半導(dǎo)體光電子學(xué)第6章 半導(dǎo)體發(fā)光二極管

6.1概述半導(dǎo)體發(fā)光二極管和半導(dǎo)體激光器在任務(wù)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，而后者那么是受激輻射復(fù)合發(fā)光的。用于光纖通訊的發(fā)光二極管從資料到器件的異質(zhì)構(gòu)造都與半導(dǎo)體激光器沒有很大差別，因此前面1～3章的一些根本實際對半導(dǎo)體發(fā)光二極管也是適用的。半導(dǎo)體激光器與發(fā)光二極管在構(gòu)造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；而后者那么沒有諧振腔。正是由于它們在發(fā)光機(jī)理和上述這一根本構(gòu)造上存在差別，而使它們在主要性能上存在明顯差別。例如，半導(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；由于自發(fā)發(fā)射的隨機(jī)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，因此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．雖然與半導(dǎo)體激光器相比，半導(dǎo)體發(fā)光二極管有許多缺乏之處，但它卻在中、短間隔光纖通訊中得到了廣泛的運(yùn)用。彌補(bǔ)了半導(dǎo)體激光器的某些缺乏。這是由它的以下特點所決議的：1．不存在閾值特性，P-I線性好，因此有利于實現(xiàn)信號無畸變的調(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)光二極管的光相關(guān)性很不好，但正由于如此，防止了半導(dǎo)體激光器容易產(chǎn)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陷；3．任務(wù)穩(wěn)定，輸出功率隨溫度的變化較小，不需求準(zhǔn)確的溫度控制，因此驅(qū)動電源很簡單；4．由于不存在象半導(dǎo)體激光器那樣的腔而退化，任務(wù)壽命可達(dá)109小時；5．廢品率高，價錢廉價。此外，由于其光譜線寬很寬(>30nm)，這對光纖通訊中波分復(fù)用的運(yùn)用將帶來益處。半導(dǎo)體發(fā)光二極管可以分為三種型式:外表發(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)光二極管那么是根據(jù)發(fā)光特性來區(qū)分的。圖6.1-1表示半導(dǎo)體激光器、外表和端面發(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的構(gòu)造和半導(dǎo)體激光器一樣，短波長(0.82~0.85m)和長波長(l.3m，1.55m)的發(fā)光二極管分別運(yùn)用GaAlAs/GaAs和InGaAsP/InP雙異質(zhì)構(gòu)造。用這些直接帶隙躍遷資料能保證在室溫下給出較高的內(nèi)量子效率(50%)，發(fā)射波長同樣由資料的禁帶寬度所決議。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)構(gòu)造根本一樣，普通是在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(chǎn)生受激發(fā)射，需求設(shè)法消除光子能夠構(gòu)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度范圍，使電極條距某一端面構(gòu)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)動中產(chǎn)生凈吸收而不產(chǎn)生凈增益。以如圖6.2-1所示的長波長1.3m“v〞槽邊發(fā)光二極管為例來闡明這種構(gòu)造的特點。在n型InP襯底上相繼用液相外廷構(gòu)成雙異質(zhì)結(jié)后，再生長n型阻撓層，“v〞槽被刻蝕到異質(zhì)結(jié)的上限制層。再在其上生長長為La、寬為W的導(dǎo)電接觸條，因此在有源條與后端面之間有一長為LM的非泵浦區(qū)。普通取W=10~30m，La=200~245m，LM=250m。為了更可靠的防止激射和添加輸出的斜率效率，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(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，以破壞由解理面構(gòu)成的法布里-拍羅腔，如圖6.2-2所示。其根本構(gòu)造與V溝襯底埋層異質(zhì)結(jié)激光器一樣，前端面鍍增透膜，后端面腐蝕成斜面。這種構(gòu)造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)構(gòu)造的邊發(fā)光管相比，更能利用有源層的長度來產(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)光二極管的構(gòu)造如圖6.2-5所示。它實踐上是一個規(guī)范的異質(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。