張傲翔,王瑤,王夢(mèng)真,魏士欽,王芳,2,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)國際聯(lián)合研究中心,河南 鄭州 450001;2鄭州唯獨(dú)電子科技有限公司,河南 鄭州 450001;3鄭州大學(xué)產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院有限公司,河南 鄭州 450001)

0 引言

隨著半導(dǎo)體激光技術(shù)的高速發(fā)展,半導(dǎo)體發(fā)光器件在深紫外波段的應(yīng)用前景越來越廣闊[1],廣泛應(yīng)用于污染防治[2]、殺菌消毒[3]、環(huán)境保護(hù)[4]、生物醫(yī)學(xué)研究[5]、高密度信息存儲(chǔ)[6]等方面。最近,COVID-19病毒的大規(guī)模傳播引起了人們對(duì)消毒產(chǎn)品的關(guān)注。作為一種廣泛應(yīng)用的殺菌方法,深紫外發(fā)光器件的開發(fā)和應(yīng)用得以更進(jìn)一步地發(fā)展[7,8]。深紫外激光二極管因具有體積小、重量輕、轉(zhuǎn)換效率好、可靠性高、易于組裝等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用[9,10]。然而,波長小于280 nm的深紫外激光二極管仍面臨著空穴濃度小、電子泄漏與空穴泄露嚴(yán)重、輻射復(fù)合率不高等問題[11,12]。為了解決以上問題,優(yōu)化深紫外激光二極管的性能,大部分研究針對(duì)電子阻擋層[13]、量子阱[14,15]、量子勢(shì)壘[16]、包覆層[17]、波導(dǎo)層[18]等結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。而目前在深紫外激光二極管(DUV-LD)的空穴阻擋層(HBL)方面的研究相對(duì)較少。

在深紫外激光二極管的工作過程中,進(jìn)入量子阱內(nèi)的載流子濃度越大,發(fā)生復(fù)合的概率越高[19]。高鋁組分AlGaN的p型摻雜激活能高導(dǎo)致空穴濃度小[20],同時(shí)多量子勢(shì)壘結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)降低了價(jià)帶對(duì)于空穴的有效勢(shì)壘高度,這又導(dǎo)致相當(dāng)一部分的空穴溢出[21]。這部分空穴未能在量子阱內(nèi)與電子復(fù)合而泄露至n型區(qū),降低n型區(qū)的電子濃度,進(jìn)而降低量子阱內(nèi)的輻射復(fù)合率,影響器件的工作性能,采用空穴阻擋層則可以降低n型區(qū)的空穴泄露,增加空穴在量子阱內(nèi)與電子的復(fù)合概率[22]。但高鋁組分的空穴阻擋層在阻擋空穴向n型區(qū)泄露的同時(shí),也會(huì)阻礙電子向量子阱中輸入,影響器件輻射復(fù)合率、電光轉(zhuǎn)換效率以及功率等性能。因此在降低空穴泄露的同時(shí)提升器件工作性能是目前面臨的主要問題。

為了更加有效地降低DUV-LD在n型區(qū)的空穴泄露,優(yōu)化其工作性能,本文提出了一種M形空穴阻擋層結(jié)構(gòu),通過對(duì)采用矩形、N形和M形空穴阻擋結(jié)構(gòu)的DUV-LD的仿真研究與對(duì)比,發(fā)現(xiàn)采用M形空穴阻擋層結(jié)構(gòu)能夠更有效地降低DUV-LD在n型區(qū)的空穴泄露,增加其量子阱內(nèi)的輻射復(fù)合率,降低閾值電壓與閾值電流,同時(shí)提升電光轉(zhuǎn)換效率與輸出功率,從而更有效地降低DUV-LD在n型區(qū)的空穴泄露,優(yōu)化其工作性能。

1 仿真模型與參數(shù)

使用Crosslight軟件對(duì)不同的空穴阻擋層結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真對(duì)比。過薄的空穴阻擋層無法有效地降低空穴泄露,過厚的空穴阻擋層雖然降低空穴泄露的效果好,但會(huì)影響器件的工作性能。采用14 nm厚的空穴阻擋層結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,圖1(a)為以0.1μm的Al0.75Ga0.25N為襯底的深紫外激光二極管的結(jié)構(gòu)示意圖。該激光二極管的n型區(qū)由1μm厚的n型Al0.75Ga0.25N包覆層、0.11μm厚的n型Al0.68Ga0.32N下波導(dǎo)層和14 nm厚的n型Al0.88Ga0.12N空穴阻擋層組成;有源區(qū)由3個(gè)8 nm厚的Al0.68Ga0.32N量子勢(shì)壘和2個(gè)3 nm厚的Al0.58Ga0.42N量子阱交替組成;p型區(qū)由0.01μm厚的p型Al0.90Ga0.10N電子阻擋層、0.07μm厚的p型Al0.68Ga0.32N上波導(dǎo)層、0.4μm厚的p型Al0.75Ga0.25N包覆層和0.1μm厚的p型Al0.80Ga0.20N接觸層組成,此結(jié)構(gòu)即為參考結(jié)構(gòu)。在該仿真中,將環(huán)境溫度設(shè)為300 K,激光器的腔長設(shè)為530μm,激光器寬度設(shè)為4μm,回?fù)p設(shè)為2400,鏡面折射率設(shè)為30%,由自發(fā)極化和壓電極化引起的內(nèi)置界面電荷設(shè)為40%。

