電子阻擋層Al組分對GaN基藍(lán)光激光二極管光電性能的影響

杜小娟， 劉 晶， 董海亮， 賈志剛， 張愛琴， 梁 建*， 許并社,5

(1． 太原理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 山西 太原 030024； 2. 航天科工防御技術(shù)研究試驗中心， 北京 100854；3. 太原理工大學(xué) 新材料界面科學(xué)與工程教育部重點實驗室， 山西 太原 030024；4. 太原理工大學(xué) 輕紡工程學(xué)院， 山西 太原 030024； 5. 陜西科技大學(xué) 材料原子·分子科學(xué)研究所， 陜西 西安 710021)

1 引 言

1995年，第一支GaN基激光二極管(Laser diode,LD)問世，就此揭開了GaN基LD的序幕[1]。近幾十年來，由于GaN基LD在激光顯示、材料加工、信息存儲、激光通訊等領(lǐng)域越來越廣泛的應(yīng)用，逐漸成為激光領(lǐng)域研究的熱點[2]。隨著外延材料的優(yōu)化和生長技術(shù)不斷提高，GaN基藍(lán)光LD光電性能有了很大的提升，但是由于藍(lán)光LD外延結(jié)構(gòu)復(fù)雜，獲得高性能GaN基藍(lán)光LD在技術(shù)方面仍然面臨著諸多挑戰(zhàn)[3]。例如，載流子泄漏對GaN基藍(lán)光LD電光轉(zhuǎn)換效率和輸出功率有重要影響[4]。極化效應(yīng)是導(dǎo)致載流子泄漏的關(guān)鍵因素。極化效應(yīng)由自發(fā)極化和壓電極化兩部分構(gòu)成。LD結(jié)構(gòu)中由于外延層材料之間晶格常數(shù)不同導(dǎo)致較大的壓電極化，Ⅲ族氮化物在c面襯底上生長產(chǎn)生自發(fā)極化。首先，極化效應(yīng)產(chǎn)生較強(qiáng)的內(nèi)建電場，導(dǎo)致電子和空穴波函數(shù)分離，降低量子阱中的輻射復(fù)合效率[5-6]；其次，InGaN與GaN之間存在的晶格失配產(chǎn)生大量位錯，形成非輻射復(fù)合中心，從而導(dǎo)致載流子泄漏[7-8]。由于電子和空穴的遷移速率不同，量子阱中電子和空穴濃度分布不均勻?qū)е掠性磪^(qū)非輻射復(fù)合效率提高，從而降低了藍(lán)光LD的輻射復(fù)合效率[9-12]。

