半导体发光材料及器件-课件

光电子材料光电子材料1以光子、电子为载体，处理、存储和传递信息的材料。已使用的光电子材料主要分为光学功能材料、激光材料、发光材料、光电信息传输材料（主要是光导纤维）、光电存储材料、光电转换材料、光电显示材料（如电致发光材料和液晶显示材料）和光电集成材料。以光子、电子为载体，处理、存储和传递信息的21.0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发光二极管1.4半导体激光器第1章半导体发光材料及器件1.0概述第1章半导体发光材料及器件31.0概述

应用领域：信息显示光纤通信固态照明国防1.0概述

应用领域：4元素半导体：Si，Ge（IV族）

III-V族半导体：GaAs,InP化合物半导体II-VI族半导体：ZnSIV-IV族半导体：SiC1、半导体的种类元素半导体：Si，Ge（IV族）1、半导体的种类5固体材料的种类:

(根据原子、分子或分子团在三维空间中排列的有序程度的不同)整个晶体中排列有序不存在长程有序或几个尺度内有序在小区域内完全有序无定形（非晶）多晶单晶2、晶体结构应用无定形硅薄膜--加工液晶显示器多晶硅-----太阳能电池单晶硅-电子器件集成电路制造6固体材料的种类: (根据原子、分子或分子团在三维空间中排单晶体中的原子或分子在三维空间中有序排列，具有几何周期重复性。晶格：把单晶体中的原子或分子抽象成数学上的几何点，这些点的集合被称为晶格。或晶体的原子按一定规律在空间周期性排列形成格点，成为晶格。晶体中的原子或分子位于晶格点上。7单晶体中的原子或分子在三维空间中有序排列，7金刚石结构原子结合形式：共价键形成的晶体结构：构成一个正四面体，具有金刚石晶体结构半导体有:

元素半导体如Si、Ge

金刚石结构3、常见晶体结构金刚石结构原子结合形式：共价键半导体有:元素半8化合物半导体:GaAs、InP、ZnS闪锌矿结构金刚石型VS闪锌矿型化合物半导体:GaAs、InP、ZnS闪锌矿结9纤锌矿结构

六方晶系简单六方格子与纤锌矿结构同类的晶体：BeO、ZnO、AlNS2-六方紧密堆积排列Zn2+填充在四面体空隙中，只占据了1/2纤锌矿结构

六方晶系S2-六方紧密堆积排列10+14n=3四个电子n=28个电子n=12个电子SiH孤立原子中的电子：能级是量子化的。1、能带

1.1半导体及半导体发光基础1.1.1半导体物理基础+14n=3n=2n=1SiH孤立原子中的电子：能级是量子化11

电子不仅可以围绕自身原子核旋转，而且可以转到另一个原子周围，即同一个电子可以被多个原子共有，电子不再完全局限在某一个原子上，可以由一个原子转到相邻原子，将可以在整个晶体中运动。

晶体中的电子特点：1.外层电子受原子束缚轻，电子壳层交叠大，共有化运动显著;

2.电子只能在相同支壳层之间转移12电子不仅可以围绕自身原子核旋转，而且可以转晶体中能级能带当原子之间距离逐步接近时，原子周围电子的能级逐步转变为能带。13能级能带当原子之间距离逐步接近时，允带：允许电子存在的能量围。禁带：不允许电子存在的能量范围。价带：在绝对零度，可以被电子填满的最高能带。导带：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。禁带宽度：单位是能量单位：eV（电子伏特）。允带：允许电子存在的能量围。14金属（导体）、半导体、绝缘体能带示意图

金属(导体)：导带被电子部分占满，在电场作用下这些电子可以导电。15金属（导体）、半导体、绝缘体能带示意图金属(导体)：导带被金属（导体）、半导体、绝缘体能带示意图

半导体：在绝对零度下，导带全空，价带全满，不导电。禁带比较窄，常温下部分价带电子被激发到空的导带，形成有少数电子填充的导带和留有少数空穴的价带，都能导电。硅1.12eV锗0.67eV砷化镓1.42eV16金属（导体）、半导体、绝缘体能带示意图半导体：在绝对零度下金属（导体）、半导体、绝缘体能带示意图

绝缘体：价带全满，禁带很宽，价带电子常温下不能被激发到空的导带，故常温下不导电。3~6eV17金属（导体）、半导体、绝缘体能带示意图绝缘体：价带全满，禁2、空穴（hole）

价带中由于少了一些电子，在价带顶部附近出现了一些空的量子状态，称之为空穴（带正电）。2、空穴（hole）价带中由于少了一些电子，在价带顶部附18价带电子运动可以看作空穴的运动。在半导体中，导带的电子和价带的空穴均参与导电这与金属（导体）导电有很大的区别。载流子：半导体中，导带中的电子和价带中的空穴统称为载流子。19价带电子运动可以看作空穴的运动。19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。3、本征半导体和非本征半导体

（1）本征半导体热平衡条件下的浓度定律：本征半导体是纯净而不含任何杂质的理想半导体材20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。（2）非本征半导体非本征半导体是制造各种半导体器件的基础。由于杂质和缺陷的存在，会使严格按周期排列的原子所产生的周期性势场受到破坏，有可能在禁带中引入允许电子存在的能量状态（即能级），从而对半导体的性质产生决定性的影响。

