具有M形空穴阻擋層結(jié)構(gòu)的AlGaN基深紫外激光二極管性能優(yōu)化

張傲翔,王瑤,王夢真,魏士欽,王芳,2,劉玉懷,2,3?

(1鄭州大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院電子材料與系統(tǒng)國際聯(lián)合研究中心,河南 鄭州 450001;2鄭州唯獨(dú)電子科技有限公司,河南 鄭州 450001;3鄭州大學(xué)產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院有限公司,河南 鄭州 450001)

0 引言

隨著半導(dǎo)體激光技術(shù)的高速發(fā)展,半導(dǎo)體發(fā)光器件在深紫外波段的應(yīng)用前景越來越廣闊[1],廣泛應(yīng)用于污染防治[2]、殺菌消毒[3]、環(huán)境保護(hù)[4]、生物醫(yī)學(xué)研究[5]、高密度信息存儲[6]等方面。最近,COVID-19病毒的大規(guī)模傳播引起了人們對消毒產(chǎn)品的關(guān)注。作為一種廣泛應(yīng)用的殺菌方法,深紫外發(fā)光器件的開發(fā)和應(yīng)用得以更進(jìn)一步地發(fā)展[7,8]。深紫外激光二極管因具有體積小、重量輕、轉(zhuǎn)換效率好、可靠性高、易于組裝等優(yōu)點而得到廣泛應(yīng)用[9,10]。然而,波長小于280 nm的深紫外激光二極管仍面臨著空穴濃度小、電子泄漏與空穴泄露嚴(yán)重、輻射復(fù)合率不高等問題[11,12]。為了解決以上問題,優(yōu)化深紫外激光二極管的性能,大部分研究針對電子阻擋層[13]、量子阱[14,15]、量子勢壘[16]、包覆層[17]、波導(dǎo)層[18]等結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。而目前在深紫外激光二極管(DUV-LD)的空穴阻擋層(HBL)方面的研究相對較少。

在深紫外激光二極管的工作過程中,進(jìn)入量子阱內(nèi)的載流子濃度越大,發(fā)生復(fù)合的概率越高[19]。高鋁組分AlGaN的p型摻雜激活能高導(dǎo)致空穴濃度小[20],同時多量子勢壘結(jié)構(gòu)的設(shè)計降低了價帶對于空穴的有效勢壘高度,這又導(dǎo)致相當(dāng)一部分的空穴溢出[21]。這部分空穴未能在量子阱內(nèi)與電子復(fù)合而泄露至n型區(qū),降低n型區(qū)的電子濃度,進(jìn)而降低量子阱內(nèi)的輻射復(fù)合率,影響器件的工作性能,采用空穴阻擋層則可以降低n型區(qū)的空穴泄露,增加空穴在量子阱內(nèi)與電子的復(fù)合概率[22]。但高鋁組分的空穴阻擋層在阻擋空穴向n型區(qū)泄露的同時,也會阻礙電子向量子阱中輸入,影響器件輻射復(fù)合率、電光轉(zhuǎn)換效率以及功率等性能。因此在降低空穴泄露的同時提升器件工作性能是目前面臨的主要問題。

為了更加有效地降低DUV-LD在n型區(qū)的空穴泄露,優(yōu)化其工作性能,本文提出了一種M形空穴阻擋層結(jié)構(gòu),通過對采用矩形、N形和M形空穴阻擋結(jié)構(gòu)的DUV-LD的仿真研究與對比,發(fā)現(xiàn)采用M形空穴阻擋層結(jié)構(gòu)能夠更有效地降低DUV-LD在n型區(qū)的空穴泄露,增加其量子阱內(nèi)的輻射復(fù)合率,降低閾值電壓與閾值電流,同時提升電光轉(zhuǎn)換效率與輸出功率,從而更有效地降低DUV-LD在n型區(qū)的空穴泄露,優(yōu)化其工作性能。

1 仿真模型與參數(shù)

使用Crosslight軟件對不同的空穴阻擋層結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真對比。過薄的空穴阻擋層無法有效地降低空穴泄露,過厚的空穴阻擋層雖然降低空穴泄露的效果好,但會影響器件的工作性能。采用14 nm厚的空穴阻擋層結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,圖1(a)為以0.1μm的Al0.75Ga0.25N為襯底的深紫外激光二極管的結(jié)構(gòu)示意圖。該激光二極管的n型區(qū)由1μm厚的n型Al0.75Ga0.25N包覆層、0.11μm厚的n型Al0.68Ga0.32N下波導(dǎo)層和14 nm厚的n型Al0.88Ga0.12N空穴阻擋層組成;有源區(qū)由3個8 nm厚的Al0.68Ga0.32N量子勢壘和2個3 nm厚的Al0.58Ga0.42N量子阱交替組成;p型區(qū)由0.01μm厚的p型Al0.90Ga0.10N電子阻擋層、0.07μm厚的p型Al0.68Ga0.32N上波導(dǎo)層、0.4μm厚的p型Al0.75Ga0.25N包覆層和0.1μm厚的p型Al0.80Ga0.20N接觸層組成,此結(jié)構(gòu)即為參考結(jié)構(gòu)。在該仿真中,將環(huán)境溫度設(shè)為300 K,激光器的腔長設(shè)為530μm,激光器寬度設(shè)為4μm,回?fù)p設(shè)為2400,鏡面折射率設(shè)為30%,由自發(fā)極化和壓電極化引起的內(nèi)置界面電荷設(shè)為40%。

