实验六半导体发光器件的电致发光测量

半导体发光器件的电致发光测量一、试验内容与目的了解半导体发光材料电致发光的根本概念。了解并把握半导体显微探针测试台、光纤光谱仪的使用。把握半导体发光材料电致发光特性的测量方法。二、试验原理概述辐射跃迁半导体材料受到某种激发时，电子产生由低能级向高能级的跃迁，形成非平衡载流子。这种处于激发态的电了在半导体中运动一段时间后，又回到较低的能量状态，并发生电子-空穴对的复合。复合过程中，电了以不同的形式释放出多余的能量。如跃迁过程伴随着放出光子，这种跃迁成为辐射跃迁。作为半导体发光材料，必需是辐射跃迁占优势。半导体中的主要辐射复合过程包括：带边复合、电子从自由态到束缚态的复合、施主-受主对复合、等电了杂质束缚激子复合、通过深能级的复合等。带边复合包括导带电子与价带空穴复合、自由激子复合、束缚在中性或电离状态的浅施主和受主上的束缚激子复合等。导带的电子跃迁到价带，与价带空穴相复合，伴随的光子放射，称为本征跃迁。明显这种带与带之间的电子跃辽所引起的发光过程，是本征吸取的逆过程。如图6.1(a)所示，对于直接带隙半导体，导带与价带极值都在k空间原点，本征跃迁为直接跃迁。由于直接跃迁的发光过程只涉及一个电了一空穴对和一个光子，其辐射效率较高。直接带隙半导体，包括Ⅱ-Ⅳ族和局部Ⅲ-Ⅴ族〔如GaAs等〕化合物，都是常用的发光材料。如图8.1(b)所示，间接带隙半导体中，导带和价带极值对应于不同的波矢k，这时发生的带与带之间的跃迁是间接跃迁。在间接跃迁过程中，除了放射光子外，还有声子参与。因此，这种跃Ge、Si和局部Ⅲ-Ⅴ族半导体都是间接带隙半导体，它们的发光比较微弱。6.1本征幅射跃迁6.2ην=E−(E+ην=E−(E+E)+g D Aq24πεεr0式中，EDEAε是晶体的低频介电常数。对简洁的替位施主和受主杂质，r只能取一系列的不连续值，因此，施主-受主复合发光是一系列分别谱线，随着r6.3p-n电致发光依据不同的激发过程，可以有各种发光过程，如：光致发光、阴极发光、电致发光等。半导体的电致发光(EL〔电场激发载流子，将电能直接转变成光能的过程。EL包括低场注入型发光和高场电致发光。前者是发光二极管〔LED〕和半导体激光器的根底。本试验只涉及这类EL发光二极管是通过电光转换实现发光的光电子厂器件，是主要的半导体发光器件之一，具有广泛的应用，如各类显示、数据通讯等。特别是通过白色发光二极管实现固体照明，不仅可以节约能源、削减污染，而且体积小、寿命长，因此固态照明已被全世界重视。6.4在双异质结中由宽带隙半导体材料隔开的中间发光区，更高的载流子浓度及载流子限定的改善。全部商用LED都具有p-n结构造，因此以p-np半导体是掺杂了受主杂质，而n型则是掺杂了施主杂质，将两种材料放在一起，即得到p-n结。np型半导体中产生空穴，在其中间产生耗尽层。图6.3p-np-n86〔8.3(b)〕。这样连续发生载流子的集中，即电子由n区注入p区，同时空穴由p区注入到n区。进入p区的电子和进入n载流子不断与多数载流子复合而发光。假设承受异质结，发光效率可以得到显著的提高。图6.4所示为由宽带隙半导体材料隔开的中间发光区，两种类型的过剩载流子从两侧注入并被限制在同一区域，过剩载流子数目显著提高。随着载流子浓度的提高，辐射寿命缩短，导致更为有效的辐射复合。假设中间有源区域减小到10nm或更小就形成量子阱，由于其厚度与德布罗意波长相近，量子力学效应消灭，载流子状态密度变得更高，从而可以获得很高的发光效率。这是目前商用LED对于LEDAlGaA围〕，InAlGaP〔掩盖了红、橙、黄、绿可见光谱区域〕，InGaN〔掩盖绿光、蓝光和紫外光谱〕，GaAsP〔掩盖了从红外到可见光谱中部的很宽的波长范围〕。InGaN是可实现蓝光和紫外光的LED6.5给出了基于InGaN的蓝光LED6.5基于InGaNLED电致发光性质的测量系统6.6电致发光试验系统示意图6.7一台手动式半导体显微探针测试台电致发光谱的测量系统如图6.6所示，其根本构造与光致发光测量装置类似，主要区是用高稳定度直流电源代替了光致发光谱测量中所用的激发光源。针对半导体发光器件的电致发光的测量中，电源与发光器件的连接通常在探针测试台上进展，由金属微探针压在发光器件上预制的电极外表形成欧姆接触，使直流电源输出的电压和电流无损耗地加到被测器件上。实际生产的LED，其核心局部是包含制备于半导体衬底上的量子阱的半导体晶片，称为LED芯片。通常在封装前单个LED芯片的面积小于lmm2，因此探针与其电极的连接需要在显微镜下完成。图6.7显示了一台试验室常用的手动式半导体显微探针测试台，其根本构造包括支架平台，载物台，探针座以及显微系统。其中载物台可通过周密机械机构进展360度自由旋转及X-Y平移，协作探针座的移动保证被测芯片上的任意位置都能被点测到。