电致发光
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PN结是构成双极型晶体管和场效应 晶体管的核心，是现代电子技术的基础， 在二级管中广泛应用。
• 高场电致发光——将发光材料粉末与 介质的混合体或单晶薄膜夹持于透明电 极板之间，外施电压，由电场直接激励 电子与空穴复合而发光。
高场电致发光分为交流和直流两种， 如粉末型交流电致发光与粉末型直流电 致发光。
• PN结加反向电压时 ，空间电荷区变宽 ， 区中电场增 强。反向电压增大到一定程度时，反向电流将突然增 大。如果外电路不能限制电流，则电流会大到将PN结 烧毁。反向电流突然增大时的电压称击穿电压。基本 的击穿机构有两种，即隧道击穿和雪崩击穿。
• PN结加反向电压时，空间电荷区中的正负电荷构成一
个电容性的器件。它的电容量随外加电压改变。
• 在 P 型半导体中有许多带正电荷的空穴和带负电荷的 电离杂质。在电场的作用下，空穴是可以移动的，而 电离杂质（离子）是固定不动的 。N 型半导体中有许 多可动的负电子和固定的正离子。
• 当P型和N型半导体接触时，在界面附近空穴从P型半 导体向N型半导体扩散，电子从N型半导体向P型半导 体扩散。空穴和电子相遇而复合，载流子消失。因此 在界面附近的结区中有一段距离缺少载流子，却有分 布在空间的带电的固定离子，称为空间电荷区 。P 型 半导体一边的空间电荷是负离子 ，N 型半导体一边的 空间电荷是正离子。正负离子在界面附近产生电场， 这电场阻止载流子进一步扩散 ，达到平衡。
6.4.1 注入电致发光显示
发光二极管（Light Emitting Diode,简称 LED）是注入电致发光显示器件的代表。发光 二极管是利用少数载流子流入pn结直接将电能 转换为光能的半导体发光元件。
LED构造的核心是用磷化镓或砷化镓等半导体发光材料晶片做 成的pn结，晶片的大小约0.3×0.3×0.2 mm3 ，晶片外用透明度高和 折射率高的材料（一般用环氧树脂）包封，树脂外观视应用要求做 成各种形式。也可以在LED的底座上安置两枚或两枚以上晶片，各 晶片材料不同，发出不同的色光，当各晶片发不同强度的光时，它 们将产生不同混色，使发光二极管显示不同色光。
3. 发光响应快。由于注入pn结正向电流而发光，因此控 制输入电流的大小，开断LED，发光响应十分快，可 达1ns，这对于光的高速度调制十分有利。
4. 寿命长，耐冲击。亮度半衰时间达到十万小时以上， 而且，LED是小型、固体发光元件，有高的可靠性。
LED目前存在的缺点：
LED发光效率太低，作为大屏幕显示时，显 得功耗比较大。
电致发光、其它显示技术
§6.4 电致发光显示
电致发光（Electro luminescence, EL） 是将电能直接转换成光能的一种物理现象。
电致发光按激发过程不同可分为 两大类：
• 注入电致发光——在半导体pn 结加正偏压时产生少数载流子注 入，与多数载流子复合发光 。
• 采用不同的掺杂工艺，将P型半导体与N型半导体制 作在同一块硅片上，在它们的交界面就形成空间电 荷区称PN结。PN结具有单向导电性。
到了80年代初，出现了GaAlAs的LED光源，使得红色LED的光效 达到10流明/瓦。
90年代初，发红光、黄光的GaAlInP和发绿、蓝光的GaInN两种新 材料的开发成功，使LED的光效得到大幅度的提高。
在2000年，前者做成的LED在红、橙区（λp=615nm）的光效达到 100流明/瓦，而后者制成的LED在绿色区域（λp=530nm）的光效可以 达到50流明/瓦。
1998年发白光的LED开发成功。这种LED是将GaN芯片和钇铝 石榴石（YAG）封装在一起做成。GaN芯片发蓝光（λp=465nm， Wd=30nm），高温烧结制成的含Ce3+的YAG荧光粉受此蓝光激发后 发出黄色光发射，峰值550nm。
蓝光LED基片安装在碗形反射腔中，覆盖以混有YAG的树脂薄 层，约200-500nm。 LED基片发出的蓝光部分被荧光粉吸收，另一 部分蓝光与荧光粉发出的黄光混合，可以得到得白光。
目前ACTFEL多采用双绝缘层ZnS:Mn薄膜结构。 器件由三层组成，发光层被夹在两绝缘层之间，这 样就消除了不希望有的漏电流，并且在电场作用下 不会击穿。
ACTFEL结构示意图
发光层掺不同杂质可发不同的光，目前以锰 的效率高。
ACTFEL具有记忆功能：
如果对ACTFEL器件施加一组脉冲电压，每个脉 冲作用下器件发光亮度与前一脉冲的极性关系极大： 当下一脉冲反极性时，器件的亮度显著增大；反之， 当下一个脉冲为同极性时，器件亮度便显著地减小。
Fig.3 Surface SEM image after fabricating nanostructure by NIL using 500nm pitch mold.
