利用光子晶体提高InP基LED出光效率

    1 引言

　　在如今的各行各业，led都得到了广泛的应用，无论是显示、照明，还是通信等领域。但在通常的发光器件中由于内全反射产生的传输模而导致出光效率受到很大的限制，近年来提出了很多改善LED出光效率的方法，如表面粗糙化、谐振腔法等，采用这些方法都观察到了不同程度的出光效率的提高。

　　由于光子晶体中存在类似于半导体中的电子禁带的光子禁带，因此有望成为新一代的光半导体，成为人们的研究热点话题。由于光子晶体中光子禁带的存在，使得某些特定频率的光子不能通过，这种特性可以用来实现多种具有优异特性的光电子器件，如光子晶体激光器、光子晶体大角度弯曲波导等。

　　本文主要研究利用光子晶体的带隙结构提高LED的出光效率。利用时域有限差分法从理论上分析了晶格常数的改变对禁带位置变化的影响以及相应的对LED出光效率的影响，利用半导体工艺的方法制备出了光子晶体结构，从实验上验证了光子晶体提高LED出光效率的效果。

　　2　理论分析和实验制作

　　2.1　能带结构分析

　　FDTD方法主要用来计算时域上电磁波在光子晶体内部的传播和散射，通过分析同一时刻不同位置的电磁场分布情况，以及不同时刻同一位置的电磁场分布情况，实现了分析光子晶体内部电磁场传播过程的目的。利用FDTD方法不仅能够分析光子晶体的能带结构，更可以获得同一时刻不同位置或者不同时刻同一位置电磁场分布情况。我们利用二维FDTD方法获得了光子晶体的能带结构，同时也分析了改变晶格常数时光子晶体能带位置的变化情况。图1所示a=600nm,r/a=013时的二维无限大光子晶体TE模的光子晶体能带结构图，从图中可以发现归一化频率范围为0121～0128的光子禁带，在此频率范围内光子态密度为零。计算还发现在TM偏振模式的能带结构中没有出现禁带。

　　2.2　光子晶体的微加工

　　半导体材料上光子晶体结构的制作有多种方法，但与半导体工艺相兼容的加工工艺在实现光电子集成上具有优势。由于微加工技术的提高，使得像光子晶体这样微细结构的器件制作越来越精确。目前有多种加工光子晶体的方法，我们主要采用了利用电子束曝光生成图形，利用反应离子束刻蚀（RIE）转移图形的方法。

　　首先尝试了仅采用PMMA胶做掩模，以直接将图形由胶转移到InP材料上的方法制作光子晶体结构。利用EBL定义光子晶体图形。为了增大刻蚀工艺中掩模版与材料的选择性，显影后在高温环境中烘烤晶片2h以上，以使PMMA掩模更加坚硬。

　　利用RIE系统直接刻蚀InP材料。刻蚀中采用CH4+H2+Ar混合气体，刻蚀完成后的图形如图2所示。由图可见，由于PMMA掩模版的选择性较差，导致刻蚀之后的图形已经变形。按照理论设计和EBL定义的图形是在材料上形成空气孔的结构，刻蚀后的结果为锥形的材料柱，说明刻蚀过程中的侧蚀较为严重，使相邻的孔互相连通，形成了锥形的柱状结构。即使如此，该工艺下刻蚀得到的图形的均匀性仍然保持良好，由此也说明了通过优化工艺，提高掩模的选择性，能够得到需要的图形。

　　图3所示为在以上工艺基础上增加SiO2做掩模，利用半导体微加工工艺制作光子晶体的典型步骤。

　　首先采用PECVD技术在材料上淀积SiO2,淀积温度300℃，薄膜厚度180nm;清洗后利用匀胶机在SiO2上涂覆200nm厚的PMMA胶；然后利用电子束曝光技术在PMMA胶上定义图形；曝光后，将芯片置入显影液中显影10s;取出清洗，然后放入恒温烤箱中150℃烘烤坚膜30min.利用反应离子刻蚀设备（RIE型号：MPI2500）将图形由PMMA中转移入SiO2,刻蚀过程中采用CF4+O2混合气体，氧气体积百分比为5%.刻蚀前首先将反应室抽真空，然后充入混合气体，气体流量为80sccm,保持气压113332Pa,打开射频电源，射频功率设置为150W,开始刻蚀过程。刻蚀后未去除PMMA,利用原子力显微镜（AFM）观察到的图形示于图4.图形转入SiO2层之后，即可利用SiO2层作为新的掩模版刻蚀InP层。

