楊啟偉,李建軍

(北京工業(yè)大學(xué)信息學(xué)部，光電子技術(shù)教育部重點實驗室，北京 100124)

引言

LED光源具有高亮度、低功耗、體積小、使用壽命長等優(yōu)點。具有高亮度、低功耗的高性能LED已成為汽車遠近光燈、交通信號指示燈、液晶顯示屏、紅外監(jiān)控、集成電路顯示、野外探照、戶外全彩顯示、智能產(chǎn)品背光源、生物農(nóng)業(yè)光照、集成光子計算以及光纖傳送數(shù)字通信的核心器件[1],特別是在照明領(lǐng)域，LED已經(jīng)取代白熾燈成為照明的主流光源。隨著LED效率的提高，LED的應(yīng)用領(lǐng)域也不斷拓展，并且市場滲透率逐步提升。

目前，相對于GaN基的藍綠光LED，AlGaInP基紅光LED的發(fā)光效率不夠高。LED的發(fā)光效率通常指的是外量子效率，是其內(nèi)量子效率與光提取效率的乘積。雖然利用量子阱和異質(zhì)結(jié)設(shè)計有源區(qū)能夠使紅光LED的內(nèi)量子效率接近理論極限100%，但是結(jié)構(gòu)未經(jīng)優(yōu)化的紅光LED光提取效率只有2%左右。造成紅光LED外量子效率低的主要原因如下：1)各向同性自發(fā)輻射限制了光提取效率。注入到有源區(qū)中的電子和空穴以自發(fā)輻射的形式復(fù)合發(fā)光，而自發(fā)輻射在空間各個方向的強度分布是相同的，由于出射光臨界角的問題，只有在光提取角范圍內(nèi)的光才能出射到器件外面，從而限制了LED的光提取效率;2)電極對光具有遮擋作用。電流從P電極注入，在有源區(qū)中的電子和空穴以自發(fā)輻射的形式復(fù)合發(fā)光，而位于P電極下方的有源區(qū)輻射所出的光被不透光電極遮擋，難以出射到器件外，降低了LED的光提取效率;3)電流擴展不均勻。常規(guī)LED主要靠電流的橫向擴展進入有源區(qū)，擴展電流在有源區(qū)輻射復(fù)合出光，但是由于電流橫向擴展不均勻，從而使得光提取效率不高；4)側(cè)壁很少出光。普通LED水平寬度是垂直厚度的100多倍，大部分光從頂部出射，側(cè)壁出光通常忽略不計;5)襯底對光有很強的吸收作用。有源區(qū)輻射復(fù)合射出的光，由于襯底不透明，射向襯底的光會被襯底吸收。

為解決上述紅光LED存在的問題，采用諧振腔發(fā)光二極管(Resonant Cavity Light-emitting Diode, RCLED)結(jié)構(gòu)是一種有效的途徑。1946年，Purcell等[2]預(yù)言了輻射源所處的電磁環(huán)境能改變其自發(fā)輻射特性。將輻射源置于尺寸在波長量級的腔中，則其在腔諧振模式處的自發(fā)輻射得到增強，反之則會受到抑制。在20世紀90年代初，光腔的概念開始進入LED的世界，它的應(yīng)用使得LED的外量子效率得到了一個質(zhì)的飛躍，器件的發(fā)光效率大為提高[3]。RCLED又被稱為微腔發(fā)光二極管(Microcavity Light-emitting Diode，MCLED)，這個概念在1992年被貝爾實驗室的Schubert等[4]首次提出。他們根據(jù)Fabry-Ferot(F-P)腔理論提出了一種新型LED結(jié)構(gòu)——諧振腔發(fā)光二極管(RCLED)。1993年，制造出第一個紅光RCLED，但效率非常低僅有1%左右[5]，隨后經(jīng)過不斷的發(fā)展，2000年，Peter Bienstman等[6]提出了一種RCLED的改進結(jié)構(gòu)，RC2LED,形成諧振腔反射(RCR)。2001年，Gray等[7]在這個基礎(chǔ)上將效率提高到4%。2002年，Delbeke等將光柵輔助(Grating Assisted，GA)結(jié)構(gòu)生長在RCLED上，制作出所謂的“GA-RCLED”。 同年，Chiou等通過減少Q(mào)Ws的數(shù)目，使得RCLEDs調(diào)制速度獲得了明顯提高。2008年，Lei等[8]利用絕緣介質(zhì)材料反射鏡(DDBR)，利用高反射率形成的諧振腔，使得650 nm的紅光RCLED光功率和光增益都有提高，外量子效率達到6.2%。2009年，Michael等[9]通過MOCVD制造出了量子點微腔(QD-MC)LED，在600～650 nm紅光波段AlGaInP RCLED的外量子效率已經(jīng)超過10%。

