基于阱式階梯電子阻擋層的深紫外激光二極管性能研究

魏士欽, 王瑤, 王夢真, 王芳, 劉俊杰, 劉玉懷,2,3?

(1 鄭州大學信息工程學院電子材料與系統國際聯合研究中心, 河南 鄭州 450001;2 鄭州唯獨電子科技有限公司, 河南 鄭州 450001;3 鄭州大學產業技術研究院有限公司, 河南 鄭州 450001)

0 引 言

深紫外激光二極管(LDs)等光電器件具有巨大的應用市場,包括化學分析、醫療診斷設備、生物試劑檢測系統、高密度數據存儲、水凈化和材料處理等[1]。此外,深紫外激光二極管也可以作為有毒和低效的氣體激光器和汞燈的替代品。根據其對生物和化學物質的影響,紫外光譜通常分為四個波段:UV-AI(340～400 nm)、UV-AII(320～340 nm)、UV-B(280～320 nm)和UV-C(<280 nm)[2]。目前,波長小于280 nm的Ⅲ族氮化物半導體UV-LD 依然面臨著兩個巨大的挑戰:首先,高Al 組分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 的低空穴濃度;其次,有源區的部分電子泄漏到p 型層,與p 型層的空穴復合,從而影響器件性能。

為解決以上問題,研究人員對LD 的結構設計和優化進行了很多研究,如量子阱(QW)、量子勢壘(QB)和電子阻擋層(EBL)的優化[3],從而有效降低電子泄露、提升空穴注入率。在這些設計中,電子阻擋層在載流子輸運中起著最重要的作用。目前已有較多不同結構的EBL,包括錐形EBL[4]、階梯式EBL[5]、反錐形和反階梯式EBL[6]、雙錐形EBL、反梯形EBL[7]等。但需要注意的是,LD 需要將光場限制在有源層中并沿腔振蕩,所提出的EBL 結構不應使LD 波導設計中的光場限制因子變小。因此,改善光約束也是一個挑戰。

為了提高激光器在有源區域的電子濃度和光學限制因子,本文提出了一種新型阱式階梯型EBL 結構,并與本研究中的矩形和階梯型EBL 激光器進行了比較。

1 仿真模型以及參數

圖1(a)為深紫外AlxGa1?xN/AlyGa1?yN 多量子阱(MQW)激光器的原理模型圖。該激光器n 型區結構包括0.1μm 厚的Al0.75Ga0.25N 襯底,1μm 厚的n 型Al0.75Ga0.25N 包覆層、0.11μm 厚的n 型Al0.68Ga0.32N下波導層(LWG)。此外,有源區由兩個3 nm 厚的Al0.58Ga0.42N 阱和三個8 nm 厚的Al0.68Ga0.32N 勢壘組成。……