半导体光电子学第6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(0.82~0.85m)和长波长(l.3m，1.55m)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1.3m“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=10~30m，La=200~245m，LM=250m。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。事实上，某些发光二极管也可能产生超辐射。因此，超辐射发光管波导结构的一端或两端的功率反射率对它的性能特点起了重要的决定作用。例如，在如图6.2-3所示的结构中，解理输出端面的反射率R(L)=0.3，这就会出现最坏的情况。而如果对该解理面增透，则输出功率可增加2～4倍；如取R(L)=0，而R(0)0，则输出功率尚可进一步增加。因为有源区内存在净的增益时，能显著的增加输出功率，这可用解理面代替吸收区、甚至对该后端面进行增反来实现。图6.2-4表示这种情况下的输出功率与有源层长度的关系。在一定的有源层长度下，后端面反射率R2越高，其输出功率越大。而且随着注入电流的增加，这种超辐射模所占的比率也增加，因而光谱宽度变窄，发散角变小，与光纤的耦合效率显著增加。目前已能用单模光纤从前端面耦合出25W(I=100mA)。但正如上所述，对超辐射发光二极管的任何设计考虑都必须防止其转化为激光器的工作方式，因此必须适当地控制端面的反射率和注入电流。超辐射发光二极管将在要求光源既无明显偏振特性又有较大功率输出的地方(如光纤陀螺)得到应用。6.3半导体发光二极管的性能半导体发光二极管的性能与其发光机理和器件本身的结构形式密切相关。完全由自发射产生的输出，其P-I特性应该是理想的线性，已在前而讨论过。其它主要特性：一、温度稳定性二、发光二极管的远场特性及其与光纤的耦合三、发光二极管的发射谱一、温度稳定性相对于半导体激光器和超辐射发光二极管来说，通常所说的发光二极管的温度稳定性是很好的。这是因为半导体激光器的阈值电流密度对温度的变化是很灵敏的。有源区材料不同，发光管的温度特性也不相同，图6.3-1(a)和(b)分别表示GaAlAs/GaAs(=0.85m)和InGaAsP/InP(=1.23m)边发光二极管的温度特性。由图可以看出，在同样的电流和温度变化范围(20~70℃)内，InGaAsP/InP发光管的输出功率降低将近一半，而GaAlAs/GaAs发光管则只降低约1/3。导致这一差别的原因可归结为在InGaAsP/InP发光管中存在较为严重的热载流子泄漏和俄歇非辐射复合。二、发光二极管的远场特性及其与光纤的耦合由于发光二极管的自发发射机理，它的输出光束的空间相干性是较差的，表现在光束具有较大的发散角，因而与光纤的耦合效率要比半导体激光器低得多。表面发光二极管的辐射是属于朗伯(Lambertian)型的，即光束强度与发射方向和发射表面法线之间的夹角按I()I0cos变化，如图6.3-2(b)所示，光束的全发散角约为120º。边发光二极管在结构上与半导体激光器有一定的相似性，所以在垂直于结平面方向与双异质结半导激光器的远场特性相同，即在该方向的光束发散角也和半导体激光器相一致，对GaAlAs/GaAs边发光二极管有式中Δx为有源层与两边限制层中AlAs含量之差，d为有源层厚度，为发射波长。若取=0.8m，d=0.1m和Δx=0.2，则由式(6.3-1)可得29º，如图6.3-2(a)所示。dx20(6.3-1)尽管边发光管通常也采取和半导体激光器相同的条形电极结构，但由于它没有谐振腔的反馈，因而在平行于结平面方向也按朗伯型发射。即远场图近似按cos变化，而在垂直于结平面方向的远场图是按cos7变化。图6.3-3表示边发光二极管这种远场分布，它比图6.3-2(b)更具体地反映了在垂直于和平行于结平而方向的远场图，如图中实线所示，在垂直于结平面方向出现的几个小瓣是由于有源层在n型-边界面处材料成分变化所致，图中虚线表示按朗伯分布和cos7分别对平行和垂直于结平面方向测量数据的拟合。也正是由于边发光管所表现出的部分方向性，使它比面发光二极管的亮度高。例如，朗伯型面发光管的亮度通常为200W/cm2·sr，而边发光二极管的亮度则可达1000W/cm2·sr(sr为球面度)。同时由于边发光管在垂直于结平而方向的模场直径小于单模光纤的模场直径，还可对单模光纤进行类透镜处理来增加耦合效率。而朗伯型面发光管的有源区面积一般大于单模光纤的面积，用透镜来增加耦合效率会使亮度发生变化。与表面发光二极管相比，边发光管在垂直于结平面方向所表现出的一定方向性，使它与光纤的耦合效率比表面发光二极管高。如果进一步对边发光管采取侧向折射率波导光限制，它与光纤的耦合效率将进一步提高，使单模光纤的出纤功率达到40～60W。三、发光二极管的发射谱半导体发光二极管的自发发射的特点决定了它的发射光谱是很宽的，要比半导体激光器的线宽高几个数量级。而且光谱宽度Δ与峰值波长有关，可表示为TnkhcBp2(6.3-2)式中p为峰值发射波长，h为普郎克常数，c为光速，kB为玻尔兹曼常数，T为温度，n为与器件结构和掺杂情况有关的常数，一般有n2。边发光二极管所发射的峰值波长与光谱宽度Δ受其结构参数的影响。图6.3-5表示由图6.2-1所示的结构中p、Δ与有源层厚度的关系。由图看出，峰值波长随着有源层厚度的增加而增加，而Δ却随着有源层厚度的增加而减小。这可用半导体的能带填充效应来解释。因为厚度增加，载流子的浓度相应减小，即较低的能带被填充，因而发出的光子能量较小，即波长“红移”。光谱宽度随有源层厚度的增加而减小可归因于能为载流子所填充的能带变窄。面发光二极管的光谱宽度较宽。例如，在高的注入电流下中心波长为1.3m的面发光管，其Δ可达1300Å。但它对温度不灵敏、高可靠性和低成本等优点，却是光纤通信局部网(LAN)中波分复用(WDM)光源所希望的。然而，如此宽的谱宽限制了在保证邻近信道之间有小的串音的前提下所能供复用的波长数量。一种压窄面发光管谱宽的结构如图6.3-7所示。它是在多层结构中增加了一掺杂浓度相当低(51016/cm3)的n型滤波层。由于滤波层低的掺杂浓度保证了一个陡的带边吸收限，其吸收和透射谱如图6.3-8所示。6.4半导体发光二极管的调制特性半导体发光管只能在中等调制速率(200Mbit/s)下工作。限制发光二极管调制带宽的原因可归结为在低注入电流下主要受二极管结电容的限制，而在高注入电流时调制速率则受注入有源区长寿命载流子的限制。如果发光二极管的正向偏置电流受到频率为的交变信号调制，则输出光强I()将随频率变化。其关系式为21210II(6.4-1)式中I(0)为直流光强，为注入有源区的少数载流子寿命。图6.4-1表示对应三种不同少数载流子寿命的发光谱，其归一化响应I()/I(0)与调制频