[論文レビュー] Decorrelation of internal quantum efficiency and lasing threshold in AlGaN-based separate confinement heterostructures for UV emission

Sergi Cuesta, Lou Denaix+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 22, 2021

GaN-based semiconductor devices and materials参考文献 19被引用数 3

ひとこと要約

本研究は、紫外線レーザー用AlGaNベースの分離型自己ヘテロ構造（SCH）における内部量子効率（IQE）とレーザー閾値の間の分離現象を調査する。勾配インデックスSCH（GRINSCH）構造を導入することで、複数量子井戸（MQW）へのキャリア注入が向上し、IQEが低いにもかかわらずレーザー閾値が低下することを示した。これは、レーザー閾値が放射効率よりもキャリア注入効率に大きく依存することを示している。

ABSTRACT

In this paper, we study the internal quantum efficiency and lasing threshold of AlGaN/GaN separate confinement heterostructures designed for ultraviolet laser emission. We discuss the effect of carrier localization and carrier diffusion on the optical performance. The implementation of graded index separate confinement heterostructures results in an improved carrier collection at the multi-quantum well, which facilitates population inversion and reduces the lasing threshold. However, this improvement is not correlated with the internal quantum efficiency of the spontaneous emission. We show that carrier localization at alloy inhomogeneities results in an enhancement of the radiative efficiency but does not reduce the laser threshold, more sensitive to the carrier injection efficiency.

研究の動機と目的

• AlGaNベースの分離型自己ヘテロ構造における内部量子効率（IQE）とレーザー閾値の関係を理解すること。
• キャリアの局在化および拡산がAlGaN MQW構造の光学的性能に与える影響を調査すること。
• 勾配インデックス分離型自己ヘテロ構造（GRINSCH）がキャリア収率およびレーザー閾値に与える影響を評価すること。
• AlGaNベースのUVレーザーにおいて、放射効率の向上がレーザー閾値の低下と相関するかどうかを特定すること。
• AlGaNヘテロ構造における低閾値UVレーザー動作の主な制限要因を同定すること。

提案手法

• 10周期のGaN/Al0.1Ga0.9N MQWを含むAlGaN/GaN分離型自己ヘテロ構造を、プラズマ助剤分子線エpitaxy法を用いてボトムGaN基板上に成長した。
• 3つのサンプルを製作した：S1は鋭いヘテロ界面を有するもの、S2は線形に勾配をつけたAl含有量の界面（GRINSCH）を有するもの、S3は非対称GRINSCH構造を有するもの。
• 低強度およびパulses励起下でのフォトルミネッセンス（PL）分光法を用いて、IQEおよび発光線幅の拡張を測定した。
• サンプルから切り出されたエッジ発光型レーザーバーを用い、266 nm Nd-YAGレーザーを用いた光励起により、レーザー閾値を測定した。
• 有限要素シミュレーション（Comsol Multiphysics）を用いて、光学モードの閉じ込めをモデル化し、光学閉じ込め係数を計算した。
• 温度依存PLおよびレーザー閾値測定を実施し、キャリアダイナミクスおよび活性化エネルギーを分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 GRINSCH構造によるキャリア注入の向上が、内部量子効率が低いにもかかわらずレーザー閾値を低下させるか？
• RQ2 AlGaNベースのUVレーザーにおいて、内部量子効率とレーザー閾値の間の相関が欠如している理由は何か？
• RQ3 キャリアの局在化および拡散が、AlGaN MQWにおける放射効率およびレーザー閾値にどのように影響するか？
• RQ4 合金の不均一性および点欠陥が、非放射再結合および閾値挙動に果たす役割は何か？
• RQ5 温度がGRINSCH構造を有するAlGaNレーザーのレーザー閾値およびキャリア注入効率にどのように影響するか？

主な発見

• レーザー閾値は内部量子効率（IQEMQW）とは相関しない。S3は最高のIQEMQW（83％）を示すが、同時に最高のレーザー閾値（1.1 MW/cm²）を示した。
• GRINSCH構造（S2およびS3）は、IQEMQWが低いにもかかわらずS1（0.7 MW/cm²）と比較してレーザー閾値を低下させた。これはキャリア注入効率の向上を示している。
• S1およびS2のレーザー閾値低減の活性化エネルギーは12–13 meVであったが、S3では38 meVに上昇し、低温での非放射的損失が顕著であることを示した。
• S3の高いレーザー閾値は、Al濃度の高い上層部における合金の不均一性および点欠陥の増加に起因し、光学吸収および非放射再結合が増加したためである。
• GRINSCH構造におけるキャリア移動度の向上は、有益なキャリア収率と有害な非放射再結合の両方を促進する。これは、注入効率と放射効率のトレードオフを説明している。
• 増幅スペクトルの不均一な幅の拡張は、閾値上昇の主因ではない。FWHMのPLピークはレーザー閾値と相関しなかった。