基于阱式階梯電子阻擋層的深紫外激光二極管性能研究

魏士欽, 王瑤, 王夢真, 王芳, 劉俊杰, 劉玉懷,2,3?

(1 鄭州大學信息工程學院電子材料與系統國際聯合研究中心, 河南 鄭州 450001;2 鄭州唯獨電子科技有限公司, 河南 鄭州 450001;3 鄭州大學產業技術研究院有限公司, 河南 鄭州 450001)

0 引 言

深紫外激光二極管(LDs)等光電器件具有巨大的應用市場,包括化學分析、醫療診斷設備、生物試劑檢測系統、高密度數據存儲、水凈化和材料處理等[1]。此外,深紫外激光二極管也可以作為有毒和低效的氣體激光器和汞燈的替代品。根據其對生物和化學物質的影響,紫外光譜通常分為四個波段:UV-AI(340～400 nm)、UV-AII(320～340 nm)、UV-B(280～320 nm)和UV-C(<280 nm)[2]。目前,波長小于280 nm的Ⅲ族氮化物半導體UV-LD 依然面臨著兩個巨大的挑戰:首先,高Al 組分AlGaN 材料中Mg 的激活能高,因此Mg 的激活效率非常低,造成p 型AlGaN 的低空穴濃度;其次,有源區的部分電子泄漏到p 型層,與p 型層的空穴復合,從而影響器件性能。

為解決以上問題,研究人員對LD 的結構設計和優化進行了很多研究,如量子阱(QW)、量子勢壘(QB)和電子阻擋層(EBL)的優化[3],從而有效降低電子泄露、提升空穴注入率。在這些設計中,電子阻擋層在載流子輸運中起著最重要的作用。目前已有較多不同結構的EBL,包括錐形EBL[4]、階梯式EBL[5]、反錐形和反階梯式EBL[6]、雙錐形EBL、反梯形EBL[7]等。但需要注意的是,LD 需要將光場限制在有源層中并沿腔振蕩,所提出的EBL 結構不應使LD 波導設計中的光場限制因子變小。因此,改善光約束也是一個挑戰。

為了提高激光器在有源區域的電子濃度和光學限制因子,本文提出了一種新型阱式階梯型EBL 結構,并與本研究中的矩形和階梯型EBL 激光器進行了比較。

1 仿真模型以及參數

圖1(a)為深紫外AlxGa1?xN/AlyGa1?yN 多量子阱(MQW)激光器的原理模型圖。該激光器n 型區結構包括0.1μm 厚的Al0.75Ga0.25N 襯底,1μm 厚的n 型Al0.75Ga0.25N 包覆層、0.11μm 厚的n 型Al0.68Ga0.32N下波導層(LWG)。此外,有源區由兩個3 nm 厚的Al0.58Ga0.42N 阱和三個8 nm 厚的Al0.68Ga0.32N 勢壘組成。p 型區由0.07μm 厚的p 型Al0.68Ga0.32N 上波導層(UWG)、0.01μm 厚的Al0.94Ga0.06N 電子阻擋層(EBL)、0.4μm 厚的p 型Al0.75Ga0.25N 包覆層以及p 型Al0.8Ga0.2N 接觸層組成。上述所有n 型摻雜均為Si 摻雜,p 型摻雜均為Mg 摻雜。在模擬仿真中,環境溫度設置為300 K,激光器的腔長、寬度分別設置為530μm、4μm,回損設為2400,鏡面折射率設置為30%,此外,考慮到器件材料中的缺陷對電荷散射而導致的屏蔽效應,將自發極化和壓電極化產生的界面電荷密度設置為理論值的40%[8,9]。

圖1(b)為本實驗所用三組電子阻擋層的結構示意圖。其中:A 結構為矩形EBL,作為參考組;B 結構為由AlxGa1?xN(0.95 ≥x≥0.91)構成的五層AlGaN 階梯型EBL,每層厚度均為2 nm;C 結構為由AlxGa1?xN/AlyGa1?yN(0.95 ≥x≥0.91, 0.8 ≥y≥0.76)構成的阱式階梯型EBL,每層厚度均為1 nm[10]。在保證除電子阻擋層以外其他參數保持一致的情況下,采用Crosslight 公司的Lastip 軟件對這三種結構的電子阻擋層進行模擬,得到深紫外激光二極管的相關特性。

圖1 (a)DUV-LD 結構及其EBL 結構示意圖;(b)三種EBL 示意圖,其中A、B 和C 分別為矩形、階梯型、阱式階梯型EBLFig.1 (a)Structure sketch of DUV-LD and EBLs;(b)Schematic diagram for the three EBLs,where A represents the rectangular type EBL,B stands for the ladder type EBL,and C illustrates the well-type ladder EBL

2 仿真結果及分析討論

圖2 顯示了三種不同結構的光場分布(左軸)和真實折射率分布(右軸)。阱式階梯EBL 結構的光學約束因子高于階梯型和矩形EBL 結構的光學約束因子。折射率實部在有源區對比度的增大和載流子空穴濃度的增大是增強光約束的主要原因。這證明了阱式階梯EBL 結構對提高DUV-LDs 的發光性能起著更好的作用[11]。

