探讨极化方向对紫光雷射性能之影响

1、探討極化方向對紫光雷射性能之影響探討極化方向對紫光雷射性能之影響洪暄惠1、顏勝宏2、郭艷光2,*1Institute of Photonics, National Changhua University of Education, Changhua 500, Taiwan2Department of Physics, National Changhua University of Education, Changhua 500, TaiwanPhone：04-7232105 Ext. 3341, Fax：04-7211153, E-mail：.tw(NSC-96-

2、2112-M-018-007-MY3)Abstract -本文使用LASTIP模擬軟體，探討正常極化(Ga-face)與反向極化(N-face)對405-nm InGaN雷射元件性能的影響。模擬結果顯示，當極化方向相反，雷射的臨界電流與斜率效能都獲得改善。這是因為不同的極化方向，使得元件能帶的彎曲方向與程度產生差異。在反向極化的情況之下，可以有效的減少載子的溢流以及載子在非增益區域產生非輻射再結合的機率，進而提升活性區之受激再結合速率與元件性能。Keywords:半導體雷射、壓電效應、數值模擬INTRODUCTION傳統GaN-based發光元件使用MOCVD (metalorganic ch

3、emical vapor deposition)直接成長在sapphire基板上，晶體內部原子之排列方式屬於Ga-face形式。但有許多研究指出，若使用PIMBE (plasma-induced molecular-beam epitaxy)或PAMBE (rf-plasma-assisted molecular-beam epitaxy)的長晶方法，想要成長出原子排列為Ga-face之磊晶層，則須在GaN-based薄膜成長之前，先在sapphire基板上成長一層AlN；否則GaN-based磊晶層將會形成N-face形式1-3。值得注意的是，此兩種不同之原子排列方式會導致壓電與自發極化方向

4、相反。相較於傳統Ga-face形式的磊晶層，目前已有研究群成功長出N-face之電晶體4，可以預測的是，成長N-face形式之磊晶技術將逐漸被克服。對氮化物而言，極化效應對其元件特性的影響是很明顯的；本文將探討氮化物雷射元件，在不同極化方向的情況下，比較其元件發光性能之差異。SIMULATION AND DISCUSSION本文探討正常與反向極化對雷射元件性能的影響。圖一是模擬所使用的元件結構，此結構主要參考自Ohba等人所發表的文章5。其中，活性區是由3對量子井所組成，其well與barrier分別為3.5 nm的Ga0.92In0.08N與7 nm的Ga0.98In0.02N；此元件共振腔

5、長為700 m，發光波長則為405 nm。當溫度為293K時，實驗所測得之臨界電流與斜率效能分別為77.5 mA與0.22 mW/mA；而經由模擬所得之臨界電流與斜率效能分別為77.6 mA與0.22 mW/mA，因此本文之模擬結果與實驗結果相當吻合。 圖一、模擬元件結構 圖二、Ga-face與N-face GaN概要圖當氮化物材料之磊晶層為N-face形式時，其自發與壓電極化方向會與Ga-face形式完全相反。因此在本文中將藉由反轉極化方向，探討其雷射特性的差異；並以正常(Normal)極化表示Ga-face的極化方向，以反向(Inversed)極化表示N-face的極化方向。圖二左右兩圖分

6、別為GaN為Ga-face與N-face時，原子排列狀況的概要圖。圖三為比較正常與反向極化情況下的雷射性能圖。很明顯地，當極化方向相反之後，將使得元件的發光效能得以提升。其中，正常與反向極化的臨界電流分別為77.6 mA與44.4 mA，其效能提升了42.8%。此外，斜率效能也從0.22 mW/mA提升為0.28 mW/mA。 0510152025020406080100120140160Normal (Ga-face)Inversed (N-face)Laser Power (mW)Current (mA)圖三、正常(Normal)與反向(Inversed)極化雷射性能圖圖四與圖五分別為正常

7、與反向極化的能帶結構圖(電流固定為100 mA，以下所有圖都是在此電流下得到)。從圖中可以看到當極化方向相反，反向極化的能帶彎曲程度比正常極化的情況稍微嚴重，方向也相反。因此對電子而言，反向極化的有效barrier高度比正常極化要高；相對的，對電洞的有效barrier高度也會較高，這將有效的防止載子的溢流。我們可以由圖六與圖七中，正常與反向極化的電子與電洞流分佈情況看到，當極化方向相反之後，電子與電洞溢流皆受到了抑制。其中，電子溢流由59.6 mA降為30.1 mA (活性區與p-type介面)，而電洞溢流由3.9 mA降為0.5 mA (活性區與n-type介面)。此外，在反向極化下，量子井

