（材料物理与化学专业论文）半导体发光器件的负电容与高速调制.pdf

中文摘要 半导体发光二极管和半导体激光器是两种极为重要的发光器件，它们不但在 电子仪表显示、照明、大规模集成电路、光存储、光通信等方面有着广泛的应用， 在研究领域也一直以来倍受人们的关注。本文对半导体发光二极管的负电容和激 光二极管的高速调制进行了较为深入细致的研究，其中的主要工作和取得的一些 成果可以概括如下： ( 1 ) 、通过实验证明采用我们发展的正向交流小信号法来检n - - 极管的正向交流 电特性是一种准确的方法，由此得到的正向电容谱的灵敏度极高，可以在 分析器件结构和内在物理机制等方面提供很大帮助，是对现有的高度成熟 的反向电容谱技术一个很好的补充。 ( 2 ) 、采用基于并联和串联模式的交流小信号法对半导体发光二极管的正向交流 电特性进行了检测，测试结果表明半导体发光二极管中普遍存在着负电 容。进一步的发光特性实验表明，半导体发光二极管中的负电容与强复合 发光过程有着紧密的关联。 ( 3 ) 、依据正向交流小信号实验和发光特性实验，我们对发光二极管的负电容进 行了物理机制上的定性解释，并首次尝试了从微观输运机制上去定量解 释。 ( 4 ) 、详细研究了半导体激光器的本征和寄生频率调制响应特性，并对影响半导 体激光器的本征和寄生频率调制响应的主要因素作了系统的探讨。 ( 5 ) 、首次提出了一个全新的利用负电容来补偿半导体激光器芯片寄生电容的设 想，并对此设想在技术上的可行性进行了探讨。 ( 6 ) 、提出了一个新的研究方向，即当整个器件的总电容为负值的时候，半导体 激光器在交流小信号测试下的频率调制响应特性会出现什么样的现象。这 是一个目前不为人们所知的在研究方面的空白。 总之，由于半导体发光二极管的负电容可能会对器件的频率特性、开关特性 以及其它一些特性产生影响，因此，在定量的层次上去正确认识发光二极管的负 电容，不论在理论上还是在实际应用中都具有重要的意义。此外，我们提出的利 用负电容补偿半导体激光器件寄生电容的设想一旦在技术上被证明可行的话，那 其价值将是颇为可观的，因为它不但能使人们在如何减小寄生电容这一问题上的 研究思路大为拓宽，甚至有可能对整个高速半导体激光器产业的发展产生积极的 影响。 关键词：半导体发光二极管，正向交流小信号法，负电容 半导体激光器，调制带宽，频率响应，寄生电容 a b s t r a c t s e m i c o n d u c t o rl i g h t e m i t t i n gd i o d e s ( l e d s ) a n dl a s e rd i o d e s ( l d s ) a r et w o v e r yi m p o r t a n tl i g h t - e m i t t i n gd e v i c e sd u e t ot h e i rw i d ea p p l i c m i o ni nm a n yf i e l d s ， s u c ha sd i s p l a y , l i g h t i n g ，i n t e g r a t ec i r c u i t ，l i g h t - s t o r a g e ，l i g h t c o m m u n i c a t i o n , e t c i ti s s oi m p o r t a n tf o rl e d sm i dl d st h a tt h es t u d i e sr e l a t e dt ot h e i re l e c t r i c a la n do p t i c a l c h a r a c t e r i z a t i o nh a v eb e e nav e r yi n t r e s t i n gs u b j e c ti nt h ep a s ta n d t o d a y i nt h i sp a p e r , n e g a t i v ec a p a c i t a n c eo fl e d s a n dh i g h s p e e dm o d u l a t i o no fl d sa r es t u d i e da tt h e s a m et i m e ，a n do u rw o r ka n da c h i e v e m e n tc a l lb es m n m a r i z e da sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ee x p e r i m e n t sv e r i f i e dt h a tt h ef o r w a r d a cs m a l ls i g r 谢m e t h o dd e v e l o p e db yu s c o u l db ea na c c u r a t em e t h o dt om e a s u r et h ea ce l e c t r i c a lc h a r a c t e r i s t i c so f s e m i c o n d u