(a)
(b)
(c)
(d)
Fig.4 EL images for the samples with various pitches (m) at the same p-electrode diameter of 20mm; (a) m=200nm, (b) 297nm, (c) 395nm and (d) 498nm pitch(m), respectively.
• 使半导体的光电效应与PN结相结合还可 以制作多种光电器件：
– 利用前向偏置异质结的载流子注入与复合可 以制造半导体激光二极管与半导体发光二极 管；
– 利用光辐射对PN结反向电流的调制作用可 以制成光电探测器；
– 用光生伏特效应可制成太阳电池。
• 此外，利用两个PN结之间的相互作用可 以产生放大、振荡等多种电子功能 。
• 某些种类的白色LED光源离不开四种荧光粉：即三基 色稀土红、绿、蓝粉和石榴石结构的黄色粉
• 在未来较被看好的是三波长光，即以无机紫外光晶片 加R.G.B三颜色荧光粉，用于封装LED白光，预计三波 长白光LED今年有商品化的机机会。但此处三基色荧 光粉的粒度要求比较小，稳定性要求也高，具体应用 方面还在探索之中。
Fig.5 EL angular spatial distribution taken from the samples with non-pattern and 500nm pitch nano-structure on the sample surface.
6.4.2高场电致发光显示
1. 交流薄膜电致发光显示（ACTFEL）
• 一块单晶半导体中 ，一部分掺有受主杂质是P型半 导体，另一部分掺有施主杂质是N型半导体时 ，P 型 半导体和N型半导体的交界面附近的过渡区称PN结。 PN结有同质结和异质结两种。用同一种半导体材料 制成的 PN 结叫同质结 ，由禁带宽度不同的两种半 导体材料制成的PN结叫异质结。
• 制造PN结的方法有合金法、扩散法、离子注入法和 外延生长法等。制造异质结通常采用外延生长法。
单色光LED的应用
最初LED用作仪器仪表的指示光源，后来各种光色的LED在 交通信号灯和大面积显示屏中得到了广泛应用，产生了很好的经 济效益和社会效益。以12英寸 的红色交通信号灯为例，在美国本 来是采用长寿命，低光效的140瓦白炽灯作为光源，它产生2000流 明的白光。经红色滤光片后，光损失90%，只剩下200流明的红光。 而在新设计的灯中，Lumileds公司采用了18个红色LED光源，包括 电路损失在内，共耗电14瓦，即可产生同样的光效。
在通常室内光照度下，这种记忆效应可维持几 分钟，但在黑暗中可保持十几个小时。
但其他已具备生产能力的业者相当不以为然，部分日系LED业者认 为，日亚化工的策略，将使日本在蓝光及白光LED竞争中，逐步被欧美 及其他国家的LED业者抢得先机，届时将对整体日本LED产业造成严重 伤害。因此许多业者便千方百计进行蓝光LED的研发生产。
目前除日亚化学和住友电工外，还有丰田合成、罗沐、东芝和夏普， 美商Cree，全球3大照明厂奇异、飞利浦、欧司朗以及HP、Siemens、 Research、EMCORE等都投入了该产品的研发生产，对促进白光LED产 品的产业化、市场化方面起到了积极的促进作用。
单色光LED的种类及其发展历史
最早应用半导体P-N结发光原理制成的LED光源问世于20世纪60年 代初。当时所用的材料是GaAsP，发红光（λp=650nm），在驱动电流 为20毫安时，光通量只有千分之几个流明，相应的发光效率约0.1流明/ 瓦。
