趙淑鈺 徐濱濱 趙振宇 呂雪芹

(廈門大學(xué)薩本棟微米納米科學(xué)技術(shù)研究院，廈門 361005)

本文在GaN 基共振腔發(fā)光二極管(RCLED)頂部設(shè)計(jì)制備了高反膜結(jié)構(gòu)分布式布拉格反射鏡(DBR)和濾波器結(jié)構(gòu)DBR，對(duì)比分析了兩種反射鏡的反射率曲線特征以及對(duì)應(yīng)的RCLED 器件的光輸出縱模模式、光譜線寬和輸出光強(qiáng)等性能差異，詳細(xì)研究了頂部反射鏡的光反射特性對(duì)RCLED 器件輸出光譜性能的影響機(jī)理.研究結(jié)果表明，頂部反射鏡是RCLED 的重要組成部分，其反射率曲線特征決定器件的光輸出性能.常規(guī)高反膜結(jié)構(gòu)DBR 頂部反射鏡的反射率曲線具有較寬的高反射帶，將其作為頂部反射鏡可有效壓窄RCLED發(fā)光縱模線寬，但是發(fā)光光譜仍呈現(xiàn)多縱模光輸出特征.濾波器結(jié)構(gòu)DBR 頂部反射鏡的反射率曲線在中心波長(zhǎng)處具有較窄的透光凹帶，利用透光凹帶對(duì)輸出光的調(diào)制作用，器件可實(shí)現(xiàn)單縱模光輸出，在光通信、光纖傳感等領(lǐng)域展示了廣闊的應(yīng)用前景.通過進(jìn)一步設(shè)計(jì)RCLED 頂部反射鏡結(jié)構(gòu)，可以改變其反射率曲線特性，進(jìn)而優(yōu)化RCLED 器件的輸出光譜特性，以滿足器件在多個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用需求.

1 引言

GaN 屬于第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料，其與AlN，InN 組成的合金材料的禁帶寬度可以在0.7—6.2 eV之間連續(xù)可調(diào)，覆蓋了紅外到紫外光譜范圍，是一種制作發(fā)光器件的理想材料[1，2].近年來，采用GaN材料制作的發(fā)光二極管(Light emitting diode，LED)已經(jīng)取得了巨大的進(jìn)步，其壽命、可靠性、功耗及響應(yīng)速度與傳統(tǒng)發(fā)光器件相比都具有顯著的優(yōu)勢(shì)[3，4]，已廣泛應(yīng)用于室內(nèi)照明、景觀照明、汽車燈具、顯示屏、背光源等領(lǐng)域.另外，共振腔結(jié)構(gòu)可以增強(qiáng)器件的發(fā)光強(qiáng)度、提高光譜純度、優(yōu)化出光方向性.因此，基于GaN 材料的共振腔發(fā)光二極管(Resonant cavity light emitting diode，RCLED)作為一種新型的高效半導(dǎo)體光電器件受到了廣泛關(guān)注.

RCLED 是一種將有源區(qū)置于法布里-珀羅(Fabry-Perot，F(xiàn)P)光學(xué)諧振腔中的特殊結(jié)構(gòu)LED，相比于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的GaN 基LED，RCLED 具有許多獨(dú)特的優(yōu)勢(shì).微腔效應(yīng)發(fā)生在諧振腔中[5，6]，有源區(qū)產(chǎn)生的自發(fā)輻射光在腔中發(fā)生諧振，進(jìn)而提高了出射光的光譜純度，改善了光輻射的方向性.同時(shí)，由于器件的光輻射特性決定于腔共振模式，RCLED 發(fā)光波長(zhǎng)還具有更好的溫度及電流穩(wěn)定性.因此，RCLED 具有光譜線寬窄、出光效率高、光輸出方向性好、波長(zhǎng)穩(wěn)定性強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn).在可見光通信、無散斑照明、高分辨顯示、光學(xué)掃描儀、醫(yī)學(xué)美容儀等領(lǐng)域[7-10]具有廣闊的應(yīng)用前景.

