諧振腔增強(qiáng)帶間級聯(lián)中紅外發(fā)光二極管的設(shè)計(jì)研究

基于帶間級聯(lián)結(jié)構(gòu)的中紅外發(fā)光二極管（LED）器件以其高的輸出功率和提取效率得到了越來越多的關(guān)注，并廣泛用于氣體探測器的中紅外光源中。諧振腔結(jié)構(gòu)也是提高中紅外LED提取效率的一種有效方法。諧振腔發(fā)光二極管（RCLED）是通過將LED置于由兩個(gè)分布式布拉格反射鏡（DBR）組成的法布里-珀羅微腔（FP腔）內(nèi)實(shí)現(xiàn)的。其增強(qiáng)原理是利用諧振腔的諧振效應(yīng)，光波在諧振腔內(nèi)來回反射形成駐波，抑制非諧振波長，使諧振波長的光盡可能多地從出射角范圍內(nèi)發(fā)射出來。諧振腔結(jié)構(gòu)已經(jīng)成功應(yīng)用于可見光和近紅外波段的LED，可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)22%的提取效率。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，國科大杭州高等研究院和中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所的科研團(tuán)隊(duì)在《紅外與毫米波學(xué)報(bào)》期刊上發(fā)表了以“諧振腔增強(qiáng)帶間級聯(lián)中紅外發(fā)光二極管的研究”為主題的文章。該文章第一作者為張旺霖，主要從事帶間級聯(lián)光電子器件方面的研究工作；通訊作者為周易。

本文將帶間級聯(lián)結(jié)構(gòu)和諧振腔結(jié)構(gòu)結(jié)合起來一體化設(shè)計(jì)。通過對結(jié)構(gòu)中DBR周期數(shù)、腔長、有源區(qū)位置等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到了諧振腔LED輸出功率、遠(yuǎn)場分布等性能參數(shù)，確定了最優(yōu)的多級諧振腔帶間級聯(lián)LED結(jié)構(gòu)。然后結(jié)合已生長的5級帶間級聯(lián)器件的測試結(jié)果，仿真了其生長諧振腔結(jié)構(gòu)后主要性能參數(shù)的變化。

器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

器件的基本結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示，其中帶間級聯(lián)LED的基本結(jié)構(gòu)如下：InAs/GaAsSb超晶格材料為有源區(qū)，GaAsSb/AlAsSb超晶格材料為隧穿區(qū)，InAs/AlAsSb多量子阱材料為電子注入?yún)^(qū)，隧穿區(qū)和電子注入?yún)^(qū)同時(shí)作為電子和空穴勢壘，阻擋載流子直接從一個(gè)有源區(qū)運(yùn)動(dòng)到另外一個(gè)有源區(qū)，增大輻射復(fù)合速率，詳細(xì)結(jié)構(gòu)見文獻(xiàn)。將襯底完全去除，兩側(cè)分別生長金屬Au與ZnS/Ge DBR形成諧振腔，Au在全波段擁有良好的全反射特性，所以將其當(dāng)作諧振腔的底部反射鏡；頂部DBR使用ZnS和Ge兩種折射率相差較大的材料交替生長而成。通過調(diào)節(jié)帶間級聯(lián)LED各結(jié)構(gòu)的厚度來調(diào)整腔長，從而調(diào)整諧振波長，同時(shí)與LED的自發(fā)輻射形成耦合。

CO?氣體探測器的紅外光源需要4.2 μm的紅外光源，本文以峰值波長為4.2 μm的RCLED為例，通過有限元方法進(jìn)行計(jì)算仿真，分析諧振腔的設(shè)計(jì)參數(shù)對LED輸出功率的影響。如圖1（b），使用電偶極子放置在諧振腔內(nèi)正中央來模擬LED的自發(fā)輻射，其自發(fā)輻射波長為4.2 μm。仿真區(qū)域?yàn)?×6 μm2，在外層加上完美匹配層用來模擬無限大的器件。帶間級聯(lián)LED的有源區(qū)為InAs/GaAsSb Ⅱ類超晶格材料，折射率為3.6，ZnS和Ge在中紅外波段的折射率分別為2.2和4。

