半导体发光材料与器件课件.ppt

1、光电子材料光电子材料n以光子、电子为载体，处理、存储和传递信息的以光子、电子为载体，处理、存储和传递信息的 材料。材料。n已使用的光电子材料主要分为光学功能材料、激已使用的光电子材料主要分为光学功能材料、激光材料、发光材料、光电信息传输材料（主要是光光材料、发光材料、光电信息传输材料（主要是光导纤维）、光电存储材料、光电转换材料、光电显导纤维）、光电存储材料、光电转换材料、光电显示材料（如电致发光材料和液晶显示材料）和光电示材料（如电致发光材料和液晶显示材料）和光电集成材料。集成材料。n1.0 概述概述n1.1 半导体及半导体发光基础半导体及半导体发光基础n1.2 半导体发光材料半导体发光材料

2、n1.3 发光二极管发光二极管n1.4 半导体激光器半导体激光器第第1 1章章 半导体发光材料及器件半导体发光材料及器件1.0 概述概述应用领域：应用领域：信息显示信息显示 光纤通信光纤通信 固态照明固态照明 国防国防 元素半导体：元素半导体：Si，Ge（IV族）族）III-V族半导体：族半导体：GaAs,InP化合物半导体化合物半导体 II-VI族半导体：族半导体：ZnS IV-IV族半导体：族半导体：SiC1 1、半导体的种类、半导体的种类6固体材料的种类固体材料的种类:(根据原子、分子或分子团在三维空间中排列的有序程度的不同根据原子、分子或分子团在三维空间中排列的有序程度的不同)整个晶体

3、中整个晶体中排列有序排列有序不存在长程有序或不存在长程有序或几个尺度内有序几个尺度内有序在小区域内在小区域内完全有序完全有序无定形（非晶）无定形（非晶）多多 晶晶单单 晶晶2 2、晶体结构、晶体结构应应用用无定形硅薄膜无定形硅薄膜-加工液晶显示器加工液晶显示器多晶硅多晶硅-太阳能电池太阳能电池单晶硅单晶硅-电子器件电子器件集成电路制造集成电路制造7单晶体中的原子或分子在三维空间中有序排列，单晶体中的原子或分子在三维空间中有序排列，具有具有几何周期重复性几何周期重复性。n晶格：晶格：把单晶体中的原子或分子抽象成数学上的几把单晶体中的原子或分子抽象成数学上的几何点，这些点的集合被称为何点，这些点的

4、集合被称为晶格晶格。或晶体的原子按一定规律在空间周期性排列形成格或晶体的原子按一定规律在空间周期性排列形成格点，成为点，成为晶格。晶格。n 晶体中的原子或分子位于晶格点上。晶体中的原子或分子位于晶格点上。金刚石结构金刚石结构原子结合形式：共价键原子结合形式：共价键形成的晶体结构：形成的晶体结构：构成一个正四构成一个正四面体，具有面体，具有 金金 刚刚 石石 晶晶 体体 结结 构构半半 导导 体体 有有:元元 素素 半半 导导 体体 如如Si、Ge 金刚石结构金刚石结构3、常见晶体结构常见晶体结构化化 合合 物物 半半 导导 体体:GaAs、InP、ZnS闪锌矿结构闪锌矿结构金刚石型金刚石型 V

5、S 闪锌矿型闪锌矿型纤锌矿结构纤锌矿结构六方晶系六方晶系简单六方格子简单六方格子与纤锌矿结构同类的晶与纤锌矿结构同类的晶体：体：BeOBeO、ZnOZnO、AlNAlNS2-六方紧密堆积排列六方紧密堆积排列Zn2+填充在四面体空隙填充在四面体空隙中，只占据了中，只占据了1/2+14n=3四个电子n=28个电子n=12个电子SiH孤立原子中的电子：孤立原子中的电子：能级是量子化的。能级是量子化的。1 1、能、能 带带 1.1半导体及半导体发光基础半导体及半导体发光基础1.1.1半导体物理基础半导体物理基础 电子不仅可以围绕自身原子核旋转，而且可以转电子不仅可以围绕自身原子核旋转，而且可以转到另一

6、个原子周围，即到另一个原子周围，即同一个电子可以被多个原子共同一个电子可以被多个原子共有有，电子不再完全局限在某一个原子上，可以由一个，电子不再完全局限在某一个原子上，可以由一个原子转到相邻原子，将可以在整个晶体中运动。原子转到相邻原子，将可以在整个晶体中运动。晶体中的电子晶体中的电子1212特点：特点：1.1.外层电子受原子束缚轻，电子壳层交叠大，共有外层电子受原子束缚轻，电子壳层交叠大，共有化运动显著化运动显著;2.2.电子只能在相同支壳层之间转移电子只能在相同支壳层之间转移l当原子之间当原子之间距离逐步接近距离逐步接近时，原子周围电子的时，原子周围电子的 能级逐步转变为能带。能级逐步转变

