GaN属于第三代宽禁带半导体材料, 其与AlN, InN组成的合金材料的禁带宽度可以在0.7—6.2 eV之间连续可调, 覆盖了红外到紫外光谱范围, 是一种制作发光器件的理想材料^[1,2]. 近年来, 采用GaN材料制作的发光二极管(Light emitting diode, LED)已经取得了巨大的进步, 其寿命、可靠性、功耗及响应速度与传统发光器件相比都具有显著的优势^[3,4], 已广泛应用于室内照明、景观照明、汽车灯具、显示屏、背光源等领域. 另外, 共振腔结构可以增强器件的发光强度、提高光谱纯度、优化出光方向性. 因此, 基于GaN材料的共振腔发光二极管(Resonant cavity light emitting diode, RCLED)作为一种新型的高效半导体光电器件受到了广泛关注.

RCLED是一种将有源区置于法布里-珀罗(Fabry-Perot, FP)光学谐振腔中的特殊结构LED, 相比于传统结构的GaN基LED, RCLED具有许多独特的优势. 微腔效应发生在谐振腔中^[5,6], 有源区产生的自发辐射光在腔中发生谐振, 进而提高了出射光的光谱纯度, 改善了光辐射的方向性. 同时, 由于器件的光辐射特性决定于腔共振模式, RCLED发光波长还具有更好的温度及电流稳定性. 因此, RCLED具有光谱线宽窄、出光效率高、光输出方向性好、波长稳定性强等诸多优点. 在可见光通信、无散斑照明、高分辨显示、光学扫描仪、医学美容仪等领域^[7-10]具有广阔的应用前景.

早在1992年, Schubert等^[11]根据FP腔原理首次提出RCLED的概念, 由此开启了关于RCLED新的研究方向. 伴随着GaN材料和器件的快速发展, GaN基RCLED也引起了研究者们的广泛关注^[12-19]. 研究发现, RCLED的顶部反射镜结构和性能对器件发射光谱线宽、输出光强度、发光方向性等光学性能具有较大的影响. Hu等^[16]制备了顶部和底部反射镜均为Ta₂O₅/SiO₂DBR的GaN基蓝光RCLED, 电致发光光谱在波长461.2 nm处线宽仅为0.3 nm, 对应品质因子为1530, 制作了一种高质量的光学共振腔器件. Yang等^[17]在紫外GaN基RCLED顶部设计了一种由7对、5.5对和1.5对SiO₂/ZrO₂DBR串联而成的反射镜结构, 与常规DBR结构相比, 串联结构DBR在不同角度的反射率数值较高, 将其作为顶部反射镜有效提高了器件的光提取效率, 同时出射光谱线宽由3 nm压窄至2.1 nm. Zhou等^[18]在GaN基RCLED的顶部生长了不同对数的TiO₂/SiO₂ DBR, 研究了顶部反射镜反射率对器件性能的影响. 结果表明, 当顶部DBR反射率为55%时, 器件性能最佳, 得到最高输出功率62 mW、外部量子效率14.8%、出射光谱线宽12 nm、远场50%观测角122°、–3 dB调制带宽48 MHz. Cai等^[19]在硅衬底上制备了顶部和底部反射镜均为TiO₂/SiO₂ DBR的GaN基RCLED, 输出光谱与传统的LED相比, 线宽由27 nm降至15 nm, 输出光强提高了1.6倍.

目前研究报道的GaN基RCLED的顶部反射镜多采用介质膜分布布拉格反射镜, 与传统的LED相比, 均获得了较窄的线宽和较强的输出光强. 但是, 这种结构DBR的高反射带较宽, 加上半导体材料宽的增益谱特征, 出射光谱多呈现多纵模光输出. 而在光通信和光纤传感等领域, 一般需要具有单峰窄带光发射特征的光源, 目前在GaN基RCLED研究中还未见相关报道. 为了实现单峰窄带光发射, 本文深入探讨了GaN基RCLED顶部反射镜结构对器件光输出性能的影响. 文中设计了常规高反膜结构DBR和滤波器结构DBR两种顶部反射镜, 分别模拟了两种结构DBR的反射率曲线和对应RCLED器件的输出光谱, 分析了顶部反射镜反射率曲线特征对RCLED输出纵模模式、光谱线宽和输出光强等性能的影响机理. 基于理论模拟结果, 制备了具有两种DBR结构顶部反射镜的GaN基RCLED, 并测试分析了两种器件的输出光谱性能, 采用滤波器结构DBR作为器件的顶部反射镜, 在RCLED器件中实现了窄带单纵模光出射, 在光通信和光纤传感等领域展示了广阔的应用前景.