基于參考結(jié)構(gòu)(記為結(jié)構(gòu)A),在保證總厚度和平均鋁組分含量不變的情況下對空穴阻擋層結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,利用階梯形結(jié)構(gòu)以及鋁組分漸變型結(jié)構(gòu)設(shè)計了N形結(jié)構(gòu)(記為結(jié)構(gòu)B)與M形結(jié)構(gòu)(記為結(jié)構(gòu)C)。圖1(b)所示為結(jié)構(gòu)B、C空穴阻擋層的結(jié)構(gòu)示意圖,結(jié)構(gòu)B依次由3 nm的Al0.90Ga0.10N、3 nm的Al0.86Ga0.14N、2 nm的AlxGa1?xN(x從0.90遞減到0.86)、3 nm的Al0.90Ga0.10N和3 nm的Al0.86Ga0.14N組成;結(jié)構(gòu)C依次由2 nm的Al0.86Ga0.14N、3 nm的Al0.90Ga0.10N、1 nm的AlxGa1?xN(x從0.90遞減到0.86)、2 nm的Al0.86Ga0.14N、1 nm的AlxGa1?xN(x從0.86遞增到0.90)、3 nm的Al0.90Ga0.10N和2 nm的Al0.86Ga0.14N組成;兩種空穴阻擋層結(jié)構(gòu)均為n型摻雜。圖2所示為三種空穴阻擋層結(jié)構(gòu)的鋁組分變化示意圖。

圖1 (a)DUV-LD與(b)結(jié)構(gòu)B、C空穴阻擋層的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of(a)the DUV-LD structure and(b)HBL of structure B and C

圖2 三種空穴阻擋結(jié)構(gòu)的鋁組分變化示意圖Fig.2 Schematic diagram of aluminum composition variation of threekinds of HBL

2 仿真結(jié)果與討論

器件內(nèi)部的能帶變化使載流子在不同位置上產(chǎn)生能量變化,這會影響載流子的遷移和分布,從而影響整個器件的性能。因此,研究一個器件內(nèi)部的能帶變化意義重大。有效勢壘高度定義為能帶邊緣與其相對應(yīng)的準(zhǔn)費(fèi)米能級之間的電位差[23]。由于極化電場的作用,不同結(jié)構(gòu)的空穴阻擋層具有不同的有效勢壘高度[24]。圖3(a)、(b)、(c)分別為結(jié)構(gòu)A、B、C的能帶和準(zhǔn)費(fèi)米能級圖,從圖中數(shù)據(jù)可得結(jié)構(gòu)A、B、C在導(dǎo)帶上對電子的有效勢壘高度分別為552、871、285 meV,在價帶上對空穴的有效勢壘高度分別為304、286、316 meV。相比于結(jié)構(gòu)A,結(jié)構(gòu)C對電子的有效勢壘高度降低了267 meV,對空穴的有效勢壘高度提升了12 meV;相比于結(jié)構(gòu)B,結(jié)構(gòu)C對電子的有效勢壘高度降低了586 meV,對空穴的有效勢壘高度提升了30 meV。通過對比可以看出,相比于結(jié)構(gòu)A、B,結(jié)構(gòu)C對電子的有效勢壘高度降低,對空穴的有效勢壘高度升高。對M形空穴阻擋層結(jié)構(gòu)來說,部分膜層的厚度較薄,隧穿概率會因此提升。隧穿概率與勢壘高度和寬度均有關(guān)系,在平均鋁組分與總厚度不變的條件下進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,部分膜層勢壘高度的提升以及空穴較大的有效質(zhì)量使空穴的隧穿概率得以降低,從而增強(qiáng)了對空穴的阻擋能力[25,26]。結(jié)合仿真結(jié)果,說明M形空穴阻擋層結(jié)構(gòu)可以更有效地提升電子注入效率,降低空穴泄露,從而優(yōu)化器件的性能[27]。

