红光RCLED研究与进展

杨启伟,李建军

(北京工业大学信息学部，光电子技术教育部重点实验室，北京 100124)

引言

LED光源具有高亮度、低功耗、体积小、使用寿命长等优点。具有高亮度、低功耗的高性能LED已成为汽车远近光灯、交通信号指示灯、液晶显示屏、红外监控、集成电路显示、野外探照、户外全彩显示、智能产品背光源、生物农业光照、集成光子计算以及光纤传送数字通信的核心器件[1],特别是在照明领域，LED已经取代白炽灯成为照明的主流光源。随着LED效率的提高，LED的应用领域也不断拓展，并且市场渗透率逐步提升。

目前，相对于GaN基的蓝绿光LED，AlGaInP基红光LED的发光效率不够高。LED的发光效率通常指的是外量子效率，是其内量子效率与光提取效率的乘积。虽然利用量子阱和异质结设计有源区能够使红光LED的内量子效率接近理论极限100%，但是结构未经优化的红光LED光提取效率只有2%左右。造成红光LED外量子效率低的主要原因如下：1)各向同性自发辐射限制了光提取效率。注入到有源区中的电子和空穴以自发辐射的形式复合发光，而自发辐射在空间各个方向的强度分布是相同的，由于出射光临界角的问题，只有在光提取角范围内的光才能出射到器件外面，从而限制了LED的光提取效率;2)电极对光具有遮挡作用。电流从P电极注入，在有源区中的电子和空穴以自发辐射的形式复合发光，而位于P电极下方的有源区辐射所出的光被不透光电极遮挡，难以出射到器件外，降低了LED的光提取效率;3)电流扩展不均匀。常规LED主要靠电流的横向扩展进入有源区，扩展电流在有源区辐射复合出光，但是由于电流横向扩展不均匀，从而使得光提取效率不高；4)侧壁很少出光。普通LED水平宽度是垂直厚度的100多倍，大部分光从顶部出射，侧壁出光通常忽略不计;5)衬底对光有很强的吸收作用。有源区辐射复合射出的光，由于衬底不透明，射向衬底的光会被衬底吸收。

为解决上述红光LED存在的问题，采用谐振腔发光二极管(Resonant Cavity Light-emitting Diode, RCLED)结构是一种有效的途径。1946年，Purcell等[2]预言了辐射源所处的电磁环境能改变其自发辐射特性。将辐射源置于尺寸在波长量级的腔中，则其在腔谐振模式处的自发辐射得到增强，反之则会受到抑制。在20世纪90年代初，光腔的概念开始进入LED的世界，它的应用使得LED的外量子效率得到了一个质的飞跃，器件的发光效率大为提高[3]。RCLED又被称为微腔发光二极管(Microcavity Light-emitting Diode，MCLED)，这个概念在1992年被贝尔实验室的Schubert等[4]首次提出。他们根据Fabry-Ferot(F-P)腔理论提出了一种新型LED结构——谐振腔发光二极管(RCLED)。1993年，制造出第一个红光RCLED，但效率非常低仅有1%左右[5]，随后经过不断的发展，2000年，Peter Bienstman等[6]提出了一种RCLED的改进结构，RC2LED,形成谐振腔反射(RCR)。2001年，Gray等[7]在这个基础上将效率提高到4%。2002年，Delbeke等将光栅辅助(Grating Assisted，GA)结构生长在RCLED上，制作出所谓的“GA-RCLED”。 同年，Chiou等通过减少QWs的数目，使得RCLEDs调制速度获得了明显提高。2008年，Lei等[8]利用绝缘介质材料反射镜(DDBR)，利用高反射率形成的谐振腔，使得650 nm的红光RCLED光功率和光增益都有提高，外量子效率达到6.2%。2009年，Michael等[9]通过MOCVD制造出了量子点微腔(QD-MC)LED，在600～650 nm红光波段AlGaInP RCLED的外量子效率已经超过10%。

与传统平面LED相比，RCLED有以下优点：1)光谱线宽较窄，RCLED 有源区的自发发射限制在微腔光场模式中，因此相比传统平面LED光谱线宽可以更窄，单色性更好，20 mA下光谱半峰全宽(Full Width at Half Maximum，FWHM)仅有十几个纳米；2)光输出方向性好，共振腔的干涉效应使得器件光输出的方向性好、发散角小，与光纤的耦合效率更高；3)具有高亮度、高效率的特点。RCLED和VCSEL都是具有DBR谐振腔的光发射器件，它们结构的不同之处是两者的DBR对数有差异。两者都是垂直于腔面出光，但发光原理不同，前者是自发发射，后者是需要达到粒子数反转才能起振的受激发射。与VCESL相比，RCLED优势有：1)VCSEL有阈值电流限制，而RCLED不需要达到阈值条件就可激射，所需驱动电流较小；2)RCLED工艺相对简单，提高了工业产量，且成本较低；3)相比VCSEL对温度敏感的缺点，RCLED具有更好热稳定性。

