光电器件基础·第二章半导体发光器件

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1、 17光电器件基础第二章 半导体发光器件 2.1 半导体发光机理 2.2 半导体发光二极管 2.3 超辐射发光二极管 任何物体的发光过程都伴随着物体内部能量的变化。从微观上看，物体中的原子（尤其原子中的电子）可以有各种不同的能量状态，当原子从 高能态过渡到低能态时，就会释放出能量，如果这种能量是以光辐射的形式释放出来，物 体就发光。当然，要维持物体持续发光，就必须由外界不断地向物体提供能量使原子重新 激发到高能态，这个过程称为激励。激励所需要的能量可以是电能、化学能、核能、热能，也可以是光能。 图 2.1(a)示出了位于 E1能级上的电子，在受到某一种激励作用下，接受外界的能量，从较低的能级

2、E1跃迁到较高的能级 E2。受到激励后处于高能态上的电子可以自发地放出能量回到低能态，这个跃迁过程称为辐射跃迁，如 图 2.1(b)所示，所放出的能量等于两个能级能量之差， = E2- E1。另外，处于高能态上的电子也可能在外界一个光子（能量为 = E2- E1）的诱导下跃迁到低能态 E1，并且释放出能量相同的另一个光子， 这个过程称为受激辐射，如 图 2.1(c)所示。这一章和下一章我们着重研究的是半导体材料的辐 射跃迁和受激辐射跃迁过程，研究的器件是半导体发光二极管和半导体激光二极管。 2.1 半导体发光机理 半导体中的电子可以吸收一定能量的光子而被激发。处于激发态的电子也可以向较低的能级

3、跃迁，以辐射的形式释放能量。这种电子从高能级 向低能级跃迁并伴随着发射光子的过程，称为 半导体发光 。产生光子发射的主要条件是系 统必须处于非平衡状态，即在半导体内需要有某种激发过程，通过非平衡载流子的复合才能形成发光。半导体的发光过程多是场致发光过程， 这种发光是由电流 （电场） 激发载流子， 是电能转化为光能的过程。 2.1.1 辐射复合 半导体材料受某种激励，电子发生由低能态到高能态的跃迁，形成非平衡载流子。这种处于激发态的电子在半导体中运动一段时间后，又回复到较低的能态，并发生电子和空穴的复合。复合过程中以不同的形式释放多余的能量。如图 2.2 所示，从高能态到低能态的跃迁过程，主要有

4、以下几种， (a) (b) (c)图 2.1 三种基本的跃迁过程示意图 图 2.2 半导体中电子的跃迁过程 18有杂质和缺陷参与的跃迁：导带电子跃迁到未电离的受主能级，与受主能级上的空穴复合，如过程 a；中性施主能级上的电子跃迁到价带，与价带中空穴复合，如过程 b；中性施主能级上的电子跃迁到中性受主能级，与受主能级上的空穴复合，如过程 c。 带与带之间的跃迁：导带底的电子直接跃迁到价带顶部，与空穴复合，如过程 d；导带热电子跃迁到 价带顶与空穴复合，或导带底的电子跃迁到价带与热空穴复合，如过程 e。 热载流子在带内的复合，如过程 f。 上面提到，电子从高能级向低能级跃迁时，必 然释放一定的能量

5、。如跃迁过程伴随着放出光子，这种跃迁称为 辐射跃迁 。必须指出，以上列举的各种跃迁过程并非都能在同一材料和在相同条件下同时发生，更不是每一种跃迁过程都 辐射光子（不发射光子的称为 无辐射跃迁 ） 。但作为半导体发光材料，必须是辐射跃迁占优势。 本征跃迁（带与带之间的跃迁） 导带的电子跃迁到价带，与价带空穴相复合，伴随着发射光子的过程，称为 本征跃迁 。显然，这种带与带之间的电子跃迁所引起的发光过程，是 本征吸收 的逆过程。对于直接带隙半导体，导带和价带极值都在 k 空间原点，本征跃迁为直接跃迁，如图 2.3(a)所示。由于直接跃迁的发光过程只涉及一个电子-空穴对和一个光子，其辐射效率较高。直接

