半导体光电子学第章 半导体发光二极管

6.1概述半导体发光二极管和半导体激光器在工作原理上的根本区别在于前者是利用注入有源区的载流子自发辐射复合而发出光子，而后者则是受激辐射复合发光的。用于光纤通信的发光二极管从材料到器件的异质结构都与半导体激光器没有很大差别，因而前面1～3章的一些基本理论对半导体发光二极管也是适用的。半导体激光器与发光二极管在结构上的主要差别是前者有光学谐振腔，使复合所产生的光子在腔内振荡和放大；而后者则没有谐振腔。正是由于它们在发光机理和上述这一基本结构上存在差别，而使它们在主要性能上存在明显差别。例如，半导体发光二极管不象激光器那样存在阈值特性，输出功率与注入电流之间呈线性关系；因为自发发射的随机性，致使发光管的光谱宽度比激光器高几个数量级；光束发散角也很大，因而与光纤藕合效率要比半导体激光器的情况低得多；输出的光功率也要比半导体激光器低得多．尽管与半导体激光器相比，半导体发光二极管有许多不足之处，但它却在中、短距离光纤通信中得到了广泛的应用。弥补了半导体激光器的某些不足。这是由它的以下特点所决定的：1．不存在阈值特性，P-I线性好，因而有利于实现信号无畸变的调制，这在高速模拟调制中是特别重要的；2．虽然半导体发光二极管的光相干性很不好，但正因为如此，避免了半导体激光器容易产生模分配噪声和对来自于光纤传输线路中反射光较灵敏的缺点；3．工作稳定，输出功率随温度的变化较小，不需要精确的温度控制，因而驱动电源很简单；4．由于不存在象半导体激光器那样的腔而退化，工作寿命可达109小时；5．成品率高，价格便宜。此外，由于其光谱线宽很宽(>30nm)，这对光纤通信中波分复用的应用将带来好处。半导体发光二极管可以分为三种型式:表面发射(SE);端发射或边发射(EE);超荧光或超辐射(SL).前两种是从发光的部位来区别的，而超辐射发光二极管则是根据发光特性来区分的。图6.1-1表示半导体激光器、表面和端面发射发光二极管、超辐射发光二极管P-I特性的比较。6.2LED的结构和半导体激光器一样，短波长(0.82~0.85m)和长波长(l.3m，1.55m)的发光二极管分别使用GaAlAs/GaAs和InGaAsP/InP双异质结构。用这些直接带隙跃迁材料能保证在室温下给出较高的内量子效率(50%)，发射波长同样由材料的禁带宽度所决定。一、边发光二极管二、面发光二极管三、超辐射发光二极管一、边发光二极管边发光二极管和通常的电极条形双异质结构基本相同，一般是在n型衬底上用外延的方法相继生长N型限制层-有源层-P型限制层-P+盖帽层。为了防止在有源区产生受激发射，需要设法消除光子可能形成的谐振。主要有两种方法。方法之一是将接触电极条控制在适当的长度范围，使电极条距某一端面形成非泵浦(注入)区或吸收区，使有源区中产生的光子在到达该端面之前已被吸收掉，光子在沿纵向运动中产生净吸收而不产生净增益。以如图6.2-1所示的长波长1.3m“v”槽边发光二极管为例来说明这种结构的特点。在n型InP衬底上相继用液相外廷形成双异质结后，再生长n型阻挡层，“v”槽被刻蚀到异质结的上限制层。再在其上生长长为La、宽为W的导电接触条，因而在有源条与后端面之间有一长为LM的非泵浦区。一般取W=10~30m，La=200~245m，LM=250m。为了更可靠的防止激射和增加输出的斜率效率，在前端面(输出而)镀以增透膜是很有效的。用薄而窄的有源条，有利于在较低的住入电流下获得较高的载流子浓度；同时有源层内的部分光进入限制层，有利于改善在垂直于结平而方向上光束的方向性，从而有利于提高输出功率和光纤与发光管之间的藕合效率。窄的条宽有利子提高发光管的亮度。