70年代中期，引入元素In和N，使LED产生绿光（λp=555nm）， 黄光（λp=590nm）和橙光（λp=610nm），光效也提高到1流明/瓦。
• 在PN结上外加一电压 ，如果P型一边接正极 ，N型一 边接负极，电流便从P型一边流向N型一边，空穴和电 子都向界面运动，使空间电荷区变窄，甚至消失，电 流可以顺利通过。如果N型一边接外加电压的正极，P 型一边接负极，则空穴和电子都向远离界面的方向运 动，使空间电荷区变宽，电流不能流过。这就是PN结 的单向导电性。
汽车信号灯也是LED光源应用的重要领域。1987年，我国开 始在汽车上安装高位刹车灯，由于LED响应速度快（纳秒级）， 可以及早让尾随车辆的司Leabharlann Baidu知道行驶状况，减少汽车追尾事故的 发生。
另外，LED灯在室外红、绿、蓝全彩显示屏，匙扣式微型电 筒等领域都得到了应用。
白光LED的开发
对于一般照明而言，人们更需要白色的光源。
业界概况
在LED业者中，日亚化学是最早运用上述技术工艺研发出不同波长 的高亮度LED，以及蓝紫光半导体激光（Laser Diode；LD），是业界握 有蓝光LED专利权的重量级业者。
在日亚化学取得兰色LED生产及电极构造等众多基本专利后，坚持 不对外提供授权，仅采自行生产策略，意图独占市场，使得蓝光LED价 格高昂。
• 根据PN结的材料、掺杂分布、几何结构和偏 置条件的不同，利用其基本特性可以制造多种 功能的晶体二极管：
– 利用PN结单向导电性可以制作整流二极管、检波 二极管和开关二极管，利用击穿特性制作稳压二极 管和雪崩二极管；
– 利用高掺杂PN结隧道效应制作隧道二极管；
– 利用结电容随外电压变化效应制作变容二极管。
现在，对于InGaN/YAG白色LED，通过改变YAG荧光粉的化学 组成和调节荧光粉层的厚度，可以获得色温3500-10000K的各色白光。
目前已商品化的第一种产品为蓝光单晶片加上YAG黄色荧光粉， 其最好的发光效率约为25流明/瓦。YAG多为日本日亚公司的进口， 价格在2000元/公斤。第二种是日本住友电工开发出以ZnSe为材料的 白光LED，不过发光效率较差。
单个LED常用来做各种指示灯，如将单个LED拼排成符号、 字符或纵横矩阵排列，可显示符号、字符和图形。
LED的主要特点：
1. 工作电压低，能在电压2V左右工作，可用电池供电 或直接与集成驱动电路相连，驱动简单。
2. LED是小型的高亮度发光元件，如GaAlAs材料的 LED，当电流为20mA时，发光强度可达到100cd。
Fig.1 Schematic diagram of fabricated LED with surface nano-structure.
Fig.2 Fabrication processes of periodic nano-structure on LED surface by using nanoimprint lithography and reactive ion etching method; (a)spin coating resin on Ni film, (b) duplicating nano-structure on resin by pressing the mold, (c) removing backlog of resin, (d) etching Ni film by Ar plasma etching, (e) etching GaN and AlGaN film by RIE using BCl3 and Cl2 gases, (f) removing Ni film by aqueous HNO3.
