具有M形空穴阻挡层结构的AlGaN基深紫外激光二极管性能优化

张傲翔,王瑶,王梦真,魏士钦,王芳,2,刘玉怀,2,3∗

(1郑州大学电气与信息工程学院电子材料与系统国际联合研究中心,河南 郑州 450001;2郑州唯独电子科技有限公司,河南 郑州 450001;3郑州大学产业技术研究院有限公司,河南 郑州 450001)

0 引言

随着半导体激光技术的高速发展,半导体发光器件在深紫外波段的应用前景越来越广阔[1],广泛应用于污染防治[2]、杀菌消毒[3]、环境保护[4]、生物医学研究[5]、高密度信息存储[6]等方面。最近,COVID-19病毒的大规模传播引起了人们对消毒产品的关注。作为一种广泛应用的杀菌方法,深紫外发光器件的开发和应用得以更进一步地发展[7,8]。深紫外激光二极管因具有体积小、重量轻、转换效率好、可靠性高、易于组装等优点而得到广泛应用[9,10]。然而,波长小于280 nm的深紫外激光二极管仍面临着空穴浓度小、电子泄漏与空穴泄露严重、辐射复合率不高等问题[11,12]。为了解决以上问题,优化深紫外激光二极管的性能,大部分研究针对电子阻挡层[13]、量子阱[14,15]、量子势垒[16]、包覆层[17]、波导层[18]等结构进行优化。而目前在深紫外激光二极管(DUV-LD)的空穴阻挡层(HBL)方面的研究相对较少。

在深紫外激光二极管的工作过程中,进入量子阱内的载流子浓度越大,发生复合的概率越高[19]。高铝组分AlGaN的p型掺杂激活能高导致空穴浓度小[20],同时多量子势垒结构的设计降低了价带对于空穴的有效势垒高度,这又导致相当一部分的空穴溢出[21]。这部分空穴未能在量子阱内与电子复合而泄露至n型区,降低n型区的电子浓度,进而降低量子阱内的辐射复合率,影响器件的工作性能,采用空穴阻挡层则可以降低n型区的空穴泄露,增加空穴在量子阱内与电子的复合概率[22]。但高铝组分的空穴阻挡层在阻挡空穴向n型区泄露的同时,也会阻碍电子向量子阱中输入,影响器件辐射复合率、电光转换效率以及功率等性能。因此在降低空穴泄露的同时提升器件工作性能是目前面临的主要问题。

为了更加有效地降低DUV-LD在n型区的空穴泄露,优化其工作性能,本文提出了一种M形空穴阻挡层结构,通过对采用矩形、N形和M形空穴阻挡结构的DUV-LD的仿真研究与对比,发现采用M形空穴阻挡层结构能够更有效地降低DUV-LD在n型区的空穴泄露,增加其量子阱内的辐射复合率,降低阈值电压与阈值电流,同时提升电光转换效率与输出功率,从而更有效地降低DUV-LD在n型区的空穴泄露,优化其工作性能。

1 仿真模型与参数

使用Crosslight软件对不同的空穴阻挡层结构进行仿真对比。过薄的空穴阻挡层无法有效地降低空穴泄露,过厚的空穴阻挡层虽然降低空穴泄露的效果好,但会影响器件的工作性能。采用14 nm厚的空穴阻挡层结构进行结构优化,图1(a)为以0.1µm的Al0.75Ga0.25N为衬底的深紫外激光二极管的结构示意图。该激光二极管的n型区由1µm厚的n型Al0.75Ga0.25N包覆层、0.11µm厚的n型Al0.68Ga0.32N下波导层和14 nm厚的n型Al0.88Ga0.12N空穴阻挡层组成;有源区由3个8 nm厚的Al0.68Ga0.32N量子势垒和2个3 nm厚的Al0.58Ga0.42N量子阱交替组成;p型区由0.01µm厚的p型Al0.90Ga0.10N电子阻挡层、0.07µm厚的p型Al0.68Ga0.32N上波导层、0.4µm厚的p型Al0.75Ga0.25N包覆层和0.1µm厚的p型Al0.80Ga0.20N接触层组成,此结构即为参考结构。在该仿真中,将环境温度设为300 K,激光器的腔长设为530µm,激光器宽度设为4µm,回损设为2400,镜面折射率设为30%,由自发极化和压电极化引起的内置界面电荷设为40%。

