半导体发光材料及器件

1、光电材料，使用光子和电子作为载体来处理、存储和传输信息。所用的光电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。1.0概述1.1半导体和半导体发光基础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章半导体发光材料和器件，1.0概述，应用领域：信息显示光纤通信固态照明国防，元素半导体：硅，锗(族)-族半导体：GaAs，磷化铟化合物半导体-族半导体：硫化锌-族半导体：碳化硅，1，半导体类型，6，固体材料类型：(根据原子，分子或整个晶体是有序的，没有长程有序或几个

2、尺度上的有序，它完全是在一个小区域内有序的，无定形的(无定形的)，无定形的。 单晶，2，晶体结构，应使用，非晶硅薄膜处理液晶显示器，多晶硅-太阳能电池，单晶硅-电子器件集成电路制造，7，原子或分子在单晶中有序排列在三维空间，具有几何循环重复性。晶格：单晶中的原子或分子被抽象成数学几何点，这些点的集合称为晶格。或者晶体中的原子按照一定的规则周期性地排列在空间中，形成格点，成为晶格。晶体中的原子或分子位于格点上。金刚石结构，原子键合形式：由共价键形成的晶体结构：它与金刚石晶体结构形成正四面体，半导体有：元素半导体如硅、锗、金刚石结构，3。普通晶体结构，化学半导体： GaAs，InP，ZnS，闪锌矿

3、结构，金刚石型VS闪锌矿型，纤锌矿结构，六方晶系的简单六方晶格和纤锌矿结构的类似晶体：BeO，ZnO，AlN，S2-六方紧密堆积排列Zn2填充四面体间隙，仅占1/2，H，孤立原子中的电子被量子化。1。能带，1.1半导体和半导体发光基础，1.1.1半导体物理学基础，12。电子不仅可以围绕自己的原子核旋转，还可以围绕另一个原子旋转，也就是说，同一个电子可以被多个原子共享，电子不再完全局限于一个原子，而是可以从一个原子转移到相邻的原子，从而在整个晶体中移动。晶体中电子的特征如下：1 .外层电子被原子轻束缚，电子壳层重叠大，共享运动显著；2.电子只能在相同的壳层之间转移，13，13，13，13，13，

4、13，13，13，13，13，13，13，13，13，13，13，13，13，13，13，13，13，13，13，13，13，13，13，13，13，13，13，13允许带：允许电子存在的能量包络。带隙：不允许电子存在的能量范围。价带：绝对零度时能被电子填满的最高能带。导带：在价带之上，电子可以摆脱单个原子的束缚，在整个半导体材料中自由移动。带隙：单位是能量单位：eV(电子伏特)。金属(导体)、半导体和绝缘体、金属(导体)的能带图：导带部分被电子占据，这些电子在电场的作用下可以导电。金属(导体)、半导体和绝缘体、半导体的能带图：在绝对零度时，导带完全空了，价带完全满了，没有导电。禁带相对较窄，

5、常温下一些价带电子被激发到空导带，形成一个充满少量电子的导带和一个带有少量空穴的价带，可以导电。17、金属(导体)、半导体和绝缘体能带图。绝缘体：价带满，禁带宽。在常温下价带电子不能被激发到空的导带，因此它们在常温下不导电。36eV，2，孔。因为很少有人当选在半导体中，导带中的电子和价带中的空穴参与传导，这与金属(导体)传导有很大不同。载流子：在半导体中，导带中的电子和价带中的空穴统称为载流子。本征半导体是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，而空穴留在价带中，形成电子-空穴对。因此，本征半导体中的电子浓度等于空穴浓度。3。本征半导体和非本征半导体

6、，(1)本征半导体，热平衡条件下的浓度规律：在本征半导体中引入一定量的杂质可以有效地改变半导体的导电特性，这种半导体称为非本征半导体。(2)非本征半导体，它是制造各种半导体器件的基础。22，杂质的来源，根据对载流子浓度的不同影响，杂质可分为：施主杂质(高价元素)- N型半导体受主杂质(低价元素)- P型半导体，23，掺有磷的硅(P)，当磷原子占据硅原子的位置时，一个硅原子，1)N型半导体，准自由电子，24，准自由电子，磷原子变成带正电荷的磷离子(P)，这称为正中心磷离子，其作用相当，25，准自由电子，原子对剩余的价电子有弱的结合能力，所以它能脱离磷原子的结合，成为能传导电流的准自由电子。这个电