c t o rd i o d e s t h ef o r w a r dc a p a c i t a n c e - v o l t a g es p e c t r u mw i t hav e r y 1 1 i g hs e n s i t i v i t y , o b t a i n e db yt h ef o r w a r da cs m a l ls i g r 垴am e a s u r e m e n tm e t h o d c o u l do f f e rm u c hh e l pt oa n a l y z et h em i c r o s c o p i ct r a n s p o r tm e c h a n i s mo fa s e m i c o n d u c t o rd i o d e 。a n dt h u si sa g o o dc o m p l e m e n t a r i t y t ot h ec u r r e n t h i g h l y - m a t u r e r e v e r s ec a p a c i t a n c e v o l t a g es p e c t r u m ( 2 ) w et e s t e dt h ee l e c t r i c a lc h a r a c t e r i s t i c so f l e d s u s i n gt h ef o r w a r da cs m a l ls i g n a l m e t h o db a s e dt h es e r i e sa n dp a r a l l e lm o d e s ，a n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w t h a tt h e r ea r en e g a t i v ec a p a c i t a n c ei nm o s ts e m i c o n d u c t o rl e d s t h ef u r t h e r e l e c t r o l u m i n e s c e n c e e x p e r i m e n t a l r e s u l ts h o w st h a t n e g a t i v ec a p a c i t a n c e o f l e d si sr e l a t e dt ot h er a d i a t i v er e c o m b i n a t i o no f t h ei n j e c t e dc a r r i e s ( 3 ) o n t h eb a s i s o ft h e e x p e r i m e n t o fb o t hf o r w a r da cs m a l l s i g n a l a n d e l e c t r o l u m i n e s c e n c e ，w e m a d ea q u a l i t a t i v ee x p l a n a t i o n t ot h e n e g a i v e c a p a c i t a n c eo fl e d sf r o mp h y s i c sm e c h a n i s m , a n dw ea l s ot r y t om a k ea q u a n t i t a t i v ee x p l a n a t i o n t ot h en e g a t i v ec a p a c i t a n c eo fl e d sf r o mm i c r o s c o p i c t r a n s p o r t m e c h a n i s ma n dh a v e a c q u i r e d s o m ep r o g r e s sa tt h e q u a n t i t a t i v e e x p l a n a t i o n ( 4 ) w em a d ead e t a i ls n l d y t ot h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ei n t r i n s i ca n dp a r a s i t i c f r e q u e n c ym o d u l a t i o nr e s p o n s eo fl d s ，a n df i m s h e d a s y s t e m i cd i s c u s s i o n t ot h e m a i nf a c t o r sa f f e c t i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ei n t r i n s i ca n dp a r a s i t i cf r e q u e n c y m o d u l a t i o nr e s p o n s e ( 5 ) f