半導(dǎo)體光電子學(xué) 半導(dǎo)體發(fā)光二極管

1、6.1 概述半導(dǎo)體發(fā)光二極管和半導(dǎo)體激光器在工作原理上的根本區(qū)別在于前者是利用注入有源區(qū)的載流子自發(fā)輻射復(fù)合而發(fā)出光子，而后者則是受激輻射復(fù)合發(fā)光的。用于光纖通信的發(fā)光二極管從材料到器件的異質(zhì)結(jié)構(gòu)都與半導(dǎo)體激光器沒(méi)有很大差別，因而前面13章的一些基本理論對(duì)半導(dǎo)體發(fā)光二極管也是適用的。半導(dǎo)體激光器與發(fā)光二極管在結(jié)構(gòu)上的主要差別是前者有光學(xué)諧振腔，使復(fù)合所產(chǎn)生的光子在腔內(nèi)振蕩和放大；而后者則沒(méi)有諧振腔。正是由于它們?cè)诎l(fā)光機(jī)理和上述這一基本結(jié)構(gòu)上存在差別，而使它們?cè)谥饕阅苌洗嬖诿黠@差別。例如，半導(dǎo)體發(fā)光二極管不象激光器那樣存在閾值特性，輸出功率與注入電流之間呈線性關(guān)系；因?yàn)樽园l(fā)發(fā)射的隨機(jī)性，致使發(fā)

2、光管的光譜寬度比激光器高幾個(gè)數(shù)量級(jí)；光束發(fā)散角也很大，因而與光纖藕合效率要比半導(dǎo)體激光器的情況低得多；輸出的光功率也要比半導(dǎo)體激光器低得多盡管與半導(dǎo)體激光器相比，半導(dǎo)體發(fā)光二極管有許多不足之處，但它卻在中、短距離光纖通信中得到了廣泛的應(yīng)用。彌補(bǔ)了半導(dǎo)體激光器的某些不足。這是由它的以下特點(diǎn)所決定的：1不存在閾值特性，P-I線性好，因而有利于實(shí)現(xiàn)信號(hào)無(wú)畸變的調(diào)制，這在高速模擬調(diào)制中是特別重要的；2雖然半導(dǎo)體發(fā)光二極管的光相干性很不好，但正因?yàn)槿绱?，避免了半?dǎo)體激光器容易產(chǎn)生模分配噪聲和對(duì)來(lái)自于光纖傳輸線路中反射光較靈敏的缺點(diǎn)； 3工作穩(wěn)定，輸出功率隨溫度的變化較小，不需要精確的溫度控制，因而驅(qū)動(dòng)電

3、源很簡(jiǎn)單； 4 由于不存在象半導(dǎo)體激光器那樣的腔而退化，工作壽命可達(dá)109小時(shí)；5成品率高，價(jià)格便宜。此外，由于其光譜線寬很寬(30nm)，這對(duì)光纖通信中波分復(fù)用的應(yīng)用將帶來(lái)好處。半導(dǎo)體發(fā)光二極管可以分為三種型式:表面發(fā)射(SE);端發(fā)射或邊發(fā)射(EE);超熒光或超輻射(SL).前兩種是從發(fā)光的部位來(lái)區(qū)別的，而超輻射發(fā)光二極管則是根據(jù)發(fā)光特性來(lái)區(qū)分的。圖6.1-1表示半導(dǎo)體激光器、表面和端面發(fā)射發(fā)光二極管、超輻射發(fā)光二極管P-I特性的比較。6.2 LED的結(jié)構(gòu)和半導(dǎo)體激光器一樣，短波長(zhǎng)(0.820.85m)和長(zhǎng)波長(zhǎng)(l.3m，1.55m)的發(fā)光二極管分別使用GaAlAs/GaAs和InGaAs

