AlGaN基紫外激光器超晶格p型注入層研究

李呈盛，李潔璐，李書平

(廈門大學物理科學與技術學院，福建 廈門 361005)

自Nakamura等[1]于1996年率先提出InGaN基半導體激光器以來，GaN基半導體激光二極管(laser diode, LD)迅速發展，AlGaN基的紫外LD也吸引了很大的關注.作為高強度光源，紫外LD在高密度光學存儲、滅菌、光刻、生物試劑檢測、生物化學分析等方面有著十分廣泛的應用[2-3].而寬禁帶材料AlGaN的直接帶隙連續可調，兼具高電子遷移率、高熱導率、耐高溫、抗腐蝕等優點[4]，是制備紫外半導體LD很好的材料，能達到降低器件功耗、提升效率、增長使用壽命等效果.

但是與較為成熟的藍綠光LD相比，紫外LD的發展還面臨著許多問題[5]，諸如：較高的閾值電流、AlGaN材料產生的極化效應、p型摻雜引發的高激活能、較低的空穴注入率、電子泄露以及材料生長質量問題[6-7].針對這些問題，很多課題組進行了相關的研究.Liang等[8-11]做了大量對藍綠、紫外LD結構的改進試驗，例如使用不同In組分的上波導或下波導InGaN層、使用復層結構的上波導層、使用非故意摻雜的GaN上波導層等.Zhao等[12]探究了溫度對材料生長的影響，并且通過使用Al組分漸變的AlGaN電子阻擋層緩解了電子過流以提升器件性能.Omori等[13]利用極化摻雜的p型AlGaN蓋層達到了增強光學限制因子，減小內損失的效果.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]使用復雜的量子阱結構來削弱極化效應對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，因而可以通過改進p型層來增強空穴的供應，達到提高發光效率的目的.

眾所周知，不同Al組分的AlGaN層之間會產生極化電場，加劇能帶彎折的程度，這極大地阻礙了載流子的有效輸運.而在超晶格結構中，電子沿生長方向的運動會產生振蕩，電子勢能得以調節，憑借著對壓電、極化效應的調整作用，超晶格及其衍生結構成為能帶工程中優化半導體光電器件性能的重要手段[16]；同時超晶格結構中載流子濃度分布較體材料更為均勻，有利于載流子輸運[17].因此，本文利用仿真計算探究了超晶格p型層對器件性能的影響，并進行了多組樣品的計算對比，以期確定性能較為優異的紫外LD結構模型.由于Yoshida等[18-19]對AlGaN基紫外LD的發展做出了長期且重要的貢獻，包括大面積的芯片外延生長技術、一系列高質量紫外LD器件的制備，故而本文選擇了類似結構的樣品為基礎進行仿真計算研究，如此既有實驗數據可供計算分析的參考，也便于后續從器件的模擬計算延伸到實驗制備.

1 模擬結構和參數設置

本文使用PICS3D軟件計算的紫外LD結構[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波導層，摻雜濃度為1×1018cm-3；有源區包括3組量子阱，勢壘為厚度為8 nm的Al0.1Ga0.9N，勢阱為厚度為3 nm的GaN；有源區后為120 nm的p型Al0.1Ga0.9N波導層，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；最上面是重摻雜p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[20].器件的脊寬設為1.5 μm，腔長設為300 μm，接觸電極為歐姆接觸.

將參考LD結構A中500 nm厚的p型Al0.2Ga0.8N層替換為50組周期10 nm的超晶格結構，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)(結構B)、5 nm 的p型Al0.25Ga0.75N與5 nm u型Al0.15Ga0.85N(結構C)、5 nm 的p型Al0.2Ga0.8N與5 nm u型Al0.15Ga0.85N(結構D).

圖1 LD結構示意圖Fig.1 The structure of LD

在計算中，根據實際情況使用了異質結界面的極化效應模型[21]，屏蔽因子設為25%[22].AlGaN材料能帶偏移率設置為0.65[23]，SRH(Shockley-Read-Hall)復合壽命、俄歇復合系數、p型GaN的光吸收系數分別被設為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受主激活能就會在p型GaN的基礎上增加3 meV[20].諧振腔端面反射率為24.5%，其他模擬計算參數設置可參閱文獻[24].