防止发光管产生受激发射的另一种有效方法是将后端面弄斜，以破坏由解理面形成的法布里-拍罗腔，如图6.2-2所示。其基本结构与V沟衬底埋层异质结激光器相同，前端面镀增透膜，后端面腐蚀成斜面。这种结构的特点是更能可靠地防止受激发射，与前面采取非泵浦区结构的边发光管相比，更能利用有源层的长度来产生自发辐射，获得较高输出功率。二、面发光二极管正面发光二极管的结构如图6.2-5所示。它实际上是一个标准的异质结二极管，只是它的有源区由氧化物(如SiO2)隔离的金属电极接触条所限定。为防止衬底对光的吸收，同时为了有效地用光纤将光从有源区耦合出来，用腐蚀的方法将衬底开一个阱，阱底直至与衬底相邻的限制层。因为顶层电极接触是一直径较小的圆形金属层，能保证从电极至阱底形成一柱形电流通道，同时也限制光子在一个小的区域内而不能抵达解理面产生所不希望的谐振。除上述在衬底上开阱耦合输出的方法外，也有将衬底加工成弧面、将光纤进行微透镜处理等方法来提高半导体发光管与光纤的耦合效率。三、超辐射发光二极管超辐射发光二极管与边发光二极管在结构上基本相同，图6.2-3表示这种发光管的顶视和侧视图。与受泵浦的波导区毗邻的是一个非泵浦区或吸收区。与边发光管工作原理上的根本区别在于这种结构中沿纵向传播的光有少许净增益。因此，除光子未通过谐振腔结构反馈、振荡外，超辐射发光二极管更相似于多模注入激光器。这就决定着超辐射发光二极管的一些特性介于半导体激光器与通常的发光二极管之问，它没有象通常的发光管那样从零泵浦电流开始的P-I线性，但也没有半导体激光器那样明显的阈值特性，然而在高的输出功率下却可能出现饱和。事实实上上，，某某些些发发光光二二极极管管也也可可能能产产生生超超辐辐射射。。因因此此，，超超辐辐射射发发光光管管波波导导结结构构的的一一端端或或两两端端的的功功率率反反射射率率对对它它的的性性能能特特点点起起了了重重要要的的决决定定作作用用。。例例如如，，在在如如图图6.2-3所所示示的的结结构构中中，，解解理理输输出出端端面面的的反反射射率率R(L)=0.3，，这这就就会会出出现现最最坏坏的的情情况况。。而而如如果果对对该该解解理理面面增增透透，，则则输输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，则输出出功率尚尚可进一一步增加加。因为为有源区区内存在在净的增增益时，，能显著著的增加加输出功功率，这这可用解解理面代代替吸收收区、甚甚至对该该后端面面进行增增反来实实现。图6.2-4表表示这种种情况下下的输出出功率与与有源层层长度的的关系。。在一定定的有源源层长度度下，后后端面反反射率R2越高，其其输出功功率越大大。而且且随着注注入电流流的增加加，这种种超辐射射模所占占的比率率也增加加，因而而光谱宽宽度变窄窄，发散散角变小小，与光光纤的耦耦合效率率显著增增加。目目前已能能用单模模光纤从从前端面面耦合出出25W(I=100mA)。但但正如上上所述，，对超辐辐射发光光二极管管的任何何设计考考虑都必必须防止止其转化化为激光光器的工工作方式式，因此此必须适适当地控控制端面面的反射射率和注注入电流流。超辐辐射发光光二极管管将在要要求光源源既无明明显偏振振特性又又有较大大功率输输出的地地方(如如光纤陀陀螺)得得到应用用。6.3半半导体体发光二二极管的的性能半导体发发光二极极管的性性能与其其发光机机理和器器件本身身的结构构形式密密切相关关。完全全由自发发射产生生的输出出，其P-I特特性应该该是理想想的线性性，已在在前而讨讨论过。。