早在1992 年，Schubert 等[11]根據(jù)FP 腔原理首次提出RCLED 的概念，由此開啟了關(guān)于RCLED新的研究方向.伴隨著GaN 材料和器件的快速發(fā)展，GaN 基RCLED 也引起了研究者們的廣泛關(guān)注[12-19].研究發(fā)現(xiàn)，RCLED 的頂部反射鏡結(jié)構(gòu)和性能對(duì)器件發(fā)射光譜線寬、輸出光強(qiáng)度、發(fā)光方向性等光學(xué)性能具有較大的影響.Hu 等[16]制備了頂部和底部反射鏡均為Ta2O5/SiO2DBR 的GaN 基藍(lán)光RCLED，電致發(fā)光光譜在波長(zhǎng)461.2 nm 處線寬僅為0.3 nm，對(duì)應(yīng)品質(zhì)因子為1530，制作了一種高質(zhì)量的光學(xué)共振腔器件.Yang 等[17]在紫外GaN 基RCLED 頂部設(shè)計(jì)了一種由7 對(duì)、5.5 對(duì)和1.5 對(duì)SiO2/ZrO2DBR 串聯(lián)而成的反射鏡結(jié)構(gòu)，與常規(guī)DBR 結(jié)構(gòu)相比，串聯(lián)結(jié)構(gòu)DBR 在不同角度的反射率數(shù)值較高，將其作為頂部反射鏡有效提高了器件的光提取效率，同時(shí)出射光譜線寬由3 nm 壓窄至2.1 nm.Zhou 等[18]在GaN 基RCLED的頂部生長(zhǎng)了不同對(duì)數(shù)的TiO2/SiO2DBR，研究了頂部反射鏡反射率對(duì)器件性能的影響.結(jié)果表明，當(dāng)頂部DBR 反射率為55%時(shí)，器件性能最佳，得到最高輸出功率62 mW、外部量子效率14.8%、出射光譜線寬12 nm、遠(yuǎn)場(chǎng)50%觀測(cè)角122°、—3 dB 調(diào)制帶寬48 MHz.Cai 等[19]在硅襯底上制備了頂部和底部反射鏡均為TiO2/SiO2DBR的GaN 基RCLED，輸出光譜與傳統(tǒng)的LED 相比，線寬由27 nm 降至15 nm，輸出光強(qiáng)提高了1.6 倍.

目前研究報(bào)道的GaN 基RCLED 的頂部反射鏡多采用介質(zhì)膜分布布拉格反射鏡，與傳統(tǒng)的LED 相比，均獲得了較窄的線寬和較強(qiáng)的輸出光強(qiáng).但是，這種結(jié)構(gòu)DBR 的高反射帶較寬，加上半導(dǎo)體材料寬的增益譜特征，出射光譜多呈現(xiàn)多縱模光輸出.而在光通信和光纖傳感等領(lǐng)域，一般需要具有單峰窄帶光發(fā)射特征的光源，目前在GaN 基RCLED 研究中還未見相關(guān)報(bào)道.為了實(shí)現(xiàn)單峰窄帶光發(fā)射，本文深入探討了GaN 基RCLED頂部反射鏡結(jié)構(gòu)對(duì)器件光輸出性能的影響.文中設(shè)計(jì)了常規(guī)高反膜結(jié)構(gòu)DBR 和濾波器結(jié)構(gòu)DBR 兩種頂部反射鏡，分別模擬了兩種結(jié)構(gòu)DBR 的反射率曲線和對(duì)應(yīng)RCLED 器件的輸出光譜，分析了頂部反射鏡反射率曲線特征對(duì)RCLED 輸出縱模模式、光譜線寬和輸出光強(qiáng)等性能的影響機(jī)理.基于理論模擬結(jié)果，制備了具有兩種DBR 結(jié)構(gòu)頂部反射鏡的GaN 基RCLED，并測(cè)試分析了兩種器件的輸出光譜性能，采用濾波器結(jié)構(gòu)DBR 作為器件的頂部反射鏡，在RCLED 器件中實(shí)現(xiàn)了窄帶單縱模光出射，在光通信和光纖傳感等領(lǐng)域展示了廣闊的應(yīng)用前景.

