第1章 半导体发光材料及器件

1.1.1 半导体物理基础
p区 n区 p-n结 中性p区 空间电荷区 中性n区
电场
电荷
x
电场
x
1 .1半导体及半导体发光基础
1.1.2 半导体发光
一、辐射跃迁： 半导体材料中的电子由高能态向低能态跃迁时，以光子 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。
跃迁是电子-空穴对复合
数。 当f（E）=1/2时，得出的E的值对应的能级为费米能级。 一般近似的认为费米能级以下的能级都被电子所填充。电子从费 米能级高的一侧向低费米能级一侧流动。
1 .1 半导体及半导体发光基础
1.1.1 半导体物理基础
2 i
热平衡条件下的浓度定律：
Eg pn n Nc Nv exp KBT
3 当注入正向电流时，注入结区的非平 衡载流子在扩散过程中自发辐射发出 非相干光。在发光二极管的结构中不存在谐振腔，也不需要粒子数反转。
1.3 发光二极管
二、基本结构
全内反射造成大部分光复发逃逸形成有效光辐射；
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。例如GaAs-空气界面的临界角只 有16°。
1.2 半导体发光材料
二、典型半导体发光材料

ZnS （荧光粉）
II-VI族半导体化合物，带隙宽度为3.6eV。使用ZnS粉末，用
Cu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。
1.3 发光二极管
发光二极管
Light Emitting Diode
大功率3W，5WRGB三基色LED灯
Nc 2 2 me kBT / h
*
2 32
Nc:导带电子状态密度
Nv 2 2 mh kBT / h
*
2 32
浓度定律的推论？ 热平衡？ 在没有外界影响的条件下，热力学系统的宏观性质不随时间变 化的状态。
1 .1 半导体及半导体发光基础
1.1.1 半导体物理基础 PN结： 扩散、漂移、自建场、耗尽层、正偏、反偏

GaN
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
纤锌矿结构，可外延生长单晶。
Eg 3.39eV
1.2 半导体发光材料
二、典型半导体发光材料
GaN与III族氮化物半导体InN及AlN的性质接近，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
1 .1 半导体及半导体发光基础
1.1.1 半导体物理基础
能级：孤立原子中电子的轨道，形成分离的能级。 能带：原子紧密结合时，电子的轨道发生分裂，单个原子中 电子的轨道数正比于紧密结合的原子数 。轨道能量之差 变得非常小，能级可视为近似连续分布，称为能带。
1 .1 半导体及半导体发光基础
1.1.1 半导体物理基础
一、发光材料概述：
紫外 可见 红外
InAsSb AlInGaAs InGaAsSb InGaAsP GaAsP AlGaInP
0.1 0.2 0.4
InSb InAs
GaSb InP GaAs AlGaAs AlGaAsSb
InGaAs
2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 波长(μm)
0.6 0.8 1.0
2.光谱分析
1 g kT 2 hc
1.8kT2 hc
1.3 发光二极管
3.光强分布 朗伯分布
I air
P nair source cos 2 2 4r ns
2
4.温度特性
I I 300 K e
由于晶体中原子的热振动，价带中的一些电子被激发到
导带，同时在价带中留下空穴，形成电子-空穴对。因此， 本征半导体中的电子浓度与空穴浓度相等。
1 .1 半导体及半导体发光基础
1.1.1 半导体物理基础
非本征半导体： 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质的半导体称为非本
概述
GaAs(砷化镓)、GaP(磷化镓)、GaN(氮化镓)、InGaN(铟
镓氮)、GaAsP(磷砷化镓)、GaAlAs(镓铝砷)等
II-VI族半导体化合物 ： ZnS(硫化锌)、ZnSe(硒化锌)
1 .1 半导体及半导体发光基础
1.1.1 半导体物理基础
能带、导带、价带、禁带、直接带隙材料、 间接带隙材料、本征半导体、非本征半导 体、
光电子材料与器件
第1章 半导体发光材 料及器件
大纲
1.0 1.1