8、中之電子與電洞流減少的程度比較大，即電子與電洞貢獻至再結合機率獲得提升，同時將有效改善雷射效能。4.504.554.604.654.704.754.804.854.90NormalEnergy (eV)quasi-Fermi-level(a)(b)1.301.351.401.451.501.551.601.651.7097.2NormalEnergy (eV)Distance (m) 5.705.755.805.855.905.956.006.056.10InversedEnergy (eV)(a)(b)quasi-Fermi-level2.502

9、.552.602.652.702.752.802.852.9097.2Energy (eV)Distance (m) 圖四、正常極化下(a)導電帶與(b)價電帶 圖五、反向極化下(a)導電帶與(b)價電帶 能帶結構圖 能帶結構圖01000200030004000500097.2NormalInversedDistance (m)Electron Current (A/cm2) 010002000300040005000600097.2NormalInvers

10、edHole Current (A/cm2)Distance (m) 圖六、正常與反向極化電子流分佈圖 圖七、正常與反向極化電洞流分佈圖圖八、圖九分別為比較正常與反向極化下的電子電洞濃度分佈圖。從圖中可以看到，正常極化的情況下，活性區中電子與電洞濃度明顯較高。反向極化載子濃度低，可能是因為內部電場較大，使能帶彎曲現象明顯，導致載子之侷限效果降低。另外，正常極化下，量子井結構的導電帶為靠近n-type較低，靠近p-type較高，價電帶則相反。這會使得分別從n-type與p-type注入的電子和電洞容易堆積在barrier處。而反向極化的barrier能帶彎曲方向與正常極化相反，因此電子與電洞都不

11、容易堆積在barrier。雖然正常極化的活性區內載子濃度都比較高，但是這些載子貢獻到受激再結合的量並不如反向極化的情況。如圖十所示，反向極化的受激再結合率，在三個量子井中都比正常極化的情況大很多。此外，如圖十一所示，正常極化的SRH再結合率在量子井中也明顯較反向極化大，在barrier部分正常極化也因為有較多的載子堆積，使得SRH再結合較多。由此可見反向極化的非輻射再結合較少，使得其元件性能得以提升。16.016.517.017.518.018.519.019.520.097.2NormalInversedElectron Concentratio

12、n (log/cm3)Distance (m) 16.016.517.017.518.018.519.019.520.097.2NormalInversedDistance (mm)Hole Concentration (log/cm3)圖八、正常與反向極化電子濃度比較圖 圖九、正常與反向極化電洞濃度比較圖0.00.51.01.52.02.53.097.2NormalInversedRst. (1028/cm3s)Distance (m)0.00.51.087

13、.197.2NormalInversedDistance (m)RSRH (1028/cm3s) 圖十、正常與反向極化受激再結合率圖 圖十一、正常與反向極化SRH再結合率圖CONCLUSION當元件磊晶層的原子排列方式由Ga-face轉為N-face時，自發與壓電極化方向將會相反。本文探討當極化方向相反之後，其雷射性能的差異。在我們的模擬中，當極化方向相反之後，臨界電流由原本的77.6 mA降低為44.4 mA。這是因為極化方向相反使得能帶結構產生不同的彎曲方向與彎曲程度，元件的載子溢流可以被更有效的抑制，而非輻射再結合之損失也獲得改善。ACKNOWLEDGMENTS感謝加拿大Crosslig

14、ht Software Inc.提供的LASTIP (LASer Technology Integrated Program)模擬軟體，以及國科會計畫NSC-96-2112-M-018-007-MY3給予此項研究的經費支持。REFERENCES1 U. Karrer, O. Ambacher, and M. Stutzmann, “Influence of crystal polarity on the properties of Pt/GaN Schottky diodes,” Appl. Phys. Lett., 77, pp. 2012-2014 (2000).2 Y. S. Park,

15、 H. S. Lee, J. H. Na, H. J. Kim, S. M. Si, H.-M. Kim, T. W. Kang, and J. E. Oh, “Polarity determination for GaN/AlGaN/GaN heterostructures grown on (0001) sapphire by molecular beam epitaxy,” J. Appl. Phys., 94, pp. 800-802 (2003).3 C. H. Chang, D. P. Wang, C. C. Wu, C. L. Hsiao, and L. W. Tu, “Cont

16、actless electroreflectance and photoreflectance studies of n- and p-type-doped GaN with Ga and N face,” Appl. Phys. Lett., 87, pp. 202103-1202103-2 (2005).4 R. Neuberger, G. Mller, M. Eickhoff, O. Ambacher, and M. Stutzmann, “Observation of ion-induced changes in the channel current of high electron mobility AlGaN/GaN transistors (HEMT),” Mater. Sci. Eng. B, 93,