利用倒梯矩形电子阻挡层降低深紫外激光二极管的电子泄露
2021-12-27王梦真魏士钦刘玉怀
王 瑶， 王梦真， 魏士钦， 王 芳， 刘玉怀
(郑州大学 信息工程学院 电子材料与系统国际联合研究中心， 郑州 450001)
1 引 言
Ⅲ族氮化物半导体是用于有着广泛的发展前景的紫外发光器件的材料，如紫外激光二极管(UV-LDs)和紫外发光二极管(UV-LEDs)[1]. 其具有体积小、结构简单、使用寿命长、波长可调、环保等优点，因此被广泛应用于空气净化、水净化、环境保护、生物试剂检测等领域[2].
紫外光谱通常分为四个波段:UV- AⅠ(340 - 400 nm)、UV- AⅡ(320-340 nm)、UV- B (280 - 320 nm)和UV- C(<280 nm)[3]. 目前，对于波长小于280 nm的Ⅲ族氮化物半导体UV-LD来讲，依然面临着两大挑战. 首先，由于p型AlGaN中镁的高活化能，难以在p型AlGaN合金中实现高的导电性，掺杂效率低，于是，室温下空穴浓度远远小于电子浓度，导致大量电子从 n 型导电层注入有源区时，没有足够的空穴与其复合，从而造成大量电子泄露[4-9]. 第二，Ⅲ族氮化物材料系统中，存在较强的自发极化和压电极化效应[10]. 尤其是高 Al 组分的AlGaN材料具有很强的极化电场，在电场的作用下，量子阱中能带发生弯曲，导致量子限制斯塔克效应(QCES)[11]. 从而使电子和空穴的波函数产生空间分离，导致复合速率降低，使UV-LD发光效率低下. 因此，如何有效降低UV-LD电子泄露、提升空穴注入率和减小极化效应，成为提升Ⅲ族氮化物半导体UV-LD的研究重点. 本文提出一种倒梯矩形电子阻挡层结构，降低电子泄露，从而提高空穴注入率以及电子和空穴在有源区的辐射复合率，达到提升深紫外激光二极管的发光性能的目的.
2 仿真模型以及参数
如图1(a)所示，以0.1 μm的Al0.75Ga0.25N层为衬底的深紫外激光二极管的示意图. 该激光器n型区由1 μm厚的n型Al0.75Ga0.25N包覆层、0.11 μm厚的n型Al0.68Ga0.32N下波导层组成. 有源区由两个3 nm厚的Al0.58Ga0.42N阱和三个8 nm厚的Al0.68Ga0.32N势垒组成. 该激光器p型区由0.07 μm厚的p型Al0.68Ga0.32N下波导层、0.01 μm厚的Al0.94Ga0.06N电子阻挡层、0.4 μm厚的p型Al0.75Ga0.25N包覆层以及p型Al0.8Ga0.2N接触层组成. 上述所有n型掺杂都是Si掺杂，p型掺杂都是Mg掺杂. 在该模拟仿真中，环境温度设置为300 K，激光器的腔长设置为530 μm，激光器的宽度设置为4 μm，回损设为2400，镜面折射率设置为30 %，由自发极化和压电极化引起的内置界面电荷计算为的40 %.
在室温下，用Crosslight公司的Lastip软件模拟了ABC三种不同电子阻挡层结构. A为参照组，即A的EBL为矩形. 结构B的EBL为正梯矩形，结构为AlxGa1-xN(0.94>x>0.90)/Al0.94Ga0.06N//Al0.98Ga0.06N/Al0.94Ga0.06N/AlxGa1-xN(0.90
图1 (a) DUV-LD结构和结构B和C的EBL结构示意图,(b)三种EBL的示意图.Fig. 1 (a) Structure sketch of DUV-LD and those of EBLs of B and C, (b) schematics for the three EBLs .
3 仿真结果以及分析讨论
如图2所示的三种结构的折射率分布(左轴)和光场强度分布(右轴)图可知，倒梯矩形EBL结构的光学约束因子高于正梯矩形结构和矩形EBL结构的光学约束因子. 在三种结构的EBL对比中，倒梯矩有着更大的真实光折射率，折射率的提高增大了它的光学限制因子，从而使得在有源区有着更大的电子与空穴浓度，进而使得C结构有着更好的发光性能.