载物台上有假设干吸附孔，与真空泵连接，能够吸住被测芯片平贴于台面上，防止测试时滑动。探针座上也包含高精度的X-Y-Z线性移动机构，用来移动探针准确点扎到预定的电极上。探针座通过磁力吸附于支架平台上。测摸索针安装于探针座探针针杆上。用于电致发光测试的探针其针尖材质通常为钨，针杆材质为镍，具有小的接触电阻和高的柔性，能与被测芯片外表形成良好接触并不损伤芯片。探针针尖的曲率半径为 1-20μm可选。探针座上引出导线可与直流电源输出端连接。本试验的光谱测量承受微型光纤光谱仪。这类光谱仪具有体积小、即插即用、检测速度快、配置敏捷、操作便利等特点。图6.8为一台USB中内置了先进的探测器和强大的高速电路系统，与扫描式单色仪相比，由于承受了线性探测器阵列，不需要转动光栅来工作，光栅永久固定，保证了性能的长期稳定，并能够实现高速检测，协作电子快门，全谱测量的最短积分时间可到达数毫秒。6.8一台USB〔1〕SMA905线经由SMA905SMA905片等。〔2〕固定入射狭缝，信号光首先通过作为入射孔的固定狭缝。狭缝的宽度从5μm200μm可选。狭缝固定在SMA905〔3〕长通吸取滤光片。准直镜。将入射光准直后，投射到光栅上。〔5〕光栅。〔6〕聚焦镜。将一级衍射光谱聚焦到探测器面板上。〔7〕探测器聚光透镜。被固定于探测器的窗片上，将通过狭缝高度方向的信号光聚焦到窄小的探测器像元上，提高采集信号光的效率。〔8〕探测器。承受包含数千像元的线性CCD阵列。每个像元对不同波长的信号光产生响应。产生的电信号经过软件处理后得到完整的光谱。三、试验方法与步骤试验仪器与材料1探针座：探针：22石英光纤(SMA9051卤钨灯光源(SMA9051高精度直流电源：1微型光纤光谱仪：1微型计算机：1InGaNAIGaAsLED假设干试验方法与操作步骤〔一〕测试系统的连接与调整 用石英光纤连接探针测试台上光收集单元与卤钨灯光源，开启卤钨灯光源，依据被测样品在载物台上的实际位置调整探针测试台上光收集单元的位置与方向，使其出射光斑〔定位光斑〕照耀于显微镜视野可及的区域，作为实际的测试点位置。 以导线连接探针座电极与直流电源输出端。开启直流电源，依据需要调整限流电流〔如为l00〕。 将被测LED芯片放置于载物台上，掩盖其上的吸附孔。开启真空泵和真空阀门开关，使芯片被稳固地吸附于载物台平面上。通过载物台平移机构将芯片移动到定位光斑位置。 关闭卤钨灯光源。将石英光纤连接卤钨灯光源端改接到微型光纤光谱仪的输入端口。用USB连接线连接微型光纤光谱仪与计算机。开启光谱仪电源。启动计算机。启动光谱仪掌握程序。〔二〕探针与电极的连接调整显微镜的倍率，以能够清楚观看探针尖端及LED芯片上电极为度。X/Y测电极移动至显微镜视野中心。待测点位置确认好后，再调整探针座的位置，将探针装上后可先通过目艮视将探针移到接近待测点的位置旁，再使用探针座上下左右三个旋钮，渐渐的通过显微镜观看将探针移至测试点，此时动作肯定要留神，以防动作太大而碰伤到芯片，将探针针尖轻触或略微悬空到待测电极上〔滑动探针可以电极上留下划痕，视为接触〕调整探针座的Z轴旋钮使探针尖扎在待测电极上，确保针尖和电极良好接触。则可以通过连接的测试设各开头测试。〔三〕电致发光的测量 V〔0-4〕，记录直流电压源的输出电流〔驱动电流〕I，绘制LEDI-V数据记录如下：V(v)2.2.62.72.82.933.13.23.33.43.53.63.73.83.945I(mA)0136101419232934404753606775 通过微型光纤光谱仪测量与一组预定的驱动电流值对LED记录的相应的电压与电流值如下：I(mA)I(mA)5V(v) 2.79102.94153.07203.16253.26303.36353.44403.53453.62503.71画的曲线如下：光谱曲线如下：3.积-驱动电流曲线。

依据电致发光谱计算动身光峰的面积，绘制发光峰面计算的面积如下：I(mA)5101520253035404550area43,17549,92053,24860,71691,895167,54244,82341,89415,89500,89.10765.6035.14705.28975.920354.7874.19472.78754.25855.27125555绘的曲线如下：四、思考与争论试举出几种典型的电致发光器件，并进展简要说明。答：如LED灯，半导体激光器等。LED光源，而半导体激光器则恰恰相反，半导体激光器发出的光一般谱线较窄，而且人们期望得到更窄的谱线。介绍几种发光二极管在日常生活中的应用。答：做显示及照明，如LED灯，二极管的报警装置灯等。还可以做指示灯，背光灯灯，比方用作广告牌，车尾灯，背光键盘等。比较发光二极管与光电二极管的工作机理，设计一个由发光二极管和光电二极管组成的运动感知机构。答：发光二极管：利用电的泵