損耗，降低了淨模態增益。
- p型覆蓋層導電性低： p型AlGaN覆蓋層中的低電洞遷移率與中等摻雜濃度導致高串聯電阻，引起顯著的焦耳熱與不均勻的電流注入。
- 自熱現象： 串聯電阻與非輻射復合的綜合效應產生大量熱量，提高了主動區溫度。這會降低內部量子效率、增加閾值電流，並可能在高電流下導致熱飽和（thermal roll-over）。
4. 結果與討論
4.1 寬量子井中之載子屏蔽效應
模擬結果（例如，透過能帶圖）直觀地展示了寬量子井中的靜電位如何隨著載子密度增加而逐漸變得平坦。在典型的雷射注入水平下，極化電場幾乎被完全屏蔽。這是對設計假設的關鍵驗證。計算出的增益譜將顯示，主要的雷射躍遷並非源自n=1的電子/電洞次能帶，而是源自更高階的次能帶（例如n=2或n=3），由於其機率密度更集中，因此具有更好的波函數重疊。
4.2 內部損耗之影響
對模態增益相對於電流密度（G-J）曲線的數值提取將揭示，由於內部吸收，存在高透明電流和低於預期的斜率。模擬的光-電流（L-I）特性將顯示高閾值電流和次線性的斜率效率，這與實現理想中n個接面串聯帶來n倍增益所面臨的挑戰在性質上相符。該模型允許量化p型層中的吸收係數，這是重新設計的關鍵參數。
4.3 熱效應與自熱現象
與電學模型耦合的熱模擬模組將生成整個元件的溫度分佈圖。它將顯示脊型波導附近和主動區內的熱點。分析將把此溫度上升與模擬發射波長的紅移以及模擬內部量子效率的下降相關聯。這突顯出，對於旨在實現高功率操作的串聯雷射而言，熱管理並非次要考量，而是主要的設計限制。
5. 優化策略與未來方向
基於已識別的瓶頸，模擬提出了幾條優化路徑：
- 覆蓋層與穿隧接面層工程： 以更寬能隙的材料（例如，更高鋁含量的AlGaN）替換吸收性的p型層，或探索極化摻雜結構，以在不增加吸收的情況下改善導電性。優化穿隧接面的摻雜分佈與厚度，以最小化電壓降與吸收。
- 熱管理： 實施基板減薄、覆晶接合或使用鑽石散熱片，以有效從主動區提取熱量。
- 先進主動區設計： 雖然寬量子井能屏蔽電場，但其增益特性仍可進一步設計。研究耦合量子井或超晶格主動區，可以更好地控制增益譜與微分效率。
- 擴展至更多接面： 串聯雷射的最終潛力在於堆疊多個主動區。未來的工作必須解決具有3個、5個或更多接面的堆疊結構中，串聯電阻、光學損耗和熱產生的累積效應，這可能應用於汽車光達中的高功率脈衝操作。
6. 分析師觀點：核心洞察與可行建議
核心洞察： 本文提供了一個至關重要的現實檢驗。「寬量子井 + 穿隧接面」的串聯概念在理論上非常出色，能解決氮化物極化問題並實現載子循環利用，但模擬無情地揭露，其實際性能受制於平凡卻關鍵的半導體工程問題：吸收、電阻和熱量。那些引人注目的「>100%量子效率」是一個脆弱的現象，很容易被這些寄生效應所淹沒。
邏輯脈絡： 作者巧妙地將模擬用作診斷工具。他們從一個有趣的實驗元件[7]出發，解構其新穎特徵（寬量子井、穿隧接面），然後系統性地運行虛擬元件直至其失效。其邏輯並非證明該概念完美運作，而是對其進行壓力測試並找出斷裂點。這對該領域而言，遠比簡單的驗證研究更有價值。
優點與缺陷： 主要優點在於物理模型的深度。它並未將穿隧接面視為簡單的電阻器，或將寬量子井視為具有塊材特性。自洽耦合是關鍵。其缺陷（許多模擬論文的通病）在於缺乏模擬的L-I曲線與文獻[7]中實測曲線的直接、定量比較。展示模型預測實際閾值電流和斜率的準確度，本應是最終的驗證。僅依賴「良好吻合」的說法略顯取巧。