本文对红光RCLED的研究报道进行了分析与总结，详细介绍了高效率红光RCLED，面向POF的红光RCLED以及Micro-RCLED的研究进展，为之后红光RCLED的研究提供了理论和实验指导。

1 RCLED基本原理

1.1 RCLED基本结构

RCLED的基本结构主要由上下布拉格反射镜与有源区三部分组成，如图1所示。上下布拉格反射镜(DBR)形成厚度为1λ的F-P光学谐振腔。电子和空穴在有源区中自发辐射产生光子。光在谐振腔内沿谐振腔往返振荡，根据微腔效应，腔使内部真空电磁场模式密度发生改变，增大了腔模选定波长的模式密度，抑制了其他模式密度。根据干涉效应，谐振腔可以让自发辐射光子的优先传播方向发生改变。从而使光辐射中心的角功率分布发生改变，让更大部分的光进入辐射立体角内，使其能够比无腔结构具有更好光束的方向性、光斑对称性，从而达到提高器件耦合效率的目的。

图1 RCLED基本结构Fig.1 Basic structure of RCLED

1.2 Fabry-Perot(F-P)微腔原理

光学微腔是指具有高品质因数且腔尺寸大小与谐振腔波长数量级相同的光学微型谐振腔。F-P微腔应用最为广泛。它是由两个反射镜与夹在中间的波导介质组成。图2为RCLED的基本原理图,其中ns是有源区材料的折射率，ns+1及以上和ns-1及以下分别是上、下DBR之中每一层的折射率，next是DBR以外材料折射率，r1为上DBR反射率，r2为下DBR反射率，要保证有源区产生的光从顶部出射，必须满足r1

(1)

其中ξ为驻波波腹增强因子，在有源层放置恰当时一般为ξ=2，τ和τcav分别为自由空间的自发辐射寿命和谐振腔中自发辐射寿命。

采用微腔结构实现了器件发光强度的增强、光谱纯度的提高、方向性的优化以及内量子效率的提升等一系列腔量子电动力学效应[10]。

图2 RCLED原理图Fig.2 RCLED schematic diagram

1.3 DBR理论

DBR是一种多层薄膜反射器，由厚度为λ/4的不同折射率的材料交替排列组成。由于折射率不同，在每个界面都会发生Fresnel反射。通常由于两种材料的折射率差比较小，因此在每个界面发生的Fresnel反射都不很显著。两种材料选择合适的厚度，可以使所有反射波都实现相长干涉。在垂直入射情况下，当材料薄膜厚度为1/4光波长时，就会发生相长干涉。

DBR的选择需要满足三个条件：1)所选DBR材料要与有源区和衬底晶格相匹配；2)为获得更高的反射率，DBR材料需要对辐射的光波段透明；3)若为电流路径，DBR材料需导电。

2 红光RCLED

2.1 高效率红光RCLED

为进一步提高红光LED的效率，北京工业大学光电子技术实验室基于RCLED，从结构设计到工艺制作再到性能优化等方面进行了探索与研究。2010年制作出ITO透明窗口层RCLED。如图3所示，两个样品输出的光功率都是首先随注入电流的增大而增加,当电流大于一定值以后,由于热效应使得器件的发光效率降低,光输出功率随注入电流的增加而减小。对样品1(有ITO)，当注入电流为18 mA时光输出功率达到最大值，为0.72 mW，而对于样品2(无ITO)，由于电光转换效率低，当注入电流为15 mA时光输出功率就达到了最大值，仅为0.36 mW。表面有ITO的样品1的最大光输出功率是表面无ITO的样品2的两倍。这主要是由于表面ITO的引入一方面增加了电流的横向扩展，另一方面有利于光的增透出射。

图3 样品光功率随注入电流变化曲线Fig.3 Variation curve of sample optical power with injection current

测试结果表明，有ITO的器件热特性得到改善，输出功率得到提高，表面有ITO的器件最大光输出功率是表面无ITO的器件的两倍。由于RCLED缺乏电流铺展层，谐振腔发光二极管的性能和特性容易受到P型电极形状的影响，2011年研究了2种形状的P电极对谐振腔发光特性的影响。如图4所示，A为单环电极，B为双环电极，通过对比单环与双环P电极的RCLED电学和光学特性，测试结果发现采用单环电极的RCLED设备可靠性高，热效应大，在低电流注入下光输出功率大。

