李呈盛，李洁璐，李书平

(厦门大学物理科学与技术学院，福建 厦门 361005)

自Nakamura等[1]于1996年率先提出InGaN基半导体激光器以来，GaN基半导体激光二极管(laser diode, LD)迅速发展，AlGaN基的紫外LD也吸引了很大的关注.作为高强度光源，紫外LD在高密度光学存储、灭菌、光刻、生物试剂检测、生物化学分析等方面有着十分广泛的应用[2-3].而宽禁带材料AlGaN的直接带隙连续可调，兼具高电子迁移率、高热导率、耐高温、抗腐蚀等优点[4]，是制备紫外半导体LD很好的材料，能达到降低器件功耗、提升效率、增长使用寿命等效果.

但是与较为成熟的蓝绿光LD相比，紫外LD的发展还面临着许多问题[5]，诸如：较高的阈值电流、AlGaN材料产生的极化效应、p型掺杂引发的高激活能、较低的空穴注入率、电子泄露以及材料生长质量问题[6-7].针对这些问题，很多课题组进行了相关的研究.Liang等[8-11]做了大量对蓝绿、紫外LD结构的改进试验，例如使用不同In组分的上波导或下波导InGaN层、使用复层结构的上波导层、使用非故意掺杂的GaN上波导层等.Zhao等[12]探究了温度对材料生长的影响，并且通过使用Al组分渐变的AlGaN电子阻挡层缓解了电子过流以提升器件性能.Omori等[13]利用极化掺杂的p型AlGaN盖层达到了增强光学限制因子，减小内损失的效果.Sandhu等[14]比较了不同Al组分AlGaN电子阻挡层及其厚度的影响.Saidi等[15]使用复杂的量子阱结构来削弱极化效应对性能造成的不利影响.在紫外LD中，p型层起到了提供空穴的重要作用，因而可以通过改进p型层来增强空穴的供应，达到提高发光效率的目的.

众所周知，不同Al组分的AlGaN层之间会产生极化电场，加剧能带弯折的程度，这极大地阻碍了载流子的有效输运.而在超晶格结构中，电子沿生长方向的运动会产生振荡，电子势能得以调节，凭借着对压电、极化效应的调整作用，超晶格及其衍生结构成为能带工程中优化半导体光电器件性能的重要手段[16]；同时超晶格结构中载流子浓度分布较体材料更为均匀，有利于载流子输运[17].因此，本文利用仿真计算探究了超晶格p型层对器件性能的影响，并进行了多组样品的计算对比，以期确定性能较为优异的紫外LD结构模型.由于Yoshida等[18-19]对AlGaN基紫外LD的发展做出了长期且重要的贡献，包括大面积的芯片外延生长技术、一系列高质量紫外LD器件的制备，故而本文选择了类似结构的样品为基础进行仿真计算研究，如此既有实验数据可供计算分析的参考，也便于后续从器件的模拟计算延伸到实验制备.

1 模拟结构和参数设置

本文使用PICS3D软件计算的紫外LD结构[18-19]如图1所示.从下往上依次为：3.4 μm(2.8 μm+0.6 μm)厚的n型Al0.2Ga0.8N层，掺杂浓度为1×1018cm-3；120 nm厚n型Al0.1Ga0.9N波导层，掺杂浓度为1×1018cm-3；有源区包括3组量子阱，势垒为厚度为8 nm的Al0.1Ga0.9N，势阱为厚度为3 nm的GaN；有源区后为120 nm的p型Al0.1Ga0.9N波导层，掺杂浓度1×1017cm-3；20 nm的p型电子阻挡层(electric blocking layer, EBL)，材料为Al0.5Ga0.5N，掺杂浓度1×1017cm-3；500 nm厚p型Al0.2Ga0.8N层，掺杂浓度为1×1017cm-3；最上面是重掺杂p型GaN接触层，厚度为25 nm，掺杂浓度为1×1018cm-3，以上掺杂浓度参考了文献[20].器件的脊宽设为1.5 μm，腔长设为300 μm，接触电极为欧姆接触.

将参考LD结构A中500 nm厚的p型Al0.2Ga0.8N层替换为50组周期10 nm的超晶格结构，三组超晶格分别为5 nm的p型Al0.25Ga0.75N与5 nm非掺杂Al0.2Ga0.8N(u型Al0.2Ga0.8N)(结构B)、5 nm 的p型Al0.25Ga0.75N与5 nm u型Al0.15Ga0.85N(结构C)、5 nm 的p型Al0.2Ga0.8N与5 nm u型Al0.15Ga0.85N(结构D).