與傳統(tǒng)平面LED相比，RCLED有以下優(yōu)點：1)光譜線寬較窄，RCLED 有源區(qū)的自發(fā)發(fā)射限制在微腔光場模式中，因此相比傳統(tǒng)平面LED光譜線寬可以更窄，單色性更好，20 mA下光譜半峰全寬(Full Width at Half Maximum，F(xiàn)WHM)僅有十幾個納米；2)光輸出方向性好，共振腔的干涉效應(yīng)使得器件光輸出的方向性好、發(fā)散角小，與光纖的耦合效率更高；3)具有高亮度、高效率的特點。RCLED和VCSEL都是具有DBR諧振腔的光發(fā)射器件，它們結(jié)構(gòu)的不同之處是兩者的DBR對數(shù)有差異。兩者都是垂直于腔面出光，但發(fā)光原理不同，前者是自發(fā)發(fā)射，后者是需要達到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)才能起振的受激發(fā)射。與VCESL相比，RCLED優(yōu)勢有：1)VCSEL有閾值電流限制，而RCLED不需要達到閾值條件就可激射，所需驅(qū)動電流較??；2)RCLED工藝相對簡單，提高了工業(yè)產(chǎn)量，且成本較低；3)相比VCSEL對溫度敏感的缺點，RCLED具有更好熱穩(wěn)定性。

本文對紅光RCLED的研究報道進行了分析與總結(jié)，詳細介紹了高效率紅光RCLED，面向POF的紅光RCLED以及Micro-RCLED的研究進展，為之后紅光RCLED的研究提供了理論和實驗指導(dǎo)。

1 RCLED基本原理

1.1 RCLED基本結(jié)構(gòu)

RCLED的基本結(jié)構(gòu)主要由上下布拉格反射鏡與有源區(qū)三部分組成，如圖1所示。上下布拉格反射鏡(DBR)形成厚度為1λ的F-P光學(xué)諧振腔。電子和空穴在有源區(qū)中自發(fā)輻射產(chǎn)生光子。光在諧振腔內(nèi)沿諧振腔往返振蕩，根據(jù)微腔效應(yīng)，腔使內(nèi)部真空電磁場模式密度發(fā)生改變，增大了腔模選定波長的模式密度，抑制了其他模式密度。根據(jù)干涉效應(yīng)，諧振腔可以讓自發(fā)輻射光子的優(yōu)先傳播方向發(fā)生改變。從而使光輻射中心的角功率分布發(fā)生改變，讓更大部分的光進入輻射立體角內(nèi)，使其能夠比無腔結(jié)構(gòu)具有更好光束的方向性、光斑對稱性，從而達到提高器件耦合效率的目的。

圖1 RCLED基本結(jié)構(gòu)Fig.1 Basic structure of RCLED

1.2 Fabry-Perot(F-P)微腔原理

光學(xué)微腔是指具有高品質(zhì)因數(shù)且腔尺寸大小與諧振腔波長數(shù)量級相同的光學(xué)微型諧振腔。F-P微腔應(yīng)用最為廣泛。它是由兩個反射鏡與夾在中間的波導(dǎo)介質(zhì)組成。圖2為RCLED的基本原理圖,其中ns是有源區(qū)材料的折射率，ns+1及以上和ns-1及以下分別是上、下DBR之中每一層的折射率，next是DBR以外材料折射率，r1為上DBR反射率，r2為下DBR反射率，要保證有源區(qū)產(chǎn)生的光從頂部出射，必須滿足r1

(1)

其中ξ為駐波波腹增強因子，在有源層放置恰當(dāng)時一般為ξ=2，τ和τcav分別為自由空間的自發(fā)輻射壽命和諧振腔中自發(fā)輻射壽命。

采用微腔結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了器件發(fā)光強度的增強、光譜純度的提高、方向性的優(yōu)化以及內(nèi)量子效率的提升等一系列腔量子電動力學(xué)效應(yīng)[10]。

圖2 RCLED原理圖Fig.2 RCLED schematic diagram

1.3 DBR理論

DBR是一種多層薄膜反射器，由厚度為λ/4的不同折射率的材料交替排列組成。由于折射率不同，在每個界面都會發(fā)生Fresnel反射。通常由于兩種材料的折射率差比較小，因此在每個界面發(fā)生的Fresnel反射都不很顯著。兩種材料選擇合適的厚度，可以使所有反射波都實現(xiàn)相長干涉。在垂直入射情況下，當(dāng)材料薄膜厚度為1/4光波長時，就會發(fā)生相長干涉。

