施 偉，黃華茂，李先輝，鐘 明，王 洪，2

(1.華南理工大學(xué)廣東省光電工程技術(shù)研究開發(fā)中心，物理與光電學(xué)院，廣東 廣州 510640；2.中山市華南理工大學(xué)現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，廣東 中山 528437)

引言

LED調(diào)制帶寬受限于RC時間常數(shù)和載流子自發(fā)輻射速率[1]。因此提高其調(diào)制帶寬的方法主要有減小RC時間常數(shù)[2-4]和減小載流子壽命[5, 6]。傳統(tǒng)C平面LED的調(diào)制帶寬被體材料的自發(fā)輻射速率限制。因為材料的自發(fā)輻射壽命一般在幾個納秒量級，所以傳統(tǒng)LED的調(diào)制帶寬遠低于1GHz。有研究表明通過一個波長量級的腔體可以改變光學(xué)局域太密度(local density of optical states，LDOS)，進而提高自發(fā)輻射速率[7]。1946年，帕塞爾證明可以通過增大Purcell因子F提高腔體的自發(fā)輻射速率[8]。常見的諧振腔、表面等離激元和光子晶體等納米結(jié)構(gòu)能夠改變Purcell因子的大小，從而提高載流子自發(fā)輻射速率，進而提高帶寬。目前大部分研究人員引入光子晶體是為了提高光萃取效應(yīng)[9-12]，而較少研究其對光子壽命的影響。本文通過Purcell效應(yīng)研究光子晶體對光子壽命的影響，進而尋找提高LED調(diào)制帶寬的影響因素。

1 仿真模型

本文使用時域有限差分法(FDTD)對LED結(jié)構(gòu)進行數(shù)值仿真，通過優(yōu)化其結(jié)構(gòu)參數(shù)，并利用光子晶體Purcell效應(yīng)提高LED的調(diào)制帶寬。模型截面如圖1(a)所示。采用的平面結(jié)構(gòu)由下至上分別為n-GaN、多量子阱(multiple quantum wells, MQWs)[13]、p-AlGaN[14, 15]、p-GaN和ITO。首先優(yōu)化正裝LED的MQWs層厚度，得到較優(yōu)結(jié)果后繼續(xù)優(yōu)化p-AlGaN層厚度，依此類推最后優(yōu)化ITO層厚度。原始模型中各層厚度及相關(guān)參數(shù)如表1，其中Y變化范圍指各層材料厚度的掃描范圍。在得到優(yōu)化的平面結(jié)構(gòu)后，引入光子晶體結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示。通過仿真其Purcell效應(yīng)，尋找能提高LED光源調(diào)制帶寬的結(jié)構(gòu)。針對含光子晶體結(jié)構(gòu)的LED主要仿真光子晶體周期、高度、占空比三個參數(shù)，觀察其對LED調(diào)制帶寬的影響。因為量子阱的輻射光在可見光到近紅外波段主要是TE(transverse electric)模，因此本文主要仿真了TE模的LED[16]。偶極子光源位于MQWs層的正中間，波長選擇藍光波段的460 nm，邊界條件為常用的完美匹配層PML，mesh accuracy設(shè)置為3，mesh refinement選擇conformal variant 1，網(wǎng)格最小步長為5 nm。本文n-GaN較厚，將FDTD仿真區(qū)底部放置在n-GaN層內(nèi)部，模型中不再包含n-GaN表面，因此可忽略其產(chǎn)生的腔體效應(yīng)[17]。同時我們制備了周期為600 nm，占空比為0.58的光子晶體LED(PC-LED)，為了解光子壽命的變化，測試了樣品的室溫時間相關(guān)光致發(fā)光譜。

圖1 LED原始模型與引入光子晶體結(jié)構(gòu)Fig.1 Common LED and PC-LED structure

名稱X span/nmY span/nmZ span/nmY變化范圍/nm步長/nmITO50 00012050 0000～30010p-GaN50 00020050 00050～46010p-AlGaN50 0003050 00010～10010MQWs50 00015050 00010～20010n-GaN50 0003 00050 000不變—

2 結(jié)果與討論

1)正裝平面結(jié)構(gòu)。首先對于平面結(jié)構(gòu)[圖1(a)]，仿真LED外延結(jié)構(gòu)中MQWs、p-AlGaN和p-GaN層厚度對Purcell和LEE的影響，并選取較優(yōu)結(jié)構(gòu)作為后續(xù)模型。目前正裝結(jié)構(gòu)的透明導(dǎo)電層通常選用銦錫氧化物(ITO)，本文也仿真了ITO厚度對Purcell因子的影響。如圖2所示，量子阱層在120 nm厚左右可以取得較好的Purcell值，p-AlGaN層在20 nm左右較優(yōu)，p-GaN層厚度在110、200、290和380 nm時Purcell值取得較優(yōu)值，且呈現(xiàn)震蕩衰減趨勢，ITO層厚度小于20 nm時有明顯優(yōu)勢，之后在110 nm、230 nm左右取得峰值點?？梢杂^察到，Purcell因子隨著各層材料的厚度呈周期性變化，震蕩周期與材料中的半波長相一致[13]。綜上可知，當量子阱層厚度為120 nm，p-AlGaN層為20 nm，p-GaN層厚度為110 nm，ITO厚度為110 nm時，可以取得較好的Purcell因子。然后引入光子晶體結(jié)構(gòu)進一步提高LED的調(diào)制帶寬，截面圖如圖1(b)所示。

