1-半导体发光材料及器件

光电子材料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。1.0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概述应用领域：信息显示光纤通信固态照明国防元素半导体：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7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。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、常见晶体结构化合物半导体:GaAs、InP、ZnS闪锌矿结构金刚石型VS闪锌矿型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+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12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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）。EcEv导导导导Eg导导vcgEEE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。3~6eV172、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）。19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。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：2expgicvBEpnnNNkTinnp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。22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23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24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。25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。26N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n0P0，电子为多数载流子，空穴为少数载流子。200iDDnnNpN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27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28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。29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。30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p0n0，空穴为多数载流子，电子为少数载流子。22000iiAAnnpNnpN31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NDni(1015~1020)•常温下，施主杂质完全电离200iDDnnNpN3）掺杂与杂质半导体--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NAni(NA：1015~1020cm-3)•常温下受主杂质完全电离200iAAnpNnN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。)exp(11)(TkEEEfBF本征与非本征半导体的费米能级：EcEvEFiEcEvEFnEcEvEFp导带价带(a)(b)(c)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n0p0，费米能级比较靠近导带；P型半导体p0n0，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。5、PN结空穴电子多子少子空穴电子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。空穴电子多子少子空穴电子NP扩散电流漂移电流内电场PN结的形成空穴电子多子少子空穴电子NP扩散电流漂移电流内电场PN结的形成以上在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＝PN结加正向电压时的导电情况IFPN结NＰ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结加反向电压时的导电情况PN结NＰ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。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。1.1.2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-空穴对复合激励：光致发光电致发光注入空穴注入电子迟豫过程导带价带NRRghE2、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：ANtNradiativeddA：自发辐射跃迁爱因斯坦系数。RA1，为高能态辐射寿命。R同时考虑辐射跃迁过程和非辐射跃迁过程时，则有：11totalRNRRNRdNNNNdt1111RRRNRRNRNN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。4、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ghE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。5、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、GaPgphEE间接带隙半导体材料用于制作光电探测器。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发光材料的条件：1.禁带宽度合适gEh1.78eVgE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。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