半导体器件物理第8章.pdf

第八章 发光二极管和半导体 激光器 第八章 发光二极管和半导体 激光器 1907 Round发现电流通过硅检波器时有黄光发生 1923 Lossev在碳化硅检波器中观察到类似现象 1955 Braunstein首次在三 五族化合物中观察到辐射复合 1961 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 1907 Round发现电流通过硅检波器时有黄光发生 1923 Lossev在碳化硅检波器中观察到类似现象 1955 Braunstein首次在三 五族化合物中观察到辐射复合 1961 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 8 1 辐射复合与非辐射8 1 辐射复合与非辐射 8 1辐射复合和非辐射复合8 1辐射复合和非辐射复合 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 光电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 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 光电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 8 1 1辐射复合8 1 1辐射复合 1 带间辐射复合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 于于半 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 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 导带 价带 导带 价带 图图8 1 带间复合 带间复合 a 直接 能隙复合 直接 能隙复合 b 间接能隙复合 间接能隙复合 8 1 1 辐射复合8 1 1 辐射复合 直接辐射复合直接辐射复合 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8 1a所示 电子在跃迁过程中必须遵守能量守恒和准动量守恒 准动量守恒要求 8 1 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 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8 1a所示 电子在跃迁过程中必须遵守能量守恒和准动量守恒 准动量守恒要求 8 1 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 8 2 光子 KKK 12 2 K 1 K 光子 K 8 1 1辐射复合8 1 1辐射复合 8 2 8 2 8 2 8 2 式说明这种跃迁发生在空间的同一地点 因此也被称为竖直跃迁 能量守恒要求 8 3 式中 跃迁前电子的能量 跃迁后电子的能量 辐射光子的能量 式说明这种跃迁发生在空间的同一地点 因此也被称为竖直跃迁 能量守恒要求 8 3 式中 跃迁前电子的能量 跃迁后电子的能量 辐射光子的能量 12 KK k g EEEh 12 2 E 1 E h 8 1 1辐射复合8 1 1辐射复合 间接辐射复合间接辐射复合 在这种半导体中 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进过程中必须伴随声子的吸收或放出 即 在这种半导体中 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进过程中必须伴随声子的吸收或放出 即 qKK 12 q p hEEh 12 g E p p h 8 4 为声子的波矢 正号表示放出声子 负号表示吸收声子 相应能量守 恒的条件为 为声子的波矢 正号表示放出声子 负号表示吸收声子 相应能量守 恒的条件为 8 5 为声子频率 为声子频率 一般比电子能量小得多 可以略去 一般比电子能量小得多 可以略去 为声子的能量 为声子的能量 8 1 1辐射复合8 1 1辐射复合 2 浅能级和主带之间的复合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导带电子之间的的复合 如图8 2所示 它可以是浅施主与价带空穴或浅受主与导带电子之间的的复合 如图8 2所示 图图8 2 浅能级杂质与主带的复合浅能级杂质与主带的复合 8 1 1辐射复合8 1 1辐射复合 3 施主 受主对 D A对 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 在复合过程中发射光 子光子的能量小于禁带宽度 这是辐射能量小于禁带宽度的一种重要的复合发光机制 这种 复合也称为D A对复合 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8 3所示 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 在复合过程中发射光 子光子的能量小于禁带宽度 这是辐射能量小于禁带宽度的一种重要的复合发光机制 这种 复合也称为D A对复合 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8 3所示 图图8 3D A对复合能级图对复合能级图 8 1 1辐射复合8 1 1辐射复合 3 施主 受主对复合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D A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D A对中心 在没 有声子参与复合的情况下 发射的光子能量为 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D A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D A对中心 在没 有声子参与复合的情况下 发射的光子能量为 rk q EEErh adgAD 0 2 4 8 6 8 1辐射复合 3 施主受主对复合 