DOI: 10.17586/1023-5086-2023-90-02-17-25

Повышение производительности лазерного диода коротковолнового ультрафиолетового излучения на основе AlGaN с помощью низколегированного двухступенчатого волновода

Khan Sajid Ullah, Niass M., Zhang Aoxiang, Wang Fang, Liou Juin Jei, Liu Yuhuai

Полный текст на elibrary.ru

Публикация в Journal of Optical Technology

Ссылка для цитирования:

Sajid Ullah Khan, Mussaab Ibrahim Niass, Zhang Aoxiang, Fang Wang, Juin J. Liou, Yuhuai Liu. Performance enhancement of AlGaN-based deep ultraviolet laser diode using two stepped-doped lower waveguide (Повышение производительности лазерного диода коротковолнового ультрафиолетового излучения на основе AlGaN с помощью низколегированного двухступенчатого волновода) [in English] // Opticheskii Zhurnal. 2023. V. 90. № 2. P. 17–25. http:doi.org/10.17586/1023-5086-2023-90-02-17-25

Sajid Ullah Khan, Mussaab Ibrahim Niass, Zhang Aoxiang, Fang Wang, Juin J. Liou, Yuhuai Liu. Performance enhancement of AlGaN-based deep ultraviolet laser diode using two stepped-doped lower waveguide (Повышение производительности лазерного диода коротковолнового ультрафиолетового излучения на основе AlGaN с помощью низколегированного двухступенчатого волновода) [на англ. языке] // Оптический журнал. 2023. Т. 90. № 2. С. 17–25. http:doi.org/ 10.17586/1023-5086-2023-90-02-17-25

Ссылка на англоязычную версию:

Sajid Ullah Khan, Mussaab Ibrahim Niass, Aoxiang Zhang, Fang Wang, Juin J. Liou, and Yuhuai Liu, "Performance enhancement of an AlGaN-based deep-ultraviolet laser diode using a two-stepped doped lower waveguide," Journal of Optical Technology. 90(2), 62-67 (2023). https://doi.org/10.1364/JOT.90.000062

Аннотация:

Предмет исследования. Повышение энергетической эффективности лазерного диода в коротковолновой части ультрафиолетового диапазона при использовании двухступенчатого волновода, образованного низколегированным кремнием. Метод. Теоретический анализ с последующим компьютерным моделированием излучательной способности лазерного диода на основе AlGaN при использовании двухступенчатого волновода, легированного кремнием. Сравнение результатов моделирования энергетической эффективности в диапазоне длин волн 269-280 нм с традиционным AlGaN лазерным диодом. Основные результаты. При использовании двухступенчатого волновода, легированного кремнием, пороговый ток генерации лазерного диода уменьшается с 0,4 А до 0,002 А, при этом пороговое напряжение уменьшается с 13,8 В до 4,24 В. Практическая значимость. Доказано улучшение характеристик лазерного диода коротковолнового ультрафиолетового излучения при замене традиционного одноступенчатого волновода двухступенчатым, легированным кремнием. Повышение энергетической эффективности определяется уменьшением потерь оптического излучения при увеличении тока инжекции «дырок» и ослаблении тока утечки электронов.

Ключевые слова:

лазерные диод, полупроводник, множественная квантовая яма, ступенчатое легирование

Список источников:

1. Zhang Z., Kushimoto M., Sakai T., Sugiyama N., Schowalter LJ., Sasaoka C., Amano H. A 271.8 nm deep-ultraviolet laser diode for room temperature operation // Applied Physics Express. 2019. V. 12. № 12. P. 124003. 10.7567/1882-0786/ab50e0.

2. Simon J., Protasenko V., Lian C., Xing H., Jena D. Polarization-induced hole doping in wide–band-gap uniaxial semiconductor heterostructures // Science. 2010. V. 327. № 5961. P. 60–64.1183226. 10.1126/science.1183226.

3. Hou Y., Zhao D., Liang F., Zhu J., Chen P., Liu Z., Yang J., Xing Y., Liu S. Performance improvement of GaN-based blue and ultraviolet double quantum well laser diodes by using stepped-doped lower waveguide // Materials Science in Semiconductor Processing. 2021. V. 121. P. 105355. 10.1016/j.mssp.2020.105355.

4. Liang F., Zhao D., Jiang D., Liu Z., Zhu J., Chen P., Yang J., Liu W., Liu S., Xing Y., Zhang L. Improvement of slope efficiency of GaN-Based blue laser diodes by using asymmetric MQW and InxGa1-xN lower waveguide // Journal of Alloys and Compounds. 2018. V. 731. № 243-247. P. 1016. 10.1016/j.jallcom.2017.09.328.

