红光RCLED研究与进展

Ape. &2021
Vol. 32 No. 2
2021年4月第32卷第2期照明工程学报
ZHAOMING GONGCHENG XUEBAO
红光RCLED 研究与进展
杨启伟，李建军
(北京工业大学信息学部，光电子技术教育部重点实验室，北京100124)
摘 要：谐振腔发光二极管(Resonant Cavity Light-emitting Diode , RCLED )利用谐振腔改变自发辐射的空间分布,
使其具有效率高、方向性好、光谱半宽窄及波长稳定等优点。

基于AllalnP 材料的红光RCLED 不但在短程光通讯
领域已得到广泛应用，而且在高效率红光Micro LED 方向也有良好的应用前景。

本文针对课题组近年来的工作，阐
述了 RCLED 基本原理，总结了高效率红光RCLED 、面向POF 的红光RCLED 以及Micro-RCLED 的研究进展(
关键词：谐振腔发光二极管；POF 的红光RCLED ； Micro-RCLED ；高效率红光RCLED 中图分类号：TM923 文献标识码：A DOI ： 10. 3969/j. issn. 1004B40X. 2021. 02. 008
Research and Developmene of Red Resonant Cavity Light-emitting Diode
YANG Qiwci ，LI Jianjun
(Department of Informatioo Science ， Beijing 口"0/ °f Technology ，Key Laboramrg of Optoelectropic Technology ，
Ministrg of Educatioo ，Beijing 100124， China)
Abstracc : Resonant cevita light-emitting diode uses a resonant cevita to change t he spatial distribution of
spontaneeus emission ， which has the advvntaaes of high eCiciency ，good directivita ， narrow spectral half
width and stable wavelength. Red RCLED based on AllalnP has been widely used not only in short-range opticel communicetion ， but also in high eCiciency red micro led. In this paper ， the basic principle of RCLED is described ， and the research pygyss of high eCiciency red RCLED ，POF oriented red RCLED and micro RCLED is summarized.
Key words : resonant cevita light emitting diode ; red RCLED of POF ； Micro RCLED ； high eCiciency red
RCLED
引言
LED 光源具有高亮度、低功耗、体积小、使用 寿命长等优点。

具有高亮度、低功耗的高性能LED
已成为汽车远近光灯、交通信号指示灯、液晶显示 屏、红外监控、集成电路显示、野外探照、户外全
彩显示、智能产品背光源、生物农业光照、集成光 子计算以及光纤传送数字通信的核心器件［1］，特别
是在照明领域，LED 已经取代白炽灯成为照明的主 流光源。

随着LED 效率的提高，LED 的应用领域也
不断拓展，并且市场渗透率逐步提升。

目前，相对于GaN 基的蓝绿光LED ，AllalnP 基 红光LED 的发光效率不够高。

LED 的发光效率通常
指的是外量子效率，是其内量子效率与光提取效率的 乘积。

虽然利用量子阱和异质结设计有源区能够使红
光LED 的内量子效率接近理论极限100%，但是结构 未经优化的红光LED 光提取效率只有2%左右。

造成
红光LED 外量子效率低的主要原因如下：1)各向同
性自发辐射限制了光提取效率。

注入到有源区中的电
基金项目：国家重点研发计划(2018YFA0209003 )、北京市基金(4182011 )和北京市教委科技创新服务能力建设项目
(PXM2019_ 014204_ 500032)
第32卷第2期杨启伟等：红光RCLED研究与进展37
子和空穴以自发辐射的形式复合发光，而自发辐射在空间各个方向的强度分布是相同的，由于出射光临界角的问题，只有在光提取角范围内的光才能出射到器件外面，从而限制了LED的光提取效率；2)电极对光具有遮挡作用。

电流从P电极注入，在有源区中的电子和空穴以自发辐射的形式复合发光，而位于P电极下方的有源区辐射所出的光被不透光电极遮挡，难以出射到器件外，降低了LED的光提取效率；3)电流扩展不均匀。

常规LED主要靠电流的横向扩展进入有，展电在有复光，
于电流横向扩展不均匀，从而使得光提取效率不高；
4)侧壁很少出光。

普通LED水平宽度是垂直厚度的100多倍，大部分光从顶部出射，侧壁出光通常忽略不计；5)衬底对光有很强的吸收作用。

有源区辐射复合射出的光，由于衬底不透明，射向衬底的光会被衬底吸收(
为解决上述红光LED存在的问题，采用谐振腔发光二极管(Resonant Cavity Light-emitting Diode，RCLED)结构是一种有效的途径(1946年，Pueell 等［2」预言了辐射源所处的电磁环境能改变其自发辐射特性(将辐射源置于尺寸在波长量级的腔中，则其在腔谐振模式处的自发辐射得到增强，反之则会受到抑制。

