实验六-半导体发光器件电致发光测量.doc

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半导体发光器件的电致发光测量 一、实验内容与目的 了解半导体发光材料电致发光的基本概念。 了解并掌握半导体显微探针测试台、光纤光谱仪的使用。 掌握半导体发光材料电致发光特性的测量方法。 二、实验原理概述 1. 辐射跃迁 半导体材料受到某种激发时,电子产生由低能级向高能级的跃迁,形成非平衡载流子。这种处于激发态的电了在半导体中运动一段时间后,又回到较低的能量状态,并发生电子-空穴对的复合。复合过程中,电了以不同的形式释放出多余的能量。如跃迁过程伴随着放出光子,这种跃迁成为辐射跃迁。作为半导体发光材料,必须是辐射跃迁占优势。 半导体中的主要辐射复合过程包括:带边复合、电子从自由态到束缚态的复合、施主-受主对复合、等电了杂质束缚激子复合、通过深能级的复合等。带边复合包括导带电子与价带空穴复合、自由激子复合、束缚在中性或电离状态的浅施主和受主上的束缚激子复合等。导带的电子跃迁到价带,与价带空穴相复合,伴随的光子发射,称为本征跃迁。显然这种带与带之间的电子跃辽所引起的发光过程,是本征吸收的逆过程。如图6.1(a)所示,对于直接带隙半导体,导带与价带极值都在k空间原点,本征跃迁为直接跃迁。由于直接跃迁的发光过程只涉及一个电了一空穴对和一个光子,其辐射效率较高。直接带隙半导体,包括Ⅱ-Ⅳ族和部分Ⅲ-Ⅴ族(如GaAs等)化合物,都是常用的发光材料。如图8.1(b)所示,间接带隙半导体中,导带和价带极值对应于不同的波矢k,这时发生的带与带之间的跃迁是间接跃迁。在间接跃迁过程中,除了发射光子外,还有声子参与。因此,这种跃迁比直接跃迁的几率小得多,Ge、Si和部分Ⅲ-Ⅴ族半导体都是间接带隙半导体,它们的发光比较微弱。 图6.1 本征幅射跃迁 图6.2施主受主间跃迁 如果将杂质掺入半导体,则会在带隙中产生施主(Donor)及受主(Acceptor)的能级,因此又可能产生不同的复合而发出光。电子从导带跃迁到杂质能级,或杂质能级上的电子跃迁入价带,或电子在杂质能级间的跃迁都可以引起发光,这类跃迁称为非本征跃迁。间接带隙半导体本征跃迁几率很小,非本征跃迁起主要作用。图6.2所示为施主与受主之间的跃迁。这种跃迁效率高,多数发光二极管属于这种跃迁机理。在施主-受主对的复合中,过剩电子、空穴先分别被电离的施主和受主俘获,然后中性施主上的电予隧道跃迁到中性受主并发射一个光子。若把施主和受主看成点电荷,把晶体看作连续介质,施主与受主之间的库仑作用力使受激态能量增大,其增量与施主-受主杂质问距离r成正比,所发射的光子能量为: 式中,ED和EA分别为施主和受主的电离能,ε是晶体的低频介电常数。对简单的替位施主和受主杂质,r只能取一系列的不连续值,因此,施主-受主复合发光是一系列分离谱线,随着r的增大,成为一发射带。 图6.3 p-n结能带 2. 电致发光 根据不同的激发过程,可以有各种发光过程,如:光致发光、阴极发光、电致发光等。 半导体的电致发光(EL),也称场致发光,是由电流(电场)激发载流子,将电能直接转变成光能的过程。EL包括低场注入型发光和高场电致发光。前者是发光二极管(LED)和半导体激光器的基础。本实验只涉及这类EL谱的测量。 发光二极管是通过电光转换实现发光的光电子厂器件,是主要的半导体发光器件之一,具有广泛的应用,如各类显示、数据通讯等。特别是通过白色发光二极管实现固体照明,不仅可以节省能源、减少污染,而且体积小、寿命长,因此固态照明已被全世界重视。 图6.4 在双异质结中由宽带隙半导体材料隔 开的中间发光区,更高的载流子浓度及载 流子限定的改善。 所有商用LED都具有p-n结结构,因此以p-n结的发光为例来说明注入发光机制。p型半导体是掺杂了受主杂质,而n型则是掺杂了施主杂质,将两种材料放在一起,即得到p-n结。n型半导体中产生电子,p型半导体中产生空穴,在其中间产生耗尽层。图6.3所示为发光二极管p-n结的能带结构。p-n结处于平衡时,存在一定的势垒区,如图86场也相应地减弱(图8.3(b))。这样继续发生载流子的扩散,即电子由n区注入p区,同时空穴由p区注入到n区。进入p区的电子和进入n区的空穴都是非平衡少数载流子。这些非平衡少数载流子不断与多数载流子复合而发光。 如果采用异质结,发光效率可以得到显著的提高。图6.4所示为由宽带隙半导体材料隔开的中间发光区,两种类型的过剩载流子从两侧注入并被限制在同一区域,过剩载流子数目显著提高。随着载流子浓度的提高,辐射寿命缩短,导致更为有效的辐射复合。如果中间有源区域减小到10nm或更小就形成量子阱,由于其厚度与德布罗意波长相近,量子力学效应出现,载流子状态密度变得更高,从而可以获得很高的发光效率。这是目前商用LED的实际结构。 对于LED应用,最重要的半导体材料包括:AlGaAs(覆盖从红光到红外的很宽

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