发光二极管教材

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1、第3章 发光二极管（LED） 1. 引言 2. 制作LED的材料 3. LED工作原理 4. 外量子效率 5. 先进LED结构 6. LED性能的影响因素 7. LED的输出功率和调制带宽 8. 影响LED稳定性的因素 1 史上第一只LED 1962年美国通用电气实验室的Holonyak N博士 研制GaAsP红色LED n氮气保护的玻璃封装 n亮度不够(发光效率0.1 lm/W) n不便于安装使用,而且很贵 2 LED的发展 1962年 1970年 1983年 1991年 1998年 3 蓝光LED芯片 4 5 I. 引言 LED是通过自发辐射过程发光的器件，与通过受激辐射发光 的半导体激光

2、器相比，其不同之处在于： p结构简单； p价格低廉； p可靠性高。 但其不足之处在于： n响应速度低； n输出功率小； n输出频谱宽。 6 在正向外加偏置下，少数载流子注入P-N结(注入) LED的主要应用场合: l信息显示 l光源（通信、照明等） 1. LED器件内部的主要光电过程： ( LED功能是将输入的电能转换为光能输出 ) 注入的少数载流子与半导体材料中的多数载流子复合(复合) 光子辐射(发光) 7 改进的LED : p高输出功率 p高响应速度 p高耦合效率 第一代 LED : GaAlAs-LED , 第二代 LED : InGaAsP-LED , LED的划代： 8 II. LE

3、D的材料选择原则 发光器件的材料选择，首先要考虑的是器件的发光效率。 电子-空穴对的复合过程有两种： l辐射复合：产生光子； l非辐射复合：不产生光子，能量以其他形式散失。 在LED的发光过程中，两种辐射机理同时存在，要提高器 件的发光效率，必须尽量使非辐射复合所占比重更小。 间接带隙材料内部的复合过程大多属于非辐射复合，例如 俄歇过程。因而半导体光源的材料绝大多数都是直接带隙材 料，间接带隙材料无法用于制作光源。例如Si和Ge都不能用 于制作半导体光源。 9 光源的特点和用途 u发射光子能量接近于材料带隙； u可见光区域的光子能量范围：1.7eV-2.8eV； u长途通信用光源的光波长在光纤

4、中的损耗要低：1.3和1.55um u局域网通信所用光源成本要低：例如GaAs光源（0.85um） 与光电检测器的制作过程类似，LED也需要利用外延生长技术 生成外延层，在外延层上制作发光区，材料的选择必然受到晶格 匹配的限制。常用材料为GaAs系列和InP系列材料，这两类容易 满足晶格匹配条件，且材料制作工艺成熟。 10 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 衰减（dB/km） 第一窗口 第二窗口 波长（m） 普通单模光纤的衰减随波长变化示意图 6 5 4 3 2 1 0。4 0。2 第三窗口 C 波段 15251565nm 1.57 1.62 L波段 11

5、 III. LED的工作原理 正向偏置条件下，注入少数载流子，并与多数载流子复合 ，产生光子，光子穿过一定厚度的半导体材料向外辐射，形 成光输出。 正向偏置，注入少数载流子：电子注入P区，空穴注入N区； 少数载流子与多数载流子复合，产生光子； 光子出射。 描述这一发光过程的效率的参数主要有：辐射效率、注入 效率、出光效率以及内量子效率和外量子效率。 12 1. 辐射效率 其定义为：在载流子复合过程中，辐射复合在总的复合 过程中所占的比例。 13 由于： 直接带隙材料 间接带隙材料 14 2.注入效率 在正向偏置条件下，注入 PN结 的电流由三部分构成： l注入到P区的电子扩散电流Jn； l注入

6、到N区的空穴扩散电流Jp； l中间耗尽层中由陷阱复合导致的电流JGR 在这三种电流中，只有前两者的复合过程会产生光子，例 如Jn注入到P区后，电子成为少数载流子，与P区的空穴复合产 生光子。而JGR是由中间耗尽区的陷阱引起的复合所消耗，并 不产生光子。由于P区靠近发光表面，因而只有Jn引起的发光 才是有效的。注入效率就是注入的Jn在总电流中所占的比例。 15 光子出射 光子被吸收 顶层 底层 16 u为减少光子的再吸收，提高发光效率，发光区要靠近出射面; u提高注入效率，必须尽量提高Jn的值; u使用高纯度材料，减少陷阱杂质，可以降低JGR，提高发光效率。 17 由三种电流的表达式，要增大Jn

