有源區(qū)摻雜的AlGaN基深紫外激光二極管性能優(yōu)化

尹孟爽, 張傲翔, 張鵬飛, 賈李亞, 王 芳,2,3,4, 劉俊杰,2,3, 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(guó)際聯(lián)合研究中心 河南省電子材料與系統(tǒng)國(guó)際聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室, 鄭州 450001;2. 鄭州大學(xué) 智能傳感研究院, 鄭州 450001; 3. 鄭州大學(xué)產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院有限公司, 鄭州 450001;4. 鄭州唯獨(dú)電子科技有限公司, 鄭州 450001)

1 引 言

深紫外波段的發(fā)光器件——如深紫外激光二極管(DUV-LD)，深紫外發(fā)光二極管(DUV-LED)廣泛應(yīng)用于水資源凈化，高密度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、生物醫(yī)療診斷和非視距通信等多個(gè)領(lǐng)域[1].深紫外激光二極管具有體積小，重量輕，低功耗，使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，是有毒汞燈的有效替代品[2].但深紫外激光二極管的發(fā)展仍面臨著較大的挑戰(zhàn).第一，由于P型區(qū)Mg摻雜的高活化能和較高的Al組分，導(dǎo)致很差的p型導(dǎo)電性和空穴注入效率[3].第二，電子有效質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于空穴質(zhì)量，具有較高熱速度的電子容易克服電子有效勢(shì)壘高度，泄漏到p型區(qū)，與p型區(qū)的空穴發(fā)生非輻射復(fù)合，降低輻射復(fù)合速率.

為了降低深紫外激光二極管的電子泄露，增加空穴注入，提高斜率效率，優(yōu)化深紫外激光二極管的工作性能，研究人員對(duì)深紫外激光二極管的各層結(jié)構(gòu)都進(jìn)行了不同的改進(jìn)優(yōu)化，效果顯著.比如通過(guò)倒梯矩形電子阻擋層、倒雙階漸變梯形電子阻擋層、倒梯形電子阻擋層、雙錐形電子阻擋層等減少電子泄露[4-7].Satter等人提出的反錐形p波導(dǎo)層在提高斜率效率的同時(shí)也減少了空穴注入的阻礙[8]；Xing等人提出的凸量子阱結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了增強(qiáng)輻射復(fù)合速率的目的[9]；Zhang等人提出了組分階梯量子勢(shì)壘極大的改善了激光二極管的光學(xué)性能和電學(xué)性能.但是目前對(duì)器件摻雜的研究還比較少，尤其是對(duì)有源區(qū)摻雜的研究.

Han等人發(fā)現(xiàn)對(duì)發(fā)光二極管的InGaN/GaN多量子阱Mg摻雜減少了缺陷密度，增強(qiáng)了光輸出功率[10]；Zhang研究發(fā)現(xiàn)階梯摻雜的量子勢(shì)壘在InGaN/GaN發(fā)光二極管中減小了空穴有效勢(shì)壘高度的同時(shí)提高了功率[11]；Wu發(fā)現(xiàn)對(duì)InGaN/GaN多量子阱藍(lán)光二極管Si摻雜改善了InGaN/GaN多量子阱LED的晶體質(zhì)量和界面質(zhì)量[12]；Singh等人發(fā)現(xiàn)對(duì)InGaN/GaN勢(shì)壘p摻雜可以提高內(nèi)量子效率和多量子阱的空穴濃度[13].

對(duì)于深紫外激光激光二極管而言，目前暫無(wú)對(duì)有源區(qū)摻雜的研究.因此，本文提出了對(duì)有源區(qū)量子勢(shì)壘進(jìn)行摻雜，以改善深紫外激光二極管的工作性能.本文分別研究了有源區(qū)量子勢(shì)壘n摻雜、p摻雜和n-p摻雜三種結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)有源區(qū)摻雜，達(dá)到提高斜率效率，降低空穴有效勢(shì)壘高度，增加輻射復(fù)合速率的目的.

2 仿真模型與參數(shù)

圖1是深紫外激光二極管的結(jié)構(gòu)示意圖.該深紫外激光二極管生長(zhǎng)在0.1 μm的Alo，75Ga0.25N的襯底上.二極管的n型區(qū)包括1 μm厚的Al0.68Ga0.25N包覆層(n-cl)，0.11 μm厚的n型Al0.68Ga0.32N下波導(dǎo)層(LWG).二極管的p型區(qū)由70 nm厚Al組分為0.68的AlGaN上波導(dǎo)層(UWG)、10 nm厚Al組分為0.9的AlGaN電子阻擋層(EBL)、110 nm厚Al組分為0.75的AlGaN包覆層(p-cl)和100 nm厚Al組分為0.8的AlGaN接觸層組成.二極管的有源區(qū)由3個(gè)8 nm的Al0.68Ga0.32N量子勢(shì)壘和2個(gè)3 nm Al0.58Ga0.42N的量子阱組成.