DBR的選擇需要滿足三個條件：1)所選DBR材料要與有源區(qū)和襯底晶格相匹配；2)為獲得更高的反射率，DBR材料需要對輻射的光波段透明；3)若為電流路徑，DBR材料需導(dǎo)電。

2 紅光RCLED

2.1 高效率紅光RCLED

為進一步提高紅光LED的效率，北京工業(yè)大學(xué)光電子技術(shù)實驗室基于RCLED，從結(jié)構(gòu)設(shè)計到工藝制作再到性能優(yōu)化等方面進行了探索與研究。2010年制作出ITO透明窗口層RCLED。如圖3所示，兩個樣品輸出的光功率都是首先隨注入電流的增大而增加,當(dāng)電流大于一定值以后,由于熱效應(yīng)使得器件的發(fā)光效率降低,光輸出功率隨注入電流的增加而減小。對樣品1(有ITO)，當(dāng)注入電流為18 mA時光輸出功率達到最大值，為0.72 mW，而對于樣品2(無ITO)，由于電光轉(zhuǎn)換效率低，當(dāng)注入電流為15 mA時光輸出功率就達到了最大值，僅為0.36 mW。表面有ITO的樣品1的最大光輸出功率是表面無ITO的樣品2的兩倍。這主要是由于表面ITO的引入一方面增加了電流的橫向擴展，另一方面有利于光的增透出射。

圖3 樣品光功率隨注入電流變化曲線Fig.3 Variation curve of sample optical power with injection current

測試結(jié)果表明，有ITO的器件熱特性得到改善，輸出功率得到提高，表面有ITO的器件最大光輸出功率是表面無ITO的器件的兩倍。由于RCLED缺乏電流鋪展層，諧振腔發(fā)光二極管的性能和特性容易受到P型電極形狀的影響，2011年研究了2種形狀的P電極對諧振腔發(fā)光特性的影響。如圖4所示，A為單環(huán)電極，B為雙環(huán)電極，通過對比單環(huán)與雙環(huán)P電極的RCLED電學(xué)和光學(xué)特性，測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)采用單環(huán)電極的RCLED設(shè)備可靠性高，熱效應(yīng)大，在低電流注入下光輸出功率大。

圖4 RCLED的光輸出功率與偏置電流的關(guān)系Fig.4 Relationship between optical output power and bias current of RCLED

同年，課題組為使電流分布更加均勻，電極采用網(wǎng)格形狀，如圖5所示，該P面網(wǎng)格電極焊點尺寸為100 μm，網(wǎng)格寬為4.5 μm。

圖5 用于高效率RCLED的網(wǎng)格電極Fig.5 Grid electrode for high efficiency RCLED

制備了4個樣品，分別編號為RC-1、RC-2、RC-3、RC-4。每個樣品的下DBR為34對n型AlAs/Al0.5Ga0.5As，上DBR的對數(shù)均為6對，不同之處在于DBR材料組分不一樣，材料均為p型AlAs/AlxGa1-xAs。有源區(qū)不同，RC-1由兩個有源區(qū)組成，F(xiàn)-P腔厚為2λ；RC-2、RC-3、RC-4的有源區(qū)由3個(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P/Ga0.5In0.5p量子阱組成，有源區(qū)與上下包層組成標(biāo)準(zhǔn)的厚度為1λ諧振腔。RC-2的包層為(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P，其他三個樣品的包層均為(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Po對4種樣品的光電輸出特性進行了測試分析，如圖6所示。

圖6 20 mA注入電流下光輸出功率的對比圖Fig.6 Comparison of optical output power under 20 mA injection current

實驗表明多有源區(qū)樣品RC-1的最大光輸出功率達到了3.47 mW，平均光輸出功率3.4 mW。作為單有源區(qū)的RC-4，在20 mA驅(qū)動電流下，平均光輸出功率達到了3.22 mW。

由于電極下方的電流密度過大，在小注入電流下，這部分輻射復(fù)合發(fā)出的光很大一部分被電極吸收不能發(fā)射出體外，從而影響了外量子效率。故課題組采用對兩種電極結(jié)構(gòu)分別引入阻擋層，同時制作相應(yīng)不帶有阻擋層的器件進行對比。電極結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 用于高效率RCLED的萬字型和網(wǎng)格電極Fig.7 Wanzi and grid electrodes for high efficiency RCLED

