AlGaN基紫外激光器超晶格p型注入層研究

李呈盛，李潔璐，李書(shū)平

(廈門(mén)大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，福建 廈門(mén) 361005)

自Nakamura等[1]于1996年率先提出InGaN基半導(dǎo)體激光器以來(lái)，GaN基半導(dǎo)體激光二極管(laser diode, LD)迅速發(fā)展，AlGaN基的紫外LD也吸引了很大的關(guān)注.作為高強(qiáng)度光源，紫外LD在高密度光學(xué)存儲(chǔ)、滅菌、光刻、生物試劑檢測(cè)、生物化學(xué)分析等方面有著十分廣泛的應(yīng)用[2-3].而寬禁帶材料AlGaN的直接帶隙連續(xù)可調(diào)，兼具高電子遷移率、高熱導(dǎo)率、耐高溫、抗腐蝕等優(yōu)點(diǎn)[4]，是制備紫外半導(dǎo)體LD很好的材料，能達(dá)到降低器件功耗、提升效率、增長(zhǎng)使用壽命等效果.

但是與較為成熟的藍(lán)綠光LD相比，紫外LD的發(fā)展還面臨著許多問(wèn)題[5]，諸如：較高的閾值電流、AlGaN材料產(chǎn)生的極化效應(yīng)、p型摻雜引發(fā)的高激活能、較低的空穴注入率、電子泄露以及材料生長(zhǎng)質(zhì)量問(wèn)題[6-7].針對(duì)這些問(wèn)題，很多課題組進(jìn)行了相關(guān)的研究.Liang等[8-11]做了大量對(duì)藍(lán)綠、紫外LD結(jié)構(gòu)的改進(jìn)試驗(yàn)，例如使用不同In組分的上波導(dǎo)或下波導(dǎo)InGaN層、使用復(fù)層結(jié)構(gòu)的上波導(dǎo)層、使用非故意摻雜的GaN上波導(dǎo)層等.Zhao等[12]探究了溫度對(duì)材料生長(zhǎng)的影響，并且通過(guò)使用Al組分漸變的AlGaN電子阻擋層緩解了電子過(guò)流以提升器件性能.Omori等[13]利用極化摻雜的p型AlGaN蓋層達(dá)到了增強(qiáng)光學(xué)限制因子，減小內(nèi)損失的效果.Sandhu等[14]比較了不同Al組分AlGaN電子阻擋層及其厚度的影響.Saidi等[15]使用復(fù)雜的量子阱結(jié)構(gòu)來(lái)削弱極化效應(yīng)對(duì)性能造成的不利影響.在紫外LD中，p型層起到了提供空穴的重要作用，因而可以通過(guò)改進(jìn)p型層來(lái)增強(qiáng)空穴的供應(yīng)，達(dá)到提高發(fā)光效率的目的.

眾所周知，不同Al組分的AlGaN層之間會(huì)產(chǎn)生極化電場(chǎng)，加劇能帶彎折的程度，這極大地阻礙了載流子的有效輸運(yùn).而在超晶格結(jié)構(gòu)中，電子沿生長(zhǎng)方向的運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生振蕩，電子勢(shì)能得以調(diào)節(jié)，憑借著對(duì)壓電、極化效應(yīng)的調(diào)整作用，超晶格及其衍生結(jié)構(gòu)成為能帶工程中優(yōu)化半導(dǎo)體光電器件性能的重要手段[16]；同時(shí)超晶格結(jié)構(gòu)中載流子濃度分布較體材料更為均勻，有利于載流子輸運(yùn)[17].因此，本文利用仿真計(jì)算探究了超晶格p型層對(duì)器件性能的影響，并進(jìn)行了多組樣品的計(jì)算對(duì)比，以期確定性能較為優(yōu)異的紫外LD結(jié)構(gòu)模型.由于Yoshida等[18-19]對(duì)AlGaN基紫外LD的發(fā)展做出了長(zhǎng)期且重要的貢獻(xiàn)，包括大面積的芯片外延生長(zhǎng)技術(shù)、一系列高質(zhì)量紫外LD器件的制備，故而本文選擇了類似結(jié)構(gòu)的樣品為基礎(chǔ)進(jìn)行仿真計(jì)算研究，如此既有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可供計(jì)算分析的參考，也便于后續(xù)從器件的模擬計(jì)算延伸到實(shí)驗(yàn)制備.

