基于阱式阶梯电子阻挡层的深紫外激光二极管性能研究

魏士钦, 王瑶, 王梦真, 王芳, 刘俊杰, 刘玉怀,2,3∗

(1 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, 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

深紫外激光二极管(LDs)等光电器件具有巨大的应用市场,包括化学分析、医疗诊断设备、生物试剂检测系统、高密度数据存储、水净化和材料处理等[1]。此外,深紫外激光二极管也可以作为有毒和低效的气体激光器和汞灯的替代品。根据其对生物和化学物质的影响,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)[2]。目前,波长小于280 nm的Ⅲ族氮化物半导体UV-LD 依然面临着两个巨大的挑战:首先,高Al 组分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 的低空穴浓度;其次,有源区的部分电子泄漏到p 型层,与p 型层的空穴复合,从而影响器件性能。

为解决以上问题,研究人员对LD 的结构设计和优化进行了很多研究,如量子阱(QW)、量子势垒(QB)和电子阻挡层(EBL)的优化[3],从而有效降低电子泄露、提升空穴注入率。在这些设计中,电子阻挡层在载流子输运中起着最重要的作用。目前已有较多不同结构的EBL,包括锥形EBL[4]、阶梯式EBL[5]、反锥形和反阶梯式EBL[6]、双锥形EBL、反梯形EBL[7]等。但需要注意的是,LD 需要将光场限制在有源层中并沿腔振荡,所提出的EBL 结构不应使LD 波导设计中的光场限制因子变小。因此,改善光约束也是一个挑战。

为了提高激光器在有源区域的电子浓度和光学限制因子,本文提出了一种新型阱式阶梯型EBL 结构,并与本研究中的矩形和阶梯型EBL 激光器进行了比较。

1 仿真模型以及参数

图1(a)为深紫外AlxGa1−xN/AlyGa1−yN 多量子阱(MQW)激光器的原理模型图。该激光器n 型区结构包括0.1µm 厚的Al0.75Ga0.25N 衬底,1µm 厚的n 型Al0.75Ga0.25N 包覆层、0.11µm 厚的n 型Al0.68Ga0.32N下波导层(LWG)。此外,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。p 型区由0.07µm 厚的p 型Al0.68Ga0.32N 上波导层(UWG)、0.01µm 厚的Al0.94Ga0.06N 电子阻挡层(EBL)、0.4µm 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 型掺杂均为Si 掺杂,p 型掺杂均为Mg 掺杂。在模拟仿真中,环境温度设置为300 K,激光器的腔长、宽度分别设置为530µm、4µm,回损设为2400,镜面折射率设置为30%,此外,考虑到器件材料中的缺陷对电荷散射而导致的屏蔽效应,将自发极化和压电极化产生的界面电荷密度设置为理论值的40%[8,9]。

图1(b)为本实验所用三组电子阻挡层的结构示意图。其中:A 结构为矩形EBL,作为参考组;B 结构为由AlxGa1−xN(0.95 ≥x≥0.91)构成的五层AlGaN 阶梯型EBL,每层厚度均为2 nm;C 结构为由AlxGa1−xN/AlyGa1−yN(0.95 ≥x≥0.91, 0.8 ≥y≥0.76)构成的阱式阶梯型EBL,每层厚度均为1 nm[10]。在保证除电子阻挡层以外其他参数保持一致的情况下,采用Crosslight 公司的Lastip 软件对这三种结构的电子阻挡层进行模拟,得到深紫外激光二极管的相关特性。

图1 (a)DUV-LD 结构及其EBL 结构示意图;(b)三种EBL 示意图,其中A、B 和C 分别为矩形、阶梯型、阱式阶梯型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 仿真结果及分析讨论

图2 显示了三种不同结构的光场分布(左轴)和真实折射率分布(右轴)。阱式阶梯EBL 结构的光学约束因子高于阶梯型和矩形EBL 结构的光学约束因子。折射率实部在有源区对比度的增大和载流子空穴浓度的增大是增强光约束的主要原因。这证明了阱式阶梯EBL 结构对提高DUV-LDs 的发光性能起着更好的作用[11]。

图2 结构(a)A,(b)B,(c)C 的折射率分布和光场强度分布Fig.2 Refractive index distribution and light field intensity distribution of structure(a)A,(b)B,(c)C

