[论文解读] 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 3

一句话总结

本研究探讨了基于AlGaN的独立限制异质结构（SCH）在紫外激光器中内量子效率（IQE）与激光阈值之间的解耦现象。通过采用渐变折射率SCH（GRINSCH）结构，尽管IQE较低，但多量子阱（MQWs）中的载流子注入效率得以提升，从而降低了激光阈值，表明激光阈值对载流子注入效率的敏感性高于对辐射效率的敏感性。

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.

研究动机与目标

• 理解基于AlGaN的独立限制异质结构在紫外发光中的内量子效率（IQE）与激光阈值之间的关系。
• 研究载流子局域化与扩散对AlGaN MQW结构光学性能的影响。
• 评估渐变折射率独立限制异质结构（GRINSCH）对载流子收集与激光阈值的影响。
• 确定增强的辐射效率是否与AlGaN基紫外激光器中激光阈值的降低相关。
• 识别AlGaN异质结构中实现低阈值紫外激光运行的关键限制因素。

提出的方法

• 采用等离子体辅助分子束外延法在块状GaN衬底上生长了含10周期GaN/Al0.1Ga0.9N MQWs的AlGaN/GaN独立限制异质结构。
• 制备了三种样品：S1具有陡峭的异质界面，S2具有线性渐变Al组分的界面（GRINSCH），S3采用非对称GRINSCH结构设计。
• 利用低功率和脉冲激发下的光致发光（PL）光谱测量IQE和发射线宽展宽。
• 通过从样品中切割出的边发射激光条带，采用266 nm Nd-YAG激光器进行光学泵浦，测量激光阈值。
• 采用有限元模拟（Comsol Multiphysics）对光场限制进行建模，并计算光场限制因子。
• 进行温度依赖的PL和激光阈值测量，以分析载流子动力学和激活能。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过GRINSCH结构改善载流子注入后，尽管IQE降低，是否仍能降低激光阈值？
• RQ2 为何在AlGaN基紫外激光器中，内量子效率与激光阈值之间出现解耦现象？
• RQ3 载流子局域化与扩散如何影响AlGaN MQW中的辐射效率与激光阈值？
• RQ4 合金非均匀性与点缺陷在非辐射复合与阈值行为中起何种作用？
• RQ5 温度如何影响GRINSCH结构AlGaN激光器的激光阈值与载流子注入效率？

主要发现

• 激光阈值与内量子效率（IQEMQW）无相关性；S3的IQEMQW最高（83%），但激光阈值也最高（1.1 MW/cm²）。
• GRINSCH结构（S2和S3）相比S1（0.7 MW/cm²）显著降低了激光阈值，尽管IQEMQW较低，表明载流子注入效率得到改善。
• S1和S2的激光阈值降低激活能为12–13 meV，而S3增加至38 meV，表明低温下非辐射损失更高。
• S3激光阈值较高的原因在于Al-rich顶层中合金涨落与点缺陷增加，导致光学吸收与非辐射复合增强。
• GRINSCH结构中载流子迁移率的提升同时促进了有益的载流子收集与有害的非辐射复合，解释了注入效率与辐射效率之间的权衡。
• 增益谱的非均匀展宽并非阈值升高的主导因素，因为PL峰的半高全宽（FWHM）与激光阈值无相关性。