網(wǎng)格電極和萬字型電極制作了兩種RCLED結(jié)構(gòu)。網(wǎng)格電極分別是沒有阻擋層的常規(guī)650 nm RCLED，記作A，帶有阻擋層的650 nm RCLED，記作B;萬字型電極分別是帶有阻擋層的650 nm RCLED，記為A,無阻擋層的常規(guī)650 nm RCLED，記為B。測試結(jié)果如圖8所示。

圖8 光輸出功率與注入電流的關(guān)系圖Fig.8 Relationship between optical output power and injection current

實驗表明在20 mA注入電流下網(wǎng)格電極下引入阻擋層能很大程度地提高光輸出功率，大約是常規(guī)結(jié)構(gòu)的1.54倍，達到了3.77 mW。其外量子效率超過8%。對于萬字型電極，帶有阻擋層的器件光功率相比常規(guī)結(jié)構(gòu)增加了20%。上述研究為實現(xiàn)高效率紅光RCLED奠定了基礎(chǔ)。

2.2 面向POF的紅光RCLED

塑料光纖(plastic optical fiber, POF)因具有柔韌性好、價格低、抗電磁與輻射干擾、直徑大以及易于安裝等優(yōu)點，成為短距離光通信的重要媒介[11]。但是由于POF色散大，帶寬有限以及基于POF的短距離光通信的普及對低價格高性能的光源提出了迫切的要求。半導(dǎo)體激光器的特性好但成本高[12],而普通半導(dǎo)體發(fā)光二極管 (Light-emitting Diodes, LED) 雖然便宜但帶寬小、光纖耦合效率低,諧振腔發(fā)光二極管(Resonant Cavity Light Emitting Diode,RCLED)是在性價比方面介于半導(dǎo)體激光器和半導(dǎo)體發(fā)光二極管之間的一個很好的折衷[13]。RCLED因其獨特結(jié)構(gòu)具有高效率、高亮度、高提取效率以及良好的溫度可靠性等優(yōu)點。不僅如此，與傳統(tǒng)的LED相比，RCLED可以在高的調(diào)制速度下工作,光譜純度高,還有較高的外量子效率。近年來，隨著塑料光纖通信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，RCLED受到的關(guān)注也越來越多。特別是紅光RCLED應(yīng)用越來越廣泛，在光纖通信數(shù)據(jù)領(lǐng)域扮演著越來越重要的角色。尤其是輸出波長為650 nm的RCLED,對應(yīng)于POF的低損耗波段,是短距離光通信的理想光源[14]。

2009年課題組提出了一種將AlGaInP 材料作為 p 型上DBR, AlGaAs 材料作為n型下DBR,GaInP/AlGaInP多量子阱為有源區(qū),GaP 材料為 p 型歐姆接觸層的650 nm共振腔發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)，實驗獲得了高性能的RCLED，如圖9所示[15]。

圖9 RCLED光功率與遠場分布圖Fig.9 Optical power and for field distribution of RCLED

結(jié)果表明，相比普通LED，RCLED具有更高的發(fā)光效率、波長穩(wěn)定性以及較窄的光譜半寬與較小的遠場發(fā)散角，是用于短距離光通信時與POF耦合的理想光源。為進一步優(yōu)化RCLED性能，同年研究了650 nm RCLED的外延特性，利用金屬有機化學(xué)氣相沉積方法生長了波長為650 nm的諧振腔發(fā)光二極管，采用AlGaInP材料系作為頂層DBRs。測試數(shù)據(jù)如圖10所示。

圖10 RCLED測試結(jié)果圖Fig.10 RCLED test result chart

實驗表明，AlGaInP頂級DBR具有更好的接口質(zhì)量和低電壓。器件在0.5 mA下的電壓為2.2 V，平均發(fā)光效率為0.5 mW，半波寬為10 nm[16]。2011年研究了氧化孔徑對RCLED特性的影響。利用濕法氧化技術(shù)制備了具有電極孔徑為80 μm的三種不同氧化孔徑的RCLED。氧化孔徑分別為90 μm、110 μm、130 μm，如圖11所示[17]。

圖11 電壓，輸出光功率與電流關(guān)系圖Fig.11 Voltage, output optical power and current diagram

實驗表明，氧化孔徑越小，輸出電壓越大，由于在相同電流下氧化孔徑越小，電流密度越大，故獲得最大輸出功率的速率越快。氧化孔徑越大，光功率越小是由于較大的串聯(lián)電阻和電流密度，使得注入的電子以非輻射的方式釋放能量。這一研究優(yōu)化了RCLED性能，對POF通信系統(tǒng)中RCLED光源器件做了進一步改善。

