量子壘高度對深紫外LED調(diào)制帶寬的影響

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。

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