圖1 (a)DUV-LD的結(jié)構(gòu)圖；(b)四種不同摻雜結(jié)構(gòu)的示意圖.Fig. 1 (a)Schematics of the DUV-LD structure；(b)Schematic diagram of four different doped structures.

在本文的模擬仿真中，激光器的腔體長(zhǎng)度為530 μm，鏡面折射率為30%.寬度為4 μm，背景為2400.環(huán)境溫度被設(shè)定為300 K[3].

在室溫下，用Crosslight軟件模擬了室溫下三種不同的摻雜結(jié)構(gòu).如圖1(b)所示，結(jié)構(gòu)A為基礎(chǔ)的有源區(qū)結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)B為對(duì)有源區(qū)最后一層量子勢(shì)壘p摻雜結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)C為對(duì)有源區(qū)第一層量子勢(shì)壘n摻雜結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)D為第一層量子勢(shì)壘n摻雜，最后一層量子勢(shì)壘p摻雜結(jié)構(gòu).除摻雜方式不同，其他結(jié)構(gòu)參數(shù)一致，摻雜濃度均為5×1020cm-3.

在本文的模擬中，利用Caughey-Thomas近似計(jì)算載流子的遷移率.遷移率指的是單位電場(chǎng)強(qiáng)度下載流子的漂移速度.關(guān)于載流子濃度的函數(shù)公式如下：

其中μmin、μmax、Nref、α是根據(jù)實(shí)驗(yàn)遷移率測(cè)量的擬合參數(shù).對(duì)于AlGaN，電子的μmin、μmax、Nref、α值分別為1405 cm2/V·s、170 cm2/V·s、1.0×1017cm-3和0.71.空穴的μmin、μmax、Nref、α值分別為80 cm2/V·s、3 cm2/V·s、3.0×1017cm-3和0.395[14].

3 仿真結(jié)果與討論

圖2為DUV-LD四種結(jié)構(gòu)的電學(xué)特性曲線.由圖2(a)分析可得，結(jié)構(gòu)A、B、C、D的閾值電流分別為29.1、27.7、25.2、23.8 mA.結(jié)構(gòu)D具有最低的閾值電流，分別比結(jié)構(gòu)A、B、C降低了18.21%、14.07%、5.55%.結(jié)構(gòu)D的斜率效率為1.96，比結(jié)構(gòu)A提升了0.07，比結(jié)構(gòu)B提高了0.03，比結(jié)構(gòu)C提高了0.08.同時(shí)，注入電流為80 mA時(shí)，結(jié)構(gòu)D有最高的輸出功率.這一結(jié)果表明，對(duì)量子勢(shì)壘n-p摻雜，是改善高注入電流激光二極管工作性能的有效方法.由圖2(b)分析可得，結(jié)構(gòu)A、B、C、D的閾值電壓分別為4.43、4.42、4.41、4.40 V.結(jié)構(gòu)D具有最低的閾值電壓，分別比結(jié)構(gòu)A、B、C降低了0.67%、0.45%、0.22%.由此得出，在電學(xué)特性方面，結(jié)構(gòu)D的性能最好.

圖2 DUV-LD的電學(xué)特性曲線：(a)P-I曲線；(b)V-I曲線.Fig. 2 Electrical characteristics curves of DUV-LD：(a)P-I curves of DUV-LD；(b)V-I curves of DUV-LD.

電光轉(zhuǎn)換效率是指輸出光功率與輸入光功率之間的比值[3].如圖3所示，隨著電流的增加，結(jié)構(gòu)D的電光轉(zhuǎn)換效率先急劇增加，達(dá)到頂峰后又急劇減小，最終穩(wěn)定在42.1%.在同一注入電流下，結(jié)構(gòu)A、B、C、D的電光轉(zhuǎn)換效率分別為40.5%、41.6%、40.8%和42.1%.與結(jié)構(gòu)A、B、C相比，結(jié)構(gòu)D的電光轉(zhuǎn)換效率分別提高了3.9%、1.2%、3.1%.

圖3 電光轉(zhuǎn)換效率Fig. 3 Electro-optical conversion efficiency

圖4(a)、(b)分別是是四種結(jié)構(gòu)的電子濃度和空穴濃度.如圖4所示，電子主要集中在第一個(gè)量子阱中，結(jié)構(gòu)C和D的電子濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于結(jié)構(gòu)A和B的電子濃度.空穴主要集中在第二個(gè)量子阱中，結(jié)構(gòu)B和結(jié)構(gòu)D的空穴濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于結(jié)構(gòu)A和結(jié)構(gòu)C.這是因?yàn)榭昭ㄓ行з|(zhì)量大，遷移率低，大多數(shù)難以在有源區(qū)中傳輸[16]，因此主要集中在靠近p型側(cè)的量子阱中.分析可得，對(duì)量子勢(shì)壘進(jìn)行p摻雜增加了有源區(qū)的空穴濃度，對(duì)量子勢(shì)壘進(jìn)行n摻雜增加了有源區(qū)的電子濃度[17].這可能是因?yàn)閾诫s后，減少了晶格失配，更有助于載流子的注入[18].

