Lumerical | 近红外钙钛矿发光二极管光提取效率优化_ACT_HFSS_化学_电路_半导体_光学_电力_电子

Lumerical | 近红外钙钛矿发光二极管光提取效率优化

在光电子技术迅猛发展的今天，钙钛矿基发光二极管（PeLED）以其独特的材料优势和广泛的应用前景，成为学术界和产业界关注的焦点。这类器件不仅具备可调带隙、高色纯度和低温制备兼容性等突出特性，在近红外（NIR）光发射领域更展现出巨大潜力。然而，光提取效率（LEE）受限一直是制约PeLED性能提升的关键瓶颈。近期，一项发表于《Scientific Reports》的研究通过创新的层厚度优化策略与活性层吸收调控技术^[1]，成功将近红外PeLED的光提取效率提升近20%，在803nm波长处达到42.89%的优异水平，为PeLED的实际应用开辟了新路径。

PeLED的技术优势与现存挑战

1.1 钙钛矿材料的光电特性

钙钛矿材料之所以在光电子领域引发广泛研究热潮，源于其一系列优异的物理化学性质。这类材料具有可调的带隙结构，通过组分调控可实现从紫外到近红外全光谱范围的光发射；同时具备高色纯度，其电致发光半高宽（FWHM）仅为有机材料的1/3至1/4，这对于显示和传感应用至关重要。此外，钙钛矿材料还拥有长载流子扩散长度、低激子束缚能以及与低温制备工艺的良好兼容性，这些特性使其在太阳能电池、激光器和传感器等领域均展现出卓越性能。

在发光二极管应用中，钙钛矿材料与传统有机发光材料（OLED）相比具有显著优势。由于钙钛矿材料中载流子相互作用的激子性质较弱，无需应对OLED中占比75%的三重态激子非辐射复合问题，这为提高器件效率奠定了材料基础。理论上，若内部量子效率（IQE）接近单位值，PeLED中光功率模式占光源总光功率的比例可达55%，远高于OLED的光回收效率。

1.2 光提取效率：PeLED面临的核心挑战

尽管PeLED在材料特性上具有优势，但其光提取效率却受到严重限制。这主要归因于钙钛矿材料较高的折射率（>2），导致严重的全内反射（TIR）效应，大量光子被束缚在器件内部形成波导模式或基底模式。此外，材料界面的折射率差异、活性层的光吸收以及表面等离子体效应等因素，进一步加剧了光损耗。

从器件物理角度分析，外部量子效率（EQE）由内部量子效率（IQE）和光提取效率（LEE）共同决定（EQE=IQE×LEE）。当IQE接近理想值时，LEE成为制约EQE提升的关键因素。现有研究表明，近红外PeLED的EQE普遍低于20%，与OLED相比仍有较大差距，其中光提取效率不足是主要限制因素之一。

优化策略与仿真方法

2.1 层厚度优化与吸收调控的协同策略

针对光提取效率受限的问题，研究团队提出了层厚度优化与活性层吸收调控的协同优化策略。该策略基于以下物理机制：通过精确调控各功能层的厚度，优化器件内部的光学干涉效应，抑制波导模式和基底模式的形成；同时，通过降低活性层的消光系数（虚部折射率），减少光子在活性层内的吸收损耗，使更多光子能够参与出射过程。

具体而言，研究聚焦于α-FAPbI₃钙钛矿材料作为发光层（EML），在803nm近红外波长处开展优化。首先通过有限差分时域（FDTD）方法仿真不同层厚度下的光场分布和光提取效率，确定各层的最佳厚度范围。然后针对活性层的消光系数进行参数扫描，分析其对吸收损耗和光提取的影响规律。

2.2 FDTD仿真方法与结构设计

研究采用3D时域有限差分（FDTD）电磁仿真技术（Ansys Lumerical FDTD模拟套件）作为主要研究工具，该方法能够精确求解麦克斯韦方程组，捕捉亚波长尺度的电磁场分布，特别适合处理多层薄膜结构中的光干涉和外耦合效率。仿真结构如图1所示，包含六层材料：金（Au）阳极/三氧化钼（MoO₃）缓冲层/氧化锌（ZnO）电子传输层/甲脒碘基钙钛矿（FAPbI₃）发光层/TFB空穴传输层/氧化铟锡（ITO）阴极。

图1 结构及材料示意图

在仿真过程中，研究团队采用了完美匹配层（PML）边界条件和周期性边界条件（PBC），以提高计算效率和准确性。通过扫描周期性模拟区域的面积，结果如图2所示，故确定1μm×1μm为最佳模拟区域尺寸，此时光提取效率达到22.38%。同时，针对α-FAPbI₃材料的消光系数进行系统研究，发现当消光系数从0.09降低至0.004时，光提取效率可从10%提升至22.38%，证实了降低吸收损耗的有效性。