本文设计的RCLED器件结构如图1所示. 有源区为InGaN/GaN多量子阱, 底部反射镜采用金属Ag基反射镜, 反射率大约为95%, 顶部反射镜为Ta₂O₅/SiO₂介质膜DBR, 可采用成熟的电子束蒸发方法制作. 为保证器件良好的散热性能, 在制作过程中将热导率差的蓝宝石衬底去掉, 外延层转移到导热性好的Cu衬底上. 器件的电极结构为垂直结构构型, 底部Ag基反射镜不仅可作为反射镜, 还可作为欧姆接触层. 整个器件制作工艺与现有的垂直结构LED工艺兼容, 有利于将来产业化应用.

本文设计了两种顶部反射镜结构, 一种是常规高反膜结构DBR, 另一种是滤波器结构DBR, 分别模拟了两种反射镜的反射率曲线, 探讨了反射镜的生长对数对反射率和反射带宽参数的影响.

常规高反膜DBR膜系由高、低折射率材料Ta₂O₅, SiO₂交替生长制成, 每层膜光学厚度均为λ/4, λ为设计的中心波长439.1 nm. 具体结构表述为(HL)^mH, 其中“H”表示光学厚度为λ/4的高折射率材料层, “L”表示光学厚度为λ/4的低折射率材料层, m表示生长的对数, 介质膜系两边最外层均为高折射率材料层. 常规高反膜DBR膜系结构的中心波长处反射率可表示为

其中 $Y={\left(\dfrac{{n}_{\mathrm{H}}}{{n}_{\mathrm{L}}}\right)}^{2 m}\cdot \dfrac{{n}_{\mathrm{H}}^{2}}{{n}_{\mathrm{s}}},$n_H和n_L分别为高、低折射率膜层材料的折射率, n_s为DBR生长基片GaN材料的折射率. 图2给出了DBR生长对数由2对增加到7对的Ta₂O₅/SiO₂高反膜结构DBR的反射率模拟曲线. 从图2可以看出, DBR在中心波长附近存在一个高反射带, 随着对数的增加, 反射率增大, 高反射带逐渐变得平直, 并且高反射带的边缘也逐渐陡直. 当DBR对数为7时, 中心波长处的反射率最高达到99.1%, 高反射带宽为105 nm (反射率R > 90%的波段).

滤波器结构DBR膜系结构为(HL)^m(LH)^m, 由相互对称的高低折射率材料交替生长制成, 每层膜的光学厚度均为λ/4, λ为设计的中心波长439.1 nm, 具体结构如图3所示, 膜系组合中包括了两侧的两个子膜层(膜层1和膜层2)和中间的一个选定膜层(膜层3).

基于光学传输矩阵理论和有效界面法^[20-22], 对滤波器结构DBR的反射率曲线进行了模拟计算, 滤波器结构DBR的反射率计算公式为

其中, T为DBR透射率; $\theta =\dfrac{1}{2}({\varphi }_{1}+{\varphi }_{2}-2\delta )$; R₁和R₂分别为膜层1和膜层2的反射率; $ {\varphi }_{1} $和$ {\varphi }_{2} $为膜层1和膜层2的反射相移; δ为选定膜层的有效相位厚度.

图4所示为不同m时, Ta₂O₅/SiO₂滤波器结构DBR的反射率模拟曲线图. 由图中可以看出, 反射率曲线在中心波长处存在一个反射率极小值, 即存在一个透光凹带, 只允许凹带内对应波长的光透射出去. 在中心波长439.1 nm处, 反射率取得最小值17.6%, 即对应透射率82.4%, 且其数值不随DBR对数发生变化. 随着DBR对数不断增多, 透光凹带两侧曲线越来越陡直, 即透光凹带的半高宽越来越窄, 当DBR对数为9对时, 半高宽仅为0.18 nm.

在对RCLED器件进行性能仿真之前, 首先确定了器件的增益谱. 图5中黑色线给出了器件在蒸镀顶部反射镜之前在垂直发光面方向测试得到的电致发光光谱. 虽然顶部未蒸镀反射镜, 但是顶部GaN材料具有约17%的反射率, 在其和底部反射镜共同作用下, 输出光谱呈现出明显的干涉峰. 根据相邻干涉峰位之间的波长间隔估算出器件腔长约为6917 nm.