2 器件結(jié)構(gòu)和頂部DBR 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的RCLED 器件結(jié)構(gòu)如圖1 所示.有源區(qū)為InGaN/GaN 多量子阱，底部反射鏡采用金屬Ag 基反射鏡，反射率大約為95%，頂部反射鏡為Ta2O5/SiO2介質(zhì)膜DBR，可采用成熟的電子束蒸發(fā)方法制作.為保證器件良好的散熱性能，在制作過程中將熱導(dǎo)率差的藍(lán)寶石襯底去掉，外延層轉(zhuǎn)移到導(dǎo)熱性好的Cu 襯底上.器件的電極結(jié)構(gòu)為垂直結(jié)構(gòu)構(gòu)型，底部Ag 基反射鏡不僅可作為反射鏡，還可作為歐姆接觸層.整個(gè)器件制作工藝與現(xiàn)有的垂直結(jié)構(gòu)LED 工藝兼容，有利于將來產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用.

2.2 頂部介質(zhì)膜DBR 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了兩種頂部反射鏡結(jié)構(gòu)，一種是常規(guī)高反膜結(jié)構(gòu)DBR，另一種是濾波器結(jié)構(gòu)DBR，分別模擬了兩種反射鏡的反射率曲線，探討了反射鏡的生長(zhǎng)對(duì)數(shù)對(duì)反射率和反射帶寬參數(shù)的影響.

2.2.1 常規(guī)高反膜結(jié)構(gòu)DBR 膜系設(shè)計(jì)

常規(guī)高反膜DBR 膜系由高、低折射率材料Ta2O5，SiO2交替生長(zhǎng)制成，每層膜光學(xué)厚度均為λ/4，λ為設(shè)計(jì)的中心波長(zhǎng)439.1 nm.具體結(jié)構(gòu)表述為(HL)^mH，其中“H”表示光學(xué)厚度為λ/4 的高折射率材料層，“L”表示光學(xué)厚度為λ/4 的低折射率材料層，m表示生長(zhǎng)的對(duì)數(shù)，介質(zhì)膜系兩邊最外層均為高折射率材料層.常規(guī)高反膜DBR 膜系結(jié)構(gòu)的中心波長(zhǎng)處反射率可表示為

圖2 Ta2O5/SiO2 高反膜結(jié)構(gòu)DBR 的反射率模擬曲線Fig.2.Simulated reflectivity spectra of Ta2O5/SiO2 DBR with high-reflective-film structure.

2.2.2 濾波器結(jié)構(gòu)DBR 膜系設(shè)計(jì)

濾波器結(jié)構(gòu)DBR 膜系結(jié)構(gòu)為(HL)^m(LH)^m，由相互對(duì)稱的高低折射率材料交替生長(zhǎng)制成，每層膜的光學(xué)厚度均為λ/4，λ為設(shè)計(jì)的中心波長(zhǎng)439.1 nm，具體結(jié)構(gòu)如圖3 所示，膜系組合中包括了兩側(cè)的兩個(gè)子膜層(膜層1 和膜層2)和中間的一個(gè)選定膜層(膜層3).

圖3 濾波器結(jié)構(gòu)DBR 的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3.Schematic illustration of Ta2O5/SiO2 DBR with filter structure.

基于光學(xué)傳輸矩陣?yán)碚摵陀行Ы缑娣╗20-22]，對(duì)濾波器結(jié)構(gòu)DBR 的反射率曲線進(jìn)行了模擬計(jì)算，濾波器結(jié)構(gòu)DBR 的反射率計(jì)算公式為

其 中，T為DBR 透射率;R1和R2分別為膜層1 和膜層2 的反射率;φ1和φ2為膜層1 和膜層2 的反射相移;δ為選定膜層的有效相位厚度.