7、为能带。1313n允带允带：允许电子存在的能量围。允许电子存在的能量围。n禁带：不允许电子存在的能量范围。禁带：不允许电子存在的能量范围。n价带：在绝对零度，可以被电子填满的最高能带。价带：在绝对零度，可以被电子填满的最高能带。n导带：价带之上，电子可以摆脱单个原子束缚，并在整导带：价带之上，电子可以摆脱单个原子束缚，并在整个半导体材料中自由移动的能带。个半导体材料中自由移动的能带。n禁带宽度：禁带宽度：单位是能量单位：单位是能量单位：eV（电子伏特）（电子伏特）。vcgEEE金属（导体）、半导体、绝缘体能带示意图金属（导体）、半导体、绝缘体能带示意图金属金属(导体导体)：导带被电子部分占满，

8、在电场作用导带被电子部分占满，在电场作用 下这些电子可以导电。下这些电子可以导电。15金属（导体）、半导体、绝缘体能带示意图金属（导体）、半导体、绝缘体能带示意图半导体：半导体：在绝对零度下，导带全空，价带全满，不导在绝对零度下，导带全空，价带全满，不导 电。禁带比较窄，常温下部分价带电子被激电。禁带比较窄，常温下部分价带电子被激 发到空的导带，形成有少数电子填充的导发到空的导带，形成有少数电子填充的导 带和留有少数空穴的价带，带和留有少数空穴的价带，都能导电。都能导电。硅硅1.12eV1.12eV锗锗0.67eV0.67eV砷化镓砷化镓1.42eV 1.42eV 16金属（导体）、半导体、绝

9、缘体能带示意图金属（导体）、半导体、绝缘体能带示意图绝缘体：绝缘体：价带全满，禁带很宽，价带电子常温下不能价带全满，禁带很宽，价带电子常温下不能 被激发到空的导带，故被激发到空的导带，故常温下不导电常温下不导电。36eV36eV172、空穴（、空穴（hole）n 价带中由于少了一些电子，在价带顶部附近出现了价带中由于少了一些电子，在价带顶部附近出现了一些一些空的量子状态空的量子状态，称之为空穴（带正电）。，称之为空穴（带正电）。19n价带电子运动可以看作空穴的运动。价带电子运动可以看作空穴的运动。n在半导体中，导带的电子和价带的空穴均参与导电在半导体中，导带的电子和价带的空穴均参与导电这与金属

10、（导体）导电有很大的区别。这与金属（导体）导电有很大的区别。n载流子：载流子：半导体中，导带中的电子和价带中的空穴半导体中，导带中的电子和价带中的空穴统称为载流子。统称为载流子。本征半导体是纯净而不含任何杂质的理想半导本征半导体是纯净而不含任何杂质的理想半导体材料。体材料。由于晶体中原子的热振动，价带中的一些电子由于晶体中原子的热振动，价带中的一些电子激发到导带，同时在价带中留下空穴，形成电子激发到导带，同时在价带中留下空穴，形成电子-空空穴对。因此，本征半导体中的穴对。因此，本征半导体中的电子浓度与空穴浓度电子浓度与空穴浓度相等相等。3 3、本征半导体和非本征半导体、本征半导体和非本征半导体

11、（1）本征半导体）本征半导体热平衡条件下的浓度定律：热平衡条件下的浓度定律：2expgicvBEpnnN Nk Tinnp 本征半导体内引入一定数量的杂质，可以有本征半导体内引入一定数量的杂质，可以有效改变半导体的导电性质，这种掺有一定数量杂效改变半导体的导电性质，这种掺有一定数量杂质的半导体称为非本征半导体。质的半导体称为非本征半导体。（2）非本征半导体）非本征半导体非本征半导体是制造各种半导体器件的基础。非本征半导体是制造各种半导体器件的基础。由于杂质和缺陷的存在，会使严格按周期排列的由于杂质和缺陷的存在，会使严格按周期排列的原子所产生的原子所产生的周期性势场受到破坏周期性势场受到破坏，有

12、可能在，有可能在禁带中禁带中引入引入允许电子存在的能量状态（即允许电子存在的能量状态（即能级能级），从而对半），从而对半导体的性质产生决定性的影响。导体的性质产生决定性的影响。22n杂质来源杂质来源1 1）制备半导体的原材料）制备半导体的原材料纯度不够高纯度不够高2 2）半导体单晶制备过程中及器件制造过程中的）半导体单晶制备过程中及器件制造过程中的沾污沾污3 3）为了半导体的性质而）为了半导体的性质而人为地掺入人为地掺入某种化学元素的原子某种化学元素的原子n根据对载流子浓度的影响的不同，杂质可分为根据对载流子浓度的影响的不同，杂质可分为:施主施主(donor)(donor)杂质（高价元素）杂质

