[논문 리뷰] Decorrelation of internal quantum efficiency and lasing threshold in AlGaN-based separate confinement heterostructures for UV emission

Sergi Cuesta, Lou Denaix외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 09. 22.

GaN-based semiconductor devices and materials참고 문헌 19인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 산란형 알루미나게이트(AlGaN) 기반 별도의 고립 헤테로구조(SCH)에서 내부 양자 효율(IQE)과 레이저 발진 임계값 간의 분리 현상을 조사한다. 계단형 인덱스 SCH(Graded-Index SCH, GRINSCH) 구조를 도입함으로써 다중 양자 우물(MQW)으로의 캐리어 주입이 향상되어, 낮은 IQE에도 불구하고 레이저 발진 임계값이 감소함을 입증하였다. 이는 레이저 발진 임계값이 복사 효율보다는 캐리어 주입 효율에 더 민감함을 보여준다.

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.

연구 동기 및 목표

• AlGaN 기반 별도의 고립 헤테로구조에서 자외선 방출을 위한 내부 양자 효율(IQE)과 레이저 발진 임계값 간의 관계를 이해하기 위해.
• 캐리어 국소화 및 확산이 AlGaN 다중 양자 우물(MQW) 구조에서 광학 성능에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 계단형 인덱스 별도의 고립 헤테로구조(GRINSCH)가 캐리어 수확 및 레이저 발진 임계값에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• AlGaN 기반 UV 레이저에서 높은 복사 효율이 레이저 발진 임계값 감소와 관련이 있는지 확인하기 위해.
• AlGaN 헤테로구조에서 저임계값 UV 레이저 작동의 주요 제약 요인을 규명하기 위해.

제안 방법

• 10층의 GaN/Al0.1Ga0.9N 다중 양자 우물을 포함한 AlGaN/GaN 별도의 고립 헤테로구조는 플라즈마 보조 분자선 에피택시 방법을 사용해 벌크 GaN 기판에 성장시켰다.
• 세 가지 샘플을 제작하였다: S1은 날카로운 헤테로인터페이스를, S2는 선형적으로 변화하는 알루미늄 농도를 가진 인터페이스(GRINSCH), S3는 비대칭 GRINSCH 설계를 가진 샘플이다.
• 저강도 및 펄스 조명 조건 하에서 광발광(PL) 스펙트로스코피를 사용해 IQE와 방출선 폭확장을 측정하였다.
• 샘플에서 잘라낸 측면 방출 레이저 바를 사용해 266 nm Nd-YAG 레이저로 광학적 펌프를 가하여 레이저 발진 임계값을 측정하였다.
• 유한요소 시뮬레이션(Comsol Multiphysics)을 사용해 광학 모드 구속 및 광학 구속 계수를 계산하였다.
• 온도 의존적 PL 및 레이저 발진 임계값 측정을 수행하여 캐리어 동역학 및 활성화 에너지를 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 GRINSCH 구조를 통한 캐리어 주입 향상은 낮은 내부 양자 효율에도 불구하고 레이저 발진 임계값을 감소시키는가?
• RQ2 왜 AlGaN 기반 UV 레이저에서 내부 양자 효율과 레이저 발진 임계값 간에 상관관계가 없어지는가?
• RQ3 캐리어 국소화 및 확산은 AlGaN 다중 양자 우물(MQW)에서 복사 효율과 레이저 발진 임계값에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 합금 비균일성과 점 결함은 비복사 재결합 및 임계값 행동에 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 온도는 GRINSCH 구조를 가진 AlGaN 레이저에서 레이저 발진 임계값과 캐리어 주입 효율에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 레이저 발진 임계값은 내부 양자 효율(IQEMQW)과 관련이 없으며, S3는 가장 높은 IQEMQW(83%)를 보였지만 가장 높은 레이저 발진 임계값(1.1 MW/cm²)을 기록하였다.
• GRINSCH 구조(S2 및 S3)는 낮은 IQEMQW에도 불구하고 S1(0.7 MW/cm²)보다 레이저 발진 임계값을 감소시켜 캐리어 주입 효율 향상이 확인되었다.
• S1 및 S2의 레이저 발진 임계값 감소 활성화 에너지는 각각 12–13 meV이지만, S3의 경우 38 meV로 증가하여 저온에서 더 높은 비복사 손실을 나타낸다.
• S3의 높은 레이저 발진 임계값은 알루미늄 농도가 높은 상부 층에서 증가한 합금 불균일성과 점 결함으로 인해 증가한 광학 흡수 및 비복사 재결합으로 인한 것으로 기인한다.
• GRINSCH 구조에서의 캐리어 이동도 향상은 유익한 캐리어 수확과 해로운 비복사 재결합을 동시에 촉진하므로, 주입 효율과 복사 효율 간의 상충관계를 설명한다.
• 이완형 폭이 증가하는 것이 임계값 증가의 주요 원인은 아니며, PL 피크의 FWHM는 레이저 발진 임계값과 상관관계가 없다.