基于參考結(jié)構(gòu)(記為結(jié)構(gòu)A),在保證總厚度和平均鋁組分含量不變的情況下對(duì)空穴阻擋層結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,利用階梯形結(jié)構(gòu)以及鋁組分漸變型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了N形結(jié)構(gòu)(記為結(jié)構(gòu)B)與M形結(jié)構(gòu)(記為結(jié)構(gòu)C)。圖1(b)所示為結(jié)構(gòu)B、C空穴阻擋層的結(jié)構(gòu)示意圖,結(jié)構(gòu)B依次由3 nm的Al0.90Ga0.10N、3 nm的Al0.86Ga0.14N、2 nm的AlxGa1?xN(x從0.90遞減到0.86)、3 nm的Al0.90Ga0.10N和3 nm的Al0.86Ga0.14N組成;結(jié)構(gòu)C依次由2 nm的Al0.86Ga0.14N、3 nm的Al0.90Ga0.10N、1 nm的AlxGa1?xN(x從0.90遞減到0.86)、2 nm的Al0.86Ga0.14N、1 nm的AlxGa1?xN(x從0.86遞增到0.90)、3 nm的Al0.90Ga0.10N和2 nm的Al0.86Ga0.14N組成;兩種空穴阻擋層結(jié)構(gòu)均為n型摻雜。圖2所示為三種空穴阻擋層結(jié)構(gòu)的鋁組分變化示意圖。

圖1 (a)DUV-LD與(b)結(jié)構(gòu)B、C空穴阻擋層的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of(a)the DUV-LD structure and(b)HBL of structure B and C

圖2 三種空穴阻擋結(jié)構(gòu)的鋁組分變化示意圖Fig.2 Schematic diagram of aluminum composition variation of threekinds of HBL

2 仿真結(jié)果與討論

器件內(nèi)部的能帶變化使載流子在不同位置上產(chǎn)生能量變化,這會(huì)影響載流子的遷移和分布,從而影響整個(gè)器件的性能。因此,研究一個(gè)器件內(nèi)部的能帶變化意義重大。有效勢(shì)壘高度定義為能帶邊緣與其相對(duì)應(yīng)的準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)之間的電位差[23]。由于極化電場(chǎng)的作用,不同結(jié)構(gòu)的空穴阻擋層具有不同的有效勢(shì)壘高度[24]。圖3(a)、(b)、(c)分別為結(jié)構(gòu)A、B、C的能帶和準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)圖,從圖中數(shù)據(jù)可得結(jié)構(gòu)A、B、C在導(dǎo)帶上對(duì)電子的有效勢(shì)壘高度分別為552、871、285 meV,在價(jià)帶上對(duì)空穴的有效勢(shì)壘高度分別為304、286、316 meV。相比于結(jié)構(gòu)A,結(jié)構(gòu)C對(duì)電子的有效勢(shì)壘高度降低了267 meV,對(duì)空穴的有效勢(shì)壘高度提升了12 meV;相比于結(jié)構(gòu)B,結(jié)構(gòu)C對(duì)電子的有效勢(shì)壘高度降低了586 meV,對(duì)空穴的有效勢(shì)壘高度提升了30 meV。通過對(duì)比可以看出,相比于結(jié)構(gòu)A、B,結(jié)構(gòu)C對(duì)電子的有效勢(shì)壘高度降低,對(duì)空穴的有效勢(shì)壘高度升高。對(duì)M形空穴阻擋層結(jié)構(gòu)來說,部分膜層的厚度較薄,隧穿概率會(huì)因此提升。隧穿概率與勢(shì)壘高度和寬度均有關(guān)系,在平均鋁組分與總厚度不變的條件下進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,部分膜層勢(shì)壘高度的提升以及空穴較大的有效質(zhì)量使空穴的隧穿概率得以降低,從而增強(qiáng)了對(duì)空穴的阻擋能力[25,26]。結(jié)合仿真結(jié)果,說明M形空穴阻擋層結(jié)構(gòu)可以更有效地提升電子注入效率,降低空穴泄露,從而優(yōu)化器件的性能[27]。