4、P/InP雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)。用這些直接帶隙躍遷材料能保證在室溫下給出較高的內(nèi)量子效率(50%)，發(fā)射波長(zhǎng)同樣由材料的禁帶寬度所決定。一、邊發(fā)光二極管二、面發(fā)光二極管三、超輻射發(fā)光二極管一、邊發(fā)光二極管邊發(fā)光二極管和通常的電極條形雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)基本相同，一般是在n型襯底上用外延的方法相繼生長(zhǎng)N型限制層-有源層-P型限制層-P+蓋帽層。為了防止在有源區(qū)產(chǎn)生受激發(fā)射，需要設(shè)法消除光子可能形成的諧振。主要有兩種方法。方法之一是將接觸電極條控制在適當(dāng)?shù)拈L(zhǎng)度范圍，使電極條距某一端面形成非泵浦(注入)區(qū)或吸收區(qū)，使有源區(qū)中產(chǎn)生的光子在到達(dá)該端面之前已被吸收掉，光子在沿縱向運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生凈吸收而不產(chǎn)生凈增益。以如圖6.2-

5、1所示的長(zhǎng)波長(zhǎng)1.3m“v”槽邊發(fā)光二極管為例來(lái)說(shuō)明這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。在n型InP襯底上相繼用液相外廷形成雙異質(zhì)結(jié)后，再生長(zhǎng)n型阻擋層，“v”槽被刻蝕到異質(zhì)結(jié)的上限制層。再在其上生長(zhǎng)長(zhǎng)為L(zhǎng)a、寬為W的導(dǎo)電接觸條，因而在有源條與后端面之間有一長(zhǎng)為L(zhǎng)M的非泵浦區(qū)。一般取W=1030m，La=200 245m，LM=250m。為了更可靠的防止激射和增加輸出的斜率效率，在前端面(輸出而)鍍以增透膜是很有效的。用薄而窄的有源條，有利于在較低的住入電流下獲得較高的載流子濃度；同時(shí)有源層內(nèi)的部分光進(jìn)入限制層，有利于改善在垂直于結(jié)平而方向上光束的方向性，從而有利于提高輸出功率和光纖與發(fā)光管之間的藕合效率。窄的條

6、寬有利子提高發(fā)光管的亮度。防止發(fā)光管產(chǎn)生受激發(fā)射的另一種有效方法是將后端面弄斜，以破壞由解理面形成的法布里-拍羅腔，如圖6.2-2所示。其基本結(jié)構(gòu)與V溝襯底埋層異質(zhì)結(jié)激光器相同，前端面鍍?cè)鐾改?，后端面腐蝕成斜面。這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是更能可靠地防止受激發(fā)射，與前面采取非泵浦區(qū)結(jié)構(gòu)的邊發(fā)光管相比，更能利用有源層的長(zhǎng)度來(lái)產(chǎn)生自發(fā)輻射，獲得較高輸出功率。二、面發(fā)光二極管正面發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)如圖6.2-5所示。它實(shí)際上是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的異質(zhì)結(jié)二極管，只是它的有源區(qū)由氧化物(如SiO2)隔離的金屬電極接觸條所限定。為防止襯底對(duì)光的吸收，同時(shí)為了有效地用光纖將光從有源區(qū)耦合出來(lái)，用腐蝕的方法將襯底開(kāi)一個(gè)阱，阱底直至與

7、襯底相鄰的限制層。因?yàn)轫攲与姌O接觸是一直徑較小的圓形金屬層，能保證從電極至阱底形成一柱形電流通道，同時(shí)也限制光子在一個(gè)小的區(qū)域內(nèi)而不能抵達(dá)解理面產(chǎn)生所不希望的諧振。除上述在襯底上開(kāi)阱耦合輸出的方法外，也有將襯底加工成弧面、將光纖進(jìn)行微透鏡處理等方法來(lái)提高半導(dǎo)體發(fā)光管與光纖的耦合效率。三、超輻射發(fā)光二極管超輻射發(fā)光二極管與邊發(fā)光二極管在結(jié)構(gòu)上基本相同，圖6.2-3表示這種發(fā)光管的頂視和側(cè)視圖。與受泵浦的波導(dǎo)區(qū)毗鄰的是一個(gè)非泵浦區(qū)或吸收區(qū)。與邊發(fā)光管工作原理上的根本區(qū)別在于這種結(jié)構(gòu)中沿縱向傳播的光有少許凈增益。因此，除光子未通過(guò)諧振腔結(jié)構(gòu)反饋、振蕩外，超輻射發(fā)光二極管更相似于多模注入激光器。這就決