由于頂層電極接觸是不斷徑較小的圓形金屬層，能保證從電極至阱底構(gòu)成一柱形電流通道，同時也限制光子在一個小的區(qū)域內(nèi)而不能抵達(dá)解理面產(chǎn)生所不希望的諧振。除上述在襯底上開阱耦合輸出的方法外，也有將襯底加工成弧面、將光纖進(jìn)展微透鏡處置等方法來提高半導(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)光二極管在構(gòu)造上根本一樣，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)毗鄰的是一個非泵浦區(qū)或吸收區(qū)。與邊發(fā)光管任務(wù)原理上的根本區(qū)別在于這種構(gòu)造中沿縱向傳播的光有少許凈增益。因此，除光子未經(jīng)過諧振腔構(gòu)造反響、振蕩外，超輻射發(fā)光二極管更類似于多模注入激光器。這就決議著超輻射發(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，它沒有象通常的發(fā)光管那樣從零泵浦電流開場的P-I線性，但也沒有半導(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能夠出現(xiàn)飽和?，F(xiàn)實上，某些發(fā)光二極管也能夠產(chǎn)生超輻射。因此，超輻射發(fā)光管波導(dǎo)構(gòu)造的一端或兩端的功率反射率對它的性能特點起了重要的決議作用。例如，在如圖6.2-3所示的構(gòu)造中，解理輸出端面的反射率R(L)=0.3，這就會出現(xiàn)最壞的情況。而假設(shè)對該解理面增透，那么輸出功率可添加2～4倍；如取R(L)=0，而R(0)0，那么輸出功率尚可進(jìn)一步添加。由于有源區(qū)內(nèi)存在凈的增益時，能顯著的添加輸出功率，這可用解理面替代吸收區(qū)、甚至對該后端面進(jìn)展增反來實現(xiàn)。圖6.2-4表示這種情況下的輸出功率與有源層長度的關(guān)系。在一定的有源層長度下，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添加，這種超輻射模所占的比率也添加，因此光譜寬度變窄，發(fā)散角變小，與光纖的耦合效率顯著添加。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，對超輻射發(fā)光二極管的任何設(shè)計思索都必需防止其轉(zhuǎn)化為激光器的任務(wù)方式，因此必需適當(dāng)?shù)乜刂贫嗣娴姆瓷渎屎妥⑷腚娏?。超輻射發(fā)光二極管將在要求光源既無明顯偏振特性又有較大功率輸出的地方(如光纖陀螺)得到運(yùn)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)理和器件本身的構(gòu)造方式親密相關(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。其它主要特性：一、溫度穩(wěn)定性二、發(fā)光二極管的遠(yuǎn)場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)定性相對于半導(dǎo)體激光器和超輻射發(fā)光二極管來說，通常所說的發(fā)光二極管的溫度穩(wěn)定性是很好的。這是由于半導(dǎo)體激光器的閾值電流密度對溫度的變化是很靈敏的。有源區(qū)資料不同，發(fā)光管的溫度特性也不一樣，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(20~70℃)內(nèi)，InGaAsP/InP發(fā)光管的輸出功率降低將近一半，而GaAlAs/GaAs發(fā)光管那么只降低約1/3。導(dǎo)致這一差別的緣由可歸結(jié)為在InGaAsP/InP發(fā)光管中存在較為嚴(yán)重的熱載流子走漏和俄歇非輻射復(fù)合。二、發(fā)光二極管的遠(yuǎn)場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關(guān)性是較差的，表如今光束具有較大的發(fā)散角，因此與光纖的耦合效率要比半導(dǎo)體激光器低得多。外表發(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)射外表法線之間的夾角按I()I0cos變化，如圖6.3-2(b)所示，光束的全發(fā)散角約為120o。邊發(fā)光二極管在構(gòu)造上與半導(dǎo)體激光器有一定的類似性，所以在垂直于結(jié)平面方向與雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)激光器的遠(yuǎn)場特性一樣，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GaAlAs/GaAs邊發(fā)光二極管有式中Δx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。假設(shè)取=0.8m，d=0.1m和Δx=0.2，那么由式(6.3-1)可得29o，如圖6.3-2(a)所示。(6.3-1)雖然邊發(fā)光管通常也采取和半導(dǎo)體激光器一樣的條形電極構(gòu)造，但由于它沒有諧振腔的反響，因此在平行于結(jié)平面方向也按朗伯型發(fā)射。即遠(yuǎn)場圖近似按cos變化，而在垂直于結(jié)平面方向的遠(yuǎn)場圖是按cos7變化。