7、子被给予导带，所以磷原子被称为施主。由于负电荷载流子的增加，硅变成了氮型。26，N型半导体：在掺杂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，称为N型半导体。杂质浓度ND本征载流子浓度n0P0，电子是多数载流子，空穴是少数载流子。在热平衡状态下，掺钕施主杂质的半导体中空穴和准自由电子的浓度分别为27。硼掺杂在硅中。当一个有三个价电子的硼原子占据硅原子的位置并与周围的四个硅原子形成共价键时，仍然有一个电子丢失，所以一个价电子必须取自其他硅原子，并且在硅晶体的共价键中产生一个空穴。2) p型半导体，28，硼原子变成带负电荷的硼离子(B-)被称为负中心硼离子。这种效应相当于形成一个

8、负中心和一个额外的空穴。掺杂受体杂质的半导体称为p型半导体。带正电荷的空穴形成在价带中，这是一种p型半导体，硼原子称为受体。29，多余的空穴被束缚在负中心周围，但是这种束缚作用比共价键弱得多，所以只有少量的能量才能使多余的空穴挣脱出来，成为自由空穴在晶格中运动，从而起到传导的作用。这时，硼原子变成了多了一个价电子的硼离子，这是一个不动的负中心。30，在热平衡状态下，掺杂有受体杂质的半导体中的空穴和准自由电子的浓度分别为，并且在掺杂有受体杂质的半导体中，热平衡状态下的空穴浓度大于准自由电子的浓度，因此这种半导体被称为P型半导体。p型半导体中杂质浓度NA本征载流子浓度ni为p0n0，空穴为多数载流

9、子，电子为少数载流子。，31，掺杂：引入其他原子来改变半导体电学性质的方法施主杂质：在半导体中提供准自由电子的杂质。对于硅，掺杂的施主杂质一般是钒族元素，如磷和砷；钕施主杂质浓度厘米-3在正常情况下，钕镍(1015 1020)在常温下完全电离，3)掺杂和杂质半导体-总结，32，受主杂质：在半导体中提供空穴的杂质对于硅，掺杂的受主杂质一般是第三族元素，如硼硼和镓；钠的受体杂质浓度为厘米-3。通常，纳尼的受体杂质(na:1015-1020cm-3)在室温下完全电离。4.费米能级。如果一个能带中某个能级的能量被设定为E，这个能级被电子占据的概率符合一个函数定律，即f(E)，这叫做费米函数。当f(E)

10、=1/2时，对应于获得的E值的能级是费米能级。费米能级是量子态基本上被电子占据或基本上是空的标志。费米能级以下的所有能级都充满了电子。电子从费米能级高的一侧流向费米能级低的一侧。本征和非本征半导体的费米能级：本征半导体(没有杂质和缺陷的半导体)，n0=p0，费米能级大致在禁带的中心；n型半导体n0p0，费米能级接近导带；p型半导体p0n0，费米能级接近价带；掺杂浓度越高，费米能级越接近导带或价带。PN结形成，P型半导体和N型半导体在它们的界面处结合形成PN结。PN结是各种半导体器件的核心，如结型晶体管和集成电路。在氮型半导体和磷型半导体的结上形成的上述物理过程总结如下：杂质离子由于浓度差引起的

11、多重态的扩散运动而形成空间电荷区，空间电荷区形成内部电场，这促进了少数载流子漂移并阻止多重态扩散。反向电压下PN结的导电性，当反向电压下PN结导通时，关闭。当两个半导体结合形成pn结时，根据费米能级，电子将从高费米能级的N区流向低费米能级的P区，而空穴将从P区流向N区。因此，EFn一直向下移动，而EFp一直向上移动，直到EFn=EFp。此时，在pn结中有一个统一的费米能级EF，pn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pn结空间电荷区的内置电场。1.1.2半导体发光1。辐射跃迁：当半导体材料中的电子从高能态跃迁到低能态时，多余的能量以光子的形式释放出来，称为辐射跃迁，辐射跃迁过

