利用光子晶體提高InP基LED出光效率

　　在如今的各行各業(yè)，led都得到了廣泛的應(yīng)用，無(wú)論是顯示、照明，還是通信等領(lǐng)域。但在通常的發(fā)光器件中由于內(nèi)全反射產(chǎn)生的傳輸模而導(dǎo)致出光效率受到很大的限制，近年來(lái)提出了很多改善LED出光效率的方法，如表面粗糙化、諧振腔法等，采用這些方法都觀察到了不同程度的出光效率的提高。

　　由于光子晶體中存在類似于半導(dǎo)體中的電子禁帶的光子禁帶，因此有望成為新一代的光半導(dǎo)體，成為人們的研究熱點(diǎn)話題。由于光子晶體中光子禁帶的存在，使得某些特定頻率的光子不能通過(guò)，這種特性可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)多種具有優(yōu)異特性的光電子器件，如光子晶體激光器、光子晶體大角度彎曲波導(dǎo)等。

　　本文主要研究利用光子晶體的帶隙結(jié)構(gòu)提高LED的出光效率。利用時(shí)域有限差分法從理論上分析了晶格常數(shù)的改變對(duì)禁帶位置變化的影響以及相應(yīng)的對(duì)LED出光效率的影響，利用半導(dǎo)體工藝的方法制備出了光子晶體結(jié)構(gòu)，從實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了光子晶體提高LED出光效率的效果。

　　2　理論分析和實(shí)驗(yàn)制作

　　2.1　能帶結(jié)構(gòu)分析

　　FDTD方法主要用來(lái)計(jì)算時(shí)域上電磁波在光子晶體內(nèi)部的傳播和散射，通過(guò)分析同一時(shí)刻不同位置的電磁場(chǎng)分布情況，以及不同時(shí)刻同一位置的電磁場(chǎng)分布情況，實(shí)現(xiàn)了分析光子晶體內(nèi)部電磁場(chǎng)傳播過(guò)程的目的。利用FDTD方法不僅能夠分析光子晶體的能帶結(jié)構(gòu)，更可以獲得同一時(shí)刻不同位置或者不同時(shí)刻同一位置電磁場(chǎng)分布情況。我們利用二維FDTD方法獲得了光子晶體的能帶結(jié)構(gòu)，同時(shí)也分析了改變晶格常數(shù)時(shí)光子晶體能帶位置的變化情況。圖1所示a=600nm,r/a=013時(shí)的二維無(wú)限大光子晶體TE模的光子晶體能帶結(jié)構(gòu)圖，從圖中可以發(fā)現(xiàn)歸一化頻率范圍為0121～0128的光子禁帶，在此頻率范圍內(nèi)光子態(tài)密度為零。計(jì)算還發(fā)現(xiàn)在TM偏振模式的能帶結(jié)構(gòu)中沒有出現(xiàn)禁帶。

　　2.2　光子晶體的微加工

　　半導(dǎo)體材料上光子晶體結(jié)構(gòu)的制作有多種方法，但與半導(dǎo)體工藝相兼容的加工工藝在實(shí)現(xiàn)光電子集成上具有優(yōu)勢(shì)。由于微加工技術(shù)的提高，使得像光子晶體這樣微細(xì)結(jié)構(gòu)的器件制作越來(lái)越精確。目前有多種加工光子晶體的方法，我們主要采用了利用電子束曝光生成圖形，利用反應(yīng)離子束刻蝕（RIE）轉(zhuǎn)移圖形的方法。

　　首先嘗試了僅采用PMMA膠做掩模，以直接將圖形由膠轉(zhuǎn)移到InP材料上的方法制作光子晶體結(jié)構(gòu)。利用EBL定義光子晶體圖形。為了增大刻蝕工藝中掩模版與材料的選擇性，顯影后在高溫環(huán)境中烘烤晶片2h以上，以使PMMA掩模更加堅(jiān)硬。

　　利用RIE系統(tǒng)直接刻蝕InP材料?？涛g中采用CH4+H2+Ar混合氣體，刻蝕完成后的圖形如圖2所示。由圖可見，由于PMMA掩模版的選擇性較差，導(dǎo)致刻蝕之后的圖形已經(jīng)變形。按照理論設(shè)計(jì)和EBL定義的圖形是在材料上形成空氣孔的結(jié)構(gòu)，刻蝕后的結(jié)果為錐形的材料柱，說(shuō)明刻蝕過(guò)程中的側(cè)蝕較為嚴(yán)重，使相鄰的孔互相連通，形成了錐形的柱狀結(jié)構(gòu)。即使如此，該工藝下刻蝕得到的圖形的均勻性仍然保持良好，由此也說(shuō)明了通過(guò)優(yōu)化工藝，提高掩模的選擇性，能夠得到需要的圖形。