有源区的光场分布用光约束因子Γ表示[12]，
在上式中，r是有源区的宽度，φ(t，y)是波的强度.
图2 三种结构的折射率分布(左轴)和光场强度分布(右轴)Fig. 2 The refractive index distribution (left axis) and light field intensity distribution (right axis) of the three structures
由于氮化材料体系中电子和空穴输运行为存在较大差异，电子很容易越过活性区而漏出活性区[13]. 在高电流注入情况下，电子溢出和空穴注入效率低造成大的泄漏电流和效率下降,从而导致在有源区有相对较低的辐射复合,因此在深紫外激光二极管中出现较低的输出功率.
导带电子的有效势高和价带空穴的有效势高对LD中的载流子输运起着至关重要的作用. 势垒高度的突变阻碍了量子阱区域内的空穴注入.如图3所示，结构C(倒梯矩EBL)的有效空穴势垒高度降低了25 meV，使空穴向量子阱区域的流动更容易. 然而，在结构C中，电子在最后一个量子势垒与EBL之间的有效势垒高度较高，与B相比提高了138 meV ，可以更有效地阻塞MQW区域内的电子泄露. 因此，结构C具有更好的电子约束和空穴注入能力.
图3 (a)结构B能带图和准费米能级(b)结构C的能带图和准费米能级Fig. 3 (a) band diagram and Quasi Fermi level of structure B(b) energy band diagram and Quasi Fermi level of C structure
为了清楚地观察比较载流子浓度的变化，图4(a)和(b)分别显示了MQW内电子和空穴浓度的变化. 与矩形EBL(A)结构相比，梯矩形EBL(B)和倒梯矩形EBL(C)结构在MQW中电子和空穴浓度显然更高. 电子浓度分别增加了15%和16.7%，空穴浓度分别增加了21%和22.9%. 我们在图③(c)中可以观察出在MQW中，电子-空穴辐射符合率的变化. 与矩形EBL结构相比，梯矩形EBL和倒梯矩形EBL在MQW中辐射复合分别增强了约32.5%和33.3%.
当电子从n型层注入有源区时，一部分注入的电子与量子阱中的空穴结合，是有效的结合. 一部分电子溢出到p型层与p型层中的空穴结合，是无效的结合. 这部分泄露出去的电子即为电子泄漏. 因此，我们用p型层的电子浓度可以用来评估电子泄漏的程度. 由上图5可知C明显减少了电子泄露的程度. 这说明结构C有着更加显著的电子约束能力，使得电子更集中在LD中的有源区，从而电子-空穴有更大几率的进行复合，进一步影响激光器的电特性.
图4 MQW区(a)电子浓度分布,(b)空穴浓度分布,(c)电子-空穴辐射复合速率分布.Fig. 4 In MQW region(a) electron concentration distribution, (b) hole concentration distribution,(C) electron-hole radiation recombination rate distribution.
图5 p-CL区域电子浓度Fig. 5 Electron concentration in the p-CL region
图6 (a)L-I曲线,(b)V - I曲线.Fig. 6 (a)L-I curve,(b)V - I curve.
由图6(a)观察可知，结构B和C的阈值电流Ith分别为35.56 mA和33.27 mA，降低了6.4%. 结构C使斜率效率(SE)从1.23提高到1.26，增加了2.4%. 由图6(b)观察可知阈值电压Vth为5.38 V，比结构B降低了4.3%. 结构C的输出功率和斜率效率均高于B，即输出功率会因为辐射复合率的提高而显著提高.
4 结 论
利用Crosslight软件对发射波长为266 nm的深紫外AlGaN/AlGaN MQW激光器的性能进行了模拟和优化. 为了降低深紫外激光二极管的电子泄露，模拟了矩形，梯矩形和倒梯矩形三种不同EBL结构的激光器. 仿真结果对比，倒梯矩形型EBL不仅具有更高的电子有效势垒以及更低的空穴有效势垒，有效地抑制了电子泄漏，而且将光学限制因子提高到19.25%、器件的阈值电流降至33.27 mA、阈值电压降至5.38 V，斜率效率为1.26 W/A. 因此，倒梯矩形型EBL结构对设计深紫外Ⅲ族氮化物半导体激光器具有重要研究意义.