6、带隙半导体，包括部分 II-VI 族和 III-V 族化合物，都是常用的发光材料。 间接带隙半导体，导带和价带极值对应于不同的波矢，如图 2.3(b)所示。这时发生的带与带之间的跃迁为间接跃迁。在间接跃迁的过程中，除了发射光子外，还有声子参与。因此，这种跃迁过程比直接跃迁发生的概率小得多。 Si、 Ge 和部分 III-V 族半导体是间接带隙半导体，它们的发光比较微弱。 显然，带与带之间的跃迁所发射的光子能量与禁带宽度 Eg有关。对于直接跃迁，发射光子的能量至少满足 gvcEEEh = 。 (2.1) 对于间接跃迁，在发射光子的同时，还发射一个声子，光子的能量应满足 pvcEEEh = 。 (

7、2.2) 其中 Ep是声子能量。 非本征跃迁 电子从导带跃迁到杂质能级，或者杂质能级上的电子跃迁入价带， 或电子在杂质能级之间跃迁， 都可以引起发光，这种跃迁过程称为 非本征跃迁 。对于间接带隙半导体，本征跃迁是间接跃迁， 概率很小。 这时非本征跃迁起主要作用。 这里着重讨论施主与受主之间的跃迁，见图 2.4。这种跃迁效率高，多数发光二极管属于这种跃迁机理。当半导体材料同时存在施主和受主杂质时， 两者之间的库仑作用力使受激态能量增大， 其增量 与施主和受主之间距离成反比。当电子从施主向受主跃迁时，如没有声子参与，发射光子能量为 图 2.3 本征辐射跃迁过程示意图 图 2.4 施主与受主间的跃迁

8、 19()rqEEEhrADg024 += ， (2.3) 其中 ED和 EA分别代表施主和受主的束缚能， r是晶体的相对介电常数。 由于施主和受主一般以替位原子出现于晶格中，因此距离 r 只能取以整倍数增加的不连续的数值。 在实验中观测到一系列不连续的发射谱线与不同的 r 值相对应。 从式 (2.3)看出，r 较小时，相当于比较邻近的杂质原子间的电子跃迁，得到分立的谱线；随着 r 的增大，发射谱线越靠越近，最后形成一发射带。当 r 很大时，电子从施主向受主完成辐射所需要穿越的距离也较大，因此发射几率减小。一般感兴趣的是比较邻近的杂质对间的跃迁。 GaP 是一种 III-V 族间接带隙半导体，

9、室温时禁带宽度 Eg= 2.24 eV，其本征跃迁效率很低，它的发光主要是通过杂质对的跃迁。实验证明，掺 Zn（或 Cd）和 O 的 p 型 GaP 材料，在 1.8 eV 附近有很强的红光发射带，其发光机理大致如下：掺 O 和 Zn 的 GaP 材料，经过适当热处理后， O 和 Zn 分别取代相邻近的 P 和 Ga 原子， O 形成一个深施主能级（导带下 0.89 eV 处） ， Zn 形成了一个浅受主能级（价带上 0.06 eV 处） 。当这两个杂质原子在 p型 GaP 中处于相邻点时，形成一个电中性的 Zn-O 络合物， 起着等电子陷阱中心的作用，束缚能为0.3 eV。 GaP 中掺入

10、N 后， N 取代 P 也起着等电子陷阱作用，其能级位于导带下 0.008 eV 处。如图 2.5 所示， 这些等电子中心都处于 GaP 的禁带中，它们俘获电子和空穴后会形成激子（电子-空穴对） ，激子复合后会发出相应波长的光。 另外， GaP 也可以和 GaAs 混合形成 GaAs1-xPx混晶，通过调节组分 x 的值改变混晶的能带结构。如果组分 x处于 0.380.40 时，混晶 GaAs1-xPx为直接带隙半导体，室温时禁带宽度为1.84 1.94 eV， 这时带带跃迁也有很高的发光效率。 GaP 以及 GaAs1-xPx发光二极管在实际中有着很广泛的应用。 2.1.2 电致发光激发机构

11、 这里仅简要解释 pn 结和异质结的注入发光机构。 pn 结注入发光 pn 结处于平衡时，存在一定的势垒区，其能带图如 2.6(a)所示。若加一正向偏压，如 2.6(b)所示， p 区和 n 区不再有统一的费米能级， 导带电子和价带空穴所面对的势垒降低， 势垒区内建电场也相应减弱， 致使电子和空穴的扩散运动加强， 大量的导带电子从 n 区扩散到 p 区，同时大量的价带空穴从 p图 2.5 GaP 中等电子中心辐射复合发光示意图 EcEFiEFEvp n eFpeFneVbi图 2.6(a) 热平衡状态下 pn 结能带图 电子流图 2.6(b) 正偏 pn 结注入发光 EcEFiEFpEvp n