13、（高价元素）-N-N型半导体型半导体 受主受主 (acceptor)(acceptor)杂质（低价元素）杂质（低价元素）-P-P型半导体型半导体23 硅中掺入磷硅中掺入磷(P)(P)，当一个磷原子，当一个磷原子占据占据了硅原子的了硅原子的位置，一个硅原子被一个带有位置，一个硅原子被一个带有5 5 个价电子的磷原子个价电子的磷原子所取代（或替补），其中所取代（或替补），其中4 4个价电子与周围的个价电子与周围的4 4个硅个硅原子形成共价键，还剩余一个价电子。原子形成共价键，还剩余一个价电子。1 1）N N型半导体型半导体 准自由准自由电电 子子24准自准自由电由电 子子 磷原子成为磷原子成为1

14、1个带有个带有1 1个正电荷的磷离子个正电荷的磷离子(P+)(P+)称为称为正电中心磷离子，正电中心磷离子，其效果相当于形成了其效果相当于形成了一个一个正电中心和一个多余的电子。正电中心和一个多余的电子。25 准自由准自由电电 子子 原子对剩余的这个价电子的束缚能力较弱，只需原子对剩余的这个价电子的束缚能力较弱，只需获得较小的能量就可以脱离磷原子的束缚成为可以传获得较小的能量就可以脱离磷原子的束缚成为可以传导电流的导电流的准自由电子准自由电子。此电子被施给了导带，磷原子因此被称为此电子被施给了导带，磷原子因此被称为施主施主。由于带负电载流子增加，由于带负电载流子增加，硅变成硅变成N N型型。2

15、6N型半导体：掺入了施主杂质的半导体中，热平衡状态型半导体：掺入了施主杂质的半导体中，热平衡状态 下的下的准自由电子浓度大于空穴浓准自由电子浓度大于空穴浓 度度，称这，称这 样的半导体为样的半导体为N型半导体型半导体。杂质浓度杂质浓度ND本征载流子浓度本征载流子浓度ni N型半导体中型半导体中n0P0，电子为多数载流子，空穴为少数，电子为多数载流子，空穴为少数载流子。载流子。200 iDDnnNpN 热平衡状态下，掺有浓度为热平衡状态下，掺有浓度为N ND D的施主杂质的的施主杂质的半导体中，空穴和准自由电子的浓度分别为半导体中，空穴和准自由电子的浓度分别为 27 硅中掺入硼（硅中掺入硼（B

16、B），当一个带有），当一个带有3 3 个价电子的硼个价电子的硼原子占据了硅原子的位置，它和周围的原子占据了硅原子的位置，它和周围的4 4个硅原子形个硅原子形成共价键时，还缺少一个电子，必须从别处的硅原子成共价键时，还缺少一个电子，必须从别处的硅原子中夺取一个价电子，于是在硅晶体的共价键中产生了中夺取一个价电子，于是在硅晶体的共价键中产生了一个空穴。一个空穴。2 2）P P型半导体型半导体 28 硼原子成为一个带有一个负电荷的硼离子（硼原子成为一个带有一个负电荷的硼离子（B-B-），），称为称为负电中心硼离子负电中心硼离子。其效果相当于形成了一个负电中。其效果相当于形成了一个负电中心和一个多余的

17、空穴。心和一个多余的空穴。掺有受主杂质的半导体称为掺有受主杂质的半导体称为P P型半导体型半导体。价带中形成一个带正电的空穴，此即为价带中形成一个带正电的空穴，此即为P P型半导体型半导体而硼原子则被称为而硼原子则被称为受主受主。29 多余的空穴束缚在负电中心周围，但这种束缚作用多余的空穴束缚在负电中心周围，但这种束缚作用比共价键的束缚作用弱得多，只要很小的能量就可以使比共价键的束缚作用弱得多，只要很小的能量就可以使多余空穴挣脱束缚，成为自由空穴在晶格中运动，起到多余空穴挣脱束缚，成为自由空穴在晶格中运动，起到导电的作用导电的作用。这时硼原子就成了一个多了一个价电子的。这时硼原子就成了一个多了

18、一个价电子的硼离子，它是一个不能移动的硼离子，它是一个不能移动的负电中心负电中心。30 热平衡状态下，掺有浓度为热平衡状态下，掺有浓度为N NA A的受主杂质的半导的受主杂质的半导体中，空穴和准自由电子的浓度分别为体中，空穴和准自由电子的浓度分别为 l掺入受主杂质的半导体中，热平衡状态下的掺入受主杂质的半导体中，热平衡状态下的空穴空穴 浓度大于准自由电子浓度浓度大于准自由电子浓度，称这样的半导体为，称这样的半导体为P P型型 半导体半导体。l杂质浓度杂质浓度N NA A本征载流子浓度本征载流子浓度n ni il在在P P型半导体中型半导体中p p0 0n n0 0 ，空穴为多数载流子，电子，空

19、穴为多数载流子，电子为少数载流子。为少数载流子。22000 iiAAnnpNnpN31掺杂：掺杂：引入其它原子来改变半导体电性能的方法引入其它原子来改变半导体电性能的方法施主杂质：施主杂质：在半导体中提供准在半导体中提供准自由电子自由电子的杂质的杂质对于对于 Si 而言掺入的施主杂质一般为而言掺入的施主杂质一般为V族族 元素，如元素，如 磷磷 P、As等；等；ND 施主杂质浓度施主杂质浓度 cm-3一般情况下一般情况下 ND ni (1015 1020)常温下，施主杂质完全电离常温下，施主杂质完全电离 200 iDDnnNpN3 3）掺杂与杂质半导体掺杂与杂质半导体-总总 结结 32受主杂质：