8、定著超輻射發(fā)光二極管的一些特性介于半導(dǎo)體激光器與通常的發(fā)光二極管之問(wèn)，它沒(méi)有象通常的發(fā)光管那樣從零泵浦電流開(kāi)始的P-I線性，但也沒(méi)有半導(dǎo)體激光器那樣明顯的閾值特性，然而在高的輸出功率下卻可能出現(xiàn)飽和。事實(shí)上，某些發(fā)光二極管也可能產(chǎn)生超輻射。因此，超輻射發(fā)光管波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的一端或兩端的功率反射率對(duì)它的性能特點(diǎn)起了重要的決定作用。例如，在如圖6.2-3所示的結(jié)構(gòu)中，解理輸出端面的反射率R(L)=0.3，這就會(huì)出現(xiàn)最壞的情況。而如果對(duì)該解理面增透，則輸出功率可增加24倍；如取R(L)=0，而R(0)0，則輸出功率尚可進(jìn)一步增加。因?yàn)橛性磪^(qū)內(nèi)存在凈的增益時(shí)，能顯著的增加輸出功率，這可用解理面代替吸收區(qū)、甚

9、至對(duì)該后端面進(jìn)行增反來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖6.2-4表示這種情況下的輸出功率與有源層長(zhǎng)度的關(guān)系。在一定的有源層長(zhǎng)度下，后端面反射率R2越高，其輸出功率越大。而且隨著注入電流的增加，這種超輻射模所占的比率也增加，因而光譜寬度變窄，發(fā)散角變小，與光纖的耦合效率顯著增加。目前已能用單模光纖從前端面耦合出25W(I=100mA)。但正如上所述，對(duì)超輻射發(fā)光二極管的任何設(shè)計(jì)考慮都必須防止其轉(zhuǎn)化為激光器的工作方式，因此必須適當(dāng)?shù)乜刂贫嗣娴姆瓷渎屎妥⑷腚娏鳌３椛浒l(fā)光二極管將在要求光源既無(wú)明顯偏振特性又有較大功率輸出的地方(如光纖陀螺)得到應(yīng)用。6.3 半導(dǎo)體發(fā)光二極管的性能半導(dǎo)體發(fā)光二極管的性能與其發(fā)光機(jī)理和器件本身

10、的結(jié)構(gòu)形式密切相關(guān)。完全由自發(fā)射產(chǎn)生的輸出，其P-I特性應(yīng)該是理想的線性，已在前而討論過(guò)。其它主要特性：一、溫度穩(wěn)定性二、發(fā)光二極管的遠(yuǎn)場(chǎng)特性及其與光纖的耦合三、發(fā)光二極管的發(fā)射譜一、溫度穩(wěn)定性相對(duì)于半導(dǎo)體激光器和超輻射發(fā)光二極管來(lái)說(shuō)，通常所說(shuō)的發(fā)光二極管的溫度穩(wěn)定性是很好的。這是因?yàn)榘雽?dǎo)體激光器的閾值電流密度對(duì)溫度的變化是很靈敏的。有源區(qū)材料不同，發(fā)光管的溫度特性也不相同，圖6.3-1(a)和(b)分別表示GaAlAs/GaAs(=0.85m)和InGaAsP/InP(=1.23m)邊發(fā)光二極管的溫度特性。由圖可以看出，在同樣的電流和溫度變化范圍(2070)內(nèi)， InGaAsP/InP發(fā)光管

