實(shí)驗(yàn)六..半導(dǎo)體發(fā)光器件的電致發(fā)光測量

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1、WORD格式整理版半導(dǎo)體發(fā)光器件的電致發(fā)光測量一、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與目的1.了解半導(dǎo)體發(fā)光材料電致發(fā)光的基本概念。2.了解并掌握半導(dǎo)體顯微探針測試臺、光纖光譜儀的使用。3.掌握半導(dǎo)體發(fā)光材料電致發(fā)光特性的測量方法。二、實(shí)驗(yàn)原理概述1.輻射躍遷半導(dǎo)體材料受到某種激發(fā)時，電子產(chǎn)生由低能級向高能級的躍遷，形成非平衡載流子。這種處于激發(fā)態(tài)的電了在半導(dǎo)體中運(yùn)動一段時間后，又回到較低的能量狀態(tài)，并發(fā)生電子-空穴對的復(fù)合。復(fù)合過程中，電了以不同的形式釋放出多余的能量。如躍遷過程伴隨著放出光子，這種躍遷成為輻射躍遷。作為半導(dǎo)體發(fā)光材料，必須是輻射躍遷占優(yōu)勢。半導(dǎo)體中的主要輻射復(fù)合過程

2、包括：帶邊復(fù)合、電子從自由態(tài)到束縛態(tài)的復(fù)合、施主-受主對復(fù)合、等電了雜質(zhì)束縛激子復(fù)合、通過深能級的復(fù)合等。帶邊復(fù)合包括導(dǎo)帶電子與價帶空穴復(fù)合、自由激子復(fù)合、束縛在中性或電離狀態(tài)的淺施主和受主上的束縛激子復(fù)合等。導(dǎo)帶的電子躍遷到價帶，與價帶空穴相復(fù)合，伴隨的光子發(fā)射，稱為本征躍遷。顯然這種帶與帶之間的電子躍遼所引起的發(fā)光過程，是本征吸收的逆過程。如圖6.1(a)所示，對于直接帶隙半導(dǎo)體，導(dǎo)帶與價帶極值都在k空間原點(diǎn)，本征躍遷為直接躍遷。由于直接躍遷的發(fā)光過程只涉及一個電了一空穴對和一個光子，其輻射效率較高。直接帶隙半導(dǎo)體，包括Ⅱ-Ⅳ族和部分Ⅲ-Ⅴ族（如GaAs等

3、）化合物，都是常用的發(fā)光材料。如圖8.1(b)所示，間接帶隙半導(dǎo)體中，導(dǎo)帶和價帶極值對應(yīng)于不同的波矢k，這時發(fā)生的帶與帶之間的躍遷是間接躍遷。在間接躍遷過程中，除了發(fā)射光子外，還有聲子參與。因此，這種躍遷比直接躍遷的幾率小得多，Ge、Si和部分Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體都是間接帶隙半導(dǎo)體，它們的發(fā)光比較微弱。圖6.1本征幅射躍遷范文范例參考WORD格式整理版圖6.2施主受主間躍遷如果將雜質(zhì)摻入半導(dǎo)體，則會在帶隙中產(chǎn)生施主(Donor)及受主(Acceptor)的能級，因此又可能產(chǎn)生不同的復(fù)合而發(fā)出光。電子從導(dǎo)帶躍遷到雜質(zhì)能級，或雜質(zhì)能級上的電子躍遷入價帶，或電子在雜質(zhì)能級

4、間的躍遷都可以引起發(fā)光，這類躍遷稱為非本征躍遷。間接帶隙半導(dǎo)體本征躍遷幾率很小，非本征躍遷起主要作用。圖6.2所示為施主與受主之間的躍遷。這種躍遷效率高，多數(shù)發(fā)光二極管屬于這種躍遷機(jī)理。在施主-受主對的復(fù)合中，過剩電子、空穴先分別被電離的施主和受主俘獲，然后中性施主上的電予隧道躍遷到中性受主并發(fā)射一個光子。若把施主和受主看成點(diǎn)電荷，把晶體看作連續(xù)介質(zhì)，施主與受主之間的庫侖作用力使受激態(tài)能量增大，其增量與施主-受主雜質(zhì)問距離r成正比，所發(fā)射的光子能量為：式中，ED和EA分別為施主和受主的電離能，ε是晶體的低頻介電常數(shù)。對簡單的替位施主和受主雜質(zhì)，r只能取一系列的