通過調(diào)控GaN基藍(lán)光LD的電子阻擋層(EBL)來降低載流子泄漏，從而提高輸出功率。諸多研究者提出不同的EBL結(jié)構(gòu)降低極化效應(yīng)和調(diào)控能帶彎曲。1996年，Nakamura等將傳統(tǒng)AlGaN EBL引入脊形發(fā)射LD外延結(jié)構(gòu)中[1]，并得到了廣泛應(yīng)用[13-15]。結(jié)果表明，AlGaN EBL結(jié)構(gòu)減少了電子泄漏，提高了內(nèi)量子效率(Internal quantum efficiency,IQE)。因此，EBL引入為抑制電子泄漏提供了解決思路。然而，隨著應(yīng)用需求提高對LD的輸出功率提出了更高的要求，在大電流注入條件下，傳統(tǒng)均勻組分AlGaN EBL抑制電子泄漏和促進(jìn)空穴注入效率還需進(jìn)一步提升，IQE有待提高[16]。這是因為AlxGa1-xN EBL和勢壘的界面處帶階較大，導(dǎo)帶帶階越大，越有利于阻擋電子，導(dǎo)致界面處積累了大量自由電子，形成極化電場，從而阻止空穴注入[17]；另外，氮化物半導(dǎo)體也會不可避免地形成空穴勢壘從而影響空穴注入。2008年，Chen等提出四元Al0.25In0.144Ga0.606N EBL，與傳統(tǒng)Al0.2Ga0.8N EBL相比明顯提高了LD的光電性能，這主要是因為采用AlxInyGa1-x-yN材料降低了極化效應(yīng)，提高了空穴注入效率和降低了電子泄漏[18]。2011年，Zhang等提出階梯漸變的AlxGa1-xN EBL，與傳統(tǒng)均勻組分Al0.18Ga0.82N相比，階梯漸變的AlxGa1-xN EBL降低了極化效應(yīng)，減少了載流子泄漏和光子損耗，從而使閾值電流降至2.5 kA/cm2，IQE從60%提高到92%[19]。2012年，Morawiec等將AlxInyGa1-x-yN應(yīng)用在勢壘中，調(diào)節(jié)InGaN量子阱中的極化效應(yīng)，從而達(dá)到降低載流子泄漏和提高IQE的目的[20]。2016年，Alahyarizadeh等通過實驗將AlGaN和AlInGaN EBL LD的光電性能進(jìn)行了對比分析，結(jié)果表明，AlInGaN EBL結(jié)構(gòu)LD的勢壘與EBL的導(dǎo)帶帶階較高，從而抑制了電子泄漏[21]。2017年，Lin等提出Al0.35In0.18Ga0.47N EBL LED，與傳統(tǒng)Al0.15Ga0.85N EBL相比，輸出功率提高了31.38%，這是由于調(diào)控Al/In比率增加了導(dǎo)帶帶階高度，減少了價帶帶階高度，從而減少了電子泄漏和增加了空穴注入[22]。2018年，Xing等通過優(yōu)化AlxGa1-xN EBL中的Al組分從而實現(xiàn)了抑制量子阱中載流子泄漏的目的[23]。因此，通過調(diào)控AlxGa1-xN中的Al組分調(diào)節(jié)帶隙范圍可以抑制電子泄漏，但是還有待進(jìn)一步改善。通過調(diào)節(jié)合金組分，AlxGa1-xN EBL可以調(diào)控勢壘和EBL之間導(dǎo)帶和價帶的帶階，但是不能調(diào)節(jié)導(dǎo)帶和價帶的帶階比，即無法在提高導(dǎo)帶帶階高度的同時降低價帶帶階高度，從而實現(xiàn)更好抑制電子泄漏和提高空穴注入的目的。2021年，He等提出了p-AlInGaN/AlGaN超晶格EBL，降低了能帶彎曲效應(yīng)，減少了電子泄漏，提高了空穴注入[24]。通過以上分析可知嚴(yán)重的電子泄漏和低的空穴注入效率導(dǎo)致IQE降低[25]。AlxInyGa1-x-yN被認(rèn)為是最具有發(fā)展?jié)摿Φ腅BL材料[26-28]。調(diào)控四元AlxInyGa1-x-yN中Al/In的比率，相比AlxGa1-xN材料帶隙，其調(diào)節(jié)范圍更大，調(diào)節(jié)AlxInyGa1-x-yN與量子阱的晶格匹配，可降低極化效應(yīng)，從而提高空穴注入效率。因此，AlxInyGa1-x-yN EBL結(jié)構(gòu)不僅能夠降低電子泄漏，而且還能提高空穴注入效率，從而提高IQE。因此，將四元AlxInyGa1-x-yN材料應(yīng)用在GaN基LD的EBL中，并對Al組分漸變方式進(jìn)行優(yōu)化能夠降低極化效應(yīng)，增加帶隙，從而提高阻擋電子泄漏的導(dǎo)帶勢壘高度和降低空穴注入的價帶勢壘高度，實現(xiàn)抑制電子泄漏和提高空穴注入的目的。優(yōu)化四元化合物AlxInyGa1-x-yN的Al組分漸變方式是提高LD性能的重要方法之一。然而，四元化合物AlInGaN由于其生長窗口小和制作難度大，制備高質(zhì)量AlInGaN晶體成為一大難題。這是因為AlN、GaN和InN之間互溶性差，所以采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積生長高質(zhì)量四元AlGaInN比生長GaN和InGaN更困難[29]。

本文采用SiLENSe計算模擬軟件對四元AlxInyGa1-x-yN EBL中Al組分漸變方式進(jìn)行優(yōu)化。其中一種為傳統(tǒng)均勻組分Al0.16In0.01Ga0.83N EBL結(jié)構(gòu)LD，即Al組分保持不變；另外兩個LD的EBL是Al組分階梯漸變EBL結(jié)構(gòu)，Al組分漸變方式分別是(0～0.07～0.16)和(0.16～0.07～0)；還有一個是Al組分三角形漸變的EBL結(jié)構(gòu)LD，即(0～0.16～0)。對四種LD的光電性能進(jìn)行了分析和表征。能帶圖表明Al組分階梯漸變EBL(0～0.07～0.16)相對于傳統(tǒng)EBL阻礙電子泄漏的導(dǎo)帶勢壘高度明顯提高，有利于空穴注入的價帶勢壘高度降低，提高了載流子注入效率和輻射復(fù)合效率，從而提高了LD的IQE；光場分布圖表明Al組分階梯漸變EBL結(jié)構(gòu)能夠?qū)⒐鈭鱿拗圃谟性磪^(qū)內(nèi)，降低了光子損耗，從而降低了閾值電流。