• 高场电致发光——将发光材料粉末与 介质的混合体或单晶薄膜夹持于透明电 极板之间，外施电压，由电场直接激励 电子与空穴复合而发光。
高场电致发光分为交流和直流两种， 如粉末型交流电致发光与粉末型直流电 致发光。
• PN结加反向电压时 ，空间电荷区变宽 ， 区中电场增 强。反向电压增大到一定程度时，反向电流将突然增 大。如果外电路不能限制电流，则电流会大到将PN结 烧毁。反向电流突然增大时的电压称击穿电压。基本 的击穿机构有两种，即隧道击穿和雪崩击穿。
• PN结加反向电压时，空间电荷区中的正负电荷构成一
个电容性的器件。它的电容量随外加电压改变。
• 在 P 型半导体中有许多带正电荷的空穴和带负电荷的 电离杂质。在电场的作用下，空穴是可以移动的，而 电离杂质（离子）是固定不动的 。N 型半导体中有许 多可动的负电子和固定的正离子。
• 当P型和N型半导体接触时，在界面附近空穴从P型半 导体向N型半导体扩散，电子从N型半导体向P型半导 体扩散。空穴和电子相遇而复合，载流子消失。因此 在界面附近的结区中有一段距离缺少载流子，却有分 布在空间的带电的固定离子，称为空间电荷区 。P 型 半导体一边的空间电荷是负离子 ，N 型半导体一边的 空间电荷是正离子。正负离子在界面附近产生电场， 这电场阻止载流子进一步扩散 ，达到平衡。
6.4.1 注入电致发光显示
发光二极管（Light Emitting Diode,简称 LED）是注入电致发光显示器件的代表。发光 二极管是利用少数载流子流入pn结直接将电能 转换为光能的半导体发光元件。
LED构造的核心是用磷化镓或砷化镓等半导体发光材料晶片做 成的pn结，晶片的大小约0.3×0.3×0.2 mm3 ，晶片外用透明度高和 折射率高的材料（一般用环氧树脂）包封，树脂外观视应用要求做 成各种形式。也可以在LED的底座上安置两枚或两枚以上晶片，各 晶片材料不同，发出不同的色光，当各晶片发不同强度的光时，它 们将产生不同混色，使发光二极管显示不同色光。
3. 发光响应快。由于注入pn结正向电流而发光，因此控 制输入电流的大小，开断LED，发光响应十分快，可 达1ns，这对于光的高速度调制十分有利。
4. 寿命长，耐冲击。亮度半衰时间达到十万小时以上， 而且，LED是小型、固体发光元件，有高的可靠性。
LED目前存在的缺点：
LED发光效率太低，作为大屏幕显示时，显 得功耗比较大。
电致发光、其它显示技术
§6.4 电致发光显示
电致发光（Electro luminescence, EL） 是将电能直接转换成光能的一种物理现象。
电致发光按激发过程不同可分为 两大类：
• 注入电致发光——在半导体pn 结加正偏压时产生少数载流子注 入，与多数载流子复合发光 。
• 采用不同的掺杂工艺，将P型半导体与N型半导体制 作在同一块硅片上，在它们的交界面就形成空间电 荷区称PN结。PN结具有单向导电性。
到了80年代初，出现了GaAlAs的LED光源，使得红色LED的光效 达到10流明/瓦。
90年代初，发红光、黄光的GaAlInP和发绿、蓝光的GaInN两种新 材料的开发成功，使LED的光效得到大幅度的提高。
在2000年，前者做成的LED在红、橙区（λp=615nm）的光效达到 100流明/瓦，而后者制成的LED在绿色区域（λp=530nm）的光效可以 达到50流明/瓦。
1998年发白光的LED开发成功。这种LED是将GaN芯片和钇铝 石榴石（YAG）封装在一起做成。GaN芯片发蓝光（λp=465nm， Wd=30nm），高温烧结制成的含Ce3+的YAG荧光粉受此蓝光激发后 发出黄色光发射，峰值550nm。
蓝光LED基片安装在碗形反射腔中，覆盖以混有YAG的树脂薄 层，约200-500nm。 LED基片发出的蓝光部分被荧光粉吸收，另一 部分蓝光与荧光粉发出的黄光混合，可以得到得白光。
目前ACTFEL多采用双绝缘层ZnS:Mn薄膜结构。 器件由三层组成，发光层被夹在两绝缘层之间，这 样就消除了不希望有的漏电流，并且在电场作用下 不会击穿。
ACTFEL结构示意图
发光层掺不同杂质可发不同的光，目前以锰 的效率高。
ACTFEL具有记忆功能：
如果对ACTFEL器件施加一组脉冲电压，每个脉 冲作用下器件发光亮度与前一脉冲的极性关系极大： 当下一脉冲反极性时，器件的亮度显著增大；反之， 当下一个脉冲为同极性时，器件亮度便显著地减小。
Fig.3 Surface SEM image after fabricating nanostructure by NIL using 500nm pitch mold.