其它主要要特性：：一、温度度稳定性性二、发光光二极管管的远场场特性及及其与光光纤的耦耦合三、发光光二极管管的发射射谱一、温度度稳定性性相对于半半导体激激光器和和超辐射射发光二二极管来来说，通通常所说说的发光光二极管管的温度度稳定性性是很好好的。这这是因为为半导体体激光器器的阈值值电流密密度对温温度的变变化是很很灵敏的的。有源区材材料不同同，发光光管的温温度特性性也不相相同，图图6.3-1(a)和和(b)分别表表示GaAlAs/GaAs(=0.85m)和和InGaAsP/InP(=1.23m)边发光光二极管管的温度度特性。。由图可以以看出，，在同样样的电流流和温度度变化范范围(20~70℃)内，InGaAsP/InP发光管的的输出功功率降低低将近一一半，而而GaAlAs/GaAs发发光管则则只降低低约1/3。导导致这一一差别的的原因可可归结为为在InGaAsP/InP发光管管中存在在较为严严重的热热载流子子泄漏和和俄歇非非辐射复复合。二、发光光二极管管的远场场特性及及其与光光纤的耦耦合由于发光光二极管管的自发发发射机机理，它它的输出出光束的的空间相相干性是是较差的的，表现现在光束束具有较较大的发发散角，，因而与与光纤的的耦合效效率要比比半导体体激光器器低得多多。表面发光二二极管的辐辐射是属于于朗伯(Lambertian)型的的，即光束束强度与发发射方向和和发射表面面法线之间间的夹角按I()I0cos变化，如图6.3-2(b)所示，，光束的全全发散角约约为120º。边发光二极极管在结构构上与半导导体激光器器有一定的的相似性，，所以在垂垂直于结平平面方向与与双异质结结半导激光光器的远场场特性相同同，即在该该方向的光光束发散角角也和半导体体激光器相相一致，对对GaAlAs/GaAs边边发光二极极管有式中Δx为有源层层与两边限限制层中AlAs含含量之差，，d为有源源层厚度，，为发射波长长。若取=0.8m，d=0.1m和Δx=0.2，则由式式(6.3-1)可可得29º，，如图6.3-2(a)所示。。(6.3-1)尽管边发光光管通常也也采取和半半导体激光光器相同的的条形电极极结构，但但由于它没没有谐振腔腔的反馈，，因而在平平行于结平平面方向也也按朗伯型型发射。即即远场图近近似按cos变化，而在在垂直于结结平面方向向的远场图图是按cos7变化。图6.3-3表示边发发光二极管管这种远场场分布，它它比图6.3-2(b)更具具体地反映映了在垂直直于和平行行于结平而而方向的远远场图，如如图中实线线所示，在在垂直于结结平面方向向出现的几几个小瓣是是由于有源源层在n型型-边界面面处材料成成分变化所所致，图中中虚线表示示按朗伯分分布和cos7分别对平行行和垂直于于结平面方方向测量数数据的拟合合。也正是由于于边发光管管所表现出出的部分方方向性，使使它比面发发光二极管管的亮度高高。例如，，朗伯型面面发光管的的亮度通常常为200W/cm2·sr，而而边发光二二极管的亮亮度则可达达1000W/cm2·sr(sr为球面面度)。同同时由于边边发光管在在垂直于结结平而方向向的模场直直径小于单单模光纤的的模场直径径，还可对对单模光纤纤进行类透透镜处理来来增加耦合合效率。而而朗伯型面面发光管的的有源区面面积一般大大于单模光光纤的面积积，用透镜镜来增加耦耦合效率会会使亮度发发生变化。。与表面发光光二极管相相比，边发发光管在垂垂直于结平平面方向所所表现出的的一定方向向性，使它它与光纤的的耦合效率率比表面发发光二极管管高。如果果进一步对对边发光管管采取侧向向折射率波波导光限制制，它与光光纤的耦合合效率将进进一步提高高，使单模模光纤的出出纤功率达达到40～～60W。三、发光二二极管的发发射谱半导体发光光二极管的的自发发射射的特点决决定了它的的发射光谱谱是很宽的的，要比半半导体激光光器的线宽宽高几个数数量级。