2 LD結(jié)構(gòu)和模擬參數(shù)

傳統(tǒng)均勻Al組分Al0.16In0.01Ga0.83N EBL LD作為參考[30]。本文研究的GaN基藍(lán)光LD外延層結(jié)構(gòu)從n側(cè)到p側(cè)順序依次為：700 nm厚的GaN接觸層(Si摻雜濃度為5×1018cm-3)；550 nm厚的Al0.08Ga0.92N GaN激射層(Si摻雜濃度為5×1018cm-3)；由100 nm GaN層和40 nm厚的In0.01Ga0.99N層組成的雙波導(dǎo)(Waveguide layer,WG)(Si摻雜濃度為5×1018cm-3)；5個3 nm厚的In0.22Ga0.78N量子阱(Quantum well,QW)；4個12 nm厚的In0.01Ga0.99N的量子壘層(Quantum barrier,QB)，量子阱與量子壘間隔堆疊構(gòu)成有源區(qū)；20 nm厚的Al0.16In0.01Ga0.83N EBL(Si摻雜濃度為5×1018cm-3)；70 nm厚的In0.01Ga0.99N p波導(dǎo)層(UWG)(Mg摻雜為2×1019cm-3)；400 nm厚的GaN激射層(Mg摻雜濃度為2×1019cm-3)；100 nm厚的接觸層(Mg摻雜濃度為2×1019cm-3)。如圖1(a)所示。

理論研究了GaN基藍(lán)光LD的物理性能。LD的腔長和條寬分別為800 μm和10 μm，工作溫度為300 K。電流密度在6 kA/cm2時，GaN基藍(lán)光LD獲得的IQE和電光轉(zhuǎn)化效率都接近最高值，器件的可靠性最好。同時，2020年，劉建平等在注入電流密度為6 kA/cm2時，對高功率GaN基藍(lán)光LD進(jìn)行了光電性能分析[31]，背反射率和鏡面反射率分別為0.75和0.85?？紤]到固定缺陷和其他接口電荷對內(nèi)置極化的部分補(bǔ)償，設(shè)置屏蔽因子為0.25，GaN/InxGa1-xN異質(zhì)結(jié)的帶偏比(ΔEc/ΔEg)=0.7/0.3。

四元AlInGaN較三元/二元化合物通過調(diào)控Al和In使帶隙在一個大的范圍變化，從而調(diào)節(jié)極化效應(yīng)，同時，組分漸變也是降低極化效應(yīng)的方法之一。因此，研究了Al組分漸變的四元AlxInyGa1-x-yN EBL的性能變化。圖1(b)為傳統(tǒng)Al均勻組分、右階梯漸變組分(0～0.07～0.16)、三角形漸變組分(0～0.16～0)、左階梯漸變組分(0.16～0.07～0)的EBL結(jié)構(gòu)示意圖，分別標(biāo)記為LD1、LD2、LD3、LD4，Al組分漸變時，EBL中其他組分都保持不變，除了EBL Al組分漸變方式不同，其他結(jié)構(gòu)參數(shù)相同。

圖1 (a)GaN基藍(lán)光LD外延結(jié)構(gòu)示意圖；(b)四種不同Al組分漸變方式EBL結(jié)構(gòu)示意圖。

通過仿真模擬對GaN基藍(lán)光LD進(jìn)行模擬計算，通過求解泊松方程、電流連續(xù)性方程[32-33]、電荷輸運(yùn)方程和產(chǎn)生-復(fù)合速率方程等來模擬LD的光學(xué)和電學(xué)性能。四元化合物AlxInyGa1-x-yN的禁帶寬度隨組分變化的關(guān)系為[34]：

Eg(AlInGaN)=

(1)

(1-u)Eg(AlN)-u(1-u)B(AlN)，

(2)

(1-v)Eg(InN)-v(1-v)B(InGaN)，

(3)

(1-w)Eg(AlN)-w(1-w)B(AlGaN)，

(4)

(5)

其中，x、y和z=1-x-y分別是AlInGaN中的Al、In和Ga組分。AlInN、InGaN 和 AlGaN 的能帶參數(shù)分別是2.5，1.4，0.7 eV[35]。

根據(jù)Fiorentini理論[36]，P=Psp+Ppz,Psp是自發(fā)極化，Ppz是壓電極化，Psp和Ppz對GaN基藍(lán)光LD具有重要影響。強(qiáng)靜電場會產(chǎn)生內(nèi)置極化，電子和空穴在量子阱中分離。自發(fā)極化可以通過下列公式表示：

Psp(AlxGa1-xN)=-0.090x-

0.034(1-x)+0.019x(1-x)，

(6)

Psp(InxGa1-xN)=-0.042x-

0.034(1-x)+0.038x(1-x)，

(7)

AlInGaN、InGaN和AlGaN的壓電極化可以通過下述公式計算：

Ppz(AlxInyGa1-x-yN)=Ppz(AlN)x+

Ppz(InN)y+Ppz(GaN)(1-x-y),

(8)

Ppz(AlN)=-1.808ε+5.624ε2,ε<0,

(9)

Ppz(AlN)=-1.808ε-7.888ε2,ε>0,

(10)

Ppz(GaN)=-0.918ε+9.541ε2,

(11)

Ppz(InN)=-1.373ε+7.559ε2.