(a)
(b)
(c)
(d)
Fig.4 EL images for the samples with various pitches (m) at the same p-electrode diameter of 20mm; (a) m=200nm, (b) 297nm, (c) 395nm and (d) 498nm pitch(m), respectively.
• 使半导体的光电效应与PN结相结合还可 以制作多种光电器件：
– 利用前向偏置异质结的载流子注入与复合可 以制造半导体激光二极管与半导体发光二极 管；
– 利用光辐射对PN结反向电流的调制作用可 以制成光电探测器；
– 用光生伏特效应可制成太阳电池。
• 此外，利用两个PN结之间的相互作用可 以产生放大、振荡等多种电子功能 。
• 某些种类的白色LED光源离不开四种荧光粉：即三基 色稀土红、绿、蓝粉和石榴石结构的黄色粉
• 在未来较被看好的是三波长光，即以无机紫外光晶片 加R.G.B三颜色荧光粉，用于封装LED白光，预计三波 长白光LED今年有商品化的机机会。但此处三基色荧 光粉的粒度要求比较小，稳定性要求也高，具体应用 方面还在探索之中。
Fig.5 EL angular spatial distribution taken from the samples with non-pattern and 500nm pitch nano-structure on the sample surface.
6.4.2高场电致发光显示
1. 交流薄膜电致发光显示（ACTFEL）
• 一块单晶半导体中 ，一部分掺有受主杂质是P型半 导体，另一部分掺有施主杂质是N型半导体时 ，P 型 半导体和N型半导体的交界面附近的过渡区称PN结。 PN结有同质结和异质结两种。用同一种半导体材料 制成的 PN 结叫同质结 ，由禁带宽度不同的两种半 导体材料制成的PN结叫异质结。
• 制造PN结的方法有合金法、扩散法、离子注入法和 外延生长法等。制造异质结通常采用外延生长法。
单色光LED的应用
最初LED用作仪器仪表的指示光源，后来各种光色的LED在 交通信号灯和大面积显示屏中得到了广泛应用，产生了很好的经 济效益和社会效益。以12英寸 的红色交通信号灯为例，在美国本 来是采用长寿命，低光效的140瓦白炽灯作为光源，它产生2000流 明的白光。经红色滤光片后，光损失90%，只剩下200流明的红光。 而在新设计的灯中，Lumileds公司采用了18个红色LED光源，包括 电路损失在内，共耗电14瓦，即可产生同样的光效。
在通常室内光照度下，这种记忆效应可维持几 分钟，但在黑暗中可保持十几个小时。
但其他已具备生产能力的业者相当不以为然，部分日系LED业者认 为，日亚化工的策略，将使日本在蓝光及白光LED竞争中，逐步被欧美 及其他国家的LED业者抢得先机，届时将对整体日本LED产业造成严重 伤害。因此许多业者便千方百计进行蓝光LED的研发生产。
目前除日亚化学和住友电工外，还有丰田合成、罗沐、东芝和夏普， 美商Cree，全球3大照明厂奇异、飞利浦、欧司朗以及HP、Siemens、 Research、EMCORE等都投入了该产品的研发生产，对促进白光LED产 品的产业化、市场化方面起到了积极的促进作用。
单色光LED的种类及其发展历史
最早应用半导体P-N结发光原理制成的LED光源问世于20世纪60年 代初。当时所用的材料是GaAsP，发红光（λp=650nm），在驱动电流 为20毫安时，光通量只有千分之几个流明，相应的发光效率约0.1流明/ 瓦。
