基于阱式阶梯电子阻挡层的深紫外激光二极管性能研究_魏士钦.pdf

第 40 卷 第 1 期量 子 电 子 学 报Vol.40 No.12023 年 1 月CHINESE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICSJan.2023DOI:10.3969/j.issn.1007-5461.2023.01.007基基基于于于阱阱阱式式式阶阶阶梯梯梯电电电子子子阻阻阻挡挡挡层层层的的的深深深紫紫紫外外外激激激光光光二二二极极极管管管性性性能能能研研研究究究魏士钦1,王 瑶1,王梦真1,王 芳1,刘俊杰1,刘玉怀1,2,3(1 郑州大学信息工程学院电子材料与系统国际联合研究中心,河南 郑州 450001;2 郑州唯独电子科技有限公司,河南 郑州 450001;3 郑州大学产业技术研究院有限公司,河南 郑州 450001)摘要:为有效降低深紫外激光二极管(DUV-LD)在有源区的电子泄露,提出了一种阱式阶梯电子阻挡层(EBL)结构。利用 Crosslight 软件对矩形、阶梯形和阱式阶梯形三种不同的结构分别进行了仿真研究,详细对比分析了三种结构器件的能带图、辐射复合率、电子空穴浓度、P I 以及 V I 特性等,结果表明阱式阶梯 EBL 对电子的泄露抑制效果最好,从而使得器件的光学和电学性能得到优化。关 键 词:激光技术;深紫外激光二极管;AlGaN;阱式阶梯电子阻挡层;电子泄露中 图 分 类 号:O472文 献 标 识 码:A文章编号:1007-5461(2023)01-00062-07Performance of deep ultraviolet laser diode based onwell-type ladder electron barrierWEI Shiqin1,WANG Yao1,WANG Mengzhen1,WANG Fang1,LIU Junjie1,LIU Yuhuai1,2,3(1 National Center for International Joint Research of Electronic Materials and Systems,School of Information Engineering,Zhengzhou University,Zhengzhou 450001,China;2 Zhengzhou Way Do Electronics Technology Co.Ltd.,Zhengzhou 450001,China;3 Industrial Technology Research Institute Co.Ltd.,Zhengzhou University,Zhengzhou 450001,China)Abstract:In order to effectively reduce the electron leakage of deep ultraviolet laser diode(DUV-LD)in the active region,a well-type ladder electron blocking layer(EBL)structure is proposed.Crosslightsoftware is used to simulate three different structures of EBLs,namely,rectangle type,ladder typeand well-type,respectively,and the energy band diagram,radiation recombination rate,electron holeconcentration,P-I and V-I characteristics of the three structure devices are compared and analyzed in基金项目:国家重点研发计划(2016YFE0118400),宁波市“科技创新 2025”重大专项(2019B10129)作者简介:魏士钦(1996-),河南平顶山人,研究生,主要从事氮化物半导体深紫外光源方面的研究。E-mail:导师简介:刘玉怀(1969-),安徽淮南人,教授,博士生导师,主要从事宽禁带化合物半导体材料、器件与应用系统方面的研究。E-mail:收稿日期:20210408;修改日期:20210611通信作者。第 1 期魏士钦等:基于阱式阶梯电子阻挡层的深紫外激光二极管性能研究63detail.Itisfoundthatthewell-typeladderEBLhasthebestsuppressioneffectontheleakageofelectrons,leading to the improved optical and electrical properties of the DUV-LD device.Key words:laser techniques;deep ultraviolet laser diode;AlGaN;well-type ladder electron barrier;electron leakage0引言深紫外激光二极管(LDs)等光电器件具有巨大的应用市场,包括化学分析、医疗诊断设备、生物试剂检测系统、高密度数据存储、水净化和材料处理等1。此外,深紫外激光二极管也可以作为有毒和低效的气体激光器和汞灯的替代品。根据其对生物和化学物质的影响,紫外光谱通常分为四个波段:UV-AI(340400 nm)、UV-AII(320340 nm)、UV-B(280320 nm)和 UV-C(280 nm)2。目前,波长小于 280 nm的 族氮化物半导体 UV-LD 依然面临着两个巨大的挑战:首先,高 Al 组分 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 的低空穴浓度;其次,有源区的部分电子泄漏到 p 型层,与 p 型层的空穴复合,从而影响器件性能。