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)實現(xiàn)的。其增強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,可以實現(xiàn)高達22%的提取效率。
據(jù)麥姆斯咨詢報道,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(jié)構(gòu)和諧振腔結(jié)構(gòu)結(jié)合起來一體化設(shè)計。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)進行優(yōu)化設(shè)計,得到了諧振腔LED輸出功率、遠場分布等性能參數(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
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)同時作為電子和空穴勢壘,阻擋載流子直接從一個有源區(qū)運動到另外一個有源區(qū),增大輻射復(fù)合速率,詳細結(jié)構(gòu)見文獻。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,通過有限元方法進行計算仿真,分析諧振腔的設(shè)計參數(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)域為6×6 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器件進行了仿真和對比。單個有源區(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,定義一個參數(shù)輻射增強因子G(λ),表示特定波長下,只有一個偶極子作為光源時,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(shù)從1至7時,DBR的中心波長反射率變化和腔長為λ/2的器件輻射增強因子G變化??梢钥吹?,DBR的中心波長反射率會隨著周期數(shù)的增大而增大,增大的幅度趨向緩慢。而器件的輻射增強因子會隨著DBR周期數(shù)的增大而減小,在DBR周期數(shù)為1時,諧振腔的增強效果最好。
圖2(a)腔長為λ/2時,DBR反射率和輻射增強因子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
諧振腔的腔長會顯著影響器件的縱模分布。通過仿真計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,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)部電場強度分布:(a)λ/2;(b)λ
圖4(a)給出了腔階m=2(即腔長為λ)時,諧振腔LED的輸出功率隨偶極子位置的變化圖,可以看到,輸出功率最大值時偶極子所在的位置與圖3(b)中電場強度最大值的位置重合。因此,光源在電場強度波峰處可以使諧振腔的增強效果最大。四種結(jié)構(gòu)的第一個波峰位置均在距離Au表面0.28 μm處,將偶極子放置在這個位置進行仿真,可以模擬出諧振腔結(jié)構(gòu)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4.2 μm處,四種腔長結(jié)構(gòu)的輻射增強因子分別為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(shù)法可以在理論上解釋這個規(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,腔長最小為λ/2時,輻射增強因子最大。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,會造成很大的損耗,導(dǎo)致腔階m=1時的實際輻射增強因子會偏小。
圖4 (a)腔長為λ時,諧振腔LED輸出功率與偶極子在腔內(nèi)位置的關(guān)系;(b)輻射增強因子G與腔階m的關(guān)系
當(dāng)m>1時,諧振腔內(nèi)部的電場強度會存在多個波峰,而帶間級聯(lián)結(jié)構(gòu)LED本身就有多個有源區(qū),因此可以通過帶間級聯(lián)結(jié)構(gòu)設(shè)計,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)中會有多個光源,將每個光源的輸出功率都單獨仿真計算最后進行相加。從圖5中可以看到,當(dāng)m=1時,在諧振波長處總輻射增強因子較小,為37.53。而當(dāng)m>2時,在諧振波長處總輻射增強因子相近,約為55。腔階m為1和2時,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,損耗減小,輻射增強因子達到最大。繼續(xù)增加級數(shù)總輻射增強因子不會增加,但會增加器件的厚度,導(dǎo)致器件的開啟電壓、串聯(lián)電阻增大,損失發(fā)光效率。因此諧振腔增強的帶間級聯(lián)LED可以設(shè)計為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,總輻射增強因子是周期數(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,總輻射增強因子約為25,低于1個周期DBR結(jié)構(gòu)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輻射遠場分布的影響
諧振腔可以調(diào)節(jié)LED的自發(fā)輻射的遠場分布,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,有無諧振腔結(jié)構(gòu)的遠場強度分布圖,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 遠場強度分布:(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,峰值波長為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(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)輻射出來的光子會被限制在諧振腔的光模(即諧振波長)中,其他波長的輻射會被抑制。在諧振波長處,總輻射增強因子達到最大,其他波長的輻射增強因子較小。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)輻射增強因子G隨波長的分布;(b)300 K時,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(jié)構(gòu)參數(shù)進行仿真計算。如表1所示,峰值波長處的輻射增強因子的仿真結(jié)果為2.9,與文獻報道中給出的測試結(jié)果有較高的吻合度,驗證了仿真模型的準確性。
表1 已報道的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行仿真,將帶間級聯(lián)結(jié)構(gòu)與諧振腔的輻射增強特點結(jié)合起來,設(shè)計了諧振腔帶間級聯(lián)LED結(jié)構(gòu)。仿真結(jié)果表示,用單個周期的ZnS/Ge DBR做為諧振腔上反射鏡時,諧振腔的輸出功率最大。當(dāng)有源區(qū)置于諧振腔內(nèi)部電場強度波峰處,諧振效應(yīng)達到最大。諧振腔對單級LED的輻射增強效果與腔長成反比,但是在腔階m為1和2時存在非輻射性能量轉(zhuǎn)移導(dǎo)致的損耗,會降低諧振腔的增強效果。結(jié)合帶間級聯(lián)結(jié)構(gòu)的多個有源區(qū),當(dāng)級聯(lián)級數(shù)為3時,其總輻射增強因子達到最大,繼續(xù)增加級數(shù)總輻射增強因子不會增加。
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)計方案,此時輸出功率能增加18.3倍,達到約55級無諧振腔帶間級聯(lián)LED輸出功率。同時,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(shè)計的諧振腔帶間級聯(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,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
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