图2 周期性边界条件与LEE的关系

从仿真到实验的突破

3.1 层厚度优化的关键作用

通过系统的层厚度扫描，研究团队获得了各功能层的最佳厚度参数（表1）。其中，发光层（EML）厚度从初始的50nm优化至25nm，这一超薄设计显著减少了光子在活性层内的传播距离，降低了吸收损耗。同时，电子传输层（ETL）厚度从30nm增加至50nm，空穴传输层（HTL）厚度从40nm增加至100nm，这种调整优化了载流子注入平衡，同时改变了光学腔的长度，促进了相长干涉效应。

表1 各层厚度优化参数

阳极缓冲层（MoO₃）和电极层的厚度优化同样关键。MoO₃层从7nm增加至8nm，增强了阳极与空穴传输层的界面稳定性和载流子注入效率；金阳极厚度从60nm减薄至50nm，ITO阴极厚度从80nm减薄至70nm，在保证电极导电性的同时，减少了金属层对光的吸收。

3.2 光提取效率的显著提升

优化后的器件结构实现了光提取效率的大幅提升。如图3所示，通过逐层优化各功能层厚度，最终在803nm波长处获得了42.89%的光提取效率，较初始结构提升近20%。这一结果是通过协同调控光学干涉和减少吸收损耗实现的：超薄发光层设计抑制了波导模式，而增厚的传输层调整了光学腔的共振波长，使803nm处的光发射获得最大的出耦效率。

图3 逐层优化各层厚度结果图

光学模式分析表明（图4），优化后器件的波导模式占比显著降低至3.83%，吸收损耗从97%降至49.50%，而空气模式占比提升至42.89%。这一结果证实了优化策略的有效性，即通过结构设计将更多的光子从束缚模式转换为可出射的空气模式。

图4 803nm波长处的光学模式

技术创新与应用前景

4.1 与现有技术的对比分析

将本研究结果与现有近红外PeLED研究进行对比，其技术优势显而易见。例如，Bai等人通过调控载流子传输和引入高折射率材料，实现了41.82%的光提取效率^[2]；而本研究通过纯光学结构优化，在相似波长范围内达到了42.89%的更高效率，且无需引入复杂的纳米结构或新型材料，具有更好的工艺兼容性。

与传统的光提取增强技术（如纳米结构阵列、光子晶体等）相比，本研究提出的层厚度优化策略具有明显优势。首先，该方法基于平面结构，无需复杂的纳米加工工艺，成本更低且易于规模化生产；其次，平面结构的器件稳定性更高，避免了纳米结构可能带来的界面缺陷和可靠性问题。

4.2 近红外PeLED的应用场景展望

近红外PeLED在诸多领域展现出广阔的应用前景。在生物医学领域，800-950nm的近红外光具有良好的组织穿透性，可用于荧光成像、光动力治疗和生物传感器等。优化后的高亮度、高效率近红外PeLED有望成为下一代生物医学成像设备的理想光源。

在通信与传感领域，近红外波段是光纤通信的常用窗口，高效率的近红外PeLED可用于短距离光通信和环境监测传感器。此外，在夜视成像、激光雷达（LiDAR）和安防监控等领域，近红外PeLED也具有重要应用价值，其高亮度和低功耗特性可显著提升设备性能。

结论：
迈向高效近红外光电子时代

本研究通过FDTD仿真指导的层厚度优化与活性层吸收调控策略，成功将近红外PeLED的光提取效率提升至42.89%，为PeLED的性能提升提供了一条简单有效的技术路径。从科学意义上讲，该研究证实了通过精确的光学结构设计和材料特性调控，可以有效克服全内反射限制，为高效光提取提供了理论和实验依据。从应用角度看，高亮度、高效率的近红外PeLED将推动生物医学、通信传感和夜视成像等领域的技术进步，加速PeLED从实验室走向实际应用的进程。随着研究的深入和技术的不断创新，钙钛矿基光电子器件将在未来光电子技术发展中扮演更加重要的角色，为人类社会带来更多创新应用和技术突破。

参考文献：

[1] Tabibifar N, Eskandari M, Boroumand F A, et al. Enhanced light extraction by optimizing near-infrared perovskite-based light emitting diode (PeLED)[J]. Scientific Reports, 2024, 14(1): 29165.

[2] Bai W, Xuan T, Zhao H, et al. Perovskite light‐emitting diodes with an external quantum efficiency exceeding 30%[J]. Advanced Materials, 2023, 35(39): 2302283.

