The band structures, gain characteristics and thermal properties of GaInNAs, InGaAlAs, and InGaAsP single quantum well structures for 1.3-㎛ emission wavelength are studied and compared. For GaInNAs, two models for band structures are used. One is the linear interpolation model and the other is the band anti-crossing model. In the former model, the conduction and valence band edge of $Ga_{1-x}In_{x}N_{y}As_{1-y}$ are given by subtracting the energy difference between the band edges of GaAs and $GaN_yAs_{1-y}$ from those of $Ga_{1-x}In_{x}As$. The other material parameters are assumed to be same as those of $Ga_{1-x}In_{x}As$ for small nitrogen compositions. Among the lots of composition combinations with same emission wavelength, the high-In and low-N GaInNAs quantum well exhibits a larger optical gain, larger differential gain, and smaller carrier leakage than the low-In and high-N GaInNAs quantum well because of the strain. For example, more than a two-fold improvement in threshold current density is expected from the high-In and low-N quantum well laser than the low-In and high-N quantum well laser. In the latter model, the conduction bands of GaInNAs are calculated from the coupling between the $Ga_{1-x}In_{x}As$ electron states and highly localized nitrogen states. Because the localized nitrogen states does not interact with the states in the valence band, the transition matrix elements of GaInNAs are small. But, the large electron effective mass and energy spacing between sub-bands increase the differential gains. It improves the high-speed modulation properties and reduces the threshold carrier density for applications that require large gain such as VCSEL. To understand the thermal characteristics of GaInNAs, InGaAlAs and InGaAsP, the temperature-induced shift of the band gap energy is estimated by the Barshni’s model. The larger conduction band offset and larger energy difference between the well and barrier structure produce a higher barrier height in the conduction band of GaInNAs. This makes the threshold carrier density of GaInNAs most temperature-insensitive than those of InGaAlAs and InGaAsP. The interaction between the temperature-dependent GaInNAs conduction band and the temperature-independent nitrogen band results the reduced shift of gain with temperature. For VCSELs, the change of the lasing wavelength is determined by that of cavity mode. Because the mismatch between the cavity mode and the gain peak wavelength caused by thermal effects is small, the material gain at cavity mode is not altered rapidly. Thus, the smaller shift of gain, in addition to less temperature-sensitive threshold carrier density, can also play an important role for the thermal effect of the threshold current. One of the minor advantages of GaInNAs is a high refractive index difference with the barrier material. Maximum confinement factor for each structure is obtained using the refractive indices calculated by the empirical and semi-empirical models. The enhancement in the modal gain and modal differential gain of GaInNAs is advantageous for edge-emitting structures.
1.3 ㎛ 파장의 빛을 방출하는 GaInNAs, InGaAlAs, InGaAsP 단일양자우물구조의 밴드 구조, 광이득 및 열특성을 계산하고 그 결과를 비교하였다. GaInNAs 양자우물의 밴드 구조는 linear interpolation모델과 band anti-crossing 모델, 두 가지를 이용하여 계산하였다.
전자에서는 $Ga_{1-x}In_{x}As$의 에너지 준위에서 GaAs와 $GaN_{y}As_{1-y}$의 에너지 준위 차를 빼줌으로써 $Ga_{1-x}In_{x}N_{y}As_{1-y}$의 전도 대역과 가전자 대역의 준위를 구한다. 다른 물질 상수들은 N 조성이 매우 작다는 가정 하에서 $Ga_{1-x}In_{x}As$의 물질 상수들을 사용하였다. GaInNAs는 4가지 원소로 이루어져 있으므로 동일한 파장을 방출하는 여러 가지 조성이 가능한데, 그 중에서도 In 조성을 높이고 N 조성을 낮춘 양자우물구조가 In 조성을 낮추고 N 조성을 높인 구조에 비하여 광 이득과 미분 이득이 크며 전하손실이 적게 나타났다. 그 결과 In 조성이 높고 N 조성이 낮은 구조가 In 조성이 낮고 N 조성이 높은 구조에 비하여 문턱전류밀도가 절반 이하로 감소할 것으로 예측된다.
후자에서는 GaInNAs의 전도대역이 GaInAs의 전도 대역 준위와 N의 준위의 상호작용으로부터 계산한다. 이 모델에서는 N 준위가 GaInAs의 가전자 대역과 상호작용이 없다고 가정하기 때문에 transition matrix element는 크게 감소한다. 그럼에도 불구하고, 전자의 유효질량과 부밴드 사이의 에너지 간격이 크기 때문에 GaInNAs의 미분이득이 가장 큰 값을 보였다. 그 결과, 수직공진 표면광 레이저와 같이 큰 이득을 필요로 하는 응용분야에서 낮은 문턱전류와 고속변조특성을 제공하는 장점을 지닌다.
각 물질의 온도특성을 알아보기 위해서, Barshni 모델을 이용하여 온도에 따른 에너지 밴드의 변화를 고려하고 광이득을 계산하였다. GaInNAs는 양자우물과 barrier 사이의 에너지 준위차가 크고, 이 중 80 %가 전도대역에 가해지므로 다른 두 물질에 비해 전자가 느끼는 에너지 장벽이 매우 높다. 따라서 온도에 따라 문턱 전류 밀도가 가장 적게 변하는 장점을 지닌다. 또한, 온도에 변화가 없는 N 준위와 온도에 의존하는 GaInAs의 전도 대역의 상호작용으로 GaInNAs의 전도대역이 만들어지므로, 온도 상승에 의한 파장의 증가도 적다. 수직공진 표면광 레이저에서는 발진 파장이 공진모드에 의해 결정되는데, 온도에 의한 공진 모드와 최대 이득 파장사이의 차이가 다른 물질에 비해 적으므로 공진모드에서 광이득의 감소가 적다. 이 두가지 장점이 서로 상승작용을 일으켜 문턱전류의 온도의존성을 크게 감소시킬 것으로 기대된다.
이 밖에도 GaInNAs의 굴절률이 매우 크기 때문에 edge emitting 레이저 구조에서도, 광 모드의 confinement factor를 향상시켜 광이득과 미분이득을 증가시키는 장점을 가지고 있다.
