（物理电子学专业论文）谐振腔发光二极管的理论研究与工艺制作.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：扯导师签名： 摘要 摘要 l e d 作为一种重要的数据传输接受器件被广泛应用于光纤通信、数据链接、 远程控制器、光学显示器等领域。但是传统l e d 有许多与生俱来的缺点，比如发 射效率低，辐射角度宽，光谱线宽较大，而且调制速率比较低。因此，为了克服 这些问题，一种带有谐振腔结构的l e d ( r c l e d ) 具有独特的优势。与传统l e d 相比，r c l 即光谱线宽窄，耦合效率高，亮度大，是用于视觉显示和塑料光纤通 信的理想光源。而且，r c l e d 不像垂直面发射激光器那样需要复杂的外延和后续 工艺。近几年来随着塑料光纤通信和网络技术的不断发展，r c l e d 在全世界受到 越来越广泛的关注，特别是红光r c l e d 在塑料光纤数据通信领域扮演了重要角 色。因为聚甲基丙烯酸甲酯( p m m a ) 基塑料光纤在6 5 0 砌附近有最小衰减和较宽 直径( 0 7 5 1 咖) ，使得两者能够很好匹配。 但是，r c l e d 在我国大陆地区还没有得到任何发展，这在一定程度上阻碍了 光通信技术的进步。在北京市教育委员会科技计划面上项目( 批准号： l ( m 2 0 0 8 1 0 0 0 5 0 0 2 ) 和北京市属市管高等学校人才强教计划资助项目等项目的支持 下，本论文参照国外在r c l e d 领域的研究经验，配合实验室现有条件，多次实验， 成功制作出了波长为6 5 0 硼的a 1 g a i i l p 材料系的r c l e d ，器件发光良好，工作 压降较低，达到了一定的输出光功率，为本项目的进一步深入研究提供了理论依 据、实验基础以及相关工艺参数。具体工作如下： ( 1 ) 在研究r c l e d 发光理论的基础上，制作了6 5 0 1 1 i i lr c l e d 的外延结构：微 腔厚度为1 入，有源区采用了g a i i l p ( 灿o 5 g a o 5 ) o 5 h l o 5 p3 量子阱结构；阱和垒 的宽度都为5 姗，阱和垒的材料分别为g a i i l p 和( 砧o 5 g a o 5 ) o 5 i i l o 5 p ，上d b r 为1 5 对、l o 对或5 对的( 舢o 3 g a 0 7 ) o 5 h l o 5 p a l h l p 材料，下d b r 为3 4 对 砧a 虮u o 5 g a 0 5 触材料。 ( 2 ) 使用p l 谱测试和白光反射普测试实验，对3 量子阱结构的发射谱，微腔 结构模式波长、上下d b r 发射率峰值波长进行了验证，对生长好的外延片进行 s e m 扫描观测。 ( 3 ) 研究学习l e d 的基本工艺，归纳各工艺特点，并参照国外r c l e d 的制作 工艺，结合实验室现有条件，完成用于通信光源的s i 0 2 阻挡层r c l e d 制作工艺 流程，制作出最大光强为2 1 4 m c d ( c = 0 0 0 ，g = 一4 5 0 ) ，平均光强扩散角0 ( 5 0 9 6 ) = 8 6 9 。，f w h m 为13 1n m 的r c l e d 。 ( 4 ) 针对制作好r c l e d 器件电光转换效率低，电流扩展不好的情况，改进 r c l e d 工艺，制作出i t o 透明窗口层r c l e d 。测试结果表明，有n o 的器件 热特性得到改善，输出功率得到提高，表面有i t o 的器件最大光输出功率是表 北京工业大学工学硕士论文 面无i t o 的器件的两倍。 ( 5 ) 运用测试设备对制作完成的r c l e d 器件进行光电性能测试分析，总结经 验。 关键词：r c l e d ；后工艺；电流限制；d a b s t i 鼍c t a b s tr a c t l e d sa r eo n eo f 。m ei m p o r t a n td a t a 仃a n s m i s s i o nr e c e i v i n gd e 访c e sa n dh a v eb e e n w i d e l yu s e di nm 觚y 印p l i c a t i o i l s ，i n c l u d i n go p t i c a l f i b e rc o 彻m l l l i c a t i o 玛d a t a 1 i n k s ， 崩n o t ec o r l 仃o l l e r s ，0 p t i c a ld i s p l a y s ，a 1 1 ds of o r t l l c o n