5、不連續(xù)值，因此，施主-受主復(fù)合發(fā)光是一系列分離譜線，隨著r的增大，成為一發(fā)射帶。圖6.3p-n結(jié)能帶2.電致發(fā)光根據(jù)不同的激發(fā)過程，可以有各種發(fā)光過程，如：光致發(fā)光、陰極發(fā)光、電致發(fā)光等。范文范例參考WORD格式整理版半導(dǎo)體的電致發(fā)光(EL)，也稱場致發(fā)光，是由電流（電場）激發(fā)載流子，將電能直接轉(zhuǎn)變成光能的過程。EL包括低場注入型發(fā)光和高場電致發(fā)光。前者是發(fā)光二極管（LED）和半導(dǎo)體激光器的基礎(chǔ)。本實(shí)驗(yàn)只涉及這類EL譜的測量。發(fā)光二極管是通過電光轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)發(fā)光的光電子廠器件，是主要的半導(dǎo)體發(fā)光器件之一，具有廣泛的應(yīng)用，如各類顯示、數(shù)據(jù)通訊等。特別是通過白色發(fā)光二

6、極管實(shí)現(xiàn)固體照明，不僅可以節(jié)省能源、減少污染，而且體積小、壽命長，因此固態(tài)照明已被全世界重視。圖6.4在雙異質(zhì)結(jié)中由寬帶隙半導(dǎo)體材料隔開的中間發(fā)光區(qū)，更高的載流子濃度及載流子限定的改善。所有商用LED都具有p-n結(jié)結(jié)構(gòu)，因此以p-n結(jié)的發(fā)光為例來說明注入發(fā)光機(jī)制。p型半導(dǎo)體是摻雜了受主雜質(zhì)，而n型則是摻雜了施主雜質(zhì)，將兩種材料放在一起，即得到p-n結(jié)。n型半導(dǎo)體中產(chǎn)生電子，p型半導(dǎo)體中產(chǎn)生空穴，在其中間產(chǎn)生耗盡層。圖6.3所示為發(fā)光二極管p-n結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)。p-n結(jié)處于平衡時，存在一定的勢壘區(qū)，如圖86場也相應(yīng)地減弱（圖8.3(b)）。這樣繼續(xù)發(fā)生載流子的擴(kuò)散

7、，即電子由n區(qū)注入p區(qū)，同時空穴由p區(qū)注入到n區(qū)。進(jìn)入p區(qū)的電子和進(jìn)入n區(qū)的空穴都是非平衡少數(shù)載流子。這些非平衡少數(shù)載流子不斷與多數(shù)載流子復(fù)合而發(fā)光。如果采用異質(zhì)結(jié)，發(fā)光效率可以得到顯著的提高。圖6.4所示為由寬帶隙半導(dǎo)體材料隔開的中間發(fā)光區(qū)，兩種類型的過剩載流子從兩側(cè)注入并被限制在同一區(qū)域，過剩載流子數(shù)目顯著提高。隨著載流子濃度的提高，輻射壽命縮短，導(dǎo)致更為有效的輻射復(fù)合。如果中間有源區(qū)域減小到10nm或更小就形成量子阱，由于其厚度與德布羅意波長相近，量子力學(xué)效應(yīng)出現(xiàn)，載流子狀態(tài)密度變得更高，從而可以獲得很高的發(fā)光效率。這是目前商用LED的實(shí)際結(jié)構(gòu)。對于LE

8、D應(yīng)用，最重要的半導(dǎo)體材料包括：AlG