在20世纪90年代初，光腔的概念开始进入LED的世界，它的应用使得LED的外量子效率得到了一个质的飞跃，器件的发光效率大为提高［3］。

RCLED又被称为微腔发光二极管(Microcavity Light-emitting Diode，MCLED)，这个概念在1992年被贝尔实验室的Schubert等［4］首次提出。

他们根据Fabie-Ferot(F-B)腔理论提出了一种新型LED结构一谐振腔发光二极管(RCLED)。

1993年，制造出第一个红光RCLED，但效率非常低仅有1%左右［5］，随后经过不断的发展，2000年，Peter Bienstman等［6］提出了一种RCLED的改进结构，RC2LED,形成谐振腔反射(RCR)。

2001年，Gray等［7］在这个基础上将效率提高到4%。

2002年，Delbeke等将光栅辅助(Grating Assisted，GA)结构生长在RCLED上，制作出所谓的“GA-RCLED”。

同年，Chou等通过减少QWs的数目，使得RCLEDs调制速度获得了明显提高。

2008年，Lei 等［8］利用绝缘介质材料反射镜(DDBR)，利用高反射率形成的谐振腔，使得650nm的红光RCLED光功率和光增益都有提高，外量子效率达到6.2%。

2009年，Michael等［9］通过M0CVD制造出了量子点微腔(QD-MC)LED，在600-650nm红光波段AlGalnP RCLED的外量子效率已经超过10%。

与传统平面LED相比，RCLED有以下优点：1)光谱线宽较窄，RCLED有源区的自发发射限制在微腔光场模式中，因此相比传统平面LED光谱线宽可以更窄，单色性更好，20mA下光谱半峰全宽(Full Width at Half Maxirnum，FWHM)仅有十几个纳米；2)光输出方向性好，共振腔的干涉效应使得器件光输出的方向性好、发散角小，与光纤的耦合效率更高；3)具有高亮度、高效率的特点。

RCLED和VCSEL都是具有DBR谐振腔的光发射器件，它们结构的不同之处是两者的DBR对数有差异。

两者都是垂直于腔面出光，但发光原理不同，前者是自发发射，后者是需要达到粒子数反转才能起振的受激发射。

与VCESL相比，RCLED优势有: 1)VCSEL有阈值电流限制，而RCLED不需要达到阈值条件就可激射，所需驱动电流较小；2) RCLED工艺相对简单，提高了工业产量，且成本较低；3)相比VCSEL对温度敏感的缺点，RCLED具有更好热稳定性。

本文对红光RCLED的研究报道进行了分析与总结，详细介绍了高效率红光RCLED，面向P0F的红光RCLED以及Micro-RCLED的研究进展，为之后红光RCLED的研究提供了理论和实验指导。

1RCLED基本原理
1.1RCLED基本结构
RCLED的基本结构主要由上下布拉格反射镜与有源区三部分组成，如图1所示。

上下布拉格反射镜(DBR)形成厚度为1人的F-P光学谐振腔。

电子和空穴在有源区中自发辐射产生光子。

光在谐振腔内沿谐振腔往返振荡，根据微腔效应，腔使内部真空电磁场模式密度发生改变，增大了腔模选定波长的模式密度，抑制了其他模式密度。

根据干涉效应，谐振腔可以让自发辐射光子的优先传播方向发生改变。

从而使光辐射中心的角功率分布发生改变，让更大部分的光进入辐射立体角内，使其能够比无腔结构具有更好光束的方向、光对，提器件耦的目的。

38照明工程学报2021年4月
图1RCLED基本结构Fig.1Basic structure of RCLED Top DBR Active region Bottom DBR
1.2Fabr-Pert(F-P)微腔原理
光学微腔是指具有数且腔尺寸大小与谐振腔波长数量级相同的光学微型谐振腔。

F-P 微腔应用最为广泛。

两个反射镜与夹在中间的波导介质组成。

图2为RCLED的基本原理,中n s是有的折射率，n s+ 1及和n s-1及分别是上、DBR之中每一层的折射,n ec是DBR以外材料折射率，r为上DBR反射,r为下dbr,要保证有产生的光顶部,满足厂1＜厂2o在垂直于镜恒
,长与腔长满足驻波条件。

即腔长仝波长的整数倍。

当光束垂直入两个，于传播光是相干光，在两距L为长的数倍时，会产生驻谐振。

F-P微腔改变了微腔中的有效模式密度，当腔长，总的模式密度迅速增大，超的模式密度，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提发f 。