　　图形转移到SiO2中后，利用RIE系统直接刻蚀InP材料。刻蚀中采用CH4+H2+Ar混合气体。

　　刻蚀完成后的图形如图5所示。由图可见，增加SiO2掩模后，利用RIE刻蚀，在合适的工艺参数下可以制作出良好的光子晶体图形。

　　3　测试与分析

　　由于目前实现的光子晶体LED大部分为基于光致发光的结构，测试方法和手段也集中于如何实现LED的激光泵浦。由于光子晶体LED中的微腔结构面积只有几十平方微米，甚至几平方微米，因此如何获得小的泵浦光斑，并把光斑对准微腔区域而不照射到其他区域（防止非辐射复合产生的热量引起器件的大幅度升温而导致器件性能下降），对光路的设计提出了很高的要求。在实验中采用的测试系统的基本结构如图6所示。利用该测试系统完成了光子晶体LED的PL谱测试。

　　按照光路的顺序，光子晶体有源器件的激光泵浦和信号检测系统主要包含如下结构和部件：如图6所示，从一个激光器（波长532mm,功率100mW）出射的泵浦光束，被一个介质膜反射镜反射，进入下一个反射镜，在该反射镜，泵浦激光光束与从可见光源发射而来的可见光一起经过下一个部分反射镜后被显微物镜聚焦到光子晶体试样的表面，聚焦后的光斑最小可达5μm×5μm左右。光子晶体试样中被泵浦光激发出来的荧光或者激光光束被显微物镜收集后成为平行光传输，经过多个反射镜后可以被收集进入光谱分析仪进行分析，光谱分析仪产生的信号经过锁相放大后进入微机进行信号处理，得出器件的发射光谱。为了将泵浦光源的聚焦光斑对准试样的微腔缺陷区域，采用了增加可见光束对器件进行照明，并利用可见光宽带反射镜将被试样表面反射出的可见光耦合到CCD观测系统中，从而观察试样的表面结构。

　　图7所示分别为固定r/a=013,不同晶格常数a=525,550,600nm时光子晶体结构对LED出光效率的提高结果。图中的三条曲线分别对应在相同的激光泵浦测试条件下，泵浦光斑对准完整光子晶体区域和对准未做任何工艺区域（即InP/InGaAsP量子阱外延片）的PL谱。从图中的测试结果可以发现，相同测试条件下，不同区域的出光功率不同，即出光效率不同。在波长1400～1600nm的范围内，含有光子晶体区域的出光功率明显高于未制作光子晶体结构的区域，可见光子晶体结构的引入可以明显提高发光器件的出光效率。由于光子晶体结构的光子带隙与光子频率有关，因此光子晶体结构对器件效率的提高也与器件的发光波长有关，不同波长下的发光效率提高不同。此现象可在图中发现，出光效率提高最明显的区域为波长1400～1600nm附近，波长越短，出光效率的提高越明显。例如在图7（a）中，当波长位于1600nm附近时，器件的出光效率提高为10%左右，随着波长的减小，出光效率随之增大，当波长位于1550nm时出光效率的提高为26%;波长为1450nm时，提高幅度为90%;当波长位于1400nm附近时，出光效率的提高可达60%以上，由此可见出光效率提高的峰值在波长为1450nm附近。根据理论分析，光子晶体结构的引入除了能够引入光子禁带，使部分频率的自发发射光被抑制，提高器件的内部效率外，当器件发光频率位于光子晶体禁带之上，即辐射模区域时，由于光子晶体的作用，可使在平板结构的发光器件中属于传输模的部分模式转化为光子晶体发光器件中的辐射模，从而使更多的光模辐射到空气中，此即光子晶体提高发光器件出光效率的基本原理。

　　图7（b）所示为晶格常数a=550nm,r/a=013时，光子晶体结构提高发光器件出光效率的情况。与图7（a）所示的结果类似，光子晶体结构LED的出光效率相对未做该工艺的器件有了明显提高。当器件的发光波长位于1600nm附近时，出光效率的提高幅度约为33%;当发光波长位于1550nm附近时，出光效率的提高幅度约为38%;当1450nm时则对应约100%的提高幅度；1400nm时为93%.当晶格常数增大到a=600nm时，出光效率提高比率继续增大，如图（c）所示。这主要是由于光子晶体结构参数的改变所引起的。根据光子晶体能带结构的特点，当晶格常数增大时，禁带位置发生红移，移向更低的频率，即长波长方向，则有利于使实验中设计的In2GaAsP量子阱结构发光器件的发光波长处于能带中的泄漏模区域，从而使更多的传输模转化为泄漏模，提高出光效率。

　　4　结语

　　利用EBL在PMMA胶上曝光可以生成良好的光子晶体结构图形。在不作特殊的固化处理时，若仅采用PMMA胶做掩模，刻蚀中的侧蚀严重，会破坏图形的完整性。增加SiO2掩模后，利用RIE刻蚀，在合适的工艺参数下可以制作出良好的光子晶体图形。光子晶体结构可以明显提高LED的出光效率，而且出光效率的提高效果与光子晶体的晶格常数有关。一定范围内，随着晶格常数的增大，出光效率的提高随之增大。随着研究工作的不断深入，光子晶体将必定在高效率LED的制作中有所作为。