可行建議： 對於元件工程師而言，訊息很明確：不要只專注於主動區的「魔法」。要釋放氮化物串聯雷射的潛力，必須在非主動區域進行並行的創新。發展路線圖應優先考慮：1）開發低損耗、高導電性的p型覆蓋層解決方案——或許可以關注新穎的摻雜技術或替代材料，如與GaN晶格匹配的氮化銦鋁（InAlN）。2）將熱設計視為首要原則考量，而非事後補救。3）將此模擬框架本身用作虛擬測試平台，在進行昂貴的磊晶生長之前，快速原型設計並篩選下一代穿隧接面與波導設計。
7. 技術附錄
7.1 數學框架
模擬核心求解耦合方程式。載子傳輸由漂移-擴散模型描述： $$J_n = q \mu_n n \nabla \phi_n, \quad J_p = q \mu_p p \nabla \phi_p$$ 其中 $J_{n,p}$ 為電流密度，$\mu_{n,p}$ 為遷移率，$n,p$ 為載子密度，$\phi_{n,p}$ 為準費米勢。這些方程式與泊松方程式耦合： $$\nabla \cdot (\epsilon \nabla \psi) = -q(p - n + N_D^+ - N_A^- + \rho_{pol})$$ 其中 $\psi$ 為靜電勢，$\epsilon$ 為介電常數，$\rho_{pol}$ 為界面處的固定極化電荷密度，這是氮化物中的關鍵項。光學增益 $g(E)$ 由電子結構計算得出，通常使用k·p方法確定次能帶能量與波函數，然後評估躍遷矩陣元素。
7.2 分析框架範例
案例研究：量化吸收瓶頸
目標： 分離p型層吸收對總內部損耗的貢獻。
方法：
- 根據模擬的光學模態空間分佈與自由載子密度，計算每一層的自由載子吸收（FCA）係數：$\alpha_{fc} = C \cdot n^{\gamma}$，其中 $C$ 和 $\gamma$ 為材料相關參數（例如，取自S. Nakamura等人，J. Appl. Phys., 1996）。
- 計算光學模態與每個有損耗層 i 的重疊積分 $\Gamma_i$。
- 來自層 i 的模態損耗貢獻為 $\alpha_{i,modal} = \Gamma_i \cdot \alpha_{fc,i}$。
- 加總所有p型層（p型覆蓋層、p型穿隧接面層、p型波導層）的貢獻，得到p型層引起的總模態損耗 $\alpha_{p,total}$。
- 將 $\alpha_{p,total}$ 與鏡面損耗 $\alpha_m = (1/L) \ln(1/R)$ 及其他損耗進行比較。如果 $\alpha_{p,total}$ 與 $\alpha_m$ 相當或更大，則其將成為斜率效率的主要限制因素。
8. 參考文獻
- S. Nakamura, 等人，《藍光雷射二極體：完整故事》，Springer，2000年。（關於GaN技術的基礎著作）
- R. F. Kazarinov 與 R. A. Suris，「在具有超晶格的半導體中放大電磁波的可能性」，《蘇聯物理-半導體》，1971年。（關於串聯結構的早期理論）
- G. Muziol, 等人，「具有25奈米厚量子井的雙極串聯雷射」，《應用物理快報》，2019年。（關於所模擬元件的實驗論文）
- J. Piprek，《半導體光電元件：物理與模擬導論》，Academic Press，2003年。（關於所用模擬方法的教科書）
- Isola, P., 等人，「使用條件對抗網路進行圖像到圖像轉換」，《IEEE電腦視覺與模式識別會議》，2017年。（CycleGAN論文，作為一個具有變革性但受實際限制的概念範例被引用，類似於串聯雷射的概念）。
- 美國能源部，「固態照明研發計劃」，2022年。（強調了氮化物LED與雷射中對效率下降與先進元件架構的持續關注）。