(12)

為了說明極化匹配情況，對半導(dǎo)體外延層與襯底之間的失配度進(jìn)行計算。設(shè)外延薄膜晶格常數(shù)為a0，無應(yīng)力時襯底的晶格常數(shù)為ae，晶格失配度為δ，四元AlInGaN化合物的晶格常數(shù)計算公式與失配度計算方法為[37]：

(13)

(14)

其中x、y和z=1-x-y分別是AlInGaN中的Al、In和Ga組分。AlN、InN和GaN的晶格常數(shù)分別是0.311 2，0.354 0，0.318 8 nm[38-39]。由公式可得Al0.16In0.01Ga0.83N EBL與In0.01Ga0.99N之間的失配度為0.38%，說明EBL與波導(dǎo)層和勢壘之間失配度較小，極化效應(yīng)降低。

3 結(jié)果與討論

3.1 電學(xué)性能

為了研究不同Al組分漸變方式EBL對LD能帶結(jié)構(gòu)的影響，對不同Al組分漸變方式EBL LD的能帶結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，從而揭示不同EBL能帶帶階變化的規(guī)律。四元化合物較三元化合物對能帶的影響更復(fù)雜，四元化合物通過調(diào)節(jié)Al和In增加帶隙，改變了導(dǎo)帶和價帶，提高了EBL阻礙電子泄漏的勢壘高度，降低了空穴注入的勢壘高度，這主要是由于極化電場變小，能帶圖中能帶彎曲減小。圖2是四種LD的能帶結(jié)構(gòu)圖，研究結(jié)果表明，當(dāng)注入電流密度為6 kA/cm2時，在極化效應(yīng)作用下，EBL層與InGaN勢壘層界面處導(dǎo)帶向下彎曲至費(fèi)米能級以下，導(dǎo)致在界面處電子容易發(fā)生累積。在正向大電流條件下，獲得能量的電子很容易從量子阱中溢出，越過EBL外延層進(jìn)入p側(cè)區(qū)域，引起電子泄漏，從而導(dǎo)致LD閾值電流增加[28]。PDn-InGaN WG-cond或PDEBL-cond分別是電子費(fèi)米能級與n-InGaN WG或AlInGaN EBL的導(dǎo)帶(Conduction band)之間的電位差(Potential difference，PD)，阻礙電子泄漏的勢壘高度為PDn-InGaN WG-cond和PDEBL-cond之間的差值。PDn-InGaN WG-Vale是n-InGaN WG層價帶費(fèi)米能級與AlInGaN EBL的價帶(Valence band)之間的電位差；PDEBL-Vale是AlGaN-EBL層價帶費(fèi)米能級與AlInGaN勢壘層(Barrier)價帶之間的電位差?？昭ㄗ⑷雱輭镜母叨葹镻Dn-InGaN WG-Vale和PDEBL-Vale之和。由圖2四種EBL能帶電勢可知，LD1、LD2、LD3和LD4形成的導(dǎo)帶電子勢壘高度分別是2.10，2.15，2.05，2.07 eV。同時，在EBL與InGaN勢壘層界面處，分別形成約2.80，2.70，2.78，2.72 eV的空穴價帶注入勢壘高度。阻礙電子泄漏勢壘高度從均勻組分LD1的2.10 eV提高到2.15 eV，空穴注入勢壘高度從均勻組分LD1的2.80 eV降低至2.70 eV，階梯漸變EBL的LD2導(dǎo)帶電子勢壘高度最高，價帶空穴勢壘高度最低。這說明Al組分階梯漸變EBL LD2能有效阻止電子泄漏，提高了空穴注入。這主要是由于空穴注入價帶勢壘越低越有利于空穴注入，導(dǎo)帶電子泄漏勢壘高度增加有利于減少電子泄漏，從而增加了量子阱中的電子和空穴輻射復(fù)合的幾率。

圖2 當(dāng)注入電流480 mA(電流密度為6 kA/cm2)時，EBL不同Al組分漸變的能帶變化曲線(圖(b)是圖(a)1 350 ～1 500 nm的放大圖；圖(d)是圖(c)1 350 ～1 500 nm的放大圖)。

