多量子勢壘雙阻擋層結(jié)構(gòu)對(duì)AlGaN基深紫外激光二極管的性能優(yōu)化

王夢真，王 瑤，魏士欽，王 芳，全 智，劉俊杰，劉玉懷

(鄭州大學(xué) 信息工程學(xué)院電子材料與系統(tǒng)國際聯(lián)合研究中心，鄭州 450001)

1 引 言

深紫外半導(dǎo)體激光器因其光子能量高、可聚焦能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)多應(yīng)用于化學(xué)分析、高密度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、紫外固化、醫(yī)療和科學(xué)等領(lǐng)域[1-3]，有著廣泛的應(yīng)用前景.其中AlGaN材料因其較寬的禁帶寬度，通過調(diào)節(jié)其Al組分可以實(shí)現(xiàn)LD深紫外波段激光的激射，是研究DUV-LD的主要材料.隨著Al組分的提高，一方面高質(zhì)量AlGaN材料的制備困難[4]，另一方面Mg摻雜劑的高活化能使得P-AlGaN的p型導(dǎo)電性差，導(dǎo)致P-AlGaN的電阻率增大，LD的工作電壓升高[6]；此外還導(dǎo)致P-AlGaN摻雜效率低下，注入到有源區(qū)內(nèi)的空穴濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電子濃度，沒有足夠的空穴與電子復(fù)合，并且電子遷移率高，造成大量電子泄露到P區(qū)[4-6].高Al組分AlGaN材料具有極強(qiáng)的極化電場[8, 9]，產(chǎn)生的量子限制斯塔克效應(yīng)(QCSE)會(huì)分離電子和空穴波函數(shù)[10]，從而影響有源區(qū)內(nèi)載流子的復(fù)合效率，這些問題的存在限制了AlGaN基DUV-LD光電性能的提升.針對(duì)載流子泄露問題，本文在插入電子阻擋層的參考結(jié)構(gòu)上，又引入一空穴阻擋層來阻擋空穴泄露到n區(qū)，而抑制載流子泄露則需要相對(duì)較高的有效勢壘高度，多量子勢壘結(jié)構(gòu)的引入可有效提高其勢壘高度，更有效阻礙載流子泄露.在1986年Iga等人報(bào)道的文章中預(yù)測了這種結(jié)構(gòu)的效應(yīng)[12]；1991年，Kishino等人在660 nm可見光GaInP/AlInP激光二極管中證明了這種效應(yīng)[13]，以及Hirayama等人在2010年報(bào)道的文章，證實(shí)了這種結(jié)構(gòu)在AlGaN基深紫外發(fā)光二極管可有效提高電子勢壘高度[14].

而本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，多量子勢壘結(jié)構(gòu)在DUV-LD中提升有源區(qū)內(nèi)載流子濃度分布、輻射復(fù)合速率、減少電子泄露方面也有明顯的優(yōu)勢.

2 仿真模型以及參數(shù)

如圖1(a)所示，深紫外激光二極管的參考結(jié)構(gòu)A以Al0.78Ga0.25N層為襯底，n區(qū)由0.5 μm厚的Si摻雜的n-Al0.78Ga0.22N的包覆層、0.1 μm厚的Si摻雜n-Al0.75Ga0.25N下波導(dǎo)層組成；有源區(qū)為三個(gè)10 nm厚的不摻雜Al0.68Ga0.32N量子勢壘層和兩個(gè)3 nm厚的不摻雜Al0.58Ga0.42N量子阱；p區(qū)為0.15 μm厚的Mg摻雜的p-Al0.75Ga0.25N上波導(dǎo)層以及0.5μm厚的p-Al0.78Ga0.22N的包覆層組成.在最后一層量子勢壘和上波導(dǎo)層之間插入一15 nm厚的Mg摻雜的Al0.94Ga0.06N電子阻擋層.在此基礎(chǔ)上，在第一層量子勢壘和下波導(dǎo)層之間插入一Si摻雜的15 nm厚的Al0.94Ga0.06N空穴阻擋層,記為結(jié)構(gòu)B.結(jié)構(gòu)C是將結(jié)構(gòu)B中的EBL和HBL改用五周期的Al0.98Ga0.02N(2 nm)/Al0.9Ga0.1N(1 nm)多量子勢壘結(jié)構(gòu).三種結(jié)構(gòu)示意圖如圖1(b)所示.在該模擬仿真中為進(jìn)行準(zhǔn)確分析，激光器的腔長設(shè)為530 μm,器件寬度設(shè)置外3 μm，左右鏡面折射率設(shè)置為30%，內(nèi)部損耗設(shè)為2400，工作溫度為300 K.

