【正文】 雖然 n為 λ的函數(shù) ， 波長在臨近模式間的微小的變化量 dn/dλ卻很小 。 而且 ， 光波在傳播中的衰減 ， 意味著只有最強的譜線會殘留 ， 導致如圖 (c)所示的一組發(fā)光模式 。 因此對受激輻射而言 ， 腔的長度 L必須滿足下述條件 ： 其中 ， m為一整數(shù) 。 每一鏡面的反射率 R可算出為 211???????????nnR其中 n為半導體對應于波長 λ 的折射率 （ 通常 n為 λ的函數(shù) ） 。 如沿著砷化鎵器件的 (110)面劈開 ， 可以產(chǎn)生兩面平行 ， 完全相同的鏡面 。 為了 提高增益 ， 必須使光波作多次傳播 ， 可以用 鏡面置于腔的兩端 來實現(xiàn) ， 如圖 (a)左右兩側(cè)所示的反射面 。 這就是光增益的現(xiàn)象 。 反 射 平 面L)(無 源 區(qū))(無 源 區(qū))(有 源 區(qū)02/dx ??2/dx ??3n2n1n反 射 平 面無 源 區(qū)無 源 區(qū)有 源 區(qū)三 層 介 質(zhì) 的 波 導 管)( a波 導 管 內(nèi) 光 傳 播 的 軌 跡)( b圖8 . 2 13n2n1n1 2q1 2q2 3q2 3qA s )G aA l3 ( p1 xx ?層層2 ( G a A s )層層A s )G aA l1 ( n1 xx ?層層)e x p (1 dnC ?????光學腔與反饋： 使激光作用的必需條件為分布反轉(zhuǎn) 。 因此當有源層的折射率大于周圍的折射率時 ， 光學輻射就被導引 (約束 )在與各層界面平行的方向上 ． 反 射 平 面L)(無 源 區(qū))(無 源 區(qū))(有 源 區(qū)02/dx ??2/dx ??3n2n1n反 射 平 面無 源 區(qū)無 源 區(qū)有 源 區(qū)三 層 介 質(zhì) 的 波 導 管)( a波 導 管 內(nèi) 光 傳 播 的 軌 跡)( b圖8 . 2 13n2n1n1 2q1 2q2 3q2 3qA s )G aA l3 ( p1 xx ?層層2 ( G a A s )層層A s )G aA l1 ( n1 xx ?層層半導體激光 現(xiàn)代半導體器件物理與工藝 天津工業(yè)大學 光電器件 34 定義 約束因子 為在 有源區(qū)內(nèi)的光強度 對 有源區(qū)內(nèi)外光強度總和的比例 ， 其大小可表示為 其中 C為常數(shù) ， Δ n為折射率之差 ， d為有源層的厚度 。在 n2n1n3的條件下 ， 第一層和第二層界面 (b)的 光線角度 θ 12超過臨界角 。即： 激光的工作原理 pG a A s G a A sn p p nG a A sA sG aA l1 xx?hCEVEF VEF CECEVEgE?hgECEVEF VECEF CEm2 ?%1~折 射 率折 射 率光d有 源 區(qū)光有 源 區(qū))( a ?%5~折 射 率折 射 率d有 源 區(qū)光有 源 區(qū)光)( b圖8 . 2 0 ( a )同 質(zhì) 結(jié) 激 光 與( b )雙 異 質(zhì) 結(jié) （D H） 激 光 的 一 些 特 性 的 比 較.第 二 行 是正 向 偏 壓 下 的 能 帶 圖.同 質(zhì) 結(jié) 激 光 的 折 射 率 變 化 小 于1 %， 而D H激 光 的 折 射 率 變化 則 約 為5 % .最 下 面 一 行 是 光 的 約 束 情 形gFVFC EEE ?? )(半導體激光 現(xiàn)代半導體器件物理與工藝 天津工業(yè)大學 光電器件 33 載流子與光學約束 :如雙異質(zhì)結(jié)激光所示 ， 由于 雙異質(zhì)結(jié)勢壘 而使 載流子在有源區(qū)的兩端都被約束 住 ， 而同質(zhì)結(jié)激光的載流子則可離開發(fā)生輻射性復合的有源區(qū) 。 