v e n t i o n a ll e dh 鹤s e v e r a l i l l l l e 嗽l td i s a d v a i l t a g e s ，s u c h 觞l o we 伍c i e l l c y ，w i d ea l l g u l a re m i s s i o i l ，b r o a ds p e c 仃a l 1 i n e w i d l ，锄dl o wm o d u l a t i o ns p e e d t h e r e f o r c ，f o rm ep l l r p o s eo fi i n p r o v i n g c o n v 既t i o n a ll e d si i l l l e r 哪d i s a d v 锄t a g e s ，m cr e _ s o n a n t - c a v i 够l i 曲te l i l i 仕i n gd i o d e ( r c l e d ) w h i c hc 0 i i i b i l l 髓l el e dw i 廿1r e s o n 锄t _ c a v i t ys 仃l l c t u r ew 嬲p r o p o s e d c o m p a r e dw i mc 0 n v e n t i o n a ll e d s ，r c l e d sh a v en a 仃0 ws p e c t r a ll i n e w i d l ，b e 仳e r 锄i s s i o nd i r e c t i o n a l i 劬b 甜c rc o u p l i n ge 伍c i e i l c y 锄d1 1 i 曲b r i 出n e s s ，m a l 【i n g 廿l 锄 i d e a l 矗) r 、，i s u a ld i s p l a y s 锄dp l a s t i c 舶e rc o m m 加i c a t i o i l s r c l e d sh a v en o tt l l e c o m p l i c a t e de p i t a ) 【ya l l df a b d c a t i o np r o c e s s e sw h i c ha r en e c e s s a d ，f o rv e r t i c a l c 删t ) r s 1 幽c e - 锄i t t i n gl 勰e r s ( v c s e l s ) r e c t l 弘w i mm ed e v e l o p m e n to fo p t i c a l - 助e r c o m m u n i c a t i o n 锄di 1 1 t e m e t ，r c l e d sh a v eb e p a y e dm o r ea t t e l l t i o na l lo v e rn 坞 w o r l d h lp a n i c u l 鸡t l l er c d - 铋1 i t 曲gr c l e dp l a ) ，s 觚i m p o r t a n tr o l ei i lt 1 1 e d e v e l o p m e n to fp l 弱t i co p t i c a l 助e f ( p o f ) d a t ac 0 删n u l l i c a t i o i l s ，s i n c e l e yc o u l db e 觚e x c e l l tm a t c h 蠡p o l y ( m e l y lm 刮 1 删a t e ) ( p m m a ) - b 嬲e dp o f 谢ma m 抽j i 】叽l ma t t e i m 撕o na t6 5 0ma n daw i d ec o r ed i 锄e t e r ( o 7 5 一l 姗) b u ti n l ec o n 曲e n to f0 1 1 rn a t i v ec o u m 嘎l e i ei sn o t 觚yd “e l o p m 锄ti i l r c l e d ，w l l i c hw i l lb eab l o c k i n o p t i c a l - 丘b e rc o m m 瑚i c 撕0 nd e v e l o p m e n t s u p p o r t e db yb 刨i n ge d u c a t i o nc o 舢【i l i t t s c i 锄c ca n dt c 曲n o l o g yp l 蛆s u r f a c e p r o j e c t s ( k m 2 0 0 8 1o 0 0 5 0 0 2 ) a n df l l i l d i n gp r o j e c t 南ra c a d e i l l i ch u m a l lr 鹤0 u 淌 d e v e l o p m e n ti i lh 塔t i t i 瓶。