通過分析電流泄漏密度與注入電流的關(guān)系驗證四種不同Al組分漸變EBL能帶結(jié)構(gòu)對LD電子泄漏的影響規(guī)律。圖3是泄漏電流密度與注入電流關(guān)系曲線，隨著注入電流的增加。泄漏電流密度增加。在電流為480 mA時，LD2的泄漏電流密度最低，這主要是由于Al組分階梯漸變EBL LD2有源區(qū)中的電子準(zhǔn)費(fèi)米能級提高，有效抑制了電子進(jìn)入p側(cè)[40]，從而減少了電子泄漏；LD3的泄漏電流密度最高，這是因為LD3抑制電子泄漏的導(dǎo)帶勢壘高度最低，空穴注入價帶勢壘高度最高，從而導(dǎo)致泄漏電流密度的增加；Al組分階梯漸變EBL的LD4的泄漏電流密度略高于傳統(tǒng)均勻組分EBL的LD1，這是由于LD4的阻礙電子泄漏的導(dǎo)帶勢壘高度小于LD1，同時LD1小于LD2，從而泄漏電流密度低于LD2和LD1。

圖3 不同Al組分漸變EBL下LD泄漏電流密度與注入電流關(guān)系曲線

載流子注入效率是影響LD電學(xué)性能的重要參數(shù)之一。載流子注入效率變化對工作電壓有著重要影響，載流子注入效率越高，工作電壓越低。因此，需要進(jìn)一步分析注入電流對電壓和載流子注入效率的影響規(guī)律。圖4(a)是不同Al組分漸變EBL結(jié)構(gòu)電壓與注入電流的關(guān)系曲線，結(jié)果表明，隨著注入電流增加，電壓增加。當(dāng)注入電流480 mA時，四種LD的工作電壓從低到高的順序是LD4、LD2、LD1、LD3。LD2的工作電壓低于LD3和LD1，這主要是因為Al組分階梯漸變的LD2的導(dǎo)帶電子泄漏勢壘高度增加和價帶空穴注入勢壘高度降低，降低了載流子泄漏，提高了載流子注入效率，從而降低了工作電壓。當(dāng)注入電流480 mA時，LD4的工作電壓最低。這主要是由于Al組分階梯漸變EBL的LD4導(dǎo)帶電子泄漏勢壘高度降低，然而空穴注入勢壘高度增加，但是空穴注入勢壘高度的提高補(bǔ)償了導(dǎo)帶電子泄漏勢壘高度降低帶來的影響，從而降低了載流子注入效率，進(jìn)而導(dǎo)致工作電壓升高。圖4(b)是載流子注入效率與注入電流關(guān)系曲線，結(jié)果表明，隨著注入電流增加，載流子注入效率提高。當(dāng)注入電流為480 mA時， LD2的載流子注入效率最高，這主要是由于Al組分漸變EBL的LD2通過調(diào)節(jié)帶隙寬度和AlxInyGa1-x-yN EBL與p側(cè)量子阱之間的晶格匹配，減少了電子泄漏，提高了空穴注入有源區(qū)，進(jìn)而減少了界面缺陷和界面載流子損耗，從而降低了工作電壓和提高了載流子注入效率。由于LD4的泄露電流密度高于LD2和LD1，從而導(dǎo)致LD4的注入效率低于LD2。當(dāng)注入電流為480 mA時，LD3的注入效率最低，這主要是由于LD3電子泄漏的導(dǎo)帶勢壘高度降低和空穴注入的勢壘高度增加，造成電子泄漏增加和空穴注入效率降低，導(dǎo)致載流子注入效率降低。

圖4 不同Al組分漸變EBL下LD電壓(a)、注入效率(b)與注入電流關(guān)系曲線。

通過分析IQE與注入電流之間的關(guān)系探究AlxIn1-xGa1-x-yN EBL Al組分漸變方式對GaN基藍(lán)光LD IQE的影響。圖5是四個不同Al組分漸變EBL結(jié)構(gòu)LD的IQE與注入電流關(guān)系曲線，結(jié)果表明，注入電流小于500 mA時，IQE逐漸增加。當(dāng)注入電流為480 mA時，LD2的IQE最高達(dá)到95.6%，LD1、LD3和LD4的IQE分別是91%、73.5%和93.2%。這是因為泄漏電流密度和非輻射復(fù)合共同影響IQE，而LD2的泄漏電流密度最低，從而導(dǎo)致LD2的IQE最高。LD2的非輻射復(fù)合將在下面章節(jié)進(jìn)行分析。因此，階梯漸變EBL結(jié)構(gòu)LD2在該注入電流下能夠有效抑制載流子泄漏，三角形漸變和傳統(tǒng)均勻組分EBL結(jié)構(gòu)不能抑制電子從有源區(qū)進(jìn)入p側(cè)，造成載流子泄漏嚴(yán)重，泄漏電流密度增加；同時LD4泄漏電流密度低于LD2，載流子注入效率低于LD2，從而降低了IQE。因此，LD2的階梯漸變EBL結(jié)構(gòu)降低了材料的極化效應(yīng)，提高了空穴注入效率，使空穴在量子阱有源區(qū)中的分布更加均勻[41]；同時該結(jié)構(gòu)能抑制電子從有源區(qū)進(jìn)入p側(cè)，載流子注入效率提高，從而提高了IQE。