2 結果與分析

圖2是4種結構的紫外LD在400 mA電流注入下對應的光譜，計算出的峰值均在358 nm左右.其中參考LD結構A激射波長為358.48 nm，這與Yoshida等[18-19]的實驗數據相符，該結構的實驗紫外LD波長在355.4～361.6 nm之間，說明本文的參數設置比較合理，結構B的激射波長為358.06 nm，與結構A相近，而其發光強度高于結構A，約為其1.28倍；結構C和D的激射波長與A非常接近，均在358.5 nm附近(圖2中將結構C和D對應的曲線分別右移了0.3 nm和0.6 nm以示區分)，其中結構C的發光強度略低于A，結構D的發光強度約為結構A的84%.

圖2 400 mA注入電流下4種結構的激射波長Fig.2 Lasing wavelength of 4 structures at 400 mA injection current

圖3為仿真計算得到的4種結構對應的電流-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種結構的開啟電壓非常接近，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.結構A的閾值電流為155 mA，結構B閾值電流為134 mA，結構C的閾值電流為158 mA，結構D的閾值電流為173 mA；在400 mA注入電流下，4種結構的光輸出功率分別為225，284，242，221 mW.顯然，結構B相較于參考結構A具有更加優異的性能(閾值電流相較于結構A降低了13.5%，400 mA電流下的光功率提高了26.2%)，結構C相較于結構A性能也有略微提升，但是在結構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構A.

圖3 4種結構的I-P與I-U特性曲線Fig.3I-P and I-U characteristic of 4 structures

圖4 4種結構的EQEFig.4 EQE of 4 structures

圖5為400 mA注入電流下使用PICS3D計算得到的兩種結構的能帶圖，灰色區域用來表示電子阻擋層(EBL).一般來說，在EBL附近由于材料組分變化較為劇烈，在壓電和極化效應的作用下，能帶會發生彎折[25]，而能帶彎折會導致空穴與電子波函數嚴重分離，這不僅使得有源區對電子的束縛減弱，也會限制來自p型波導層空穴的注入[17].在結構A中，電子從波導層跨越EBL所需能量即導帶中電子的有效勢壘高度ΔE=399 meV，而在結構B中，ΔE=498 meV，因而結構B的紫外LD可以更好地抑制電子泄露.此外，在結構A中，EBL與p型包覆層間也存在明顯的能帶彎折，而結構B中能帶過渡非常平穩，這也有利于空穴的注入.

①表示n型波導層；②表示有源區；③表示p型波導層； ④表示EBL；⑤表示p型包覆層；下同.圖5 結構A (a)與B (b)對應的能帶圖Fig.5 Band diagrams of structure A (a) and B (b)

在能帶結構分析的基礎上，畫出了兩種結構在400 mA注入電流下的電子及空穴電流密度分布，如圖6所示，結構B對應了較高的載流子注入和較低的泄露.電子和空穴流經每一個量子阱都會減少一部分，從而呈階梯狀變化(空穴從p型層注入到有源區，故濃度變化與電子相反).結構B中每一階梯的變化差值均比A大，這說明結構B中載流子復合更加強烈，正如圖7所示，結構B對應的受激輻射率大幅增加(圖7中將結構A對應的曲線略微右移以示區分，在本文的樣品中復合總是集中發生在量子阱區域)，約為參考結構A的1.25倍.

圖6 400 mA注入電流下結構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注入電流下結構A和B激光器 的受激輻射復合率Fig.7 Stimulated recombination rates of structure A and B at injection current of 400 mA

3 結 論

本文在傳統紫外LD的基礎上，引入了超晶格p型層結構，通過仿真分析，特定超晶格結構(Al0.25Ga0.75N/Al0.2Ga0.8N)的激光器具有更加優異的光電性能，如更低的閾值電流、更高的輸出功率等，并通過能帶結構、載流子分布等分析了性能提升的原因，對后續的實驗具有指導意義.