圖4 所示為不同m時(shí)，Ta2O5/SiO2濾波器結(jié)構(gòu)DBR 的反射率模擬曲線圖.由圖中可以看出，反射率曲線在中心波長(zhǎng)處存在一個(gè)反射率極小值，即存在一個(gè)透光凹帶，只允許凹帶內(nèi)對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的光透射出去.在中心波長(zhǎng)439.1 nm 處，反射率取得最小值17.6%，即對(duì)應(yīng)透射率82.4%，且其數(shù)值不隨DBR 對(duì)數(shù)發(fā)生變化.隨著DBR 對(duì)數(shù)不斷增多，透光凹帶兩側(cè)曲線越來越陡直，即透光凹帶的半高寬越來越窄，當(dāng)DBR 對(duì)數(shù)為9 對(duì)時(shí)，半高寬僅為0.18 nm.

圖4 濾波器結(jié)構(gòu)DBR 的反射率模擬曲線Fig.4.Simulated reflectivity spectra of Ta2O5/SiO2 DBR with filter structure.

3 器件性能仿真結(jié)果與分析

3.1 器件自發(fā)輻射譜分析

在對(duì)RCLED 器件進(jìn)行性能仿真之前，首先確定了器件的增益譜.圖5 中黑色線給出了器件在蒸鍍頂部反射鏡之前在垂直發(fā)光面方向測(cè)試得到的電致發(fā)光光譜.雖然頂部未蒸鍍反射鏡，但是頂部GaN 材料具有約17%的反射率，在其和底部反射鏡共同作用下，輸出光譜呈現(xiàn)出明顯的干涉峰.根據(jù)相鄰干涉峰位之間的波長(zhǎng)間隔估算出器件腔長(zhǎng)約為6917 nm.

圖5 蒸鍍頂部反射鏡前在垂直發(fā)光面方向測(cè)試的器件電致發(fā)光光譜(黑色線)及其Gauss 擬合曲線(紅色線)Fig.5.Electroluminescence spectrum (black line) and its Gaussian fitting curve (red line) of the device without top DBR measured perpendicular to the light-emitting surface.

為了獲得器件增益材料的原始增益譜，對(duì)圖中發(fā)光光譜進(jìn)行Gauss 擬合，擬合結(jié)果如圖5 中紅線所示，Gauss 曲線的中心波長(zhǎng)約為438.1 nm(2.83 eV)，因此可以此作為材料的增益譜，以便于進(jìn)一步對(duì)RCLED 器件進(jìn)行性能仿真.

3.2 具有常規(guī)高反膜結(jié)構(gòu)DBR 的RCLED器件性能仿真

基于如圖2 所示的Ta2O5/SiO2高反膜系DBR的反射率曲線和如圖5 紅色線所示的器件增益譜的高斯擬合譜圖，利用MATLAB 計(jì)算出不同對(duì)數(shù)DBR 作為頂部反射鏡組成的RCLED 的模擬輸出光譜圖，如圖6 中黑色線所示.為了對(duì)比，圖中同時(shí)給出對(duì)應(yīng)的DBR 反射率模擬曲線，如紅色線所示.

由圖6 可以看出，隨著DBR 對(duì)數(shù)增多，其膜系結(jié)構(gòu)反射率數(shù)值逐漸增大，器件輸出光強(qiáng)逐漸增強(qiáng)，當(dāng)m=5 時(shí)，輸出光強(qiáng)達(dá)到最大，此時(shí)中心波長(zhǎng)處的反射率為95.6%，與底部Ag 基反射鏡的反射率95%相當(dāng)，共振腔增強(qiáng)作用最強(qiáng).繼續(xù)增加DBR 生長(zhǎng)對(duì)數(shù)，DBR 反射率進(jìn)一步提高，頂部出光腔面光損耗增大，輸出光強(qiáng)逐漸減弱.為了更好地說明RCLED 發(fā)光強(qiáng)度對(duì)頂部反射鏡反射率的依賴關(guān)系，圖7 模擬了RCLED 輸出光強(qiáng)隨頂部反射鏡反射率變化的曲線，模擬過程中設(shè)定底部Ag 基反射鏡的反射率為95%.由圖7 可看出，隨頂部反射鏡反射率增加，輸出光強(qiáng)先增強(qiáng)后減弱，當(dāng)頂部反射鏡反射率為95%時(shí)，共振腔的諧振增強(qiáng)效果最好，輸出光強(qiáng)最強(qiáng).

