第4章发光二极管(LED)

第3章发光二极管（LED）引言制作LED的材料LED工作原理外量子效率先进LED结构LED性能的影响因素LED的输出功率和调制带宽影响LED稳定性的因素1史上第一只LED1962年美国通用电气实验室的HolonyakN博士研制GaAsP红色LED氮气保护的玻璃封装亮度不够(发光效率<0.1lm/W)不便于安装使用,而且很贵2LED的发展1962年1970年1983年1991年1998年3蓝光LED芯片45I.引言LED是通过自发辐射过程发光的器件，与通过受激辐射发光的半导体激光器相比，其不同之处在于：结构简单；价格低廉；可靠性高。但其不足之处在于：响应速度低；输出功率小；输出频谱宽。6在正向外加偏置下，少数载流子注入P-N结(注入)LED的主要应用场合:信息显示光源（通信、照明等）1.LED器件内部的主要光电过程：(LED功能是将输入的电能转换为光能输出)注入的少数载流子与半导体材料中的多数载流子复合(复合)光子辐射(发光)7改进的LED:高输出功率高响应速度高耦合效率第一代LED:GaAlAs-LED,第二代LED:InGaAsP-LED,LED的划代：8II.LED的材料选择原则发光器件的材料选择，首先要考虑的是器件的发光效率。电子-空穴对的复合过程有两种：辐射复合：产生光子；非辐射复合：不产生光子，能量以其他形式散失。

在LED的发光过程中，两种辐射机理同时存在，要提高器件的发光效率，必须尽量使非辐射复合所占比重更小。间接带隙材料内部的复合过程大多属于非辐射复合，例如俄歇过程。因而半导体光源的材料绝大多数都是直接带隙材料，间接带隙材料无法用于制作光源。例如Si和Ge都不能用于制作半导体光源。9光源的特点和用途发射光子能量接近于材料带隙；可见光区域的光子能量范围：1.7eV-2.8eV；长途通信用光源的光波长在光纤中的损耗要低：1.3和1.55um局域网通信所用光源成本要低：例如GaAs光源（0.85um）与光电检测器的制作过程类似，LED也需要利用外延生长技术生成外延层，在外延层上制作发光区，材料的选择必然受到晶格匹配的限制。常用材料为GaAs系列和InP系列材料，这两类容易满足晶格匹配条件，且材料制作工艺成熟。10可见光的光波波长范围在770-350纳米之间。波长不同的电磁波，引起人眼的颜色感觉不同。770-622nm，感觉为红色；622-597nm，橙色；597-577nm，黄色；577-492nm，绿色；492-455nm，蓝靛色；455-350nm，紫色。110.70.80.91.01.11.21.31.41.5衰减（dB/km）第一窗口第二窗口波长——λ（μm）普通单模光纤的衰减随波长变化示意图6543210。40。2第三窗口

C波段1525~1565nm

1.571.62

L波段12III.LED的工作原理正向偏置条件下，注入少数载流子，并与多数载流子复合，产生光子，光子穿过一定厚度的半导体材料向外辐射，形成光输出。正向偏置，注入少数载流子：电子注入P区，空穴注入N区；少数载流子与多数载流子复合，产生光子；光子出射。描述这一发光过程的效率的参数主要有：辐射效率、注入效率、出光效率以及内量子效率和外量子效率。131.辐射效率其定义为：在载流子复合过程中，辐射复合在总的复合过程中所占的比例。14由于：直接带隙材料间接带隙材料152.注入效率在正向偏置条件下，注入PN结的电流由三部分构成：注入到P区的电子扩散电流Jn；注入到N区的空穴扩散电流Jp；中间耗尽层中由陷阱复合导致的电流JGR