本征半导体内引入一定数量的杂质，可以有21杂质来源1）制备半导体的原材料纯度不够高2）半导体单晶制备过程中及器件制造过程中的沾污3）为了半导体的性质而人为地掺入某种化学元素的原子根据对载流子浓度的影响的不同，杂质可分为:

施主(donor)

杂质（高价元素）---N型半导体受主(acceptor)杂质（低价元素）---P型半导体22杂质来源1）制备半导体的原材料纯度不够高根据对载流子浓度的影硅中掺入磷(P)，当一个磷原子占据了硅原子的位置，一个硅原子被一个带有5个价电子的磷原子所取代（或替补），其中4个价电子与周围的4个硅原子形成共价键，还剩余一个价电子。1）N型半导体

准自由电子23硅中掺入磷(P)，当一个磷原子占据了硅原子的1）N准自由电子磷原子成为1个带有1个正电荷的磷离子(P+)称为正电中心磷离子，其效果相当于形成了一个正电中心和一个多余的电子。24准自由电子磷原子成为1个带有1个正电荷的

准自由电子

原子对剩余的这个价电子的束缚能力较弱，只需获得较小的能量就可以脱离磷原子的束缚成为可以传导电流的准自由电子。此电子被施给了导带，磷原子因此被称为施主。由于带负电载流子增加，硅变成N型。25准自由电子原子对剩余的这个价电子的N型半导体：掺入了施主杂质的半导体中，热平衡状态下的准自由电子浓度大于空穴浓度，称这样的半导体为N型半导体。杂质浓度ND>>本征载流子浓度niN型半导体中n0>>P0，电子为多数载流子，空穴为少数载流子。热平衡状态下，掺有浓度为ND的施主杂质的半导体中，空穴和准自由电子的浓度分别为26N型半导体：掺入了施主杂质的半导体中，热平衡状态

硅中掺入硼（B），当一个带有3个价电子的硼原子占据了硅原子的位置，它和周围的4个硅原子形成共价键时，还缺少一个电子，必须从别处的硅原子中夺取一个价电子，于是在硅晶体的共价键中产生了一个空穴。2）P型半导体

27硅中掺入硼（B），当一个带有3个价电子的硼原子占据

硼原子成为一个带有一个负电荷的硼离子（B-），称为负电中心硼离子。其效果相当于形成了一个负电中心和一个多余的空穴。

掺有受主杂质的半导体称为P型半导体。

价带中形成一个带正电的空穴，此即为P型半导体而硼原子则被称为受主。28硼原子成为一个带有一个负电荷的硼离子（B-），称为多余的空穴束缚在负电中心周围，但这种束缚作用比共价键的束缚作用弱得多，只要很小的能量就可以使多余空穴挣脱束缚，成为自由空穴在晶格中运动，起到导电的作用。这时硼原子就成了一个多了一个价电子的硼离子，它是一个不能移动的负电中心。29多余的空穴束缚在负电中心周围，但这种束缚作用29热平衡状态下，掺有浓度为NA的受主杂质的半导体中，空穴和准自由电子的浓度分别为掺入受主杂质的半导体中，热平衡状态下的空穴浓度大于准自由电子浓度，称这样的半导体为P型半导体。杂质浓度NA>>本征载流子浓度ni在P型半导体中p0>>n0

，空穴为多数载流子，电子为少数载流子。30热平衡状态下，掺有浓度为NA的受主杂质的半导掺入受主掺杂：引入其它原子来改变半导体电性能的方法施主杂质：在半导体中提供准自由电子的杂质对于Si而言掺入的施主杂质一般为V族元素，如磷P、As等；ND

≡施主杂质浓度[cm-3]一般情况下ND>>ni

(1015~1020)常温下，施主杂质完全电离

3）

掺杂与杂质半导体--总结

31掺杂：引入其它原子来改变半导体电性能的方法3）掺杂与杂质半受主杂质：在半导体中提供空穴的杂质对于Si而言掺入的受主杂质一般为III族元素，如硼B、Ga等；NA

≡受主杂质浓度[cm-3]一般情况下NA>>ni

(NA：1015~1020cm-3)常温下受主杂质完全电离

32受主杂质：在半导体中提供空穴的杂质324、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值对应的能级为费米能级。费米能级是量子态基本上被电子占据或基本上是空的一个标志。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。4、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33本征与非本征半导体的费米能级：

本征半导体（一块没有杂质和缺陷的半导体），n0=p0，费米能级大致在禁带的中央；

N型半导体

n0>p0，费米能级比较靠近导带；

P型半导体

p0>n0，费米能级比较靠近价带；

掺杂浓度越高，费米能级离导带或价带越近。本征与非本征半导体的费米能级：本征半导体（一块没有杂质34

5、PN结NP扩散电流PN结的形成

一块P型半导体和一块N型半导体结合在一起，在其交接面处形成PN结。PN结是各种半导体器件，如结型晶体管、集成电路的心脏。5、PN结NP扩散电流PN结的形成35NP扩散电流漂移电流