5. Jiang L., Liu J., Tian A., Cheng Y., Li Z., Zhang L., Zhang S., Li D., Ikeda M., Yang H. GaN-based green laser diodes // Journal of Semiconductors. 2016. V. 37. № 11. P. 111001. 10.1088/1674-4926/37/11/111001.

6. Lin Y.R., Liou B.T., Chang J.Y., Kuo Y.K. Polarization engineering in III-nitride based ultraviolet light-emitting diodes // InPhysics and Simulation of Optoelectronic Devices XXI. 2013. V. 8619. P. 397–402. 10.1117/12.2003779.

7. Alahyarizadeh G., Amirhoseiny M., Hassan Z. Effect of different EBL structures on deep violet InGaN laser diodes performance // Optics & Laser Technology. 2016. V. 76. P. 106–112. 10.1016/j.optlastec.2015.08.007.

8. Chen J.R., Lee C.H., Ko T.S., Chang Y.A., Lu T.C., Kuo H.C., Kuo Y.K., Wang S.C. Effects of built-in polarization and carrier overflow on InGaN quantum-well lasers with electronic blocking layers// Journal of Lightwave Technology. 2008. V. 26. № 3. P. 329–337. 10.1109/JLT.2007.909908.

9. Yang W., Li D., Liu N., Chen Z., Wang L., Liu L., Li L., Wan C., Chen W., Hu X., Du W. Improvement of hole injection and electron overflow by a tapered AlGaN electron blocking layer in InGaN-based blue laser diodes // Applied Physics Letters. 2012. V. 100. № 3. P. 031105. 10.1063/1.3678197.

10. Zhang Y., Kao T.T., Liu J., Lochner Z., Kim S.S., Ryou J.H., Dupuis R.D., Shen S.C. Effects of a step-graded AlxGa1–xN electron blocking layer in InGaN-based laser diodes // Journal of Applied Physics. 2011. V. 109. № 8. P. 083115. 10.1063/1.3581080.

11. Khan S.U., Nawaz S.M., Niass M.I., Wang F., Liu Y. Effects of the Stepped-Doped Lower Waveguide and a Doped p-Cladding Layer on AlGaN-Based Deep-Ultraviolet Laser Diodes // Journal of Russian Laser Research. 2022. V. 3. № 3. P. 1–8. 10.1007/s10946-022-10061-2.

12. Lee S.N., Cho S.Y., Ryu H.Y., Son J.K., Paek H.S., Sakong T., Jang T., Choi K.K., Ha K.H., Yang M.H., Nam O.H. High-power GaN-based blue-violet laser diodes with AlGaN/GaN multiquantum barriers // Applied physics letters. 2006. V. 88. № 11. P. 111101. 10.1063/1.2185251.

13. Xing Y., Zhao D.G., Jiang D.S., Li X., Liu Z.S., Zhu J.J., Chen P., Yang J., Liu W., Liang F., Liu S.T. Suppression of electron and hole overflow in GaN-based near-ultraviolet laser diodes // Chinese Physics B. 2018. V. 27. № 2. P. 028101. 10.1088/1674-1056/27/2/028101.

14. Zhang Z., Kushimoto M., Yoshikawa A., Aoto K., Schowalter L.J., Sasaoka C., Amano H. Continuous-wave lasing of AlGaN-based ultraviolet laser diode at 274.8 nm by current injection // Applied Physics Express. 2022. V. 15. № 4. P. 041007. 10.35848/1882-0786/ac6198.

15. Amano H., Collazo R., De Santi C., Einfeldt S., Funato M., Glaab J., Hagedorn S., Hirano A., Hirayama H., Ishii R., Kashima Y. The 2020 UV emitter roadmap // Journal of Physics D: Applied Physics. 2020. V. 53. № 50. P. 503001. 10.1088/1361-6463/aba64c.

16. Niass M.I., Zang J., Lu Z., Du Z., Chen X., Qu Y., Wang F., Liu Y. Structure optimization of 266 nm Al_0.53GaN/Al_0.75GaN SQW duv-laser diode // Journal of Crystal Growth. 2019. V. 506. P. 24–29. 10.1016/j.jcrysgro.2018.09.038.

17. Nawaz S.M., Niass M.I., Wang Y., Xing Z., Wang F., Liu Y. Enhancement of the optoelectronic characteristics of deep ultraviolet nanowire laser diodes by induction of bulk polarization charge with graded AlN composition in AlxGa1-xN waveguide // Superlattices and Microstructures. 2020. V. 145. P. 106643. 10.1016/j.spmi.2020.106643.