为解决以上问题,研究人员对 LD 的结构设计和优化进行了很多研究,如量子阱(QW)、量子势垒(QB)和电子阻挡层(EBL)的优化3,从而有效降低电子泄露、提升空穴注入率。在这些设计中,电子阻挡层在载流子输运中起着最重要的作用。目前已有较多不同结构的 EBL,包括锥形 EBL4、阶梯式EBL5、反锥形和反阶梯式 EBL6、双锥形 EBL、反梯形 EBL7等。但需要注意的是,LD 需要将光场限制在有源层中并沿腔振荡,所提出的 EBL 结构不应使 LD 波导设计中的光场限制因子变小。因此,改善光约束也是一个挑战。为了提高激光器在有源区域的电子浓度和光学限制因子,本文提出了一种新型阱式阶梯型 EBL 结构,并与本研究中的矩形和阶梯型 EBL 激光器进行了比较。1仿真模型以及参数图 1(a)为深紫外 AlxGa1xN/AlyGa1yN 多量子阱(MQW)激光器的原理模型图。该激光器 n 型区结构包括0.1m厚的Al0.75Ga0.25N衬底,1m厚的n型Al0.75Ga0.25N包覆层、0.11m厚的n型Al0.68Ga0.32N下波导层(LWG)。此外,有源区由两个 3 nm 厚的 Al0.58Ga0.42N 阱和三个 8 nm 厚的 Al0.68Ga0.32N 势垒组成。p 型区由 0.07 m 厚的 p 型 Al0.68Ga0.32N 上波导层(UWG)、0.01 m 厚的 Al0.94Ga0.06N 电子阻挡层(EBL)、0.4 m 厚的 p 型 Al0.75Ga0.25N 包覆层以及 p 型 Al0.8Ga0.2N 接触层组成。上述所有 n 型掺杂均为Si 掺杂,p 型掺杂均为 Mg 掺杂。在模拟仿真中,环境温度设置为 300 K,激光器的腔长、宽度分别设置为 530 m、4 m,回损设为 2400,镜面折射率设置为 30%,此外,考虑到器件材料中的缺陷对电荷散射而导致的屏蔽效应,将自发极化和压电极化产生的界面电荷密度设置为理论值的 40%8,9。图 1(b)为本实验所用三组电子阻挡层的结构示意图。其中:A 结构为矩形 EBL,作为参考组;B 结构为由 AlxGa1xN(0.95 x 0.91)构成的五层 AlGaN 阶梯型 EBL,每层厚度均为 2 nm;C 结构为由AlxGa1xN/AlyGa1yN(0.95 x 0.91,0.8 y 0.76)构成的阱式阶梯型 EBL,每层厚度均为 1 nm10。在保证除电子阻挡层以外其他参数保持一致的情况下,采用 Crosslight 公司的 Lastip 软件对这三种结构的电子阻挡层进行模拟,得到深紫外激光二极管的相关特性。64量 子 电 子 学 报40 卷图 1(a)DUV-LD 结构及其 EBL 结构示意图;(b)三种 EBL 示意图,其中 A、B 和 C 分别为矩形、阶梯型、阱式阶梯型 EBLFig.1(a)Structure sketch of DUV-LD and EBLs;(b)Schematic diagram for the three EBLs,where A represents therectangular type EBL,B stands for the ladder type EBL,and C illustrates the well-type ladder EBL2仿真结果及分析讨论图 2 显示了三种不同结构的光场分布(左轴)和真实折射率分布(右轴)。阱式阶梯 EBL 结构的光学约束因子高于阶梯型和矩形 EBL 结构的光学约束因子。折射率实部在有源区对比度的增大和载流子空穴浓度的增大是增强光约束的主要原因。这证明了阱式阶梯 EBL 结构对提高 DUV-LDs 的发光性能起着更好的作用11。图 2结构(a)A,(b)B,(c)C 的折射率分布和光场强度分布Fig.2Refractive index distribution and light field intensity distribution of structure(a)A,(b)B,(c)C有源区的光场分布可用光约束因子 表示,即 =r2r22(t,y)dt/2(t,y)dt,式中 r 是有源区的宽度,(t,y)是波的强度。第 1 期魏士钦等:基于阱式阶梯电子阻挡层的深紫外激光二极管性能研究65有效势垒高度定义为导带边缘与其相对准费米能级之间的电位差,可以有效地说明激光电子约束能力和空穴注入效率12。对于电子而言,有效势垒代表了活性区域束缚电子的能力大小,有效势垒越低则电子越容易脱离活性区跃迁到 p 型区;对于空穴而言,有效势垒代表了有源区对空穴注入的阻隔能力强弱,有效势垒越高则从 p 型区向有源区注入空穴越困难,注入效率越低。其中有源区的厚度和折射率等都会影响光学限制因子,通过计算发现阱式阶梯型 EBL 结构的光学限制因子提高到了 19.45%,这与该结构的折射率有关,因为 EBL 阻挡电子泄露到 P 型层,在电子留在阱层的同时又不影响空穴的注入,从而使有源区的载流子浓度上升,激光器的辐射复合率提升,所以该结构的光学限制因子提升是因为电子阻挡能力更强,使得 DUV LD 的发光性能提升。图 3结构(a)A,(b)B,(c)C 的能带图和准费米能级Fig.3Band diagram and quasi-Fermi level of structure(a)A,(b)B,(c)C导带电子和价带空穴的有效势垒高度对 LD 中的载流子输运起着至关重要的作用。势垒高度的突变阻碍了量子阱区域内的空穴注入。如图 3 所示,结构 C(阱式阶梯 EBL)的有效空穴势垒高度相比结构 A(矩形 EBL)降低了 64 meV,相比结构 B(阶梯型 EBL)降低了 22 meV,使空穴向量子阱区域流动得更加容易。在结构 C 中,电子在最后一个量子势垒与 EBL 之间的有效势垒高度较高,与 A 相比提高了 10 meV,与 B 相比提高了 12 meV,可以更有效地阻止 MQW 区域内的电子泄露。因此,