图4 RCLED的光输出功率与偏置电流的关系Fig.4 Relationship between optical output power and bias current of RCLED

同年，课题组为使电流分布更加均匀，电极采用网格形状，如图5所示，该P面网格电极焊点尺寸为100 μm，网格宽为4.5 μm。

图5 用于高效率RCLED的网格电极Fig.5 Grid electrode for high efficiency RCLED

制备了4个样品，分别编号为RC-1、RC-2、RC-3、RC-4。每个样品的下DBR为34对n型AlAs/Al0.5Ga0.5As，上DBR的对数均为6对，不同之处在于DBR材料组分不一样，材料均为p型AlAs/AlxGa1-xAs。有源区不同，RC-1由两个有源区组成，F-P腔厚为2λ；RC-2、RC-3、RC-4的有源区由3个(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P/Ga0.5In0.5p量子阱组成，有源区与上下包层组成标准的厚度为1λ谐振腔。RC-2的包层为(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P，其他三个样品的包层均为(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Po对4种样品的光电输出特性进行了测试分析，如图6所示。

图6 20 mA注入电流下光输出功率的对比图Fig.6 Comparison of optical output power under 20 mA injection current

实验表明多有源区样品RC-1的最大光输出功率达到了3.47 mW，平均光输出功率3.4 mW。作为单有源区的RC-4，在20 mA驱动电流下，平均光输出功率达到了3.22 mW。

由于电极下方的电流密度过大，在小注入电流下，这部分辐射复合发出的光很大一部分被电极吸收不能发射出体外，从而影响了外量子效率。故课题组采用对两种电极结构分别引入阻挡层，同时制作相应不带有阻挡层的器件进行对比。电极结构如图7所示。

图7 用于高效率RCLED的万字型和网格电极Fig.7 Wanzi and grid electrodes for high efficiency RCLED

网格电极和万字型电极制作了两种RCLED结构。网格电极分别是没有阻挡层的常规650 nm RCLED，记作A，带有阻挡层的650 nm RCLED，记作B;万字型电极分别是带有阻挡层的650 nm RCLED，记为A,无阻挡层的常规650 nm RCLED，记为B。测试结果如图8所示。

图8 光输出功率与注入电流的关系图Fig.8 Relationship between optical output power and injection current

实验表明在20 mA注入电流下网格电极下引入阻挡层能很大程度地提高光输出功率，大约是常规结构的1.54倍，达到了3.77 mW。其外量子效率超过8%。对于万字型电极，带有阻挡层的器件光功率相比常规结构增加了20%。上述研究为实现高效率红光RCLED奠定了基础。

2.2 面向POF的红光RCLED

塑料光纤(plastic optical fiber, POF)因具有柔韧性好、价格低、抗电磁与辐射干扰、直径大以及易于安装等优点，成为短距离光通信的重要媒介[11]。但是由于POF色散大，带宽有限以及基于POF的短距离光通信的普及对低价格高性能的光源提出了迫切的要求。半导体激光器的特性好但成本高[12],而普通半导体发光二极管 (Light-emitting Diodes, LED) 虽然便宜但带宽小、光纤耦合效率低,谐振腔发光二极管(Resonant Cavity Light Emitting Diode,RCLED)是在性价比方面介于半导体激光器和半导体发光二极管之间的一个很好的折衷[13]。RCLED因其独特结构具有高效率、高亮度、高提取效率以及良好的温度可靠性等优点。不仅如此，与传统的LED相比，RCLED可以在高的调制速度下工作,光谱纯度高,还有较高的外量子效率。近年来，随着塑料光纤通信和网络技术的不断发展，RCLED受到的关注也越来越多。特别是红光RCLED应用越来越广泛，在光纤通信数据领域扮演着越来越重要的角色。尤其是输出波长为650 nm的RCLED,对应于POF的低损耗波段,是短距离光通信的理想光源[14]。

2009年课题组提出了一种将AlGaInP 材料作为 p 型上DBR, AlGaAs 材料作为n型下DBR,GaInP/AlGaInP多量子阱为有源区,GaP 材料为 p 型欧姆接触层的650 nm共振腔发光二极管结构，实验获得了高性能的RCLED，如图9所示[15]。

图9 RCLED光功率与远场分布图Fig.9 Optical power and for field distribution of RCLED

结果表明，相比普通LED，RCLED具有更高的发光效率、波长稳定性以及较窄的光谱半宽与较小的远场发散角，是用于短距离光通信时与POF耦合的理想光源。为进一步优化RCLED性能，同年研究了650 nm RCLED的外延特性，利用金属有机化学气相沉积方法生长了波长为650 nm的谐振腔发光二极管，采用AlGaInP材料系作为顶层DBRs。测试数据如图10所示。