20、受主杂质：在半导体中提供空穴的杂质在半导体中提供空穴的杂质对于对于Si而言掺入的受主杂质一般为而言掺入的受主杂质一般为III族族 元素，如硼元素，如硼 B、Ga等；等；NA 受主杂质浓度受主杂质浓度 cm-3一般情况下一般情况下NA ni (NA：1015 1020 cm-3)常温下受主杂质完全电离常温下受主杂质完全电离 200 iAAnpNnN4 4、费米能级、费米能级n如果一个能带中的某一个能级的能量设为如果一个能带中的某一个能级的能量设为E，则该能级，则该能级被电子占据的概率是符合一个函数规律的即为被电子占据的概率是符合一个函数规律的即为f（E），），f（E）称为费米函数。）称为费米函数

21、。当当f（E）=1/2时，得出的时，得出的E值对应的能级为费米能级。值对应的能级为费米能级。n费米能级是量子态基本上被电子占据或基本上是空的一费米能级是量子态基本上被电子占据或基本上是空的一个标志。费米能级以下的能级都被电子所填充。个标志。费米能级以下的能级都被电子所填充。n电子从费米能级高的一侧向低费米能级一侧流动。电子从费米能级高的一侧向低费米能级一侧流动。)exp(11)(TkEEEfBF本征与非本征半导体的费米能级：本征与非本征半导体的费米能级：本征半导体本征半导体（一块没有杂质和缺陷的半导体），（一块没有杂质和缺陷的半导体），n0=p0，费米能级大致在禁带的中央；，费米能级大致在禁带

22、的中央；N型半导体型半导体 n0p0，费米能级比较靠近导带；，费米能级比较靠近导带；P型半导体型半导体 p0n0，费米能级比较靠近价带；，费米能级比较靠近价带；掺杂浓度越高，费米能级离导带或价带越近。掺杂浓度越高，费米能级离导带或价带越近。5、PN结结空穴电子多子少子空穴电子NP扩散电流扩散电流 PN结的形成结的形成 一块一块P型半导体和一块型半导体和一块N型半导体结合在一起，型半导体结合在一起，在其交接面处形成在其交接面处形成PN结。结。PN结是各种半导体器结是各种半导体器件，件，如结型晶体管、如结型晶体管、集成电路的心脏。集成电路的心脏。空穴电子多子少子空穴电子NP扩散电流扩散电流 漂移电

23、流漂移电流 内电场内电场 PN结的形成结的形成空穴电子多子少子空穴电子NP扩散电流扩散电流 漂移电流漂移电流 内电场内电场 PN结的形成结的形成 以上在以上在N型半导体和型半导体和P型半导体结合面上形成的型半导体结合面上形成的物理过程物理过程过程概括如下：过程概括如下：因浓度差因浓度差 多子的扩散运动多子的扩散运动由由杂质离子形成空间电荷区杂质离子形成空间电荷区 空间电荷区形成内电场空间电荷区形成内电场 内电场促使少子漂移内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散内电场阻止多子扩散 扩散电流扩散电流漂移电流漂移电流 PN PN结结加正向电压时的导电情况加正向电压时的导电情况IFPN结N内电场外电场

24、内电场 PN结加正向电压结加正向电压REPNPN结结加正向电压时加正向电压时导通。导通。PNPN结加反向电压时的导电情况结加反向电压时的导电情况PN结N内电场内电场 PN结加反向电压结加反向电压RE外电场ISPNPN结加反向电压时结加反向电压时截止截止。当两块半导体结合形成当两块半导体结合形成P-N结时，按照费米能级的意义，结时，按照费米能级的意义，电子将从费米能级高的电子将从费米能级高的N区流向费米能级低的区流向费米能级低的P区，空穴则从区，空穴则从P区流向区流向N区。因而区。因而EFn不断下移，而不断下移，而EFp不断上移，直至不断上移，直至EFn=EFp。这时，这时，P-N结中有统结中有

25、统一的费米能级一的费米能级EF，P-N结结处于平衡状态，其能带处于平衡状态，其能带图如图所示。图如图所示。能带相对移动的原能带相对移动的原因是因是P-N结空间电荷区中结空间电荷区中存在内建电场的结果。存在内建电场的结果。1.1.2 半导体发光半导体发光1、辐射跃迁：、辐射跃迁：半导体材料中的电子由高能态向低能态跃迁时，半导体材料中的电子由高能态向低能态跃迁时，以以光子光子的形式释放多余的能量，这称为辐射跃迁，的形式释放多余的能量，这称为辐射跃迁，辐射跃迁的过程也就是半导体材料的发光过程。辐射跃迁的过程也就是半导体材料的发光过程。跃迁是电子跃迁是电子-空穴对复合空穴对复合激励：激励：光致发光光致