圖3 能帶與準(zhǔn)費(fèi)米能級圖。(a)結(jié)構(gòu)A;(b)結(jié)構(gòu)B;(c)結(jié)構(gòu)CFig.3 Energy band and quasi-Fermilevel diagram.(a)Structure A;(b)Structure B;(c)Structure C

器件工作過程中,空穴在量子阱內(nèi)與電子進(jìn)行復(fù)合,但仍然存在大量的空穴沒有與電子成功復(fù)合[28],這部分空穴逸出量子阱,泄露到n型區(qū)。大量的空穴泄露將降低器件量子阱內(nèi)的輻射復(fù)合率和n型區(qū)的電子濃度,對器件的性能產(chǎn)生負(fù)面影響,因此更低的空穴泄露意味著更好的工作性能[29]。為了更直觀地說明三種HBL結(jié)構(gòu)對空穴的阻擋能力,在圖4(a)中給出了三種結(jié)構(gòu)在n型區(qū)的空穴泄露對比。可以看出:相比于結(jié)構(gòu)A,結(jié)構(gòu)B在n型區(qū)的空穴濃度略微降低,而結(jié)構(gòu)C在n型區(qū)的空穴濃度則產(chǎn)生了較為明顯的降低。這說明M形空穴阻擋層結(jié)構(gòu)對空穴的阻擋效果更好,能夠更有效地降低器件在n型區(qū)的空穴泄露。

輻射復(fù)合即電子和空穴在量子阱內(nèi)復(fù)合、能量以光子的形式釋放的復(fù)合方式[30]。輻射復(fù)合是深紫外激光二極管的發(fā)光機(jī)制,輻射復(fù)合率的大小影響著激光二極管的電光轉(zhuǎn)換效率和輸出功率,因此輻射復(fù)合率對于激光二極管來說是一個非常重要的參數(shù)。圖4(b)所示為三種結(jié)構(gòu)的輻射復(fù)合率對比,由圖中數(shù)據(jù)可得,相較于結(jié)構(gòu)A,結(jié)構(gòu)B的輻射復(fù)合率略有提升,而結(jié)構(gòu)C的輻射復(fù)合率則提升得更為明顯。相比于結(jié)構(gòu)A,結(jié)構(gòu)C的輻射復(fù)合率提升了0.91%;相比于結(jié)構(gòu)B,結(jié)構(gòu)C的輻射復(fù)合率提升了0.76%。這是由于M形空穴阻擋層結(jié)構(gòu)能夠更有效地阻擋空穴向n型區(qū)泄露,將空穴限制在量子阱區(qū)域,使其更易在阱內(nèi)與電子復(fù)合,從而更有效地提升激光二極管的輻射復(fù)合率,優(yōu)化其工作性能。

閾值電壓的大小體現(xiàn)出器件對電流的阻礙作用,更小的閾值電壓往往意味著更小的閾值電流和更好的工作性能[31]。圖4(c)所示為三種結(jié)構(gòu)的I-V曲線。依照仿真數(shù)據(jù)并結(jié)合圖像,可得結(jié)構(gòu)A、B、C的閾值電壓分別為4.88、5.26、4.76 V。相比于結(jié)構(gòu)A,結(jié)構(gòu)C的閾值電壓降低了2.5%;相比于結(jié)構(gòu)B,結(jié)構(gòu)C的閾值電壓降低了9.5%。由此可知M形空穴阻擋層結(jié)構(gòu)能夠更有效地降低深紫外激光二極管的閾值電壓,并優(yōu)化其工作性能。

圖4 (a)三種結(jié)構(gòu)在n型區(qū)的空穴泄露;(b)三種結(jié)構(gòu)的輻射復(fù)合率;(c)三種結(jié)構(gòu)的I-V曲線Fig.4 (a)Hole leakage of three structures in n-type region;(b)Radiation recombination rate of three structures;(c)I-V curves of three structures

電光轉(zhuǎn)換效率是判斷深紫外發(fā)光器件光電性能的重要指標(biāo)[32]。圖5(a)所示為三種結(jié)構(gòu)的電光轉(zhuǎn)換效率,由圖5(a)可見,DUV-LDs的電光轉(zhuǎn)換效率先隨注入電流的增大而增大,而后載流子的產(chǎn)生速率與復(fù)合速率達(dá)到相對的平衡,輸入功率和出光功率隨之達(dá)到了相對平衡,因此隨著注入電流的增加,電光轉(zhuǎn)換效率趨于穩(wěn)定。在圖5(a)中取相同電流下三種結(jié)構(gòu)的電光轉(zhuǎn)換效率值進(jìn)行量化分析,可以看出,相比于結(jié)構(gòu)A,結(jié)構(gòu)C的電光轉(zhuǎn)換效率提升了3.3%;相比于結(jié)構(gòu)B,結(jié)構(gòu)C的電光轉(zhuǎn)換效率提升了2.7%。由此可知,M形空穴阻擋層結(jié)構(gòu)能夠更有效地提升激光二極管的電光轉(zhuǎn)換效率,從而優(yōu)化其工作性能。