　　圖3所示為在以上工藝基礎(chǔ)上增加SiO2做掩模，利用半導(dǎo)體微加工工藝制作光子晶體的典型步驟。

　　首先采用PECVD技術(shù)在材料上淀積SiO2,淀積溫度300℃，薄膜厚度180nm;清洗后利用勻膠機(jī)在SiO2上涂覆200nm厚的PMMA膠；然后利用電子束曝光技術(shù)在PMMA膠上定義圖形；曝光后，將芯片置入顯影液中顯影10s;取出清洗，然后放入恒溫烤箱中150℃烘烤堅(jiān)膜30min.利用反應(yīng)離子刻蝕設(shè)備（RIE型號(hào)：MPI2500）將圖形由PMMA中轉(zhuǎn)移入SiO2,刻蝕過(guò)程中采用CF4+O2混合氣體，氧氣體積百分比為5%.刻蝕前首先將反應(yīng)室抽真空，然后充入混合氣體，氣體流量為80sccm,保持氣壓113332Pa,打開射頻電源，射頻功率設(shè)置為150W,開始刻蝕過(guò)程。刻蝕后未去除PMMA,利用原子力顯微鏡（AFM）觀察到的圖形示于圖4.圖形轉(zhuǎn)入SiO2層之后，即可利用SiO2層作為新的掩模版刻蝕InP層。

　　圖形轉(zhuǎn)移到SiO2中后，利用RIE系統(tǒng)直接刻蝕InP材料?？涛g中采用CH4+H2+Ar混合氣體。

　　刻蝕完成后的圖形如圖5所示。由圖可見，增加SiO2掩模后，利用RIE刻蝕，在合適的工藝參數(shù)下可以制作出良好的光子晶體圖形。

　　3　測(cè)試與分析

　　由于目前實(shí)現(xiàn)的光子晶體LED大部分為基于光致發(fā)光的結(jié)構(gòu)，測(cè)試方法和手段也集中于如何實(shí)現(xiàn)LED的激光泵浦。由于光子晶體LED中的微腔結(jié)構(gòu)面積只有幾十平方微米，甚至幾平方微米，因此如何獲得小的泵浦光斑，并把光斑對(duì)準(zhǔn)微腔區(qū)域而不照射到其他區(qū)域（防止非輻射復(fù)合產(chǎn)生的熱量引起器件的大幅度升溫而導(dǎo)致器件性能下降），對(duì)光路的設(shè)計(jì)提出了很高的要求。在實(shí)驗(yàn)中采用的測(cè)試系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖6所示。利用該測(cè)試系統(tǒng)完成了光子晶體LED的PL譜測(cè)試。

　　按照光路的順序，光子晶體有源器件的激光泵浦和信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)主要包含如下結(jié)構(gòu)和部件：如圖6所示，從一個(gè)激光器（波長(zhǎng)532mm,功率100mW）出射的泵浦光束，被一個(gè)介質(zhì)膜反射鏡反射，進(jìn)入下一個(gè)反射鏡，在該反射鏡，泵浦激光光束與從可見光源發(fā)射而來(lái)的可見光一起經(jīng)過(guò)下一個(gè)部分反射鏡后被顯微物鏡聚焦到光子晶體試樣的表面，聚焦后的光斑最小可達(dá)5μm×5μm左右。光子晶體試樣中被泵浦光激發(fā)出來(lái)的熒光或者激光光束被顯微物鏡收集后成為平行光傳輸，經(jīng)過(guò)多個(gè)反射鏡后可以被收集進(jìn)入光譜分析儀進(jìn)行分析，光譜分析儀產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)過(guò)鎖相放大后進(jìn)入微機(jī)進(jìn)行信號(hào)處理，得出器件的發(fā)射光譜。為了將泵浦光源的聚焦光斑對(duì)準(zhǔn)試樣的微腔缺陷區(qū)域，采用了增加可見光束對(duì)器件進(jìn)行照明，并利用可見光寬帶反射鏡將被試樣表面反射出的可見光耦合到CCD觀測(cè)系統(tǒng)中，從而觀察試樣的表面結(jié)構(gòu)。