基于参考结构(记为结构A),在保证总厚度和平均铝组分含量不变的情况下对空穴阻挡层结构进行优化,利用阶梯形结构以及铝组分渐变型结构设计了N形结构(记为结构B)与M形结构(记为结构C)。图1(b)所示为结构B、C空穴阻挡层的结构示意图,结构B依次由3 nm的Al0.90Ga0.10N、3 nm的Al0.86Ga0.14N、2 nm的AlxGa1−xN(x从0.90递减到0.86)、3 nm的Al0.90Ga0.10N和3 nm的Al0.86Ga0.14N组成;结构C依次由2 nm的Al0.86Ga0.14N、3 nm的Al0.90Ga0.10N、1 nm的AlxGa1−xN(x从0.90递减到0.86)、2 nm的Al0.86Ga0.14N、1 nm的AlxGa1−xN(x从0.86递增到0.90)、3 nm的Al0.90Ga0.10N和2 nm的Al0.86Ga0.14N组成;两种空穴阻挡层结构均为n型掺杂。图2所示为三种空穴阻挡层结构的铝组分变化示意图。

图1 (a)DUV-LD与(b)结构B、C空穴阻挡层的结构示意图Fig.1 Schematic diagram of(a)the DUV-LD structure and(b)HBL of structure B and C

图2 三种空穴阻挡结构的铝组分变化示意图Fig.2 Schematic diagram of aluminum composition variation of threekinds of HBL

2 仿真结果与讨论

器件内部的能带变化使载流子在不同位置上产生能量变化,这会影响载流子的迁移和分布,从而影响整个器件的性能。因此,研究一个器件内部的能带变化意义重大。有效势垒高度定义为能带边缘与其相对应的准费米能级之间的电位差[23]。由于极化电场的作用,不同结构的空穴阻挡层具有不同的有效势垒高度[24]。图3(a)、(b)、(c)分别为结构A、B、C的能带和准费米能级图,从图中数据可得结构A、B、C在导带上对电子的有效势垒高度分别为552、871、285 meV,在价带上对空穴的有效势垒高度分别为304、286、316 meV。相比于结构A,结构C对电子的有效势垒高度降低了267 meV,对空穴的有效势垒高度提升了12 meV;相比于结构B,结构C对电子的有效势垒高度降低了586 meV,对空穴的有效势垒高度提升了30 meV。通过对比可以看出,相比于结构A、B,结构C对电子的有效势垒高度降低,对空穴的有效势垒高度升高。对M形空穴阻挡层结构来说,部分膜层的厚度较薄,隧穿概率会因此提升。隧穿概率与势垒高度和宽度均有关系,在平均铝组分与总厚度不变的条件下进行结构优化,部分膜层势垒高度的提升以及空穴较大的有效质量使空穴的隧穿概率得以降低,从而增强了对空穴的阻挡能力[25,26]。结合仿真结果,说明M形空穴阻挡层结构可以更有效地提升电子注入效率,降低空穴泄露,从而优化器件的性能[27]。

图3 能带与准费米能级图。(a)结构A;(b)结构B;(c)结构CFig.3 Energy band and quasi-Fermilevel diagram.(a)Structure A;(b)Structure B;(c)Structure C

器件工作过程中,空穴在量子阱内与电子进行复合,但仍然存在大量的空穴没有与电子成功复合[28],这部分空穴逸出量子阱,泄露到n型区。大量的空穴泄露将降低器件量子阱内的辐射复合率和n型区的电子浓度,对器件的性能产生负面影响,因此更低的空穴泄露意味着更好的工作性能[29]。为了更直观地说明三种HBL结构对空穴的阻挡能力,在图4(a)中给出了三种结构在n型区的空穴泄露对比。可以看出:相比于结构A,结构B在n型区的空穴浓度略微降低,而结构C在n型区的空穴浓度则产生了较为明显的降低。这说明M形空穴阻挡层结构对空穴的阻挡效果更好,能够更有效地降低器件在n型区的空穴泄露。

辐射复合即电子和空穴在量子阱内复合、能量以光子的形式释放的复合方式[30]。辐射复合是深紫外激光二极管的发光机制,辐射复合率的大小影响着激光二极管的电光转换效率和输出功率,因此辐射复合率对于激光二极管来说是一个非常重要的参数。图4(b)所示为三种结构的辐射复合率对比,由图中数据可得,相较于结构A,结构B的辐射复合率略有提升,而结构C的辐射复合率则提升得更为明显。相比于结构A,结构C的辐射复合率提升了0.91%;相比于结构B,结构C的辐射复合率提升了0.76%。这是由于M形空穴阻挡层结构能够更有效地阻挡空穴向n型区泄露,将空穴限制在量子阱区域,使其更易在阱内与电子复合,从而更有效地提升激光二极管的辐射复合率,优化其工作性能。

