中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
基于帶間級聯(lián)結構的中紅外發(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(lái)越多的關(guān)注，并廣泛用于氣體探測器的中紅外光源中。諧振腔結構也是提高中紅外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(guò)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）內實(shí)現的。其增強原理是利用諧振腔的諧振效應，光波在諧振腔內來(lái)回反射形成駐波，抑制非諧振波長(cháng)，使諧振波長(cháng)的光盡可能多地從出射角范圍內發(fā)射出來(lái)。諧振腔結構已經(jīng)成功應用于可見(jiàn)光和近紅外波段的LED，可以實(shí)現高達22%的提取效率。
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隊在《紅外與毫米波學(xué)報》期刊上發(fā)表了以“諧振腔增強帶間級聯(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)結構和諧振腔結構結合起來(lái)一體化設計。通過(guò)對結構中DBR周期數、腔長(cháng)、有源區位置等參數進(jìn)行優(yōu)化設計，得到了諧振腔LED輸出功率、遠場(chǎng)分布等性能參數，確定了最優(yōu)的多級諧振腔帶間級聯(lián)LED結構。然后結合已生長(cháng)的5級帶間級聯(lián)器件的測試結果，仿真了其生長(cháng)諧振腔結構后主要性能參數的變化。
器件結構設計
器件的基本結構如圖1（a）所示，其中帶間級聯(lián)LED的基本結構如下：InAs/GaAsSb超晶格材料為有源區，GaAsSb/AlAsSb超晶格材料為隧穿區，InAs/AlAsSb多量子阱材料為電子注入區，隧穿區和電子注入區同時(shí)作為電子和空穴勢壘，阻擋載流子直接從一個(gè)有源區運動(dòng)到另外一個(gè)有源區，增大輻射復合速率，詳細結構見(jiàn)文獻。將襯底完全去除，兩側分別生長(cháng)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(cháng)而成。通過(guò)調節帶間級聯(lián)LED各結構的厚度來(lái)調整腔長(cháng)，從而調整諧振波長(cháng)，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(cháng)為4.2 μm的RCLED為例，通過(guò)有限元方法進(jìn)行計算仿真，分析諧振腔的設計參數對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正中央來(lái)模擬LED的自發(fā)輻射，其自發(fā)輻射波長(cháng)為4.2 μm。仿真區域為6×6 μm2，在外層加上完美匹配層用來(lái)模擬無(wú)限大的器件。帶間級聯(lián)LED的有源區為InAs/GaAsSb Ⅱ類(lèi)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 結構示意圖：（a）諧振腔帶間級聯(lián)LED結構示意圖；（b）諧振腔LED仿真結構示意圖
我們對無(wú)諧振腔結構的單級LED器件進(jìn)行了仿真和對比。單個(gè)有源區被放置在一塊半導體材料中，偶極子放在相同的位置，該結構的半導體材料下面添加一層完美匹配層，以模擬底部無(wú)限長(cháng)的半導體的輻射。將該結構的輻射功率作為參考基準，定義一個(gè)參數輻射增強因子G(λ)，表示特定波長(cháng)下，只有一個(gè)偶極子作為光源時(shí)，有無(wú)諧振腔結構的器件輸出功率之比：G(λ)=P(λ)/P?(λ)。其中P(λ)為有諧振腔結構的LED輸出功率，P?(λ)為無(wú)諧振腔結構的LED輸出功率。
結果和分析
本文仿真了DBR的周期數、諧振腔腔長(cháng)、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。
DBR周期數對諧振腔LED輸出功率的影響
DBR由ZnS/Ge周期性交疊生長(cháng)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(cháng)的反射率主要與材料折射率和DBR周期數有關(guān)。