船o fh i 曲e rl e 觚1 i n & m l d e rt l l ej u r i s d i c t i o no fb e i j i i l g m u i l i c i p a l i 劬r e f 锄gt 0o v e r s e 勰s t u d y i n ge ) 【p 耐e n c e ，u n d e r l a bc o n d i t i o ni n e x i s t e n c e ，6 5 0 i l i i lr c l e d sw e r em a d es u c c e s s 如l l yt h ed e v i c 鹤c n l i t t c dl i g h tw e l l ， h a d1 0 w e rw o f i ( i n gv o l t a g em l d h a da c c 印ta ：b l eo u t p mp o w e r b yn l e s ew o d ( d e t a i l e d m e o r y ，e x p e r i m e n tf 0 u l l 捌o na i l df a 晡c a t i o np 踟e t e rw e r ep r 0 讥d c df o r 允r t l l e f r e s e a r c h t h em a i l lw o r kc 觚b e 咖撕z e d 弱f o l l o w i i l g ： ( 1 ) r e f e 盯i n gt o 向r e 咖l i t e r a t u r e sa b o u tr c l e d ，恤w o 凼n gp 血c i p l e ，s 伽烛l r e s a i l dp e r f i o m l a i l c ew e r es 1 【n l m a r i z e d ，m ee x 缸s i o n 蛐m c t u r ew e r ed 髓i 弘e d ( 2 ) p h o t 0 1 u m i n c s c e i l c em e a s u r 锄e 1 1 t 锄d 、7 l 恤tr c l e c t i o nw a v e l e l l g t l le x p d 岫髓t sw e r c i 目录 目录 摘要i a b s 仃a c t i i i 第1 章绪论1 1 1r c l e d 的概念与基本结构l 1 2r c l e d 的应用1 1 3r c l e d 发展史2 1 4r c l e d 目前的研究状况3 1 5 本论文的研究工作3 第2 章r c l 印的基本理论5 2 1 半导体二极管发光原理。5 2 2 传统l e d 存在的问题6 2 3 平面光学微腔7 2 4 微腔对光谱辐射的增强1 1 2 4 1 光谱辐射增强1 1 2 4 2 整体辐射增强1 2 2 4 3 实际辐射增强和角依赖关系。1 3 2 5d b r 的相关理论1 6 2 5 1 基本结构1 6 2 5 2 相关参数。1 6 2 6 有效腔厚度与d b r 的关系1 9 2 7 本章小结1 9 第3 章r c l 印的外延片设计与测试2 l 3 1 谐振腔的设计2 1 3 1 1f p 腔原理2 1 3 1 2f p 微腔效应2 3 3 1 3 设计要点2 4 3 1 4 器件内部沿垂直于出光面方向的光场分布模拟2 5 3 1 5 量子阱p l 谱测试2 6 3 2 2d b r 的对数的模拟2 9 3 2 3d b r 的白光反射谱测试3 0 3 3r c l e d 外延片的的m o c v d 生长31 3 3 1m o c v d 3 2 3 3 26 5 0 曲瓜c l e d 外延生长过程3 2 3 4r c u d 的外延材料结构和s e m 表面形态3 2 3 5 本章小结3 4 第4 章r c l 印的工艺制作3 7 4 1r c l e d 与普通l e d 的区别3 7 4 2 平面结构的i 屺l e d 3 7 4 2 1 平面结构r c l e d 的外延结构3 7 4 2 4 平面结构r c l e d 的工艺与测试3 8 4 3 作为通信光源的r c l e d 的工艺设计3 9 4 3 1p 型环形电极制作3 9 4 3 2 制作欧姆接触4 0 4 3 3 电流阻挡层的选择4 1 4 4s i 0 2 限制层r c l e d 的工艺制作与性能测试4 3 4 4 1s i 0 2 限制层r c l e d 的工艺流程4 3 4 4 2 电性能测试4 5 4 4 3 远场分布测试4 6 4 4 4 峰值波长测试4 7 4 5 不同上d b r 的器件的性能测试对比4 8 4 5 1 光性能测试4 8 4 5 2 电性能。