利用P型氮化镓（BGaN）优化孔洞传输，以实现266.1纳米深紫外激光二极管的性能

《Micro and Nanostructures》：Optimizing Hole Transport with P-type BGaN for 266.1 nm Deep-UV Laser Diodes

本研究提出通过优化硼掺杂电子阻挡层（EBL）的梯度结构，显著提升了266.1 nm深紫外激光二极管（LD）的性能。实验表明，采用B0.60-0.70GaN/B0.55Ga0.45N/B0.70-0.60GaN三区硼梯度EBL结构，使LD在80 mA注入电流下实现105.7 mW输出功率，阈值电流降至23.7 mA，阈值电压4.6 V，斜率效率达1.88 W/A，较传统AlGaN EBL提升13.8%。数值模拟显示，梯度EBL使载流子浓度提升12.8%，有效导带势垒增加40 meV，光学 confinement因子达23%，有效抑制电子泄漏并增强量子阱区辐射复合。

　　深紫外（Deep Ultraviolet, DUV）激光二极管作为一种新型的半导体器件，因其能够产生在深紫外波段（通常指波长小于280纳米的光）的特性，被广泛应用于工业、生物传感、医疗诊断、水净化、空气净化以及有害物质处理等多个领域。然而，这类激光二极管在实际应用中面临一个关键挑战，即电子泄漏问题。电子泄漏不仅会降低量子阱中的载流子浓度，还会影响辐射复合效率，进而导致激光阈值电流增加，限制了其性能表现。为了解决这一问题，本研究提出了一种改进方案，通过优化电子阻挡层（Electron Blocking Layer, EBL）的结构，特别是在EBL中引入硼（B）梯度分布，以提升DUV激光二极管的性能。

在传统的DUV激光二极管设计中，电子阻挡层通常由高铝含量的AlGaN材料构成，其主要功能是阻止电子从p型区向n型区扩散，从而增强载流子的注入效率。然而，由于铝含量的增加，材料的晶格失配问题变得尤为突出，这不仅影响了器件的生长质量，还可能引发严重的缺陷，进而降低器件的电性能和光学性能。此外，镁（Mg）掺杂在p型区中存在较高的激活能，导致其在实际应用中难以有效实现p型导电性，进一步加剧了电子泄漏的问题。因此，如何有效控制电子泄漏，同时提升载流子的注入效率，成为提升DUV激光二极管性能的关键。

本研究提出了一种基于硼梯度分布的电子阻挡层结构，将硼掺杂的BGaN层嵌入到传统的EBL结构中，从而形成一个更有效的载流子阻挡机制。具体而言，该设计采用了一种梯度变化的EBL结构，其中p型EBL由B_0.60-0.70GaN和B_0.55Ga_0.45N交替组成，最终过渡到B_0.70-0.60GaN。这种结构不仅能够有效地减少电子的溢出，还能通过降低有效价带势垒高度，提升空穴的注入效率。由于空穴在量子阱中的注入效率直接影响激光的辐射复合过程，因此这种结构设计在提升DUV激光二极管的输出功率和斜率效率方面具有显著优势。

实验结果表明，采用该硼梯度分布EBL结构的激光二极管在注入电流为80 mA时，能够实现高达105.7 mW的输出功率，斜率效率提升至38.4%。这表明，通过优化EBL的势垒高度，不仅能够有效抑制电子泄漏，还能显著提升载流子的注入效率，从而改善激光二极管的整体性能。此外，该设计还降低了激光二极管的阈值电流和阈值电压，分别达到23.7 mA和4.6 V，比传统结构提升了9%。这些改进不仅有助于提升器件的运行效率，还能够降低其能耗，提高在实际应用中的稳定性。

在载流子浓度方面，该设计表现出明显的优势。通过引入硼梯度分布的EBL，激光二极管中的电子浓度显著提高，达到了8.6 × 10¹⁸ cm^-3，而空穴浓度也相应增加至8.9 × 10¹⁸ cm^-3。这种浓度的提升有助于增强激光二极管的辐射复合效率，从而提高其输出功率。同时，由于电子的泄漏被有效抑制，量子阱中的载流子分布更加均匀，减少了因电子溢出而导致的非辐射复合过程，进一步提升了激光的性能。

在光学性能方面，该设计同样表现出显著的提升。通过优化EBL的势垒高度，激光二极管的光增益和光场约束因子得到了改善。计算结果显示，采用该结构的激光二极管在266.1纳米波长处实现了高达1580的净增益，且光场约束因子达到了23%，这比传统结构的光场约束因子更高。光场约束因子的提升意味着更多的光子被限制在量子阱中，从而减少了光场的泄漏，提高了激光的输出效率。此外，该结构还降低了激光二极管内部的电场强度，使得空穴在通过EBL时的能量损失减少，进一步提升了器件的性能。

为了验证这些设计的可行性，研究团队使用了Crosslight软件进行了一系列的光电特性模拟。通过求解泊松方程、电流连续性方程以及漂移-扩散模型，团队能够准确预测激光二极管在不同结构下的电性能表现。同时，结合Adachi折射率模型，对激光二极管的光学特性进行了模拟分析。这些模拟结果与实验数据高度一致，证明了该设计在提升DUV激光二极管性能方面的有效性。

在实际应用中，这种硼梯度分布的EBL结构不仅能够提高激光二极管的输出功率和斜率效率，还能够降低其运行所需的电流和电压，从而延长器件的使用寿命。此外，由于该结构减少了电子泄漏和非辐射复合过程，使得激光二极管在长时间运行过程中能够保持较高的稳定性和可靠性。这些优势使得该设计在生物传感、医疗诊断、水净化、空气净化以及有害物质处理等领域具有广阔的应用前景。

本研究的创新点在于通过引入硼梯度分布的EBL结构，解决了传统DUV激光二极管中存在的电子泄漏和载流子注入效率低的问题。这种结构设计不仅提升了激光二极管的光学性能，还优化了其电性能，使得器件在低电流和低电压下能够实现更高的输出功率。此外，该设计还通过减少电子的溢出和非辐射复合过程，提高了激光的辐射效率，为未来DUV激光二极管的发展提供了新的思路和方向。

在研究过程中，团队还对多种EBL结构进行了对比分析。例如，D-(B)结构采用了一种铝梯度分布的EBL，通过降低EBL中的电子泄漏，提升了空穴的注入效率。而D-(C)结构则进一步优化了EBL的设计，引入了硼梯度分布，使得电子和空穴的注入效率都得到了显著提升。这些结构的对比分析不仅验证了硼梯度分布EBL设计的有效性，还为后续的研究提供了重要的参考依据。

综上所述，本研究通过引入硼梯度分布的电子阻挡层结构，有效解决了传统DUV激光二极管中存在的电子泄漏和载流子注入效率低的问题。该设计在提升激光二极管的输出功率、斜率效率、光场约束因子以及降低阈值电流和电压方面表现出色，为未来深紫外激光二极管的优化和应用提供了重要的技术支持。随着研究的深入和技术的进步，这种结构设计有望在更多领域中得到应用，推动深紫外激光技术的发展。