圖5 不同Al組分漸變EBL下LD IQE與注入電流關(guān)系曲線

為了探究非輻射復(fù)合對有源區(qū)IQE的影響，分別對非輻射復(fù)合電流密度、俄歇復(fù)合電流密度和SRH復(fù)合電流密度與注入電流的關(guān)系進(jìn)行了分析，如圖6(a)～(c)。非輻射復(fù)合主要包括俄歇復(fù)合和SRH復(fù)合。非輻射復(fù)合、俄歇復(fù)合和SRH復(fù)合可以分別通過非輻射復(fù)合電流密度、俄歇復(fù)合電流密度和SRH復(fù)合電流密度表征。當(dāng)注入電流為480 mA時，LD2的非輻射復(fù)合電流密度最低，LD1最高，這主要是由于Al組分漸變EBL結(jié)構(gòu)降低俄歇復(fù)合和SRH復(fù)合，三角形漸變EBL結(jié)構(gòu)不能有效降低俄歇復(fù)合和SRH復(fù)合；LD2的俄歇復(fù)合電流密度最低，LD1最高，這主要是由于Al組分漸變EBL結(jié)構(gòu)提高了載流子空穴注入效率，從而降低了俄歇復(fù)合電流密度；LD2的SRH復(fù)合電流密度最低，LD3最高，這主要是由于通過采用四元AlxInyGa1-x-yN EBL降低了與靠近p側(cè)量子阱之間的晶格失配，降低了極化效應(yīng)，減少了界面處的缺陷，從而降低了SRH輻射復(fù)合。其中LD4的非輻射復(fù)合電流密度、俄歇復(fù)合電流密度和SRH復(fù)合電流密度高于LD3和LD1，但低于LD2，這主要是由于LD2比LD4的量子阱中載流子濃度更高、極化效應(yīng)更低和界面處缺陷更少，從而降低了輻射復(fù)合電流密度。階梯漸變EBL結(jié)構(gòu)非輻射復(fù)合最低，俄歇復(fù)合最低，SRH復(fù)合最低。LD2俄歇復(fù)合電流密度和SRH復(fù)合電流密度最低，從而導(dǎo)致LD2非輻射復(fù)合電流密度最低。因此，LD2的IQE最高主要由于其低非輻射復(fù)合率和低泄漏電流密度導(dǎo)致的。非輻射復(fù)合電流密度主要受俄歇復(fù)合電流密度的影響，當(dāng)有源區(qū)載流子濃度高時，俄歇復(fù)合又受有源區(qū)載流子濃度的影響。圖6(d)是有源區(qū)載流子濃度與注入電流的關(guān)系曲線，結(jié)果表明，LD2的有源區(qū)載流子濃度最高，LD2的俄歇復(fù)合最低，從而降低了LD2的非輻射復(fù)合電流密度。這是由于Al組分階梯漸變的EBL結(jié)構(gòu)LD2能夠有效緩減極化效應(yīng)，提高了載流子注入效率和有源區(qū)載流子濃度，使空穴和電子在有源區(qū)分布更加均勻，從而降低了非輻射復(fù)合電流密度。LD1的非輻射電流密度最高是因為其俄歇復(fù)合電流密度和SRH復(fù)合電流密度高導(dǎo)致。因此，Al組分階梯漸變EBL的LD2能夠有效降低泄漏電流密度，增加了注入效率，降低了俄歇復(fù)合，增加了有源區(qū)載流子濃度，降低了非輻射復(fù)合電流密度，從而提高了IQE。

圖6 不同Al組分漸變方式EBL下LD非輻射復(fù)合電流密度(a)、俄歇復(fù)合電流密度(b)、SRH復(fù)合電流密度(c)、有源區(qū)載流子密度(d)與注入電流關(guān)系曲線。

