半导体器件物理：第九章 发光二极管和半导体激光器

1、1907年：Round发现电流通过硅检波器时有黄光发生1923年：Lossev在碳化硅检波器中观察到类似现象1955年：Braunstein首次在III-V族化合物中观察到辐射复合1961年：Gershenzon观察到磷化镓PN结发光1962年：砷化镓发光二极管和激光器研制成功1970年：砷化镓-铝镓砷激光器实现室温连续第九章 发光二极管和半导体激光器9.1 辐射复合与非辐射复合9.1 辐射复合与非辐射复合教学要求：了解文中所述辐射复合和非辐射复合过程。阅读9.4.1说明在GaP LED中N和Zn-O 对复合体的作用。在复合过程中电子多余的能量可以以辐射的形式（发射光子）释放出来，这种复合称为

2、辐射复合，它是光吸收的逆过程。在复合过程中电子的多余能量也可以以其它形式释放出来，而不发射光子，这种复合称为非辐射复合。发光器件利用的是辐射复合过程，非辐射复合过程则是不利的。了解半导体中辐射复合过程和非辐射复合过程是了解光电器件的工作机制和进行器件设计的基础。 9.1 辐射复合与非辐射复合9.1.1辐射复合：1. 带间辐射复合：带间辐射复合是导带中的电子直接跃迁到价带与价带中的空穴复合。发射的光子的能量接近等于半导体材料的禁带宽度。由于半导体材料能带结构的不同，带间辐射复合又可以分为直接辐射复合和间接辐射合两种。图9-1 带间辐射复合9.1 辐射复合与非辐射复合1. 带间辐射复合：(1)直接

3、辐射复合：对于直接带隙半导体，导带极小值和价带极大值发生在布里渊区同一点如图9-1(a)所示。电子在跃迁过程中必须遵守能量守恒和准动量守恒,即：9.1.1 辐射复合：9.1 辐射复合与非辐射复合（9-1-1）（9-1-3） = 跃迁前电子的波矢量， = 跃迁后电子的波矢量， = 跃迁过程中辐射的光子的波矢量。 E2 = 跃迁前电子的能量， E1 = 跃迁后电子的能量， = 辐射光子的能量。 1. 带间辐射复合：由于电子的波矢量（k 2/a 10 8cm-1 ） 可见光子的波矢量（ k光子 2/光子 10 4cm-1 ），因此，电子准动量远大于光子的准动量。由直接辐射复合的准动量守恒可知：9.1

4、.1 辐射复合：9.1 辐射复合与非辐射复合（9-1-2）（9-1-2）式说明这种跃迁发生在k空间的同一地点，因此也被称为竖直跃迁。1. 带间辐射复合：（2）间接辐射复合 在间接带隙半导体中，导带极小值和价带极大值不是发生在布里渊区的同一地点，因此这种跃迁是非竖直跃迁。准动量守恒要求在跃迁过程中必须伴随声子的吸收或放出。即（9-1-4） 为声子的波矢，正号表示放出声子，负号表示吸收声子，相应的能量守恒条件：（9-1-5） 为声子频率， 为声子的能量，一般比电子能量小得多，可以略去。9.1.1 辐射复合：9.1 辐射复合与非辐射复合2. 浅能级和主带之间的复合：它可以是浅施主与价带空穴或浅受主与

5、导带电子之间的的复合，如图9-2所示。图9-2 浅能级与主带之间的复合9.1.1 辐射复合：9.1 辐射复合与非辐射复合3.施主受主对（D-A对）复合：施主受主对复合是施主俘获的电子和受主俘获的空穴之间的复合。复合过程中发射光子，光子能量小于禁带宽度。这是辐射能量小于禁带宽度的一种重要复合发光机制，这种复合也称为D-A对复合。图9-3 D-A对发光中心的能级图 9.1.1 辐射复合：9.1 辐射复合与非辐射复合D-A对复合模型认为，当施主杂质和受主杂质同时以替位原子进入晶格格点并形成近邻时，这些集结成对的施主和受主系统由于距离较近，波函数相互交叠使施主和受主各自的定域场消失而形成偶极势场，从而

6、结合成施主受主对联合发光中心，称为D-A对。 D-A对发光中心的能级如图9-3所示。3. 施主受主对复合:施主俘获电子，受主俘获空穴之后都呈电中性状态。施主上的电子与受主上的空穴复合后，施主再带正电，受主再带负电。所以DA对复合过程是中性组态产生电离施主受主对的过程，故复合是具有库仑作用的。跃迁中库仑作用的强弱取决于施主与受主之间的距离的大小。粗略地以类氢原子模型处理DA对中心。在没有声子参与复合的情况下，发射的光子能量为: （9-1-6）9.1.1 辐射复合：9.1 辐射复合与非辐射复合3. 施主受主对复合:对于GaP材料，不同杂质原子和它们的替位状态会造成D-A对的电离能不同。例如：氧施主