70年代中期，引入元素In和N，使LED产生绿光（λp=555nm）， 黄光（λp=590nm）和橙光（λp=610nm），光效也提高到1流明/瓦。
• 在PN结上外加一电压 ，如果P型一边接正极 ，N型一 边接负极，电流便从P型一边流向N型一边，空穴和电 子都向界面运动，使空间电荷区变窄，甚至消失，电 流可以顺利通过。如果N型一边接外加电压的正极，P 型一边接负极，则空穴和电子都向远离界面的方向运 动，使空间电荷区变宽，电流不能流过。这就是PN结 的单向导电性。
汽车信号灯也是LED光源应用的重要领域。1987年，我国开 始在汽车上安装高位刹车灯，由于LED响应速度快（纳秒级）， 可以及早让尾随车辆的司Leabharlann Baidu知道行驶状况，减少汽车追尾事故的 发生。
另外，LED灯在室外红、绿、蓝全彩显示屏，匙扣式微型电 筒等领域都得到了应用。
白光LED的开发
对于一般照明而言，人们更需要白色的光源。
业界概况
在LED业者中，日亚化学是最早运用上述技术工艺研发出不同波长 的高亮度LED，以及蓝紫光半导体激光（Laser Diode；LD），是业界握 有蓝光LED专利权的重量级业者。
在日亚化学取得兰色LED生产及电极构造等众多基本专利后，坚持 不对外提供授权，仅采自行生产策略，意图独占市场，使得蓝光LED价 格高昂。
• 根据PN结的材料、掺杂分布、几何结构和偏 置条件的不同，利用其基本特性可以制造多种 功能的晶体二极管：
– 利用PN结单向导电性可以制作整流二极管、检波 二极管和开关二极管，利用击穿特性制作稳压二极 管和雪崩二极管；
– 利用高掺杂PN结隧道效应制作隧道二极管；
– 利用结电容随外电压变化效应制作变容二极管。
现在，对于InGaN/YAG白色LED，通过改变YAG荧光粉的化学 组成和调节荧光粉层的厚度，可以获得色温3500-10000K的各色白光。
目前已商品化的第一种产品为蓝光单晶片加上YAG黄色荧光粉， 其最好的发光效率约为25流明/瓦。YAG多为日本日亚公司的进口， 价格在2000元/公斤。第二种是日本住友电工开发出以ZnSe为材料的 白光LED，不过发光效率较差。
单个LED常用来做各种指示灯，如将单个LED拼排成符号、 字符或纵横矩阵排列，可显示符号、字符和图形。
LED的主要特点：
1. 工作电压低，能在电压2V左右工作，可用电池供电 或直接与集成驱动电路相连，驱动简单。
2. LED是小型的高亮度发光元件，如GaAlAs材料的 LED，当电流为20mA时，发光强度可达到100cd。
Fig.1 Schematic diagram of fabricated LED with surface nano-structure.
Fig.2 Fabrication processes of periodic nano-structure on LED surface by using nanoimprint lithography and reactive ion etching method; (a)spin coating resin on Ni film, (b) duplicating nano-structure on resin by pressing the mold, (c) removing backlog of resin, (d) etching Ni film by Ar plasma etching, (e) etching GaN and AlGaN film by RIE using BCl3 and Cl2 gases, (f) removing Ni film by aqueous HNO3.