圖2 厚度(h)對Purcell因子的影響Fig.2 Effect of thickness on Purcell factor

2)正裝PCs-LED結(jié)構(gòu)。光子晶體因其對光子壽命及光子在空間傳播的影響而備受光學(xué)研究者關(guān)注。光子在光子晶體中的傳播主要受光子禁帶和色散特性影響[14]，因此光子的輻射復(fù)合壽命(τrec)與光子晶體的周期(a)和發(fā)光波長(λ)有關(guān)。占空比(2r/a)影響半導(dǎo)體材料/空氣界面的折射率，進而影響萃取效率。理想狀態(tài)下，LED的各層材料中都可以引入光子晶體，但由于外延結(jié)構(gòu)對生長環(huán)境的苛刻要求，一般研究者選擇對生長完備后的外延片進行后期加工制備光子晶體。

首先觀察常見的介質(zhì)材料SiO2作為光子晶體填充材料時其周期和高度對Purcell因子的影響。從圖3可看出，當光子晶體深度深入量子阱層后，其周期和高度對Purcell因子的影響減小。隨著光子晶體周期的增大，Purcell因子先增后減，在周期600 nm時有個峰值，達到1.19。

圖3 SiO2光子晶體的周期和高度對Purcell因子的影響Fig.3 The effect of the period and height of the SiO2photonic crystal on the Purcell factor

然后仿真周期600 nm時，占空比和光子晶體高度對Purcell的影響。從圖4可見周期600 nm時，Purcell因子在0.5～0.7時較優(yōu)，當占空比為0.5，光子晶體高度為400 nm時，Purcell因子取得較優(yōu)值1.2。

圖4 光子晶體周期為600 nm時，占空比(2r/a)和光子晶體高度對Purcell因子的影響Fig.4 The effect of duty cycle (2r/a) and height of photonic crystal on Purcell factor with PC period of 600 nm

圖5 周期為600 nm，占空比為0.58的PC-LED的SEM圖Fig.5 SEM image of a PC-LED with a period of 600 nm and a duty cycle of 0.58

3)實驗結(jié)果。結(jié)合仿真結(jié)果使用納米壓印技術(shù)制備了周期600 nm，占空比約0.58的PC-LED，圖5為其表面的SEM圖。為獲取輻射光的時域信息，使用分辨率為2 ps的時域單光子計數(shù)系統(tǒng)(time correlated single photon counting (TCSPC) system)測試了樣品的室溫時間相關(guān)光致發(fā)光譜(room-temperature time-resolved photoluminescence, TRPL)。圖6中對TRPL曲線進行如下擬合：

圖6 周期為600 nm，占空比為0.58的PC-LED的TRPL譜Fig.6 The TRPL spectrum of PC-LED with a period of 600 nm and duty cycle of 0.58

(1)

式中A1和A2是常量，τ1和τ2分別是兩個指數(shù)分量的快衰減壽命和慢衰減壽命。在激發(fā)功率密度較小(～1 W/cm2)時，τ1可看作MQWs的激子復(fù)合壽命。從擬合曲線可知平片LED的激子復(fù)合壽命為1.25 ns，pc_a600的激子復(fù)合壽命為1.18 ns。Purcell因子(τblank/τpc_a600)約為1.06。

2009年Lau等[15]推導(dǎo)出納米諧振腔LED的近似帶寬為

(2)

τeff是由Purcell效應(yīng)減小的自發(fā)輻射壽命，τp是光子壽命。對于品質(zhì)因子小于幾百的腔體而言，τp遠低于整體壽命，因此f3 dB主要取決于τeff[16]。

(3)

由此可得到帶寬約為270 MHz。光子壽命能顯著影響LED芯片的調(diào)制帶寬。

3 結(jié)束語

可見光通信具有保密性好、傳輸速率高、無電磁輻射、環(huán)保安全等優(yōu)點，可以作為緩解頻譜資源緊缺的一種通信方案，是目前研究的前沿技術(shù)和熱點。GaN基LED芯片是可見光通信的關(guān)鍵器件，在照明領(lǐng)域已實現(xiàn)商業(yè)化。商用LED芯片狹窄的帶寬限制了可見光通信系統(tǒng)的整體帶寬。光子晶體結(jié)構(gòu)能影響光子壽命和光子在空間傳播的行為，進而改變LED芯片的帶寬和光萃取效率。因此研究光子晶體LED，具有重要的意義。本文通過優(yōu)化仿真參數(shù)得到當光子晶體周期為600 nm，高度為400 nm，占空比為0.5時，Purcell因子達到1.2，相比普通平面LED其帶寬提高8%。同時實驗上制備了周期為600 nm，占空比為0.58的光子晶體LED。熒光壽命測試顯示光子壽命有減小，Purcell因子達到1.06。結(jié)合仿真和實驗結(jié)果可知，引入光子晶體結(jié)構(gòu)可以提高LED調(diào)制帶寬。