内电场PN结的形成NP扩散电流漂移电流内电场PN结的形成36NP扩散电流漂移电流

内电场PN结的形成NP扩散电流漂移电流内电场PN结的形成37

以上在N型半导体和P型半导体结合面上形成的物理过程过程概括如下：

因浓度差

多子的扩散运动

由杂质离子形成空间电荷区

空间电荷区形成内电场

内电场促使少子漂移

内电场阻止多子扩散

扩散电流漂移电流＝以上在N型半导体和P型半导体结合面上形成的物理过程过38PN结加正向电压时的导电情况IF内电场外电场内电场

PN结加正向电压REPN结加正向电压时导通。PN结加正向电压时的导电情况IF内电场外电场内电场PN39PN结加反向电压时的导电情况内电场内电场PN结加反向电压RE外电场ISPN结加反向电压时截止。PN结加反向电压时的导电情况内电场内电场PN结加反向电压R40当两块半导体结合形成P-N结时，按照费米能级的意义，电子将从费米能级高的N区流向费米能级低的P区，空穴则从P区流向N区。因而EFn不断下移，而EFp不断上移，直至EFn=EFp。这时，P-N结中有统一的费米能级EF，P-N结处于平衡状态，其能带图如图所示。能带相对移动的原因是P-N结空间电荷区中存在内建电场的结果。

当两块半导体结合形成P-N结时，按照费米能级411.1.2半导体发光1、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1.1.2半导体发光1、辐射跃迁：42激励：光致发光电致发光激励：432、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。

3、半导体的发光自发辐射：A：自发辐射跃迁爱因斯坦系数。

，

为高能态辐射寿命。2、非辐射跃迁：3、半导体的发光自发辐射：A：自发辐射跃迁爱44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。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：454、直接带隙结构半导体直接带隙结构：价带顶的能量位置和导带底的位置相同直接带隙跃迁:特点：无声子参与，发光效率高4、直接带隙结构半导体直接带隙结构：价带顶的能量46直接带隙半导体材料:II-VI族化合物ZnO、ZnS、ZnSe、ZnTe、CdS、CdSe、CdTeIII-V族化合物GaN、GaAs、GaSb、InP

直接带隙半导体材料用于制作发光器件。直接带隙半导体材料:II-VI族化合物直接带隙半导体材料用于475、间接带隙结构半导体间接带隙结构：价带顶的能量位置与导带底的能量位置不同间接带隙跃迁：特点：声子参与，发光效率低间接带隙半导体材料：IV族半导体Si、Ge，III-V族化合物中的AlAs、GaP

间接带隙半导体材料用于制作光电探测器。5、间接带隙结构半导体间接带隙结构：价带顶的能量间接带隙半导48半导体材料的发展历程：一以锗，硅半导体材料为主二以GaAs(砷化镓)、InP(磷化铟）为代表的半导体材料制作高性能微波、毫米波器件及发光器件的优良材料三以GaN、SiC为代表的宽禁带半导体材料更适合于制作高温、高频、抗辐射及大功率器件主要用于低压、低频、中功率的晶体管和光电探测器1.2半导体发光材料

半导体材料的发展历程：一以锗，硅半导体材料为主二以GaAs(49半导体发光材料的条件：1.禁带宽度合适可见光：2.可获得电导率高的P型和N型晶体

Ⅱ-Ⅵ族化合物晶体的带隙宽度适当，只能呈现N型或P型导电性，不宜作为发光二极管的晶体。3.可获得完整性好的优质晶体不完整性：能够缩短少数载流子寿命并降低发光效率的杂质和晶格缺陷。如SiC，GaN。4.发光复合几率大多用直接带隙半导体。间接带隙跃迁过程中，声子参与，比直接带隙跃迁几率小的多。半导体发光材料的条件：1.禁带宽度合适可见光：2.可获得电导50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。

室温下III-V族发光材料的发射波长范围半导体材料多元固溶体的禁带宽度随成分的比例而变化，可以获得不同的发射波长。发光材料概述：室温下III-V族发光材料的发射波长范围51GaAsIII-V族化合物半导体，典型的直接跃迁型发光材料，禁带宽度1.42ev左右，相应波长在873nm附近，属于近红外波段。许多发光器件的基础材料，外延生长用的衬底材料。

1.2.1典型半导体发光材料砷化镓是半导体材料中兼具多方面优点的材料，但用制作的晶体二极管的发达倍数小，导热性差，不适宜制作大功率器件。GaAs1.2.1典型半导体发光材料52GaP

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。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。

GaP激子：53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。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。激子的俘获：激子的复合发光：54GaN

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，带隙宽度为3.39eV。

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能够激发蓝光的独特物理和光电属性使其成为化合物半导体领域最热的研究领域。当前GaN基的近紫外、蓝光、绿光发光二极管已经产业化，激光器和光探测器的研究也相当活跃。GaNGaN与III族氮化物半导体InN及A55InGaAsP