當外加一足夠大的偏壓時 ， 會產(chǎn)生大注入的情況 ， 亦即會有很高濃度的電子與空穴注入轉(zhuǎn)移 。 考慮 簡并型 半導體間形成的 pn結(jié)或異質(zhì)結(jié) 。這些都是 在室溫或高于室溫的環(huán)境下 ， 半導體激光作連續(xù)工作時的重要特性 。 圖 (b)顯示折射率與鋁成分的關(guān)系 。 族 化 合 物 固 態(tài) 合 金 系 統(tǒng) 的 禁 帶 寬 度 與 晶 格 常 數(shù) 的 關(guān) 系 圖 0A l PG a PPI nA l0 . 5 10 . 4 9A l A sPI nG a0 . 4 90 . 5 10 . 0 40 . 9 6PA l A sG a A sA sI nG a0 . 5 30 . 4 70 . 50 . 5S bG a A sI n A sI n S bA l S bA sI nA l0 . 5 20 . 4 8I n P?? ?? ? ?yyxx???11PA sI nG a:yyxx??? ?11S PA sI nG a:yyxx ??? ? ?11S PA sG aA l:bbA/a?圖8 . 1 8三 種I I I V/eVgE半導體激光 現(xiàn)代半導體器件物理與工藝 天津工業(yè)大學 光電器件 31 圖 (a)表示三元化合物 AlxGa1xAs的禁帶寬度是鋁成分的函數(shù) 。 若要做出可忽略界面陷阱的異質(zhì)結(jié)構(gòu) ， 則必須使兩種半導體材料的晶格能緊密地匹配在 一 起 。 激光半導體材料 半導體激光 現(xiàn)代半導體器件物理與工藝 天津工業(yè)大學 光電器件 30 最重要的三種 Ⅲ V族化合物合金系統(tǒng)是 GaxIn1xAsyP1y、 GaxIn1xAsySb1y和 AlxGa1xAsySb1y。 目前的激光波長涵蓋范圍可從 30μm。 所有會發(fā)出激光的半導體材料都具有 直接禁帶 ， 這是可以理解的 。 它可以應用于錄像機 ， 光學刻錄機及高速激光打印機等 。 不同之處在于半導體激光較其他激光體積小 (長度約只有 )， 而且在高頻時易于調(diào)制 ， 只需要調(diào)節(jié)偏電流即可 。 異質(zhì)結(jié)亦可作為輻射線的光窗 ， 因為高禁帶寬度約束層不會吸收從低禁帶寬度輻射區(qū)發(fā)出的輻射線 。 光線由表面的中央?yún)^(qū)域發(fā)出 ， 并導入光纖內(nèi) 。 這些光的信號被導入光纖并輸運到光探測器 ， 然后再轉(zhuǎn)換回電的信號 。 紅外光發(fā)光二極管 ?h??1I 2ILED 光電二極管輸入信號出信號被隔離的輸LR圖 8. 14 光隔離器可降輸入信號與輸出信號去耦 (d ec ou ple, 或譯分離 )發(fā)光二極管 現(xiàn)代半導體器件物理與工藝 天津工業(yè)大學 光電器件 27 紅外光 LED的另一個重要應用是在通信系統(tǒng)中通過光纖來輸運光的信號 。 當輸入信號送到 LED時 ，LED會產(chǎn)生光線 ， 被光電二極管探測到后轉(zhuǎn)換成電信號 ， 以電流的形式流過一負載電阻 。紅外光 LED的一種重要應用是作為輸入 (或控制信號 )與輸出信號去耦之用的光隔離器 。 從襯底的位置往上依次是：透明導電陽極 、 作為 空穴輸運層的二胺 、 作為 電子輸運層的 AlQ3以及陰極接觸 ， 其截面圖如圖(b)所示 。 一個是含有六個苯環(huán) ， 連接至中心鋁分子的 AlQ3(羥基喹啉酸鋁 )， 另一個是同樣含有六個苯環(huán) ， 但具有不同分子排列的芳香性二胺 。 因為有機發(fā)光二極管 (OLED)具有低功率消耗 、優(yōu)異的輻射品質(zhì)與寬視角等特性 ， 使它在大面積彩色平面顯示器上特別有用 。 以上僅介紹由無機半導體材料 (如 GaAsP與 GaN)所制造的器件 。 白光 LED需要紅 、 綠 、 藍三種顏色的 LED。 每一 LED燈具包含一個 LED芯片及一個著色的塑膠鏡頭作為濾光鏡并增加其對比效果 ． 