第1章半导体发光及器件汇总

第1章半导体发光材料及器件光电子材料与器件大纲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半导体激光器1.4发光二极管1.0概述应用领域：信息显示光纤通信固态照明国防半导体发光二极管半导体激光器III-V族半导体材料：GaAs(砷化镓)、GaP(磷化镓)、GaN(氮化镓)、InGaN(铟镓氮)、GaAsP(磷砷化镓)、GaAlAs(镓铝砷)等II-VI族半导体化合物：ZnS(硫化锌)、ZnSe(硒化锌)1.0概述1.1半导体及半导体发光基础1.1.1半导体物理基础能带、导带、价带、禁带、直接带隙材料、间接带隙材料、本征半导体、非本征半导体、1.1半导体及半导体发光基础能级：孤立原子中电子的轨道，形成分离的能级。能带：原子紧密结合时，电子的轨道发生分裂，单个原子中电子的轨道数正比于紧密结合的原子数。轨道能量之差变得非常小，能级可视为近似连续分布，称为能带。1.1.1半导体物理基础1.1半导体及半导体发光基础在绝对零度，可以被电子填满的最高能带形成价带。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，称为导带。对半导体而言，价带与导带之间由禁带相隔。EcEv导导导导Eg导导1.1.1半导体物理基础1.1半导体及半导体发光基础直接带隙和间接带隙半导体：如果导带底与价带顶对应相同的波数，则相应的带隙为直接带隙。如果导带底与价带顶对应不同的波数，则相应的带隙为间接带隙。1.1.1半导体物理基础1.1半导体及半导体发光基础直接带隙半导体材料：发光器件间接带隙半导体材料：光电探测器1.1.1半导体物理基础1.1半导体及半导体发光基础本征半导体：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，价带中的一些电子被激发到导带，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。1.1.1半导体物理基础1.1半导体及半导体发光基础非本征半导体：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。1.1.1半导体物理基础本征与非本征半导体的费米能级：EcEvEFiEcEvEFnEcEvEFp导带价带(a)(b)(c)1.1半导体及半导体发光基础1.1.1半导体物理基础费米能级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的值对应的能级为费米能级。一般近似的认为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。1.1半导体及半导体发光基础热平衡条件下的浓度定律：浓度定律的推论？热平衡？在没有外界影响的条件下，热力学系统的宏观性质不随时间变化的状态。2expgicvBEpnnNNKT*32222/ceBNmkTh*32222/vhBNmkTh1.1.1半导体物理基础Nc:导带电子状态密度1.1半导体及半导体发光基础PN结：扩散、漂移、自建场、耗尽层、正偏、反偏1.1.1半导体物理基础电荷电场电场空间电荷区p区n区中性p区中性n区p-n结xx1.1.1半导体物理基础1.1.2半导体发光一、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半导体及半导体发光基础1.1.2半导体发光激励：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1.1半导体及半导体发光基础弛豫：从不稳定到稳定1.1.2半导体发光二、辐射跃迁与非辐射跃迁：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。例如，处于亚稳能级的原子和离子在高真空条件下通过辐射过程而跃迁到低能级一般是很慢的，在气体放电现象中它会通过碰撞或者向器壁的扩散而快速地释放能量，从而跃迁到低能级。1.1半导体及半导体发光基础1.1.2半导体发光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。1.1半导体及半导体发光基础1.1.2半导体发光三、直接带隙材料与间接带隙材料的辐射跃迁：2xy0kk空穴电子价带导带gEE1.240()()gmEeV1.1半导体及半导体发光基础1.1.2半导体发光普朗克常数h=6.626068×10-34m2kg/se=1.6021892×10-19C1.1半导体及半导体发光基础1.1.2半导体发光gE价带空穴2xy2xy2xy导带电子声子E0kkgpEE光子能量1.1半导体及半导体发光基础1.2半导体发光材料一、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。1.2半导体发光材料InGaAsGaAsPInP可见InAsSbGaAsInAsGaSb波长(μm)0.10.40.60.81.02.04.06.0紫外红外0.210.08.0AlGaInPAlGaAsInGaAsPAlGaAsSbInGaAsSbAlInGaAsInSb室温下III-V族发光材料的发射波长范围发射波段宽的材料有什么相同点？一、发光材料概述：1.2半导体发光材料半导体发光材料的发光范围覆盖了紫外、可见光到红外的很宽范围的光谱。