半导体发光器件的负电容与高速调制精.docx

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半导体发光器件的负电容与高速调制精

天津大学

硕士学位论文

半导体发光器件的负电容与高速调制

姓名：

曾志斌

申请学位级别：

硕士

专业：

材料物理与化学

指导教师：

王存达

20040101

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

ＡＢＳＴＲＡＣＴ

Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｌｉｇｈｔ—ｅｍｉｔｔｉｎｇｄｉｏｄｅｓ（ＬＥＤｓ）ａｎｄｌａｓｅｒｄｉｏｄｅｓ（ＬＤｓ）ａｒｅｔｗｏｖｅｒｙｉｍｐｏｒｔａｎｔｌｉｇｈｔ－ｅｍｉｔｔｉｎｇｄｅｖｉｃｅｓｄｕｅｔｏｔｈｅｉｒｗｉｄｅａｐｐｌｉｃｍｉｏｎｉｎｍａｎｙｆｉｅｌｄｓ，ｓｕｃｈａｓｄｉｓｐｌａｙ，ｌｉｇｈｔｉｎｇ，ｉｎｔｅｇｒａｔｅｃｉｒｃｕｉｔ，ｌｉｇｈｔ－ｓｔｏｒａｇｅ，ｌｉｇｈｔ—ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，ｅｔｃ．ＩｔｉｓＳＯｉｍｐｏｒｔａｎｔｆｏｒＬＥＤｓｍｉｄＬＤｓｔｈａｔｔｈｅｓｔｕｄｉｅｓｒｅｌａｔｅｄｔｏｔｈｅｉｒｅｌｅｃｔｒｉｃａｌａｎｄｏｐｔｉｃａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎｈａｖｅｂｅｅｎａｖｅｒｙｉｎｔｒｅｓｔｉｎｇｓｕｂｊｅｃｔｉｎｔｈｅｐａｓｔａｎｄｔｏｄａｙ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｎｅｇａｔｉｖｅｃａｐａｃｉｔａｎｃｅｏｆＬＥＤｓａｎｄｈｉｇｈ・ｓｐｅｅｄｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｏｆＬＤｓａｒｅｓｔｕｄｉｅｄａｔｔｈｅｓａｍｅｔｉｍｅ，ａｎｄｏｕｒｗｏｒｋａｎｄａｃｈｉｅｖｅｍｅｎｔｃａｌｌｂｅｓｍｎｍａｒｉｚｅｄａｓｆｏｌｌｏｗｓ：

（１）．Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｖｅｒｉｆｉｅｄｔｈａｔｔｈｅｆｏｒｗａｒｄａｃｓｍａｌｌｓｉｇｒ谢ｍｅｔｈｏｄｄｅｖｅｌｏｐｅｄｂｙＵＳ

ｃｏｕｌｄｂｅａｎａｃｃｕｒａｔｅｍｅｔｈｏｄｔｏｍｅａｓｕｒｅｔｈｅａｃｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｄｉｏｄｅｓ．Ｔｈｅｆｏｒｗａｒｄｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ－ｖｏｌｔａｇｅｓｐｅｃｔｒｕｍｗｉｔｈａｖｅｒｙ１１ｉｇｈｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ，ｏｂｔａｉｎｅｄｂｙｔｈｅｆｏｒｗａｒｄａｃｓｍａｌｌｓｉｇｒ垴ａｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄ．ｃｏｕｌｄｏｆｆｅｒｍｕｃｈｈｅｌｐｔｏａｎａｌｙｚｅｔｈｅｍｉｃｒｏｓｃｏｐｉｃｔｒａｎｓｐｏｒｔｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆａｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｄｉｏｄｅ。

ａｎｄｔｈｕｓｉｓａｇｏｏｄｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｉｔｙｔｏｔｈｅｃｕｒｒｅｎｔｈｉｇｈｌｙ－ｍａｔｕｒｅｒｅｖｅｒｓｅｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ・ｖｏｌｔａｇｅｓｐｅｃｔｒｕｍ．（２）．ＷｅｔｅｓｔｅｄｔｈｅｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆＬＥＤｓｕｓｉｎｇｔｈｅｆｏｒｗａｒｄａｃｓｍａｌｌｓｉｇｎａｌ

ｍｅｔｈｏｄｂａｓｅｄｔｈｅｓｅｒｉｅｓａｎｄｐａｒａｌｌｅｌｍｏｄｅｓ，ａｎｄｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｒｅａｒｅｎｅｇａｔｉｖｅｃａｐａｃｉｔａｎｃｅｉｎｍｏｓｔｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＬＥＤｓ．ＴｈｅｆｕｒｔｈｅｒｅｌｅｃｔｒｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｈｏｗｓｔｈａｔｎｅｇａｔｉｖｅｃａｐａｃｉｔａｎｃｅｏｆＬＥＤｓｉｓｒｅｌａｔｅｄｔｏｔｈｅｒａｄｉａｔｉｖｅｒｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｉｎｊｅｃｔｅｄｃａｒｒｉｅｓ．（３）．Ｏｎｔｈｅｂａｓｉｓｏｆｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｏｆｂｏｔｈｆｏｒｗａｒｄａｃｓｍａｌｌｓｉｇｎａｌａｎｄ

ｅｌｅｃｔｒｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ，ｗｅｍａｄｅａｑｕａｌｉｔａｔｉｖｅｅｘｐｌａｎａｔｉｏｎｔｏｔｈｅｎｅｇａｉｖｅｃａｐａｃｉｔａｎｃｅｏｆＬＥＤｓｆｒｏｍｐｈｙｓｉｃｓｍｅｃｈａｎｉｓｍ，ａｎｄｗｅａｌｓｏｔｒｙｔｏｍａｋｅａｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅｅｘｐｌａｎａｔｉｏｎｔｏｔｈｅｎｅｇａｔｉｖｅｃａｐａｃｉｔａｎｃｅｏｆＬＥＤｓｆｒｏｍｍｉｃｒｏｓｃｏｐｉｃｔｒａｎｓｐｏｒｔｍｅｃｈａｎｉｓｍａｎｄｈａｖｅａｃｑｕｉｒｅｄｓｏｍｅｐｒｏｇｒｅｓｓａｔｔｈｅｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅｅｘｐｌａｎａｔｉｏｎ．

（４）．Ｗｅｍａｄｅａｄｅｔａｉｌｓｎｌｄｙｔｏｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｉｎｔｒｉｎｓｉｃａｎｄｐａｒａｓｉｔｉｃ

ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｐｏｎｓｅｏｆＬＤｓ，ａｎｄｆｉｍｓｈｅｄａｓｙｓｔｅｍｉｃｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎｔｏｔｈｅｍａｉｎｆａｃｔｏｒｓａｆｆｅｃｔｉｎｇｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｉｎｔｒｉｎｓｉｃａｎｄｐａｒａｓｉｔｉｃｆｒｅｑｕｅｎｃｙｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｐｏｎｓｅ．

（５）．Ｆｏｒｔｈｅｆｉｒｓｔｔｉｍｅｗｅｐｕｔｆｏｒｗａｒｄ

ａａｎｏｖｅｌｉｄｅａｔｏｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｔｈｅｐａｒａｓｉｔｉｃｃａｐａｃｉｔａｎｃｅｏｆＬＤｓｂｙｕｓｉｎｇ

ｉｄｅａ’Ｓｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙｉｎｐｒａｃｔｉｃｅ．ｎｅｇａｔｉｖｅｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ．Ｂｅｓｉｄｅｓ，ｗｅａｌｓｏｄｉｓｃｕｓｓｔｈｅ（６）．ＡｎｅｗｓｔｕｄｙｓｕｂｊｅｃｔＷａＳｐｕｔｆｏｒｗａｒｄ，ｗｈｉｃｈｉｓｔｈａｔｗｈａｔｔｈｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｒｅｓｐｏｎｓｅ

ｏｆＬＤｓｗｏｕｌｄｂｅｗｈｅｎｔｈｅｗｈｏｌｅｃａｐａｃｉｔａｎｃｅｏｆＬＤｓｉｓｎｅｇａｔｉｖｅ．Ｔｈｅｎｅｗｓｕｂｊｅｃｔｉｓｗｏｒｔｈｔｏｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｂｅｃａｕｓｅｉｔｐｏｓｓｉｂｌｙｈｉｄｅｓｍｕｃｈｉｍｐｏｒｔａｎｔｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ．

Ｉｎａｗｏｒｄ，ｔｈｅｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅｅｘｐｌａｎａｔｉｏｎｔｏｔｈｅｎｅｇａｔｉｖｅｃａｐａｃｉｔａｎｃｅｏｆＬＥＤｓｈａｓａｖｅｒｙｉｍｐｏｒｔａｎｔｓｉｇＩｌｉｆｉｃａｎｃｅｂｏｔｈｉｎｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｆｉｅｌｄｎｅｇａｔｉｖｅｃａｐａｃｉｔａｎｃｅｏｆＬＥＤｓｃｏｕｌｄｐｏｓｓｉｂｌｙｃａｕｓｅａｎｄｉｎｐｒａｃｔｉｃａｌａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ，ｆｏｒＯｎｓｏｍｅｅｆｆｅｃｔｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ，ｐｕｌｓｅａｎｄｓｗｉｔｃｈｃｉｒｃｕｉｔｓ．Ｂｅｓｉｄｅｓ，ｉｆｉｔｉｓｔｏｐｒｏｖｅｆｅａｓｉｂｌｅｉｎｐｒａｃｔｉｃｅ，ｔｈｅｎｏｖｅｌｉｄｅａｔｏ

ａｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｔｈｅｐａｒａｓｉｔｉｃｃａｐａｃｉｔａｎｃｅｏｆＬＤｓｂｙｕｓｉｎｇｎｅｇａｔｉｖｅｃａｐａｃｉｔａｎｃｅｉｓｒａｔｈｅｒ

ｖａｌｕａｂｌｅ，ｆｏｒｉｔｎｏｔｏｎｌｙｃｏｕｌｄｗｉｄｅｎｐｅｏｐｌｅ’ＳｓｔｕｄｙｔｈｏｕｇｈｔａｂｏｕｔｈｏｗｔｏｍｉｎｉｓｈｔｈｅｐａｒａｓｉｔｉｃｃａｐａｃｉｔａｎｃｅｏｆＬＤｓ，ｂｕｔａｌｓｏｃｏｕｌｄｐｒｏｂａｂｌｙｃａｕｓｅａｐｏｓｉｔｉｖｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｎｔｈｅ

ｌａｓｅｒｓ．ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｗｈｏｌｅｏｆｔｈｅｉｎｄｕｓｔｒｙｏｆｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：

Ｌｉｇｈｔ－ｅｍｉｔｔｉｎｇｄｉｏｄｅ，Ｆｏｒｗａｒｄａｃｓｍａｌｌｓｉｇｎａｌｍｅｔｈｏｄ，

Ｎｅｇａｔｉｖｅｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ，Ｌａｓｅｒｄｉｏｄｅ，Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｂａｎｄｗｉｄｔｈ，Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｒｅｓｐｏｎｓｅ，Ｐａｒａｓｉｔｉｃｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ

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

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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（ＬＥＤ：

ｌｉｇｈｔ－ｅｍｉｔｔｉｎｇｄｉｏｄｅ）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（ＬＤ：

ｌａｓｅｒｄｉｏｄｅ）的结构更为复杂，特性更为优异，４０多年来一直受到科学家们的高度重视。

１９５８年建立了激光器的基本理论，１９６０年证实蓝宝石激光器和Ｈｅ－Ｎｅ激光器能产生激射，１９７０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ＩＳＤＮ、ＬＡＮ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１００ＧＨｚ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１ＧＨｚ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，ＣＤ—ＲＯＭ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【６，１０’１２１，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【１３－１４ｌ，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１９６９年Ｒ．Ｖｏｇｅｌ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，１９９６—１９９９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Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓ、ＨｇＣｄＴｅ、Ｓｅ等多种半导体材料［１３－５ｓ］。

近几年来，我们研究小组就ＧａＮ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【１３Ⅲ，５９１。

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：

①、Ｆ．Ｓａｎｄｏｖａｌ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］；②、ｘ．ｗｕ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３１】；

③、ｃ．Ｈ．Ｃｈａｍｐｎｅｓｓ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】；、

④、Ｔ．Ｎｏｇｕｃｈｉ等人认为负电容与深能级陷阱的充放电效应有关【２１】：

・

⑤、ＥＬｅｍｍｉ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Ｉｓ５】；

⑥、Ｍ．Ｅｒｓｈｏｖ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。

⑦、Ｂ．Ｋ．Ｊｏｎｅｓ．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１０“一ｔ０”Ｈｚ，微波频率为１０”Ｈｚ），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１００ＧＨｚ（＝１ｘ１０“Ｈｚ）的水平㈣，远远低于光载波的频率和光纤的调制带宽（可达２×１０”Ｈｚ）［６ｔ］ｏ因此，为了充分利用光纤的巨大带宽，人们除了发展了ＷＤＭ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．Ｔｕｃｋｅｒ的贡献比较突出，他于上世纪７０年代对半导体激光器的高速调制特性进行了系统的研究【６２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‘６５－９６１，如半绝缘掩埋分布反馈（ＤｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄＦｅｅｄｂａｃｋ，ＤＦＢ）半导体激光器（１．３ｕｒｎ，１８ＧＩ－Ｉｚ），聚酰亚胺掩埋ＤＦＢ－ＬＤ（１．５５ｕｍ，１７ＧＨｚ），限制台面ＤＦＢ．ＬＤ（１．５３ｕｍ，１７ＧＨｚ），Ｆ－Ｐ腔脊波导型激光器（１．１０ｕｍ，３０岱｛ｚ），四量子阱（ＱＷ）半导体激光器（１．５５ｕｒｎ，２５ＧＩ－Ｉｚ）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２０年前的ｌＯＯｐＦ以上减小到目前的ｌｐＦ数量级，调制带宽从２０ＭＨｚ左右提高到２００３年的近１００ＧＨｚ（实验），即使是商用的光纤通信系统，２００３年以来在许多线路上也已经大规模采用了调制频率高达４０ＧＨｚ的半导体激光器１６…。

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＜０．２ｐＦ、寄生电感Ｌ＜０，０５ｎＨ时，半导体激光器可以很容易实现１００ＧＨｚ以上的调制带宽

【６ｑ９７’９９ｌ。

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