11、的輸出功率降低將近一半，而GaAlAs/GaAs發(fā)光管則只降低約1/3。導(dǎo)致這一差別的原因可歸結(jié)為在InGaAsP/InP發(fā)光管中存在較為嚴(yán)重的熱載流子泄漏和俄歇非輻射復(fù)合。二、發(fā)光二極管的遠(yuǎn)場(chǎng)特性及其與光纖的耦合由于發(fā)光二極管的自發(fā)發(fā)射機(jī)理，它的輸出光束的空間相干性是較差的，表現(xiàn)在光束具有較大的發(fā)散角，因而與光纖的耦合效率要比半導(dǎo)體激光器低得多。表面發(fā)光二極管的輻射是屬于朗伯(Lambertian)型的，即光束強(qiáng)度與發(fā)射方向和發(fā)射表面法線之間的夾角按I()I0cos變化，如圖6.3-2(b)所示，光束的全發(fā)散角約為120。邊發(fā)光二極管在結(jié)構(gòu)上與半導(dǎo)體激光器有一定的相似性，所以在垂直于結(jié)平面方

12、向與雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)激光器的遠(yuǎn)場(chǎng)特性相同，即在該方向的光束發(fā)散角也和半導(dǎo)體激光器相一致，對(duì)GaAlAs/GaAs邊發(fā)光二極管有式中x為有源層與兩邊限制層中AlAs含量之差，d為有源層厚度，為發(fā)射波長(zhǎng)。若取=0.8m，d=0.1m和x=0.2，則由式(6.3-1)可得29，如圖6.3-2(a)所示。(6.3-1)盡管邊發(fā)光管通常也采取和半導(dǎo)體激光器相同的條形電極結(jié)構(gòu)，但由于它沒(méi)有諧振腔的反饋，因而在平行于結(jié)平面方向也按朗伯型發(fā)射。即遠(yuǎn)場(chǎng)圖近似按cos變化，而在垂直于結(jié)平面方向的遠(yuǎn)場(chǎng)圖是按cos7變化。圖6.3-3表示邊發(fā)光二極管這種遠(yuǎn)場(chǎng)分布，它比圖6.3-2(b)更具體地反映了在垂直于和平行于結(jié)平而

13、方向的遠(yuǎn)場(chǎng)圖，如圖中實(shí)線所示，在垂直于結(jié)平面方向出現(xiàn)的幾個(gè)小瓣是由于有源層在n型-邊界面處材料成分變化所致，圖中虛線表示按朗伯分布和cos7分別對(duì)平行和垂直于結(jié)平面方向測(cè)量數(shù)據(jù)的擬合。也正是由于邊發(fā)光管所表現(xiàn)出的部分方向性，使它比面發(fā)光二極管的亮度高。例如，朗伯型面發(fā)光管的亮度通常為200W/cm2sr，而邊發(fā)光二極管的亮度則可達(dá)1000W/cm2sr(sr為球面度)。同時(shí)由于邊發(fā)光管在垂直于結(jié)平而方向的模場(chǎng)直徑小于單模光纖的模場(chǎng)直徑，還可對(duì)單模光纖進(jìn)行類透鏡處理來(lái)增加耦合效率。而朗伯型面發(fā)光管的有源區(qū)面積一般大于單模光纖的面積，用透鏡來(lái)增加耦合效率會(huì)使亮度發(fā)生變化。與表面發(fā)光二極管相比，邊發(fā)

14、光管在垂直于結(jié)平面方向所表現(xiàn)出的一定方向性，使它與光纖的耦合效率比表面發(fā)光二極管高。如果進(jìn)一步對(duì)邊發(fā)光管采取側(cè)向折射率波導(dǎo)光限制，它與光纖的耦合效率將進(jìn)一步提高，使單模光纖的出纖功率達(dá)到4060W。三、發(fā)光二極管的發(fā)射譜半導(dǎo)體發(fā)光二極管的自發(fā)發(fā)射的特點(diǎn)決定了它的發(fā)射光譜是很寬的，要比半導(dǎo)體激光器的線寬高幾個(gè)數(shù)量級(jí)。而且光譜寬度與峰值波長(zhǎng)有關(guān)，可表示為(6.3-2)式中p為峰值發(fā)射波長(zhǎng)，h為普郎克常數(shù)，c為光速，kB為玻爾茲曼常數(shù)，T為溫度，n為與器件結(jié)構(gòu)和摻雜情況有關(guān)的常數(shù)，一般有n2。邊發(fā)光二極管所發(fā)射的峰值波長(zhǎng)與光譜寬度受其結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響。圖6.3-5表示由圖6.2-1所示的結(jié)構(gòu)中p、與有