在这三种电流中，只有前两者的复合过程会产生光子，例如Jn注入到P区后，电子成为少数载流子，与P区的空穴复合产生光子。而JGR是由中间耗尽区的陷阱引起的复合所消耗，并不产生光子。由于P区靠近发光表面，因而只有Jn引起的发光才是有效的。注入效率就是注入的Jn在总电流中所占的比例。16光子出射光子被吸收顶层底层17为减少光子的再吸收，提高发光效率，发光区要靠近出射面;提高注入效率，必须尽量提高Jn的值;使用高纯度材料，减少陷阱杂质，可以降低JGR，提高发光效率。18由三种电流的表达式，要增大Jn所占比重，提高注入效率，应该使P区轻掺杂，N区重掺杂，即使用PN+结。对于这种结，ND》NA,且对于III族或者V族元素，电子迁移率要远大于空穴迁移率，因此Jn要远大于Jp，注入效率接近于1。对于同质结来说，存在下列等式：19对于异质结，亦存在下列等式：异质结中，两种材料的带隙差越大，对载流子的限制作用越强，就注入效率越高。203.内量子效率：21在器件设计过程中，P区的掺杂浓度要综合考虑，掺杂浓度低则注入效率高，但辐射效率下降；掺杂浓度高则辐射效率提高，而注入效率降低。激光器工作所需要的典型载流子浓度退简并状态低注入区GaAs半导体激光器在300K时的温度特性辐射复合寿命22复合过程半导体材料中电子-空穴对的复合过程分为两类：辐射复合和非辐射复合。辐射复合：带间复合；浅杂质-带间复合：浅施主-带间复合、导带-浅受主复合；激子复合；施主-受主对复合。非辐射复合：俄歇复合；多声子跃迁；深能级复合中心复合；表面复合。23带间复合浅施主-价带复合导带-浅受主复合施主-受主对复合24DirectPhononAssistedTrapAssistedDonor-AcceptorRelated25直接复合(1)直接复合(2)26陷阱复合(1)陷阱复合(2)27施主-受主对复合(2)施主-受主对复合(1)28有声子参与的俄歇过程29【例题3.1】

一个LED其主体结构为GaAs材料制作的PN结，工作在300K室温条件下，GaAs本征半导体载流子密度为2×106cm-3。PN结的参数如下，求此PN结的注入效率。30【解】

少子浓度为扩散长度为：3132【例题3.2】GaAs材料制作的LED，其参数与例题3.1中相同，假设注入的总的电流为0.35mA，辐射效率为0.5。（1）请计算此LED产生的光子流；（2）GaAs带隙为1.43eV，计算产生的光功率。【解】

注入的电子电流为产生的光子流为3334IV.外量子效率外量子效率表征的是器件的总的发光效率，也称为表观效率，即器件从外界来看的总发光效率。351.出光效率定义：

指从发光面出射的光子数占发光区产生的总的光子数的比例。发光区产生的光子并非都能出射，这是因为在半导体材料中存在多种导致光子损耗的因素：发光区产生的光子需要穿过一定厚度的材料才能到达出射面，在此过程中材料会吸收光子，产生电子-空穴对；到达出射面的光子，由于界面的菲涅尔反射，有一部分光子无法出射，形成菲涅尔反射损耗；在出射界面处，若入射角大于临界角，会发生全反射，因而只有有限角度范围内的光子能够出射。362.提高出光效率的措施（1）尽量减小吸收损耗；容易想到的思路是使用吸收系数小的材料，如间接带隙材料，但这不是好的办法，因为间接带隙材料辐射效率很低；可以考虑减小吸收层的厚度，让发光区尽量靠近表面，但表面陷阱密度高，引起的复合属于非辐射复合，造成器件发光效率下降；有效的方法是使用异质结结构，限制层材料带隙比发光区材料带隙更大，相对于发光区的光子而言是透明的，无吸收。37（2）降低菲涅尔损耗；

+n界面处的反射率为R，这种反射损耗称为菲涅尔损耗。

对于GaAs与空气之间的界面：38两种介质的折射率相差越大，界面处的菲涅尔损耗就越高。降低菲涅尔损耗的措施：在界面处加上一个透明的电介质罩，尽量减小两种介质的折射率差。例如，如果用折射率为1.6的透明材料在GaAs光源外部制作电介质罩，其菲涅尔损耗将从33%降低到15%。39（3）降低表面全反射损耗；