圖6 頂部蒸鍍不同對(duì)數(shù)高反膜結(jié)構(gòu)DBR 時(shí)RCLED 的模擬輸出光譜(黑色線)和對(duì)應(yīng)的頂部反射鏡反射率模擬曲線(紅色線)Fig.6.Simulated electroluminescence spectra (black line) of RCLEDs and reflectivity spectra (red line) of the DBRs with high-reflective-film structure.

圖7 RCLED 輸出光強(qiáng)隨頂部反射鏡反射率變化模擬曲線Fig.7.Simulated light emission intensity of RCLED as a function of the reflectivity of top DBR.

另外，由圖6 還可以看出，DBR 的反射率越高，發(fā)光縱模的光譜線寬越窄，當(dāng)DBR 對(duì)數(shù)為5 時(shí)，中心波長(zhǎng)發(fā)光峰線寬只有0.07 nm.然而，由于DBR 具有較寬的反射帶寬，DBR 對(duì)數(shù)為5 對(duì)時(shí)，在RCLED 自發(fā)發(fā)射譜范圍內(nèi)(410—470 nm)反射率大于90%，因此，發(fā)光譜內(nèi)的所有縱模均可獲得共振增強(qiáng)，RCLED 的發(fā)光峰呈現(xiàn)出多縱模發(fā)射的特征，繼續(xù)增加DBR 對(duì)數(shù)，不能改善RCLED的多縱模發(fā)光特性.

3.3 具有頂部濾波器結(jié)構(gòu)DBR 的RCLED器件性能仿真

基于如圖4 所示的Ta2O5/SiO2濾波器結(jié)構(gòu)DBR 的反射率曲線和如圖5 所示的增益器件自發(fā)發(fā)射光譜的高斯擬合譜圖，利用MATLAB 仿真工具，模擬了以不同對(duì)數(shù)濾波器結(jié)構(gòu)DBR 作為頂部反射鏡組成的RCLED 器件的輸出光譜，如圖8 中黑色線所示.為了對(duì)比，圖中同時(shí)給出對(duì)應(yīng)的DBR反射率模擬曲線，如紅色線所示.

由圖8 中可看出，當(dāng)DBR 對(duì)數(shù)從1 對(duì)遞增至5 對(duì)時(shí)，中心波長(zhǎng)處輸出光縱模強(qiáng)度不變，中心波長(zhǎng)兩側(cè)的輸出光縱模強(qiáng)度增強(qiáng)，這與不同對(duì)數(shù)濾波器結(jié)構(gòu)DBR 反射率曲線的變化直接相關(guān).由圖7分析知，RCLED 的發(fā)光強(qiáng)度依賴于頂部和底部反射鏡的反射率數(shù)值的匹配程度，當(dāng)頂部反射鏡反射率接近底部反射鏡反射率95%時(shí)，諧振效應(yīng)最明顯，發(fā)光最強(qiáng);反射率高于或者低于95%，發(fā)光強(qiáng)度均相應(yīng)減小;當(dāng)反射率接近100%時(shí)，輸出光被反射回腔內(nèi)，幾乎無光輸出.由濾波器結(jié)構(gòu)DBR反射率曲線變化知，DBR 對(duì)數(shù)為1—5 對(duì)時(shí)，中心波長(zhǎng)處反射率數(shù)值保持不變，所以共振腔對(duì)此波長(zhǎng)處光的諧振效應(yīng)不變，其發(fā)光強(qiáng)度也保持不變;同時(shí)，還可以觀察到，此范圍內(nèi)DBR 反射率曲線的透光凹帶較寬，反射率95%所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)偏離中心縱模.為了更好地說明這一點(diǎn)，圖8 中用藍(lán)色虛線標(biāo)注了反射率95%對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)，該波長(zhǎng)處諧振效應(yīng)最強(qiáng).可以清晰地看出，諧振效應(yīng)最強(qiáng)的位置并非與中心縱模一致，而是位于中心波長(zhǎng)兩側(cè)的其他縱模附近.因此中心波長(zhǎng)處的輸出光縱模諧振效應(yīng)弱，而其兩側(cè)縱模諧振效應(yīng)明顯，光強(qiáng)較強(qiáng).當(dāng)DBR 對(duì)數(shù)由6 對(duì)逐漸遞增時(shí)，中心波長(zhǎng)處輸出光縱模強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，中心波長(zhǎng)兩側(cè)的輸出光縱模強(qiáng)度逐漸減弱至為零.這是由于隨著頂部反射鏡反射率曲線中心透光凹帶逐漸變窄，頂部反射鏡反射率95%對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)逐漸靠近中心縱模，導(dǎo)致了中心波長(zhǎng)處的縱模諧振效應(yīng)最明顯;同時(shí)，中心波長(zhǎng)兩側(cè)頂部反射鏡反射率逐漸接近100%，輸出光全部被反射回腔內(nèi)，頂部基本無其他波長(zhǎng)的光輸出.因此，由圖8 仿真光譜數(shù)據(jù)知，使用濾波器結(jié)構(gòu)DBR 作為RCLED的頂部反射鏡，當(dāng)DBR 對(duì)數(shù)高于9 對(duì)時(shí)，可以在RCLED 中實(shí)現(xiàn)單縱模光輸出.