4 8 4 5 3 结论51 2 5 3 电子束蒸发i t o 5 4 5 3 1 电子束蒸发原理简介5 4 5 3 2 玎o 性能与各生长条件的关系5 4 5 4 在r c l e d 生长i t o 透明窗口层的工艺参数选择与透射率测试5 5 5 5i t o 透明窗口层r c l e d 的工艺流程一5 6 5 6i t o 透明窗口层r c l e d 光电性能测试5 9 5 71 1 o 透明窗口层r c l e d 光场分布测试6 1 5 8 本章小结6 2 结论。6 3 参考文献一6 5 攻读硕士学位期间发表的学术论文6 9 致 射7l 3 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1r c l 印的概念与基本结构 r c l e d ( r e s o n a n t c a v i t yl i g h t e m i t t i n gd i o d e s ) ，又称谐振腔发光二极 管，是一种辐射区在光学腔中的l e d 。光学腔的典型厚度一般为0 5 倍或1 倍l e d 辐射的光波长，即对于辐射可见光或红外光的器件来说为零点几微米。腔的谐振 波长与l e d 有源区的光发射波长接近或谐振，因此腔称为谐振腔。来自位于谐振 腔内部的发光区的自发辐射特性由于谐振腔效应而得到增强。r c l e d 是第一种利 用发生在微腔中的自发辐射增强的实际器件。 r c l e d 的基本机构包括上下反射镜，夹在上下反射镜中间的有源层，以及传 导电极。下反射镜通常是生长在半导体衬底上的n d b r ( n 一型分布布拉格反射镜 d i s t r i b u t e db r a g gr e f l e e t o r ) ，对于从上面出光的r c l e d 上反射镜的反射率要小 于下反射镜，即上d b r 的对数要远小于下d b r 的对数。 谐振腔发光二极管，由于微腔效应，改变了真空电磁场的模式结构，能够使 共振波长的光模式密度增大，抑制其他模式密度，使与共振波长相当的有源区自 发辐射率增加。同时，再利用f a b 驴p e r o t ( 法布里珀罗) ( f p ) 腔的干涉效应， 改变了内部出射角的功率分布，通过适当的腔设计，出射光在腔中形成共振，增 加了谐振波长的外量子效率，同时提高了纯度和方向性。使大部分的光集中在提 取角的范围内，只有少数的光被有源层及本身所吸收。简单地说，r c l e d 就是 把有源层置于f a b 驴p e f o t ( 法布里一珀罗) ( f p ) 光学谐振腔中，使自发发射的 光在腔中发生干涉，抑制了非谐振波长，从而达到可以选择性出光的目的。 谐振腔内部有源区的放置产生了器件特性的多方面提升。首先，沿腔的轴向 的光强，即垂直于半导体表面方向的光强比传统l e d 要高。增强因子的典型值为 2 1 0 。其次，r c l e d 的发射光谱较传统l e d 有较高的光谱纯净度。传统l e d 中， 光谱线宽取决于热能k t 。然而，在r c l e d 中，发射线宽取决于光腔的品质因子。 其结果是r c l e d 的光谱线宽要比传统的发光二极管窄2 5 倍。由于同样的原因， 波长随温度的漂移取决于光腔的热系数而与非取决于有源材料的带隙宽度。这表 明与传统l e d 相比，r c l e d 有很好的高温稳定性。再次，r c l e d 的远场模式要比 传统l e d 要更具方向性。传统l e d ，辐射模式为蓝伯逊型( 即余弦型) ；r c l e d 的 辐射模式为绝大部分辐射沿着腔的光轴方向。 1 2r c l 印的应用 光纤技术的出现和应用使得长距离通信速率得以大幅提高，并由此促进了信 化的关键，而其中的光发射器件更是关键中的关键。目前可用于短程光通信的光 发射器件有：分布反馈( d i s t r i b u t c df e e d b a c k ，简称d f b ) 半导体激光器、f p 腔( f a b 驴p e r o t ) 端发射半导体激光器、垂直腔面发射激光器( v c = n i c a lc a v i t y s u 而c ee m i 仕i n gl 嬲e r ，简称v c s e l ) 和半导体发光二极管等。