7、所占比重，提高注入效 率，应该使P区轻掺杂，N区重掺杂，即使用PN+结。对于这 种结，ND NA ,且对于III族或者V族元素，电子迁移率要远 大于空穴迁移率，因此Jn要远大于Jp ，注入效率接近于1。 对于同质结来说，存在下列等式： 18 对于异质结，亦存在下列等式： 异质结中，两种材料的带隙差越大，对载流子的限 制作用越强，就注入效率越高。 19 3. 内量子效率： 20 在器件设计过程中，P区的掺杂浓度要综合考虑，掺杂浓 度低则注入效率高，但辐射效率下降；掺杂浓度高则辐射效 率提高，而注入效率降低。 激光器工作所需要 的典型载流子浓度 退简并状态 低注 入区 GaAs半导体激光器在 30

8、0K时的温度特性 辐射复合寿命 21 复合过程 半导体材料中电子-空穴对的复合过程分为两类：辐射复合 和非辐射复合。 辐射复合： l带间复合； l浅杂质-带间复合：浅施主-带间复合、导带-浅受主复合； l激子复合； l施主-受主对复合。 非辐射复合： u俄歇复合； u多声子跃迁； u深能级复合中心复合； u表面复合。 22 带间复合浅施主-价带复合 导带-浅受主复合 施主-受主对复合 23 Direct Phonon Assisted Trap Assisted Donor-Acceptor Related 24 直接复合(1) 直接复合(2) 25 陷阱复合(1) 陷阱复合(2) 26 施主

9、-受主对复合(2) 施主-受主对复合(1) 27 有声子参与的俄歇过程 28 【例题3.1】 一个LED其主体结构为GaAs材料制作的PN结，工作在300K 室温条件下，GaAs本征半导体载流子密度为2106cm-3。PN结 的参数如下，求此PN结的注入效率。 29 【解】 少子浓度为 扩散长度为： 30 31 【例题3.2】 GaAs材料制作的LED，其参数与例题3.1中相同，假设注 入的总的电流为0.35mA，辐射效率为0.5。 （1）请计算此LED产生的光子流； （2）GaAs带隙为1.43 eV，计算产生的光功率。 【解】 注入的电子电流为 产生的光子流为 32 33 IV. 外量子效

10、率 外量子效率表征的是器件的总的发光效率，也称为表观 效率，即器件从外界来看的总发光效率。 34 1. 出光效率 定义： 指从发光面出射的光子数占发光区产生的总的光子数的 比例。发光区产生的光子并非都能出射，这是因为在半导体 材料中存在多种导致光子损耗的因素： n发光区产生的光子需要穿过一定厚度的材料才能到达出射 面，在此过程中材料会吸收光子，产生电子-空穴对； n到达出射面的光子，由于界面的菲涅尔反射，有一部分光 子无法出射，形成菲涅尔反射损耗； n在出射界面处，若入射角大于临界角，会发生全反射，因 而只有有限角度范围内的光子能够出射。 35 2. 提高出光效率的措施 （1）尽量减小吸收损耗

11、； l容易想到的思路是使用吸收系数小的材料，如间接带隙材 料，但这不是好的办法，因为间接带隙材料辐射效率很低； l可以考虑减小吸收层的厚度，让发光区尽量靠近表面，但 表面陷阱密度高，引起的复合属于非辐射复合，造成器件发 光效率下降； l有效的方法是使用异质结结构，限制层材料带隙比发光区 材料带隙更大，相对于发光区的光子而言是透明的，无吸收 。 36 （2）降低菲涅尔损耗； + n 界面处的反射率为R，这种反射损耗称为菲涅尔损耗。 对于GaAs与空气之间的界面： 37 两种介质的折射率相差越大，界面处的菲涅尔损耗就越高 。降低菲涅尔损耗的措施：在界面处加上一个透明的电介质 罩，尽量减小两种介质的