12、 eFpeFneVtotaleVaEFn空穴流 20区扩散到 n 区，进入到 p 区的电子和进入到 n 区的空穴就称为非平衡载流子。在实际应用的 pn 结中，扩散长度远远大于势垒宽度。因此电子和空穴通过势垒区时基本上不会复合而消失，会继续向另外一侧扩散，称为注入到 n 区或 p 区的非平衡少子。这些非平衡少子不断地与多数载流子复合，即扩散到 p 区的电子会和 p 区内的空穴复合，或扩散到 n 区的空穴会和 n 区内的电子复合，复合的同时向外辐射出能量，即发光。这就是 pn 结注入发光的基本原理 。常见的 GaAs 发光二极管就是利用 GaAs pn 结制得的。 GaP 发光二极管也是利用pn

13、结加正向偏压，形成非平衡载流子，但其发光机制和 GaAs 不同，它不是带与带之间的直接跃迁，而是通过杂质对的跃迁形成的辐射复合。 异质结注入发光 从同质 pn 结注入发光的机制可以知道，少数载流子的注入效率对复合发光至关重要。为了提高载流子的注入效率， 可以采用异质结构 pn 结。图 2.7(a)给出了平衡状态下异质结构 pn 结示意图，两种材料的禁带宽度不同，宽带材料是 p 型 AlGaAs，窄带材料是 n 型GaAs，这里是组分缓变结构，即在一定的宽度范围内， Al 组分从某个数值（大小处于 0和 1 之间）变到 0。平衡时整个结构同样有统一的费米能级， 但是电子和空穴所面对的势垒高度不同

14、。加正向偏压时， p 区的费米能级下降， n 区的费米能级上升，导带电子和价带空穴所面对的势垒降低， 但是当两侧的价带高度接近时，导带仍存在较高的势垒，如图 2.7(b)所示。这时注入的载流子主要是从 p 区到 n 区的空穴，注入的驱动力除了空穴的浓度梯度外，我们注意到从 p 区到 n 区由于禁带宽度的变窄而产生了一个等效的电场，电场的方向从 p 区一侧指向 n 区一侧，这个附加的电场也会推动空穴从 p 区向 n 区的运动，从而提高了空穴的注入效率，这正是异质结相对于同质结的最大优点。这样，禁带宽度较宽的区域成为注入源， 而禁带宽度较窄的区域成为发光区。发光光子的能量取决于窄带材料的禁带宽度

15、Eg2，显著地小于 Eg1，因而禁带宽度较大的 p 区对这些光子是透明的。因此，异质结发光二极管中禁带较宽的部分（注入区）同时可以作为辐射光的透出窗口。 2.1.3 发光效率 电子跃迁过程中，除了发射光子的辐射跃迁外 ，还存在无辐射跃迁。在无辐射复合过程中，能量释放机理比较复杂。一般认为，电子从高能级 向低能级跃迁时，可以将多余能量传给第三个载流子，使其受激跃迁到更高的能级，这是 所谓俄歇复合过程。此外，电子和空穴复合时，也可以将能量转变为晶格振动能量，这就 是伴随着发射声子的无辐射复合过程。 实际上，发光过程中同时存在辐射复合和无辐 射过程。两者复合概率的不同使材料具有不同的发光效率。显然，发射光子的效率决定于非平衡载流子辐射复合寿命 r和无辐射复合寿命 nr的相对大小。通常用内部量子效率 内和外部量子效率 外来表示发光效率。单位时间内辐射复合产生的光子数与单位时间内 注入的电子-空穴对数之比称为 内量子效率 ，即 空穴对数单位时间内注入的电子数单位时间内产生的光子内-= 。 (2.4) 由于在平衡时，电子-空穴对的激发率等于非平衡载流子的复合率（包括辐射复合和无辐射(a) (b) 图 2.6 异质 pn 结处于热平衡状态下 (a)和正向偏置下 (b)的能带图 21复合） ；而复合率又分别决定于寿命