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。GaAlAs

Ga1-xAlxAs是GaAs和AlAs的固溶体，禁带宽度在1.42eV-2.16eV之间x<0.35时，为直接带隙半导体，x>0.35时为间接带隙半导体。其是制备高辐射度红外发光二极管和半导体激光器的优质材料。InGaAsPGaAlAs56ZnS（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。1.2.2其他非Ⅲ-Ⅴ族半导体发光材料ZnS（荧光粉）1.2.2其他非Ⅲ-Ⅴ族半导体发光材料57ZnO

宽带隙半导体材料，其室温禁带宽带为3.37ev。ZnO与GaN的晶体结构、晶格常量都很相似，晶格失配度只有2.2%（沿<001>方向）、热膨胀系数差异小，可以解决目前GaN生长困难的难题。随着光电技术的进步，ZnO作为第三代半导体以及新一代蓝、紫光材料，引起了人们的广泛关注，特别是p型掺杂技术的突破，凸显了ZnO在半导体照明工程中的重要地位。尤其与GaN相比，ZnO具有很高的激子结合能（60mev），远大于GaN（21meV）的激子结合能，具有较低的光致发光和受激辐射阈值。ZnO宽带隙半导体材料，其室温禁带宽带为58SiCSiC的晶体结构可以有无限多种，已经发现的有200多种。晶格结构不同，禁带宽度在2eV-3eV之间。SiC半导体属于间接带隙半导体。

SiC是目前发展最为成熟的宽带半导体材料。它有效的发光来源于通过杂质能级的间接复合过程。SiC蓝光LED是唯一的商品化的SiC器件，各种SiC多型体的LED覆盖整个可见光和近紫外光区域。SiCSiC的晶体结构可以有无限多种，已经59练习当P-N结外加正向偏置电压时，外加电压形成的电场方向与内建电场_____（相反/一致），导致势垒区总的电场强度______（增强/减弱），这说明空间电荷数量______（增多/减少），也就意味着势垒区宽度______（增大/减小），势垒高度______（增大/减小）。此时，电场强度的变化导致载流子的漂移运动______（大于/小于）扩散运动，形成______（净扩散/净漂移），以致势垒区边界载流子浓度______（大于/小于）该区内部，从而在Ｎ区形成______（从Ｎ区势垒边界向Ｎ区内部／从Ｎ区内部向Ｎ区势垒边界）的______（电子／空穴）的______（扩散／漂移），在Ｐ区形成______（从Ｐ区势垒边界向Ｐ区内部／从Ｐ区内部向Ｐ区势垒边界）的______（电子／空穴）的______（扩散／漂移）。练习当P-N结外加正向偏置电压时，外加电压形成的电场方向与内60发光二极管LightEmittingDiode1.3发光二极管大功率3W，5WRGB三基色LED灯发光二极管LightEmittingDiode1.3发61

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。1.工作原理1.3.1基本原理及基本结构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。62半导体发光材料及器件-课件63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，有利于辐射复合产生的光子逃逸。2.同质结LED全反射损失：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°。

在基底上依次生长一层n型层和p型层，p型层相对较2.同质结L64提高发光二极管取光效率：(1)制作圆顶或半球形的半导体表面，制作困难；(2)采用透明塑料圆顶或半球，成本低。GaAs发光二极管采用普通封装结构时发光效率为4%，采用半球形结构时发光效率可达20%以上。被大量应用于遥控器和光电耦合器件。提高发光二极管取光效率：(1)制作圆顶或半球形的半导体表面，653.异质结LED由不同带隙宽度的半导体材料构成的pn结。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3.异质结LED由不同带隙宽度的半导体材料构成的pn结。作用66半导体发光材料及器件-课件671.发光二极管的效率内部量子效率：pn结附近由电能转化成光能的效率外部量子效率：辐射到外部光子数与注入电子数之比。LED最重要的光电特性是用辐射出光能量（发光量）与输入电能之比，即发光效率。为了进一步提高外部出光效率ηe可采取以下措施：①用折射率较高的透明材料（环氧树脂n=1.55并不理想）覆盖在芯片表面；②把芯片晶体表面加工成半球形；③用Eg大的化合物半导体作衬底以减少晶体内光吸收。1.3.2发光二极管的主要光学特性1.发光二极管的效率内部量子效率：pn结附近由电能转化成光能68半导体发光材料及器件-课件69描述LED发射光谱分布的两个主要参量：峰值波长与半高全宽（单色性指标）

。器件工作时的温度会影响发射光谱，随着温度升高，

变大，也会发生漂移0.3-0.4nm/度，

在光通信中是一个很重要的参量。2.光谱分布GaAs发光二极管，中心波长，谱线宽度。描述LED发射光谱分布的两个主要参量：器件工作时的温度会影响703.光强分布发光二极管由于半导体材料与空气之间的折射率差及表面形状的影响，其发射光强是非均匀的，并按一定规律分布。3.光强分布发光二极管由于半导体材料与空气之间的折射率差71由于发光复合几率具有温度依赖性，一般地，环境温度上升，亮度下降；当LED消耗功率大，则结温上升，输出亮度下降，使得发光强度随电流I不再线性增长，而是呈现热饱和现象。所以减小功耗，改良散热条件很重要。一般工作在小电流IF＜10mA，或者10~20mA长时间连续点亮LED温升不明显。4.温度特性由于发光复合几率具有温度依赖性，一般地，环境温一般工作在小电72

