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1、发光二极管,2.1 引言,1、定义：发光二极管（LED）是一种固态发光，是利用半导体或类似结构把电能转换成光能的元件，属于低场下的注入式电致发光。 2、特点： B高，室温下，全色LED大屏幕，5000 10000cd/m2 工作电压低，15V，可与Si逻辑电路匹配 响应速度快，107 1 09s 彩色丰富，已研制出红绿蓝和黄橙的LED 尺寸小，寿命长（十万小时） 视角宽，96年，达80度；97年，达140度,3、缺点： 电流较大，对七段式LED数码管，10mA/段 功耗大，装配大型矩阵屏时散热问题突出 4、简史 1923年，由Losev在产生p-n结的SiC中发现注入式电致发光 60年代末，L
2、ED得到迅速发展 1964年，Gvimmeiss和Scholz以GaP间接带材料隙得到橙、黄、绿的LED 80年代，蓝光的LED研制出来，用宽带隙n型或半绝缘的GaN、ZnS或ZnSe上形成肖特基势垒形成,2.2 LED的发光机理,PN结断面示意图,What happens when p-type & n-type semiconductors are connected? Holes and es migrate across p/n junction.,holes,104 V/cm electric field at junction limits size of depletion re
3、gion,2.2.1 LED的物理基础 复合理论 一. 载流子的激发 半导体中的发光是原子能态之间辐射跃迁的结果。辐射复合速率是由高能态的电子密度、空着的低能态密度以及这两种能态之间的跃迁几率三者乘积决定的。因为半导体中相邻原子的间隔小（5），它们的轨道电子的波函数相互作用，因此形成允许的能带而不足形成分离的能级（如在孤立的原子中），发光产生与带间的跃迁，因此不是单色的，而是扩展遍及一般为几百宽的波长间距,半导体中发光是产生浓度超过热平衡值的电子和空穴的复合 激发载流子的方式有四种： （1） 光致发光：是由能量大于半导体能带间隙的入射光吸收产生少数载流子的过程。它在研究半导体材料时常用 （2）
4、阴极的射线发光：剩余载流子的产生是由高能电子电离的电子空穴队而来的。每一个入射的电子产生的电子空穴对数目是非常大的（对于一个10kev的电子，其典型数为103）,（3）放射线发光：由各种高能粒子轰击发光物体产生电子空穴对而引起发光 （4）电致发光：它是由于外加电场而产生少数载流子的过程利用这种现象制成的器件有LED、LD、EL等 二、复合过程 电子空穴对一旦由上面提到的某种激发过程产生，电子将回到它的较低能量的平衡态并与空穴复合。这种复合能够通过两种途径发生：辐射复合，非辐射复合,辐射复合 辐射复合可直接由带间电子和空穴复合产生，也可通过由晶体自身的缺陷掺入的杂质和杂质的聚合物所形成的中间能级
5、来产生；这些缺陷或杂质就叫做发光中心。按电子跃迁的方式可把辐射分成两种 带间复合 带间复合是指导带中的电子直接与价带中空穴复合，产生的光子能量易接近等于半导体材料的禁带宽度。,半导体材料如GaAs,Inp等，由于价带极大与导带极小对应于同一位置（零动量位置）这种半导体材料的能带称为直接带隙半导体能带，也即是说，在直接带隙半导体的电子能量E（k)与波数K关系曲线中，导带极小与价带极大具有相同的K 值，电子与空穴在这种材料中的复合为二体过程，辐射效率不高。 如果半导体材料的E（k)K曲线中，导带极小与价带极大对应于不同的K值，称为间接带隙半导体能带。,带间复合必需涉及一个第三者的粒子以保持动量守恒
6、。声子（晶格振动)就是这里的第三者。但是这种三粒子过程中电子空穴复合的几率比直接带隙材料中小23个数量级，Si、Ge、GaP等都属于间接带隙，这类材料将两种带间复合的能带示于下图,两种带间复合,电子吸收光子的跃迁过程必须满足能量和动量守恒，电子在跃迁过程中波矢保持不变 (在波矢k空间必须位于同一垂线上）直接跃迁,直接跃迁和间接跃迁,常见半导体GaAs就属于此类： 直接带隙半导体,直接跃迁中吸收系数 和光子能量的关系为,（A为一基本常数）,间接跃迁：动量不守恒，电子不仅吸收光子，同时还和晶格交换一定的振动能量，即放出或吸收一个声子从而达到动量守恒. 光吸收系数（1-103 cm-1）比直接跃迁（
7、104 - 106 cm-1 ) 小得多。,Si：间接带隙 半导体,非间接复合 施主和受主杂质不仅决定于材料的导电类型和电阻率，而且当杂质是发光中心时，它们还支配着辐射复合过程，杂质取代晶体内部的基质原子，其位置不规则，因而委形成周期性排列。杂质能级在动量空间扩展开，特别是出现在K0处，（说明杂质能级于半导体的价带顶或导带低具有相同的动量）。这说明为何含有杂质能级的跃迁能如此有效，复合的辐射部分可以发生在从导带到受主或从施主到价带，跃迁更经常发生在施主和受主能态之间，因为它们分别单独为电子和空穴提供低能态。,在半导体 -族化合物如GaP中，选用特定的杂质通常是从 族施主Te、Se、和S，以及从
8、 族受主Zn、Cd和Mg当中进行挑选。这种半导体材料（ GaP ）在常温下通过激子(是指电子处于激发状态但不能自由行动，被空穴所产生的库仑场俘获的原子或分子)来进行非间带复合跃迁。 如果在 -族化合物中选用与基质晶体同样电子结构的元素搀杂，使之置换基质晶体元素的晶格点，由于它与基质晶体元素的电子亲和力不同，而对电子或空穴产生吸引作用，这样的势阱叫做等电子势阱，这种材料是通过等电子势阱来进行带间复合跃迁。如GaP中搀N，N置换P，因为N和P为同一族，置换后呈电中性，由于N比P对电子的亲和力大，会俘获电子，其后又以库仑场俘获空穴，因此N也称为等电子受主。,对于各种特定的搀杂剂和半导体的组合，最佳的