o rt h e f i r s tt i m ew ep u tf o r w a r dan o v e li d e at oc o m p e n s a t et h ep a r a s i t i c c a p a c i t a n c e o fl d s b yu s i n g an e g a t i v ec a p a c i t a n c e b e s i d e s ，w ea l s od i s c u s st h e i d e a sf e a s i b i l i t yi np r a c t i c e ( 6 ) an e ws t u d ys u b j e c tw a sp u tf o r w a r d ，w h i c hi st h a tw h a t t h ef r e q u e n c yr e s p o n s e o fl d sw o u l db ew h e nt h ew h o l ec a p a c i t a n c eo fl d si sn e g a t i v e t h en e w s u b j e c t i sw o r t ht o i n v e s t i g a t e b e c a u s ei t p o s s i b l y h i d e sm u c hi m p o r t a n t i n f o r m a t i o n i na w o r d ，t h eq u a n t i t a t i v ee x p l a n a t i o n t ot h en e g a t i v ec a p a c i t a n c eo fl e d sh a sa v e r yi m p o r t a n ts i g i l i f i c a n c eb o t hi nt h e o r e t i c a lf i e l da n d i np r a c t i c a la p p l i c a t i o n ，f o r n e g a t i v ec a p a c i t a n c eo f l e d sc o u l dp o s s i b l yc a u s es o m ee f f e c to nm o d u l a t i o n ，p u l s e a n ds w i t c hc i r c u i t s b e s i d e s ，i fi ti st op r o v ef e a s i b l ei np r a c t i c e ，t h en o v e li d e at o c o m p e n s a t et h ep a r a s i t i cc a p a c i t a n c e o fl d s b yu s i n g an e g a t i v ec a p a c i t a n c ei sr a t h e r v a l u a b l e ，f o ri tn o to n l yc o u l dw i d e np e o p l e ss t u d yt h o u g h ta b o u th o w t om i n i s ht h e p a r a s i t i cc a p a c i t a n c eo f l d s ，b u t a l s oc o u l d p r o b a b l y c a u s ea p o s i t i v ei n f l u e n c e o nt h e d e v e l o p m e n t o f t h ew h o l ei n d u s t r yo f h i g h - s p e e ds e m i c o n d u c t o r l a s e r s k e y w o r d s ：l i g h t - e m i t t i n gd i o d e ，f o r w a r d a cs m a l ls i g n a lm e t h o d ， n e g a t i v ec a p a c i t a n c e ，l a s e rd i o d e ，m o d u l a t i o nb a n d w i d t h ，f r e q u e n c y r e s p o n s e ，p a r a s i t i cc a p a c i t a n c e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨盗盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 学乏二 、 签字目期： 矽j 乒年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫注盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤连盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 彰弘文1 导师签名 易红e 签字日期：扣。