米定律，增强式(1)计算：
Q&(1+阳(1-R. )'ca/八
Qr p(1)
2(1-)2'7其中&为驻波波腹增强，在有源层放置恰当时为&二2，'和'沖分别为自由空间的自发'寿命和谐振腔中自发。

用微腔结构实现了器件发光强度的增强、光谱的提高、的优及内量子效率的提等腔量子电动力学「10*。

1.3DBR理论
DBR种多层薄膜反射器，由厚度为%4的不同折的材料交替。

由于折同，在每个界面都会发生Fresnel反射。

于两种材的折较才、，在每个界面发生的Fresnel反射都不很。

两种选的厚
图2RCLED原理图
Fig.2RCLED schematic diagram
度，可以使所有反射波都实现相长干涉。

在垂直入，膜为1/4光长时，就会发生相长涉。

DBR的选择需要满足三个条件：1)所选dbr 材料要与有和衬底晶格相匹配；2)为更的，DBR要对的光波段透明；%)若为电径，dbr材料需导电。

2红光RCLED
2.1高效率红光RCLED
为提高红光LED的效率，北京工业大学光电实验室基于RCLED，从结构设计到工艺
能优化等了探索与研究。

2010年制作出ITO透明窗口层RCLED。

如图%所示，两个的光功率都入电流的增大而增加，当电流大于一定后，由于热效应使得器件的发光降低，光功入电流的增加而减小。

对样品1(有ITO)，当注入电流为18mA 时光输出功率达到最大值，为0.72mW，而对于样2(无ITO)，于电光，入电流为15mA时光输出功率就达到了，仅为0.36mW。

表面有ITO的样品1的最大光输出功率是表面无ITO的样品2的两倍。

这主要是由于表面ITO的引入增加了电流的展，另「面有利于光的增。

结果表明，有TO的器件热特性得到改善，输出功提高，表面有ITO的器件光输出功率是表面无ITO的器件的两倍。

由于RCLED缺乏电流铺展层，谐振腔发光二极管的性能和特匚易受到P型电极形状的影响，2011年研究了2种：的P电极对谐振腔发光特性的影响。

4所示，A为单环电极，B为双环电极，通过对比单环与双环P电极的RCLED电学和光学特性，
结果发
第32卷第2期
杨启伟等：红光RCLED 研究与进展
39
1.0
图5 用于高效率RCLED 的网格电极
Fig. 5 Grid electrode for high efficiency RCLED
4
8 6 4
0-
0-0-M L U /J U A V O d 一
eopdo
0 6
12 18
24 30
Current/mA
图3样品光功率随注入电流变化曲线
Fig. 3 Variation curve oS sample opticel
power with injection current
A/乩
e=OA
3
2
现采用单环电极的RCLED 设备可靠性高,热效应
,在电
入下光输出功 。

1.4 L
0 8 6 4
L O.O.O.MUI/J
<D
M .o d
-n d l n o
三詈
Bias Current/mA
4 RCLED 的光输出功率与偏置电流的关系
4 Relationship between opticel output power and
bias current of RCLED
图同年，课题组为使电流分布更加均匀，电极采 用网格形状，如图5所示，该P 面网格电极焊点尺 寸为100 |xm ,网格宽为4. 5 |xm o
备了 4个 ,分别 为RC-1 % RC-2%
RC-3% RC-4(每个样品的下DBR 为34对n 型
A1A s /A/.5G o 0.5A s ,上DBR 的对数均为6对，不同
之处在于DBR
分 , 均为p 型
A1A s /A1x G v 1_x A s o 有源区不同,RC-1由两个有源区 组成，F-B 腔厚为2%； RC-2% RC-3% RC-4的有源
区由 3 个(A/.5Gv 0.5 ) 0.5I n 0.5PGv 0.5I n 0.5p 量子阱组
成，有源区与
层 标准的 为1%谐振
腔o RC-2的包层为(AA 5G v 0.5 )0.5l n 0.5P ,其他三个 样品的包层均为(A/j G o o .3 ) 0.5 In 。

.5 Po 对4种样品
的光电 特 了 分析，
6所示。

MUI/J
<D
M .o d
-n d l n o
匸目」
NO.
6 &20 mA 入 电 光 功 的 对Fig. 6 Comparison of opticel output power under
20 mA injection current
实验表明多有源区样品RC-1的最大光输出功
率达到了 3.47 mW ,平均光输出功率3.4mW °作
为单有源区的RC-4 ,在20 mA 驱动电流下，平均光 输出功率达到了 3.22 mW o
于电极下方的电流密度过大，在小注入电流
下， 部分
复合发出的光很
部分被电极吸
能发 体外， 影响了外量。