图10 RCLED测试结果图Fig.10 RCLED test result chart

实验表明，AlGaInP顶级DBR具有更好的接口质量和低电压。器件在0.5 mA下的电压为2.2 V，平均发光效率为0.5 mW，半波宽为10 nm[16]。2011年研究了氧化孔径对RCLED特性的影响。利用湿法氧化技术制备了具有电极孔径为80 μm的三种不同氧化孔径的RCLED。氧化孔径分别为90 μm、110 μm、130 μm，如图11所示[17]。

图11 电压，输出光功率与电流关系图Fig.11 Voltage, output optical power and current diagram

实验表明，氧化孔径越小，输出电压越大，由于在相同电流下氧化孔径越小，电流密度越大，故获得最大输出功率的速率越快。氧化孔径越大，光功率越小是由于较大的串联电阻和电流密度，使得注入的电子以非辐射的方式释放能量。这一研究优化了RCLED性能，对POF通信系统中RCLED光源器件做了进一步改善。

2.3 Micro 红光RCLED

Micro-LED是指发光单元横向尺寸在50 μm 以下的LED[18]。Micro-LED具有高亮度、低功耗、寿命长、高响应速度等优异特性，现已成为显示领域的热点，目前基于GaN基蓝光和绿光Micro-LED制备相对成熟。但是随着Micro-LED横向尺寸的减小，侧壁表面积占比增大，导致侧壁的非辐射复合面积增大并且基于AlGaInP的红色微型LED侧壁非辐射复合效应比基于GaN的LED更严重，使得效率进一步降低。采用RCLED可以减少侧壁非辐射复合，提高效率。

2018年，北京工业大学光电子技术实验室通过设计4组氧化孔径分别为60 μm、50 μm、20 μm、10 μm，其他结构均相同的650 nm RCLED与发光面积为60 μm的普通LED进行比较。结果如图12所示，可以看出，在2 mA以下，10 μm尺寸RCLED的光功率最高，最高可达0.28 mW。

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

图13(a)为4组不同器件的半波全宽图，(b)图为4组不同器件的峰值波长λp图。可以看出与面积为60 μm的圆台型无腔650 nm LED在5 mA电流下FWHM为17 nm。相比较RCLED的光谱纯度更高，RCLED的失谐和尺寸变化均不会对λp产生影响，稳定在650 nm左右；而普通LED的λp在1～7 mA电流变化范围内从650 nm变化至654.5 nm[19]。

图13 器件尺寸对光谱影响Fig.13 Influence of device size on spectrum

结果表明，10 μm孔径器件在1 mA电流下达到0.16 mW的光功率和7%的外量子效率。20 μm尺寸器件在5 mA下达到0.42 W光功率。峰值波长为650 nm，并且在0.1～7 mA范围内不随电流改变而发生变化。RCLED比普通LED具有更好的单色性和温度稳定性。

2020年，北京工业大学光电子技术实验室为实现微显示高外量子效率及小电流模式下的正常工作，提出了一种将共振腔发光二极管与AlAs侧向氧化技术结合的Micro-RCLED。其结构图如图14所示。

图14 Micro-RCLED结构示意图Fig.14 Structure diagram of Micro-RCLED

课题组制作了3个氧化孔径为17 μm的并联的655 nm Micro-RCLED，测试结果如图15所示[20]。

图15 Micro-RCLED的光功率与外量子效率与驱动电流的变化曲线Fig.15 Curve of optical power, external quantum efficiency and driving current of Micro-RCLED

结果表明，器件的外量子效率大于10%，当电流密度变化12.5倍时，峰值波长增加1.5 nm，半波宽增加了0.33 nm，并且在低于1 μA工作电流下，单个Micro-RCLED可以发光。

3 结语

本文阐述了RCLED的原理、基本结构、优点及其应用，重点介绍了红光RCLED的研究进展。为提高发光二极管效率，国内外研究者在对改善其性能和解决工艺等方面的困难进行了不同的探索。本文主要从高效率红光RCLED、面向POF的红光RCLED以及Micro-RCLED三个方面介绍了课题组对提高红光RCLED效率所做的研究工作。

随着RCLED研究的不断深入，性能不断提高，使得红光RCLED在输出功率、波长稳定性、提取效率等方面提升较快，并且已广泛应用于可见光光通讯、医疗、照明和显示等领域。由于RCLED广泛的应用于生产生活中的各个方面，市场对RCLED的各方面性能提出了更高的要求。因此我们需要进一步的研究，使器件的性能更加稳定，获得更大的提取效率，以及拓展可见光波长范围等其他性能上的突破，实现高效率红光RCLED，使其在未来的发展中具有更加广阔的市场应用。