半導體光電子學第章 半導體發(fā)光二極管

6.1概述半導體發(fā)光二極管和半導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)輻射復合而發(fā)出光子，而后者則是受激輻射復合發(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結構都與半導體激光器沒有很大差別，因而前面1～3章的一些基本理論對半導體發(fā)光二極管也是適用的。半導體激光器與發(fā)光二極管在結構上的主要差別是前者有光學諧振腔，使復合所產生的光子在腔內振蕩和放大；而后者則沒有諧振腔。正是由于它們在發(fā)光機理和上述這一基本結構上存在差別，而使它們在主要性能上存在明顯差別。例如，半導體發(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系；因為自發(fā)發(fā)射的隨機性，致使發(fā)光管的光譜寬度比激光器高幾個數(shù)量級；光束發(fā)散角也很大，因而與光纖藕合效率要比半導體激光器的情況低得多；輸出的光功率也要比半導體激光器低得多．盡管與半導體激光器相比，半導體發(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用。彌補了半導體激光器的某些不足。這是由它的以下特點所決定的：1．不存在閾值特性，P-I線性好，因而有利于實現(xiàn)信號無畸變的調制，這在高速模擬調制中是特別重要的；2．雖然半導體發(fā)光二極管的光相干性很不好，但正因為如此，避免了半導體激光器容易產生模分配噪聲和對來自于光纖傳輸線路中反射光較靈敏的缺點；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，因而驅動電源很簡單；4．由于不存在象半導體激光器那樣的腔而退化，工作壽命可達109小時；5．成品率高，價格便宜。此外，由于其光譜線寬很寬(>30nm)，這對光纖通信中波分復用的應用將帶來好處。半導體發(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)光特性來區(qū)分的。圖6.1-1表示半導體激光器、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。6.2LED的結構和半導體激光器一樣，短波長(0.82~0.85m)和長波長(l.3m，1.55m)的發(fā)光二極管分別使用GaAlAs/GaAs和InGaAsP/InP雙異質結構。用這些直接帶隙躍遷材料能保證在室溫下給出較高的內量子效率(50%)，發(fā)射波長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結構基本相同，一般是在n型襯底上用外延的方法相繼生長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)產生受激發(fā)射，需要設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?shù)拈L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)中產生的光子在到達該端面之前已被吸收掉，光子在沿縱向運動中產生凈吸收而不產生凈增益。以如圖6.2-1所示的長波長1.3m“v”槽邊發(fā)光二極管為例來說明這種結構的特點。在n型InP襯底上相繼用液相外廷形成雙異質結后，再生長n型阻擋層，“v”槽被刻蝕到異質結的上限制層。再在其上生長長為La、寬為W的導電接觸條，因而在有源條與后端面之間有一長為LM的非泵浦區(qū)。一般取W=10~30m，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；同時有源層內的部分光進入限制層，有利于改善在垂直于結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。窄的條寬有利子提高發(fā)光管的亮度。