圖 (a)中的燈具是使用傳統(tǒng)的二極管頭座 ， 而圖 (b)則顯示了適用于透明性半導體 (如磷化鎵 )的包裝 ， 它 可 通 過LED芯片的五個面(四個在側(cè)邊 ， 一個在頂部 )發(fā)光 。 發(fā)光二極管 現(xiàn)代半導體器件物理與工藝 天津工業(yè)大學 光電器件 23 可見光 LED可用于全彩顯示器 、 全彩指示器以及燈具而不失其高效率與高可靠性 。 人眼的相對靈敏度FW H Mm?? ?紅外 紅 綠 紫 紫外橙 黃 藍Si G aAs C dSe G aP C dS Si C G aN ZnSyy1PG aAs紅 綠 紫橙 黃 藍 m/ ??eV/gE圖 常作為可見光 LED 的半導體 . 途中還表示了人眼的相對靈敏度所以當波長由可見光進入紅外光時 ， FWHM 將會增大 。 光譜的寬度 是以強度半峰值時的全寬度 (FWHM， 半高寬 )為準 。 可見 ， 為了增加 LED的輸出功率 ， 必須減小 Ir及 Rs。 在 更高的偏壓 時 ， 二極管電流將 被串聯(lián)電阻所限制 。 21s innnc ?q發(fā)光二極管 現(xiàn)代半導體器件物理與工藝 天津工業(yè)大學 光電器件 21 LED的正向電流 電壓特性近似于砷化鎵 pn結(jié) ． 在 低正向偏 壓時 ， 二極管的電流是以 非輻射性的復合電流為主 ， 它主要是由 LED芯片周圍的 表面復合 所引起 。 發(fā)光二極管 Ni/Au p 型電極 GaN p N Ga Al p 1 x x ) N( In Ga 1 未摻雜 x x GaN n AlN n 藍寶石襯底 Ni/Au p 型電極 光傳輸電極 Ti/Al n 型電極 型電極未摻雜藍寶石襯底型電極光傳輸電極型電極現(xiàn)代半導體器件物理與工藝 天津工業(yè)大學 光電器件 20 有三種損耗機制會減少光子輻射的數(shù)量： ① LED材料內(nèi)的吸收作用； ② 當光通過半導體進入空氣時 ， 由于折射率的差異所引起的反射損失； ③ 大于臨界角 θ c的內(nèi)部總反射損失 。 因為藍寶石襯底是絕緣體 ， 所以 p型與n型的歐姆接觸都必須形成在上表面 。 發(fā)光二極管 Ni/Au p 型電極 GaN p N Ga Al p 1 x x ) N( In Ga 1 未摻雜 x x GaN n AlN n 藍寶石襯底 Ni/Au p 型電極 光傳輸電極 Ti/Al n 型電極 型電極未摻雜藍寶石襯底光傳輸電極型電極現(xiàn)代半導體器件物理與工藝 天津工業(yè)大學 光電器件 19 雖然沒有晶格相匹配的襯底可供 GaN生長 ， 但是低溫生長的AlN做緩沖層 ， 即可在 藍寶石 (Al2O3)上生長高品質(zhì)的 GaN。 發(fā)光二極管 A GaAsP GaAs p n B ) 4 . 0 ~ 0 ( P GaAs y y 1 ? y 緩變合金 發(fā)射光子 C q ) ( a 吸收光子 緩變合金吸收光子發(fā)射光子 緩變合金 y y 1 P GaAs GaP y y 1 P GaAs p n 反射接觸 2 SiO ) ( b 發(fā)射光子緩變合金圖 平面二極管 LED 的基本結(jié)構(gòu)以及 (a) 不透明襯底 ( ) 與 (b) 透明襯底 ( GaP ) 對 p n 結(jié)光子發(fā)射的效應 y y 1 P GaAs 現(xiàn)代半導體器件物理與工藝 天津工業(yè)大學 光電器件 18 目前最有希望的材料是氮化鎵(Eg=)和相關(guān)的 Ⅲ V族氮化物半導體 ， 如 AlGaInN，其直接禁帶范圍由 。 下圖是平面二極管架構(gòu)的可見光 LED的基本結(jié)構(gòu)圖 。 如對 GaAs1yPy而言 ， 將氮引入晶格取代磷原子后 ， 雖然二者的外圍電子結(jié)構(gòu)很相似 ， 但它們的核心結(jié)構(gòu)卻不太相同 ， 因此會在接近導帶底部的位置建立一個 電子陷阱 能級 ，