概述 半导体及半导体发光基础
半导体发光材料 1.3 半导体激光器 1.4 发光二极管
1.2
1.0
应用领域：

概述


信息显示 光纤通信 固态照明 国防
1.0
半导体发光二极管 半导体激光器 III-V族半导体材料 ：
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。
1.2 半导体发光材料
二、典型半导体发光材料
激子的俘获： 一个电荷(电子或空穴)首先被缺陷的近程势所束缚，使
缺陷中心带电,然后再通过库仑互作用(远程势)束缚一个电
荷相反的空穴或电子，形成束缚激子 。
1.2 半导体发光材料
二、典型半导体发光材料

GaP 间接带隙宽度2.26eV，典型的间接发光材料。在GaP中
通过掺入杂质(例如N)，产生等电子陷阱，俘获激子，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。
1.2 半导体发光材料
二、典型半导体发光材料
激子： 空穴带正电，自由电子带负电，它们之间的库仑吸引互作
1.2 半导体发光材料
二、典型半导体发光材料

GaAs
GaAs是一种重要的III-V族化合物半导体，典型的直接跃迁
型发光材料。直接跃迁发射的光子能量在1.42ev左右，相 应波长在873nm附近，属于近红外波段。 砷化镓属于闪锌矿结构，由极性共价键结合，离子性为0.31。
1.2 半导体发光材料
二、典型半导体发光材料
发光效率：
N R 1 R N 1 R 1 NR 1 R NR
高效率的发光器件需要辐射寿命远小于非辐射寿命 。
1 .1 半导体及半导体发光基础
1.1.2 半导体发光 三、直接带隙材料与间接带隙材料的辐射跃迁：
导带
E
电子
Eg
空穴

1.240 ( m) Eg (eV )
光输出
N-AIyGa1-yAs
P- GaAs
P-AIxGa1-xAs
1.3 发光二极管
三、主要光学特性
1.效率
int
Pint / hf I /e
P / hf extre Pint / hf
ext
P / hf int extre I /e
power
P IU
1.3 发光二极管
1.3 发光二极管
二、基本结构
1.
指通常所说的LED的发光角度，θ1/2是指发光强度值为轴向 强度值一半的方向与发光轴线（法线）的夹角，2θ1/2指左右 两个方向的夹角之和。 如下图所示
同质结LED
层相对较薄，以减少半导体材料的再吸 收，有利于辐射符合产生的光子逃逸。
塑料圆顶 输出光辐射
在基底上依次生长一层n型层和p型层，p型


在绝对零度，可以被电子填满的最高能带形成价带。
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，称为导带。

对半导体而言，价带与导带之间由禁带相隔。
Ec Eg Ev 价带 导带 禁带
1 .1 半导体及半导体发光基础
1.1.1 半导体物理基础
直接带隙和间接带隙半导体： 如果导带底与价带顶对应相同的波数，则相应的带隙为直接
室温下III-V族发光材料的发射波长范围
发射波段宽的材料有什么相同点？
1.2 半导体发光材料
一、发光材料概述：
半导体发光材料的发光范围覆盖了紫外、可见光到红外 的很宽范围的光谱。
在具体应用中，根据需要，为了获得特定波长范围的自
发或受激辐射光波，则需选择合适的半导体发光材料。 半导体材料多元固溶体的带隙随成分的比例而变化，可 以获得不同的发射波长。
2 y x
k
k 0
价带
1 .1 半导体及半导体发光基础
1.1.2 半导体发光
普朗克常数 h= 6.626068 × 10-34 m2 kg / s e=1.
1.1.2 半导体发光
E
声子
2 yx
2 y x
导带 电子
2 y x

输出光辐射
输出光辐射 半球形 半导体
p n+ n+ 基底 电极
pn结
电极
(a)
(b)
(c)
一般贴片 LED系列 的发光角度为110 至120度之间，行 业一般标注120度。
二、基本结构
2. 异质结LED
1.3 发光二极管
作用：由于ALGaAs的带隙宽于GaAs，在 GaAs中发射的光子不被ALGaAs吸收，减小光吸收
激子的复合发光： 在间接带隙半导体材料中，由于动量选择定则的限制，
材料的发光通常是很弱的，但如果存在束缚激子，其波函
数在空间上是局域化的，因而发光跃迁的动量选择定则大 大放松，无须声子参与就可能具有很大的发光跃迁几率。 这样，间接带材料的发光效率将大大增强。