阈值电压的大小体现出器件对电流的阻碍作用,更小的阈值电压往往意味着更小的阈值电流和更好的工作性能[31]。图4(c)所示为三种结构的I-V曲线。依照仿真数据并结合图像,可得结构A、B、C的阈值电压分别为4.88、5.26、4.76 V。相比于结构A,结构C的阈值电压降低了2.5%;相比于结构B,结构C的阈值电压降低了9.5%。由此可知M形空穴阻挡层结构能够更有效地降低深紫外激光二极管的阈值电压,并优化其工作性能。

图4 (a)三种结构在n型区的空穴泄露;(b)三种结构的辐射复合率;(c)三种结构的I-V曲线Fig.4 (a)Hole leakage of three structures in n-type region;(b)Radiation recombination rate of three structures;(c)I-V curves of three structures

电光转换效率是判断深紫外发光器件光电性能的重要指标[32]。图5(a)所示为三种结构的电光转换效率,由图5(a)可见,DUV-LDs的电光转换效率先随注入电流的增大而增大,而后载流子的产生速率与复合速率达到相对的平衡,输入功率和出光功率随之达到了相对平衡,因此随着注入电流的增加,电光转换效率趋于稳定。在图5(a)中取相同电流下三种结构的电光转换效率值进行量化分析,可以看出,相比于结构A,结构C的电光转换效率提升了3.3%;相比于结构B,结构C的电光转换效率提升了2.7%。由此可知,M形空穴阻挡层结构能够更有效地提升激光二极管的电光转换效率,从而优化其工作性能。

阈值电流是激光二极管由自发辐射转换到受激辐射状态时的正向电流值,阈值电流的降低可以增加器件的出光功率,优化器件的性能[33]。图5(b)所示为三种结构的P-I曲线,由图中数据可得A、B、C三种结构的阈值电流分别为30.01、30.48、29.76 mA。相比于结构A,结构C的阈值电流下降了0.83%;相比于结构B,结构C的阈值电流下降了2.36%。以上结果表明M形空穴阻挡层结构能够更有效地降低激光二极管的阈值电流,从而优化其工作性能。

图5 (a)三种结构的电光转换效率;(b)三种结构的P-I曲线Fig.5 (a)Electro-optical conversion efficiency of three structures;(b)P-I curve of three structures

激光二极管的功率也是其重要的性能指标之一,功率越高往往意味着器件的工作性能越好。而随着辐射复合率的提升、阈值电流的降低、电光转换效率的提升,半导体发光器件在注入等量载流子的条件下将转换出更多光子,因而输出功率也会随之提升[34]。由图5(b)中数据可知,结构A、B、C的输出功率分别为83.85、84.51、87.03 mW。相比于结构A,结构C的输出功率提升了3.8%;相比于结构B,结构C的输出功率提升了3.0%。斜率效率显示了DUV-LD的输出功率随电流增加而增加的能力[35],基于图5(b)中的数据计算出A、B、C三种结构的斜率效率分别为1.67、1.69、1.74。相比于结构A,结构C的斜率效率提升了4.2%;相比于结构B,结构C的斜率效率提升了2.9%。以上结果表明M形空穴阻挡层结构能够更有效地提升DUV-LD的功率与斜率效率,从而优化其工作性能。

3 结论

为了降低DUV-LD在n型区的空穴泄露并提升其工作性能,对DUV-LD的空穴阻挡层进行了结构优化。在保证空穴阻挡层的厚度以及平均铝组分含量相同的条件下,设计了矩形、N形和M形空穴阻挡层结构。利用Crosslight软件对采用矩形、N形和M形空穴阻挡层结构的AlGaN基深紫外多量子阱激光二极管进行了仿真研究与对比,结果表明与矩形结构相比,采用M形空穴阻挡层结构的DUV-LD对电子的有效势垒高度降低了267 meV,对空穴的有效势垒高度提升了12 meV;在n型区的空穴泄露降低了23.02%,在量子阱内的辐射复合率提升了0.91%;阈值电压降低为4.76 V,降低了2.5%;电光转换效率提升为0.375,提升了3.3%;阈值电流降低为29.76 mA,降低了0.83%;输出功率提升为87.03 mW,提升了3.8%;斜率效率提升为1.74,提升了4.2%。同时,与同样采用了阶梯形以及铝组分渐变型结构的N形结构相比,M形结构对电子有效势垒高度降低了586 meV,对空穴的有效势垒高度提升了30 meV,在n型区的空穴浓度降低了22.7%,在量子阱内的辐射复合率提升了0.76%,阈值电压降低了9.5%,电光转换效率提升了2.7%,阈值电流降低了2.36%,输出功率提升了3.0%,斜率效率提升了2.9%。综上所述,采用M形空穴阻挡层结构能够更有效地降低DUV-LD在n型区的空穴泄露,优化其工作性能。