d f b 半导体激光 器的光谱较窄，调制带宽较宽，但由于制作成本高，一般只用于主干网络；f p 腔端发射半导体激光器的制备工艺虽然稍微简单，但腔面的光学灾变损伤 ( c a t a s t r o p h i c0 p t i c a ld a m a g e ，简称c o d ) 对器件的可靠性和寿命是一严峻 的考验；v c s e l 具有谱线窄、适合制作面阵等优点，但要求其谐振腔、分布式布 拉格反射镜( d i s t r i _ b u t i o nb m g gr e f l e c t o r ，简称d b r ) 反射峰和有源区的增益峰 要对准，工艺条件较为苛刻；半导体发光二极管( l i g h te i i l i t t i n gd i o d e ，简称l e d ) 的制备工艺简单，成本低，但其光谱较宽，特别是将其应用于光纤通信的光源时， 由于其发光的单向性较差，光纤的耦合效率很低。针对短程光通信对光源光谱纯 度要求较低等特点，人们提出了用谐振腔发光二极管( r c l e d ) 作为短程光通 信的光源来克服以上问题【i j 。 r c l e d 的这些特性很适合局域光通信系统。l e d 在局域光通信网络中扮演 重要角色，特别是在p o f 短程光通信系统中的使用不断增加。i 犯l e d 具备的高 的发射强度和方向性，更好的发射模式等特性可以增加与光纤的功率耦合。其结 果是，r c l e d 可以在更长的距离上传输数据。并且r c l e d 具有高的光谱纯净 度，从而色散较小，允许更高的比特率。 与激光器相比，l e d 更便宜，可靠性更高，温度较不敏感。r c l e d 在保持传 统l e d 内在优点的同时提升了性能。r c l e d 的上反射镜的反射率要比垂直腔面 发射激光器的上反射镜的反射率要低，因此r c l e d 的工艺成本要更低。6 5 0 n i i l 波 长为p o f 理想的通信波长，而在这个波段，垂直腔面发射激光器由于缺少高反射 率的反射镜，工艺上较难实现。 r c l e d 也可用于高亮度应用领域。在这些器件中，谐振波长设计为半导体自 发辐射光谱的长波端，这可以保证空间各方向整体辐射强度最大化。 1 3r c l 印发展史 r c l e d 于1 9 9 2 年首次在g a a s 材料系实现【2 1 。一年后，在有机材料中也实现 了r c l e d 【3 1 。1 9 9 4 年有人提出了把其用于通讯领域的设想。第一只高效率的i 比l e d 2 第l 章绪论 是d en e v e 等人在1 9 9 5 年做出的，其效率达到了2 3 。至此之后，r c l e d 的效率 不断得到提高。 r c 2 l e d 作为r d l e d 的改进结构在2 0 0 0 年由p e t e rb i e n s t m a n 等人提出。这 种结构是针对r c l e d 微腔谐振仅仅是提高了有源层出射光的光谱纯度和发射角 度，而降低了提取效率的问题设计的。其基本结构是在外耦合d b r 下面加入一 个对称的谐振腔，形成谐振腔反射( r c r ) h 1 。 2 0 0 2 年，d d e l b e k e 等人将光栅辅助( g a ：g r a t i n ga s s i s t e d ) 结构放在 r c l e d 上，制作出了g a r c l e d 。这种器件与其他高效率l e d 相比的主要优点是， 它是可以有1 d 和2 d 阵列的平面器件。数值计算显示底部为d b r 反射镜和部分带 有2 d 光栅的金属反射镜结合的g a r c l e d 的效率超过了4 0 嘲。同年，s h u w o e i c h i o u 等人通过减少q w s 的数目达到提高r c l e d s 调制速度的目的， 2 0 0 5 年，台湾的l b c h a n g 等人，通过在6 6 0 n i i l 的r c l e d s 外延层中扩散掺 杂p t 原子，增加复合中心的浓度来提高调制频率。放置了a 1 i n g a p 多量子阱有 源层的卜入a 1 g a l a s d b r s 谐振腔在重度掺杂了p t 后，平均上升时间从1 8 0 7n s 提 高到1 2 2 ln s 。相应的调制频率也从1 9 5 4 删z 提高到了3 0 2 1 删z 1 。 五 2 0 0 7 年，在硅衬底上用晶片焊接技术制造出了高温稳定的g a i n p a 1 g a i n p 金属焊接r c l e d ( m e t a 卜b o n d i n gr c l e d ，船r c l e d ) 。与传统r c l e d 相比，m b r c l e d 的功率受温度影响的变化不大。