7、和碳受主杂质替代磷的位置，在温度为1.6K时，EIa + EId = 941meV ；而氧施主杂质是磷替位,锌受主杂质是镓替位，在温度为1.6K时，EIa + EId = 956.6 meV 。D-A对的发光在室温下由于与声子相互作用较强，很难发现D-A对复合的线光谱。但是，在低温下可以明显地观察到D-A对发射的线光谱系列。这种发光机构已为实验证实并对发光光谱作出了合理的解释。9.1.1 辐射复合：9.1 辐射复合与非辐射复合4. 通过深能级的复合：电子和空穴通过深能级复合时，辐射的光子能量远小于禁带宽度，发射光的波长远离吸收边。对于窄禁带材料，要得到可见光是困难的，但对于宽禁带材料，这类发光

8、还是有实际意义的，例如GaP中的红色发光，便是属于这类复合。深能级杂质除了对辐射复合有影响外，往往是造成非辐射复合的根源，特别是在直接带隙材料中更是如此。所以在实际工作中，往往需要尽量减少深能级，以提高发光效率。9.1.1 辐射复合：9.1 辐射复合与非辐射复合5. 激子复合： 如果半导体吸收h晶格原子的电负性，则可形成电子的束缚态，称为等电子的电子陷阱，这样的杂质称为等电子受主(如N取代中GaP中的P)。如果等电子杂质的电负性晶格原子的电负性，则形成空穴的束缚态，称为等电子空穴陷阱，该杂质称为等电子施主(如Sb原子取代GaP中P) 。当等电子陷阱俘获了某种载流子以后，成为带电中心，这个带电中

9、心又由库仑作用而俘获带电符号相反的载流子，形成束缚激子。当激子复合时，就能以发射光子的形式释放能量。9.1.1 辐射复合：9.1 辐射复合与非辐射复合图9-5 GaP, GaP:N和GaAs0.55P0.45:NN的等电子陷阱束缚电子的几率密度 在 k空间的分布9.1.1 辐射复合：9.1 辐射复合与非辐射复合6. 等电子陷阱复合:(5) 等电子杂质对电子的束缚是短程力，因此，被束缚的电子定域在杂质原子附近很窄的范围内。电子的波函数在位形空间中的定域是很确定的。根据海森堡测不准关系，电子波函数在动量空间中会扩展到很宽的范围，因而被束缚在等电子陷阱的电子在k空间中从到X的几率分布被改变，使电子在

10、点的几率密度 提高，如图9-5所示。N等电子陷阱的引入，使点出现电子的几率比间接跃迁的GaP材料提高3个数量级左右，从而使电子通过等电子陷阱实现跃迁而无需声子参与，大大地提高了GaP:N 的发光效率 。 非辐射复合是通过半导体材料中非辐射复合中心（又称消光中心）完成的，材料的本底杂质、晶格缺陷、缺陷与杂质的复合体等都可能成为非辐射复合中心。它们对发光的危害很大。许多类型的非辐射复合过程尚不清楚。 图9-6 多声子跃迁 9.1.2 非辐射复合：9.1 辐射复合与非辐射复合1. 多声子跃迁：晶体中电子和空穴复合时，可以激发多个声子的形式放出多余能量。一个声子的能量约为0.06eV。因此，若导带电子

11、的能量全部形成声子，则能产生20多个声子，这么多的声子同时生成的几率很小。但是由于实际晶体总是存在着许多杂质和缺陷，它们在禁带中引入许多分立的能级。当电子依次落在这些能级时，声子也就接连地产生，这就是多声子跃迁，如图9-6所示。图中每一个峰表示一次声子的发射。多声子跃迁是一个几率很低的多级过程。2.俄歇(Auger)过程： 图9-7 各种俄歇过程9.1.2 非辐射复合：9.1 辐射复合与非辐射复合电子和空穴复合时，把多余能量传输给第三个载流子，使它在导带或价带内部激发。第三个载流子在能带的连续态中做多声子发射跃迁，来耗散它多余的能量而回到初始状态。这种复合称为俄歇复合。由于在此过程中得到能量的

12、第三个载流子是在能带的连续态中作多声子发射跃迁，所以俄歇复合是非辐射的。 2.俄歇(Auger)过程： 9.1.2 非辐射复合：9.1 辐射复合与非辐射复合图9-7 各种俄歇过程3. 表面复合:晶体表面处晶格的中断，产生能从周围吸附杂质的悬挂键。因而能够产生高浓度的深的和浅的能级，它们可以充当复合中心。虽然对这些表面态的均匀分布没有确定的论据，当假定是均匀分布时，表面态的分布为 ，与实验的估计良好地一致。由于在表面一个扩散长度以内的电子和空穴的表面复合是通过表面连续态的跃迁进行的，所以容易发生非辐射复合。4. 位错与深能级:位错可以引起发光的猝灭，也可引起老化（发光效率随工作时间的增加而降低）

