-半导体发光材料及器件

第1章半导体发光材料及器件光电子材料与器件大纲1.0概述1.1半导体及半导体发光基础1.2半导体发光材料1.3半导体激光器 1.4发光二极管1.0概述

应用领域：信息显示光纤通信固态照明国防

半导体发光二极管半导体激光器

III-V族半导体材料：

GaAs(砷化镓)、GaP(磷化镓)、GaN(氮化镓)、InGaN(铟镓氮)、GaAsP(磷砷化镓)、GaAlAs(镓铝砷)等

II-VI族半导体化合物：

ZnS(硫化锌)、ZnSe(硒化锌)1.0概述

1.1半导体及半导体发光基础 1.1.1半导体物理基础能带、导带、价带、禁带、直接带隙材料、间接带隙材料、本征半导体、非本征半导体、1.1半导体及半导体发光基础

能级：孤立原子中电子的轨道，形成分离的能级。

能带：原子紧密结合时，电子的轨道发生分裂，单个原子中电子的轨道数正比于紧密结合的原子数。轨道能量之差变得非常小，能级可视为近似连续分布，称为能带。

1.1.1半导体物理基础1.1半导体及半导体发光基础 在绝对零度，可以被电子填满的最高能带形成价带。价带之上，电子可以摆脱单个原子束缚，并在整个半导体材料中自由移动的能带，称为导带。对半导体而言，价带与导带之间由禁带相隔。1.1.1半导体物理基础1.1半导体及半导体发光基础 直接带隙和间接带隙半导体：如果导带底与价带顶对应相同的波数，则相应的带隙为直接带隙。如果导带底与价带顶对应不同的波数，则相应的带隙为间接带隙。

p=ħk1.1.1半导体物理基础1.1半导体及半导体发光基础 直接带隙半导体材料：发光器件间接带隙半导体材料：光电探测器1.1.1半导体物理基础1.1半导体及半导体发光基础 本征半导体：本征半导体是纯净而不含任何杂质的理想半导体材料。由于晶体中原子的热振动，价带中的一些电子被激发到导带，同时在价带中留下空穴，形成电子-空穴对。因此，本征半导体中的电子浓度与空穴浓度相等。1.1.1半导体物理基础1.1半导体及半导体发光基础 非本征半导体：本征半导体内引入一定数量的杂质，可以有效改变半导体的导电性质，这种掺有一定数量杂质的半导体称为非本征半导体。1.1.1半导体物理基础本征与非本征半导体的费米能级：1.1半导体及半导体发光基础 1.1.1半导体物理基础费米能级如果一个能带中的某一个能级的能量设为E，则该能级被电子占据的概率是符合一个函数规律的即为f（E），f（E）称为费米函数。

当f（E）=1/2时，得出的E的值对应的能级为费米能级。

一般近似的认为费米能级以下的能级都被电子所填充。电子从费米能级高的一侧向低费米能级一侧流动。1.1半导体及半导体发光基础 热平衡条件下的浓度定律：浓度定律的推论？热平衡？在没有外界影响的条件下，热力学系统的宏观性质不随时间变化的状态。1.1.1半导体物理基础Nc:导带电子状态密度1.1半导体及半导体发光基础PN结：扩散、漂移、自建场、耗尽层、正偏、反偏1.1.1半导体物理基础1.1.1半导体物理基础1.1.2半导体发光一、辐射跃迁：

半导体材料中的电子由高能态向低能态跃迁时，以光子的形式释放多余的能量，这称为辐射跃迁，辐射跃迁的过程也就是半导体材料的发光过程。跃迁是电子-空穴对复合1.1半导体及半导体发光基础1.1.2半导体发光激励：光致发光电致发光1.1半导体及半导体发光基础弛豫：从不稳定到稳定1.1.2半导体发光二、辐射跃迁与非辐射跃迁：电子由较高能级跃迁至低能级并不发出电磁辐射，称作非辐射跃迁。例如，处于亚稳能级的原子和离子在高真空条件下通过辐射过程而跃迁到低能级一般是很慢的，在气体放电现象中它会通过碰撞或者向器壁的扩散而快速地释放能量，从而跃迁到低能级。

