实验六..半导体发光器件的电致发光测量

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1、WORD格式整理版半导体发光器件的电致发光测量一、实验内容与目的1.了解半导体发光材料电致发光的基本概念。2.了解并掌握半导体显微探针测试台、光纤光谱仪的使用。3.掌握半导体发光材料电致发光特性的测量方法。二、实验原理概述1.辐射跃迁半导体材料受到某种激发时，电子产生由低能级向高能级的跃迁，形成非平衡载流子。这种处于激发态的电了在半导体中运动一段时间后，又回到较低的能量状态，并发生电子-空穴对的复合。复合过程中，电了以不同的形式释放出多余的能量。如跃迁过程伴随着放出光子，这种跃迁成为辐射跃迁。作为半导体发光材料，必须是辐射跃迁占优势。半导体中的主要辐射复合过程

2、包括：带边复合、电子从自由态到束缚态的复合、施主-受主对复合、等电了杂质束缚激子复合、通过深能级的复合等。带边复合包括导带电子与价带空穴复合、自由激子复合、束缚在中性或电离状态的浅施主和受主上的束缚激子复合等。导带的电子跃迁到价带，与价带空穴相复合，伴随的光子发射，称为本征跃迁。显然这种带与带之间的电子跃辽所引起的发光过程，是本征吸收的逆过程。如图6.1(a)所示，对于直接带隙半导体，导带与价带极值都在k空间原点，本征跃迁为直接跃迁。由于直接跃迁的发光过程只涉及一个电了一空穴对和一个光子，其辐射效率较高。直接带隙半导体，包括Ⅱ-Ⅳ族和部分Ⅲ-Ⅴ族（如GaAs等

3、）化合物，都是常用的发光材料。如图8.1(b)所示，间接带隙半导体中，导带和价带极值对应于不同的波矢k，这时发生的带与带之间的跃迁是间接跃迁。在间接跃迁过程中，除了发射光子外，还有声子参与。因此，这种跃迁比直接跃迁的几率小得多，Ge、Si和部分Ⅲ-Ⅴ族半导体都是间接带隙半导体，它们的发光比较微弱。图6.1本征幅射跃迁范文范例参考WORD格式整理版图6.2施主受主间跃迁如果将杂质掺入半导体，则会在带隙中产生施主(Donor)及受主(Acceptor)的能级，因此又可能产生不同的复合而发出光。电子从导带跃迁到杂质能级，或杂质能级上的电子跃迁入价带，或电子在杂质能级

4、间的跃迁都可以引起发光，这类跃迁称为非本征跃迁。间接带隙半导体本征跃迁几率很小，非本征跃迁起主要作用。图6.2所示为施主与受主之间的跃迁。这种跃迁效率高，多数发光二极管属于这种跃迁机理。在施主-受主对的复合中，过剩电子、空穴先分别被电离的施主和受主俘获，然后中性施主上的电予隧道跃迁到中性受主并发射一个光子。若把施主和受主看成点电荷，把晶体看作连续介质，施主与受主之间的库仑作用力使受激态能量增大，其增量与施主-受主杂质问距离r成正比，所发射的光子能量为：式中，ED和EA分别为施主和受主的电离能，ε是晶体的低频介电常数。对简单的替位施主和受主杂质，r只能取一系列的

5、不连续值，因此，施主-受主复合发光是一系列分离谱线，随着r的增大，成为一发射带。图6.3p-n结能带2.电致发光根据不同的激发过程，可以有各种发光过程，如：光致发光、阴极发光、电致发光等。范文范例参考WORD格式整理版半导体的电致发光(EL)，也称场致发光，是由电流（电场）激发载流子，将电能直接转变成光能的过程。EL包括低场注入型发光和高场电致发光。前者是发光二极管（LED）和半导体激光器的基础。本实验只涉及这类EL谱的测量。发光二极管是通过电光转换实现发光的光电子厂器件，是主要的半导体发光器件之一，具有广泛的应用，如各类显示、数据通讯等。特别是通过白色发光二

6、极管实现固体照明，不仅可以节省能源、减少污染，而且体积小、寿命长，因此固态照明已被全世界重视。图6.4在双异质结中由宽带隙半导体材料隔开的中间发光区，更高的载流子浓度及载流子限定的改善。所有商用LED都具有p-n结结构，因此以p-n结的发光为例来说明注入发光机制。p型半导体是掺杂了受主杂质，而n型则是掺杂了施主杂质，将两种材料放在一起，即得到p-n结。n型半导体中产生电子，p型半导体中产生空穴，在其中间产生耗尽层。图6.3所示为发光二极管p-n结的能带结构。p-n结处于平衡时，存在一定的势垒区，如图86场也相应地减弱（图8.3(b)）。这样继续发生载流子的扩散

7、，即电子由n区注入p区，同时空穴由p区注入到n区。进入p区的电子和进入n区的空穴都是非平衡少数载流子。这些非平衡少数载流子不断与多数载流子复合而发光。如果采用异质结，发光效率可以得到显著的提高。图6.4所示为由宽带隙半导体材料隔开的中间发光区，两种类型的过剩载流子从两侧注入并被限制在同一区域，过剩载流子数目显著提高。随着载流子浓度的提高，辐射寿命缩短，导致更为有效的辐射复合。如果中间有源区域减小到10nm或更小就形成量子阱，由于其厚度与德布罗意波长相近，量子力学效应出现，载流子状态密度变得更高，从而可以获得很高的发光效率。这是目前商用LED的实际结构。对于LE

8、D应用，最重要的半导体材料包括：AlG