二维光子晶体提高Ｃ波段LED出光效率的研究[1]

　　引　言

　　目前由于传统的光纤光栅解调系统用光源体积较大、价格昂贵，限制了其推广应用领域，制作出光纤光栅解调系统用片上集成光源就显得格外重要。虽然目前已经有一些单片集成硅基光源的成果报道[1，2]，但是在短期内真正实现高效的单片集成硅基光源仍具有挑战性。目前集成光源采用的方式有外部光源和混合集成的片上光源两种[3]。发光二极管(light-emitting　diodes，LED)作为片上集成光源选择之一，具有其独特的优势，包括：低成本、低功耗、体积小、寿命长及可靠性高。但LED作为片上集成光源主要缺点是其出光效率低，这是由于LED有源层的半导体材料比空气的折射率高，光在LED介质与空气的界面发生全反射，使得大部分光不能从LED中发射出来，被金属触点、基底或有源层吸收，导致LED的出光效率低[4-6]，如何提高LED的出光效率便成为人们研究的热点问题。

　　提高LED出光效率的方法很多，比如生长分布布拉格反射层结构[7]、表面粗糙化[8]、制作透明衬底[9]以及倒装焊[10]。布拉格反射层由多层高折射率和低折射率材料组成，折射率差越大，DBR反射率就越高，从而减少衬底的光吸收，提高LED出光效率;表面粗糙化是通过增加透射率，将满足全反射定律的光改变方向，继而在另一个表面被反射回来时不被全反射而透过界面，达到提高光出射的目的;制作透明衬底是通过减少衬底对光的吸收，提高光出射;倒装焊结构可以减少光在LED内部反射而造成的有源层及自由载流子对光的吸收，增加光出射。这些方法对LED出光效率都有不同程度的提高，但是效果都不够理想。

　　自1987年Yablonovitch提出光子晶体(photonic　crystal，PC)以来[11]，光子晶体就引起了研究人员的兴趣。由于二维光子晶体是由介电常数不同的介质呈周期性排列而成，它具

　　有类似于半导体禁带的光子带隙。光子带隙限制了水平方向上的光场传播，提高了垂直方向上的光出射，达到提高LED出光效率的目的。利用光子晶体提高LED出光效率的研究国内外均有报道，国外Taesung　Kim 研究小组研究了红外LED[12]，在其表面加入光子晶体后，提高LED 出光效率75%;国内半导体研究小组采用电子束曝光和感应耦合等离子技术在InP基LED表面制作光子晶体[13]，LED出光效率最大提高了93%。但均未对光子晶体能带结构进行系统分析，寻找提高LED出光效率最优的光子晶体结构。

　　本文设计了课题组研究的集成微系统中片上光源C波段LED的基本结构，并对其结构进行了模拟仿真，得到了C波段LED的光谱特性曲线及输出光功率曲线。采用时域有限差分(finite-difference　time-domain，FDTD)法计算了不同阵列不同占空比(Rp=r/a，r为光子晶体晶胞半径，a为光子晶体晶格常数)的二维光子晶体能带结构，分析了光子晶体禁带宽度与占空比Rp的关系。利用禁带理论找出最佳Rp和归一化中心频率f0(a/λ)，从而得到了用于提高C波段LED出光效率最优的光子晶体结构参数。

　　1　C波段LED基本结构参数

　　设计的C波段LED基本结构如图1所示，它是在n-InP衬底上连续生长4层，依次为：n-InP缓冲层、InGaAsP有源层、p-InP限制层和p-InGaAsP顶层。