　　圖7所示分別為固定r/a=013,不同晶格常數(shù)a=525,550,600nm時(shí)光子晶體結(jié)構(gòu)對(duì)LED出光效率的提高結(jié)果。圖中的三條曲線分別對(duì)應(yīng)在相同的激光泵浦測(cè)試條件下，泵浦光斑對(duì)準(zhǔn)完整光子晶體區(qū)域和對(duì)準(zhǔn)未做任何工藝區(qū)域（即InP/InGaAsP量子阱外延片）的PL譜。從圖中的測(cè)試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，相同測(cè)試條件下，不同區(qū)域的出光功率不同，即出光效率不同。在波長(zhǎng)1400～1600nm的范圍內(nèi)，含有光子晶體區(qū)域的出光功率明顯高于未制作光子晶體結(jié)構(gòu)的區(qū)域，可見光子晶體結(jié)構(gòu)的引入可以明顯提高發(fā)光器件的出光效率。由于光子晶體結(jié)構(gòu)的光子帶隙與光子頻率有關(guān)，因此光子晶體結(jié)構(gòu)對(duì)器件效率的提高也與器件的發(fā)光波長(zhǎng)有關(guān)，不同波長(zhǎng)下的發(fā)光效率提高不同。此現(xiàn)象可在圖中發(fā)現(xiàn)，出光效率提高最明顯的區(qū)域?yàn)椴ㄩL(zhǎng)1400～1600nm附近，波長(zhǎng)越短，出光效率的提高越明顯。例如在圖7（a）中，當(dāng)波長(zhǎng)位于1600nm附近時(shí)，器件的出光效率提高為10%左右，隨著波長(zhǎng)的減小，出光效率隨之增大，當(dāng)波長(zhǎng)位于1550nm時(shí)出光效率的提高為26%;波長(zhǎng)為1450nm時(shí)，提高幅度為90%;當(dāng)波長(zhǎng)位于1400nm附近時(shí)，出光效率的提高可達(dá)60%以上，由此可見出光效率提高的峰值在波長(zhǎng)為1450nm附近。根據(jù)理論分析，光子晶體結(jié)構(gòu)的引入除了能夠引入光子禁帶，使部分頻率的自發(fā)發(fā)射光被抑制，提高器件的內(nèi)部效率外，當(dāng)器件發(fā)光頻率位于光子晶體禁帶之上，即輻射模區(qū)域時(shí)，由于光子晶體的作用，可使在平板結(jié)構(gòu)的發(fā)光器件中屬于傳輸模的部分模式轉(zhuǎn)化為光子晶體發(fā)光器件中的輻射模，從而使更多的光模輻射到空氣中，此即光子晶體提高發(fā)光器件出光效率的基本原理。

　　圖7（b）所示為晶格常數(shù)a=550nm,r/a=013時(shí)，光子晶體結(jié)構(gòu)提高發(fā)光器件出光效率的情況。與圖7（a）所示的結(jié)果類似，光子晶體結(jié)構(gòu)LED的出光效率相對(duì)未做該工藝的器件有了明顯提高。當(dāng)器件的發(fā)光波長(zhǎng)位于1600nm附近時(shí)，出光效率的提高幅度約為33%;當(dāng)發(fā)光波長(zhǎng)位于1550nm附近時(shí)，出光效率的提高幅度約為38%;當(dāng)1450nm時(shí)則對(duì)應(yīng)約100%的提高幅度；1400nm時(shí)為93%.當(dāng)晶格常數(shù)增大到a=600nm時(shí)，出光效率提高比率繼續(xù)增大，如圖（c）所示。這主要是由于光子晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變所引起的。根據(jù)光子晶體能帶結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，當(dāng)晶格常數(shù)增大時(shí)，禁帶位置發(fā)生紅移，移向更低的頻率，即長(zhǎng)波長(zhǎng)方向，則有利于使實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)的In2GaAsP量子阱結(jié)構(gòu)發(fā)光器件的發(fā)光波長(zhǎng)處于能帶中的泄漏模區(qū)域，從而使更多的傳輸模轉(zhuǎn)化為泄漏模，提高出光效率。

　　4　結(jié)語(yǔ)

　　利用EBL在PMMA膠上曝光可以生成良好的光子晶體結(jié)構(gòu)圖形。在不作特殊的固化處理時(shí)，若僅采用PMMA膠做掩模，刻蝕中的側(cè)蝕嚴(yán)重，會(huì)破壞圖形的完整性。增加SiO2掩模后，利用RIE刻蝕，在合適的工藝參數(shù)下可以制作出良好的光子晶體圖形。光子晶體結(jié)構(gòu)可以明顯提高LED的出光效率，而且出光效率的提高效果與光子晶體的晶格常數(shù)有關(guān)。一定范圍內(nèi)，隨著晶格常數(shù)的增大，出光效率的提高隨之增大。隨著研究工作的不斷深入，光子晶體將必定在高效率LED的制作中有所作為。