圖2 結構(a)A,(b)B,(c)C 的折射率分布和光場強度分布Fig.2 Refractive index distribution and light field intensity distribution of structure(a)A,(b)B,(c)C

有效勢壘高度定義為導帶邊緣與其相對準費米能級之間的電位差,可以有效地說明激光電子約束能力和空穴注入效率[12]。對于電子而言,有效勢壘代表了活性區域束縛電子的能力大小,有效勢壘越低則電子越容易脫離活性區躍遷到p 型區;對于空穴而言,有效勢壘代表了有源區對空穴注入的阻隔能力強弱,有效勢壘越高則從p 型區向有源區注入空穴越困難,注入效率越低。其中有源區的厚度和折射率等都會影響光學限制因子,通過計算發現阱式階梯型EBL 結構的光學限制因子提高到了19.45%,這與該結構的折射率有關,因為EBL 阻擋電子泄露到P 型層,在電子留在阱層的同時又不影響空穴的注入,從而使有源區的載流子濃度上升,激光器的輻射復合率提升,所以該結構的光學限制因子提升是因為電子阻擋能力更強,使得DUV LD 的發光性能提升。

導帶電子和價帶空穴的有效勢壘高度對LD 中的載流子輸運起著至關重要的作用。勢壘高度的突變阻礙了量子阱區域內的空穴注入。如圖3 所示,結構C(阱式階梯EBL)的有效空穴勢壘高度相比結構A(矩形EBL)降低了64 meV,相比結構B(階梯型EBL)降低了22 meV,使空穴向量子阱區域流動得更加容易。在結構C 中,電子在最后一個量子勢壘與EBL 之間的有效勢壘高度較高,與A 相比提高了10 meV,與B 相比提高了12 meV,可以更有效地阻止MQW 區域內的電子泄露。因此,結構C 具有更好的電子約束和空穴注入能力。

圖3 結構(a)A,(b)B,(c)C 的能帶圖和準費米能級Fig.3 Band diagram and quasi-Fermi level of structure(a)A,(b)B,(c)C

由圖4(a)、(b)可以明顯看出MQW 內電子和空穴濃度的變化。與矩形EBL(A)結構相比,階梯型EBL(B)結構在MQW 中的電子和空穴濃度有所降低,但阱式階梯EBL(C)結構的電子和空穴濃度都顯著提高,電子濃度增加了3.2%,空穴濃度增加了4%。由圖4(c)可見MQW 中電子-空穴輻射復合率的變化,結構B 的輻射復合率比結構A 降低了約1.9%，但是結構C 的輻射復合率比結構A 增強了約3.2%。電子和空穴的輻射復合主要發生在靠近p 型區的最后一個QW,因此,阱中電子和空穴濃度的增加有助于輻射復合率的提高,從而有利于光輸出功率的提高。

圖4 三種EBL MQW 區(a)電子濃度分布、(b)空穴濃度分布及(c)電子-空穴輻射復合速率分布Fig.4 (a)Electron concentration distribution,(b)hole concentration distribution and(C)electron-hole radiation recombination rate distribution in MQW region for three EBL

當電子從n 型層注入有源區時,一部分注入的電子與量子阱中的空穴結合,即為有效結合。一部分沒有結合的電子溢出到p 型層并與p 型層中的空穴結合,這種結合是無效結合[13]。因此,一般可以用p型層的電子濃度來觀察電子泄露程度的高低。由圖5 可知結構C 明顯降低了電子泄露的程度,說明結構C 對電子有更加顯著的約束能力,使電子更多集中在LD 中的有源區,提高了電子-空穴的復合幾率,從而提高激光器的性能。

圖5 階梯型和阱式階梯型電子阻擋層激光二極管的電子濃度分布Fig.5 Electron concentration distribution of the laser diodes with ladder-type and well-type ladder-type electron blocking layer,respectively

由圖6(a)可知,結構B 和C 的閾值電流Ith分別為28.57 mA 和27.56 mA,比參考結構A 的閾值電流降低了6.4%。結構C 使斜率效率(SE)從1.85 提高到1.86,增加了0.01。增加的能量直接導致更多的電流流動和積累,這種增強會增加有源區中的輻射和復合。由圖6(b)可知結構C 的閾值電壓Vth為4.49 V,比結構B 降低了1.4%。結構C 的輸出功率和斜率效率均高于B,即輸出功率會因為輻射復合率的提高而顯著提高。

圖6 激光二極管結構B 和結構C 的L-I 曲線(a)和V-I 曲線(b)Fig.6 (a)L-I curves and(b)V-I curves of laser diodes with structure B and structure C,respectively

3 結 論

利用Crosslight 軟件對266 nm 深紫外AlxGa1?xN/AlyGa1?yN MQW 激光器的性能進行了模擬和優化。為了提高深紫外AlxGa1?xN/AlyGa1?yN MQW LDs 的載流子濃度和輻射復合速率,模擬了三種不同結構的AlGaN EBL,即矩形EBL、階梯EBL、阱式階梯EBL。仿真結果表明,阱式階梯型EBL 光學限制因子提高到19.45%,器件的閾值電流降至27.56 mA,閾值電壓降至4.49 V,斜率效率為1.86 W/A。因此,與參考結構相比,阱式階梯EBL 具有更高的有效勢壘,有效地抑制了電子泄漏。