9、杂质浓度通常是以高效发光为目的的经验来决定。一般情况下，杂质浓度不能太小，因为： 注入少数载流子的复合几率直接正比于将要与之复合的多数载流子的浓度（即发光中心浓度） 较高的串联电阻是由于低的载流子浓度的缘故，在大电流下，能引起过多的发热和大的电压降。,另一方面，杂质浓度不能太大，由于“浓度悴灭”，在浓度接近杂质溶解度极限时会引起诸如沉淀和金属络合物等冶金学缺陷，使半导体根本不会发光，因此浓度不能太大。 对于所搀施主杂质，浓度范围为10171018个cm3，受主杂质在10181019个cm3,2、非辐射复合 电子与空穴的复合为非辐射性时，则不发光，在半导体材料中最主要的非辐射复合过程有两种： 通
10、过缺陷或杂质中心的复合 内部量子辐射复合就是在那里发生缺陷（以及Fe、Cu一类的污染）引起的，深复合中心并跟着发生红外发射或非辐射复合。这是由于杂质在表面处有一能态的连续区（或准连续区）可以把导带和价带连接起来，在表面态处的复合由声子发射耗散掉多余的能量,通过俄歇效应的非辐射复合 俄歇电子发射是下图所示的一个过程。,M等,L*2,3,L1,EF,2、2、2 p-n结注入式电致发光机理 （结型电致发光） 按照半导体材料不同形成的p-n结来进行电致发光的情况，可分为两类： 同质p-n结注入式电致发光 异质p-n结注入式电致发光,一、同质p-n结注入电致发光,At the junction, fre
11、e electrons from the N-type material fill holes from the P-type material. This creates an insulating layer in the middle of the diode called the depletion zone.,无外加电压,PN结(PN-junction),二、异质p-n结注入电致发光 能带如图所示,Potential 势垒,异质结(Hetero-junction),2、3 Light Emitting Diode (LED) 2、3、1 结构与材料 一、结构 采用半导体工艺在衬低上制
12、作p-n结，然后制作Al电极，接着在半导体衬低一面蒸镀AuGe电极，制得芯片，封装芯片，焊到管座上，由超声波焊接或热压焊引出电极，最后涂覆透明的环氧树脂。 其形状和折射率对LED发光有很大的影响,Phosphor Coated LEDs,二、材料 LED对材料的要求： Eg较大，因为晶体发光的EmaxEg1.72ev,Eg大，则便于发能量较大的蓝光或绿光 纯度高，晶格完整性好，以减小非辐射复合 直接带隙的半导体，其跃迁效率高 能容易与Al、Au等金属形成良好的欧姆接触 稳定性好，价格便宜,重要半导体的带隙,对于LED材料的要求体现在LED特性上有二个重要的优质： 一是外量子效率。另一个引入亮度
13、B,2.3.2 LED的制造工艺 结型发光器件工艺和一般半导体器件相似，但由于它是发光器件，因此必须充分注意其电学、光学特性的统一效果。 半导体发光材料通常是用外延材料制作的，GaAsP基片是由气相外延制造的，单晶晶片上切割下来的，而GaP和AlGaAs则采用的液相外延技术。相应的器件制作都是采用n型掺杂的材料，用Zn扩散方法，进行局部受主扩散形成pn结，这里以GaAs0.6P0.4LED为例，对制作工艺加以说明。,单晶的制作 采用水平布里奇曼法（Bridgman）,采用保护旋转提拉法,平面结型LED工艺,LED的制作工艺,外延技术： LPE (liquid phase epitaxy) VP
14、E (vapor phase epitaxy) MBE (molecular beam epitaxy) MOCVD (metal-organic chemical vapor deposition),Liquid-Phase Epitaxy (LPE),LPE is the simplest technique mechanically. It is an excellent technique for the production of the very thick layers used in some high-brightness LED structures.,Molecular
15、Beam Epitaxy (MBE),MBE is the most powerful technique for the production of superlattice and quantum-well structures. MBE can be used for the growth of a wide range of materials, but a notable shortcoming is the difficulty experienced with the growth of the phosphides.,Organometallic Vapor-Phase Epi
16、taxy (OMVPE),OMVPE is the most versatile technique for the production of III-V materials and structures for eletronic and photonic device. It is also the most recent technique to be devoloped for the production of high-quality III-V semiconductors.,台面结型LED工艺,2.3.3 LED的特性 1、IV特性 其正向IV特性与普 通二极管大致相同,P-N Junction - V-I characteristics,Voltage-Current relationship for a p-n junction (diode),The Ideal Diode Equation,2、 BV特性和BI特性 LED的发光亮度B与电压V的关