26、发光 电致发光电致发光ghE2、非辐射跃迁、非辐射跃迁：电子由较高能级跃迁至低能级并不发出电磁辐射，电子由较高能级跃迁至低能级并不发出电磁辐射，称作非辐射跃迁。称作非辐射跃迁。3、半导体的发光、半导体的发光自发辐射：自发辐射：ANtNradiativeddA：自发辐射跃迁爱因斯坦系数。：自发辐射跃迁爱因斯坦系数。RA1 ，为高能态辐射寿命。为高能态辐射寿命。R同时考虑辐射跃迁过程和非辐射跃迁过程时，则有：同时考虑辐射跃迁过程和非辐射跃迁过程时，则有：11totalRNRRNRdNNNNdt 1111RRRNRRNRNN发光效率：发光效率：高效率的发光器件需要辐射寿命远小于非辐射寿命高效率的发光

27、器件需要辐射寿命远小于非辐射寿命。4、直接带隙结构半导体、直接带隙结构半导体直接直接带隙带隙结构：价带顶的能量结构：价带顶的能量位置和导带底的位置相位置和导带底的位置相同同直接带隙跃迁直接带隙跃迁:特点：无声子参与，发光效率高特点：无声子参与，发光效率高ghE直接带隙半导体材料直接带隙半导体材料:II-VI族化合物族化合物 ZnO、ZnS、ZnSe、ZnTe、CdS、CdSe、CdTeIII-V族化合物族化合物 GaN、GaAs、GaSb、InP 直接带隙半导体材料用于制作发光器件。直接带隙半导体材料用于制作发光器件。5、间接带隙结构半导体、间接带隙结构半导体间接带隙间接带隙结构：价带顶的能量

28、结构：价带顶的能量位置与导带底的能量位置不同位置与导带底的能量位置不同间接带隙跃迁：间接带隙跃迁：特点：声子参与，发光效率低特点：声子参与，发光效率低间接间接带隙带隙半导体材料：半导体材料：IV族半导体族半导体Si、Ge，III-V族化合物中的族化合物中的AlAs、GaP gphEE间接带隙半导体材料用于制作光电探测器。间接带隙半导体材料用于制作光电探测器。半导体材料的发展历程：半导体材料的发展历程：一一以以锗，硅锗，硅半导体材料为主半导体材料为主二二以以GaAs(砷化镓砷化镓)、InP(磷化铟）磷化铟）为代表的为代表的半导体材料半导体材料制作高性能微波、毫米波器件及发光器件制作高性能微波、毫

29、米波器件及发光器件的优良材料的优良材料三三以以GaN、SiC为代表的宽禁带半导体材料为代表的宽禁带半导体材料更适合于制作高温、高频、抗辐射及大功更适合于制作高温、高频、抗辐射及大功率器件率器件主要用于低压、低频、中功率的晶体管主要用于低压、低频、中功率的晶体管和光电探测器和光电探测器1.2 1.2 半导体发光材料半导体发光材料 半导体发光材料的条件：半导体发光材料的条件：1.禁带宽度合适禁带宽度合适gEh 1.78eVgE 可见光：可见光：2.可获得电导率高的可获得电导率高的P型和型和N型晶体型晶体 -族化合物晶体的带隙宽度适当，只能呈现族化合物晶体的带隙宽度适当，只能呈现N N型或型或P P

30、型导电性，不宜作为发光二极管的晶体。型导电性，不宜作为发光二极管的晶体。3.可获得完整性好的优质晶体可获得完整性好的优质晶体不完整性：能够缩短少数载流子寿命并降低发光不完整性：能够缩短少数载流子寿命并降低发光效率的杂质和晶格缺陷。如效率的杂质和晶格缺陷。如SiC，GaN。4.发光复合几率大发光复合几率大多用直接带隙半导体。间接带隙跃迁过程中，多用直接带隙半导体。间接带隙跃迁过程中，声子参与，比直接带隙跃迁几率小的多。声子参与，比直接带隙跃迁几率小的多。发光材料概述：发光材料概述：主要的半导体发光材料为主要的半导体发光材料为直接带隙的直接带隙的III-V族半族半导体材料导体材料，以及由它们组成的

31、三元、四元固溶体。，以及由它们组成的三元、四元固溶体。固溶体指的是矿物一定结晶构造位置上离子的固溶体指的是矿物一定结晶构造位置上离子的互相置换，而不改变整个晶体的结构及对称性等。互相置换，而不改变整个晶体的结构及对称性等。室温下III-V族发光材料的发射波长范围 半导体材料多元固溶体的禁带宽度随成分的比例半导体材料多元固溶体的禁带宽度随成分的比例而变化，可以获得不同的发射波长。而变化，可以获得不同的发射波长。nGaAsIII-V族化合物半导体，典型的族化合物半导体，典型的直接跃迁直接跃迁型发光材料，型发光材料，禁带宽度禁带宽度1.42ev左右，相应波长在左右，相应波长在873nm附近，属附近，