8 4pm 她r c l e d 在注入电流为2 5 m a 和2 0 m a 时， 能量转换效率分别高达1 3 7 和1 0 7 5 ，并且改良了热消散，从室温上升到1 0 0 时，功率只下降0 3 1 d b h l 。 1 4r c l 印目前的研究状况 目前，我国大陆地区对r c l e d 的理论研究和实验制造还是处于空白阶段，相 关的报道也很缺乏。反观台湾以及国外，近年来许多研究所和企业对r c l e d 的研 究和制造已经取得了许多突破性成果。如今，基于i e e e1 3 9 4 b 标准的、发射波 长为6 5 0 n m 的r c l e d 已实现了商品化随1 。当今r c l e d 的发展着重于高输出功率、 高效率、高调制速度、高耦合效率、高稳定性可靠性和进一步降低制造成本几个 方面。 1 5 本论文的研究工作 本论文针对国内6 5 0 n i i l 红光r c l e d 领域的研究空白，从零做起。参照国外文 献所述结构，摸索工艺参数，结合实验室现有条件，设计r c l e d 的工艺流程，制 作出了发光性能较好的r c l e d ，并借鉴普通l e d 的研究经验对制作出的r c l e d 热 稳定性不高的问题进行改良实验，同时提高了器件的发光效率。进行多次试验， 3 为13 1n m 的r c l e d 。 ( 5 ) 针对制作好r c l e d 器件电光转换效率低，电流扩展不好的情况， 改良 r c l e d 后工艺，在器件上设计并生长i t o 透明窗口层，制作出最大光输出功 率是表面无i t o 的样品2 的两倍i t o 透明窗口层r c l e d 。 ( 6 ) 运用测试设备对制作完成的r c l e d 器件进行光电性能测试分析，总结经验。 4 第2 章r c l e d 的基本理论 第2 章r c l 印的基本理论 2 1 半导体二极管发光原理 半导体发光二极管自发性( s p o n t a l l c o u s ) 的发光是由于电子与空穴的复合而 产生的。一般的半导体发光二极管，多以v 、i i 族化合物半导体为材料， 这些材料的发光范围由红光到紫外线。目前红光的材料主要有砧g a i n p ，而蓝绿 光及紫外线的主要材料则有a 1 g a i n n 。发光效率与材料是否为直接带隙( d i r e c t b a l l d g a p ) 有关，直接带隙材料包括g a n i n n a l n 、g a a s 、i n p 、i n a s 及g a a s 等，这些材料的导带最低点与价带最高点在同一k 空间点。所以电子与空穴可 以有效地再复合( r e c o r n b i n a t i o n ) 而发光，而间接带隙( h l d 打e c tb 趾d g a p ) ，由 于其带隙即导带最低点与价带最高点不在同一k 空间点，以致电子与空穴复合 时除了发光外，还需要声子( p h o n o n ) 的配合，所以发光效率低。目前发光二极 管用的都是直接带隙的材料。 在直接带隙材料中，电子与空穴复合时，其发光跃迁( r a d i 撕v ct r a l l s i t i o n ) 有多种可能性，如图2 1 ( a ) 是带间复合，( b ) 是自由激子( e x c i t o n ) 相互抵消，( c ) 是在能带势能波动区域低势能区局部束缚激子的再复合。( a ) 及( b ) 是一般舢g a i l l p 红光l e d 产生光的原理，而图( c ) 则是a l g a i n n 的蓝光及绿光l e d 产生光的原理。 兰 羟纺 基 三 傍渗 兰 曩帮惩笈台秘l 锻铂鞭予糍甄掇稽( e l 在匏謦费缝浚动继满皴璇舞 舷”哥翰笈奢 图2 1 半导体固有发光跃迁过程 f i g 2 1v a r i a n c eo fr c l e di n h e r e n te m i s s i o n 当电子与空穴复合而产生光时，这些光被称为自发辐射( s p o n t a i l e o l l s 5 f i g 2 2s p o n l 粕e 0 惦e m i s s i o fs 锄i c o n d u c t o r 2 2 传统l 印存在的问题 传统l e d 都是以平面结构生长在有光吸收的衬底上，顶部用圆顶环氧树脂封 这种结构的提取效率非常低，仅为4 左右，所以只有很小一部分的光可以 。主要原因有：一是由于电流分布不当以及材料对光的吸收；二是在有源层 的发射是各向同性的，光很难从高折射率的半导体材料入射到低折射率的周 质( 如空气) 中。如图2 3 所示，由于受到临界角晓的限制，只有在提取角 光才能出射，其它光则被反射或吸收。 