实现白光LED有多种方案，而光转换白光LED是当今国内外的主流方案。白光LED的关键材料———高性能光转换荧光体的研发成为热点，因为它决定白光LED的光电重要特性和参数。目前实现半导体照明的有以下三种主要方法：（1）采用蓝光LED激发黄光荧光粉，实现二元混色白光；（2）利用UVLED激发三基色荧光粉，由荧光粉发出的光合成白光；

（3）基于三基色LED芯片合成白光。1.固态照明-白光LED1.3.3发光二极管的典型应用实现白光LED有多种方案，而光转换白光73

被广泛用于制作白光LED中的荧光体是YAG：Ce体系石榴石黄色发光材料。除此之外，一些为白光LED中荧光体需求的新硅酸盐、铝酸盐及氮（氧）化物荧光体等被陆续地研发出来。被广泛用于制作白光LED中的荧光体是742.基于白光LED的可见光通信2.基于白光LED的可见光通信753.光纤通信发光二极管和半导体激光器作为光纤通信的主要光源。发光二极管，价格便宜，易于驱动，寿命长，用于短距离通信。3.光纤通信发光二极管和半导体激光器作为光纤通信的主要发光二76优点：寿命长,理论上为10万小时，一般大于5万小时。（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,可封装成各种类型坚固耐用,不怕震动。环氧树脂封装，防水，耐恶劣环境使用多色显示,利用RGB可实现七彩色显示。工作温度稳定性好。响应时间快,一般为纳秒(ns)级。冷光，不是热光源。电压低,可以用太阳能电池作电源。优点：77应用领域：应用领域：781954年美国物理学家汤斯研制成第一台微波激射器（1.25cm）1958年美国的汤斯和苏联的巴索夫及普罗霍洛夫等人提出了激光的概念和理论设计1960年美国的梅曼研制成功第一台红宝石激光器。我国的第一台激光器于1961年在长春光机所研制成功（王之江，中国激光之父）1916年爱因斯坦提出了受激辐射的概念1.激光器的产生及历史1.4半导体激光器8/12/2023791954年美国物理学家汤斯研制成第一台微波激射器（1.251960-5-17，TedMaiman发明第一台激光器8/12/2023801960-5-17，TedMaiman发明第一台激光器7第一台红宝石激光器的拆卸图8/12/202381第一台红宝石激光器的拆卸图7/31/2023811960年12月，美国科学家贾万等人制造了第一台气体激光器——氦氖激光器。1962年，发明了半导体激光器。1966年，研制成了可在一定范围内连续调节波长的有机染料激光器。1965年，第一台大功率激光器——二氧化碳激光器诞生。1967年，第一台Ｘ射线激光器研制成功。8/12/2023821960年12月，美国科学家贾万等人制造了第一台气体激光器—我国的第一台激光器于1961年在长春光机所研制成功

我国激光技术发展历史

1957年，王大珩等在长春建立了我国第一所光学专业研究所——中国科学院（长春）光学精密仪器机械研究所（简称“光机所”）。

我国各类激光器的“第一台”

He-Ne激光器

1963年7月

邓锡铭等

掺钕玻璃激光器

1963年6月

干福熹等

GaAs同质结半导体激光器

1963年12月

王守武等

脉冲Ar+激光器

1964年10月

万重怡等

CO2分子激光器

1965年9月

王润文等

CH3I化学激光器

1966年3月

邓锡铭等

YAG激光器

1966年7月

屈乾华等8/12/202383我国的第一台激光器于1961年在长春光机所研制成功我国激光E2E1h

（1）光和物质的三种相互作用自发辐射

原子在没有外界干预的情况下，电子会由处于激发态的高能级E2自动跃迁至低能级E1，这种跃迁称为自发辐射。自发辐射光子频率2激光的基本原理白炽灯、日光灯、LED等普通光源，它们的发光过程就是上述的自发辐射，频率、振动方向、相位都不固定，不是相干光。8/12/202384E2E1h（1）光和物质的三种相互作用自发辐射原受激吸收

当原子中的电子处于低能级时，吸收光子的能量后从低能级跃迁到高能级——光吸收。低能级E1高能级E2光子

8/12/202385受激吸收当原子中的电子处于低能级时，吸收光子的能量后受激辐射

当原子中的电子处于高能级时，若外来光子的频率恰好满足时，电子会在外来光子的诱发下向低能级跃迁，并发出与外来光子一样特征的光子——受激辐射。E2E1全同光子h

实验表明，受激辐射产生的光子与外来光子具有相同的频率、相位、偏振方向和发射方向。8/12/202386受激辐射当原子中的电子处于高能级时，若外来光子的频率

在受激辐射中通过一个光的作用，得到两个特征完全相同的光子，如果这两个光子再引起其它原子产生受激辐射，就能得到更多的特征完全相同的光子----光放大，激光。

光放大LASER：受激辐射光放大LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation8/12/202387在受激辐射中通过一个光的作用，得到两个特征完全相同的（2）粒子数正常分布和粒子数反转