在出射面，如果入射光角度大于临界角，光波会以全反射的形式被反射回器件内部而不是从界面辐射出去。这种损耗称为全反射损耗。

为全反射临界角。例如，对于GaAsP材料制作的LED：403.耦合效率光源发出的光波经过调制变成携带信息的光信号，再耦合进光纤，才能在光纤中以全反射的形式传输。要提高耦合效率，就需要设计更好的光源结构，或者采用合适的耦合结构，使光源发出的光波更好地耦合进光纤。41光纤的全反射角为：其中An为光纤的数值孔径，光源与光纤的最大耦合效率为：42【例题3.3】光束由GaAs材料向空气入射，计算界面处的反射率和全反射角；如果光束是从GaAs向折射率为1.5的玻璃介质入射，计算其反射率和全反射角。若空气介质换为玻璃，反射率和全反射角分别为：结论：采用电介质罩结构，可有效降低菲涅尔损耗和全反射损耗。43【例题3.4】一个出射光能分布符合余弦规律的LED，出射光束耦合进光纤，光纤纤芯折射率1.5，包层折射率1.4，计算光纤的最大接收角和光源与光纤的最大耦合效率。即：LED发出的光波中，最多只有6%能够耦合进光纤。44V.先进的LED结构

1.双异质结LED45双异质结LED：使用大带隙材料的限制层将发光区与出射面隔开，一方面光子出射过程中穿过限制层时不会被吸收；另一方面，可使发光区远离表面缺陷，提高发光效率。中间发光区称为有源区或者激活区，厚度为0.1-0.2um；有源区材料(GaAs)带隙比限制层材料(AlGaAs)带隙小；异质结的生成需要外延生长技术。

双异质结结构可使注入的电子和空穴被两侧势垒有效束缚在中间有源区，使有源区汇聚了较高浓度的载流子，提高了注入效率。无论是电子电流还是空穴电流都是有效注入，都对发光有贡献。462.边辐射LED限制层(将载流子限制在有源区)背反射镜(减少光损耗)光波47①注入的电流被局限在一个带状区域内；②有源区两侧的限制层折射率比有源区低。使光束集中在一个较小区域内出射，光能集中，且由于两侧限制层形成类似平板波导的作用，光束出射时发散角较小，大部分能量集中在较小的锥形角度内，使其与光纤之间的耦合效率较高。有源区两侧的限制层材料的带隙比有源区材料带隙小，形成势垒作用，对载流子有较强的限制，使载流子被束缚在有源区，有源区集中了较高的载流子浓度，提高了注入效率。其中P区一侧形成了电子的势垒，N区一侧形成了空穴的势垒。限制层材料折射率比有源区折射率低，相当于平板波导，光束在界面易形成全反射，对光束有较强的限制作用，使光能集中在较小区域内出射。483.面辐射激光器

通过蚀刻在LED表面形成小孔；将裸光纤插入小孔，用环氧树脂固定，直接与LED耦合；光束出射后直接耦合进光纤。49(a)面辐射LED通过折射率匹配介质与多模光纤耦合(b)面辐射LED通过微透镜与多模光纤耦合50面辐射LED与边辐射LED的光束出射情况51【思考题】为什么在同质结LED中，应该使电子注入电流尽量大，空穴注入电流尽量小，而在异质结LED中，并不需要这样做？与普通的面发射LED相比较，为什么边辐射LED与光纤之间的耦合效率更高？52VI.LED的性能描述LED的光-电特性(P-I特性)

LED属于自发辐射发光，不存在阈值特性。由于器件发热导致输出饱和注入电流输出光功率低注入条件下：53LED的P-I特性：注入电流较小时，输出光功率与注入电流是线性关系，输出光功率随注入电流的增大而线性增加；注入电流越大，器件发热越明显，俄歇复合逐渐加剧；当注入电流增大到一定程度，俄歇复合更加明显，消耗了大量的载流子，输出光功率不再随注入电流增加而增大，即器件的输出达到“饱和”状态。542.LED的频谱特性LED发光机理为自发辐射，产生的大量光子之间频率、相位、方向都互不关联，输出光具有较大的频谱宽度。55LED线宽的估算（以能量表示）：

在低注入条件下

在高注入条件下n为载流子浓度，Nc为导带的有效带边密度。(室温300K)563.LED的瞬态响应57LED调制带宽频率3dB带宽10.5与载流子寿命成正比58注入电流越大，载流子密度就越高，载流子复合加剧，响应速度提高；一个典型的LED其复合寿命在ns量级，带宽在GHz量级。594.LED发光的温度特性温度对LED的工作特性有重要影响，这种影响从两个方面体现出来：(1)在较高温度下，更多的载流子以漏电流的形式到达电极区，而不是相互复合产生光子；(2)温度越高，俄歇复合越强，降低了器件的发光效率。60