12、折射率差。 例如，如果用折射率为1.6的透明材料在GaAs光源外部 制作电介质罩，其菲涅尔损耗将从33%降低到15%。 38 （3）降低表面全反射损耗； 在出射面，如果入射光角度大于临界角，光波会以全反射 的形式被反射回器件内部而不是从界面辐射出去。这种损耗 称为全反射损耗。 为全反射临界角。 例如，对于GaAsP材料制作的LED： 39 3. 耦合效率 光源发出的光波经过调制变成携带信息的光信号，再耦合 进光纤，才能在光纤中以全反射的形式传输。要提高耦合效 率，就需要设计更好的光源结构，或者采用合适的耦合结构 ，使光源发出的光波更好地耦合进光纤。 40 光纤的全反射角为： 其中An为光纤的数

13、值孔径，光源与光纤的最大耦合效率为 ： 41 【例题3.3】 光束由GaAs材料向空气入射，计算界面处的反射率和全反 射角；如果光束是从GaAs向折射率为1.5的玻璃介质入射， 计算其反射率和全反射角。 若空气介质换为玻璃，反射率和全反射角分别为： 结论：采用电介质罩结构，可有效降低菲涅尔损耗和全反射损耗 。 42 【例题3.4】 一个出射光能分布符合余弦规律的LED，出射光束耦合进 光纤，光纤纤芯折射率1.5，包层折射率1.4，计算光纤的最 大接收角和光源与光纤的最大耦合效率。 即：LED发出的光波中，最多只有6%能够耦合进光纤。 43 V. 先进的LED结构 1. 双异质结LED 44 双

14、异质结LED：使用大带隙材料的限制层将发光区与出射面 隔开，一方面光子出射过程中穿过限制层时不会被吸收；另 一方面，可使发光区远离表面缺陷，提高发光效率。 l中间发光区称为有源区或者激活区，厚度为0.1-0.2um； l有源区材料(GaAs)带隙比限制层材料(AlGaAs)带隙小； l异质结的生成需要外延生长技术。 双异质结结构可使注入的电子和空穴被两侧势垒有效束 缚在中间有源区，使有源区汇聚了较高浓度的载流子，提高 了注入效率。无论是电子电流还是空穴电流都是有效注入， 都对发光有贡献。 45 2. 边辐射LED 限制层(将载流子 限制在有源区) 背反射镜 (减少光损耗) 光波 46 u注入的

15、电流被局限在一个带状区域内；有源区两侧的 限制层折射率比有源区低。使光束集中在一个较小区域内出 射，光能集中，且由于两侧限制层形成类似平板波导的作用 ，光束出射时发散角较小，大部分能量集中在较小的锥形角 度内，使其与光纤之间的耦合效率较高。 u有源区两侧的限制层材料的带隙比有源区材料带隙小，形 成势垒作用，对载流子有较强的限制，使载流子被束缚在有 源区，有源区集中了较高的载流子浓度，提高了注入效率。 其中P区一侧形成了电子的势垒，N区一侧形成了空穴的势垒 。 u限制层材料折射率比有源区折射率低，相当于平板波导， 光束在界面易形成全反射，对光束有较强的限制作用，使光 能集中在较小区域内出射。 4

16、7 3. 面辐射激光器 l通过蚀刻在LED表面形成小孔； l将裸光纤插入小孔，用环氧树脂固定，直接与LED耦合； l光束出射后直接耦合进光纤。 48 (a)面辐射LED通过折射率匹 配介质与多模光纤耦合 (b)面辐射LED通过微透镜 与多模光纤耦合 49 面辐射LED与边辐射LED的光束出射情况 50 【思考题】 1.为什么在同质结LED中，应该使电子注入电流尽量大，空 穴注入电流尽量小，而在异质结LED中，并不需要这样做 ？ 2.与普通的面发射LED相比较，为什么边辐射LED与光纤之 间的耦合效率更高？ 51 VI. LED的性能描述 1. LED的光-电特性(P-I特性) LED属于自发辐射发光，不存在阈值特性。 由于器件发热导致输出饱和 注入电流 输出光功率 低注入条件下： 52 LED的P-I特性： p注入电流较小时，输出光功率与注入电流是线性关系，输 出光功率随注入电流的增大而线性增加； p注入