有效势垒高度定义为导带边缘与其相对准费米能级之间的电位差,可以有效地说明激光电子约束能力和空穴注入效率[12]。对于电子而言,有效势垒代表了活性区域束缚电子的能力大小,有效势垒越低则电子越容易脱离活性区跃迁到p 型区;对于空穴而言,有效势垒代表了有源区对空穴注入的阻隔能力强弱,有效势垒越高则从p 型区向有源区注入空穴越困难,注入效率越低。其中有源区的厚度和折射率等都会影响光学限制因子,通过计算发现阱式阶梯型EBL 结构的光学限制因子提高到了19.45%,这与该结构的折射率有关,因为EBL 阻挡电子泄露到P 型层,在电子留在阱层的同时又不影响空穴的注入,从而使有源区的载流子浓度上升,激光器的辐射复合率提升,所以该结构的光学限制因子提升是因为电子阻挡能力更强,使得DUV LD 的发光性能提升。

导带电子和价带空穴的有效势垒高度对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(阱式阶梯EBL)的有效空穴势垒高度相比结构A(矩形EBL)降低了64 meV,相比结构B(阶梯型EBL)降低了22 meV,使空穴向量子阱区域流动得更加容易。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A 相比提高了10 meV,与B 相比提高了12 meV,可以更有效地阻止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 结构(a)A,(b)B,(c)C 的能带图和准费米能级Fig.3 Band diagram and quasi-Fermi level of structure(a)A,(b)B,(c)C

由图4(a)、(b)可以明显看出MQW 内电子和空穴浓度的变化。与矩形EBL(A)结构相比,阶梯型EBL(B)结构在MQW 中的电子和空穴浓度有所降低,但阱式阶梯EBL(C)结构的电子和空穴浓度都显著提高,电子浓度增加了3.2%,空穴浓度增加了4%。由图4(c)可见MQW 中电子-空穴辐射复合率的变化,结构B 的辐射复合率比结构A 降低了约1.9%，但是结构C 的辐射复合率比结构A 增强了约3.2%。电子和空穴的辐射复合主要发生在靠近p 型区的最后一个QW,因此,阱中电子和空穴浓度的增加有助于辐射复合率的提高,从而有利于光输出功率的提高。

图4 三种EBL MQW 区(a)电子浓度分布、(b)空穴浓度分布及(c)电子-空穴辐射复合速率分布Fig.4 (a)Electron concentration distribution,(b)hole concentration distribution and(C)electron-hole radiation recombination rate distribution in MQW region for three EBL

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,即为有效结合。一部分没有结合的电子溢出到p 型层并与p 型层中的空穴结合,这种结合是无效结合[13]。因此,一般可以用p型层的电子浓度来观察电子泄露程度的高低。由图5 可知结构C 明显降低了电子泄露的程度,说明结构C 对电子有更加显著的约束能力,使电子更多集中在LD 中的有源区,提高了电子-空穴的复合几率,从而提高激光器的性能。

图5 阶梯型和阱式阶梯型电子阻挡层激光二极管的电子浓度分布Fig.5 Electron concentration distribution of the laser diodes with ladder-type and well-type ladder-type electron blocking layer,respectively

由图6(a)可知,结构B 和C 的阈值电流Ith分别为28.57 mA 和27.56 mA,比参考结构A 的阈值电流降低了6.4%。结构C 使斜率效率(SE)从1.85 提高到1.86,增加了0.01。增加的能量直接导致更多的电流流动和积累,这种增强会增加有源区中的辐射和复合。由图6(b)可知结构C 的阈值电压Vth为4.49 V,比结构B 降低了1.4%。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。

图6 激光二极管结构B 和结构C 的L-I 曲线(a)和V-I 曲线(b)Fig.6 (a)L-I curves and(b)V-I curves of laser diodes with structure B and structure C,respectively

3 结 论

利用Crosslight 软件对266 nm 深紫外AlxGa1−xN/AlyGa1−yN MQW 激光器的性能进行了模拟和优化。为了提高深紫外AlxGa1−xN/AlyGa1−yN MQW LDs 的载流子浓度和辐射复合速率,模拟了三种不同结构的AlGaN EBL,即矩形EBL、阶梯EBL、阱式阶梯EBL。仿真结果表明,阱式阶梯型EBL 光学限制因子提高到19.45%,器件的阈值电流降至27.56 mA,阈值电压降至4.49 V,斜率效率为1.86 W/A。因此,与参考结构相比,阱式阶梯EBL 具有更高的有效势垒,有效地抑制了电子泄漏。