来源：摩尔芯创

偏振分集光栅耦合器实现光纤与芯片的高效互联

在光通信、数据中心和人工智能等领域，硅光子技术凭借其高集成度、低成本和CMOS工艺兼容性，正成为下一代光互联的核心驱动力。然而，光纤与硅光子芯片的高效耦合一直是技术难点——尤其是如何在实现高效率的同时兼容偏振分集。近日，一项发表在《IEEEPHOTONICS JOURNAL》的研究提出了一种基于多极辐射模式增强的双层二维光栅耦合器[1]，为硅光子器件的规模化应用提供了新思路。本文将从技术背景、设计原理、实验结果展开解析。光纤-芯片耦合的挑战与机遇硅光子技术的核心优势在于其高折射率对比度，可实现超紧凑的光学器件。然而，光纤（模式直径约10μm）与硅波导（亚微米尺寸）之间的模式尺寸差异巨大，导致耦合效率低下。传统解决方案的局限：边缘耦合器：需高精度切割芯片端面，成本高且难以规模化；一维光栅耦合器：虽支持晶圆级测试，但仅对特定偏振光高效，实际应用中光的偏振态复杂多变，导致性能波动；二维光栅耦合器：理论上可实现偏振分集（将任意偏振光分解为两个正交模式），但效率受限于工艺—主流220nm SOI平台与193nm光刻技术下，如何平衡结构复杂度与耦合效率成为关键。此前研究[2]虽通过加厚硅层或复杂纳米结构提升效率，但特征尺寸或工艺兼容性不足。而本篇文章通过双层级介质结构（70nm浅刻蚀孔阵列+160nm多晶硅齿阵列）激发多极辐射模式，在保证工艺兼容性的同时显著提升方向性与耦合效率，为硅光子芯片的商用化铺平道路。图1完全垂直二维光栅耦合器示意图多极辐射模式与双层级设计1. 多极辐射模式：从电偶极子到磁四极子光栅耦合器的效率取决于其将光能定向辐射至光纤的能力，即“方向性”。传统设计主要依赖电偶极子辐射，但方向性有限。本研究的创新点在于通过结构设计激发高阶多极模式（如磁偶极子、电四极子），从而增强辐射方向性。根据论文中的理论分析，辐射场可分解为电偶极矩（P）、磁偶极矩（M）、环形偶极矩（T）、电四极矩（Qαβ）和磁四极矩（Mαβ）。实验表明，磁偶极子与电四极电四极矩的贡献占主导，如图2所示，其辐射功率比传统电偶极子高一个量级，显著提升方向性至75%（较单层结构提升20%）。图2多极分解的辐射功率2. 双层级结构：工艺兼容性的巧妙平衡研究团队采用双层设计：下层：220nm SOI层中刻蚀70nm深度的圆形孔阵列，通过渐变周期（Apodization）抑制高阶布拉格反射，提升模式匹配。上层：沉积160nm厚多晶硅齿阵列，进一步优化光场限制与方向性（图3a）。图3光栅耦合器的俯视图和横截面图该设计充分利用商用193nm DUV光刻工艺，最小特征尺寸为180nm，与现有硅光代工厂（如imec）的制造流程完全兼容。此外，末端集成的硅反射器（宽度365nm，间距360nm）进一步减少能量损耗。设计与实现：从仿真到流片1. 仿真优化：遗传算法与有效介质理论为降低3D FDTD仿真的计算成本，团队采用有效介质理论（EMT）简化模型，结合遗传算法优化结构参数（如孔周期、齿尺寸等）。仿真结果显示，峰值耦合效率达-2.37dB（58%），3dB带宽30nm。图4光栅耦合器的耦合效率和背向反射2. 制造容差分析：工艺鲁棒性验证研究团队系统评估了刻蚀深度、孔径偏差、多晶硅齿尺寸误差等对性能的影响，结果显示：刻蚀深度偏差±10nm时，效率仍>50%；多晶硅齿直径误差<40nm时，波长偏移可控；双层对准偏差容限达60nm（y方向），确保量产可行性。3. 实测结果：效率与偏振稳定性通过imec多项目晶圆（MPW）流片，实测峰值效率为-2.54dB，1dB带宽12.9nm，3dB带宽23.4nm（图5b）。偏振相关损耗（PDL）<0.3dB（图5c），且光纤对准偏差2μm内效率仍优于-3.5dB（图5d），显著降低封装成本。图5(a)所制造的光子集成电路的显微图像，测量的二维光栅耦合器的(b)耦合效率(c)偏振相关损耗(d)峰值耦合效率结语本篇文章的研究通过多极辐射模式增强与双层级结构设计，在商用工艺平台上实现了高效、低偏振敏感的二维光栅耦合器，解决了一个高效的和偏振分集的光纤芯片耦合的挑战，为硅光子技术的规模化应用扫清关键障碍。利用多极辐射模式的设计方法也可以应用于其他集成光学平台，例如SOI上的Si3N4或薄膜铌酸锂，以实现光纤和光子集成电路之间的高效偏振多样性接口。未来，随着带宽优化与集成度提升，这一技术有望成为光互联领域的“标准配置”，推动从数据中心到量子计算的全新变革。参考：[1]Zhou, Wu, et al. "Efficient Polarization-Diversity Grating Coupler with Multipolar Radiation Mode Enhancement." IEEE Photonics Journal (2025).[2]Z. Zhang et al., “High-efficiency two-dimensional perfectly vertical grat ing coupler with ultra-low polarization dependent loss and large fibre misalignment tolerance,” IEEE J. Quantum Electron., vol. 57, no. 5, Oct. 2021, Art. no. 8400407.来源：摩尔芯创