1 模擬結(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)置

本文使用PICS3D軟件計(jì)算的紫外LD結(jié)構(gòu)[18-19]如圖1所示.從下往上依次為：3.4 μm(2.8 μm+0.6 μm)厚的n型Al0.2Ga0.8N層，摻雜濃度為1×1018cm-3；120 nm厚n型Al0.1Ga0.9N波導(dǎo)層，摻雜濃度為1×1018cm-3；有源區(qū)包括3組量子阱，勢(shì)壘為厚度為8 nm的Al0.1Ga0.9N，勢(shì)阱為厚度為3 nm的GaN；有源區(qū)后為120 nm的p型Al0.1Ga0.9N波導(dǎo)層，摻雜濃度1×1017cm-3；20 nm的p型電子阻擋層(electric blocking layer, EBL)，材料為Al0.5Ga0.5N，摻雜濃度1×1017cm-3；500 nm厚p型Al0.2Ga0.8N層，摻雜濃度為1×1017cm-3；最上面是重?fù)诫sp型GaN接觸層，厚度為25 nm，摻雜濃度為1×1018cm-3，以上摻雜濃度參考了文獻(xiàn)[20].器件的脊寬設(shè)為1.5 μm，腔長(zhǎng)設(shè)為300 μm，接觸電極為歐姆接觸.

將參考LD結(jié)構(gòu)A中500 nm厚的p型Al0.2Ga0.8N層替換為50組周期10 nm的超晶格結(jié)構(gòu)，三組超晶格分別為5 nm的p型Al0.25Ga0.75N與5 nm非摻雜Al0.2Ga0.8N(u型Al0.2Ga0.8N)(結(jié)構(gòu)B)、5 nm 的p型Al0.25Ga0.75N與5 nm u型Al0.15Ga0.85N(結(jié)構(gòu)C)、5 nm 的p型Al0.2Ga0.8N與5 nm u型Al0.15Ga0.85N(結(jié)構(gòu)D).

圖1 LD結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The structure of LD

在計(jì)算中，根據(jù)實(shí)際情況使用了異質(zhì)結(jié)界面的極化效應(yīng)模型[21]，屏蔽因子設(shè)為25%[22].AlGaN材料能帶偏移率設(shè)置為0.65[23]，SRH(Shockley-Read-Hall)復(fù)合壽命、俄歇復(fù)合系數(shù)、p型GaN的光吸收系數(shù)分別被設(shè)為1.5 ns[6], 1×10-30cm6/s[6]，50 cm-1[22].p型GaN和p型AlN的Mg受主激活能分別為170 meV和470 meV[21]，AlxGa1-xN中Al組分每增加1%，p型AlxGa1-xN的Mg受主激活能就會(huì)在p型GaN的基礎(chǔ)上增加3 meV[20].諧振腔端面反射率為24.5%，其他模擬計(jì)算參數(shù)設(shè)置可參閱文獻(xiàn)[24].

2 結(jié)果與分析

圖2是4種結(jié)構(gòu)的紫外LD在400 mA電流注入下對(duì)應(yīng)的光譜，計(jì)算出的峰值均在358 nm左右.其中參考LD結(jié)構(gòu)A激射波長(zhǎng)為358.48 nm，這與Yoshida等[18-19]的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相符，該結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)紫外LD波長(zhǎng)在355.4～361.6 nm之間，說(shuō)明本文的參數(shù)設(shè)置比較合理，結(jié)構(gòu)B的激射波長(zhǎng)為358.06 nm，與結(jié)構(gòu)A相近，而其發(fā)光強(qiáng)度高于結(jié)構(gòu)A，約為其1.28倍；結(jié)構(gòu)C和D的激射波長(zhǎng)與A非常接近，均在358.5 nm附近(圖2中將結(jié)構(gòu)C和D對(duì)應(yīng)的曲線分別右移了0.3 nm和0.6 nm以示區(qū)分)，其中結(jié)構(gòu)C的發(fā)光強(qiáng)度略低于A，結(jié)構(gòu)D的發(fā)光強(qiáng)度約為結(jié)構(gòu)A的84%.