l 有黼( v ) 图2 3 传统l e d 的出射角 f i g 2 3e m i t t i n ga n g l eo ft r a d i t i o n a l l e d 6 第2 苹i k l e d 的基本理论 根据s n e l l 理论，对传统平面l e d ，由于有源区材料和周围介质的折射率差 异，在内量子效率接近l 的情况下，最优化的t 1 叭，。的值被限制在2 ( 0 c = 1 8 0 ) 一4 ( 岔= 2 7 。) 【9 】。为了提高l e d 的提取效率，人们尝试采用了各种不同的几 何形状和表面处理方法。其中，效果最好的是使l e d 呈倒截角金字塔形状， a l g a i n p 基6 5 0 i ml e d 的外量子效率达到了6 0 ，这也是当今传统l e d 的最高 记录【1 m 1 2 】 2 3 平面光学微腔 光学微腔是指具有高品质因子而尺寸小至与谐振光波波长相比拟的光学微 型谐振器。在这种结构中，光子的运动状态产生了巨大的变化，与自由空间存在 许多不同。u 驯在光学微腔中所发生的物理现象，不仅对腔量子电动力学的研究 有重要意义，而且对微型激光器的潜在应用具有指导价值。光学微腔所具有的种 种现象其本质是来源于环境对光子的限域作用。1 9 1 7 年e i n s t e l i l 就指出处于激发 态的原子可以通过自发发射和受激发射两种方式辐射出光子。在很长一段时间 里，大家都认为自发发射是物质的本征特性；现在我们知道自发发射并不是物质 不可改变的属性，它也是物质与真空场涨落相互作用的结果。如果利用一些限域 条件例如壁腔等，就可以人为改变真空电磁波的涨落，从而使某些频率真空电磁 场的模式密度增加而另一些频率下真空电磁场的模式密度减小。p u r c e l l l 【1 4 】在 1 9 4 6 年就曾对这一观点作了简洁概括：“如果将原子或物质限制在一个至少一个 维度上尺寸可以与波长相比拟的腔内，则原子的自发发射将受到腔的控制而改 变。 这种微腔对自发发射性质的影响现在被称为“酬l 效应。 2 3 1 光学微腔的工作机理 微腔的典型结构有平面层状结构( f a b 妒p e r o t 结构) 、圆形盘状结构 ( w l i s p 痂g g a l l e 巧结构) 和光子晶体等。由于f a b 驴p e r o t 型微腔在理论及实验 上应用得最为广泛，所以下面只对其原理做一介绍。平面f a b 妒p e r o t 型微腔是 目前理论和实践上研究得最为透彻的微腔类型，它是由两个反射镜及其间所夹的 工作物质所组成。在两个反射镜面的法线方向特定波长光的运动受到限制，根据 驻波形成的条件，当腔长为m 入2 n ( m 为整数，n 为折射率) 时，波长为入的光在 腔内产生驻波振荡。如果一个反射镜的反射率不高，则光可以从这个方向泄漏， 这与激光器的基本原理相似。所以最小的微腔就是腔长为的入2 n 微腔。 先假设自由空间中的一个两能级体系的自发发射过程。以e 表示它的激发 7 可以用无穷多个简谐振子来表示，每个简谐振子对应一个辐射模式，这个简谐振 子所处的能级又反映了一定能量j j l 国2 万光子的数目。由费米黄金定则，处于e 的原子向g 跃迁的几率睨_ 亭为： 形哪嚎渺州 像， 其中，羽- e 是电偶极子相互作用。p ( k ) 为空间中k 上的模式密度。上式还可以写 为： = 舞蚶舭) ( 2 _ 2 ) 这里d c g 是电偶极子相互作用矩阵元，g ( k ) 为光场有效模式密度。显然有 效模式密度才是我们最为关心的，它可以表示成： g ( k ) 。古军p ( k ) p ( k ) ( 2 3 ) p ( k ) 表示电偶极子与场强的角度关系。我们考虑自由空间情况，则可以假设空 间大小为胤3 ( 这只是个假设，可以认为三趋近无穷大) ，由傅立叶变换得到 尸( k ) = 犯2 万) 3 ，同时在球坐标系中，对于与z 轴平行的电偶极子，有尸( k ) = s i n 2 秒 这样我们就可以写出在自由空间中光场的有效模式密度g 嘛( k ) 的表达式为： 2 万鼻r 3 阶古，却p 觑2 c 专咖“ 协4 ， o0 ( 7 4 ) 将上式积分，可得： 尼2 耵懈2 孬( 2 5 ) 就是说，在自由空间里有效模式密度是波矢量k 的二次函数。 如果我们引入f p 腔，假设腔的两个反射面都是理想的，则可以将情况简化 为两种。如图2 4 ，一种情况是电偶极子的取向与z 轴平行，用下标“0 ”来表 示，另一种情况是偶极子取向与z 轴垂直，即与x y 面平行，用下标“上 来表 示；所有的取向状态都可以看作是上述两种情况的组合。微腔的腔长为k 。 8 图2 - 4f - p 腔中偶极子的取向 f i g 2 - 4d i r e c t i o no fd i p o l ei nf - pc a v i 锣 经过傅立叶变换，在k 空间中z 方向的光场不再连续，而出现分立的状态。 