防止發(fā)光管產生受激發(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。其基本結構與V溝襯底埋層異質結激光器相同，前端面鍍增透膜，后端面腐蝕成斜面。這種結構的特點是更能可靠地防止受激發(fā)射，與前面采取非泵浦區(qū)結構的邊發(fā)光管相比，更能利用有源層的長度來產生自發(fā)輻射，獲得較高輸出功率。二、面發(fā)光二極管正面發(fā)光二極管的結構如圖6.2-5所示。它實際上是一個標準的異質結二極管，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。為防止襯底對光的吸收，同時為了有效地用光纖將光從有源區(qū)耦合出來，用腐蝕的方法將襯底開一個阱，阱底直至與襯底相鄰的限制層。因為頂層電極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，同時也限制光子在一個小的區(qū)域內而不能抵達解理面產生所不希望的諧振。除上述在襯底上開阱耦合輸出的方法外，也有將襯底加工成弧面、將光纖進行微透鏡處理等方法來提高半導體發(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)光二極管在結構上基本相同，圖6.2-3表示這種發(fā)光管的頂視和側視圖。與受泵浦的波導區(qū)毗鄰的是一個非泵浦區(qū)或吸收區(qū)。與邊發(fā)光管工作原理上的根本區(qū)別在于這種結構中沿縱向傳播的光有少許凈增益。因此，除光子未通過諧振腔結構反饋、振蕩外，超輻射發(fā)光二極管更相似于多模注入激光器。這就決定著超輻射發(fā)光二極管的一些特性介于半導體激光器與通常的發(fā)光二極管之問，它沒有象通常的發(fā)光管那樣從零泵浦電流開始的P-I線性，但也沒有半導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。事實實上上，，某某些些發(fā)發(fā)光光二二極極管管也也可可能能產產生生超超輻輻射射。。因因此此，，超超輻輻射射發(fā)發(fā)光光管管波波導導結結構構的的一一端端或或兩兩端端的的功功率率反反射射率率對對它它的的性性能能特特點點起起了了重重要要的的決決定定作作用用。。例例如如，，在在如如圖圖6.2-3所所示示的的結結構構中中，，解解理理輸輸出出端端面面的的反反射射率率R(L)=0.3，，這這就就會會出出現(xiàn)現(xiàn)最最壞壞的的情情況況。。而而如如果果對對該該解解理理面面增增透透，，則則輸輸出出功功率率可可增增加加2～～4倍倍；；如如取取R(L)=0，，而而R(0)0，則輸出出功率尚尚可進一一步增加加。因為為有源區(qū)區(qū)內存在在凈的增增益時，，能顯著著的增加加輸出功功率，這這可用解解理面代代替吸收收區(qū)、甚甚至對該該后端面面進行增增反來實實現(xiàn)。圖6.2-4表表示這種種情況下下的輸出出功率與與有源層層長度的的關系。。在一定定的有源源層長度度下，后后端面反反射率R2越高，其其輸出功功率越大大。而且且隨著注注入電流流的增加加，這種種超輻射射模所占占的比率率也增加加，因而而光譜寬寬度變窄窄，發(fā)散散角變小小，與光光纖的耦耦合效率率顯著增增加。目目前已能能用單模模光纖從從前端面面耦合出出25W(I=100mA)。但但正如上上所述，，對超輻輻射發(fā)光光二極管管的任何何設計考考慮都必必須防止止其轉化化為激光光器的工工作方式式，因此此必須適適當?shù)乜乜刂贫嗣婷娴姆瓷渖渎屎妥⒆⑷腚娏髁鳌３椵椛浒l(fā)光光二極管管將在要要求光源源既無明明顯偏振振特性又又有較大大功率輸輸出的地地方(如如光纖陀陀螺)得得到應用用。6.3半半導體體發(fā)光二二極管的的性能半導體發(fā)發(fā)光二極極管的性性能與其其發(fā)光機機理和器器件本身身的結構構形式密密切相關關。完全全由自發(fā)發(fā)射產生生的輸出出，其P-I特特性應該該是理想想的線性性，已在在前而討討論過。。