圖8 頂部蒸鍍不同對(duì)數(shù)濾波器結(jié)構(gòu)DBR 時(shí)的模擬輸出光譜(黑色線)和對(duì)應(yīng)的頂部反射鏡反射率模擬曲線(紅色線)Fig.8.Simulated light emission spectra (black line) of RCLEDs and reflectivity spectra (red line) of the DBRs with filter structure.

4 器件性能測(cè)試與分析

基于以上理論模擬結(jié)果，采用電子束蒸發(fā)鍍膜設(shè)備分別在RCLED 的頂部蒸鍍了4 對(duì)常規(guī)高反膜和9 對(duì)濾波器結(jié)構(gòu)的Ta2O5/SiO2DBR，其膜層結(jié)構(gòu)分別為(HL)^4H 和(HL)^9(LH)^9，設(shè)計(jì)的中心波長(zhǎng)λ 為439.1 nm，每層膜光學(xué)厚度均為λ/4.同時(shí)，為了得到RCLED 頂部蒸鍍的DBR的反射率，在玻璃陪片上蒸鍍了同樣的DBR 膜層以便進(jìn)行測(cè)試分析.

圖9 所示為玻璃陪片上生長(zhǎng)的高反膜和濾波器結(jié)構(gòu)DBR 的反射率曲線測(cè)試結(jié)果.從圖中可以看出，常規(guī)高反膜結(jié)構(gòu)DBR 的反射率曲線展示了91.2%的反射率峰值和44 nm 的較寬的高反射帶(反射率R＞ 90%的波段).濾波器結(jié)構(gòu)DBR 的反射率曲線在中心波長(zhǎng)437.8 nm 處存在一個(gè)半高寬為2.44 nm 的透光凹帶，中心波長(zhǎng)處反射率最低為94.6%，凹帶兩側(cè)反射率接近100%.測(cè)試結(jié)果與理論模擬結(jié)果基本一致，其中，濾波器結(jié)構(gòu)DBR反射率曲線中透光凹帶的半高寬以及最低反射率數(shù)值與理論模擬結(jié)果存在一定偏差，這主要是由于在DBR 膜層蒸鍍過程中，膜層厚度控制存在一定的誤差.

圖9 高反膜結(jié)構(gòu)DBR 和濾波器結(jié)構(gòu)DBR 的反射率曲線測(cè)試結(jié)果Fig.9.Measured reflectivity spectra of Ta2O5/SiO2DBRs with high-reflective-film structure and filter structure respectively.