对于材料 不同杂质原子和它们的替位状态会造成对的电离能不同 例 如 氧施主和碳受主杂质替代磷的位置 在温度为 时 而氧施主 杂质是磷替位和锌受主杂质是镓替位 在温度为 时 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 3 施主受主对复合 对于材料 不同杂质原子和它们的替位状态会造成对的电离能不同 例 如 氧施主和碳受主杂质替代磷的位置 在温度为 时 而氧施主 杂质是磷替位和锌受主杂质是镓替位 在温度为 时 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 GaP K6 1 meVEE da 941 1 6K meVEE da 6 956 8 1辐射复合8 1辐射复合 4 通过深能级的复合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 这类发光还是有实际意义的 例如中的 红色发光 便是属于这类复合 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 这类发光还是有实际意义的 例如中的 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 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 GaP 8 1辐射复合8 1辐射复合 5 激子复合5 激子复合 如果半导体吸收能量小于禁带宽度的光子 电子被从价带激发 但由于库仑作用 它仍然和价带中留下的空穴联系在一起 形成束缚状态 这种被库仑能束缚在一 起的电子 空穴对就称为激子 如果激子复合以辐射方式释放能量 就可以形成发 光过程 自由激子 对于直接带隙半导体材料 自由激子复合发射光子的能量为 式中为激子能级 对于间接带隙半导体材料 自由激子复合发射光子的能量为 式中表示吸收或放出能量为的个声子 如果半导体吸收能量小于禁带宽度的光子 电子被从价带激发 但由于库仑作用 它仍然和价带中留下的空穴联系在一起 形成束缚状态 这种被库仑能束缚在一 起的电子 空穴对就称为激子 如果激子复合以辐射方式释放能量 就可以形成发 光过程 自由激子 对于直接带隙半导体材料 自由激子复合发射光子的能量为 式中为激子能级 对于间接带隙半导体材料 自由激子复合发射光子的能量为 式中表示吸收或放出能量为的个声子 n excg EEh 8 7 n exc E p n excg NEEEh 8 8 p NE p E N 8 1 1辐射复合 5 激子复合5 激子复合 束缚激子 若激子对杂质的结合能为 则其发射光谱的峰值为 是材料和束缚激子的中心的电离能的函数 近年来 在发光材料的研究中 发 现束缚激子的发光起重要作用 而且有很高的发光效率 如材料中 对 产生的束缚激子引起红色发光 氮等电子陷阱产生的束缚激子引起绿色发光 这两种 发光机制使发光二极管的发光效率大大提高 成为发光二极管的主要发光机制 激子 发光的研究越来越受到人们的重视 束缚激子 若激子对杂质的结合能为 则其发射光谱的峰值为 是材料和束缚激子的中心的电离能的函数 近年来 在发光材料的研究中 发 现束缚激子的发光起重要作用 而且有很高的发光效率 如材料中 对 产生的束缚激子引起红色发光 氮等电子陷阱产生的束缚激子引起绿色发光 这两种 发光机制使发光二极管的发光效率大大提高 成为发光二极管的主要发光机制 激子 发光的研究越来越受到人们的重视 bx E bx n excg EEEh 8 9 bx E i E GaP OZn 8 1 1 辐射复合8 1 1 辐射复合 6 等电子陷阱复合6 等电子陷阱复合 等电子杂质 周期表内与半导体基质原子同族的原子 等电子陷阱 由等电子杂质代替晶格基质原子而产生的束缚态 由于等电子杂质与被替位的原子 之间的电负性和原子半径等方面是不同的 因而引起晶格势场畸变 可以束缚电子或空穴 形成带电中心 就象在等电子杂质的位置形成陷阱 将电子或空穴陷着 故称为等电子陷阱 如果等电子杂质的电负性比晶格原子的电负性大 则可以形成电子的束缚态 这样 的等电子陷阱也可称为等电子的电子陷阱 这样的杂质称为等电子受主 如氮原子取代中 Gap磷原子 如果等电子杂质的电负性比晶格原子的电负性小 则形成空穴的束缚态 称为等电子的 空穴陷阱 产生这种束缚态的杂质称为等电子施主 如铋原子取代Gap中磷 原子 当等电子陷阱俘获了某一种载流子以后 成为带电中心 这个带电中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 等电子杂质 周期表内与半导体基质原子同族的原子 等电子陷阱 由等电子杂质代替晶格基质原子而产生的束缚态 由于等电子杂质与被替位的原子 之间的电负性和原子半径等方面是不同的 因而引起晶格势场畸变 可以束缚电子或空穴 形成带电中心 就象在等电子杂质的位置形成陷阱 将电子或空穴陷着 故称为等电子陷阱 如果等电子杂质的电负性比晶格原子的电负性大 则可以形成电子的束缚态 这样 的等电子陷阱也可称为等电子的电子陷阱 这样的杂质称为等电子受主 如氮原子取代中 Gap磷原子 如果等电子杂质的电负性比晶格原子的电负性小 则形成空穴的束缚态 称为等电子的 空穴陷阱 产生这种束缚态的杂质称为等电子施主 如铋原子取代Gap中磷 原子 当等电子陷阱俘获了某一种载流子以后 成为带电中心 这个带电中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 8 1 1辐射复合8 1 1辐射复合 6 等电子陷阱复合 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空间中从到X的几率 改变 使电子在点的几率密度提高 如图8 5所示 氮等电子陷 阱的引入 使点出现电子的几率比间接跃迁的材料提高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 的发光效率 6 等电子陷阱复合 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空间中从到X的几率 改变 使电子在点的几率密度提高 如图8 5所示 氮等电子陷 阱的引入 使点出现电子的几率比间接跃迁的材料提高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 