2.3 Micro 紅光RCLED

Micro-LED是指發(fā)光單元橫向尺寸在50 μm 以下的LED[18]。Micro-LED具有高亮度、低功耗、壽命長、高響應(yīng)速度等優(yōu)異特性，現(xiàn)已成為顯示領(lǐng)域的熱點，目前基于GaN基藍光和綠光Micro-LED制備相對成熟。但是隨著Micro-LED橫向尺寸的減小，側(cè)壁表面積占比增大，導(dǎo)致側(cè)壁的非輻射復(fù)合面積增大并且基于AlGaInP的紅色微型LED側(cè)壁非輻射復(fù)合效應(yīng)比基于GaN的LED更嚴重，使得效率進一步降低。采用RCLED可以減少側(cè)壁非輻射復(fù)合，提高效率。

2018年，北京工業(yè)大學(xué)光電子技術(shù)實驗室通過設(shè)計4組氧化孔徑分別為60 μm、50 μm、20 μm、10 μm，其他結(jié)構(gòu)均相同的650 nm RCLED與發(fā)光面積為60 μm的普通LED進行比較。結(jié)果如圖12所示，可以看出，在2 mA以下，10 μm尺寸RCLED的光功率最高，最高可達0.28 mW。

圖12 不同尺寸RCLED的功率曲線Fig.12 Power curves of RCLED with different sizes

圖13(a)為4組不同器件的半波全寬圖，(b)圖為4組不同器件的峰值波長λp圖。可以看出與面積為60 μm的圓臺型無腔650 nm LED在5 mA電流下FWHM為17 nm。相比較RCLED的光譜純度更高，RCLED的失諧和尺寸變化均不會對λp產(chǎn)生影響，穩(wěn)定在650 nm左右；而普通LED的λp在1～7 mA電流變化范圍內(nèi)從650 nm變化至654.5 nm[19]。

圖13 器件尺寸對光譜影響Fig.13 Influence of device size on spectrum

結(jié)果表明，10 μm孔徑器件在1 mA電流下達到0.16 mW的光功率和7%的外量子效率。20 μm尺寸器件在5 mA下達到0.42 W光功率。峰值波長為650 nm，并且在0.1～7 mA范圍內(nèi)不隨電流改變而發(fā)生變化。RCLED比普通LED具有更好的單色性和溫度穩(wěn)定性。

2020年，北京工業(yè)大學(xué)光電子技術(shù)實驗室為實現(xiàn)微顯示高外量子效率及小電流模式下的正常工作，提出了一種將共振腔發(fā)光二極管與AlAs側(cè)向氧化技術(shù)結(jié)合的Micro-RCLED。其結(jié)構(gòu)圖如圖14所示。

圖14 Micro-RCLED結(jié)構(gòu)示意圖Fig.14 Structure diagram of Micro-RCLED

課題組制作了3個氧化孔徑為17 μm的并聯(lián)的655 nm Micro-RCLED，測試結(jié)果如圖15所示[20]。

圖15 Micro-RCLED的光功率與外量子效率與驅(qū)動電流的變化曲線Fig.15 Curve of optical power, external quantum efficiency and driving current of Micro-RCLED

結(jié)果表明，器件的外量子效率大于10%，當(dāng)電流密度變化12.5倍時，峰值波長增加1.5 nm，半波寬增加了0.33 nm，并且在低于1 μA工作電流下，單個Micro-RCLED可以發(fā)光。

3 結(jié)語

本文闡述了RCLED的原理、基本結(jié)構(gòu)、優(yōu)點及其應(yīng)用，重點介紹了紅光RCLED的研究進展。為提高發(fā)光二極管效率，國內(nèi)外研究者在對改善其性能和解決工藝等方面的困難進行了不同的探索。本文主要從高效率紅光RCLED、面向POF的紅光RCLED以及Micro-RCLED三個方面介紹了課題組對提高紅光RCLED效率所做的研究工作。

隨著RCLED研究的不斷深入，性能不斷提高，使得紅光RCLED在輸出功率、波長穩(wěn)定性、提取效率等方面提升較快，并且已廣泛應(yīng)用于可見光光通訊、醫(yī)療、照明和顯示等領(lǐng)域。由于RCLED廣泛的應(yīng)用于生產(chǎn)生活中的各個方面，市場對RCLED的各方面性能提出了更高的要求。因此我們需要進一步的研究，使器件的性能更加穩(wěn)定，獲得更大的提取效率，以及拓展可見光波長范圍等其他性能上的突破，實現(xiàn)高效率紅光RCLED，使其在未來的發(fā)展中具有更加廣闊的市場應(yīng)用。