15、源層厚度的關(guān)系。由圖看出，峰值波長(zhǎng)隨著有源層厚度的增加而增加，而卻隨著有源層厚度的增加而減小。這可用半導(dǎo)體的能帶填充效應(yīng)來(lái)解釋。因?yàn)楹穸仍黾?，載流子的濃度相應(yīng)減小，即較低的能帶被填充，因而發(fā)出的光子能量較小，即波長(zhǎng)“紅移”。光譜寬度隨有源層厚度的增加而減小可歸因于能為載流子所填充的能帶變窄。面發(fā)光二極管的光譜寬度較寬。例如，在高的注入電流下中心波長(zhǎng)為1.3m的面發(fā)光管，其可達(dá)1300。但它對(duì)溫度不靈敏、高可靠性和低成本等優(yōu)點(diǎn)，卻是光纖通信局部網(wǎng)(LAN)中波分復(fù)用(WDM)光源所希望的。然而，如此寬的譜寬限制了在保證鄰近信道之間有小的串音的前提下所能供復(fù)用的波長(zhǎng)數(shù)量。一種壓窄面發(fā)光管譜寬的結(jié)構(gòu)

16、如圖6.3-7所示。它是在多層結(jié)構(gòu)中增加了一摻雜濃度相當(dāng)?shù)?51016/cm3)的n型濾波層。由于濾波層低的摻雜濃度保證了一個(gè)陡的帶邊吸收限，其吸收和透射譜如圖6.3-8所示。6.4 半導(dǎo)體發(fā)光二極管的調(diào)制特性半導(dǎo)體發(fā)光管只能在中等調(diào)制速率(n0。在相對(duì)于平衡時(shí)低背景載流子濃度的低注入下，可認(rèn)為載流子壽命與電流密度無(wú)關(guān)而為(rp0)-1，相應(yīng)有fc=rp0/(2)-1。在高注入下，由式(6.4-3)看出，此時(shí)載流子壽命與有源區(qū)的珍雜濃度無(wú)關(guān)，而變?yōu)?6.4-3)(6.4-4)相應(yīng)的調(diào)制帶寬為(6.4-2)(6.4-5)為了增加調(diào)制帶寬，根本的途徑是減小注入有源區(qū)的載流子壽命。有兩種方法來(lái)達(dá)到這

17、一目的：一是提高有源區(qū)的摻雜濃度；二是通過(guò)增加注入電流密度或減小有源層厚度來(lái)增加注入載流子濃度。但是，這些措施又受到其它因素的制約，因而只能將帶寬提高到有限的程度。如果對(duì)有源區(qū)進(jìn)行重?fù)诫s，其摻雜濃度1018/cm3，由于雜質(zhì)原子與基質(zhì)原子半徑上的差別，會(huì)在有源區(qū)中產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力、填隙原子，位錯(cuò)等晶格缺陷。其后果是在有源區(qū)形成非輻射復(fù)合中心，而造成所不希望的載流子非輻射復(fù)合壽命的減小。例如，當(dāng)p型有源區(qū)所摻受主雜質(zhì)濃度達(dá)到1019/cm3時(shí)，其輻射復(fù)合壽命為10-9s，但與此同時(shí)，非輻射復(fù)合壽命也減小到同樣大小或更小由式(2.3-8)可以看出，這會(huì)造成內(nèi)量子效率的減小。同時(shí)，由于重?fù)诫s會(huì)增加內(nèi)部光吸收損耗，從而降低發(fā)光管的輸出效率。圖6.4-2表示具有p型有源區(qū)的朗伯型GaAlAs發(fā)光二極管的調(diào)制帶寬、載流子壽命與摻雜濃度的關(guān)系，而圖6.4-3則表示在重?fù)诫s下調(diào)制帶寬的增加卻引起發(fā)光亮度和輸出功率的減少。(2.3-8)由于發(fā)光管成本低且可靠性高，在光纖通信局部網(wǎng)中獲得了