圖1 結(jié)構(gòu)示意圖：（a）諧振腔帶間級聯(lián)LED結(jié)構(gòu)示意圖；（b）諧振腔LED仿真結(jié)構(gòu)示意圖

我們對無諧振腔結(jié)構(gòu)的單級LED器件進(jìn)行了仿真和對比。單個(gè)有源區(qū)被放置在一塊半導(dǎo)體材料中，偶極子放在相同的位置，該結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體材料下面添加一層完美匹配層，以模擬底部無限長的半導(dǎo)體的輻射。將該結(jié)構(gòu)的輻射功率作為參考基準(zhǔn)，定義一個(gè)參數(shù)輻射增強(qiáng)因子G(λ)，表示特定波長下，只有一個(gè)偶極子作為光源時(shí)，有無諧振腔結(jié)構(gòu)的器件輸出功率之比：G(λ)=P(λ)/P?(λ)。其中P(λ)為有諧振腔結(jié)構(gòu)的LED輸出功率，P?(λ)為無諧振腔結(jié)構(gòu)的LED輸出功率。

結(jié)果和分析

本文仿真了DBR的周期數(shù)、諧振腔腔長、光源在腔中位置對諧振腔LED輸出功率的影響，并確定了器件的相關(guān)參數(shù)。

DBR周期數(shù)對諧振腔LED輸出功率的影響

DBR由ZnS/Ge周期性交疊生長而成，且每層膜的光學(xué)厚度均為λ/4，即：nHdH=λ/4，nLdL=λ/4。其中，nH、nL分別為兩種材料的折射率，dH、dL分別為兩種材料的厚度。DBR中心波長的反射率主要與材料折射率和DBR周期數(shù)有關(guān)。

不同周期數(shù)DBR會(huì)影響諧振腔上反射鏡的反射率，從而改變諧振腔LED的輻射強(qiáng)度。圖2（a）計(jì)算了DBR周期數(shù)從1至7時(shí)，DBR的中心波長反射率變化和腔長為λ/2的器件輻射增強(qiáng)因子G變化?？梢钥吹剑珼BR的中心波長反射率會(huì)隨著周期數(shù)的增大而增大，增大的幅度趨向緩慢。而器件的輻射增強(qiáng)因子會(huì)隨著DBR周期數(shù)的增大而減小，在DBR周期數(shù)為1時(shí)，諧振腔的增強(qiáng)效果最好。

圖2（a）腔長為λ/2時(shí)，DBR反射率和輻射增強(qiáng)因子G隨DBR周期數(shù)的變化；（b）與R1、R2之間的關(guān)系

諧振腔腔長對諧振腔LED輸出功率的影響

諧振腔的腔長會(huì)顯著影響器件的縱模分布。通過仿真計(jì)算不同厚度條件下形成穩(wěn)定諧振的縱模波長，使其諧振波長為4.2 μm。本文設(shè)計(jì)了腔階m為1、2、3和4的四種結(jié)構(gòu)，即腔長為λ/2、λ、3λ/2、2λ，得到這四種結(jié)構(gòu)在諧振波長為4.2 μm時(shí)，諧振腔的腔長分別為0.578 μm、1.165 μm、1.754 μm和2.342 μm。圖3給出了m=1和m=2兩種結(jié)構(gòu)的折射率以及電場分布。可以發(fā)現(xiàn)，在諧振腔內(nèi)部，腔內(nèi)電場強(qiáng)度波峰數(shù)量等于腔階m。

圖3 不同腔長下的諧振腔內(nèi)部電場強(qiáng)度分布：（a）λ/2；（b）λ

圖4（a）給出了腔階m=2（即腔長為λ）時(shí)，諧振腔LED的輸出功率隨偶極子位置的變化圖，可以看到，輸出功率最大值時(shí)偶極子所在的位置與圖3（b）中電場強(qiáng)度最大值的位置重合。因此，光源在電場強(qiáng)度波峰處可以使諧振腔的增強(qiáng)效果最大。四種結(jié)構(gòu)的第一個(gè)波峰位置均在距離Au表面0.28 μm處，將偶極子放置在這個(gè)位置進(jìn)行仿真，可以模擬出諧振腔結(jié)構(gòu)對LED的增強(qiáng)作用。圖4（b）給出了輻射增強(qiáng)因子隨腔階m的變化圖，在諧振波長4.2 μm處，四種腔長結(jié)構(gòu)的輻射增強(qiáng)因子分別為37.53、26.18、19.26和13.90。