故课
题
用对两种电极结构分别引入阻挡层，同 I
作相 有阻挡层的器件 对比。

电极结构如
7 所示 o
网格电极和万字型电极制作了两种RCLED 结
构o 网格电极分别 有阻挡层的常规650 nm
RCLED ,记作A ,带有阻挡层的650 nm RCLED ,记 作B ；万字型电极分别是带有阻挡层的650 nm
RCLED ,记为A ,无阻挡层的常规650 nm RCLED , 记为B o
结果 8所示°
实验表明在20 mA 注入电流下网格电极下引入
阻挡层能很大程度地提高光 功率，大约
规
40照明工程学报2021年4月
图7 用于高效率RCLED 的万字型和网格电极
Fig. 7 Wanzi and grid electrodes foe high efficiency RCLED
050505050505050
7.6.6.5.5.4.4.3.3.Z Z L L 0
M £
(D M o d
-ndlno
恙
J
20 40 60 80 100
//mA
(a)网格电极RCLED
0 _____________________________________—
0 20 40 60 80 100
//mA
(b)万字型电极RCLED
图8光输出功率与注入电流的关系图
Fig. 8 Relationship between optical output powee and injection current
结构的1.54倍，达到了 3. 77 mW 。

其外量子效率超 8%(对于万字型电极，带有阻挡层的器件光功
率相比常规结构增加了 20%。

上述研究为实现高效 率红光RCLED 奠定了基础。

2.2 面向POF 的红光RCLED
塑料光纤(plastic optical fibee, POF)因具有柔 韧性好、价格低、抗电磁与 扰、直径 及
易于安装等优点，成为短距离光 的重要媒
介［11 *。

于POF
, 有限以及基于
POF 的短距离光通信的普及对低价格高性能的光源 提出了迫切的要求。

体 光器的特性好 ［本
高〔12 *，而普通半导体发光二极管(Light-rmitting
Diodes , LED )虽然便宜但带宽小、光纤耦合效率
低，谐振腔发光二极管(Resonant Cavity Light Emitting Diode , RCLED )是在性价比方面介于半导 体激光器和 体发光二极管 的一个很好的折
［
13*。

RCLED 独特结构具有 、 、
提取效率以及良好的温度可靠性等优点。

：
此，与传统的LED 相比,RCLED 可以在高的调制
工作，光谱 ，还有较高的外量 。

近年来， 塑 光纤 和网 的不断发展,
RCLED 受到的关注也 。

特别是红光RCLED 应用
广泛，在光纤 数据领域
［
着越来越重要的 。

长为650 nm 的
RCLED ,对应于POF 的低损耗波段，是短距离光通
信的理想光源［14 *。

2009年课题组提出了一种将AlGalnP 材料作为 p 型上DBR , AlGaAs 材料作为n 型下DBR , GalnP/
AlGalnP 多量子阱为有源区，GaP 材料为p 型欧姆 接触层的650 nm 共振腔发光二极管结构，实验 ：
了 能的 RCLED , 9 所示［15*。

0 6 12
18 24 30
电流/mA
(a)器件光功率与电流关系
0°
180°
(b)器件的远场分布
图9 RCLED 光功率与远场分布图
Fig. 9 Optical powee and for field distribution of
RCLED
第32卷第2期杨启伟等：红光RCLED研究与进展41
结果表明，相比普通led,RCLED具有更咼的
发光、波长稳定及较窄的光谱与较小
的远场发，是用于短距离光与POF耦合
的理想光源o为优化RCLED性能,同年研
究了650nm RCLED的外延特性,利用金属有机化
学气相沉积方法生长了波长为650nm的谐振腔发光
二极管，采用AlGlnP；为顶层DBRs。

测试
数据10所示°
B
一suo
aI
P
O
Z
二
euuoN
500600700800
Wavelengtli/nm -
n
d
l
n
o
三
已
」
(b)不同孔径下的电流与输出光功率
(b)RCLED电压，输出功率与电流关系图
图10RCLED测试结果图
Fig.10RCLED test result chart
实验表明，AlGlnP顶级DBR具有更好的接口质量和低电压°器件在0.5mA下的电压为2.2V,平均发光效率为0.5mW,半波宽为10nm〔16 2011年研究了孔径对RCLED特性的影响°利用备了具有电极孔径为80p m的三种不同孔径的RCLED°孔径分别为90p m、110p m、130p m,如图11所示〔17*°
实验表明,孔径,电压,
于在相同电孔径越小，电流密，故
功率的速率越快。

