半导体物理第十章3

§10.5 半导体发光

一、辐射复合

半导体中电子从高能量状态向较低能量状态跃迁并伴随发射光子的过程。主要有两种：

1、本征辐射复合(带－带复合)

导带电子跃迁到价带与空穴复合的过程称为本征跃迁，本征跃迁伴随发射光子的过程称为本征辐射复合。对于直接禁带半导体，本征跃迁为直接辐射复合，全过程只涉及一个电子－空穴对和一个光子，辐射效率较高。II-VI 族和具有直接禁带的部分III-V 族化合物的主要发光过程属于这种类型。对于间接禁带半导体，本征跃迁必须借助声子，因而是间接复合。其中包含不发射光子的多声子无辐射复合过程和同时发射光子和声子的间接辐射复合过程。因此，间接禁带半导体中发生本征辐射复合的几率较小，辐射效率低。Ge 、Si 、SiC 和具有间接禁带的部分III-Ⅴ族化合物的本征复合发光属于这种类型，发光比较微弱。

因为带内高能状态是非稳状态，载流子即便受激进入这些状态也会很快通过“热化”过程加入导带底或价带顶。显然，带间跃迁所发射的光子能量与E g 有关。对直接跃迁，发射光子的能量满足

g E h =ν

对间接跃迁，在发射光子的同时，还要发射声子，因而光子能量应满足

p g E E h -=ν

其中E p 是声子能量。

2、非本征辐射复合

涉及杂质能级的辐射复合称为非本征辐射复合。在这种过程中，电子从导带跃迁到杂质能级，或从杂质能级跃迁到价带，或仅仅在

杂质能级之间跃迁。由于这种跃迁不受选择定则的限制，发生的几

率也很高，是间接禁带半导体，特别是宽禁带发光材料中的主要辐

射复合机构。 下面着重讨论电子在施主与受主杂质之间的跃迁，如图10-22所示。当半导体中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△E 与施主和受主杂质之间距离r 成反比。当电子从施主向受主跃迁时，若没有声子参与，发射光子能量为

)4/()(02r q E E E h r A D g επεν++-=

式中E D 和E A 分别代表施主和受主的束缚能，εr 是发光材料的相对介电常数。

由于施主和受主一般以替位原子出现在晶格中，因此r 只能取原子间距的整数倍，相应的光子能量为不连续数值，对应于一系列不连续的发射谱线。但这只在r 较小，即电子在相邻的施主和受主间跃迁时才可区分；随着r 的增大，发射光子的能量差别越来越小，而且电子从施主向受主跃迁所要穿过的距离也越来越大，跃迁几率很小。因此杂质发光主要发生在相邻施－受主之间。

3、GaP 中的非本征辐射复合机构

GaP 的室温禁带宽度E g ＝2.26eV ，但其本征辐射跃迁效率很低，主要依靠非本征发光中心。图10-23表示GaP 中几种可能的辐射复合机构。

图10-22施主与受主间的

1）GaP 中的施受主对发光中心（Zn(或Cd)－O 对发光中心）

掺O 和Zn 的GaP 材料，经过适当热处理后，

O 和Zn 分别取代相邻的P 原子和Ga 原子，其中O

形成一个深施主能级(导带下0.89eV 处)，Zn 形成一

个浅受主能级(价带以上0.06eV 处)。当这两个杂质

原子在p 型GaP 中处于相邻格点时，形成一个电中

性的Zn-O 络合物，起等电子陷阱作用，束缚能为

0.3eV 。与之相关的复合过程有3种：

①Zn-O 络合物俘获一个电子．邻近的Zn 中心俘获一个空穴形成一种激子状态。激子的淬灭 (即杂质俘获的电子与空穴相复合)，约发射660nm 左右的红光。这一辐射复合过程的效率较高；

②Zn-O 络合物俘获一个电子后，再俘获—个空穴形成另一种类型的束缚激子，其空穴束缚能级E h 在价带0.037eV 处。这种激子复合时发射红光。

③孤立O 中心俘获的电子与Zn 中心俘获的空穴相复合, 发射红光。

2）GaP 中的其他非本征发光中心

④ N 等电子中心 N 在GaP 中取代P 起等电子陷阶作用，其能级位置在导带下0.008eV 处。N 等电子陷阱俘获电子后再俘获空穴形成束缚激子，其空穴束缚能级E h 在价带之上0.011eV 处。这种激子复合时发绿光。

⑤Te －Zn 施受主对 若GaP 材料中还掺有Te 等浅施主杂质，Te 中心俘获的电子与Zn 中心俘获的空穴相复合，发射550um 附近的绿色光。可见，不含O 的p 型GaP 可以发绿色光，而含O 的GaP 主要发红色光。因此，要提高绿光发射效率，必须避免O 的掺入。

二、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。无辐射复合过程中的能量释放机理比较复杂，包含俄歇复合和多声子无辐射复合等。辐射复合和无辐射复合过程两者发生几率的不同使材料具有不同的发光效率，因而发光效率决定于额外载流子的辐射复合寿命τr 和无辐射复合寿命τnr 的相对大小。

1、内量子效率

发光效率通常分为“内量子效率”η内和“外量子效率”η外。内量子效率定义为：

平衡时，电子－空穴对的激发率等于额外载流子的复合率(包括辐射复合和无辐射复合)，而复合率分别决定于寿命τr 和τnr （辐射复合率正比于1/τr ，无辐射复合率正比于1/τnr ），因此，η内可写成 nr r ττη/11+=内

可见，只有当τnr >>τr 时，才能获得有效的光子发射。

对以间接复合为主的半导体材料，一般既存在辐射复合中心，也存在无辐射复合复合中心。因此，要使辐射复合占压倒优势，即τnr >>τr ，必须使发光中心浓度N L 远大于其他杂质浓度N t 。

2、外量子效率

辐射复合所产生的光子并不是全部都能离开晶体向外发射。从发光区产生的光子向外传输时有部分会被再吸收。另外，由于半导体的高折射率(3~4)，光子在界面处很容易发生全反射而返回