乒年f 月，日签字日期：d 争年f 月上7 日 第一章绪论 第一章绪论 半导体发光器件的出现和广泛应用开辟了文明历史的新纪元，已经并且必将继续极大地 改变着人类的生活面貌。半导体发光二极管和半导体激光器作为两种极为重要的发光器件， 在电子仪表显示、照明、大规模集成电路、光存储、光通信等许多方面有着广泛的应用。在 它们的应用过程中，许多研究课题被不断提出，反过来，这些课题的解决又促进了它们更有 效的利用。本文对其中的两个课题一半导体发光二极管的负电容与半导体激光器的高速调 制进行了研究。这两个课题看似不同，但实际上却有很多共同点和相互关联之处。在研 究这两个课题中，我们己取得了一些成果，提出了一个可能颇具价值的设想。 1 1 引言 半导体发光二极管( l e d ：l i g h t - e m i t t i n gd i o d e ) 是指在适当的正向偏置状态 下能自发向外辐射紫外光、可见光和红外光的半导体p - n 结二极管。半导体发光 二极管具有体积小、易集成、功耗低、寿命长、可靠性高、单色性好、波段范围 宽、视觉性能好等众多优点，广泛用于电子仪表显示、照明、光隔离、光纤通信 等方面，是一种十分重要的发光器件，它目前已成为世界上生产量最多的半导体 光电产品，同时也是应用最多的、人类生活中不可或缺的光电子器件。 作为对发光二极管的进一步发展和延伸，半导体激光二极管( l d ：l a s e r d i o d e ) 的结构更为复杂，特性更为优异，4 0 多年来一直受到科学家们的高度重 视。1 9 5 8 年建立了激光器的基本理论，1 9 6 0 年证实蓝宝石激光器和h e - n e 激光 器能产生激射，1 9 7 0 年实现了半导体激光器的室温连续激射，同年低损耗光纤 的研究取得突破，自此拉开了通信技术从电子( 微波) 时代发展到光电子时代的 序幕，而半导体激光器也凭借着其自身在机能与功能两方面所具有的其它激光器 无法比拟的优越性，迅速成为光电子时代发展的主角和宠儿。 光电子时代的集中体现之一便是光纤通信的大规模应用和普及。光纤通信系 统中最核心的部件是光源，而半导体激光器和发光二极管由于具有体积小、窄线 宽、易直接调制、与光纤的耦合效率高等优点，理所当然地成为光纤通信中两种 第一章绪论 最重要的光源。通常，半导体激光器的调制带宽要比发光二极管高出很多，因此 在高速、大容量、长距离传输中使用的光源基本上都是半导体激光器，而在中短 距离的宽带i s d n 、l a n 使用的光源则主要是发光二极管。目前，半导体激光器 的调制带宽已发展到近1 0 0g h z 的水平，算得上是地地道道的高速器件了；而 半导体发光二极管有关调制带宽这方面的研究工作虽然进展较为缓慢，但也达到 了1 g h z 以上的高水平。近期我们研究发现，如果在半导体发光二极管的驱动电 路和有源区结构设计方面能作一些改进的话，其调制带宽还有望获得进一步的提 高【”。 光电子时代的另外一个集中体现是光盘存储技术的应用。随着国家信息基础 建设的发展，数据库的多少及其容量已成为信息技术发展水平的重要标志之一。 光盘储存具有大容量、高密度、快速有效、低成本等特点，其应用价值和发展前 途无法限量，其主要硬件包括激光音频光盘、视频光盘，c d r o m 驱动器和可 写光学驱动器等，它们都要用半导体激光器产生的光束将信息写入和读出，这是 半导体激光器用量最大的一种场合。 半导体发光二极管和半导体激光器在应用方面是如此的广泛，在研究领域也 倍受关注j 如对它们的电学特性、光学特性、光电转换特性的研究长期以来一直 都是极为重要的热门研究课题。 在电学特性研究方面，迄今为止有两种最重要的实验检测手段：直流下的电 流一电压( ，一v ) 法口叫和交流下的传统的电容一电压( c v ) 法【6 ，1 0 1 2 1 ，但它们 各具有很大的局限性。，一y 法是目前最常用的检测方法，然而仅限直流信号的 单纯的，一y 法只能提供很有限的信息量。传统的c v 法是一种基于并联模式、 主要利用反向电压下的耗尽层模型的一种检测方法。这种基于并联模式的c 一矿 法通常忽略了器件的串联电阻的影响，把测试的表观电容直接看作结电容，这个 结果在反向时一般能很好地近似成立，然而在较大的正向电压下，实际的结电容 可能比表观电容大好几个数量级，存在着巨大的偏差。针对这种情况，我们提出 了新的表征理论【1 3 - 1 4 l ，它们可以很好地避免由传统测量方法所带来的巨大偏差， 并把主要涉及并联模式的阻抗虚部的c y 法发展为可基于并联模式或串联模 式、同时涉及正向交流电特性实部和虚部的新测量方法。 第一章绪论 1 2 半导体器件的负电容的研究现状 在半导体器件电学特性的研究中，有一个相当引入注目的现象就是：在交流 小信号测试( 即通常的c v 测试) 中，器件的表观电容在较大的正向电压下有 时会出现负值，且往往是测试频率越低、正向偏压越大，负电容现象就越明显。 人们发现半导体器件的负电容由来已久，从1 9 6 9 年r v o g e l 等人在世界上 首次报道半导体硫化物薄膜器件的负电容”1 开始，以后就不断有其它种类的半导 体器件负电容的报道，1 9 9 6 1 9 9 9 年期间则达到了负电容报道的高峰。