13、。深能级的研究对了解非辐射跃迁是十分重要的。因为如果存在深能级，并可稳定地俘获多数载流子，少数载流子的寿命将取决于它们和这些深能级上多数载流子的复合几率。发光效率就要下降。9.1.2 非辐射复合：9.1 辐射复合与非辐射复合9.2 LED的基本结构和工作过程9.2 LED的基本结构和工作过程 教学要求:以带间辐射复合为例，画出能带图9-10，说明LED工作原理。1.平面结构镓砷磷红光二极管的结构示意图 图9-9 镓砷磷发光二极管的结构和外形 9.2 LED的基本结构和工作过程 9.2 LED的基本结构和工作过程 2. PN结的电致发光图9-10 PN结的电致发光能带图当PN结正偏时，载流子注入

14、穿越PN结，使得载流子浓度超过热平衡值，形成过量载流子。过量载流子复合，能量以光（光子）的形式释放。在光子发射过程中，我们从偏压的电能量得到光能量。这种现象称为注入式电致发光。在P侧，注入的非平衡少数载流子电子从导带向下跃迁与价带中的空穴复合，发射能量为Eg的光子。在PN结的N侧，注入的非平衡少数载流子空穴与导带电子复合，同样发出能量为Eg的光子。9.3 LED的特性参数 9.3 LED的特性参数教学要求：1. 掌握概念：外量子效率，内量子效率，注射效率，辐射复合效率，逸出概率，峰值波长，主波长，峰值半宽度(FWHM)， 亮度。2. 根据注射效率公式（9-3-4），说明提高注射效率的途径有哪些

15、？3. 导出辐射效率公式（9-3-10）式和（9-3-11）式。4. 根据外量子效率的表达式（9-3-17），指出提高外量子效率的途径。5. 说明光学窗口的作用。9.3.1 I-V特性：发光二极管的电流电压特性和普通二极管大体一致。发光二极管的开启电压很低，GaAs是1.0V，GaAs1-xPx、 Ga1-xAlxAs大约为1.5V，GaP （红光）大约1.8V，GaP （绿光）大约2.0V。工作电流约为10 mA。由于工作电压和工作电流低，使得可以把它们做的很小，以至于看作点光源，这使得LED极适宜用于光显示。 9.3 LED的特性参数9.3.2 量子效率：量子效率是发光二极管特性中一个与辐

16、射量有关的重要参数。它反映了注入载流子复合产生光量子的效率。量子效率又有内量子效率和外量子效率两个概念:外量子效率：单位时间内输出二极管外的光子数目与注入的载流子数目之比。内量子效率：单位时间内半导体的辐射复合产生的光子数与注入的载流子数目之比。 9.3 LED的特性参数9.3.2 量子效率： 1. 注射效率图9-12 带尾对带-带复合的影响 9.3 LED的特性参数（9-3-4）注射效率就是可以产生辐射复合的二极管电流 In 在二极管的总电流 I 中所占的百分比。根据（9-3-4）式提高注射效率的途径是：(a) P区受主浓度要小于 N 区施主浓度，即N+P结。(b) 减小耗尽层中的复合电流。

17、这就要求LED所用的材料和制造工艺尽可能保证晶体完整，尽量避免有害杂质的掺入。(c) 选用电子迁移率比空穴迁移率大的材料。由于III-V族化合物半导体的电子迁移率比空穴迁移率大很多，例如GaAs，所以它们是制造LED的上选材料。9.3.2 量子效率： 1. 注射效率 9.3 LED的特性参数发生辐射复合的电子数与总的注入电子数比：（9-3-7）（9-3-6）（9-3-5）（9-3-8）9.3.2 量子效率：2. 辐射效率: 9.3 LED的特性参数图9-13 三种可能的复合过程带带复合过程和非辐射复合过程相竞争： 以 和 为竞争机制 ：（9-3-11）（9-3-10）9.3.2 量子效率：2.

18、 辐射效率: 9.3 LED的特性参数根据（9-3-10）式，欲提高r ，可采用的方法是减少复合中心密度和增加P区的掺杂浓度Na，而且较高的Na还有降低串联电阻，从而减小正向电压降和欧姆损耗的作用。然而，高的掺杂浓度使得晶体缺陷增加，导致非辐射复合中心 Nt的增加。同时，在讨论注射效率时已经指出，P侧的高掺杂会使注射效率下降。以上分析已为实际所证实。实际证明，对于GaP LED，外部测得的峰值效率发生在 Na = 2.5 1017 cm-3 处。9.3.2 量子效率：2. 辐射效率: 9.3 LED的特性参数根据以上分析，内量子效率可以写作 （9-3-12）3. 逸出几率 ：逸出几率 也叫做出光效率，被定义为PN结辐射复合产生的光子射到晶体外部