32、属于近红外波段。于近红外波段。许多发光器件的基础材料，外延生许多发光器件的基础材料，外延生长用的衬底材料。长用的衬底材料。1.2.1 典型半导体发光材料典型半导体发光材料砷化镓是半导体材料中兼具多方面优点的材料，但用砷化镓是半导体材料中兼具多方面优点的材料，但用制作的晶体二极管的发达倍数小，导热性差，不适宜制作的晶体二极管的发达倍数小，导热性差，不适宜制作大功率器件。制作大功率器件。nGaP 间接间接带隙宽度带隙宽度2.26eV，典型的，典型的间接发光间接发光材料。材料。在在GaP中通过掺入杂质（中通过掺入杂质（N)，产生等电子陷阱，俘，产生等电子陷阱，俘获激子，通过激子复合实现发光。获激子，

33、通过激子复合实现发光。在半导体发光材料中具有较高的发光效率。并在半导体发光材料中具有较高的发光效率。并且通过掺入不同的发光中心，可以直接输出红、绿、且通过掺入不同的发光中心，可以直接输出红、绿、黄灯等种不同颜色的光黄灯等种不同颜色的光。激子：激子：空穴带空穴带正电正电，自由电子带，自由电子带负电负电，它们之间的，它们之间的库仑库仑吸引互作用在一定的条件下会使它们在空间上束缚吸引互作用在一定的条件下会使它们在空间上束缚在一起，这样形成的复合体称为激子。在一起，这样形成的复合体称为激子。激子的俘获：激子的俘获：一个一个电荷电荷(电子或空穴电子或空穴)首先被缺陷的近程势所首先被缺陷的近程势所束缚束缚

34、,使缺陷中心带电使缺陷中心带电,然后再通过库仑互作用然后再通过库仑互作用(远程远程势势)束缚一个电荷相反的空穴或电子束缚一个电荷相反的空穴或电子,形成束缚激子形成束缚激子。激子的复合发光：激子的复合发光：在间接带半导体材料中在间接带半导体材料中,由于由于动量动量选择定则选择定则的限制的限制,材料的发光通常是很弱的材料的发光通常是很弱的,但如果存在束缚但如果存在束缚激子激子,其波函数在空间上是局域化的其波函数在空间上是局域化的,因而发光跃迁因而发光跃迁的动量选择定则大大放松的动量选择定则大大放松,无须声子参与就可能具有无须声子参与就可能具有很大的发光跃迁几率。很大的发光跃迁几率。这样这样,间接带

35、材料的发光效率间接带材料的发光效率将大大增强。将大大增强。nGaN 直接跃迁型半导体材料，具有带隙宽、热导率直接跃迁型半导体材料，具有带隙宽、热导率高化学性能稳定的特点。室温条件下，带隙宽度为高化学性能稳定的特点。室温条件下，带隙宽度为3.39eV。GaN与与III族氮化物半导体族氮化物半导体InN及及AlN的性质接的性质接近，均为直接跃迁型半导体材料，它们构成的三元近，均为直接跃迁型半导体材料，它们构成的三元固溶体的带隙可以从固溶体的带隙可以从1.9eV连续变化到连续变化到6.2eV。GaN能够激发蓝光的独特物理和光电属性使其能够激发蓝光的独特物理和光电属性使其成为化合物半导体领域最热的研究

36、领域。当前成为化合物半导体领域最热的研究领域。当前GaN基的近紫外、蓝光、绿光发光二极管已经产业化，基的近紫外、蓝光、绿光发光二极管已经产业化，激光器和光探测器的研究也相当活跃。激光器和光探测器的研究也相当活跃。nInGaAsP 四元固溶体。通过组分四元固溶体。通过组分x和和y的调节，的调节，覆盖波长范围从覆盖波长范围从870nm(GaAs)至至3.5m(InAs)，该，该范围包含了光纤通讯波长范围包含了光纤通讯波长1.3和和1.55m。光纤通讯。光纤通讯所用所用1.3和和1.55m半导体光源即主要采用半导体光源即主要采用InGaAsP材料。材料。1-xx1-yyInGa AsPnGaAlAs

37、 Ga1-xAlxAs是是GaAs和和AlAs的固溶体，禁带宽度在的固溶体，禁带宽度在1.42eV-2.16eV之间之间x0.35时为间接带隙半导体。其是制备高辐射度红外时为间接带隙半导体。其是制备高辐射度红外发光二极管和半导体激光器的优质材料。发光二极管和半导体激光器的优质材料。nZnS（荧光粉）（荧光粉）II-VI族半导体化合物，带隙宽度为族半导体化合物，带隙宽度为3.6eV。使用。使用ZnS粉末，用粉末，用Cu作为激活剂，可以在交流驱动下，作为激活剂，可以在交流驱动下，实现场致发光。发光光谱可覆盖整个可见光波段。实现场致发光。发光光谱可覆盖整个可见光波段。1.2.2 其他非其他非-族半导

