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1、South China Normal University半导体发光与光吸收半导体发光与光吸收 辐射跃迁辐射跃迁半导体光吸收半导体光吸收广州网站建设 http:/South China Normal Universityl 辐射跃迁：处于激发态的电子向较低的能级跃迁，同时发射辐射跃迁：处于激发态的电子向较低的能级跃迁，同时发射 光子的过程。光子的过程。半导体处于非平衡状态，通过一些外加的激发手段达到。半导体处于非平衡状态，通过一些外加的激发手段达到。电致发光：电流激发。电致发光：电流激发。阴极射线发光：电子束激发。阴极射线发光：电子束激发。光致发光：光激发，入射光子能量要大于材料禁带宽度。光致

2、发光：光激发，入射光子能量要大于材料禁带宽度。l 发光波长与能量的关系：发光波长与能量的关系： =c/v=hc/E=1240/E（nm），），E单位为电子伏特（单位为电子伏特（eV） 1、辐射跃迁、辐射跃迁South China Normal Universityl 带带-带跃迁：带跃迁：导带的电子跃迁到价带，与空穴复合。导带的电子跃迁到价带，与空穴复合。 自由载流子复合。自由载流子复合。 F(hv )( hv )2（hv-Eg）1/2 exp-(hv-Eg)/K0T 特征：发光峰在特征：发光峰在Eg附近。发光峰具有一个高能量尾部在附近。发光峰具有一个高能量尾部在hv=Eg处，处，低能量边缘突

3、然截止。在低激发情况，发射峰的半峰宽近似等低能量边缘突然截止。在低激发情况，发射峰的半峰宽近似等于于0.7kT。随掺杂浓度增加，发光峰位置和高能边缘均向高能量。随掺杂浓度增加，发光峰位置和高能边缘均向高能量方向移动。增加激发强度也可导致发光向高能方移动。自吸收方向移动。增加激发强度也可导致发光向高能方移动。自吸收导致实验观测的发光光谱向低能方向漂移。导致实验观测的发光光谱向低能方向漂移。 300K时，时，KT约约26meV。77K时，时，KT约约6.6meV。 1、辐射跃迁、辐射跃迁South China Normal Universityl 自由激子发光：自由激子自由激子发光：自由激子 中的

4、电子和空穴复合发光中的电子和空穴复合发光自由激子：自由电子和自由空穴由与库仑力作用而束缚在一起自由激子：自由电子和自由空穴由与库仑力作用而束缚在一起所形成的系统，可所形成的系统，可在晶体中运动。在晶体中运动。 发光峰能量：发光峰能量：hv=Eg-Eex ，Eex为自由激子束缚能为自由激子束缚能 为电子和空穴的折合质量。为电子和空穴的折合质量。n=1，2 特征：发光峰能量略低于特征：发光峰能量略低于Eg，发光峰尖锐，半峰宽在几个，发光峰尖锐，半峰宽在几个meV 以内，一般在低温下才可观察到。以内，一般在低温下才可观察到。4*022222220001() 13.68rrrexrrrEm qmmEe

5、Vh nmmn rm111rnpmmm 1、辐射跃迁、辐射跃迁South China Normal Universityl 自由激子的声子伴线：自由激子在复合时，发射了一个或多自由激子的声子伴线：自由激子在复合时，发射了一个或多 个声子，同时发出的光子。个声子，同时发出的光子。 发光峰能量：发光峰能量：hv=Eg-Eex-mEp 特征：发光峰一般伴随自由激子峰出现。其与自由激子的能量差特征：发光峰一般伴随自由激子峰出现。其与自由激子的能量差为声子能量。出现多声子伴线时，发射峰之间的能量差相等。为声子能量。出现多声子伴线时，发射峰之间的能量差相等。 横向光学声子（横向光学声子（TO），横向声学声

6、子（），横向声学声子（TA），纵向光学声子），纵向光学声子（LO），纵向声学声子（），纵向声学声子（LA）一般最易观察到纵向光学声子（）一般最易观察到纵向光学声子（LO声子）伴线。声子）伴线。 1、辐射跃迁、辐射跃迁South China Normal Universityl 束缚激子发光：束缚激子发光：束缚束缚激子激子 中的电子和空穴复合发光中的电子和空穴复合发光束缚束缚激子：激子：束缚在杂质或缺陷上的激子，不能在晶体中自由运动。束缚在杂质或缺陷上的激子，不能在晶体中自由运动。 激子可束缚在中性施主，中性受主，电离施主，电离受主上。激子可束缚在中性施主，中性受主，电离施主，电离受主上。 中性

7、施主束缚激子：中性施主束缚激子：D0X 电离施主束缚激子：电离施主束缚激子：D+X 中性受主束缚激子：中性受主束缚激子：A0X 电离受主束缚激子：电离受主束缚激子：A+X 发光峰能量：发光峰能量：hv= Eg-Ex-Eb束缚能：束缚能：Ex+Eb 其中，其中，Ex为自由激子束缚能，为自由激子束缚能，Eb是将自由激子是将自由激子 束缚到杂质中心的附加能。束缚到杂质中心的附加能。 1、辐射跃迁、辐射跃迁South China Normal University 1、辐射跃迁、辐射跃迁l特征：发光峰能量略低于自由激子，发射谱线很窄，半峰宽一般低特征：发光峰能量略低于自由激子，发射谱线很窄，半峰宽一般