圖6.3-3表示邊發(fā)光二極管這種遠(yuǎn)場分布，它比圖6.3-2(b)更詳細(xì)地反映了在垂直于和平行于結(jié)平而方向的遠(yuǎn)場圖，如圖中實線所示，在垂直于結(jié)平面方向出現(xiàn)的幾個小瓣是由于有源層在n型-邊境面處資料成分變化所致，圖中虛線表示按朗伯分布和cos7分別對平行和垂直于結(jié)平面方向丈量數(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/cm2·sr，而邊發(fā)光二極管的亮度那么可達(dá)1000W/cm2·sr(sr為球面度)。同時由于邊發(fā)光管在垂直于結(jié)平而方向的模場直徑小于單模光纖的模場直徑，還可對單模光纖進(jìn)展類透鏡處置來添加耦合效率。而朗伯型面發(fā)光管的有源區(qū)面積普通大于單模光纖的面積，用透鏡來添加耦合效率會使亮度發(fā)生變化。與外表發(fā)光二極管相比，邊發(fā)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外表發(fā)光二極管高。假設(shè)進(jìn)一步對邊發(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到達(dá)40～60W。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)射的特點決議了它的發(fā)射光譜是很寬的，要比半導(dǎo)體激光器的線寬高幾個數(shù)量級。而且光譜寬度Δ與峰值波長有關(guān)，可表示為(6.3-2)式中p為峰值發(fā)射波長，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為與器件構(gòu)造和摻雜情況有關(guān)的常數(shù)，普通有n2。邊發(fā)光二極管所發(fā)射的峰值波長與光譜寬度Δ受其構(gòu)造參數(shù)的影響。圖6.3-5表示由圖6.2-1所示的構(gòu)造中p、Δ與有源層厚度的關(guān)系。由圖看出，峰值波長隨著有源層厚度的添加而添加，而Δ卻隨著有源層厚度的添加而減小。這可用半導(dǎo)體的能帶填充效應(yīng)來解釋。由于厚度添加，載流子的濃度相應(yīng)減小，即較低的能帶被填充，因此發(fā)出的光子能量較小，即波長“紅移〞。光譜寬度隨有源層厚度的添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為1.3m的面發(fā)光管，其Δ可達(dá)1300?。但它對溫度不靈敏、高可靠性和低本錢等優(yōu)點，卻是光纖通訊部分網(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臨近信道之間有小的串音的前提下所能供復(fù)用的波長數(shù)量。一種壓窄面發(fā)光管譜寬的構(gòu)造如圖6.3-7所示。它是在多層構(gòu)造中添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(<200Mbit/s)下任務(wù)。限制發(fā)光二極管調(diào)制帶寬的緣由可歸結(jié)為在低注入電流下主要受二極管結(jié)電容的限制，而在高注入電流時調(diào)制速率那么受注入有源區(qū)長壽命載流子的限制。假設(shè)發(fā)光二極管的正向偏置電流遭到頻率為的交變信號調(diào)制，那么輸出光強(qiáng)I()將隨頻率變化。其關(guān)系式為(6.4-1)式中I(0)為直流光強(qiáng)，為注入有源區(qū)的少數(shù)載流子壽命。圖6.4-1表示對應(yīng)三種不同少數(shù)載流子壽命的發(fā)光譜，其歸一化呼應(yīng)I()/I(0)與調(diào)制頻率的關(guān)系。發(fā)光二極管的調(diào)制帶寬定義為當(dāng)I2()=I2(0)/2時所對應(yīng)的調(diào)制頻率，由式(6.4-1)得(6.4-1)(6.4-2)式中fc為調(diào)制帶寬(極限調(diào)制頻率)，為少數(shù)載流子壽命。如只思索載流子在能帶間的輻射復(fù)合，那么載流子壽命由所加的電流密度確定[參見式(1.6-19)]，即(1.6-19)(6.4-3)式中p0和n0分別為無注入時的平衡空穴和電子濃度，d為有源層的厚度，e為電子電荷，r為輻射復(fù)合系數(shù)，它與半導(dǎo)體資料的性質(zhì)和溫度有關(guān)，室溫下GaAs的r10-10cm3/s，InGaAsP的r0.710-10cm3/s。假設(shè)用p型有源資料，那么有p0>>n0。在相對于平衡時低背景載流子濃度的低注入下，可以為載流子壽命與電流密度無關(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，此時載流子壽命與有源區(qū)的珍雜濃度無關(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)為了添加調(diào)制帶寬，根本的途徑是減小注入有源區(qū)的載流子壽命。有兩種方法來到達(dá)這一目的：一是提高有源區(qū)的摻雜濃度；二是經(jīng)過添加注入電流密度或減小有源層厚度來添加注入載流子濃度。但是，這些措施又遭到其它要素的制約，因此只能將帶寬提高到有限的程度。假設(shè)對有源區(qū)進(jìn)展重?fù)诫s，其摻雜濃度1018/cm3