其它主要要特性：：一、溫度度穩(wěn)定性性二、發(fā)光光二極管管的遠場場特性及及其與光光纖的耦耦合三、發(fā)光光二極管管的發(fā)射射譜一、溫度度穩(wěn)定性性相對于半半導體激激光器和和超輻射射發(fā)光二二極管來來說，通通常所說說的發(fā)光光二極管管的溫度度穩(wěn)定性性是很好好的。這這是因為為半導體體激光器器的閾值值電流密密度對溫溫度的變變化是很很靈敏的的。有源區(qū)材材料不同同，發(fā)光光管的溫溫度特性性也不相相同，圖圖6.3-1(a)和和(b)分別表表示GaAlAs/GaAs(=0.85m)和和InGaAsP/InP(=1.23m)邊發(fā)光光二極管管的溫度度特性。。由圖可以以看出，，在同樣樣的電流流和溫度度變化范范圍(20~70℃)內，InGaAsP/InP發(fā)光管的的輸出功功率降低低將近一一半，而而GaAlAs/GaAs發(fā)發(fā)光管則則只降低低約1/3。導導致這一一差別的的原因可可歸結為為在InGaAsP/InP發(fā)光管管中存在在較為嚴嚴重的熱熱載流子子泄漏和和俄歇非非輻射復復合。二、發(fā)光光二極管管的遠場場特性及及其與光光纖的耦耦合由于發(fā)光光二極管管的自發(fā)發(fā)發(fā)射機機理，它它的輸出出光束的的空間相相干性是是較差的的，表現(xiàn)現(xiàn)在光束束具有較較大的發(fā)發(fā)散角，，因而與與光纖的的耦合效效率要比比半導體體激光器器低得多多。表面發(fā)光二二極管的輻輻射是屬于于朗伯(Lambertian)型的的，即光束束強度與發(fā)發(fā)射方向和和發(fā)射表面面法線之間間的夾角按I()I0cos變化，如圖6.3-2(b)所示，，光束的全全發(fā)散角約約為120o。邊發(fā)光二極極管在結構構上與半導導體激光器器有一定的的相似性，，所以在垂垂直于結平平面方向與與雙異質結結半導激光光器的遠場場特性相同同，即在該該方向的光光束發(fā)散角角也和半導體體激光器相相一致，對對GaAlAs/GaAs邊邊發(fā)光二極極管有式中Δx為有源層層與兩邊限限制層中AlAs含含量之差，，d為有源源層厚度，，為發(fā)射波長長。若取=0.8m，d=0.1m和Δx=0.2，則由式式(6.3-1)可可得29o，，如圖6.3-2(a)所示。。(6.3-1)盡管邊發(fā)光光管通常也也采取和半半導體激光光器相同的的條形電極極結構，但但由于它沒沒有諧振腔腔的反饋，，因而在平平行于結平平面方向也也按朗伯型型發(fā)射。即即遠場圖近近似按cos變化，而在在垂直于結結平面方向向的遠場圖圖是按cos7變化。圖6.3-3表示邊發(fā)發(fā)光二極管管這種遠場場分布，它它比圖6.3-2(b)更具具體地反映映了在垂直直于和平行行于結平而而方向的遠遠場圖，如如圖中實線線所示，在在垂直于結結平面方向向出現(xiàn)的幾幾個小瓣是是由于有源源層在n型型-邊界面面處材料成成分變化所所致，圖中中虛線表示示按朗伯分分布和cos7分別對平行行和垂直于于結平面方方向測量數(shù)數(shù)據(jù)的擬合合。也正是由于于邊發(fā)光管管所表現(xiàn)出出的部分方方向性，使使它比面發(fā)發(fā)光二極管管的亮度高高。例如，，朗伯型面面發(fā)光管的的亮度通常常為200W/cm2·sr，而而邊發(fā)光二二極管的亮亮度則可達達1000W/cm2·sr(sr為球面面度)。同同時由于邊邊發(fā)光管在在垂直于結結平而方向向的模場直直徑小于單單模光纖的的模場直徑徑，還可對對單模光纖纖進行類透透鏡處理來來增加耦合合效率。而而朗伯型面面發(fā)光管的的有源區(qū)面面積一般大大于單模光光纖的面積積，用透鏡鏡來增加耦耦合效率會會使亮度發(fā)發(fā)生變化。。與表面發(fā)光光二極管相相比，邊發(fā)發(fā)光管在垂垂直于結平平面方向所所表現(xiàn)出的的一定方向向性，使它它與光纖的的耦合效率率比表面發(fā)發(fā)光二極管管高。如果果進一步對對邊發(fā)光管管采取側向向折射率波波導光限制制，它與光光纖的耦合合效率將進進一步提高高，使單模模光纖的出出纖功率達達到40～～60W。