量子势垒厚度及最后一级量子势垒结构对基于GaN的垂直腔面发射激光器性能的影响

《Micro and Nanostructures》：Effect of quantum barrier thickness and last quantum barrier engineering on the performance of GaN-based vertical-cavity surface-emitting lasers

VCSEL量子阱结构中量子阱厚度影响载流子传输与泄漏，AlGa1-xN异质结优化降低电子泄漏并提升输出功率。

　　

王亚晨|梁峰|杨静|刘宗顺|侯宇飞|夏长胜|蔡一宇|赵德刚

中国科学院半导体研究所固态光电子信息技术实验室，北京，100083，中国

摘要

在基于GaN的垂直腔面发射激光器（VCSEL）中，量子阱（QW）活性区域中的量子势垒（QB）厚度通过直接影响载流子传输和复合动力学，在器件性能中起着关键作用。本研究通过器件仿真系统地研究了QB厚度对能带结构和载流子分布的影响。结果表明，较厚的QB不仅抑制了载流子传输，还导致了电子泄漏的增加。值得注意的是，与p型层相邻的最后一个量子势垒（LQB）层由于其独特的能带结构而对电子泄漏具有显著影响。通过用Al_xGa_1-xN替代GaN作为LQB层，有效抑制了极化效应。当Al含量为0.10时，电子泄漏势垒高度从178 meV增加到267 meV。通过减轻高注入电流下的效率下降，激光输出功率得到了提高。

引言

基于GaN的垂直腔面发射激光器（VCSEL），具有量子阱（QW）活性区域，由于（Al/In）GaN光电子材料的显著进步，其在多种应用领域受到了广泛关注[1]、[2]、[3]。特别是蓝光和绿光VCSEL在全彩显示[4]应用中展现出巨大潜力，包括激光投影和AR/VR眼镜，它们的高亮度和单色性使得颜色再现精确且色彩范围广泛[5]、[6]、[7]。GaN基VCSEL的短腔结构产生了较大的纵向模式间隔和狭窄的光谱线宽[8]，使其适用于精密量子测量，如原子钟[9]。在光通信中，共振腔诱导的Purcell效应[10]、[11]、[12]减少了载流子寿命并增加了调制带宽[13]，为高速数据传输提供了明显优势。此外，圆形输出光束和低光束发散特性[14]、[15]、[16]使VCSEL在无线通信[17]应用中特别有利，尤其是在水下环境[18]、[19]中。

活性区域的结构设计对于优化GaN基VCSEL中的载流子传输和光增益至关重要，因为它直接影响激光二极管的输出性能。通常，InGaN/GaN多量子阱（MQWs）作为活性区域，且QWs应位于驻波的波腹位置以最大化其与电场的耦合[20]、[21]。已经广泛研究了QW厚度[22]、[23]和QW数量[24]、[25]对材料性质和器件性能的影响。实际上，量子势垒（QB）的作用也不容忽视，因为它们的厚度和结构同样显著影响载流子传输和复合过程。梁等人[26]已经证明，在外延生长过程中增加QB厚度可以在InGaN QWs中引入更深的局域化势能，从而影响发光特性。此外，研究表明QB厚度对MQW结构中的载流子逃逸寿命[27]和空穴分布特性[28]也有重要影响。然而，在VCSEL结构中，电子阻挡层（EBL）与MQW之间的直接接触会在相邻的势垒层中产生不同的能带结构[29]。此外，VCSEL结构中的微腔增强效应[30]可能会放大器件性能对QB厚度变化的敏感性。因此，对VCSEL架构中QB结构的全面仿真研究对于理解器件物理和提升器件性能至关重要。

在这项工作中，我们进行了系统的数值研究，以阐明QB厚度对GaN基VCSEL中载流子分布和器件性能的影响。我们的仿真结果显示，增加QB厚度会阻碍载流子传输，同时增加泄漏电流。值得注意的是，电子泄漏对EBL相邻的QB层的结构参数非常敏感，该层被称为最后一个量子势垒（LQB）层。通过调节Al_xGa_1-xN LQB层中的Al含量，我们有效地抑制了电子泄漏，并随之改善了激光输出特性。

部分内容摘录

器件结构和物理参数

本研究设计并数值研究了发射波长为λ=450 nm的GaN基VCSEL。如图1所示，顶部和底部分别采用了8.5周期和12周期的SiO₂/TiO₂作为分布式布拉格反射器（DBRs）。共振腔由990 nm的Si掺杂n型GaN（5×10¹⁸ cm^-3）、3周期的未掺杂In_0.22Ga_0.78N（3 nm）/GaN（x nm）量子阱、20 nm的Mg掺杂p型Al_0.20Ga_0.80N电子阻挡层（EBL，1×10¹⁹ cm^-3）以及80 nm的...

结果与讨论

分析了具有不同QB厚度的4种VCSEL结构的激光输出特性。图2(a)展示了输出功率与注入电流的关系，图2(b)使用半对数坐标显示了模拟的450 nm激光二极管的电致发光光谱。研究发现，随着QB厚度的增加，阈值电流略有上升，而斜率效率显著下降。

结论

本研究系统地研究了QB厚度对GaN基VCSEL中载流子传输动力学和复合特性的影响。研究结果表明，较厚的QB层会阻碍电子和空穴的传输。特别是，电子泄漏对LQB厚度表现出明显的敏感性。能带分析表明，LQB层形成了一个三角势阱结构，促进了电子的积累，从而加剧了电子泄漏。

作者贡献声明

梁峰：形式分析、资金获取、监督、撰写——审阅与编辑。王亚晨：概念构思、数据管理、形式分析、研究、撰写——初稿。蔡一宇：监督、撰写——审阅与编辑。赵德刚：资金获取、监督、撰写——审阅与编辑。夏长胜：软件开发。侯宇飞：监督、撰写——审阅与编辑。刘宗顺：监督、撰写——审阅与编辑。杨静：资金获取，

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

数据可用性

本文所述结果所依据的数据目前尚未公开，但可根据合理请求从作者处获取。

竞争利益声明

作者声明没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了国家重点研发计划（项目编号：2022YFB3605205）、国家自然科学基金（项目编号：62274157、62234011、62127807、62450006、62304217、62034008、62074142、62074140）、中国科学院青年创新促进会（项目编号：2023124、Y2023032）、中国科学院战略性先导科技专项（项目编号：XDB43030101）以及山西智达先进材料与化学研究所的支持。