綜上所述，Al組分階梯漸變EBL結(jié)構(gòu)LD2的抑制電子泄漏的導(dǎo)帶勢壘高度最高，阻礙空穴有效注入的價帶勢壘高度最低；Al組分階梯漸變EBL結(jié)構(gòu)LD4抑制電子泄漏勢壘高度低于均勻組分EBL結(jié)構(gòu)LD1，但是其空穴注入勢壘高度低于LD1；綜合分析，LD2電學(xué)性能最佳，LD4電學(xué)性能低于LD2優(yōu)于LD3和LD1。因此，Al組分階梯漸變EBL結(jié)構(gòu)提高了電子泄漏的導(dǎo)帶勢壘高度，降低了空穴注入的價帶勢壘高度，有效抑制了電子泄漏，促進(jìn)空穴注入有源區(qū)，降低了非輻射復(fù)合和俄歇復(fù)合，增加了有源區(qū)載流子濃度，提高了載流子注入效率，從而提高了有源區(qū)輻射復(fù)合效率，進(jìn)而提高了IQE。

3.2 光學(xué)性能

由于LD外延層中電子和空穴對光子的吸收系數(shù)不同，因此光場分布是影響光子損耗的主要因素之一[42-43]。通過分析不同Al組分漸變EBL LD的光場分布討論了不同Al組分漸變EBL結(jié)構(gòu)對LD光學(xué)性能的影響。圖7是四個LD器件的折射率分布和模擬光場分布。結(jié)果表明，在相同的波導(dǎo)模式下，LD1、LD2、LD3、LD4的光學(xué)限制因子分別是3.29%、3.50%、3.30%、3.43%，其中LD2的光學(xué)限制因子最高，LD2的光場強(qiáng)度也就最高。LD光學(xué)限制因子的不同是由于采用了不同Al組分漸變方式EBL導(dǎo)致。由圖7可知，階梯漸變EBL結(jié)構(gòu)LD2和LD4能將光場限制在量子阱內(nèi)，減少光場泄漏，從而提高了光場強(qiáng)度和光增益。因此，Al組分階梯漸變EBL的LD光學(xué)限制因子最高，將光場限制在有源區(qū)量子阱中，減少了光場泄漏，從而提高了輸出功率。

圖7 不同Al組分漸變EBL下TE-模的折射率分布和強(qiáng)度分布(圖(b)是圖(a)1 200～1 650 nm的放大圖)

光子損耗是影響LD性能的因素之一，光子內(nèi)損耗越高，LD的閾值電流越高，輸出功率越低。這主要是由于自由載流子能夠吸收量子阱內(nèi)外的光子[43]。為了分析不同Al組分漸變EBL對LD光學(xué)損耗的影響，對外損耗、內(nèi)損耗和總損耗與注入電流的關(guān)系進(jìn)行了對比分析。圖8(a)～(c)分別是四種不同Al組分漸變方式下外損耗(αout)、內(nèi)損耗(αQW)和總損耗(αTotal)與注入電流的關(guān)系曲線。由圖8(a)～(c)可知，當(dāng)注入電流為480 mA(電流密度為6 kA/cm2)時，階梯漸變EBL結(jié)構(gòu)LD2和LD4的外損耗明顯低于均勻組分EBL結(jié)構(gòu)LD1和三角形組分EBL結(jié)構(gòu)LD3，LD2和LD4的內(nèi)損耗低于LD1和LD3，LD2和LD4的總損耗也明顯低于LD1和LD3。這是由于階梯漸變EBL結(jié)構(gòu)提高了載流子注入效率，降低了阱外非輻射復(fù)合，有效降低了阱外的光子損耗，同時將光子限制在量子阱內(nèi)，降低了量子阱內(nèi)光子損耗，從而降低了總損耗。閾值電流是影響GaN基藍(lán)光LD性能的重要技術(shù)參數(shù)之一。內(nèi)部光子損耗高和非輻射復(fù)合效率高會導(dǎo)致閾值電流提高，從而降低了光輸出功率和電光轉(zhuǎn)換效率。因此，對閾值電流進(jìn)行分析討論具有很重要的意義。圖8(d)是四種LD的閾值電流，四種不同EBL結(jié)構(gòu)LD的閾值電流分別是43.5，32.4，77.2，45.1 mA。其中LD2的閾值電流最小，這主要是由于其量子阱的內(nèi)和外光損耗以及俄歇復(fù)合最小，從而減少了光損耗和載流子損耗。LD3的閾值電流最大，這主要由于內(nèi)部光子損耗最大，非輻射復(fù)合也較大導(dǎo)致的。這是由于LD的閾值電流與內(nèi)部光子損耗和非輻射復(fù)合有關(guān)，內(nèi)部光子損耗越大，非輻射復(fù)合越高，閾值電流越大。LD2的非輻射復(fù)合效率和內(nèi)部光子損耗最低，從而降低了LD2的閾值電流。