1.1半导体及半导体发光基础1.1.2半导体发光同时考虑辐射跃迁过程和非辐射跃迁过程时，则有：

发光效率：

高效率的发光器件需要辐射寿命远小于非辐射寿命。1.1半导体及半导体发光基础1.1.2半导体发光三、直接带隙材料与间接带隙材料的辐射跃迁：1.1半导体及半导体发光基础1.1.2半导体发光普朗克常数=6.626068×10-34m2kg/se=1.6021892×10-19C

1.1半导体及半导体发光基础1.1.2半导体发光光子能量

1.1半导体及半导体发光基础1.2半导体发光材料一、发光材料概述：主要的半导体发光材料为直接带隙的III-V族半导体材料，以及由它们组成的三元、四元固溶体。固溶体指的是矿物一定结晶构造位置上离子的互相置换，而不改变整个晶体的结构及对称性等。

1.2半导体发光材料室温下III-V族发光材料的发射波长范围发射波段宽的材料有什么相同点？一、发光材料概述：1.2半导体发光材料

半导体发光材料的发光范围覆盖了紫外、可见光到红外的很宽范围的光谱。在具体应用中，根据需要，为了获得特定波长范围的自发或受激辐射光波，则需选择合适的半导体发光材料。半导体材料多元固溶体的带隙随成分的比例而变化，可以获得不同的发射波长。一、发光材料概述：1.2半导体发光材料GaAsGaAs是一种重要的III-V族化合物半导体，典型的直接跃迁型发光材料。直接跃迁发射的光子能量在1.42ev左右，相应波长在873nm附近，属于近红外波段。

二、典型半导体发光材料1.2半导体发光材料GaP

间接带隙宽度2.26eV，典型的间接发光材料。在GaP中通过掺入杂质（N)，产生等电子陷阱，俘获激子，通过激子复合实现发光。在半导体发光材料中具有较高的发光效率。并且通过掺入不同的发光中心，可以直接输出红、绿、黄灯等种不同颜色的光。二、典型半导体发光材料1.2半导体发光材料激子：空穴带正电，自由电子带负电，它们之间的库仑吸引互作用在一定的条件下会使它们在空间上束缚在一起，这样形成的复合体称为激子。二、典型半导体发光材料1.2半导体发光材料激子的俘获：一个电荷(电子或空穴)首先被缺陷的近程势所束缚,使缺陷中心带电,然后再通过库仑互作用(远程势)束缚一个电荷相反的空穴或电子,形成束缚激子。二、典型半导体发光材料1.2半导体发光材料激子的复合发光：在间接带半导体材料中,由于动量选择定则的限制,材料的发光通常是很弱的,但如果存在束缚激子,其波函数在空间上是局域化的,因而发光跃迁的动量选择定则大大放松,无须声子参与就可能具有很大的发光跃迁几率.这样,间接带材料的发光效率将大大增强。二、典型半导体发光材料1.2半导体发光材料海森伯测不准原理：△q△p≥h/4π

设想用一个γ射线显微镜来观察一个电子的坐标，因为γ射线显微镜的分辨本领受到波长λ的限制，所用光的波长λ越短，显微镜的分辨率越高，从而测定电子坐标不确定的程度△q就越小，所以△q∝λ。但另一方面，光照射到电子，可以看成是光量子和电子的碰撞，波长λ越短，光量子的动量就越大，所以有△p∝1/λ。二、典型半导体发光材料1.2半导体发光材料GaN

直接跃迁型半导体材料，具有带隙宽、热导率高、化学性能稳定的特点。室温条件下，带隙宽度

二、典型半导体发光材料1.2半导体发光材料GaN与III族氮化物半导体InN及AlN的性质接近，均为直接跃迁型半导体材料，它们构成的三元固溶体的带隙可以从1.9eV连续变化到6.2eV。