3 仿真結(jié)果以及分析討論

圖2給出了DUV-LD的電學(xué)輸出特性曲線.從圖2(a)中可以看出，矩形雙阻擋層(結(jié)構(gòu)B)與多量子勢壘雙阻擋層(結(jié)構(gòu)C)結(jié)構(gòu)激光二極管的閾值電流(Ith)分別為43.4 mA和44.33 mA，但結(jié)構(gòu)C的斜率效率從2.27提升到2.30，提高了1.3%，斜率效率顯示了DUV-LD功率隨電流增加變化的能力[17]，該結(jié)果意味著和結(jié)構(gòu)B相比，DUV-LD雙阻擋層采用結(jié)構(gòu)C時(shí)的輸出功率隨電流增加更快.結(jié)構(gòu)C的Ith有所增加，這可能歸因于多量子勢壘HBL的引入增加了電子勢壘高度(圖3所示)，使得LD達(dá)到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)緩慢.從圖2(b)中可以看出，結(jié)構(gòu)B和結(jié)構(gòu)C的閾值電壓分別為4.64 V和4.57 V，差別較小，而結(jié)構(gòu)C的電流電阻略高于結(jié)B.

為了進(jìn)一步研究多量子勢壘雙阻擋層對(duì)DUV-LD的性能優(yōu)化，研究了三種結(jié)構(gòu)的能帶圖.如圖(3)所示，結(jié)構(gòu)A、結(jié)構(gòu)B和結(jié)構(gòu)C電子阻擋層導(dǎo)帶中電子有效勢壘高度分別為712.9 meV、704.1 meV和798.9 meV，通過數(shù)據(jù)對(duì)比可知，C結(jié)構(gòu)有效提高了電子勢壘高度，阻礙電子流向P區(qū)，如圖4(a)所示.而空穴阻擋層的引入，從能帶圖來看，結(jié)構(gòu)B、C的空穴有效勢壘高度分別為514.2 meV和501.9 meV，顯著高于結(jié)構(gòu)A,因此結(jié)構(gòu)B、C可有效阻礙空穴泄露,如圖4(b)所示.

為進(jìn)一步研究DUV-LD有源區(qū)內(nèi)載流子濃度變化以及載流子濃度對(duì)輻射復(fù)合率的影響，圖5繪制了三種結(jié)構(gòu)多量子阱(MQW)內(nèi)載流子濃度分布和輻射復(fù)合率的變化.從圖5中可以看出，結(jié)構(gòu)B、C較結(jié)構(gòu)A電子(圖5(a))與空穴(圖5(b))濃度顯著增加，可歸因于空穴阻擋層的加入即可作為電子供給層提供電子又可顯著阻擋空穴泄漏[16]，結(jié)構(gòu)C較于結(jié)構(gòu)B的提高可歸因于多量子勢壘的引入對(duì)于電子空穴勢壘高度的變化.圖5(c)繪制的為三種結(jié)構(gòu)的輻射復(fù)合率變化，從圖中可以看出載流子濃度的變化對(duì)輻射復(fù)合率的影響較為顯著.

考慮到從圖4(a)中可知多量子勢壘EBL結(jié)構(gòu)對(duì)阻擋電子泄露效果顯著，本文進(jìn)一步研究了已經(jīng)報(bào)道的(圖6(a))雙階梯EBL(結(jié)構(gòu)D)[15]、Al組分漸變梯度上超晶格EBL(結(jié)構(gòu)E)以及Al組分漸變梯度下超晶格EBL(結(jié)構(gòu)F)[16, 17]三種結(jié)構(gòu)對(duì)電子泄露的影響.圖6(a)為其他三種EBL結(jié)構(gòu)截面及能帶示意圖，以p-AlGaN層中的電子濃度，作為評(píng)估電子泄露的依據(jù)[18]，從圖6(b)中可以看出，多量子勢壘EBL(結(jié)構(gòu)C)相對(duì)其他三種結(jié)構(gòu)對(duì)阻礙電子泄露到P區(qū)效果最好.

4 結(jié) 論

通過對(duì)三種結(jié)構(gòu)性能參數(shù)的數(shù)值研究，發(fā)現(xiàn)空穴阻擋層的引入很好地阻礙了空穴泄露，有效提升了有源區(qū)內(nèi)空穴濃度，其中多量子勢壘雙阻擋層DUV-LD有更好的斜率效率，并且有源區(qū)內(nèi)載流子濃度分布和輻射復(fù)合速率效果最好.綜上所述，本文提出的新結(jié)構(gòu)有利于改善DUV-LD發(fā)光性能.