在具体应用中，根据需要，为了获得特定波长范围的自发或受激辐射光波，则需选择合适的半导体发光材料。半导体材料多元固溶体的带隙随成分的比例而变化，可以获得不同的发射波长。一、发光材料概述：1.2半导体发光材料GaAsGaAs是一种重要的III-V族化合物半导体，典型的直接跃迁型发光材料。直接跃迁发射的光子能量在1.42ev左右，相应波长在873nm附近，属于近红外波段。砷化镓属于闪锌矿结构，由极性共价键结合，离子性为0.31。二、典型半导体发光材料1.2半导体发光材料GaP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(例如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。二、典型半导体发光材料1.2半导体发光材料激子：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。二、典型半导体发光材料1.2半导体发光材料激子的俘获：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。二、典型半导体发光材料1.2半导体发光材料激子的复合发光：在间接带隙半导体材料中，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。二、典型半导体发光材料1.2半导体发光材料GaN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，带隙宽度纤锌矿结构，可外延生长单晶。3.39gEeV二、典型半导体发光材料1.2半导体发光材料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是性能优良的短波长半导体发光材料，可用于蓝光及紫光发光器件。二、典型半导体发光材料1.2半导体发光材料InGaAsP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。1-xx1-yyInGaAsP二、典型半导体发光材料1.2半导体发光材料二、典型半导体发光材料SiCSiC有无限多个晶型，根据晶格结构的不同，带隙宽度在2eV~3eV之间。属于间接跃迁型半导体材料。可通过发光中心实现发光，SiC发光可以覆盖整个可见光及紫外光谱范围，SiC蓝光LED已经实现了商品化。1.2半导体发光材料二、典型半导体发光材料ZnS（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。发光二极管LightEmittingDiode1.3发光二极管大功率3W，5WRGB三基色LED灯1.发光二极管的管芯是PN结，构成PN结的材料为直接带隙材料；2、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。3当注入正向电流时，注入结区的非平衡载流子在扩散过程中自发辐射发出非相干光。在发光二极管的结构中不存在谐振腔，也不需要粒子数反转。1.3发光二极管一、工作原理全内反射造成大部分光复发逃逸形成有效光辐射；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°。1.3发光二极管二、基本结构1.同质结LED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，有利于辐射符合产生的光子逃逸。输出光辐射基底n+(c)(a)p输出光辐射n+半球形半导体电极电极pn结塑料圆顶输出光辐射(b)1.3发光二极管二、基本结构指通常所说的LED的发光角度，θ1/2是指发光强度值为轴向强度值一半的方向与发光轴线（法线）的夹角，2θ1/2指左右两个方向的夹角之和。如下图所示一般贴片LED系列的发光角度为110至120度之间，行业一般标注120度。2.异质结LED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1.3发光二极管二、基本结构1.效率1.3发光二极管三、主要光学特性eIhfP//intinthfPhfPextre//intextreexteIhfPint//IUPpower1.3发光二极管2.光谱分析hckTg21hckT28.11.3发光二极管3.光强分布朗伯分布cos4222sairsourceairnnrPI4.温度特性cTKTKII300300e固态照明-白光LED发光二极管替代白炽灯、荧光灯等传统光源，由于发光二极管采用材料均为固态材料，发光二极管照明亦称为固态照明。原理：二波长光混色(蓝色光+黄色光)GaN芯片发蓝光（λp=465nm）；蓝光激发Ce(铈)：YAG（Y3Al5O12，Y2O3和Al2O3的摩尔比为3：5）荧光粉，发射黄色光，峰值550nm；蓝光和黄光混合，得到白光。1.3发光二极管四、发光二极管的典型应用2.结构：蓝光LED基片安装在碗形反射腔中，覆盖以混有YAG的树脂薄层，约200-500nm。1.3发光二极管在同一个发光单元中有三种颜色的LED，LED紧密排列，这样可使得各LED的光斑人眼中成像重叠;1.3发光二极管五、全彩LED独立控制发光单元中的三种发光二极管的灰度级别，亦即控制每个发光单元中的红、绿、蓝三种颜色各自的亮度，就可使发光单元调配出多种不同的颜色。1.3发光二极管优点：●寿命长,理论上为10萬小時，一般大於5萬小時。（是荧光灯的10倍