不同周期數DBR會(huì )影響諧振腔上反射鏡的反射率，從而改變諧振腔LED的輻射強度。圖2（a）計算了DBR周期數從1至7時(shí)，DBR的中心波長(cháng)反射率變化和腔長(cháng)為λ/2的器件輻射增強因子G變化?？梢钥吹?，DBR的中心波長(cháng)反射率會(huì )隨著(zhù)周期數的增大而增大，增大的幅度趨向緩慢。而器件的輻射增強因子會(huì )隨著(zhù)DBR周期數的增大而減小，在DBR周期數為1時(shí)，諧振腔的增強效果最好。
圖2（a）腔長(cháng)為λ/2時(shí)，DBR反射率和輻射增強因子G隨DBR周期數的變化；（b）
與R1、R2之間的關(guān)系
諧振腔腔長(cháng)對諧振腔LED輸出功率的影響
諧振腔的腔長(cháng)會(huì )顯著(zhù)影響器件的縱模分布。通過(guò)仿真計算不同厚度條件下形成穩定諧振的縱模波長(cháng)，使其諧振波長(cháng)為4.2 μm。本文設計了腔階m為1、2、3和4的四種結構，即腔長(cháng)為λ/2、λ、3λ/2、2λ，得到這四種結構在諧振波長(cháng)為4.2 μm時(shí)，諧振腔的腔長(cháng)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=2兩種結構的折射率以及電場(chǎng)分布?？梢园l(fā)現，在諧振腔內部，腔內電場(chǎng)強度波峰數量等于腔階m。
圖3 不同腔長(cháng)下的諧振腔內部電場(chǎng)強度分布：（a）λ/2；（b）λ
圖4（a）給出了腔階m=2（即腔長(cháng)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(chǎng)強度最大值的位置重合。因此，光源在電場(chǎng)強度波峰處可以使諧振腔的增強效果最大。四種結構的第一個(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構對LED的增強作用。圖4（b）給出了輻射增強因子隨腔階m的變化圖，在諧振波長(cháng)4.2 μm處，四種腔長(cháng)結構的輻射增強因子分別為37.53、26.18、19.26和13.90。隨著(zhù)腔長(cháng)的增加，輻射增強因子逐漸減小且輻射增強因子大小與腔階m近似成反比。模式計數法可以在理論上解釋這個(gè)規律。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(cháng)為λ/2時(shí)提取效率最大，輻射增強因子也最大。由式（1）可以知道，在理想情況下，腔長(cháng)最小為λ/2時(shí)，輻射增強因子最大。但這種情況下由于腔長(cháng)太小，腔中的有源區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移，會(huì )造成很大的損耗，導致腔階m=1時(shí)的實(shí)際輻射增強因子會(huì )偏小。
圖4 （a）腔長(cháng)為λ時(shí)，諧振腔LED輸出功率與偶極子在腔內位置的關(guān)系；（b）輻射增強因子G與腔階m的關(guān)系
當m>1時(shí)，諧振腔內部的電場(chǎng)強度會(huì )存在多個(gè)波峰，而帶間級聯(lián)結構LED本身就有多個(gè)有源區，因此可以通過(guò)帶間級聯(lián)結構設計，調節各區域的厚度，使帶間級聯(lián)的每一級有源區均處于各個(gè)波峰處。例如腔階為m的諧振腔LED結構，腔內部可以生長(cháng)m級帶間級聯(lián)結構，這樣就可以得到最大的輸出功率。
通過(guò)仿真計算獲得了四種腔長(cháng)（m=1、2、3、4）的帶間級聯(lián)諧振腔結構總輻射增強因子。帶間級聯(lián)LED的有源區為非相干面源，腔階m>1的結構中會(huì )有多個(gè)光源，將每個(gè)光源的輸出功率都單獨仿真計算最后進(jìn)行相加。從圖5中可以看到，當m=1時(shí)，在諧振波長(cháng)處總輻射增強因子較小，為37.53。而當m>2時(shí)，在諧振波長(cháng)處總輻射增強因子相近，約為55。腔階m為1和2時(shí)，有源區和金屬之間的距離很短，存在很大損耗，而當腔階m為3時(shí)，損耗減小，輻射增強因子達到最大。繼續增加級數總輻射增強因子不會(huì )增加，但會(huì )增加器件的厚度，導致器件的開(kāi)啟電壓、串聯(lián)電阻增大，損失發(fā)光效率。因此諧振腔增強的帶間級聯(lián)LED可以設計為3級，相比于不加諧振腔的單級結構，輸出功率理論上可提高55倍。
