激光二极管正向电特性的检测及分析

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《激光生物学报》2017年第3期

摘要：激光二极管是采用化合物材料制作成的多量子阱结构的器件，其具有成本低、功耗低、发光均匀以及稳定性高的优势，在正向偏压下可产生蓝、红、绿等光，是一种应用价值较高的光电子器件。对激光二极管的正向电特性进行研究，能够掌握内部物理机制，增强激光二极管的性能。为增强激光二极管的性能，采用表征方法对发光二极管的电学特性实施精确检测。采用正向交流小信号C-V融合直流I-V特性的方法，获取激光二极管的电参数。结果表明，不同颜色的激光二极管在低频率以及高电压时产生显著的负电容，同电压间呈现指数关系；不同频率下的表观电导，在高电压下随着电压的增大而呈现指数提升，在低电压和高频率时对表观电导造成微弱干扰。

关键词：激光二极管；正向电；特性；检测

1引言

激光二极管是采用化合物材料制作成的多量子阱结构的器件，其具有成本低、功耗低、发光均匀以及稳定性高的优势，在正向偏压下可产生蓝、红、绿等光，是一种应用价值较高的光电子器件。对激光二极管的正向电特性进行研究，能够掌握内部物理机制，增强激光二极管的性能[1]。以往通常采用直流下的电流-电压(I-V)法，分析激光二极管的正向电特性，然而从直流I-V曲线图中获取的信息量有限，并且需要设置大量的假设条件，导致该种方法无法对激光二极管的正向电特性进行准确检测[2]。因此，寻求有效的方法，准确检测激光二极管的正向电特性，变得尤为重要。

2激光二极管正向电特性的检测

2.1并联模式的正向交流小信号检测

通常情况下的p-n结激光二极管的等效电路是由结电容C、结电导G以及串联电阻rs构成。（1）反向或小正向电压下，激光二极管的结电导G值较低[4,5]，存在1,r1ssrGC。（2）高电压情况下结电导G的主要表现是微分电导，其随电压呈现指数增长[6]。此时式(3)中的条件将无法满足，若该种情况下存在较高的结电导G和较低的结电容C。

2.2激光二极管电参数估计

通过上述描述的正向交流小信号法无法获取激光二极管的结特性[8,9]，激光二极管是一种两端子器件，其I-V特性同p-n结器件存在相似性。因此，采用正向交流小信号C-V融合直流I-V特性的方法[10]，获取激光二极管的串联电阻(V)sr、理论型因子n(V)以及结电容C(V)等参量随电压V的变化关系是：将理论型因子n以及串联电阻rs当成受到外部电压和电流变化而出现变化的量。

3激光二极管正向特性的检测实验

蓝激光二极管的表观电容在不同频率状态下随着电压的变化而变化的曲线。电压值比3.0V小的情况下，各频率状态下的C-V曲线基本一致。因为在低电压情况下，扩散电容以及负电容对激光二激光电容的价值度较低，激光二极管的端电容同耗尽层电容间具有较高的关联性[15]，而第正向偏压以及反向偏压状态下的耗尽层电容能够保持平稳，所以各频率下的电容曲线间具有较低的差异性。电压值比3.0V高的情况下，从图1(a)中可以看到10kHz频率状态时，实验检测的蓝激光二极管未出现负电容，其电容值随着电压值的提升而呈现指数提升的趋势[16]；但是在100Hz和1kHz的低频率下，蓝激光二极管的负电容值随着电压的增加而增加，能够看出蓝激光二极管产生负电容情况下的电压同频率间的具有较强的关联性。蓝激光二极管的总中断电容是耗尽层电容、扩散电容以及负电容的汇总，耗尽层电容具有较高的稳定性,扩散电容在电压值提升情况下，呈现指数提升的状态[17]。

当电压值呈现大幅度提升趋势时，负电容对终端电容的影响力逐渐提升，最终高于正扩散电容对总电容的影响力，该种情况下电容将呈现大幅度降低趋势，形成负电容。在100Hz以及1kHz的低频率状态时，蓝激光二极管在较小电压时形成负电容，随着电压的增加，负电容出现了显著的下降趋势。绘制蓝激光二极管的正电容对数ln|Cp|-V曲线，分析蓝极光二极管的电容同电压间的关系。能够看出，在1kHz以及100Hz状态时，由于电压值的不断增加，激光二极管的负电容的绝对值也逐渐增加，各频率下的ln|Cp|-V曲线呈现平行状态。拟合曲线性波动范围能够看出随着电压的提升，负电容出现指数提升趋势，负电容和电压间的关系可用mVpCe描述。基于肖克莱p-n结原理可得电容C同exp(qV/nkT)存在正相关性[18]。其中q表示电子电量，n是理论型因子，k是波尔滋蔓常数，T和V分别表示绝对温度和结电压，高电压状态下，对对数ln|Cp|-V曲线实施拟合操作，能够获取其斜率m的值是10，因此得到理论型因子n为4。

4结束语

本文采用正向交流小信号C-V融合直流I-V特性的方法，获取激光二极管的电参数。通过实验对不同颜色的激光二极管正向电特性进行检测研究，获取的结论为：固定频率状态下，激光二极管的电容随着电压的提升出现先升后降的趋势，最终降低到负值。负电容在电压不断提升下呈现出显著的表观特性。随着电压的提升表观电阻呈现指数提升趋势。

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作者：段文群1，杨建峰2 单位：1.汉江师范学院，2.华为机器有限公司