的发光效率 k 2 GaP NGaP 8 1 1辐射复合8 1 1辐射复合 图8 5 和 的等电子陷阱束缚电子的几率密度在空间的分布 图8 5 和 的等电子陷阱束缚电子的几率密度在空间的分布 Ln 2 任意单位 1 6 2 3 4 5 7 0 K 55 0 GaAs NNP 45 0 NGaP GaP GaPNGaP NNPGaAs 45 055 0 8 1 2非辐射复合8 1 2非辐射复合 1 多声子过程1 多声子过程 非辐射复合 图 非辐射复合 图8 6 多声子跃迁多声子跃迁 0 1 2 5 10 20 50 100200300400500600 光子能量 meV 8 1 2非辐射复合8 1 2非辐射复合 2 俄歇 Auger 过程 图 2 俄歇 Auger 过程 图8 7俄歇过程俄歇过程 a b c N 型 8 1 2非辐射复合8 1 2非辐射复合 2 俄歇 Auger 过程 图 2 俄歇 Auger 过程 图8 7俄歇过程俄歇过程 d e f P 型 8 1 2非辐射复合8 1 2非辐射复合 2 俄歇 Auger 过程 图 2 俄歇 Auger 过程 图8 7俄歇过程俄歇过程 g h i 杂质带 激子 电子 激子 空穴 8 1 2非辐射复合8 1 2非辐射复合 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 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 1421 4 10Ns EcmeV 8 1 辐射复合与非辐射复合8 1 辐射复合与非辐射复合 教学要求教学要求 掌握辐射复合和非辐射复合的概念和机制 掌握辐射复合和非辐射复合的概念和机制 什么是等电子陷阱复合 为什么等电子陷阱复合能提高半导体材料的发光效率 什么是等电子陷阱复合 为什么等电子陷阱复合能提高半导体材料的发光效率 解释图8 7 中各种俄歇过程 解释图8 7 中各种俄歇过程 8 2 LED的基本结构和工作过程8 2 LED的基本结构和工作过程 8 2 LED的基本结构和工作过程8 2 LED的基本结构和工作过程 平面结构镓砷磷红光二极管的结构示意图平面结构镓砷磷红光二极管的结构示意图 图8 9 磷化镓发光二极管 a 磷化镓发光二极管管芯截面图 b 封装后的磷化镓发光二极管 图8 9 磷化镓发光二极管 a 磷化镓发光二极管管芯截面图 b 封装后的磷化镓发光二极管 GaAsPN GaAsN GaAsPP 43N Si 下电极 NiGeAu 上电极 Al a b d h 8 2 LED的基本结构和工作过程8 2 LED的基本结构和工作过程 PN结的电致发光PN结的电致发光 图8 10 P N的电致发光结 a 零偏压 b 正向偏压图8 10 P N的电致发光结 a 零偏压 b 正向偏压V 8 2 LED的基本结构和工作过程8 2 LED的基本结构和工作过程 教学要求教学要求 画出能带图说明LED的发光机制 画出能带图说明LED的发光机制 作业 8 1 8 3 8 4 8 5作业 8 1 8 3 8 4 8 5 名词解释及问题名词解释及问题 8 3 LED的特性参数8 3 LED的特性参数 8 3 1 V I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 是1 0 伏 大约1 5伏 红光 大 约1 8伏 绿光 大约2 0伏 工作电流约为1 0 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 GaAs xxP GaAs 1 AsAlGa xx 1 GaP GaP mA 8 3 2 量子效率8 3 2 量子效率 量子效率是发光二极管特性中一个与辐射量有关的 重要参数 它反映了注入载流子复合产生光量子的 率 量子效率又有内量子效率和外量子效率两个概 念 量子效率是发光二极管特性中一个与辐射量有关的 重要参数 它反映了注入载流子复合产生光量子的 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 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 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 8 3 2量子效率8 3 2量子效率 1 注射效率1 注射效率 图8 12带尾对带 带复合的影 响 图8 12带尾对带 带复合的影 响 a 型 型 b 型 型 a b n nprec I r III g Eg E h h h g E g E 8 3 2量子效率8 3 2量子效率 注射效率就是可以产生辐射复合的二极管电流在二极管的总电流中所占的百 分比 注射效率就是可以产生辐射复合的二极管电流在二极管的总电流中所占的百 分比 根据 8 15 式提高注射效率的途径是 根据 8 15 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 即结 a P区受主浓度要小于 N 区施主浓度 即结 b 减小耗尽层中的复合电流 这就要求 b 减小耗尽层中的复合电流 这就要求LEDLED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 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 由于族化合物半 导体的电子迁移率比空穴迁移率大很多 例 如 所以它们是制造 c 选用电子迁移率比空穴迁移率大的材料 由于族化合物半 导体的电子迁移率比空穴迁移率大很多 例 如 所以它们是制造LEDLED的上选材料 的上选材料 PN VIII 30 pn GaAs 8 3 2量子效率8 3 2量子效率 2 辐射效率2 辐射效率 发生辐射复合的电子数与总的注入电子数比 发生辐射复合的电子数与总的注入电子数比 nrr r r UU U r r n U nr nr n U 8 18 8 17 8 16 rnrr r 1 1 8 19 8 3 2量子效率8 3 2量子效率 三种可能的复合过程三种可能的复合过程 图8 13三种可能的复合过程 浅施主能级 浅受主能级 深复合中心 浅施主能级 浅受主能级 深复合中心 c