而而且光谱宽宽度Δ与峰值波长长有关，可可表示为(6.3-2)式中p为峰值发射射波长，h为普郎克克常数，c为光速，，kB为玻尔尔兹曼曼常数数，T为温温度，，n为为与器器件结结构和和掺杂杂情况况有关关的常常数，，一般般有n2。边边发光光二极极管所所发射射的峰峰值波波长与与光谱谱宽度度Δ受其结结构参参数的的影响响。图6.3-5表表示由由图6.2-1所示示的结结构中中p、Δ与有源源层厚厚度的的关系系。由图看看出，，峰值值波长长随着着有源源层厚厚度的的增加加而增增加，，而Δ却随着着有源源层厚厚度的的增加加而减减小。。这可用用半导导体的的能带带填充充效应应来解解释。。因为厚厚度增增加，，载流流子的的浓度度相应应减小小，即即较低低的能能带被被填充充，因因而发发出的的光子子能量量较小小，即即波长长“红红移””。光谱宽宽度随随有源源层厚厚度的的增加加而减减小可可归因因于能能为载载流子子所填填充的的能带带变窄窄。面发光光二极极管的的光谱谱宽度度较宽宽。例例如，，在高高的注注入电电流下下中心心波长长为1.3m的面面发光光管，，其Δ可达1300ÅÅ。但但它对对温度度不灵灵敏、、高可可靠性性和低低成本本等优优点，，却是是光纤纤通信信局部部网(LAN)中波波分复复用(WDM)光源源所希希望的的。然而，，如此此宽的的谱宽宽限制制了在在保证证邻近近信道道之间间有小小的串串音的的前提提下所所能供供复用用的波波长数数量。。一种压压窄面面发光光管谱谱宽的的结构构如图图6.3-7所所示。。它是是在多多层结结构中中增加加了一一掺杂杂浓度度相当当低(51016/cm3)的n型滤滤波层层。由由于滤滤波层层低的的掺杂杂浓度度保证证了一一个陡陡的带带边吸吸收限限，其其吸收收和透透射谱谱如图图6.3-8所所示。。6.4半半导体体发光光二极极管的的调制制特性性半导体体发光光管只只能在在中等等调制制速率率(<200Mbit/s)下工工作。。限制制发光光二极极管调调制带带宽的的原因因可归归结为为在低低注入入电流流下主主要受受二极极管结结电容容的限限制，，而在在高注注入电电流时时调制制速率率则受受注入入有源源区长长寿命命载流流子的的限制制。如果发发光二二极管管的正正向偏偏置电电流受受到频频率为为的交变变信号号调制制，则则输出出光强强I()将随随频率率变化化。其其关系系式为为(6.4-1)式中I(0)为为直流流光强强，为注入入有源源区的的少数数载流流子寿寿命。。图6.4-1表表示对对应三三种不不同少少数载载流子子寿命命的发发光谱谱，其其归一一化响响应I()/I(0)与与调制制频率率的关关系。。发光二二极管管的调调制带带宽定定义为为当I2()=I2(0)/2时所所对应应的调调制频频率，，由式式(6.4-1)得得(6.4-1)(6.4-2)式中fc为调制制带宽宽(极极限调调制频频率)，为少数数载流流子寿寿命。。如只只考虑虑载流流子在在能带带间的的辐射射复合合，则则载流流子寿寿命由由所加加的电电流密密度确确定[参见见式(1.6-19)]，即即(1.6-19)(6.4-3)式中p0和n0分别为为无注注入时时的平平衡空空穴和和电子子浓度度，d为有有源层层的厚厚度，，e为为电子子电荷荷，r为辐射复复合系数数，它与与半导体体材料的的性质和和温度有有关，室室温下GaAs的r10-10cm3/s，InGaAsP的的r0.710-10cm3/s。若用用p型有有源材料料，则有有p0>>n0。在相对对于平衡衡时低背背景载流流子浓度度的低注注入下，，可认为为载流子子寿命与与电流密密度无关关而为(rp0)-1，相应有有fc=rp0/(2)-1。在高注注入下，，由式(6.4-3)