有源區摻雜的AlGaN基深紫外激光二極管性能優化

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 電氣與信息工程學院 電子材料與系統國際聯合研究中心 河南省電子材料與系統國際聯合實驗室, 鄭州 450001;2. 鄭州大學 智能傳感研究院, 鄭州 450001; 3. 鄭州大學產業技術研究院有限公司, 鄭州 450001;4. 鄭州唯獨電子科技有限公司, 鄭州 450001)

1 引 言

深紫外波段的發光器件——如深紫外激光二極管(DUV-LD)，深紫外發光二極管(DUV-LED)廣泛應用于水資源凈化，高密度數據存儲、生物醫療診斷和非視距通信等多個領域[1].深紫外激光二極管具有體積小，重量輕，低功耗，使用壽命長等優點，是有毒汞燈的有效替代品[2].但深紫外激光二極管的發展仍面臨著較大的挑戰.第一，由于P型區Mg摻雜的高活化能和較高的Al組分，導致很差的p型導電性和空穴注入效率[3].第二，電子有效質量遠遠低于空穴質量，具有較高熱速度的電子容易克服電子有效勢壘高度，泄漏到p型區，與p型區的空穴發生非輻射復合，降低輻射復合速率.

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，優化深紫外激光二極管的工作性能，研究人員對深紫外激光二極管的各層結構都進行了不同的改進優化，效果顯著.比如通過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波導層在提高斜率效率的同時也減少了空穴注入的阻礙[8]；Xing等人提出的凸量子阱結構實現了增強輻射復合速率的目的[9]；Zhang等人提出了組分階梯量子勢壘極大的改善了激光二極管的光學性能和電學性能.但是目前對器件摻雜的研究還比較少，尤其是對有源區摻雜的研究.

Han等人發現對發光二極管的InGaN/GaN多量子阱Mg摻雜減少了缺陷密度，增強了光輸出功率[10]；Zhang研究發現階梯摻雜的量子勢壘在InGaN/GaN發光二極管中減小了空穴有效勢壘高度的同時提高了功率[11]；Wu發現對InGaN/GaN多量子阱藍光二極管Si摻雜改善了InGaN/GaN多量子阱LED的晶體質量和界面質量[12]；Singh等人發現對InGaN/GaN勢壘p摻雜可以提高內量子效率和多量子阱的空穴濃度[13].

對于深紫外激光激光二極管而言，目前暫無對有源區摻雜的研究.因此，本文提出了對有源區量子勢壘進行摻雜，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量子勢壘n摻雜、p摻雜和n-p摻雜三種結構，通過對有源區摻雜，達到提高斜率效率，降低空穴有效勢壘高度，增加輻射復合速率的目的.

2 仿真模型與參數

圖1是深紫外激光二極管的結構示意圖.該深紫外激光二極管生長在0.1 μm的Alo，75Ga0.25N的襯底上.二極管的n型區包括1 μm厚的Al0.68Ga0.25N包覆層(n-cl)，0.11 μm厚的n型Al0.68Ga0.32N下波導層(LWG).二極管的p型區由70 nm厚Al組分為0.68的AlGaN上波導層(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.二極管的有源區由3個8 nm的Al0.68Ga0.32N量子勢壘和2個3 nm Al0.58Ga0.42N的量子阱組成.

圖1 (a)DUV-LD的結構圖；(b)四種不同摻雜結構的示意圖.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，激光器的腔體長度為530 μm，鏡面折射率為30%.寬度為4 μm，背景為2400.環境溫度被設定為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構.如圖1(b)所示，結構A為基礎的有源區結構，結構B為對有源區最后一層量子勢壘p摻雜結構，結構C為對有源區第一層量子勢壘n摻雜結構，結構D為第一層量子勢壘n摻雜，最后一層量子勢壘p摻雜結構.除摻雜方式不同，其他結構參數一致，摻雜濃度均為5×1020cm-3.

