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    量子壘高度對深紫外LED調(diào)制帶寬的影響

    2022-01-23 13:51:56郭亞楠羊建坤閆建昌王軍喜魏同波
    發(fā)光學報 2022年1期
    關鍵詞:載流子紫外光量子

    郭 亮, 郭亞楠, 羊建坤, 閆建昌, 王軍喜, 魏同波*

    (1. 中國科學院半導體研究所 半導體照明研發(fā)中心, 北京 100083;2. 中國科學院大學 材料與光電研究中心, 北京 100049)

    1 引 言

    隨著深紫外LED和日盲探測器的發(fā)展,紫外光通信受到越來越多的關注。紫外光通信利用紫外光傳輸信號,該信號可以被漂浮在空氣中的微粒和氣溶膠等散射和反射,實現(xiàn)非視距通信[1-2]。紫外光通信中使用的紫外光也稱為日盲紫外光,它在光譜中位于200~280 nm之間[3-4]。當太陽輻射穿過大氣層時,會被空氣中的水蒸氣、二氧化碳、氧氣、臭氧、懸浮顆粒和其他氣體分子強烈散射、吸收或反射,從而導致太陽光譜不連續(xù)。在所有分子和粒子中,僅占大氣0.01%~0.1%的臭氧在紫外光譜中具有很強的吸收帶,從而使得到達地表的太陽光中日盲紫外光含量極少,這則為紫外光通信提供了低背景噪聲的通信環(huán)境[5]。同時,紫外光通信還具有高保密性、無需頻段許可、抗干擾能力強等優(yōu)勢,這使得紫外光通信在軍事領域具有重要應用價值。

    紫外光源作為紫外光通信系統(tǒng)中重要的組成部分,其光功率決定了紫外光通信系統(tǒng)的傳輸距離,而其帶寬決定了通信速率的上限[6]。紫外光通信系統(tǒng)中最常用的三種光源包括氣體放電燈、激光器和LED。氣體放電燈制造成本低、輸出功率大,激光器的光線相干性高、單色性好、發(fā)散性低,然而這兩種光源都存在體積大、功耗大、調(diào)制速率低的缺點。AlGaN基LED由于具有更高的調(diào)制帶寬和更小的芯片尺寸,在紫外光通信中得到了越來越廣泛的應用[7-9]。

    近年來,越來越多的研究團體開始研究基于深紫外LED作為光源的紫外光通信。Alkhazragi等基于商用發(fā)光波長為279 nm的深紫外LED實現(xiàn)了1 m鏈路上通信速率為2.4 Gbps的紫外光通信系統(tǒng),測得調(diào)制帶寬為170 MHz[10]。2018年,Kojima等基于調(diào)制帶寬為153 MHz、發(fā)光波長為280 nm的深紫外LED,在1.5 m鏈路上實現(xiàn)了1.6 Gbps的通信速率[11]。2019年,He等制備了AlGaN基262 nm深紫外Micro-LED陣列,在71 A/cm2電流密度下,測得調(diào)制帶寬達到了438 MHz,在0.3 m鏈路上實現(xiàn)了高達1.1 Gbps的數(shù)據(jù)傳輸速率[12]。Zhu等制備了100 μm深紫外Micro-LED,在400 A/cm2電流密度下,測得調(diào)制帶寬為452.53 MHz[13]。

    盡管AlGaN基深紫外LED在紫外光通信中已經(jīng)得到了廣泛應用,但目前大部分研究仍集中在LED芯片工藝的改進上。關于深紫外LED外延結(jié)構對調(diào)制特性的影響的研究幾乎處于空白狀態(tài)。本研究通過改變生長AlGaN量子壘層時的Al源流量,控制了量子壘中Al組分分別為50%、55%和60%,生長了三種具有不同量子壘高度的深紫外LED,研究了量子壘高度對深紫外LED光電特性和調(diào)制特性的影響。并借助APSYS模擬和時間分辨光致發(fā)光光譜對實驗結(jié)果進行了深入分析。

    2 實 驗

    2.1 樣品制備

    實驗中首先在c面藍寶石襯底上生長1 μm厚的AlN緩沖層,然后在1 130 ℃下沉積20個周期的AlN(2 nm)/Al0.6Ga0.4N(2 nm)超晶格層。然后依次生長1.8 μm厚Si摻雜濃度為3×1018cm-3的n-Al0.61Ga0.39N層,5個周期Al0.4Ga0.6N(3 nm)/Al0.5/0.55/0.6Ga0.5/0.45/0.4N(12 nm)多量子阱層,50 nm厚的Mg摻雜p-Al0.6Ga0.4N電子阻擋層,30 nm厚p-Al0.5Ga0.5N層以及150 nm厚Mg摻雜濃度為1×1018cm-3的p-GaN層。隨后,在800 ℃氮氣氣氛下退火20 min以激活Mg受主。對生長得到的深紫外LED外延片使用標準紫外流片工藝,制備了倒裝結(jié)構深紫外LED,芯片尺寸為250 μm×550 μm,圖1為外延片結(jié)構示意圖。