圖2 400 mA注入電流下4種結(jié)構(gòu)的激射波長(zhǎng)Fig.2 Lasing wavelength of 4 structures at 400 mA injection current

圖3為仿真計(jì)算得到的4種結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的電流-光功率(I-P)和電流-電壓(I-U)特性曲線，注入電流都是從0 mA逐漸增加到400 mA.4種結(jié)構(gòu)的開(kāi)啟電壓非常接近，均在4 V左右.而由于超晶格組分不同，帶寬存在差異，故而阻抗不同，I-U特性曲線也不相同.結(jié)構(gòu)A的閾值電流為155 mA，結(jié)構(gòu)B閾值電流為134 mA，結(jié)構(gòu)C的閾值電流為158 mA，結(jié)構(gòu)D的閾值電流為173 mA；在400 mA注入電流下，4種結(jié)構(gòu)的光輸出功率分別為225，284，242，221 mW.顯然，結(jié)構(gòu)B相較于參考結(jié)構(gòu)A具有更加優(yōu)異的性能(閾值電流相較于結(jié)構(gòu)A降低了13.5%，400 mA電流下的光功率提高了26.2%)，結(jié)構(gòu)C相較于結(jié)構(gòu)A性能也有略微提升，但是在結(jié)構(gòu)D中，超晶格的使用反而損害了LD的性能，其閾值電流和輸出功率的性能弱于參考結(jié)構(gòu)A.

圖3 4種結(jié)構(gòu)的I-P與I-U特性曲線Fig.3I-P and I-U characteristic of 4 structures

圖4 4種結(jié)構(gòu)的EQEFig.4 EQE of 4 structures

圖5為400 mA注入電流下使用PICS3D計(jì)算得到的兩種結(jié)構(gòu)的能帶圖，灰色區(qū)域用來(lái)表示電子阻擋層(EBL).一般來(lái)說(shuō)，在EBL附近由于材料組分變化較為劇烈，在壓電和極化效應(yīng)的作用下，能帶會(huì)發(fā)生彎折[25]，而能帶彎折會(huì)導(dǎo)致空穴與電子波函數(shù)嚴(yán)重分離，這不僅使得有源區(qū)對(duì)電子的束縛減弱，也會(huì)限制來(lái)自p型波導(dǎo)層空穴的注入[17].在結(jié)構(gòu)A中，電子從波導(dǎo)層跨越EBL所需能量即導(dǎo)帶中電子的有效勢(shì)壘高度ΔE=399 meV，而在結(jié)構(gòu)B中，ΔE=498 meV，因而結(jié)構(gòu)B的紫外LD可以更好地抑制電子泄露.此外，在結(jié)構(gòu)A中，EBL與p型包覆層間也存在明顯的能帶彎折，而結(jié)構(gòu)B中能帶過(guò)渡非常平穩(wěn)，這也有利于空穴的注入.

①表示n型波導(dǎo)層；②表示有源區(qū)；③表示p型波導(dǎo)層； ④表示EBL；⑤表示p型包覆層；下同.圖5 結(jié)構(gòu)A (a)與B (b)對(duì)應(yīng)的能帶圖Fig.5 Band diagrams of structure A (a) and B (b)

在能帶結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上，畫(huà)出了兩種結(jié)構(gòu)在400 mA注入電流下的電子及空穴電流密度分布，如圖6所示，結(jié)構(gòu)B對(duì)應(yīng)了較高的載流子注入和較低的泄露.電子和空穴流經(jīng)每一個(gè)量子阱都會(huì)減少一部分，從而呈階梯狀變化(空穴從p型層注入到有源區(qū)，故濃度變化與電子相反).結(jié)構(gòu)B中每一階梯的變化差值均比A大，這說(shuō)明結(jié)構(gòu)B中載流子復(fù)合更加強(qiáng)烈，正如圖7所示，結(jié)構(gòu)B對(duì)應(yīng)的受激輻射率大幅增加(圖7中將結(jié)構(gòu)A對(duì)應(yīng)的曲線略微右移以示區(qū)分，在本文的樣品中復(fù)合總是集中發(fā)生在量子阱區(qū)域)，約為參考結(jié)構(gòu)A的1.25倍.

圖6 400 mA注入電流下結(jié)構(gòu)A和B的電子和空穴電流密度Fig.6 Electron and hole current density of structure A and B at injection current of 400 mA

圖7 400 mA注入電流下結(jié)構(gòu)A和B激光器 的受激輻射復(fù)合率Fig.7 Stimulated recombination rates of structure A and B at injection current of 400 mA

3 結(jié) 論

本文在傳統(tǒng)紫外LD的基礎(chǔ)上，引入了超晶格p型層結(jié)構(gòu)，通過(guò)仿真分析，特定超晶格結(jié)構(gòu)(Al0.25Ga0.75N/Al0.2Ga0.8N)的激光器具有更加優(yōu)異的光電性能，如更低的閾值電流、更高的輸出功率等，并通過(guò)能帶結(jié)構(gòu)、載流子分布等分析了性能提升的原因，對(duì)后續(xù)的實(shí)驗(yàn)具有指導(dǎo)意義.