多量子势垒双阻挡层结构对AlGaN基深紫外激光二极管的性能优化

2022-03-04王梦真魏士钦刘俊杰刘玉怀

原子与分子物理学报 2022年2期

王梦真，王瑶，魏士钦，王芳，全智，刘俊杰，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

深紫外半导体激光器因其光子能量高、可聚焦能力强等优点多应用于化学分析、高密度数据存储、紫外固化、医疗和科学等领域[1-3]，有着广泛的应用前景.其中AlGaN材料因其较宽的禁带宽度，通过调节其Al组分可以实现LD深紫外波段激光的激射，是研究DUV-LD的主要材料.随着Al组分的提高，一方面高质量AlGaN材料的制备困难[4]，另一方面Mg掺杂剂的高活化能使得P-AlGaN的p型导电性差，导致P-AlGaN的电阻率增大，LD的工作电压升高[6]；此外还导致P-AlGaN掺杂效率低下，注入到有源区内的空穴浓度远远小于电子浓度，没有足够的空穴与电子复合，并且电子迁移率高，造成大量电子泄露到P区[4-6].高Al组分AlGaN材料具有极强的极化电场[8, 9]，产生的量子限制斯塔克效应(QCSE)会分离电子和空穴波函数[10]，从而影响有源区内载流子的复合效率，这些问题的存在限制了AlGaN基DUV-LD光电性能的提升.针对载流子泄露问题，本文在插入电子阻挡层的参考结构上，又引入一空穴阻挡层来阻挡空穴泄露到n区，而抑制载流子泄露则需要相对较高的有效势垒高度，多量子势垒结构的引入可有效提高其势垒高度，更有效阻碍载流子泄露.在1986年Iga等人报道的文章中预测了这种结构的效应[12]；1991年，Kishino等人在660 nm可见光GaInP/AlInP激光二极管中证明了这种效应[13]，以及Hirayama等人在2010年报道的文章，证实了这种结构在AlGaN基深紫外发光二极管可有效提高电子势垒高度[14].

而本次实验结果证明，多量子势垒结构在DUV-LD中提升有源区内载流子浓度分布、辐射复合速率、减少电子泄露方面也有明显的优势.

2 仿真模型以及参数

如图1(a)所示，深紫外激光二极管的参考结构A以Al0.78Ga0.25N层为衬底，n区由0.5 μm厚的Si掺杂的n-Al0.78Ga0.22N的包覆层、0.1 μm厚的Si掺杂n-Al0.75Ga0.25N下波导层组成；有源区为三个10 nm厚的不掺杂Al0.68Ga0.32N量子势垒层和两个3 nm厚的不掺杂Al0.58Ga0.42N量子阱；p区为0.15 μm厚的Mg掺杂的p-Al0.75Ga0.25N上波导层以及0.5μm厚的p-Al0.78Ga0.22N的包覆层组成.在最后一层量子势垒和上波导层之间插入一15 nm厚的Mg掺杂的Al0.94Ga0.06N电子阻挡层.在此基础上，在第一层量子势垒和下波导层之间插入一Si掺杂的15 nm厚的Al0.94Ga0.06N空穴阻挡层,记为结构B.结构C是将结构B中的EBL和HBL改用五周期的Al0.98Ga0.02N(2 nm)/Al0.9Ga0.1N(1 nm)多量子势垒结构.三种结构示意图如图1(b)所示.在该模拟仿真中为进行准确分析，激光器的腔长设为530 μm,器件宽度设置外3 μm，左右镜面折射率设置为30%，内部损耗设为2400，工作温度为300 K.

3 仿真结果以及分析讨论

图2给出了DUV-LD的电学输出特性曲线.从图2(a)中可以看出，矩形双阻挡层(结构B)与多量子势垒双阻挡层(结构C)结构激光二极管的阈值电流(Ith)分别为43.4 mA和44.33 mA，但结构C的斜率效率从2.27提升到2.30，提高了1.3%，斜率效率显示了DUV-LD功率随电流增加变化的能力[17]，该结果意味着和结构B相比，DUV-LD双阻挡层采用结构C时的输出功率随电流增加更快.结构C的Ith有所增加，这可能归因于多量子势垒HBL的引入增加了电子势垒高度(图3所示)，使得LD达到粒子数反转状态缓慢.从图2(b)中可以看出，结构B和结构C的阈值电压分别为4.64 V和4.57 V，差别较小，而结构C的电流电阻略高于结B.

为了进一步研究多量子势垒双阻挡层对DUV-LD的性能优化，研究了三种结构的能带图.如图(3)所示，结构A、结构B和结构C电子阻挡层导带中电子有效势垒高度分别为712.9 meV、704.1 meV和798.9 meV，通过数据对比可知，C结构有效提高了电子势垒高度，阻碍电子流向P区，如图4(a)所示.而空穴阻挡层的引入，从能带图来看，结构B、C的空穴有效势垒高度分别为514.2 meV和501.9 meV，显著高于结构A,因此结构B、C可有效阻碍空穴泄露,如图4(b)所示.

为进一步研究DUV-LD有源区内载流子浓度变化以及载流子浓度对辐射复合率的影响，图5绘制了三种结构多量子阱(MQW)内载流子浓度分布和辐射复合率的变化.从图5中可以看出，结构B、C较结构A电子(图5(a))与空穴(图5(b))浓度显著增加，可归因于空穴阻挡层的加入即可作为电子供给层提供电子又可显著阻挡空穴泄漏[16]，结构C较于结构B的提高可归因于多量子势垒的引入对于电子空穴势垒高度的变化.图5(c)绘制的为三种结构的辐射复合率变化，从图中可以看出载流子浓度的变化对辐射复合率的影响较为显著.

考虑到从图4(a)中可知多量子势垒EBL结构对阻挡电子泄露效果显著，本文进一步研究了已经报道的(图6(a))双阶梯EBL(结构D)[15]、Al组分渐变梯度上超晶格EBL(结构E)以及Al组分渐变梯度下超晶格EBL(结构F)[16, 17]三种结构对电子泄露的影响.图6(a)为其他三种EBL结构截面及能带示意图，以p-AlGaN层中的电子浓度，作为评估电子泄露的依据[18]，从图6(b)中可以看出，多量子势垒EBL(结构C)相对其他三种结构对阻碍电子泄露到P区效果最好.