圖4 載流子濃度和輻射復(fù)合速率：(a)電子濃度；(b)空穴濃度；(c)輻射復(fù)合速率Fig. 4 Carrier concentrations and radiation recombination rates. (a)Electron concentration；(b)hole concentration；(c)radiation recombination rates

圖4(c)為四種結(jié)構(gòu)的輻射復(fù)合速率.由于第一個(gè)量子阱中的空穴濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于第二個(gè)量子阱的空穴濃度，空穴主要集中在第二個(gè)量子阱中，因此輻射復(fù)合主要發(fā)生在第二個(gè)量子阱中，這與圖4(c)的結(jié)果一致.結(jié)構(gòu)D輻射復(fù)合率最高，分別比結(jié)構(gòu)A、結(jié)構(gòu)B、結(jié)構(gòu)C增加了34.4%、21.4%、7.8%.結(jié)構(gòu)D性能最優(yōu)的原因是：量子勢(shì)壘p摻雜增強(qiáng)了有源區(qū)空穴的注入和輸運(yùn)，而n摻雜則減少了極化電場(chǎng)和量子限制斯塔克效應(yīng)[17].

外量子效率是評(píng)估深紫外激光二極管性能的重要參數(shù).可以通過(guò)下列等式計(jì)算：

EQE=ηrad·ηinj·ηext=ηIQE·ηext

其中，ηrad為輻射復(fù)合速率，ηinj為載流子注入效率，ηext為光提取效率，ηIQE為內(nèi)量子注入效率[19].由以上分析可得，n-p摻雜量子勢(shì)壘提高了有源區(qū)的輻射復(fù)合速率，增加了載流子的注入效率，改善了外量子效率，使深紫外激光二極管的性能得到優(yōu)化.

電子泄露是影響激光二極管光學(xué)性能的一個(gè)重要因素.圖5為四種結(jié)構(gòu)的能帶圖.從圖中數(shù)據(jù)可得，結(jié)構(gòu)A、B、C和D在導(dǎo)帶上對(duì)電子的有效勢(shì)壘高度分別為940、938、937和956 meV；在價(jià)帶上對(duì)空穴的有效勢(shì)壘高度分別為158、155、152和145 meV.結(jié)構(gòu)D具有最高的導(dǎo)帶勢(shì)壘高度和最低的價(jià)帶勢(shì)壘高度，這一結(jié)果表明，對(duì)有源區(qū)量子勢(shì)壘進(jìn)行n-p摻雜，降低了電子在有源區(qū)的泄露并且增加空穴在有源區(qū)的注入，改善了深紫外激光二極管的工作性能.造成這一現(xiàn)象的原因可能是對(duì)有源區(qū)進(jìn)行摻雜，減小了材料之間的極化差異，從而削弱了能帶的傾斜[20].

圖5 四種結(jié)構(gòu)的能帶圖：(a)結(jié)構(gòu)A；(b)結(jié)構(gòu)B；(c)結(jié)構(gòu)C；(d)結(jié)構(gòu)DFig. 5 Energy band diagrams of the four structures：(a)Structure A；(b)Structure B；(c)Structure C；(d)Structure D.

4 結(jié) 論

本文通過(guò)使用Crosslight軟件，對(duì)AlGaN深紫外激光二極管的有源區(qū)進(jìn)行了模擬和優(yōu)化.通過(guò)對(duì)原始結(jié)構(gòu)、量子勢(shì)壘n摻雜、量子勢(shì)壘p摻雜和量子勢(shì)壘n-p摻雜四種結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比分析，得出n-p摻雜的深紫外激光二極管具有更高的電子有效勢(shì)壘高度和更低的空穴有效勢(shì)壘高度，在降低電子泄露的同時(shí)，增加了空穴注入.此外，n-p摻雜的深紫外激光二極管將閾值電壓和閾值電流分別降低到4.4 V和28.3 mA，斜率效率提升到1.96，電光轉(zhuǎn)換效率達(dá)到42.1%，輻射復(fù)合速率增加到1.64 cm-3/s.改善了深紫外激光二極管的工作性能.因此有源區(qū)量子勢(shì)壘摻雜的研究對(duì)于Ⅲ族氮化物半導(dǎo)體的研究具有重要意義.