到目前为 止，负电容已在很多半导体器件中被揭示( 但我们发现揭示的都是并联模式下的 表观电容) ，这些器件包括p - n 结、肖特基结、金属绝缘、同质结远红外探测器、 量子阱红外光探测器等多种器件，涉及s i 、g e 、g a a s 、h g c d t e 、s e 等多种半 导体材料 1 3 - 5 s 。近几年来，我们研究小组就g a n 基的肖特基结二极管和p - n 结 发光二极管也都首次报道了明显的负电容现象【1 3 ，5 9 1 。 尽管有越来越多的学者已认可了半导体器件的负电容确实是客观存在的，并 且其中有不少学者对此进行了研究，但由于这些研究大部分只停留在定性的层次 上，甚至还远达不到半定量的标准，也就是说对负电容本质的研究还远不够深入 和细致，因此对这一现象的解释一直以来也是众说纷纭，目前还没有形成一个统 一的、有足够说服力的权威说法。在众多的解释中，比较有代表性的我们列举如 下： 、f s a n d o v a l 等人认为电路外部的寄生电感是产生负电容的主要原因瞰 ； 、x w u 等人提出一个两能级的简化模型，指出由于碰撞电离而使费米能 级以下的占据态界面电荷消失，是造成二极管出现负电容的原卧3 1 】； 、c h c h a m p n e s s 等人认为少数载流子的高能级注入是造成负电容的主 要原因口2 】； 、 、t n o g u c h i 等人认为负电容与深能级陷阱的充放电效应有关【2 1 】： 、el e m m i 等人认为两个掺杂层界面处的陷阱的存在是造成二极管出现 负电容的一个因素i s 5 】； 、m e r s h o v 等人认为当电流滞后于电压、传导电流大于位移电流时，负 电容将出现【州。 、b k j o n e s 等人认为负电容可能与半导体材料的驰豫特性有关口“。 第一章绪论 通过以上的分析，我们可以看出以往的有关半导体器件负电容的研究工作存 在着如下几个重要问题： ( 1 ) 、已有的绝大多数文献中的负电容指的都是并联模式下直接测得的表观电容， 而耒与器件实际的结电容相联系。就半导体二极管来说，其并联表观电容与 实际的结电容有很大的区别，二者绝对不能混为一谈。 ( 2 ) 、已有的有关负电容的解释工作基本上都是从实验现象入手，运用响应理论的 方法，如瞬态交流分析法、快速傅立叶变换法等去解释半导体器件的负电容 现象，而没有从半导体器件的微观输运机制入手、通过对连续性方程的求解 去定量化解释，因而得出的解释结果较为片面，不具有普遍性。 ( 3 ) 、另外，由于一些主观和客观的原因，至今所有的有关负电容的解释工作都只 停留在定性的层次上，甚至还远达不到半定量的标准，故无法得知负电容产 生的本质原因，因而对这一现象的解释目前也还没有一个统一的权威说法。 所以不难看出，从器件的微观输运机制入手，在定量的层次上去研究半导体 器件的负电容，是进一步深入解释负电容的关键所在。尽管不同种类的半导体器 件负电容产生的原因不尽相同，不能一概而论，但显然，如果任何一种半导体器 件负电容的定量化工作取得完全突破的话，则必将对其它种类的负电容的本质解 释提供借鉴。本文我们重点研究的是半导体发光二极管的负电容，目前已在定量 化工作上面取得了一定的进展。 1 3 高速半导体激光器的研究现状 光纤通信具有比一般微波通信高的多的基频( 光波频率高达1 0 “一t 0 ”h z ， 微波频率为1 0 ”h z ) ，可供开发的容量非常大，因而光纤通信具有巨大的前景， 是解决和实现未来信息化社会的关键技术之一。然而，目前的半导体激光器的调 制带宽只是发展到近1 0 0g h z ( = 1 x 1 0 “h z ) 的水平，远远低于光载波的频率 和光纤的调制带宽( 可达2 1 0 ”h z ) 6 t o 因此，为了充分利用光纤的巨大带宽， 人们除了发展了w d m 波分复用技术外，也一直在为提高半导体激光器的调制带 宽而努力。 4 第一章绪论 我们都知道，长期以来影响半导体激光器的调制带宽提高的一个最重要的原 因就是器件的寄生电容过大，因此设法减少寄生电容是获得高速激光器的关键。 在这方面，r s t u c k e r 的贡献比较突出，他于上世纪7 0 年代对半导体激光器的 高速调制特性进行了系统的研究【6 2 删，详细阐述了寄生参数( 寄生电容、电感、 电阻) 在器件中是如何分布和运作的，这为以后的低寄生电容激光器件的研究与 设计提供了很大的借鉴和指导作用。在这之后，许多新型的低寄生电容的器件结 构被设计出来6 5 - 9 6 1 ，如半绝缘掩埋分布反馈( d i s t r i b u t e df e e d b a c k , d f b ) 半导体 激光器( 1 3 u r n ，1 8 g i - i z ) ，聚酰亚胺掩埋d f b - l d ( 1 5 5 u m ，1 7 g h z ) ，限制台 面d f b l d ( 1 5 3 u m ，1 7 g h z ) ，f - p 腔脊波导型激光器( 1 1 0 u m ，3 0 岱 z ) ，四 量子阱( q w ) 半导体激光器( 1 5 5 u r n ，2 5 g i - i z ) 等等。