GaN是性能优良的短波长半导体发光材料，可用于蓝光及紫光发光器件。二、典型半导体发光材料1.2半导体发光材料InGaAsP

四元固溶体。通过组分x和y的调节，覆盖波长范围从870nm(GaAs)至3.5μm(InAs)，该范围包含了光纤通讯波长1.3和1.55μm。光纤通讯所用1.3和1.55μm半导体光源即主要采用InGaAsP材料。二、典型半导体发光材料1.2半导体发光材料ZnS（荧光粉）II-VI族半导体化合物，带隙宽度为3.6eV。使用ZnS粉末，用Cu作为激活剂，可以在交流驱动下，实现场致发光。发光光谱可覆盖整个可见光波段。二、典型半导体发光材料发光二极管LightEmittingDiode1.3发光二极管大功率3W，5WRGB三基色LED灯1.发光二极管的管芯是PN结，构成PN结的材料为直接带隙材料；

2、当加正向偏置时势垒下降，p区和n区的多数载流子向对方扩散。由于电子迁移率μ比空穴迁移率大得多，出现大量电子向P区扩散，构成对P区少数载流子的注入。这些电子与价带上的空穴复合，复合时得到的能量以光能的形式释放。这就是P-N结发光的原理。

3当注入正向电流时，注入结区的非平衡载流子在扩散过程中自发辐射发出非相干光。在发光二极管的结构中不存在谐振腔，也不需要粒子数反转。1.3发光二极管一、工作原理全内反射造成大部分光复发逃逸形成有效光辐射；只有小于全反射临界角的光才能形成部分反射大部分离开发光二极管，形成有效的光辐射。例如GaAs-空气界面的临界角只有16°。1.3发光二极管

二、基本结构同质结LED在基底上依次生长一层n型层和p型层，p型层相对较薄，以减少半导体材料的再吸收，有利于辐射符合产生的光子逃逸。1.3发光二极管

二、基本结构指通常所说的LED的发光角度，θ1/2是指发光强度值为轴向强度值一半的方向与发光轴线（法线）的夹角，2θ1/2指左右两个方向的夹角之和。如下图所示一般贴片LED系列的发光角度为110至120度之间，行业一般标注120度。2.异质结LED

作用：由于ALGaAs的带隙宽于GaAs，在GaAs中发射的光子不被ALGaAs吸收，减小光吸收

P-AIxGa1-xAsN-AIyGa1-yAsP-GaAs光输出1.3发光二极管

二、基本结构1.3发光二极管

二、光谱分布-半高全宽（FWHM）量子效率：复合载流子产生的光子数/复合载流子总数）×100%自发辐射；非相干光源，光束发散角大（120*30deg），光谱宽度一般为几十个nm;没有谐振腔；没有阈值，输出功率基本上与注入电流成正比1.3发光二极管

三、主要特性发光二极管替代白炽灯、荧光灯等传统光源，由于发光二极管采用材料均为固态材料，发光二极管照明亦称为固态照明。原理：二波长光混色(蓝色光+黄色光)GaN芯片发蓝光（λp=465nm）；蓝光激发Ce(铈)：YAG（Y3Al5O12，Y2O3和Al2O3的摩尔比为3：5