圖3 能帶與準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)圖。(a)結(jié)構(gòu)A;(b)結(jié)構(gòu)B;(c)結(jié)構(gòu)CFig.3 Energy band and quasi-Fermilevel diagram.(a)Structure A;(b)Structure B;(c)Structure C

器件工作過程中,空穴在量子阱內(nèi)與電子進(jìn)行復(fù)合,但仍然存在大量的空穴沒有與電子成功復(fù)合[28],這部分空穴逸出量子阱,泄露到n型區(qū)。大量的空穴泄露將降低器件量子阱內(nèi)的輻射復(fù)合率和n型區(qū)的電子濃度,對(duì)器件的性能產(chǎn)生負(fù)面影響,因此更低的空穴泄露意味著更好的工作性能[29]。為了更直觀地說明三種HBL結(jié)構(gòu)對(duì)空穴的阻擋能力,在圖4(a)中給出了三種結(jié)構(gòu)在n型區(qū)的空穴泄露對(duì)比。可以看出:相比于結(jié)構(gòu)A,結(jié)構(gòu)B在n型區(qū)的空穴濃度略微降低,而結(jié)構(gòu)C在n型區(qū)的空穴濃度則產(chǎn)生了較為明顯的降低。這說明M形空穴阻擋層結(jié)構(gòu)對(duì)空穴的阻擋效果更好,能夠更有效地降低器件在n型區(qū)的空穴泄露。

輻射復(fù)合即電子和空穴在量子阱內(nèi)復(fù)合、能量以光子的形式釋放的復(fù)合方式[30]。輻射復(fù)合是深紫外激光二極管的發(fā)光機(jī)制,輻射復(fù)合率的大小影響著激光二極管的電光轉(zhuǎn)換效率和輸出功率,因此輻射復(fù)合率對(duì)于激光二極管來說是一個(gè)非常重要的參數(shù)。圖4(b)所示為三種結(jié)構(gòu)的輻射復(fù)合率對(duì)比,由圖中數(shù)據(jù)可得,相較于結(jié)構(gòu)A,結(jié)構(gòu)B的輻射復(fù)合率略有提升,而結(jié)構(gòu)C的輻射復(fù)合率則提升得更為明顯。相比于結(jié)構(gòu)A,結(jié)構(gòu)C的輻射復(fù)合率提升了0.91%;相比于結(jié)構(gòu)B,結(jié)構(gòu)C的輻射復(fù)合率提升了0.76%。這是由于M形空穴阻擋層結(jié)構(gòu)能夠更有效地阻擋空穴向n型區(qū)泄露,將空穴限制在量子阱區(qū)域,使其更易在阱內(nèi)與電子復(fù)合,從而更有效地提升激光二極管的輻射復(fù)合率,優(yōu)化其工作性能。

閾值電壓的大小體現(xiàn)出器件對(duì)電流的阻礙作用,更小的閾值電壓往往意味著更小的閾值電流和更好的工作性能[31]。圖4(c)所示為三種結(jié)構(gòu)的I-V曲線。依照仿真數(shù)據(jù)并結(jié)合圖像,可得結(jié)構(gòu)A、B、C的閾值電壓分別為4.88、5.26、4.76 V。相比于結(jié)構(gòu)A,結(jié)構(gòu)C的閾值電壓降低了2.5%;相比于結(jié)構(gòu)B,結(jié)構(gòu)C的閾值電壓降低了9.5%。由此可知M形空穴阻擋層結(jié)構(gòu)能夠更有效地降低深紫外激光二極管的閾值電壓,并優(yōu)化其工作性能。

圖4 (a)三種結(jié)構(gòu)在n型區(qū)的空穴泄露;(b)三種結(jié)構(gòu)的輻射復(fù)合率;(c)三種結(jié)構(gòu)的I-V曲線Fig.4 (a)Hole leakage of three structures in n-type region;(b)Radiation recombination rate of three structures;(c)I-V curves of three structures

電光轉(zhuǎn)換效率是判斷深紫外發(fā)光器件光電性能的重要指標(biāo)[32]。圖5(a)所示為三種結(jié)構(gòu)的電光轉(zhuǎn)換效率,由圖5(a)可見,DUV-LDs的電光轉(zhuǎn)換效率先隨注入電流的增大而增大,而后載流子的產(chǎn)生速率與復(fù)合速率達(dá)到相對(duì)的平衡,輸入功率和出光功率隨之達(dá)到了相對(duì)平衡,因此隨著注入電流的增加,電光轉(zhuǎn)換效率趨于穩(wěn)定。在圖5(a)中取相同電流下三種結(jié)構(gòu)的電光轉(zhuǎn)換效率值進(jìn)行量化分析,可以看出,相比于結(jié)構(gòu)A,結(jié)構(gòu)C的電光轉(zhuǎn)換效率提升了3.3%;相比于結(jié)構(gòu)B,結(jié)構(gòu)C的電光轉(zhuǎn)換效率提升了2.7%。由此可知,M形空穴阻擋層結(jié)構(gòu)能夠更有效地提升激光二極管的電光轉(zhuǎn)換效率,從而優(yōu)化其工作性能。