图1 LD结构示意图Fig.1 The structure of LD

在计算中，根据实际情况使用了异质结界面的极化效应模型[21]，屏蔽因子设为25%[22].AlGaN材料能带偏移率设置为0.65[23]，SRH(Shockley-Read-Hall)复合寿命、俄歇复合系数、p型GaN的光吸收系数分别被设为1.5 ns[6], 1×10-30cm6/s[6]，50 cm-1[22].p型GaN和p型AlN的Mg受主激活能分别为170 meV和470 meV[21]，AlxGa1-xN中Al组分每增加1%，p型AlxGa1-xN的Mg受主激活能就会在p型GaN的基础上增加3 meV[20].谐振腔端面反射率为24.5%，其他模拟计算参数设置可参阅文献[24].

2 结果与分析

图2是4种结构的紫外LD在400 mA电流注入下对应的光谱，计算出的峰值均在358 nm左右.其中参考LD结构A激射波长为358.48 nm，这与Yoshida等[18-19]的实验数据相符，该结构的实验紫外LD波长在355.4～361.6 nm之间，说明本文的参数设置比较合理，结构B的激射波长为358.06 nm，与结构A相近，而其发光强度高于结构A，约为其1.28倍；结构C和D的激射波长与A非常接近，均在358.5 nm附近(图2中将结构C和D对应的曲线分别右移了0.3 nm和0.6 nm以示区分)，其中结构C的发光强度略低于A，结构D的发光强度约为结构A的84%.

图2 400 mA注入电流下4种结构的激射波长Fig.2 Lasing wavelength of 4 structures at 400 mA injection current

图3为仿真计算得到的4种结构对应的电流-光功率(I-P)和电流-电压(I-U)特性曲线，注入电流都是从0 mA逐渐增加到400 mA.4种结构的开启电压非常接近，均在4 V左右.而由于超晶格组分不同，带宽存在差异，故而阻抗不同，I-U特性曲线也不相同.结构A的阈值电流为155 mA，结构B阈值电流为134 mA，结构C的阈值电流为158 mA，结构D的阈值电流为173 mA；在400 mA注入电流下，4种结构的光输出功率分别为225，284，242，221 mW.显然，结构B相较于参考结构A具有更加优异的性能(阈值电流相较于结构A降低了13.5%，400 mA电流下的光功率提高了26.2%)，结构C相较于结构A性能也有略微提升，但是在结构D中，超晶格的使用反而损害了LD的性能，其阈值电流和输出功率的性能弱于参考结构A.

图3 4种结构的I-P与I-U特性曲线Fig.3I-P and I-U characteristic of 4 structures

图4 4种结构的EQEFig.4 EQE of 4 structures

图5为400 mA注入电流下使用PICS3D计算得到的两种结构的能带图，灰色区域用来表示电子阻挡层(EBL).一般来说，在EBL附近由于材料组分变化较为剧烈，在压电和极化效应的作用下，能带会发生弯折[25]，而能带弯折会导致空穴与电子波函数严重分离，这不仅使得有源区对电子的束缚减弱，也会限制来自p型波导层空穴的注入[17].在结构A中，电子从波导层跨越EBL所需能量即导带中电子的有效势垒高度ΔE=399 meV，而在结构B中，ΔE=498 meV，因而结构B的紫外LD可以更好地抑制电子泄露.此外，在结构A中，EBL与p型包覆层间也存在明显的能带弯折，而结构B中能带过渡非常平稳，这也有利于空穴的注入.

①表示n型波导层；②表示有源区；③表示p型波导层； ④表示EBL；⑤表示p型包覆层；下同.图5 结构A (a)与B (b)对应的能带图Fig.5 Band diagrams of structure A (a) and B (b)

在能带结构分析的基础上，画出了两种结构在400 mA注入电流下的电子及空穴电流密度分布，如图6所示，结构B对应了较高的载流子注入和较低的泄露.电子和空穴流经每一个量子阱都会减少一部分，从而呈阶梯状变化(空穴从p型层注入到有源区，故浓度变化与电子相反).结构B中每一阶梯的变化差值均比A大，这说明结构B中载流子复合更加强烈，正如图7所示，结构B对应的受激辐射率大幅增加(图7中将结构A对应的曲线略微右移以示区分，在本文的样品中复合总是集中发生在量子阱区域)，约为参考结构A的1.25倍.

图6 400 mA注入电流下结构A和B的电子和空穴电流密度Fig.6 Electron and hole current density of structure A and B at injection current of 400 mA

图7 400 mA注入电流下结构A和B激光器 的受激辐射复合率Fig.7 Stimulated recombination rates of structure A and B at injection current of 400 mA

3 结 论

本文在传统紫外LD的基础上，引入了超晶格p型层结构，通过仿真分析，特定超晶格结构(Al0.25Ga0.75N/Al0.2Ga0.8N)的激光器具有更加优异的光电性能，如更低的阈值电流、更高的输出功率等，并通过能带结构、载流子分布等分析了性能提升的原因，对后续的实验具有指导意义.