通常处于低能级的电子数较处于高能级的电子数要多，粒子数正常分布。

玻耳兹曼统计分布：

8/12/202388（2）粒子数正常分布和粒子数反转通常处于低能级的电子

数量级估计：T

～103K；kT～1.38×10-20J～0.086eV;E

2-E

1～1eV;但要产生激光必须使原子激发，且N2>N1,称粒子数反转。8/12/202389数量级估计：T～103K；kT～1.38×10-20粒子数反转：激光产生的必要条件！如何实现？内因：粒子体系（工作物质）的内部结构外因：给工作物质施加外部作用8/12/202390粒子数反转：激光产生的必要条件！如何实现？内因：粒子体系（工原子处在激发态时间很短10-8s，但还有一些亚稳态，可以停留10-3s,在亚稳态上粒子数不断积累，实现粒子数反转，达到光放大的目的。工作物质内部结构铬离子、钕离子8/12/202391原子处在激发态时间很短10-8s，但还有一些亚稳态，可以停留给工作物质施加外部作用

由于热平衡分布中粒子体系处于低能级的粒子数，总是大于处于高能级的粒子数，要实现粒子数反转，就得给粒子体系增加一种外界作用，促使大量低能级上的粒子反转到高能级上，这种过程叫做激励，或称为泵浦。8/12/202392给工作物质施加外部作用由于热平衡分布中粒子体系处于低固体工作物质：光泵浦，掺铬刚玉、掺钕玻璃，掺钕钇铝石榴石等气体工作物质：气体放电，如CO2、He-Ne等半导体：注入大电流泵浦，如砷化镓等其它泵浦方式：化学激励法、超音速绝热膨胀法、电子束激励法、核激励等。从能量的角度看，泵浦过程就是外界提供能量给粒子体系的过程。8/12/202393固体工作物质：光泵浦，掺铬刚玉、掺钕玻璃，掺钕钇铝石榴石等71231234三能级系统四能级系统红宝石：Cr3+YAG：Nd3+8/12/2023941231234三能级系统四能级系统红宝石：Cr3+YAG：N(3)激光的形成光学谐振腔提供正反馈限制振荡光束(方向和频率)纵模8/12/202395(3)激光的形成光学谐振腔提供正反馈纵模7/31/2023谐振频率满足谐振条件的谐振频率都能形成激光输出？谐振频率满足谐振条件的谐振频率都能形成激光输出？96纵模的决定因素a、荧光谱宽越宽纵模越多b、腔长L越长，越小纵模亦越多。激光纵模输出的特点：（1）满足谐振条件（2）必须在工作物质荧光谱线内(3)满足阈值条件纵模的决定因素a、荧光谱宽越宽纵模越多97横模—光在谐振腔中由于衍射损耗，经过多次往返振荡后形成的横向稳态场分布。横模初始入射波自再现模211横模—光在谐振腔中由于衍射损耗，经过多次往返振荡后形成的横向98（2）旋转对称TEMmnm－暗直径数；n－暗环数(半径方向)TEM00TEM01TEM02TEM10TEM20TEM30（1）x,y

轴对称TEMmnm－竖直方向暗区数n－水平方向暗区数TEM00TEM10TEM20TEM03TEM11TEM31（2）旋转对称TEMmnTEM00TEM01TE99不同纵模和不同横模都各自对应着不同的光场分布和频率。不同纵模光场分布之间差异很小，不能用肉眼观察到，只能从频率的差异区分它们；不同的横模，由于其光场分布差异较大，很容易从光斑图形来区分。应当注意，不同的横模之间，也有频率差异，这一点常被忽视。纵模和横模各从一个侧面反映了谐振腔内稳定的光场分布，只有同时运用纵模和横模概念，才能全面反映腔内光场分布。不同纵模和不同横模都各自对应着不同的光场分纵模和横模各从一个100根据上面的分析，产生激光有三个基本结构：a.工作物质提供实现粒子数反转和产生激光的受激辐射的物质体系；b.泵浦源实现粒子数反转提供外界能量；c.谐振腔，实现光放大并限制振荡光束（方向和频率）。全反射镜部分反射镜激光泵浦源工作物质8/12/2023101根据上面的分析，产生激光有三个基本结构：全反射镜部分反射镜激（4）激光产生的阈值条件

在谐振腔中存在很多损耗因素，如反射镜的吸收、透射和衍射等，工作物质不均匀引起的光折射和散射等。如果这些损耗抵消了光放大过程，就不能有激光输出。激光产生的阈值条件：光子在谐振腔内所获得的增益大于或等于腔内总损耗系数时，激光才能形成。8/12/2023102（4）激光产生的阈值条件在谐振腔中存在很多损耗因素，方向性即激光束的指向性，常以光束的发散角大小来评价。它与激光器的工作物质种类和谐振腔的形式有关。方向性强气体激光器工作物质均匀性好，谐振腔长，光束的方向性最强，发散角在10-3~10-4弧度。其中氦氖激光束发散角最小。固体和液体激光器工作物质均匀性较差，谐振腔较短，光束发散角较大，在10-2弧度范围。半导体激光器以晶体解理面为反射镜，形成的谐振腔非常短，光束方向性最差。（5）激光的特性8/12/2023103方向性即激光束的指向性，常以光束的发散角大小来评价。它与激单色性好