閾值電流是激光二極管由自發(fā)輻射轉(zhuǎn)換到受激輻射狀態(tài)時(shí)的正向電流值,閾值電流的降低可以增加器件的出光功率,優(yōu)化器件的性能[33]。圖5(b)所示為三種結(jié)構(gòu)的P-I曲線,由圖中數(shù)據(jù)可得A、B、C三種結(jié)構(gòu)的閾值電流分別為30.01、30.48、29.76 mA。相比于結(jié)構(gòu)A,結(jié)構(gòu)C的閾值電流下降了0.83%;相比于結(jié)構(gòu)B,結(jié)構(gòu)C的閾值電流下降了2.36%。以上結(jié)果表明M形空穴阻擋層結(jié)構(gòu)能夠更有效地降低激光二極管的閾值電流,從而優(yōu)化其工作性能。

圖5 (a)三種結(jié)構(gòu)的電光轉(zhuǎn)換效率;(b)三種結(jié)構(gòu)的P-I曲線Fig.5 (a)Electro-optical conversion efficiency of three structures;(b)P-I curve of three structures

激光二極管的功率也是其重要的性能指標(biāo)之一,功率越高往往意味著器件的工作性能越好。而隨著輻射復(fù)合率的提升、閾值電流的降低、電光轉(zhuǎn)換效率的提升,半導(dǎo)體發(fā)光器件在注入等量載流子的條件下將轉(zhuǎn)換出更多光子,因而輸出功率也會(huì)隨之提升[34]。由圖5(b)中數(shù)據(jù)可知,結(jié)構(gòu)A、B、C的輸出功率分別為83.85、84.51、87.03 mW。相比于結(jié)構(gòu)A,結(jié)構(gòu)C的輸出功率提升了3.8%;相比于結(jié)構(gòu)B,結(jié)構(gòu)C的輸出功率提升了3.0%。斜率效率顯示了DUV-LD的輸出功率隨電流增加而增加的能力[35],基于圖5(b)中的數(shù)據(jù)計(jì)算出A、B、C三種結(jié)構(gòu)的斜率效率分別為1.67、1.69、1.74。相比于結(jié)構(gòu)A,結(jié)構(gòu)C的斜率效率提升了4.2%;相比于結(jié)構(gòu)B,結(jié)構(gòu)C的斜率效率提升了2.9%。以上結(jié)果表明M形空穴阻擋層結(jié)構(gòu)能夠更有效地提升DUV-LD的功率與斜率效率,從而優(yōu)化其工作性能。

3 結(jié)論

為了降低DUV-LD在n型區(qū)的空穴泄露并提升其工作性能,對(duì)DUV-LD的空穴阻擋層進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。在保證空穴阻擋層的厚度以及平均鋁組分含量相同的條件下,設(shè)計(jì)了矩形、N形和M形空穴阻擋層結(jié)構(gòu)。利用Crosslight軟件對(duì)采用矩形、N形和M形空穴阻擋層結(jié)構(gòu)的AlGaN基深紫外多量子阱激光二極管進(jìn)行了仿真研究與對(duì)比,結(jié)果表明與矩形結(jié)構(gòu)相比,采用M形空穴阻擋層結(jié)構(gòu)的DUV-LD對(duì)電子的有效勢(shì)壘高度降低了267 meV,對(duì)空穴的有效勢(shì)壘高度提升了12 meV;在n型區(qū)的空穴泄露降低了23.02%,在量子阱內(nèi)的輻射復(fù)合率提升了0.91%;閾值電壓降低為4.76 V,降低了2.5%;電光轉(zhuǎn)換效率提升為0.375,提升了3.3%;閾值電流降低為29.76 mA,降低了0.83%;輸出功率提升為87.03 mW,提升了3.8%;斜率效率提升為1.74,提升了4.2%。同時(shí),與同樣采用了階梯形以及鋁組分漸變型結(jié)構(gòu)的N形結(jié)構(gòu)相比,M形結(jié)構(gòu)對(duì)電子有效勢(shì)壘高度降低了586 meV,對(duì)空穴的有效勢(shì)壘高度提升了30 meV,在n型區(qū)的空穴濃度降低了22.7%,在量子阱內(nèi)的輻射復(fù)合率提升了0.76%,閾值電壓降低了9.5%,電光轉(zhuǎn)換效率提升了2.7%,閾值電流降低了2.36%,輸出功率提升了3.0%,斜率效率提升了2.9%。綜上所述,采用M形空穴阻擋層結(jié)構(gòu)能夠更有效地降低DUV-LD在n型區(qū)的空穴泄露,優(yōu)化其工作性能。