为了获得器件增益材料的原始增益谱, 对图中发光光谱进行Gauss拟合, 拟合结果如图5中红线所示, Gauss曲线的中心波长约为438.1 nm (2.83 eV), 因此可以此作为材料的增益谱, 以便于进一步对RCLED器件进行性能仿真.

基于如图2所示的Ta₂O₅/SiO₂高反膜系DBR的反射率曲线和如图5红色线所示的器件增益谱的高斯拟合谱图, 利用MATLAB计算出不同对数DBR作为顶部反射镜组成的RCLED的模拟输出光谱图, 如图6中黑色线所示. 为了对比, 图中同时给出对应的DBR反射率模拟曲线, 如红色线所示.

由图6可以看出, 随着DBR对数增多, 其膜系结构反射率数值逐渐增大, 器件输出光强逐渐增强, 当m = 5时, 输出光强达到最大, 此时中心波长处的反射率为95.6%, 与底部Ag基反射镜的反射率95%相当, 共振腔增强作用最强. 继续增加DBR生长对数, DBR反射率进一步提高, 顶部出光腔面光损耗增大, 输出光强逐渐减弱. 为了更好地说明RCLED发光强度对顶部反射镜反射率的依赖关系, 图7模拟了RCLED输出光强随顶部反射镜反射率变化的曲线, 模拟过程中设定底部Ag基反射镜的反射率为95%. 由图7可看出, 随顶部反射镜反射率增加, 输出光强先增强后减弱, 当顶部反射镜反射率为95%时, 共振腔的谐振增强效果最好, 输出光强最强.

另外, 由图6还可以看出, DBR的反射率越高, 发光纵模的光谱线宽越窄, 当DBR对数为5时, 中心波长发光峰线宽只有0.07 nm. 然而, 由于DBR具有较宽的反射带宽, DBR对数为5对时, 在RCLED自发发射谱范围内(410—470 nm)反射率大于90%, 因此, 发光谱内的所有纵模均可获得共振增强, RCLED的发光峰呈现出多纵模发射的特征, 继续增加DBR对数, 不能改善RCLED的多纵模发光特性.

基于如图4所示的Ta₂O₅/SiO₂滤波器结构DBR的反射率曲线和如图5所示的增益器件自发发射光谱的高斯拟合谱图, 利用MATLAB仿真工具, 模拟了以不同对数滤波器结构DBR作为顶部反射镜组成的RCLED器件的输出光谱, 如图8中黑色线所示. 为了对比, 图中同时给出对应的DBR反射率模拟曲线, 如红色线所示.

由图8中可看出, 当DBR对数从1对递增至5对时, 中心波长处输出光纵模强度不变, 中心波长两侧的输出光纵模强度增强, 这与不同对数滤波器结构DBR反射率曲线的变化直接相关. 由图7分析知, RCLED的发光强度依赖于顶部和底部反射镜的反射率数值的匹配程度, 当顶部反射镜反射率接近底部反射镜反射率95%时, 谐振效应最明显, 发光最强; 反射率高于或者低于95%, 发光强度均相应减小; 当反射率接近100%时, 输出光被反射回腔内, 几乎无光输出. 由滤波器结构DBR反射率曲线变化知, DBR对数为1—5对时, 中心波长处反射率数值保持不变, 所以共振腔对此波长处光的谐振效应不变, 其发光强度也保持不变; 同时, 还可以观察到, 此范围内DBR反射率曲线的透光凹带较宽, 反射率95%所对应的波长偏离中心纵模. 为了更好地说明这一点, 图8中用蓝色虚线标注了反射率95%对应的波长, 该波长处谐振效应最强. 可以清晰地看出, 谐振效应最强的位置并非与中心纵模一致, 而是位于中心波长两侧的其他纵模附近. 因此中心波长处的输出光纵模谐振效应弱, 而其两侧纵模谐振效应明显, 光强较强. 当DBR对数由6对逐渐递增时, 中心波长处输出光纵模强度逐渐增强, 中心波长两侧的输出光纵模强度逐渐减弱至为零. 这是由于随着顶部反射镜反射率曲线中心透光凹带逐渐变窄, 顶部反射镜反射率95%对应的波长逐渐靠近中心纵模, 导致了中心波长处的纵模谐振效应最明显; 同时, 中心波长两侧顶部反射镜反射率逐渐接近100%, 输出光全部被反射回腔内, 顶部基本无其他波长的光输出. 因此, 由图8仿真光谱数据知, 使用滤波器结构DBR作为RCLED的顶部反射镜, 当DBR对数高于9对时, 可以在RCLED中实现单纵模光输出.