时至今日，高速半导体 激光器的研究工作已经取得了丰硕的成果，寄生电容已从2 0 年前的l o o p f 以上 减小到目前的l p f 数量级，调制带宽从2 0m h z 左右提高到2 0 0 3 年的近1 0 0 g h z ( 实验) ，即使是商用的光纤通信系统，2 0 0 3 年以来在许多线路上也已经大规模 采用了调制频率高达4 0g h z 的半导体激光器1 6 。 然而，尽管目前半导体激光器的调制带宽已经很高，但还远未达到由器件的 本征参数和寄生参数所决定的带宽极限。理论上已经证明，当寄生电容c 0 2 p f 、 寄生电感l 0 ，0 5n h 时，半导体激光器可以很容易实现1 0 0g h z 以上的调制带宽 【6 q9 7 9 9 l 。由此可见，半导体激光器调制带宽提高的潜力还很巨大。 为了满足未来信息化社会对高速数据传输的更高要求，各国政府都对( 超) 高速半导体激光器的研究给予了极大的关注，在这课题上纷纷投入巨资。我国 的( 超) 高速激光器研究事业发展迅速，虽然距国际最先进的水平尚有差距，但 却也是我国整个高科技领域中较为前沿、与国际先进水平差距较为小的一个领 域。清华大学、吉林大学、中国科学院半导体研究所等多家单位都得到了国家和 企业的大力支持，相信早日赶上国际先进水平的任务虽然艰巨，却是可能的。本 人也对这一课题进行了研究，并取得了一些成果。 1 4 作者的主要工作 通过前面的分析，我们对半导体器件的负电容和高速半导体激光器的研究现 第一章绪论 状以及存在的一些问题有了比较清楚的了解，这就为我们的工作重点指明了方 向。 关于半导体器件的负电容，由于目前的研究大部分只停留在定性的层次上， 因此从定量的层次上去研究，是进一步深入解释负电容的关键所在。本文中，我 们重点研究了半导体发光二极管的负电容，首次尝试从器件的微观输运机制入 手，对发光有源区进行了重点考察，通过设计出一个简单的物理模型，使定量化 解释工作有了一些进展。 器件的寄生电容严重影响着半导体激光器的高速调制能力，因此设法减少寄 生电容是获得高速激光器的关键。我们在研究发光二极管负电容的现象与机制过 程中，同时也对负电容的应用进行了研究。正是由于这两个课题问具有很多共同 点和相互关联之处( 如寄生电容、负电容、寄生电感、频率调制等) ，触发了我 们将负电容应用到高速半导体激光器调制当中的想法，即利用负电容来补偿器件 的寄生电容，从而提出了一个可能颇具价值的提高半导体激光器调制带宽的设 想。这可能是从事多种课题研究所带来的一个收获吧。 这两个课题之间的关系大致可用图1 1 来表示，即两者通过负电容联系起来， 当然这种联系关系仅限本文成立，在其它地方另当别论。 图1 - 1两个课题之间的关系 总的来说，论文作者在研究期间所做的主要工作可以概括如下： ( 1 ) 、对半导体发光二极管的负电容进行了初步的定量化解释工作，并取得了 一些进展。( 见本文第三章) ( 2 ) 、利用负电容的概念，提出了一个可能颇具价值的提高半导体激光器调制 带宽的设想。( 见本文第五章) ( 3 ) 、提出了一个新的目前仍处于空白阶段的研究方向。( 见本文第六章) 6 第一章绪论 本文的章节安排如下：第一章为绪论；第二章至第三章讨论了半导体发光二 极管的负电容，其中包括负电容的实验现象以及对这种现象的定性和初步的定量 化解释；第四章至第五章讨论了半导体激光器的频率调制特性以及提高频率调制 能力的方法与设想；第六章提出了一个新的研究方向；第七章则是本文工作的总 结和展望。 第二章半导体发光二极管负电容的实验检测 第二章半导体发光二极管负电容的实验检测 我们对发光二极管的正向交流电特性进行了实验检测。大量的检测结果表明发光二极 管中普遍存在着负电容，并且不同材料、不同工艺的发光二极管中的负电容随正向偏压和交 流小信号频率变化的规律基本一致。检测结果还表明，正向电容谱可以在分析器件结构和内 在物理机制等方面提供很大帮助，是对现有的高度成熟的反向电容谱技术一个很好的补充。 2 1基于并联模式和串联模式的交流小信号测量方法 显然，要分析二极管的电特性，就必须知道它的等效电路。般说来，不论 是肖特基z - 极管还是p - n 结二极管，其等效电路都可看作是由结电容c 、结电导 g 和串联电阻 组成，如图2 - 1 ( a ) 所示。其中，结电容c 在反向偏压下，主要是 由耗尽层电容组成，在正向偏压下，对p - n 结二极管而言，则主要由耗尽层电容、 扩散电容和具有其它成因的电容( 包括负电容) 组成i i o l 】；串联电阻t 不管在反 向偏压还是正向偏压下，都主要是由半导体材料本身的体电阻和接触电阻组成； 结电导g 在反向偏压下，主要是由直流电导组成，但是由于在稍大的正向偏压下， 由于微分电导就比直流电导大许多，所以通常可认为正向偏压下结电导g 就等于 微分电导【1 0 2 1 。 c ( a ) g 吉kcs 图2 - 1 ( a ) 二极管的等效电路，( b ) 采用并联模式的二极管的测试电路 ( c ) 采用串联模式的二极管的测试电路 第二章半导体发光二极管负电容的实验检测 2 1 1 基于并联模式的交流小信号测量方法 传统的交流小信号测试通常都采用如图2 - 1 c o ) 所示的并联模式的测试电路， 统称c 一矿法，图中g 。