氧化孔径，光功于较大的串联电阻和电流密度，使
DC Current/mA
■110jim
—130gm
5060
图11电压，输出光功率与电流关系图
Fig.11Voltaac,output opticcl power and current diagram
注入的电子以非辐射的方式释放能量。

这一研究优化了RCLED性能,对POF通信系统中RCLED光源器件做了。

2.3Micro红光RCLED
Micro-LED是指发光单元横向尺寸在50p m以下的LED〔18*。

Micro-LED具有高亮度、低功耗、寿命长、高响应速度等优异特性,现已成为显示领域的热点,目前基于GaN基蓝光和绿光Micro-ED制备相对成熟。

但是随着Micro-ED横向尺寸的减小,壁表增大，壁的复i积增大并且基于AlGalnP的红色微型LED侧壁｝射复于GaN的LED更严重,使
降低。

采用RCLED可少侧壁复合,提。

2018年,北京工业大学光电子技术实验室通过设计4组氧化孔径分别为60p m、50p m、20p m、10p m,其他结构均相同的650nm RCLED与发光面积为60p m的普通LED进行比较。

结果如图12所示，可，在2mA以下，10p m尺寸RCLED 的光功率最咼，最咼可达0.28mW
o
42照明工程学报2021年4月
图12不同尺寸RCLED的功率曲线
Fig・12Power curves of RCLED with different sizes
图13(a)为4组不同器件的半波全宽图，(b)
图为4同器件的长％p图。

可与面
积为60^m的圆台型无腔650nm LED在5mA电流
下FWHM为17nm。

相比较RCLED的光谱纯度更
,RCLED的失谐和均对％p产生影
响,稳定在650nm左右；而普通LED的％卩在
1〜7mA电内650nm
654.5nm〔19*。

8 2 24 20 16 12
—20|im detuning RCLED
—20|im650nmRCLED
60|im650nmRCLED
—r—60|im650nmLED
012345678
Current/mA
U
I
W
q
«)u
3
(D A
E
M
^
(D d
(a)Full width of half wave of different parameters device
(b)Peak wavelength of different parameters device
图13器件尺寸对光谱影响
Fig.13oS device size on spectrum
结果表明，10!m孔径器件在1mA电流下达至」0.16mW的光功率和7%的外量子效率。

20^m尺寸器件在5mA下达到0.42W光功率。

峰值波长为650nm,并且在0.1〜7mA范围内不随电流改变而发生(RCLED比普通LED具有更好的L性和温度稳定性。

2020年,北京工业大学光电子技术实验室为实现微显示量及小电流模式下的亍工作，提出了一种将共振腔发光二极管与AlAs侧向氧化技术结合的Micro-RCLED。

其结构图如图14所示。

图14Micro-RCLED结构示意图
Fig・14Structure diavram of Micro-RCLED
课题组制作了3个氧化孔径为17^m的并联的655nm Micro-RCLED，测试结果如图15所示〔20*。

1.0
05
MuyJ
<D
M
.
o
d
一eopdo
5
o
00.2
0.40.6
Current/mA
0.8
%
、a o u
(
d
-5
弔
m
B
u
e
n
b
W
U
J
B
X
W
2
o
1
1
8
6
4
2
图15Micro-RCLED的光功率与外量子效率与驱动电流的变化曲线Fig.15Curve oS opticel power,external quantum
efficiency and driving current oS Micro-RCLED
结果表明,器件的外量于10%，当电流密度变化12.5倍时，峰值波长增加1.5nm,半波宽增加了0.33nm,并且在低于1^A工作电流下，单个Micro-RCLED可以发光。

第32卷第2期杨启伟等：红光RCLED研究与进展43
3结语
本文阐述了RCLED的原理、基本结构、优点及其应用,重点介绍了红光RCLED的研究进展。

为提高发光二极管效率，国内外研究者在对改善其性能和解决工艺等方面的困难进行了不同的探索。

本文主要从高效率红光RCLED、面向POF的红光RCLED以及Micro-RCLED三个方面介绍了课题组对提高红光RCLED效率所做的研究工作。

随着RCLED研究的不断深入，性能不断提高,使得红光RCLED在输出功率、波长稳定性、提取效率等方面提升较快，并且已广泛应用于可见光光通讯、医疗、照明和显示等领域。

由于RCLED广泛的应用于生产生活中的各个方面,市场对RCLED 的各方面性能提出了更高的要求。

因此我们需要进一步的研究，使器件的性能更加稳定，获得更大的提取效率，以及拓展可见光波长范围等其他性能上的突破,实现高效率红光RCLED,使其在未来的发展中具有更加广阔的市场应用。

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