閾值電流是激光二極管由自發(fā)輻射轉(zhuǎn)換到受激輻射狀態(tài)時的正向電流值,閾值電流的降低可以增加器件的出光功率,優(yōu)化器件的性能[33]。圖5(b)所示為三種結(jié)構(gòu)的P-I曲線,由圖中數(shù)據(jù)可得A、B、C三種結(jié)構(gòu)的閾值電流分別為30.01、30.48、29.76 mA。相比于結(jié)構(gòu)A,結(jié)構(gòu)C的閾值電流下降了0.83%;相比于結(jié)構(gòu)B,結(jié)構(gòu)C的閾值電流下降了2.36%。以上結(jié)果表明M形空穴阻擋層結(jié)構(gòu)能夠更有效地降低激光二極管的閾值電流,從而優(yōu)化其工作性能。

圖5 (a)三種結(jié)構(gòu)的電光轉(zhuǎn)換效率;(b)三種結(jié)構(gòu)的P-I曲線Fig.5 (a)Electro-optical conversion efficiency of three structures;(b)P-I curve of three structures

激光二極管的功率也是其重要的性能指標(biāo)之一,功率越高往往意味著器件的工作性能越好。而隨著輻射復(fù)合率的提升、閾值電流的降低、電光轉(zhuǎn)換效率的提升,半導(dǎo)體發(fā)光器件在注入等量載流子的條件下將轉(zhuǎn)換出更多光子,因而輸出功率也會隨之提升[34]。由圖5(b)中數(shù)據(jù)可知,結(jié)構(gòu)A、B、C的輸出功率分別為83.85、84.51、87.03 mW。相比于結(jié)構(gòu)A,結(jié)構(gòu)C的輸出功率提升了3.8%;相比于結(jié)構(gòu)B,結(jié)構(gòu)C的輸出功率提升了3.0%。斜率效率顯示了DUV-LD的輸出功率隨電流增加而增加的能力[35],基于圖5(b)中的數(shù)據(jù)計算出A、B、C三種結(jié)構(gòu)的斜率效率分別為1.67、1.69、1.74。相比于結(jié)構(gòu)A,結(jié)構(gòu)C的斜率效率提升了4.2%;相比于結(jié)構(gòu)B,結(jié)構(gòu)C的斜率效率提升了2.9%。以上結(jié)果表明M形空穴阻擋層結(jié)構(gòu)能夠更有效地提升DUV-LD的功率與斜率效率,從而優(yōu)化其工作性能。

3 結(jié)論

為了降低DUV-LD在n型區(qū)的空穴泄露并提升其工作性能,對DUV-LD的空穴阻擋層進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。在保證空穴阻擋層的厚度以及平均鋁組分含量相同的條件下,設(shè)計了矩形、N形和M形空穴阻擋層結(jié)構(gòu)。利用Crosslight軟件對采用矩形、N形和M形空穴阻擋層結(jié)構(gòu)的AlGaN基深紫外多量子阱激光二極管進(jìn)行了仿真研究與對比,結(jié)果表明與矩形結(jié)構(gòu)相比,采用M形空穴阻擋層結(jié)構(gòu)的DUV-LD對電子的有效勢壘高度降低了267 meV,對空穴的有效勢壘高度提升了12 meV;在n型區(qū)的空穴泄露降低了23.02%,在量子阱內(nèi)的輻射復(fù)合率提升了0.91%;閾值電壓降低為4.76 V,降低了2.5%;電光轉(zhuǎn)換效率提升為0.375,提升了3.3%;閾值電流降低為29.76 mA,降低了0.83%;輸出功率提升為87.03 mW,提升了3.8%;斜率效率提升為1.74,提升了4.2%。同時,與同樣采用了階梯形以及鋁組分漸變型結(jié)構(gòu)的N形結(jié)構(gòu)相比,M形結(jié)構(gòu)對電子有效勢壘高度降低了586 meV,對空穴的有效勢壘高度提升了30 meV,在n型區(qū)的空穴濃度降低了22.7%,在量子阱內(nèi)的輻射復(fù)合率提升了0.76%,閾值電壓降低了9.5%,電光轉(zhuǎn)換效率提升了2.7%,閾值電流降低了2.36%,輸出功率提升了3.0%,斜率效率提升了2.9%。綜上所述,采用M形空穴阻擋層結(jié)構(gòu)能夠更有效地降低DUV-LD在n型區(qū)的空穴泄露,優(yōu)化其工作性能。