低温

漏电流小

(a)注入载流子(空穴)注入载流子(电子)61结温高注入载流子的能级更加分散，有些具有较高能量漏电流大漏电流注入载流子(电子)漏电流62温度对输出光功率的影响：

T1为器件的温度参数，其值越大，器件对温度变化越不敏感，温度特性越好。在注入电流较大的情况下，为了有效抑制器件的温度效应，往往采用脉冲电流源，而不是连续电流源。InGaAsP材料：GaAs材料：63VII.输出功率及调制带宽输出光子流输出光功率为单位时间单位体积内由于辐射复合消耗的载流子数目；为单位时间单位体积内外界注入的载流子数目。64要提高LED的输出光功率，器件设计时需要考虑：注入载流子密度：输出光功率随载流子密度线性变化。器件横截面积：在注入电流密度不变条件下，器件横截面积越大输出光功率越大，呈线性关系。但是，受限于器件的制作工艺，横截面积不可能太大，因面积越大越容易引入缺陷。有源区厚度：其他条件不变时，厚度越大，则发光区体积越大，产生的光子就越多，输出光功率就越大。但响应速度下降。输出功率与带宽存在一定的矛盾关系，器件设计时需综合考虑。65一般情况下:例如有些LED:100.11.010调制带宽(MHz)输出功率(mW)AlGaAsLEDsInGaAsPLEDs66VIII.LED的可靠性及寿命任何器件都有其使用寿命，通常用输出功率的变化来判断LED是否已经达到了其使用寿命。但不同的系统其判别的标准并不相同，例如一般通信系统可以将门限值设定为50%，即当LED发出光功率下降到其额定功率的50%时，认为其到达了使用寿命；而某些对光源功率有更高要求的系统可能将门限值设定得更高一些，比如80%，即当输出功率下降到额定功率的80%时就必须更换。影响LED寿命的因素主要包括：早期失效；反常失效；渐变失效。67（1）早期失效早期失效是指在器件的制作阶段，由于材料质量较差或者制作工艺不成熟，在器件内部造成了大量的缺陷，严重影响了器件的性能。这种失效对于制作者会造成损失，但是对于最终使用者不会带来影响，因为在设备出厂之前有个“考机”过程，即对设备通电达100小时左右，观察是否损坏。带有早期失效的器件，一般无法通过这个过程的检验，因而在出厂前就会被剔除，不可能到使用者手中。68（2）反常失效反常失效是指器件内部的缺陷由于统计性的运动特性，可能会产生聚集，造成器件使用寿命降低。例如，有些带有缺陷的器件，在器件工作温度升高时，会向有源层汇聚，使有源层缺陷密度较高，器件效率及输出功率下降严重。带有反常失效的器件其寿命远大于“考机”时间，因而在出厂前无法剔除，但是其使用寿命比正常寿命要短得多。因而这种缺陷对于使用者来讲危害是比较大的。69（3）渐变失效渐变失效是指质量良好的器件在正常使用时的逐渐老化过程。任何器件在使用过程中其性能会逐渐下降，最终其性能不能满足使用要求。使用寿命一般简称为MTTF(MeanTimeToFailure)不同材料的LED其使用寿命差别较大。GaAsInP70本章主要内容总结

LED的定义

LED的工作过程

辐射效率

注入效率

出光效率

内量子效率

外量子效率

耦合效率

LED线宽（频谱）的估算

先进的LED结构

LED的性能

LED的可靠性71【例题3.5】一个由P-N+型同质结构成的LED，其工作参数如下。计算：（1）器件的总量子效率；（2）单位时间内产生的载流子数目；（3）注入电流I。72（1）器件的总量子效率（外量子效率）：（2）单位时间产生的载流子数目：

出光效率为0.2，即产生的光功率中有20%能够输出，而输出功率为1mW，因而产生的光功率为5mW，对应光子数目为：73（3）注入电流I：总的量子效率的含义是单位时间内输出的光子个数与输入的电子个数的比值