如图2 5 所示，对于指标为m 的平面，其到中心的距离为m 丌l 2 。 n i 伸 图2 5k 空间中的光场 f i g 2 - 5d i s m u t i o fl i g b tf i e l di i lks p a c c 这时，对于一个特定的k 矢量，其有效模式密度可以看作是球面( 自由空间 的有效模式密度) 与各个量子化平面的交迭积分之和。各个平面与球面相割所形 成的圆半径为： 忍s m j = ks i n1 5 i m ( 2 6 ) 对上式微分可得到： 9 撕= 盎 协7 ， 有效模式密度可以将各个环积分，再把所有相割的平面( im 丌l ：i 么k ) 加和 得到。根据我们上面提到的分类，平行于z 轴的偶极子有： j f l i ( k ) = s i n 2p ( 2 8 ) 由于电场的z 分量随函数c o s 【m 兀( z l ：) 一1 2 变化，所以只有m 为偶数 的平面才对模式密度有贡献： 绷狄一n 三n 2 枷帅旭( 去) 2 沼9 ， 其中v - l 2 l z ，为了方便，定义“截止波矢”1 ( c = l ，则结合( 2 6 ) 有 妒) - 、尼2 一( m 尼。) 2 ( 2 1 0 ) 这样( 2 9 ) 式可写为： 绷= 扣互n ( 1 _ ( m 协 如果考虑一个定值的k ，则有 绷= 刍也危 1 + 2 p - 丢( 警) 即蝴川， 】沼 其中， p = 1 【2 蛐，表示不大于蚍k 的最大整数。而且，从上式可以推导出： 绷( k o o ) 2 景 ( 2 1 3 ) 这与自由空间的情况是一样的。 再讨论垂直于z 轴的电偶极子，与( 2 8 ) 式不同，有 丘( k ) = s i n 2 秽c o s 2 秽+ c o s 2p ( 2 1 4 ) 与平行于z 轴的点偶极子相异之处还在于：对于有效模式密度，有贡献的不是册 为偶数的平面，而是册为奇数的平面。所以， 州蜘后= 吉三弘帅娜+ c 0 州嘉) 2 协 将与k 发生交叠的那些平面的贡献加和，得到有效模式密度为： 州蜘扣趴g ) 协 l o 第2 苹r c l e d 的摹本理论 这里的q 与p 相似，g = 【( 七2 ) + l 】2 】。 如果工作物质的电偶极子取向是无规则的，则可以用下式来计算其有效模式 密度： 19 g ( k ) 2 言夕i | ( k ) + 吾9 上( k ) ( 2 1 7 ) 由以上分析可知，微腔中的有效模式密度与自由空间大不一样，某些频率下 的模式密度增大，而另一些频率下的模式密度减小。对于随机取向的电偶极子， 当腔长减小时，总的模式密度迅速增大，并大大超过自由空间下的模式密度。而 模式密度增加的直接结果是光学微腔内工作物质的自发发射速率大大提高，因为 自发发射速率与其寿命成倒数关系，所以还可以观察到发射寿命的缩短的现象。 这是微腔效应的重要特征之一 2 4 微腔对光谱辐射的增强 2 4 1 光谱辐射增强 因为在给定波长下辐射率直接与光学模式密度成比例，所以辐射率增强光谱 用一维腔模式密度与一维自由空间模式密度的比来表征。正如前面所计算的，腔 增强光谱具有洛仑兹线形。在谐振频率的增强因子因此就由有无腔的光学模式密 度的比给出，即 g ，：冬三，三! 终些 ( 2 _ 1 8 ) p 石 万1 一r l 尺2 方程表明沿腔轴的自发辐射率可以通过微腔得到强烈增强。 方程( 2 1 8 ) 代表了出自腔的两个反射镜的平均自发辐射率增强。为了找出 单一方向的增强，将( 2 1 8 ) 给出的增强因子乘以一个分数，该分数为反射率为 r 。的反射镜的光损失( 即卜r 。) 除以在腔中一个来回两反射镜的平均光损失( 即 ( 1 2 ) ( 卜r 。) + ( 卜r 2 ) ) 。对于大的r 1 和r 2 来说，通过r l 的辐射增强为 g 。量生坠鲨毕堡三型选尝些掣 ( 2 _ 1 9 ) 。 2 一置一r 2 万 l 一r l 如万 万 ( 1 一尺l r 2 ) 2 其中利用了近似卜( r l r 2 ) 沈( 1 2 ) ( 卜r l r 2 ) ( 1 2 ) ( 2 一r 广r 2 ) 。方程( 2 1 9 ) 代 表了从反射率为r l 的单个反射器得到的辐射率增强。 下面考虑驻波效应，也就是光学有源介质相对于光波的波节和波腹的分布。 如果有源区可以精确的放置在腔内驻波波腹处，波腹增强因子的值为2 。如 其中r l 是光出射反射镜的反射率，且有r l r 2 。方程( 2 2 0 ) 考虑了自发辐射寿 命的改变，无腔时为t ，有腔时为t 刚。因子t 。列t 决定了如果由于腔的存 在导致自发辐射寿命降低，则增强减小。对于共面微腔来说，有腔的自