和c 。分别是表观电导和表观电容。我们有必要指出的是， 这实际上是把二极管等价于电容和电阻的并联组合，当然，这里的电容和电阻都 是非线性的，且一般与频率有关。 比较图2 - l ( a ) 和图2 - l ( b ) 所示的电路，利用复阻抗相等条件，可以得到如下 关系： g p ：i g ( 1 + i r s g 了) _ + r s ( r 二o c 丁) 2 ( 2 1 a )口= 1 _。 。 ( 1 + g ) 2 + ( 埘咯c ) 2 c p = 二- ：了 ( 2 一l b ) 。一( 1 + r s g ) 2 + ( 哪c ) 2 ” 其中c o 是测试时所加的交流小信号角频率。 在反向偏压下或很小正向偏压下，困结电导g 值很小，若满足珞g “1 ， o f s c n c ，式( 2 2 ) 将简化为： 进一步可以得到串联电阻珞和结电容c ： l1 珞2 瓦一一g ( 2 - 3 a ) f 2 3 b ) f 2 4 a ) c = ( 1 + 七g ) 2 c ， ( 2 4 b ) x 式( 2 - 4 b ) n t 以看出，在较大的正向偏压下，由于g 1 ，致使表观电容要比 9 南南南志 第二章半导体发光二极管负电容的实验检测 结电容小很多，甚至可能差几个数量级。但可能是受到反向和d , i e l 句情况的影响， 人们仍然经常有意无意地将大正向测试得到的表观电容直接看作结电容，这是一 个极大的失误。此外，传统的c 矿法只涉及复阻抗虚部对应的电容，表现出很 大的局限性。 2 1 2 基于串联模式的交流小信号测量方法 我们研冤发现，采用如图2 - l ( c ) 所不的串联模式要比并联模式表达式要更简 洁一些，有时所得到的信息也更多，图中r 。和c 。分别是表观电阻和表观电容。 这实际上是把二极管等价于非线性的、且一般与频率有关的电容和电阻的串联组 合。 比较图2 - l ( a ) 和图2 - 1 ( c ) ，利用复阻抗相等条件，可以得到如下关系： r 。= 赤+ 珞( 2 5 a ) c s ：掣( 2 - 5 b ) 2 矿 大正向偏压下，若频率不特别高，g c o c ，式( 2 5 ) 可简化为： b = 吉+ 珞 ( 2 6 a ) c 。= 爰 ( 2 _ s e ) 从式( 2 6 b ) 可看出，在较大正向偏压下，实际的结电容与表观电容也相去甚远。 2 1 3 两种交流小信号测量方法的比较 比较两种交流小信号测量方法，我们可以发现，并联模式对于分析电容更直 观一些，尤其是反向或小正向的时候，而串联模式对于分析串联电阻或者界面层 问题则更方便一些盼1 0 0 1 。尽管前面我们提到了并联模式的缺陷，但这只是传统 的人为原因造成的，其实这两种测试模式大致是等价的，是可以相互佐证的。 无论是并联模式还是串联模式，在较大的正向偏压下，器件的结电容和表观 1 0 第二章半导体发光二极管负电容的实验检测 电容都相差很大，都不能将测试得到的表观电容直接看作结电容，否则都会出现 巨大的偏差。只不过对于并联模式而言，由于人们长期以来受反向和小正向时的 影响，将大偏压下测试得到的表观电容也直接看作结电容，因而出现巨大的偏差， 但这种偏差的出现不是必然的，因为只要按照式( 2 4 b ) 来计算结电容和表观电容 的关系，问题便可迎刃而解。至于它们的佐证关系，我们不但可以通过上面的公 式从理论上去推算，而且从实验数据上也已验证了这点1 1 0 0 1 。 最后，我们还要特别指出，本节所作的对二极管等效测试电路的分析决不仅 仅限于器件的测试，实际上正如在本文后半部分所看到的那样，它同样也可以很 方便地应用于涉及二极管特性的许多交流电路的讨论中，视问题需要，既可采用 并联模式，也可采用串联模式。 2 2 实验样品和测试设备 我们用正向交流小信号测量方法对大量的不同来源的发光二极管进行了检 测，这里只给出三个典型的g a n 发光= 极管( 1 # - 3 4 样品) 的检测结果。 这三个样品的晶片均采用金属有机气相# b y 廷f m o v p e ) 方法生长，先在n g a n 上生长i n g a n g a n 量子阱，再生长一层p - m o a n ，最后是p - g a n 。其中，p - g a n 和透明电极一起经过8 0 0 0 c 退火激活：n 电极采取了t i a u 金属化方案，并在 5 5 0 0 c 的温度下进行退火处理，退火时间为1 0 s e e ；p 电极采用了n i a u 金属化方 案，并在n 2 气氛、5 0 0 0 c 的温度下进行退火处理，退火时间为3 m i n 。二极管的 结面积为2 8 0 p m 2 8 0 【f m 。 实验中，正向交流小信号c v 测量采用的仪器是h p 4 2 8 5l c rm e t e r 和 h p 4 2 8 4 al c rm e t e r 米尺仪，测试频率从l k h z 到1 m h z 。电流电压( 卜矿) 特 性测量采用的仪器是i - i p 4 1 5 6 a 和h p 4 1 4 0 b 参数分析仪。所有的测试都是在室 温下进行的。 