基于以上理论模拟结果, 采用电子束蒸发镀膜设备分别在RCLED的顶部蒸镀了4对常规高反膜和9对滤波器结构的Ta₂O₅/SiO₂DBR, 其膜层结构分别为(HL)^4H和(HL)^9(LH)^9, 设计的中心波长λ为439.1 nm, 每层膜光学厚度均为λ/4. 同时, 为了得到RCLED顶部蒸镀的DBR的反射率, 在玻璃陪片上蒸镀了同样的DBR膜层以便进行测试分析.

图9所示为玻璃陪片上生长的高反膜和滤波器结构DBR的反射率曲线测试结果. 从图中可以看出, 常规高反膜结构DBR的反射率曲线展示了91.2%的反射率峰值和44 nm的较宽的高反射带(反射率R > 90%的波段). 滤波器结构DBR的反射率曲线在中心波长437.8 nm处存在一个半高宽为2.44 nm的透光凹带, 中心波长处反射率最低为94.6%, 凹带两侧反射率接近100%. 测试结果与理论模拟结果基本一致, 其中, 滤波器结构DBR反射率曲线中透光凹带的半高宽以及最低反射率数值与理论模拟结果存在一定偏差, 这主要是由于在DBR膜层蒸镀过程中, 膜层厚度控制存在一定的误差.

随后, 对顶部分别蒸镀常规高反膜和滤波器结构DBR的RCLED器件进行测试, 图10所示为在垂直出光面方向测试得到的两种器件的电致发光谱图, 为了对比, 图中同时给出顶部没有蒸镀DBR的器件的电致发光谱.

由图10可以看出, 当器件顶部蒸镀4对高反膜结构DBR时, 输出光谱在中心纵模处输出光强最强, 且各纵模模式线宽变窄, 中心纵模线宽由2.9 nm减小至1.4 nm. 但是, 输出光谱仍然呈现出多纵模输出的特征. 这是由于顶部反射镜反射率曲线存在一个较宽的高反射带, 各输出光纵模对应的谐振效应基本相同, 所以不能实现对输出光纵模的选择.

当器件顶部蒸镀9对滤波器结构DBR时, 器件发光光谱中心波长两侧纵模消失, 只留下了中心波长处的纵模, 呈现出单峰发射的特征, 实现了单纵模光输出. 这是由于顶部反射镜反射率95%对应的波长位于中心纵模处, 此位置处的干涉增强效果最明显, 而中心波长两侧的顶部反射镜反射率接近100%, 基本没有光输出, 单纵模线宽仅有0.6 nm.

本文研究了GaN基RCLED的顶部反射镜反射率特性对器件发光性能的影响. 设计制备了具有高反膜结构DBR和滤波器结构DBR两种顶部反射镜结构的RCLED器件, 对两种器件的顶部反射镜反射率和输出光谱进行了仿真和分析, 并从实验上对仿真结果进行了验证.

仿真结果表明, 使用高反膜结构的DBR作为RCLED的顶部反射镜, 可以提高器件的输出光强, 同时压窄发光纵模的线宽. 但是, 由于高反膜结构DBR的高反射带较宽, 输出光谱呈现多纵模模式, 不能实现对纵模的筛选. 使用滤波器结构DBR作为RCLED的顶部反射镜, 其中心波长处存在一个透光凹带, 利用透光凹带对输出光的调制作用, 当DBR对数在9对以上时, 器件发光为单峰发射, 实现了单纵模光输出, 并且发光强度逐渐增强, 输出光谱线宽变窄. 实验结果表明, 相比于顶部反射镜为高反膜结构DBR的GaN基RCLED, 在顶部蒸镀滤波器结构DBR的器件可以实现单纵模光输出, 光谱线宽仅有0.6 nm, 器件输出光谱特性得到大幅优化, 展示了GaN基RCLED在光通信和光纤传感等领域广阔的应用前景.