在本文的模擬中，利用Caughey-Thomas近似計算載流子的遷移率.遷移率指的是單位電場強度下載流子的漂移速度.關于載流子濃度的函數公式如下：

其中μmin、μmax、Nref、α是根據實驗遷移率測量的擬合參數.對于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 仿真結果與討論

圖2為DUV-LD四種結構的電學特性曲線.由圖2(a)分析可得，結構A、B、C、D的閾值電流分別為29.1、27.7、25.2、23.8 mA.結構D具有最低的閾值電流，分別比結構A、B、C降低了18.21%、14.07%、5.55%.結構D的斜率效率為1.96，比結構A提升了0.07，比結構B提高了0.03，比結構C提高了0.08.同時，注入電流為80 mA時，結構D有最高的輸出功率.這一結果表明，對量子勢壘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，結構A、B、C、D的閾值電壓分別為4.43、4.42、4.41、4.40 V.結構D具有最低的閾值電壓，分別比結構A、B、C降低了0.67%、0.45%、0.22%.由此得出，在電學特性方面，結構D的性能最好.

圖2 DUV-LD的電學特性曲線：(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，結構D的電光轉換效率先急劇增加，達到頂峰后又急劇減小，最終穩定在42.1%.在同一注入電流下，結構A、B、C、D的電光轉換效率分別為40.5%、41.6%、40.8%和42.1%.與結構A、B、C相比，結構D的電光轉換效率分別提高了3.9%、1.2%、3.1%.

圖3 電光轉換效率Fig. 3 Electro-optical conversion efficiency

圖4(a)、(b)分別是是四種結構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量子阱中，結構C和D的電子濃度遠遠大于結構A和B的電子濃度.空穴主要集中在第二個量子阱中，結構B和結構D的空穴濃度遠遠大于結構A和結構C.這是因為空穴有效質量大，遷移率低，大多數難以在有源區中傳輸[16]，因此主要集中在靠近p型側的量子阱中.分析可得，對量子勢壘進行p摻雜增加了有源區的空穴濃度，對量子勢壘進行n摻雜增加了有源區的電子濃度[17].這可能是因為摻雜后，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合速率：(a)電子濃度；(b)空穴濃度；(c)輻射復合速率Fig. 4 Carrier concentrations and radiation recombination rates. (a)Electron concentration；(b)hole concentration；(c)radiation recombination rates

圖4(c)為四種結構的輻射復合速率.由于第一個量子阱中的空穴濃度遠遠低于第二個量子阱的空穴濃度，空穴主要集中在第二個量子阱中，因此輻射復合主要發生在第二個量子阱中，這與圖4(c)的結果一致.結構D輻射復合率最高，分別比結構A、結構B、結構C增加了34.4%、21.4%、7.8%.結構D性能最優的原因是：量子勢壘p摻雜增強了有源區空穴的注入和輸運，而n摻雜則減少了極化電場和量子限制斯塔克效應[17].

外量子效率是評估深紫外激光二極管性能的重要參數.可以通過下列等式計算：

EQE=ηrad·ηinj·ηext=ηIQE·ηext

其中，ηrad為輻射復合速率，ηinj為載流子注入效率，ηext為光提取效率，ηIQE為內量子注入效率[19].由以上分析可得，n-p摻雜量子勢壘提高了有源區的輻射復合速率，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化.

電子泄露是影響激光二極管光學性能的一個重要因素.圖5為四種結構的能帶圖.從圖中數據可得，結構A、B、C和D在導帶上對電子的有效勢壘高度分別為940、938、937和956 meV；在價帶上對空穴的有效勢壘高度分別為158、155、152和145 meV.結構D具有最高的導帶勢壘高度和最低的價帶勢壘高度，這一結果表明，對有源區量子勢壘進行n-p摻雜，降低了電子在有源區的泄露并且增加空穴在有源區的注入，改善了深紫外激光二極管的工作性能.造成這一現象的原因可能是對有源區進行摻雜，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 四種結構的能帶圖：(a)結構A；(b)結構B；(c)結構C；(d)結構DFig. 5 Energy band diagrams of the four structures：(a)Structure A；(b)Structure B；(c)Structure C；(d)Structure D.

4 結 論

本文通過使用Crosslight軟件，對AlGaN深紫外激光二極管的有源區進行了模擬和優化.通過對原始結構、量子勢壘n摻雜、量子勢壘p摻雜和量子勢壘n-p摻雜四種結構進行對比分析，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壘高度和更低的空穴有效勢壘高度，在降低電子泄露的同時，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，電光轉換效率達到42.1%，輻射復合速率增加到1.64 cm-3/s.改善了深紫外激光二極管的工作性能.因此有源區量子勢壘摻雜的研究對于Ⅲ族氮化物半導體的研究具有重要意義.