2 3 测试结果与讨论 我们采用并联模式和串联模式的正向交流小信号测量方法对上述发光二极 管进行了测试，但由于这两种测试方法可以相互佐证，因此本文这里只给出并联 第二章半导体发光二极管负电容的实验检测 模式下的测试结果。测试结果表明，负电容比较普遍地存在于不同材料和不同工 艺的发光二极管中，并且这种负电容随正向偏压和交流小信号调制频率变化的规 律基本一致，即正向偏压越高、调制频率越低，负电容越显著。 2 3 1 1 4 样品的负电容的测试结果 图2 2 给出了1 8 样品在3 5 v 偏压以下的表观电容和结电容值。从图中可以 看出，测试频率越低、正向偏压越大，负电容越明显，并且只要偏压足够大，在 测试频率范围i 勾( 1 m h za t ) ，表观电容和结电容最终都将变为负值。 u - c m c 旦 。石 帕 n 叮 1 3 - v o l t a g e ( v ) v o l t a g e ( v ) 图2 - 2 ( a ) l ”样品的并联表观电容电压关系， ( b ) 1 “样品的结电容- 电压关系。 此外，从图中还可以看出，计算得到的结电容( 图2 2 ( b ) ) 的绝对值要比直接 第二章半导体发光二极管负电容的实验检测 测得的并联表观电容( 图2 2 ( a ) ) 的绝对值大的多，而且这种差别随着正向偏压的 增大变得更为明显。因此，正如我们已多次指出的，在大偏压下结电容和表观电 容有很大的差别，不能将其混为一谈。 2 3 22 “样品的负电容的测试结果 图2 - 3 给出了不同频率下2 4 样品的并联表观电容和结电容随偏压的变化。 v o l t a g e ( v ) 图2 - 3 ( a ) 2 “样品的并联表观电容一电压关系，c o ) 2 “样品的结电容- 电压关系 第二章半导体发光二极管负电容的实验检测 从图中可以看出，负电容随频率和偏压变化的规律与1 4 样品基本上相同。不 同的是，2 4 样品在低频时的正电容区部分出现了个“台阶”式的下降过程，而 1 “样品没有，即2 “样品低频时的电容随着正向偏压先缓慢增大，到2 2 v 左右时 很快下降，然后波动上升，直到2 8 v 左右又缓慢下降直至变为负值；而1 4 样品 的电容从正值开始就一直缓慢变小，直至变为负值，中间没有波动的情况。 2 3 33 4 样品的负电容的测试结果 图2 - 4 给出了3 4 样品的并联表观电容。3 ”样品与2 4 样品的情况相当类似，只 是低频下3 拌样品的电容在小偏压时的增长显得更为明显些，并且表观电容在2 v 左右达到一个最大值，在2 8 v 左右出现了明显的极小值。此外，3 “样品的正电 容部分也出现了一个“台阶”式的下降过程，但是这个“台阶”的波动程度要 比2 4 样品更显著。 2 3 4 小结 c e 8 c g u & 8 一 c 宴 v o l a t a g e ( 、，) 图2 - 43 4 样品的并联表观电容电压关系 我们都知道，在正向偏压时，p - n 结的电容通常由耗尽层电容和扩散电容1 0 1 1 组成，而扩散电容是随电压呈指数增长并且为正值，比耗尽层电容增长快得多， 因此，在一般情况下，如果没有其它机制存在的话，较大正向偏压下的p - n 结电 第二章半导体发光二极管负电容的实验检测 容应主要表现为正的扩散电容。但是上述的实验结果表明，在一定的测试频率范 围内，不管在小的正向偏压时正电容如何变化，只要随着正向偏压的增大，电容 值总会变为负值。这就是说，器件中还存在着由于某种原因形成的负电容，并且 这种负电容的绝对值随正向偏压的增大比扩散电容增长的还要快，这才能很好的 解释为什么小偏压下电容为正值，而大偏压下为负值。而且不同材料、不同工艺 的发光二极管的负电容随偏压和频率的变化规律一致，这就说明引起负电容产生 的原因是发光二极管所共有的内在机制，而不是什么其它的外部原因。由此我们 判断，这种内在机制可能来源于发光二极管中的注入载流子的辐射发光复合，当 然这种判断的可靠性需要进一步的发光特性实验来验证。 此外，从小正向偏压时的正电容来看，正向交流小信号法所得到的电容与电 压的相关性极高，这意味着正向交流小信号法所得到正向电容谱有很高的灵敏 度，对其进行正确的分析解读可以得到很多信息。现有的电容谱，如深能级瞬态 谱( d l t s ) 1 2 】，都是建立在反向耗尽层模型上的，因此，正向电容谱是对反向电 容谱一个很好的补充，b b 如可以用来确定陷阱深能级的位置等。 2 4 发光二极管的交流小信号电压调制发光实验 上一节我们提到发光二极管的负电容可能是由于注入载流予辐射发光复合 所引起的，当然这种判断的可靠性需要进一步的发光特性实验来验证，因此本节 给出了发光二极管的交流小信号电压调制发光实验。 2 4 1 电压调制发光特性实验的装置圈 交流小信号电压调制发光强度测试的实验装置如图2 - 5 所示：发光二极管由 直流扫描电压驱动，并在直流偏压上叠加1 0 m v 交流小信号；电压调制光信号通 过s i 光电二极管转化为电信号，再通过锁相放大器接收。 第二章半导体发光二极管负电容的实验检测 3 。劣邕僵疆 l e d 0 蕞。i ls i g n a l 厂 j 墅! ! 塑k 矿- i - vc o s