    圖1 紫外外延片結(jié)構示意圖

    2.2 樣品表征

    LED光功率測試采用的是遠方光電公司HAAS-2000高精度快速光譜輻射計,該設備光譜范圍為200~2 550 nm。光致發(fā)光光譜測試采用215 nm紫外激光器作為激發(fā)光源,激光功率為31 mW,所用光柵線密度為1 200 l/mm,測試波長范圍為240~320 nm,步長為0.2 nm,積分時間為1.0 s,測試環(huán)境溫度為295 K。帶寬測試系統(tǒng)采用安捷倫E5061B型網(wǎng)絡分析儀,其掃描頻率范圍為5 Hz~3 GHz,可覆蓋氮化物LED的頻率響應范圍。直流偏置源采用Keithley 2420作為電流源,該電流源最大輸出電流為3 A,最大輸出電壓為60 V。紫外探測器采用Thorlabs 公司APD430A2/M型硅基雪崩探測器,可探測波長范圍是200~1 000 nm,可覆蓋整個UVC波段。圖2為實驗中使用的帶寬測試系統(tǒng)示意圖。

    圖2 帶寬測試系統(tǒng)示意圖

    3 結(jié)果與討論

    3.1 電致發(fā)光光譜

    圖3是3種不同量子壘高度深紫外LED的EL測試結(jié)果。在20 mA電流下,量子壘中Al組分為50%、55%和60%的深紫外LED的峰值波長分別為280.4,276.5,274.0 nm,可以看出隨著量子壘中Al組分的增加,深紫外LED的峰值波長逐漸藍移。這是因為隨著量子壘高度增加,量子阱對電子空穴的束縛能力增加,電子和空穴波函數(shù)的空間分離減小,量子限制效應增強,從而導致藍移。同時可以看出,隨著電流從20 mA增加到100 mA,深紫外LED的峰值波長逐漸紅移。Al組分為50%的深紫外LED的峰值波長紅移了1.2 nm,Al組分為55%的深紫外LED的峰值波長紅移了2 nm,Al組分為60%的深紫外LED的峰值波長紅移了1 nm。同時LED的發(fā)光峰半高寬也逐漸展寬,Al組分為50%的深紫外LED的半高寬從9.9 nm展寬到10.8 nm,Al組分為55%的深紫外LED的半高寬從11.3 nm展寬到12 nm,Al組分為60%的深紫外LED的半高寬從10.7 nm展寬到11.7 nm。這是因為根據(jù)焦耳定律,隨著電流增加,單位時間內(nèi)產(chǎn)生的熱量增加。根據(jù)能帶寬度和溫度的關系,深紫外LED的能帶寬度會隨著溫度升高而線性減小,從而導致發(fā)光波長紅移[14]。熱量的增加還會導致量子限制斯塔克效應增強,從而導致半高寬增加[15]。

    圖3 量子壘中Al組分為50%(a)、55%(b)、60%(c)的深紫外LED的EL光譜隨電流的變化。

    3.2 光功率

    對3種不同量子壘高度的深紫外LED芯片進行光電測試,得到不同測試電流下的光功率測試結(jié)果,如圖4所示。可以看出光功率隨著量子壘高度的增加,出現(xiàn)先增大后減小的趨勢。這是因為隨著量子壘高度的增加,量子阱對電子空穴的束縛能力增強,使得電子空穴濃度增加,從而導致光功率增大。但進一步增加量子壘高度,會導致電子阻擋層對過沖電子的束縛能力減弱,過沖電子與p型區(qū)的空穴復合,導致空穴電流減小,最終導致光功率降低[16]。

    圖4 量子壘中Al組分為50%、55%、60%的深紫外LED的光功率隨電流的變化。

    3.3 APSYS模擬

    我們使用APSYS軟件對不同量子壘高度的AlGaN基深紫外LED的能帶結(jié)構進行了模擬。模擬時,深紫外LED的注入電流為62.5 mA,器件尺寸為 250 μm×250 μm,從下到上為藍寶石襯底、AlN緩沖層、n-Al0.55Ga0.45N層、有源區(qū)、p-Al0.65Ga0.35N電子阻擋層、p-Al0.55Ga0.45N層、p-GaN層。有源區(qū)由5個量子阱層和6個量子壘層組成,阱層為2 nm厚的Al0.45Ga0.55N,壘層為10 nm厚的 Al0.5/0.55/0.6Ga0.5/0.45/0.4N。不同量子壘高度的AlGaN基的深紫外LED的能帶結(jié)構如圖5(a)、( b)、( c)所示??梢钥闯?,隨著量子壘高度的增加,電子和空穴的波函數(shù)空間分離逐漸減小,我們進一步對其輻射復合速率進行了模擬,模擬結(jié)果如圖5(d)所示。輻射復合速率隨著量子壘高度出現(xiàn)了先增加后減小的趨勢。這是因為隨著量子壘高度的增加,量子壘對載流子的束縛作用增加,使得量子阱內(nèi)的載流子濃度增大,同時由于電子和空穴的空間波函數(shù)重疊增加,輻射復合所占的比重也會增加,從而輻射復合速率增大。但進一步增加量子壘高度又會由于電子泄漏,從而導致輻射復合速率減小[17-18]。