）荧光粉，发射黄色光，峰值550nm；蓝光和黄光混合，得到白光。1.3发光二极管

四、固态照明-白光LED2.结构：蓝光LED基片安装在碗形反射腔中，覆盖以混有YAG的树脂薄层，约200-500nm。

1.3发光二极管

四、白光LED

在同一个发光单元中有三种颜色的LED，LED紧密排列，这样可使得各LED的光斑人眼中成像重叠;1.3发光二极管

五、全彩LED

独立控制发光单元中的三种发光二极管的灰度级别，亦即控制每个发光单元中的红、绿、蓝三种颜色各自的亮度，就可使发光单元调配出多种不同的颜色。1.3发光二极管优点：●寿命长,理论上为10萬小時，一般大於5萬小時。（是荧光灯的10倍）●发热量低，耗电量小,白炽灯的1/8,荧光灯的1/3）●体积小,重量轻,可封裝成各种类型●坚固耐用,不怕震动。环氧树脂封装，防水，耐恶劣环境使用1.3发光二极管●多色显示,利用RGB可实现七彩色显示。●工作溫度穩定性好。●响应时间快,一般為毫微秒(ns)級。●冷光，不是熱光源。●電壓低,可以用太陽能電池作電源1.3发光二极管应用：亮化工程景观、装饰灯

作为一种冷光源，LED照明灯具有绿色环保、节能、色彩绚丽等传统光源不可比拟的优点，对美化城市、塑造景观有重要作用。白光照明：

已开始从小功率白光LED灯用起，如、手电筒、太阳能灯等，并逐步向白光照明迈进，将逐步取代白炽灯、钨丝灯和荧光灯大、中、小屏幕显示器：

各种广告牌、体育记分牌、金融和交通指示牌等1.3发光二极管交通信号灯：

主要用超高亮度红、绿、黄色LED背光源：

主要是液晶LCD显示器上用的背光源，LED在背光源上的用量占30%的份额。LED指示灯：广泛用于各种家电，仪器，设备之电源指示1.3发光二极管LED强光手电筒的选用及与普通手电筒的区别LED手电用多支二极管组成应用：电视遥控器

1956年第一个现代的无线遥控装置，利用超声波来调频道和音量，每个按键发出的频率不一样。1.3发光二极管

1980年，出现了基于红外发光二极管和光电二极管的遥控器，慢慢取代了超声波控制装置。目前大量使用的红外发光二极管，波长为940nm左右。1.3发光二极管IRM3638型红外接收头：适宜对波长为940nm、调制频率为38kHz红外脉冲信号的接收。当信号强度达到IRM的接收要求时，只需接收6个脉冲就能可靠触发输出低电平信号。一旦IRM接收不到符合要求的红外信号将输出高电平。1.3发光二极管1.4.1半导体激光器的工作原理1.4.2法布里-珀罗激光二极管1.4.3分布反馈式激光二极管1.4.4半导体激光器的特性1.4半导体激光器(Laserdiode)1.4半导体激光器(laserdiode)1.激光：英文LASER是LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation(受激辐射放大光)的缩写。2.半导体激光器（LD）：又名激光二极管（LaserDiode），是以半导体材料作为工作物质的激光器，是实际应用中最重要的一类激光器。3.特点：超小型、高效率、寿命长、结构简单、价格便宜；采用注入电流的方式泵浦；工作电压电流与集成电路兼容，可与之单片集成。4.应用：在光纤通信、激光唱片、光存储、全息照相、数码显示，激光打印，激光测距、医疗军事等领域得到广泛的应用。在光信息处理、光计算等新领域也将发挥重要的作用。1.受激吸收：在电流或光作用下，价带中的电子获得能量跃迁的导带中，在价带中留下一个空穴，称为受激吸收。这就必须要有足够强的电流注入，即有足够的粒子数反转，粒子数反转程度越高，得到的增益就越大，即要求必须满足一定的电流阈值条件。2.自发辐射与受激辐射：导带的电子不稳定，向价带跃迁与空穴复合而放出光子——光辐射。如果跃迁是自发的，则光子具有随机的方向、相位及偏振态，称为自发辐射；如果受到入射光子的激励，辐射的光子与入射光子有相同的方向、相位及偏振态，称为受激辐射。光作用下的跃迁和辐射E2-E1=hvE1E2(a)受激跃迁hvE1E2(b)自发辐射：非相干光hvE1E2(c)受激辐射：相干光hvhvhv