圖8 不同Al組分漸變EBL下LD的多量子阱外(αout)(a)、內(nèi)(αQW)(b)、總損耗(αTotal)(c)和閾值電流(d)隨注入電流的變化曲線(箭頭所指0.48 A)。

為了探究不同Al組分漸變EBL對輸出功率和轉(zhuǎn)換效率的影響，對功率和轉(zhuǎn)換效率與注入電流的關(guān)系曲線進(jìn)行分析，圖9(a)、(b)分別是輸出功率、轉(zhuǎn)換效率與注入電流的關(guān)系曲線。由圖9(a)可知，EBL不同漸變方式下，注入電流增加，輸出功率隨之增加。在注入電流為480 mA時，LD1、LD2、LD3、LD4的輸出功率分別為335，352，264，350 mW，LD2的輸出功率最高，LD3的輸出功率最低。這是由于LD2的電子泄漏低和空穴注入效率高，增加了有源區(qū)載流子濃度，提高了有源區(qū)輻射復(fù)合效率和IQE，從而提高了LD2輸出功率。轉(zhuǎn)換效率是衡量GaN基藍(lán)光LD性能的重要指標(biāo)。圖9(b)是轉(zhuǎn)換效率與注入電流關(guān)系曲線，結(jié)果表明，隨著注入電流增加，轉(zhuǎn)換效率先快速增加，然后緩慢降低。這是因為隨著注入電流增加，LD的損耗增加，功率會逐漸飽和。當(dāng)注入電流為480 mA時，LD2光電轉(zhuǎn)換效率最高達(dá)13.4%，LD2和LD4轉(zhuǎn)換效率相同，LD1為12.5%，LD3的最低為9.97%。這是因為LD2泄漏電流密度最低，有源區(qū)輻射復(fù)合效率最好，IQE最高，輸出功率最高，所以LD2的功率轉(zhuǎn)化效率最高。LD4價帶空穴注入勢壘高度增加補(bǔ)償了電子泄漏的問題，提高了IQE，從而提高了輸出功率。LD1和LD3功率轉(zhuǎn)化效率降低相對LD2和LD4來說不明顯，這是由于LD1和LD3損耗嚴(yán)重，導(dǎo)致轉(zhuǎn)換效率明顯下降。因此，采用階梯漸變EBL結(jié)構(gòu)可以明顯提高LD的電光轉(zhuǎn)換效率。外延層的等效電阻主要是由p側(cè)外延層電阻決定，p側(cè)空穴遷移速度低于n側(cè)。因此，EBL對LD工作電壓有著重要影響[44]?；谝陨戏治隹芍ぷ麟妷涸酱?，光電轉(zhuǎn)換效率就越小。因此，Al組分階梯漸變EBL LD2能夠通過調(diào)控能帶結(jié)構(gòu)和光場分布，減少電子泄漏和光子損耗，提高載流子注入效率和輻射復(fù)合效率，達(dá)到降低閾值電流的目的，最終實現(xiàn)高輸出功率和高電光轉(zhuǎn)換效率。

圖9 不同Al組分漸變EBL下LD的功率(a)、轉(zhuǎn)換功率(b)與注入電流關(guān)系曲線。

4 結(jié) 論

本文通過調(diào)控量子阱的能帶結(jié)構(gòu)降低極化效應(yīng)，提高了載流子注入效率，從而提高了量子阱中的輻射復(fù)合。Al組分階梯漸變EBL結(jié)構(gòu)通過調(diào)節(jié)能帶結(jié)構(gòu)有效降低空穴注入的價帶勢壘高度和提高電子泄漏的導(dǎo)帶勢壘高度，抑制了載流子泄漏，提高了載流子的注入效率，降低了有源區(qū)的非輻射復(fù)合電流密度，從而提高了IQE。同時，Al組分階梯漸變EBL結(jié)構(gòu)通過調(diào)節(jié)光場分布增加了光場限制，減少了光子損耗，從而降低了閾值電流。其中，Al組分階梯漸變(0～0.07～0.16)EBL結(jié)構(gòu)相對于另外一種Al組分階梯漸變(0.16～0.07～0)EBL結(jié)構(gòu)具有更優(yōu)的光電性能。當(dāng)注入電流為480 mA(6 kA/cm2)時，Al組分階梯漸變(0～0.07～0.16)EBL結(jié)構(gòu)LD輸出功率和電光轉(zhuǎn)換效率分別從335 mW、12.5%提高至352 mW、13.4%。因此，Al組分右階梯漸變(0～0.07～0.16)EBL的LD具有最優(yōu)的光電性能。

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