【半导体照明课件】7 第5章 半导体发光材料体系.pptx

第五章 半导体发光材料体系;第一代半导体材料，元素半导体材料； 　以Si和Ge为代表， Si：Eg=1.12 eV 第二代半导体材料，化合物半导体材料； 　以GaAs，InP等材料为代表， GaAs：Eg=1.46eV 第三代半导体材料，化合物半导体材料； 　以GaN、SiC、ZnO等材料为代表，GaN: Eg=3.3 eV;周期表中与半导体相关元素;化合物;实用LED的材料绝大多数为III-V族化合物半导体材料及其多元合金，包括： 二元系GaAs、 GaP、GaN、 AIP、 SiC； 三元系GaAsP、 A1GaAs、InGaN、 A1GaN、InGaP、 AIGaP； 四元化合物InGaAsP, AIInGaP, AlInGaN等;1、二元合金 由三种III族元素（Al，Ga，In）和三种五族元素（N, P，As，Sb）可组成 12 种二元化合物，它们的禁带宽度见下表：; 1、二元合金 铝化合物容易氧化，多不采用。 GaP适合，它的禁带Eg=2.34eV，虽然它是间接能隙，是二元III-V族化合物中主要用于LED生???的材料。 掺Zn、O的GaP发红光，外量子效率可达2%~4%，这是由于Zn、O两种杂质原子在P型GaP材料处于相邻晶格点时形成电中性的分子中心Zn-O D-A对。;二、制备LED所用的半导体材料 1、二元合金 GaP：Te，Zn发绿光，靠D-A对作用发光，外量子效应5%。 在GaP LED的n型区掺入N，p型区掺入O，结果n型区主要发绿光， p型区主要发红光。外观为黄色光或橙色光。;二、制备LED所用的半导体材料 2. 三元合金材料(GaAs1-xPx 、Al1-xGaxAs、In1-xGaxN) 1)、基于GaAs和GaP的三元III- V族合金材料 现有的III-V族化合物中直接带隙材料如GaAs等，Eg=1.43eV不够，而那些Eg大的材料（如GaP）又都为间接带隙，发光效率不高。 为了综合利用这两类材料的优点，一种重要的半导体材料体系是基于GaAs和GaP的三元III-V族合金材料。 ;二、制备LED所用的半导体材料 1)、基于GaAs和GaP的三元III- V族合金材料 在这种合金材料材料中，V族As和P原子随机分布在GaAs晶体结构中正常的As的位置。 控制混晶的成分可以改变Eg，从而可以制成发可见光的直接能隙材料，使LED多色化。 基于GaAs和GaP的三元III-V族合金材料可以概括地用GaAs1-xPx表示。;1)、基于GaAs和GaP的三元III- V族合金材料 (1). x0.45 当x0. 45时，GaAs1-xPx材料是直接带半导体材料，因此，电子空穴对直接复合发光。 复合比率正比于电子空穴浓度， 发光波长范围从630nm(x=0.45) 到870nm(x=0)。;(2). x0.45 当x0.45时，GaAs1-xPx材料是间接带半导体材料，电子空穴对的复合是通过复合中心实现的。 如果我们将与P同在V族的N原子掺杂在GaAs1-xPx中，用N取代晶格中P的位置，这种情况被称为等电子掺杂，由于N和P具有相同的价键，N原子取代P原子后价键数不变，因此，N原子既不能扮演施主的角色也不能扮演受主的角色。;(2). x0.45 但是它们的原子结构和原子核外电子数不同，与P原子相比，N原子受到核外电子屏蔽效应相对较弱，N原子在晶格中能够吸附它附近的导带电子，对于导带电子来说，晶格中的N原子就是一个陷阱，反映在能带中，就是N原子在禁带中形成了一个局域能级(态)，这个局域能级接近于导带带边。;1)、基于GaAs和GaP的三元III- V族合金材料 (2). X0.45 ;(2). X0.45 当一个导带中的自由电子被N形成的等电子陷阱俘获，相当于导带电子从导带跃迁到局域能级EN上，导带电子被等电子陷阱俘获后形成了一个负电中心，负电中心在周围形成一个Coulomb场，通过Coulomb场吸引附近价带中的空穴形成电子空穴对，这种束缚的电子空穴对也叫做束缚激子，电子空穴对直接复合产生发光。;(2). x0.45 发射光子的能量比禁带宽度小一些，hv=EN-Ev。 由于发光来自于N杂质中心，因此，不会向直接带半导体的发光效率那