隨著腔長的增加，輻射增強(qiáng)因子逐漸減小且輻射增強(qiáng)因子大小與腔階m近似成反比。模式計(jì)數(shù)法可以在理論上解釋這個(gè)規(guī)律。在理想的諧振腔中，提取效率為：η=1 m，提取效率與腔階m成反比，所以在腔階m=1，腔長為λ/2時(shí)提取效率最大，輻射增強(qiáng)因子也最大。由式（1）可以知道，在理想情況下，腔長最小為λ/2時(shí)，輻射增強(qiáng)因子最大。但這種情況下由于腔長太小，腔中的有源區(qū)和金屬之間的距離很短，從偶極子到金屬之間的非輻射性能量轉(zhuǎn)移，會(huì)造成很大的損耗，導(dǎo)致腔階m=1時(shí)的實(shí)際輻射增強(qiáng)因子會(huì)偏小。

圖4 （a）腔長為λ時(shí)，諧振腔LED輸出功率與偶極子在腔內(nèi)位置的關(guān)系；（b）輻射增強(qiáng)因子G與腔階m的關(guān)系

當(dāng)m>1時(shí)，諧振腔內(nèi)部的電場強(qiáng)度會(huì)存在多個(gè)波峰，而帶間級聯(lián)結(jié)構(gòu)LED本身就有多個(gè)有源區(qū)，因此可以通過帶間級聯(lián)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，調(diào)節(jié)各區(qū)域的厚度，使帶間級聯(lián)的每一級有源區(qū)均處于各個(gè)波峰處。例如腔階為m的諧振腔LED結(jié)構(gòu)，腔內(nèi)部可以生長m級帶間級聯(lián)結(jié)構(gòu)，這樣就可以得到最大的輸出功率。

通過仿真計(jì)算獲得了四種腔長（m=1、2、3、4）的帶間級聯(lián)諧振腔結(jié)構(gòu)總輻射增強(qiáng)因子。帶間級聯(lián)LED的有源區(qū)為非相干面源，腔階m>1的結(jié)構(gòu)中會(huì)有多個(gè)光源，將每個(gè)光源的輸出功率都單獨(dú)仿真計(jì)算最后進(jìn)行相加。從圖5中可以看到，當(dāng)m=1時(shí)，在諧振波長處總輻射增強(qiáng)因子較小，為37.53。而當(dāng)m>2時(shí)，在諧振波長處總輻射增強(qiáng)因子相近，約為55。腔階m為1和2時(shí)，有源區(qū)和金屬之間的距離很短，存在很大損耗，而當(dāng)腔階m為3時(shí)，損耗減小，輻射增強(qiáng)因子達(dá)到最大。繼續(xù)增加級數(shù)總輻射增強(qiáng)因子不會(huì)增加，但會(huì)增加器件的厚度，導(dǎo)致器件的開啟電壓、串聯(lián)電阻增大，損失發(fā)光效率。因此諧振腔增強(qiáng)的帶間級聯(lián)LED可以設(shè)計(jì)為3級，相比于不加諧振腔的單級結(jié)構(gòu)，輸出功率理論上可提高55倍。

圖5還仿真了不同周期數(shù)DBR結(jié)構(gòu)下的總輻射增強(qiáng)因子與腔長m的關(guān)系。從圖5中的結(jié)果可以看到，DBR周期數(shù)為1時(shí)，總輻射增強(qiáng)因子是周期數(shù)為0（無DBR）結(jié)構(gòu)的4倍左右。即在理論上，文獻(xiàn)中的結(jié)構(gòu)去掉襯底并生長上DBR形成諧振腔后，輸出功率可以提高約4倍。而DBR周期數(shù)為2時(shí)，總輻射增強(qiáng)因子約為25，低于1個(gè)周期DBR結(jié)構(gòu)的總輻射增強(qiáng)因子。

圖5 不同DBR周期下，總輻射增強(qiáng)因子G與腔階m的關(guān)系

諧振腔對LED輻射遠(yuǎn)場分布的影響

諧振腔可以調(diào)節(jié)LED的自發(fā)輻射的遠(yuǎn)場分布，讓自發(fā)輻射光子的優(yōu)先傳播方向產(chǎn)生改變，從而使光輻射中心的角功率分布發(fā)生改變，讓更多的光進(jìn)入輻射立體角內(nèi)，使其比無諧振腔結(jié)構(gòu)具有更好的光束方向性。圖6給出了腔長為3λ/2器件的發(fā)光波長為4.2 μm時(shí)，有無諧振腔結(jié)構(gòu)的遠(yuǎn)場強(qiáng)度分布圖，可以看到加諧振腔前器件輻射的光束發(fā)散角的半峰全寬為92°，而加諧振腔之后，器件輻射的光束發(fā)散角的半峰全寬減小為52°。