一、半导体激光器历史和发展1917年，爱因斯坦提出“受激辐射”的概念；1954年，微波量子放大器出现；1960年，红宝石激光器；

半导体激光器的工作原理1、半导体激光器的基本原理电子能导带跃迁进入价带，典型的情况是从导带底跃迁进入价带顶。费米-狄拉克统计规律：导带电子优先占据能量低的能级；价带电子优先占据能量低的能级，等同于价带空穴优先占据能量高的能级。

1962年，GaAs激光器，77K的温度下，脉冲输出；1970年，半导体激光器的室温下连续输出；波长范围履盖了可见光到长波红外，寿命百万小时，室温下连续工作，输出功率由几毫瓦到千瓦级。半导体激光器的工作原理

缺点:激光性能受温度影响大；光束的发散角较大(一般在几度到20度之间)。准直器（两个半柱透镜）半导体激光器的工作原理二、半导体激光器的优点和缺点优点：结构简单；电流泵浦，功率转换效率高(最大可达50%)，便于调制；

半导体激光器的工作原理三、产生激光的4个条件：合适的工作物质例如：氦氖激光器-氖原子红宝石激光器-CrO3泵浦（气体放电-光泵浦）粒子数反转（能级、热平衡）在没有外界影响的条件下，热力学系统的宏观性质不随时间变化的状态。谐振腔半导体激光器的工作原理半导体激光器的一般构成

LD的通用结构构成部分：1.有源区

有源区是实现粒子数反转分布、有光增益的区域。2.光反馈装置

在光学谐振腔内提供必要的正反馈以促进激光振荡。3.频率选择元件用来选择由光反馈装置决定的所有纵模中的一个模式。4.光波导

用于对所产生的光波在器件内部进行引导。LD的结构：简并型半导体、费米能级与PN结半导体激光器的工作原理简并半导体：当杂质浓度超过一定数量后，载流子开始简并化的现象称为重掺杂（施主杂质或是受主杂质的浓度很大），即费米能级进入了价带或导带的半导体。简并参杂半导体pn结的能带结构图

半导体激光器的工作原理五、粒子数反转：当加在PN结上的正向电压超过某一值（eV>Eg）后，PN结的某段区域中导带底的电子数大于价带顶电子数，出现粒子数反转。该区域称为增益区(有源区)。半导体激光器的工作原理粒子数反转的理解：外电场、电子和空穴的注入、扩散、复合。在PN结的某段区域，自由电子、空穴的浓度同时增大（电子占据导带的概率提高，占据价带的概率减小）。当电流增加到某个值时，自由电子、空穴的浓度足够大，实现粒子数反转。半导体激光器的工作原理简并半导体形成的PN结，在热平衡时，N区导带底被电子占据的概率>P区价带顶被电子占据的概率N区和P区被耗尽层分割，N区自由电子不能进入P区复合。当正偏时，外加加压减小了耗尽层厚度，当外加电压为Eg时，耗尽层消失，P区和N区接触。半导体激光器的工作原理半导体激光器的工作原理GaAs的禁带宽度：1.42eV普朗克常数=6.626068×10-34m2kg/se=1.6021892×10-19C

半导体激光器的工作原理常用半导体材料的禁带宽度：Ge、Si、GaAs0.66eV、1.12eV、1.42eV半导体激光器的工作原理P－N结的厚度仅几十微米；谐振腔一般是直接利用垂直于P－N结的两个端面（解理面）GaAs的折射率n＝3.6，反射率0.32，另一面镀全反射膜。六、法布里-珀罗腔，简记为F-P腔半导体激光器的工作原理半导体激光器的工作原理光正入射的发射率：

Rs=Rp=((n2-n1)/(n2-n1))2半导体激光器的工作原理F-P腔：平行平面腔，它由两块平行平面反射镜组成。又称为法布里-珀罗干涉仪，简记为F-P腔。半导体激光器的工作原理