38、体发光材料族半导体发光材料n ZnO 宽带隙半导体材料，其室温禁带宽带为宽带隙半导体材料，其室温禁带宽带为 3.37 ev。ZnO与与GaN的晶体结构、晶格常量都很相似，晶格失配的晶体结构、晶格常量都很相似，晶格失配度只有度只有 2.2%（沿（沿方向）、热膨胀系数差异小，方向）、热膨胀系数差异小，可以解决目前可以解决目前 GaN 生长困难的难题。生长困难的难题。随着光电技术的进步，随着光电技术的进步，ZnO 作为第三代半导体以作为第三代半导体以及新一代蓝、紫光材料，引起了人们的广泛关注，特别及新一代蓝、紫光材料，引起了人们的广泛关注，特别是是 p 型掺杂技术的突破，凸显了型掺杂技术的突破，凸显

39、了 ZnO 在半导体照明工在半导体照明工程中的重要地位。尤其与程中的重要地位。尤其与 GaN 相比，相比，ZnO 具有很高的具有很高的激子结合能（激子结合能（60 mev），远大于），远大于 GaN（21 meV）的激）的激子结合能，具有较低的光致发光和受激辐射阈值。子结合能，具有较低的光致发光和受激辐射阈值。nSiC SiC 的晶体结构可以有无限多种，已经发现的有的晶体结构可以有无限多种，已经发现的有200多种。晶格结构不同，禁带宽度在多种。晶格结构不同，禁带宽度在2eV-3eV之间。之间。SiC 半导体属于间接带隙半导体。半导体属于间接带隙半导体。SiC 是目前发展最为成熟的宽带半导体材料

40、。它有是目前发展最为成熟的宽带半导体材料。它有效的发光来源于通过杂质能级的间接复合过程。效的发光来源于通过杂质能级的间接复合过程。SiC 蓝光蓝光 LED 是唯一的商品化的是唯一的商品化的 SiC 器件，各种器件，各种 SiC 多型体的多型体的 LED 覆盖整个可见光和近紫外光区域。覆盖整个可见光和近紫外光区域。练习练习当当P-N结外加正向偏置电压时，外加电压形成的电场方向与内结外加正向偏置电压时，外加电压形成的电场方向与内建电场建电场_（相反相反/一致），导致势垒区总的电场强度一致），导致势垒区总的电场强度_（增强（增强/减弱减弱），这说明空间电荷数量），这说明空间电荷数量_（增多（增多/减

41、少减少），也就意味着势垒区宽度），也就意味着势垒区宽度_（增大（增大/减小减小），势垒），势垒高度高度_（增大（增大/减小减小）。此时，电场强度的变化导致载流）。此时，电场强度的变化导致载流子的漂移运动子的漂移运动_（大于（大于/小于小于）扩散运动，形成）扩散运动，形成_（净扩散净扩散/净漂移），以致势垒区边界载流子浓度净漂移），以致势垒区边界载流子浓度_（大大于于/小于）该区内部，从而在区形成小于）该区内部，从而在区形成_（从区势垒边（从区势垒边界向区内部界向区内部从区内部向区势垒边界从区内部向区势垒边界）的）的_（电电子子空穴）的空穴）的_（扩散扩散漂移），在区形成漂移），在区形成_（从区

42、势垒边界向区内部（从区势垒边界向区内部从区内部向区势垒边界从区内部向区势垒边界）的的_（电子（电子空穴空穴）的）的_（扩散扩散漂移）。漂移）。发光二极管Light Emitting Diode1.3 发光二极管发光二极管大功率3W，5WRGB三基色LED灯 当加正向偏置时势垒下降，当加正向偏置时势垒下降，p区和区和n区的多数区的多数载流子载流子向对向对方扩散。由于电子迁移率方扩散。由于电子迁移率比比空穴空穴迁移率大得多，出现大迁移率大得多，出现大量电子向量电子向P区区扩散，构成对扩散，构成对P区少数区少数载流子载流子的注入。这些的注入。这些电子与价带上的电子与价带上的空穴空穴复合，复合时得到的

43、能量以光能的形复合，复合时得到的能量以光能的形式释放。这就是式释放。这就是P-N结发光的原理。结发光的原理。1.工作原理工作原理1.3.1 基本原理及基本结构基本原理及基本结构在基底上依次生长一层在基底上依次生长一层n型层和型层和p型层，型层，p型层相对较型层相对较薄，以减少半导体材料的再吸收，有利于辐射复合产薄，以减少半导体材料的再吸收，有利于辐射复合产生的光子逃逸。生的光子逃逸。2.同质结同质结LED全反射损失全反射损失：只有小于全反射临界角的光才能形成部：只有小于全反射临界角的光才能形成部分反射大部分离开发光二极管，形成有效的光辐射。分反射大部分离开发光二极管，形成有效的光辐射。例如例如