圖6 遠(yuǎn)場強(qiáng)度分布：（a）無諧振腔；（b）有諧振腔

諧振腔對LED發(fā)光光譜的影響

前期生長并測試了5級的帶間級聯(lián)LED結(jié)構(gòu)，在室溫下，注入電流為100 mA時(shí)，峰值波長為4.39 μm，半峰寬為710 nm，器件的最大輻射達(dá)到0.73 W·cm?2·Sr?1。結(jié)合該器件發(fā)光性能的測試結(jié)果，在加上諧振腔結(jié)構(gòu)之后，考慮到實(shí)際器件存在波長展寬，圖7給出了諧振腔結(jié)構(gòu)的總輻射增強(qiáng)因子隨波長分布以及RCLED 輻射光譜的仿真結(jié)果。RCLED有源區(qū)自發(fā)輻射出來的光子會(huì)被限制在諧振腔的光模（即諧振波長）中，其他波長的輻射會(huì)被抑制。在諧振波長處，總輻射增強(qiáng)因子達(dá)到最大，其他波長的輻射增強(qiáng)因子較小。通過仿真得到峰值波長的輻射功率可以提高11.7倍，全波段積分輻射功率可以提高5.43倍，器件的輻射波長半峰寬減小為110 nm，變窄了6.45倍。

圖7 （a）輻射增強(qiáng)因子G隨波長的分布；（b）300 K時(shí)，RCLED的輻射光譜

此外，使用本文的仿真計(jì)算模型，對已報(bào)道的諧振腔LED器件的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行仿真計(jì)算。如表1所示，峰值波長處的輻射增強(qiáng)因子的仿真結(jié)果為2.9，與文獻(xiàn)報(bào)道中給出的測試結(jié)果有較高的吻合度，驗(yàn)證了仿真模型的準(zhǔn)確性。

表1 已報(bào)道的RCLED器件仿真與測試值對比

結(jié)論

使用有限元分析的方法進(jìn)行仿真，將帶間級聯(lián)結(jié)構(gòu)與諧振腔的輻射增強(qiáng)特點(diǎn)結(jié)合起來，設(shè)計(jì)了諧振腔帶間級聯(lián)LED結(jié)構(gòu)。仿真結(jié)果表示，用單個(gè)周期的ZnS/Ge DBR做為諧振腔上反射鏡時(shí)，諧振腔的輸出功率最大。當(dāng)有源區(qū)置于諧振腔內(nèi)部電場強(qiáng)度波峰處，諧振效應(yīng)達(dá)到最大。諧振腔對單級LED的輻射增強(qiáng)效果與腔長成反比，但是在腔階m為1和2時(shí)存在非輻射性能量轉(zhuǎn)移導(dǎo)致的損耗，會(huì)降低諧振腔的增強(qiáng)效果。結(jié)合帶間級聯(lián)結(jié)構(gòu)的多個(gè)有源區(qū)，當(dāng)級聯(lián)級數(shù)為3時(shí)，其總輻射增強(qiáng)因子達(dá)到最大，繼續(xù)增加級數(shù)總輻射增強(qiáng)因子不會(huì)增加。

因此使用3級諧振腔帶間級聯(lián)結(jié)構(gòu)為最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案，此時(shí)輸出功率能增加18.3倍，達(dá)到約55級無諧振腔帶間級聯(lián)LED輸出功率。同時(shí)，諧振腔能使LED輻射的光束發(fā)散角從92°減小到52°。針對前期已制備的5級帶間級聯(lián)LED器件，在增加諧振腔結(jié)構(gòu)之后，通過仿真可以使得峰值波長輻射功率增強(qiáng)約11.7倍，全波段積分輻射可以增強(qiáng)約5.43倍，光譜半峰寬變窄6.45倍。設(shè)計(jì)的諧振腔帶間級聯(lián)LED結(jié)構(gòu)具有高輻射功率、窄光譜線寬、小的光束發(fā)散角等特點(diǎn)，在氣體傳感器的紅外光源的應(yīng)用中具有廣泛的應(yīng)用前景。

審核編輯：劉清