半导体激光器是用PN结作激活区，用半导体天然解里面作为反射镜组成谐振腔，外加正向偏压作为泵浦源。外加正向偏压将N区的电子、P区的空穴注入到PN结，实现了粒子数反转分布.半导体激光器的工作原理

初始的光场来源于导带电子的自发辐射，方向杂乱无章，其中偏离轴向的光子很快逸出腔外，沿轴向运动的光子就成为受激辐射的外界因素，使之产生受激辐射而发射全同光子。半导体激光器的工作原理

这些光子通过反射镜往返反射不断通过激活物质，使受激辐射过程如雪崩般地加剧，从而使光得到放大。在反射系数小于1的反射镜中输出。半导体激光器的工作原理半导体激光器的特性光学特性：一.光谱：峰值波长、光谱宽度、波长温度系数二.模式：纵模（频率）横模（与谐振腔垂直的平面上光场的分布）半导体激光器的工作原理纵模的性质：纵模数随注入电流而变，电流越高，模数约少（主模增益增加。边模增益减少）；峰值波长随温度变化动态谱线展宽（注入电流变化、载流子浓度改变、有源区折射率改变）半导体激光器的工作原理半导体激光器的特性半导体激光器的工作原理半导体激光器的特性三.发光面积、发散角激光在输出镜上的面积；垂直于PN结的发散角大，几十度（快轴）平行于PN结的发散角小，几度（慢轴）四.光功率半导体激光器的工作原理半导体激光器的特性五、偏振：TE：电场的振动方向平行于有源层（横电场）TM：电场振动方向垂直于有源层（横磁场）

TE模更容易产生，特别是光功率较小时。1.4半导体激光器(laserdiode)1.4.1半导体激光器的工作原理半导体激光器的特性电学特性：五.工作电压：2~3V左右

半导体激光器的电源是恒压源还是恒流源？六.阈值电流七.PI特性八.调制带宽半导体激光器的工作原理半导体激光器的特性PI特性半导体激光器的工作原理半导体激光器的特性LD的远场特性几种典型的LD1.同质结半导体激光器最简单的半导体激光器由一个薄有源层（厚度0.1微米）P型和N型限制层构成。同质结LD双异质结半导体激光器

有效降低阈值电流，一方面要对载流子进行限制，即将注入的载流子限制在结附近的极小区域内，这样可以以较小的注入电流实现粒子数反转所需要的载流子浓度；另一方面，也需要一定的波导结构将光子限定在有源区附近，这可以增加光子密度，提高受激辐射的概率。

利用双异质结结构的半导体激光器可以同时实现对载流子和光子的限制。半导体双异质结是窄带隙的半导体有源层夹在宽带隙的半导体材料之间形成的结构。由于宽带隙的半导体材料相比于窄带隙的半导体材料具有更低的折射率，这就使得该结构相当于二维层状介质波导，因此可以在垂直于结平面方向上同时有效地限制载流子和光子。异质结半导体激光器为了获得较高的势垒要求两种材料的禁带宽度有较大的差值。双异质结半导体激光器双异质结半导体激光器由于p-p异质结和p-n异质结对注入有源层的电子和空穴分别存在势垒，阻止电子和空穴的继续漂移，电子和空穴因此在有源层大量聚集，形成粒子数反转。另外，GaAs相比于AlGaAs具有更高的折射率，因此形成二维介质波导将光子约束在有源层中，从而降低了光子的损耗，提高了光子密度。1、谐振腔对激光频率的约束：

nL=(λ/2)Kλ=2nL/K(K=1,2,3…..)f=ck/2nL(K=1,2,3)Δf=c/2nL

分布反馈及分布布拉格半导体激光器分布反馈式LD分布反馈及分布布拉格半导体激光器2、法布里-珀罗（F-P）半导体激光器的缺点：腔长一般为数百个微米，难以实现单纵模输出。满足不了光纤通信的需要（单模光纤）分布反馈激光二极管3、DFB-LD的谐振：沿有源层长度方向的折射率周期性变化（波纹状）