利用倒梯矩形电子阻挡层降低深紫外激光二极管的电子泄露

2021-12-27王梦真魏士钦刘玉怀

原子与分子物理学报 2021年6期

关键词：结构

王瑶，王梦真，魏士钦，王芳，刘玉怀

(郑州大学信息工程学院电子材料与系统国际联合研究中心，郑州 450001)

1 引言

Ⅲ族氮化物半导体是用于有着广泛的发展前景的紫外发光器件的材料，如紫外激光二极管(UV-LDs)和紫外发光二极管(UV-LEDs)[1]. 其具有体积小、结构简单、使用寿命长、波长可调、环保等优点，因此被广泛应用于空气净化、水净化、环境保护、生物试剂检测等领域[2].

紫外光谱通常分为四个波段:UV- AⅠ(340 - 400 nm)、UV- AⅡ(320-340 nm)、UV- B (280 - 320 nm)和UV- C(<280 nm)[3]. 目前，对于波长小于280 nm的Ⅲ族氮化物半导体UV-LD来讲，依然面临着两大挑战. 首先，由于p型AlGaN中镁的高活化能，难以在p型AlGaN合金中实现高的导电性，掺杂效率低，于是，室温下空穴浓度远远小于电子浓度，导致大量电子从 n 型导电层注入有源区时，没有足够的空穴与其复合，从而造成大量电子泄露[4-9]. 第二，Ⅲ族氮化物材料系统中，存在较强的自发极化和压电极化效应[10]. 尤其是高 Al 组分的AlGaN材料具有很强的极化电场，在电场的作用下，量子阱中能带发生弯曲，导致量子限制斯塔克效应(QCES)[11]. 从而使电子和空穴的波函数产生空间分离，导致复合速率降低，使UV-LD发光效率低下. 因此，如何有效降低UV-LD电子泄露、提升空穴注入率和减小极化效应，成为提升Ⅲ族氮化物半导体UV-LD的研究重点. 本文提出一种倒梯矩形电子阻挡层结构，降低电子泄露，从而提高空穴注入率以及电子和空穴在有源区的辐射复合率，达到提升深紫外激光二极管的发光性能的目的.

2 仿真模型以及参数

如图1(a)所示，以0.1 μm的Al0.75Ga0.25N层为衬底的深紫外激光二极管的示意图. 该激光器n型区由1 μm厚的n型Al0.75Ga0.25N包覆层、0.11 μm厚的n型Al0.68Ga0.32N下波导层组成. 有源区由两个3 nm厚的Al0.58Ga0.42N阱和三个8 nm厚的Al0.68Ga0.32N势垒组成. 该激光器p型区由0.07 μm厚的p型Al0.68Ga0.32N下波导层、0.01 μm厚的Al0.94Ga0.06N电子阻挡层、0.4 μm厚的p型Al0.75Ga0.25N包覆层以及p型Al0.8Ga0.2N接触层组成. 上述所有n型掺杂都是Si掺杂，p型掺杂都是Mg掺杂. 在该模拟仿真中，环境温度设置为300 K，激光器的腔长设置为530 μm，激光器的宽度设置为4 μm，回损设为2400，镜面折射率设置为30 %，由自发极化和压电极化引起的内置界面电荷计算为的40 %.

在室温下，用Crosslight公司的Lastip软件模拟了ABC三种不同电子阻挡层结构. A为参照组，即A的EBL为矩形. 结构B的EBL为正梯矩形，结构为AlxGa1-xN(0.94>x>0.90)/Al0.94Ga0.06N//Al0.98Ga0.06N/Al0.94Ga0.06N/AlxGa1-xN(0.90x>0.94)，即也为五层EBL. 三种EBL结构如图1(b)所示. 结构为了保证ABC三个结构发光波长一定，除了电子阻挡层部分，其他全部结构参数都保持不变.