隨后，對(duì)頂部分別蒸鍍常規(guī)高反膜和濾波器結(jié)構(gòu)DBR 的RCLED 器件進(jìn)行測(cè)試，圖10所示為在垂直出光面方向測(cè)試得到的兩種器件的電致發(fā)光譜圖，為了對(duì)比，圖中同時(shí)給出頂部沒有蒸鍍DBR 的器件的電致發(fā)光譜.

由圖10 可以看出，當(dāng)器件頂部蒸鍍4 對(duì)高反膜結(jié)構(gòu)DBR 時(shí)，輸出光譜在中心縱模處輸出光強(qiáng)最強(qiáng)，且各縱模模式線寬變窄，中心縱模線寬由2.9 nm 減小至1.4 nm.但是，輸出光譜仍然呈現(xiàn)出多縱模輸出的特征.這是由于頂部反射鏡反射率曲線存在一個(gè)較寬的高反射帶，各輸出光縱模對(duì)應(yīng)的諧振效應(yīng)基本相同，所以不能實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出光縱模的選擇.

圖10 頂部沒有蒸鍍反射鏡(黑色線)、蒸鍍高反膜DBR(紅色線)和濾波器結(jié)構(gòu)DBR(藍(lán)色線)RCLED 器件在垂直出光面方向測(cè)試的電致發(fā)光光譜Fig.10.Measured electroluminescence spectra perpendicular to the light emitting surface for the RCLEDs without DBR (black line)，with top high-reflective-film structure DBR (red line) and with filter structure DBR (blue line)，respectively.

當(dāng)器件頂部蒸鍍9 對(duì)濾波器結(jié)構(gòu)DBR 時(shí)，器件發(fā)光光譜中心波長(zhǎng)兩側(cè)縱模消失，只留下了中心波長(zhǎng)處的縱模，呈現(xiàn)出單峰發(fā)射的特征，實(shí)現(xiàn)了單縱模光輸出.這是由于頂部反射鏡反射率95%對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)位于中心縱模處，此位置處的干涉增強(qiáng)效果最明顯，而中心波長(zhǎng)兩側(cè)的頂部反射鏡反射率接近100%，基本沒有光輸出，單縱模線寬僅有0.6 nm.

5 結(jié)論

本文研究了GaN 基RCLED 的頂部反射鏡反射率特性對(duì)器件發(fā)光性能的影響.設(shè)計(jì)制備了具有高反膜結(jié)構(gòu)DBR 和濾波器結(jié)構(gòu)DBR 兩種頂部反射鏡結(jié)構(gòu)的RCLED 器件，對(duì)兩種器件的頂部反射鏡反射率和輸出光譜進(jìn)行了仿真和分析，并從實(shí)驗(yàn)上對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證.

仿真結(jié)果表明，使用高反膜結(jié)構(gòu)的DBR 作為RCLED 的頂部反射鏡，可以提高器件的輸出光強(qiáng)，同時(shí)壓窄發(fā)光縱模的線寬.但是，由于高反膜結(jié)構(gòu)DBR 的高反射帶較寬，輸出光譜呈現(xiàn)多縱模模式，不能實(shí)現(xiàn)對(duì)縱模的篩選.使用濾波器結(jié)構(gòu)DBR 作為RCLED 的頂部反射鏡，其中心波長(zhǎng)處存在一個(gè)透光凹帶，利用透光凹帶對(duì)輸出光的調(diào)制作用，當(dāng)DBR 對(duì)數(shù)在9 對(duì)以上時(shí)，器件發(fā)光為單峰發(fā)射，實(shí)現(xiàn)了單縱模光輸出，并且發(fā)光強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，輸出光譜線寬變窄.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相比于頂部反射鏡為高反膜結(jié)構(gòu)DBR 的GaN 基RCLED，在頂部蒸鍍?yōu)V波器結(jié)構(gòu)DBR 的器件可以實(shí)現(xiàn)單縱模光輸出，光譜線寬僅有0.6 nm，器件輸出光譜特性得到大幅優(yōu)化，展示了GaN 基RCLED 在光通信和光纖傳感等領(lǐng)域廣闊的應(yīng)用前景.