12、程也是半导体材料的发光过程。跃迁是电子-空穴对复合，激发：光致发光和电致发光，2。无辐射跃迁：电子在不发射电磁辐射的情况下从高能级跃迁到低能级，这种跃迁称为无辐射跃迁。3。半导体的发光和自发辐射：爱因斯坦自发辐射跃迁系数。是高能态的辐射寿命。当同时考虑辐射跃迁过程和非辐射跃迁过程时，有：发光效率：并且高效率发光器件的辐射寿命比非辐射的短得多。直接带隙结构半导体，直接带隙结构：价带顶部的能量位置和导带底部的位置相同。直接带隙跃迁：特点：无声参与，高发光效率，直接带隙半导体材料：第二至第六族化合物氧化锌，硫化锌，硒化锌，碲化锌，硫化镉，CdSe，碲化镉第三至第五族化合物氮化镓，GaAs，砷化镓。5

13、。间接带隙结构的半导体：价带顶部的能量位置不同于导带底部。间接带隙跃迁：特征：声子参与，低发光效率间接带隙半导体材料：硅，锗的第四族半导体，唉，第三至第五族化合物的间隙，间接带隙半导体材料被用来制造光电探测器。半导体材料发展历史：锗和硅半导体材料是主要材料，GaAs(砷化镓)和磷化铟(InP)是制造高性能微波毫米波器件和发光器件的典型半导体材料，而宽带隙半导体材料如GaN和SiC更适合制造高温、高频、抗辐射和大功率器件，主要用于低压、低频和中功率晶体管和光电探测器。1.2半导体发光材料，半导体发光材料的条件：合适的带隙宽度，可见光：可以得到高电导率的p型和n型晶体，且-族化合物晶体的带隙宽度合

14、适，只能表现出n型或p型电导率，不适用于发光二极管晶体。3。可以获得具有良好完整性的高质量晶体。不完全性：杂质和晶格缺陷会缩短少数载流子寿命并降低发光效率。例如SiC、GaN。4。发光复合的可能性很高，直接带隙半导体被广泛使用。在间接带隙跃迁过程中，声子参与比直接带隙跃迁少得多。发光材料概述：主要的半导体发光材料是具有直接带隙的-族半导体材料以及由它们组成的三元和四元固溶体。固溶体是指在不改变整个晶体的结构和对称性的情况下，离子在矿物的某一晶体结构位置上的相互置换。室温下-族发光材料的发射波长范围、半导体材料多组分固溶体的带隙随组分比例而变化，可以获得不同的发射波长。GaAs-族化合物半导体，

15、典型的直接跃迁发光材料，带隙约为1.42电子伏，相应的波长约为873纳米，属于近红外波段。许多发光器件的基本材料和外延生长的衬底材料。1.2.1砷化镓是一种典型的半导体发光材料，具有许多优点。然而，砷化镓晶体二极管的发展倍数小，导热性差，不适合制作大功率器件。GaP的间接带隙宽度为2.26eV，是一种典型的间接发光材料。GaP中掺杂杂质(n)，从而产生等电子陷阱，捕获激子，并通过激子复合实现发光。它在半导体发光材料中具有很高的发光效率。通过掺杂不同的发光中心，可以直接输出红、绿、黄光。激子：空穴带正电荷，自由电子带负电荷。在一定条件下，它们之间的库仑引力相互作用将它们在空间中结合在一起。以这种方式形成的复合物称为激子。激子俘获：电荷(电子或空穴)首先被缺陷的短程势束缚，使缺陷中心带电，然后带相反电荷的空穴或电子被库仑相互作用(长程势)束缚，形成束缚激子。激子的复合发光：在间接带半导体材料中，由于动量选择规则的限制，材料的发光通常很弱，但是如果有束缚激子，它们的波函数在空间上是局域化的，所以发光跃迁的动量选择规则大大放宽了，在没有声子参与的情况下，可能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提高。氮化镓直接过渡半导体材料具有宽带隙、高热导率和