    圖5 量子壘中Al組分為50%(a)、55%(b)、60%(c)的深紫外LED的能帶結(jié)構示意圖;(d)量子壘中Al組分為50%、55%和60%的深紫外LED的輻射復合速率分布示意圖。

    3.4 時間分辨光致發(fā)光光譜

    我們對不同量子壘高度的深紫外LED進行了時間分辨光致發(fā)光光譜(TRPL)測試。不同量子壘高度深紫外LED的TRPL測試結(jié)果如圖6所示。通過對曲線的衰減部分使用以下公式進行雙衰減指數(shù)擬合[19]:

    圖6 量子壘中Al組分為50%、55%、60%的深紫外LED的TRPL光譜隨電流的變化。

    (1)

    其中τ1滿足1/τ1=1/τnr+1/τ2,τnr為非輻射復合載流子壽命,τ2為輻射復合載流子壽命。量子壘中Al組分為50%、55%和60%的深紫外LED的載流子壽命分別為432,276,352 ps??梢钥闯鲚d流子壽命隨著量子壘中Al組分的增加出現(xiàn)先減小后增大的趨勢。

    熱平衡狀態(tài)下,pn結(jié)中的載流子復合速率可以由以下公式得到:

    R=B(N0+Δn)(P0+Δn)-BN0P0,

    (2)

    其中B為復合常數(shù),N0為電子濃度,P0為空穴濃度,Δn為過剩載流子濃度。經(jīng)整理后可以得到如下公式:

    R=B(N0+P0+Δn)Δn,

    (3)

    由于在p型區(qū)中,P0遠大于N0,因此上述公式可以進一步簡化為:

    R=B(P0+Δn)Δn,

    (4)

    載流子壽命可以由以下公式表示:

    (5)

    由于載流子壽命和輻射復合速率成反比,隨著量子壘高度增加,量子壘對載流子的束縛作用增強,輻射復合速率增加,載流子壽命因此減小。但進一步增加量子壘高度又會由于電子泄漏,導致輻射復合速率減小,載流子壽命增加[20]。

    3.5 調(diào)制帶寬測試

    在60 mA電流下,測試得到了深紫外LED的頻率響應結(jié)果如圖7所示。量子壘中Al組分為50%、55%和60%的深紫外LED的-3 dB帶寬分別為75.0,94.4,82.0 MHz。深紫外LED的調(diào)制帶寬隨著量子壘高度的增加,出現(xiàn)了先增加后減小的趨勢。

    圖7 量子壘中Al組分為50%、55%、60%的深紫外LED的頻率響應圖。

    LED的調(diào)制帶寬主要受到載流子壽命和RC時間常數(shù)決定,并且對于常規(guī)尺寸LED,其主要受載流子輻射復合壽命決定。載流子輻射復合壽命決定了發(fā)光強度在交變信號下的上升和下降時間,也決定了光功率隨交變信號變化反應的快慢。兩者之間滿足以下關系[21]:

    (6)

    其中f-3 dB為LED的-3 dB 帶寬,B為雙分子復合系數(shù),J為電流密度,q為元電荷,d為有源區(qū)厚度。載流子壽命越短,則光子隨外電流變化反應的速度越快,從而調(diào)制帶寬越高。這一結(jié)果也與3.4中載流子壽命的結(jié)果相吻合。

    4 結(jié) 論

    本文研究了量子壘高度對深紫外LED光電特性和調(diào)制特性的影響,制備了3種具有不同量子壘高度的深紫外LED。研究發(fā)現(xiàn),隨著量子壘高度的增加,深紫外LED的光功率和外量子效率出現(xiàn)先增加后減小的趨勢,載流子壽命則出現(xiàn)先減小后增大的趨勢,EL光譜發(fā)光峰峰值波長逐漸藍移。最后,我們使用基于網(wǎng)絡分析儀的帶寬測試系統(tǒng)對不同量子壘高度的深紫外LED進行了帶寬測試,測得量子壘中Al組分為50%、55%和60%的深紫外LED的-3 dB帶寬分別為75.0,94.4,85.0 MHz。

    本文專家審稿意見及作者回復內(nèi)容的下載地址:http://cjl.lightpublishing.cn/thesisDetails#10.37188/CJL.20210331.

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