44、GaAs-空气界面的临界角只有空气界面的临界角只有16。提高发光二极管取光效率：提高发光二极管取光效率：(1)制作圆顶或半球形的半导体表面，制作困难；制作圆顶或半球形的半导体表面，制作困难；(2)采用透明塑料圆顶或半球，成本低。采用透明塑料圆顶或半球，成本低。GaAs发光二极管采用普通封装结构时发光效率为发光二极管采用普通封装结构时发光效率为 4%，采用半球形结构时发光效率可达，采用半球形结构时发光效率可达 20%以上。以上。被大量应用于遥控器和光电耦合器件。被大量应用于遥控器和光电耦合器件。3.3.异质结异质结LEDLED由不同带隙宽度的半导体材料构成的由不同带隙宽度的半导体材料构成的pn结

45、。结。作用：由于作用：由于ALGaAs的带隙宽于的带隙宽于GaAs，在，在GaAs中发射的光子不被中发射的光子不被ALGaAs吸收，减小光吸收。吸收，减小光吸收。P-AIxGa1-xAsN-AIyGa1-yAsP-GaAs光输出1.1.发光二极管的效率发光二极管的效率内部量子效率：内部量子效率：pnpn结附近由电能转化成光能的效率结附近由电能转化成光能的效率 外部量子效率：外部量子效率：辐射到外部光子数与注入电子数之比。辐射到外部光子数与注入电子数之比。LEDLED最重要的光电特性是用辐射出光能量（发光量）与最重要的光电特性是用辐射出光能量（发光量）与输入电能之比，即输入电能之比，即发光效率发

46、光效率。为了进一步提高外部出光效率为了进一步提高外部出光效率e e可采取以下措施：可采取以下措施：用折射率较高的透明材料（环氧树脂用折射率较高的透明材料（环氧树脂n=1.55n=1.55并不理想）覆盖并不理想）覆盖在芯片表面；在芯片表面；把芯片晶体表面加工成半球形；把芯片晶体表面加工成半球形；用用EgEg大的化合物半导体作衬底以减少晶体内光吸收。大的化合物半导体作衬底以减少晶体内光吸收。1.3.2 发光二极管的主要光学特性发光二极管的主要光学特性LEDLED发光颜色发光颜色p p（nmnm）材料材料可见光发光效率可见光发光效率（lm/wlm/w）外量子效率外量子效率最高值最高值平均值平均值红光

47、红光700700660660650650GaPGaP:Zn-OZn-OGaAlAsGaAlAsGaAsPGaAsP2.42.40.270.270.380.3812120.50.50.50.513130.30.30.20.2黄光黄光590590GaPGaP:N-NN-N0.450.450.10.1 绿光绿光555555GaPGaP:N N4.24.20.70.70.0150.150.0150.15蓝光蓝光465465GaNGaN 1010 白光白光谱带谱带GaN+YAGGaN+YAG小芯片小芯片1.61.6，大芯片大芯片1818 描述描述LEDLED发射光谱分布的两个主要参量：发射光谱分布的两个

48、主要参量：峰值波长峰值波长 与与半高全宽半高全宽 （单色性指标）（单色性指标）。器件工作时的温度会影响发射器件工作时的温度会影响发射光谱，随着温度升高，光谱，随着温度升高，变大，变大，也会发生漂移也会发生漂移0.3-0.4nm/0.3-0.4nm/度，度，在光通信中是一个很重要的在光通信中是一个很重要的参量。参量。2.2.光谱分布光谱分布GaAs发光二极管，中心波长发光二极管，中心波长 ，谱线宽度，谱线宽度 。870nm28nm3.光光强分布强分布发光二极管由于半导体材料与空气之间的折射率差发光二极管由于半导体材料与空气之间的折射率差及表面形状的影响，其发射光强是非均匀的，并按及表面形状的影响

49、，其发射光强是非均匀的，并按一定规律分布。一定规律分布。由于发光复合几率具有温度依赖性，一般地，环境温由于发光复合几率具有温度依赖性，一般地，环境温度上升，亮度下降；当度上升，亮度下降；当LEDLED消耗功率大，则结温上升，消耗功率大，则结温上升，输出亮度下降，使得发光强度随电流输出亮度下降，使得发光强度随电流I I不再线性增长，不再线性增长，而是呈现热饱和现象。所以减小功耗，改良散热条件而是呈现热饱和现象。所以减小功耗，改良散热条件很重要。很重要。一般工作在小电流一般工作在小电流I IF F10mA10mA，或者或者1020 mA1020 mA长时间连续点长时间连续点亮亮LEDLED温升不明

50、显。温升不明显。4.4.温度特性温度特性 实现白光实现白光 LED 有多种方案，而光转换白光有多种方案，而光转换白光 LED 是当今国内外的主流方案。白光是当今国内外的主流方案。白光 LED 的关键的关键材料材料高性能光转换荧光体的研发成为热点，高性能光转换荧光体的研发成为热点，因为它决定白光因为它决定白光 LED 的光电重要特性和参数。目前的光电重要特性和参数。目前实现半导体照明的有以下三种主要方法：实现半导体照明的有以下三种主要方法：（1）采用蓝光）采用蓝光 LED 激发黄光荧光粉，实现二激发黄光荧光粉，实现二元混色白光；元混色白光；（2）利用）利用 UVLED 激发三基色荧光粉，由荧激发