单色性为光源发出的光强按频率（或波长）分布曲线狭窄的程度，通常用频谱分布的宽度即线宽来描述。线宽越窄，光源的单色性越好。普通光源的发光是由大量能级间的辐射跃迁，其谱线很宽，呈连续或准连续分布，是多种波长的光。激光的单色性好，一些气体激光器，如氦氖激光，谱线宽度较窄，不到10-8nm。这比普通光源中单色性最好的氪等的谱线窄数万倍。8/12/2023104单色性好7/31/2023104激光的单色性好是因为：（1）激光器的受激辐射发生在荧光谱线固定的两能级之间，只有频率满足一定条件的光波才能得到放大；（2）激光谐振腔的干涉作用使得只有那些满足谐振腔共振条件的频率，并且又落在工作物质谱线宽度内的光振荡才能形成激光输出。激光单色性受工作物质的种类和谐振腔性能的影响。气体激光束单色性较好，谱线宽度半宽值小到103Hz。固体激光单色性较差，半导体激光器单色性最差。8/12/2023105激光的单色性好是因为：7/31/2023105相干性高光的相干性，是指在空间任意两点光振动之间相互关联的程度。普通光源发光都是自发辐射过程，每个发光原子都是一个独立的发光体，相互之间没有关系，光子发射杂乱无章，因此相干性很低。激光是受激辐射产生的，发射的光子具有相同的频率、位相和方向，因而相干性很高。光束的单色性与相干性是一致的，气体激光的相干性优于固体激光，例如，氦氖激光的相干波长可达数百米。8/12/2023106相干性高7/31/2023106亮度大对于可见光波段的激光而言，光束的高功率密度表现为亮度大。激光的亮度高是因其发光面积小，而且光束发散角也极小的缘故。例如一台输出仅1mW的氦氖激光器发出的光也比太阳表面亮度高出100倍。8/12/2023107亮度大7/31/2023107泵浦源：外加正向偏压。1.4.1半导体激光器的工作原理工作物质：PN结

谐振腔：半导体天然解理面GaAs的折射率n＝3.6，反射率0.32，另一面镀全反射膜。泵浦源：外加正向偏压。1.4.1半导体激光器的工作原理工作物108

导带价带

导带

价带正常分布反转分布问题：半导体激光器如何得到粒子数反转分布的状态呢?产生粒子数反转的方法：强光对激光物质进行照射－固体激光器气体电离－气体激光器注入载流子－半导体激光器导带价带导带109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)。粒子数反转当加在PN结上的正向电压超过某一值（eV>Eg）后，粒子数反110最简单的半导体激光器由一个薄有源层（厚度约0.1μm）、P型和N型限制层构成，如下图所示。解理面金属接触电流有源层P型N型300μm100μm200μm大面积半导体激光器同质结（PN结）半导体激光器最简单的半导体激光器由一个薄有源层（厚度约0.1μm）、P型111PN能带正向电压V时形成的能带结构PN结LD的特点：阈值电流高，常温下不能连续工作所加的正向偏压必须满足PN能带正向电压V时形成的能带结构PN结LD的特点：阈值电流1121.4.2双异质结半导体激光器

有效降低阈值电流，也可以同时实现对载流子和光子的限制。

1.4.2双异质结半导体激光器有效降低阈值电113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扩散，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。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114增益引导型和折射率引导型半导体激光器同时限制垂直于结平面和平行于结平面载流子和光子。优点：增益引导型和折射率引导型半导体激光器同时限制垂直于结平面和平115

高速率、新型光纤通信系统对新型激光器的要求：（1）谱线宽度很窄，在高速率脉冲调制下保持动态单纵模特性；（2）发射光波长稳定，并能实现调谐；（3）阈值电流低，而输出光功率大。具有这些特性的动态单纵模激光器有多种类型，其中性能优良并得到广泛应用的是分布反馈(DistributedFeedBack,DFB)激光器。普通激光器用FP谐振腔两端的反射镜，对激活物质发出的辐射光进行反馈，DFB激光器用靠近有源层沿长度方向制作的周期性结构(波纹状)衍射光栅实现光反馈。这种衍射光栅的折射率周期性变化，使光沿有源层分布式反馈，所以称为分布反馈激光器。1.4.3、分布反馈半导体激光器高速率、新型光纤通信系统对新型激光器的要求：1.4.3、分116