圖5還仿真了不同周期數DBR結構下的總輻射增強因子與腔長(cháng)m的關(guān)系。從圖5中的結果可以看到，DBR周期數為1時(shí)，總輻射增強因子是周期數為0（無(wú)DBR）結構的4倍左右。即在理論上，文獻中的結構去掉襯底并生長(cháng)上DBR形成諧振腔后，輸出功率可以提高約4倍。而DBR周期數為2時(shí)，總輻射增強因子約為25，低于1個(gè)周期DBR結構的總輻射增強因子。
圖5 不同DBR周期下，總輻射增強因子G與腔階m的關(guān)系
諧振腔對LED輻射遠場(chǎng)分布的影響
諧振腔可以調節LED的自發(fā)輻射的遠場(chǎng)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，使其比無(wú)諧振腔結構具有更好的光束方向性。圖6給出了腔長(cháng)為3λ/2器件的發(fā)光波長(cháng)為4.2 μm時(shí)，有無(wú)諧振腔結構的遠場(chǎng)強度分布圖，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 遠場(chǎng)強度分布：（a）無(wú)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(cháng)并測試了5級的帶間級聯(lián)LED結構，在室溫下，注入電流為100 mA時(shí)，峰值波長(cháng)為4.39 μm，半峰寬為710 nm，器件的最大輻射達到0.73 W·cm?2·Sr?1。結合該器件發(fā)光性能的測試結果，在加上諧振腔結構之后，考慮到實(shí)際器件存在波長(cháng)展寬，圖7給出了諧振腔結構的總輻射增強因子隨波長(cháng)分布以及RCLED 輻射光譜的仿真結果。RCLED有源區自發(fā)輻射出來(lái)的光子會(huì )被限制在諧振腔的光模（即諧振波長(cháng)）中，其他波長(cháng)的輻射會(huì )被抑制。在諧振波長(cháng)處，總輻射增強因子達到最大，其他波長(cháng)的輻射增強因子較小。通過(guò)仿真得到峰值波長(cháng)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(cháng)半峰寬減小為110 nm，變窄了6.45倍。
圖7 （a）輻射增強因子G隨波長(cháng)的分布；（b）300 K時(shí)，RCLED的輻射光譜
此外，使用本文的仿真計算模型，對已報道的諧振腔LED器件的結構參數進(jìn)行仿真計算。如表1所示，峰值波長(cháng)處的輻射增強因子的仿真結果為2.9，與文獻報道中給出的測試結果有較高的吻合度，驗證了仿真模型的準確性。
結論
使用有限元分析的方法進(jìn)行仿真，將帶間級聯(lián)結構與諧振腔的輻射增強特點(diǎn)結合起來(lái)，設計了諧振腔帶間級聯(lián)LED結構。仿真結果表示，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。當有源區置于諧振腔內部電場(chǎng)強度波峰處，諧振效應達到最大。諧振腔對單級LED的輻射增強效果與腔長(cháng)成反比，但是在腔階m為1和2時(shí)存在非輻射性能量轉移導致的損耗，會(huì )降低諧振腔的增強效果。結合帶間級聯(lián)結構的多個(gè)有源區，當級聯(lián)級數為3時(shí)，其總輻射增強因子達到最大，繼續增加級數總輻射增強因子不會(huì )增加。因此使用3級諧振腔帶間級聯(lián)結構為最優(yōu)的設計方案，此時(shí)輸出功率能增加18.3倍，達到約55級無(wú)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，在增加諧振腔結構之后，通過(guò)仿真可以使得峰值波長(cháng)輻射功率增強約11.7倍，全波段積分輻射可以增強約5.43倍，光譜半峰寬變窄6.45倍。設計的諧振腔帶間級聯(lián)LED結構具有高輻射功率、窄光譜線(xiàn)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用中具有廣泛的應用前景。
這項研究獲得國家自然科學(xué)基金（61904183、61974152、62104237、62004205）、中國科學(xué)院青年創(chuàng )新促進(jìn)會(huì )會(huì )員資助（Y202057）、上海市科技啟明星計劃（20QA1410500）和上海市揚帆計劃（21YF1455000）的資助和支持。