三、發(fā)光二二極管的發(fā)發(fā)射譜半導體發(fā)光光二極管的的自發(fā)發(fā)射射的特點決決定了它的的發(fā)射光譜譜是很寬的的，要比半半導體激光光器的線寬寬高幾個數(shù)數(shù)量級。而而且光譜寬寬度Δ與峰值波長長有關，可可表示為(6.3-2)式中p為峰值發(fā)射射波長，h為普郎克克常數(shù)，c為光速，，kB為玻爾爾茲曼曼常數(shù)數(shù)，T為溫溫度，，n為為與器器件結結構和和摻雜雜情況況有關關的常常數(shù)，，一般般有n2。邊邊發(fā)光光二極極管所所發(fā)射射的峰峰值波波長與與光譜譜寬度度Δ受其結結構參參數(shù)的的影響響。圖6.3-5表表示由由圖6.2-1所示示的結結構中中p、Δ與有源源層厚厚度的的關系系。由圖看看出，，峰值值波長長隨著著有源源層厚厚度的的增加加而增增加，，而Δ卻隨著著有源源層厚厚度的的增加加而減減小。。這可用用半導導體的的能帶帶填充充效應應來解解釋。。因為厚厚度增增加，，載流流子的的濃度度相應應減小小，即即較低低的能能帶被被填充充，因因而發(fā)發(fā)出的的光子子能量量較小小，即即波長長“紅紅移””。光譜寬寬度隨隨有源源層厚厚度的的增加加而減減小可可歸因因于能能為載載流子子所填填充的的能帶帶變窄窄。面發(fā)光光二極極管的的光譜譜寬度度較寬寬。例例如，，在高高的注注入電電流下下中心心波長長為1.3m的面面發(fā)光光管，，其Δ可達1300??。但但它對對溫度度不靈靈敏、、高可可靠性性和低低成本本等優(yōu)優(yōu)點，，卻是是光纖纖通信信局部部網(LAN)中波波分復復用(WDM)光源源所希希望的的。然而，，如此此寬的的譜寬寬限制制了在在保證證鄰近近信道道之間間有小小的串串音的的前提提下所所能供供復用用的波波長數(shù)數(shù)量。。一種壓壓窄面面發(fā)光光管譜譜寬的的結構構如圖圖6.3-7所所示。。它是是在多多層結結構中中增加加了一一摻雜雜濃度度相當當?shù)?51016/cm3)的n型濾濾波層層。由由于濾濾波層層低的的摻雜雜濃度度保證證了一一個陡陡的帶帶邊吸吸收限限，其其吸收收和透透射譜譜如圖圖6.3-8所所示。。6.4半半導體體發(fā)光光二極極管的的調制制特性性半導體體發(fā)光光管只只能在在中等等調制制速率率(<200Mbit/s)下工工作。。限制制發(fā)光光二極極管調調制帶帶寬的的原因因可歸歸結為為在低低注入入電流流下主主要受受二極極管結結電容容的限限制，，而在在高注注入電電流時時調制制速率率則受受注入入有源源區(qū)長長壽命命載流流子的的限制制。如果發(fā)發(fā)光二二極管管的正正向偏偏置電電流受受到頻頻率為為的交變變信號號調制制，則則輸出出光強強I()將隨隨頻率率變化化。其其關系系式為為(6.4-1)式中I(0)為為直流流光強強，為注入入有源源區(qū)的的少數(shù)數(shù)載流流子壽壽命。。圖6.4-1表表示對對應三三種不不同少少數(shù)載載流子子壽命命的發(fā)發(fā)光譜譜，其其歸一一化響響應I()/I(0)與與調制制頻率率的關關系。。發(fā)光二二極管管的調調制帶帶寬定定義為為當I2()=I2(0)/2時所所對應應的調調制頻頻率，，由式式(6.4-1)得得(6.4-1)(6.4-2)式中fc為調制制帶寬寬(極極限調調制頻頻率)，為少數(shù)數(shù)載流流子壽壽命。。如只只考慮慮載流流子在在能帶帶間的的輻射射復合合，則則載流流子壽壽命由由所加加的電電流密密度確確定[參見見式(1.6-19)]，即即(1.6-19)(6.4-3)式中p0和n0分別為為無注注入時時的平平衡空空穴和和電子子濃度度，d為有有源層層的厚厚度，，e為為電子子電荷荷，r為輻射復復合系數(shù)數(shù)，它與與半導體體材料的的性質和和溫度有有關，室室溫下GaAs的r10-10cm3/s，InGaAsP的的r0.710-10cm3/s。若用用p型有有源材料料，則有有p0>>n0。在相對對于平衡衡時低背背景載流流子濃度度的低注注入下，，可認為為載流子子壽命與與電流密密度無關關而為(rp0)-1，相應有有fc=rp0/(2)-1。在高注注入下，，由式(6.4-3)