由有源层发射的光，从一个方向向另一个方向传播时，一部分在光栅波纹峰反射(如光线a)，另一部分继续向前传播，在邻近的光栅波纹峰反射(如光线b)。如果光线a和b匹配，相互叠加，则产生更强的反馈，而其他波长的光将相互抵消。虽然每个波纹峰反射的光不大，但整个光栅有成百上千个波纹峰，反馈光的总量足以产生激光振荡。由有源层发射的光，从一个方向向另一个方向传播时117DFB激光器的工作原理——布拉格反射原理ΛB12θ入射光线在光栅的不同位置发生反射，产生1和2两束光，要两束光相干加强，则必须满足同相位相加的条件：式中，Λ为光栅的周期，n为材料有效折射率，λ为波长，m为衍射级数。由图中所示的Λ、B、θ的几何关系可得：代入上式得DFB激光器的工作原理——布拉格反射原理ΛB12θ入射光线在118为了保证沿平行于PN结的方向出光，DFB激光器的分布反馈是θ=90度的布喇格反射。Λ=q式中，Λ为光栅的周期，ne为材料有效折射率，λB为波长，q为衍射级数。在普通光栅的DFB激光器中，发生激光振荡的有两个阈值最低、增益相同的纵模，其波长为式中i为模式的阶数，L为光栅长度(i=0,1,2,…)为了保证沿平行于PN结的方向出光，DFB激光器的分布反馈是θ119i=2i=1i=0>30dBi=0i=1i=2i=2i=1i=0>30d120半导体发光材料及器件-课件121DFB激光器与F-P激光器相比，具有以下优点：①单纵模激光器。

FP激光器的发射光谱是由增益谱和激光器纵模特性共同决定的，由于谐振腔的长度较长，导致纵模间隔小，相邻纵模间的增益差别小，因此要得到单纵模振荡非常困难。DFB激光器的发射光谱主要由光栅周期Λ决定。Λ相当于F-P激光器的腔长L，每一个Λ形成一个微型谐振腔。由于Λ的长度很小，所以m阶和(m+1)阶模之间的波长间隔比FP腔大得多，加之多个微型腔的选模作用，很容易设计成只有一个模式就能获得足够的增益。于是DFB激光器容易设计成单纵模振荡。DFB激光器与F-P激光器相比，具有以下优点：122②谱线窄，波长稳定性好。由于DFB激光器的每一个栅距Λ相当于一个F-P腔，所以布喇格反射可以看作多级调谐，使得谐振波长的选择性大大提高，谱线明显变窄，可以窄到几个GHz。由于光栅的作用有助于使发射波长锁定在谐振波长上，因而波长的稳定性得以改善。

③动态谱线好。

DFB激光器在高速调制时也能保持单模特性，这是F-P激光器无法比拟的。尽管DFB激光器谱线有一定展宽，但比F-P激光器的动态谱线的展宽要改善一个数量级左右。②谱线窄，波长稳定性好。1231.4.4、量子阱半导体激光器

量子阱(QW，QuantumWell)半导体激光器是一种窄带隙有源层夹在宽带隙半导体材料中间或交替重叠生长，有源层厚度小至1～10nm的新型半导体激光二极管。性能特点：阈值电流低(仅为异质结激光器的四分之一),输出功率高,谱线宽度窄，调制速率高结构特点：有源区非常薄1.4.4、量子阱半导体激光器量子阱(QW，Quantum124半导体发光材料及器件-课件125

VCSEL(VerticalCavitySurfaceEmittingLasers）

发光面积大，发散角小。

随着激光器功率的不断提高，激光器内部发热量的不断增加，要求提高散热效率、降低单位面积发热功率，在这种情况下就产生面发射激光器。1.4.5垂直腔表面发射激光器

VCSEL(VerticalCavitySurface126

在发展成GaN激光器的过程中，最大的困难有两个，一是缺乏晶格常数和热膨胀系数与GaN匹配的衬底材料，二是难以实现高P型掺杂。

20世纪80年代后期，人们先后用在蓝宝石或SiC衬底材料上引入过渡层的方法和对高阻GaN材料进行低能电子辐射的方法解决了这两个问题。

1.

蓝光半导体激光器材料

GaN是最引人注目的蓝光半导体激光器材料。可与AlN，InN形成带隙连续可变的固熔体。

补充：在发展成GaN激光器的过程中，最大的困难有两个127

日本日亚公司在1993年率先研制成功输出功率为1mW的InGaN/AlGaN双异质结蓝色发光二极管，稍后该公司又开发出输出功率为5mW的单量子阱蓝色发光二极管。

1995年日本名古屋大学采用以蓝宝石和SiC为衬底材料的InGaN/AlGaN双异质结蓝色发光二极管，首次在低温下实现了蓝光受激发射。

1996年，日本日亚公司终于研制成功能在室温下运行的InGaN多量子阱蓝光半导体激光器。日本日亚公司在1993年率先研制成功输出功率为128

后来，该公司又在1997年用Si掺杂的InGaN量子阱代替以前的未掺杂量子阱作为发光层，减小了由电流产生的热效应，提高了器件的寿命。

日亚公司在1998年初制备成功实用化的蓝光(417nm)InGaN多量子阱激光器。后来，该公司又在1997年用Si掺杂的InGa129

ZnSe是一种蓝绿光半导体激光器材料。

在用ZnSe研制蓝绿光激光器的过程中主要遇到三个问题：第一是难以实现高载流子浓度的P型掺杂；第二是难以降低P型ZnSe欧姆接触；第三是缺陷密度高导致激光器寿命较短。2.

蓝绿光半导体激光器材料ZnSe是一种蓝绿光半导体激光器材料。13020世纪90年代初期，人们以氮离子为掺杂源，用分子束外延工艺解决了掺杂问题。在此基础上，3M公司率先研制成功全世界第一个ZnCdSe/ZnSe量子阱有源层电流泵浦蓝绿光(490nm)半导体激光器，