8、低 于于1meV。 l判定：低温观察判定：低温观察KT/ EDx0.3。有效质量比，。有效质量比，：me*/mh*，对于电离，对于电离施主，施主，小于小于0.71，系统能量下降，也有认为，系统能量下降，也有认为，小于小于0.2时，束缚激子时，束缚激子（D+X）才是稳定的。对于电离受主束缚激子，只有当）才是稳定的。对于电离受主束缚激子，只有当大于大于1.4时，才时，才可能存在，因此一般电离受主束缚激子很难观察到。可能存在，因此一般电离受主束缚激子很难观察到。束缚激子的声子伴线：束缚激子在复合时，发射了一个或多个声子，同束缚激子的声子伴线：束缚激子在复合时，发射了一个或多个声子，同时发出的光子。时

9、发出的光子。South China Normal Universityl深跃迁：电子从导带跃迁到受主能级，或从施主能级跃迁到价带。深跃迁：电子从导带跃迁到受主能级，或从施主能级跃迁到价带。发光能量：发光能量：hv= Eg-Ei Ei（EA受主束缚能，受主束缚能，ED施主束缚能）施主束缚能）mn*: 电导有效质量，电导有效质量，m0: 电子惯性质量。电子惯性质量。r r: 相对介电常数。相对介电常数。特征：发光峰能量低于激子峰，一般谱线较宽。特征：发光峰能量低于激子峰，一般谱线较宽。当杂质浓度增加时，当杂质浓度增加时，发光峰展宽，峰位能量漂移。发光峰展宽，峰位能量漂移。 1、辐射跃迁、辐射跃迁S

10、outh China Normal University 1、辐射跃迁、辐射跃迁l施主施主-受主对复合发光：施主离子及其束缚的电子和受主受主对复合发光：施主离子及其束缚的电子和受主离子及其束缚的空穴可以构成施主离子及其束缚的空穴可以构成施主-受主对（受主对（D-A对）。对）。发光峰能量：发光峰能量：hv=Eg-（EA+ED）+e2/（4r）。）。r为施主为施主-受受主对的间距。主对的间距。l特征：当特征：当r不是很大（不是很大（10-50晶格常数）可显示为一系列分晶格常数）可显示为一系列分立的谱线，但在立的谱线，但在r较大时，形成一个连续的宽发射谱。随激较大时，形成一个连续的宽发射谱。随激发密

11、度增大，激发近距离的发密度增大，激发近距离的D-A对数目增多，发光峰向高能对数目增多，发光峰向高能方移动。方移动。South China Normal University1、光吸收：光子将电子由低能态激发到更高能态的过程。、光吸收：光子将电子由低能态激发到更高能态的过程。 I=I0exp（-d）, d:光穿过半导体材料的距离，光穿过半导体材料的距离， ：吸收系数：吸收系数 对于直接带隙半导体：对于直接带隙半导体： ：104105/cm2、本征吸收：价带电子吸收能量跃迁到导带的过程。、本征吸收：价带电子吸收能量跃迁到导带的过程。 吸收条件：吸收条件：hvEg 特点：在特点：在10-100meV

12、的能量范围内的能量范围内下降下降3-4个数量级。个数量级。直接带直接带隙半导体的吸收系数与光子能量的关系为：隙半导体的吸收系数与光子能量的关系为： （hv）=A（hv-Eg）1/2，hv Eg =0 ，hvEg 禁带宽度的判断：禁带宽度的判断： 2=A2（hv-Eg） 2、半导体光吸收、半导体光吸收South China Normal University 实际情况：低能方向的吸收系数并不按理论预期下降，实际情况：低能方向的吸收系数并不按理论预期下降，存在吸收带尾，一般是指数下降，与材料的杂质和缺陷，存在吸收带尾，一般是指数下降，与材料的杂质和缺陷，生长质量，声子参与有关。（生长质量，声子参与

13、有关。（1）声子参与，（）声子参与，（2）莫脱）莫脱效应：施主间的平均距离：效应：施主间的平均距离：r=（1/ND）1/3 ，当，当r小于小于2a*，施主电子云交叠。，施主电子云交叠。 高掺杂杂的情况下，吸收边高掺杂杂的情况下，吸收边向高能方向移动。向高能方向移动。(ln)1()Bdd hvk T0Hrnmaam 2、半导体光吸收、半导体光吸收South China Normal University3、激子吸收、激子吸收 吸收峰能量：吸收峰能量：hv=Eg-Eex ，Eex为自由激子束缚能为自由激子束缚能特点：在半导体吸收边的低能侧附近具有一些窄吸收峰，特点：在半导体吸收边的低能侧附近具有一

14、些窄吸收峰，在低温时出现的可能性大。一般只在较纯的样品中才了在低温时出现的可能性大。一般只在较纯的样品中才了观察到，理论上，当自由电子浓度大于观察到，理论上，当自由电子浓度大于5 51010-2-2a a* *-3-3时，激时，激子波函数相互交叠，分立的激子态不在存在。子波函数相互交叠，分立的激子态不在存在。a a* *：激子的：激子的等效玻尔半径等效玻尔半径, ,一般在一般在100100埃数量级。埃数量级。 4*022222220001() 13.68rrrexrrrEm qmmEeVh nmmn 0Hrrmaam111Hrhnmmm 2、半导体光吸收、半导体光吸收South China Normal University4、杂质吸收：、杂质吸收：两类吸收两类吸收：（：（1）施主到导带，价带到受主；（施主到导带，价带到受主；（2）价带到）价带到 施主，受主到导带。施主，受主到导带。特点特点：（：（1）施主到