第1章半导体发光材料及器件.pptx

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光电子材料与器件范会博1875270物理学院楼418室课程相关内容介绍：

总学时：

40学时平时作业（每堂课都有）、点名，占40%期末考试，占60%第1章半导体发光材料及器件第2章固体激光材料及典型固体激光器第3章光纤材料及光纤器件第4章非线性光学材料第5章光调制器第6章光探测材料及器件第7章光显示材料及器件第8章微纳光电材料及器件绪论第1章半导体发光材料及器件1.概述2.半导体及半导体发光基础3.半导体发光材料4.发光二极管5.半导体激光器1.0概述应用领域：

信息显示光纤通信固态照明国防能带理论孤立原子能级简并：

原子相距足够远孤立原子每个原子具有相同的电子能级结构，电子能级简并根据波尔模型，电子在特定的圆周轨道上运动，轨道半径与电子能级是不连续的，显示出分立的量子化特征能带理论组成分子能级分裂：

原子相互靠拢形成分子时，原子间距减小（10-10m）相互作用增强最外层电子云发生交叠能级分裂，解除简并相同的原子能级分裂成具有不同能量值的若干能级1.1能带理论能带N个原子（1022）组成晶体孤立原子的每个能级分裂成N个不同的能级N越大，每个孤立原子的电子能级分裂成的不同能级差别越小形成一组能量上准连续的能级集合能带E取决于两个最相邻的原子，能级便分裂成N个彼此靠得很近的能级，简并消失。

这N个能级组成一个能带，称为允许带1.2半导体物理基础半导体的能带结构相邻能带之间可能存在带隙，电子不能稳定占据，即禁带，宽度Eg1.2半导体物理基础EcEv半导体的能带结构在绝对零度下，电子由低向高填充能带，形成价带。

在价带中电子仍被各个原子束缚。

由于热运动等，电子摆脱原子束缚跃迁到价带之上的能带，并在整个半导体材料中自由移动，这个能带称为导带。

导带Eg=Ec-Ev禁带价带导体、半导体以及绝缘体的能带结构1.2半导体物理基础其能带结构的特征是价带已被填满，而其上的导带则全空着，价带与导带之间的禁带宽度较大。

在常温下，价带中的电子几乎无法逾越禁带而跃入导带，在一般电压的电场下，价电子不可能获得足够能量跃入导带而被加速1.2半导体物理基础导体、半导体以及绝缘体的能带结构禁带宽度较小，在绝对零度时，半导体的价带全被电子占满，而导带是全空的；在一般的温度下，共有化的电子有可能因热激发而获得能量，脱离共有化的束缚而成为准自由电子被激发到导带中，同时，在价带中留下了一些没有电子的空量子状态，即空穴。

1.2半导体物理基础导体、半导体以及绝缘体的能带结构具有未被填满的价带结构（c）或者导带和满带交叠在一起形成一个统一的不满的宽能带（d），因此在外电场作用下，这些电子就可以被加速而形成电流1.2半导体物理基础Ev导带Eg=Ec-Ev禁带价带半导体的能带结构导带电子Ec载流子空穴电子和空穴不仅和半导体的导电性有关，同时其产生、复合以及在能带中的分布还直接与半导体的光学性质有关1.2半导体物理基础本征和非本征半导体本征半导体：

纯净半导体由于热运动，价带中的电子被激发到导带，同时在价带留下空穴，形成电子-空穴对。

电子浓度n与空穴浓度p相等。

载流子少，导电性差，温度稳定性差非本征半导体：

本征半导体中引入一定数量的杂质电子浓度n空穴浓度p可以有效的改变半导体的导电性1.2半导体物理基础本征和非本征半导体在热平衡条件下，能量为E的能级被电子占据的概率为费米能级不是实在能级，而是描述电子在各能级中分布的参量的虚拟能级，费米能级一般位于禁带中，距离导带底能级Ec和价带顶能级Ev都很远1.2半导体物理基础本征和非本征半导体导带底与价带顶附近电子占据的概率分别为导带与价带中的电子浓度为1.2半导体物理基础本征和非本征半导体在热平衡条件下，本征和非本征半导体均满足浓度作用定律两类载流子浓度的乘积为常数一种载流子浓度的增加会使得另一种载流子浓度的减少1.2半导体物理基础非本征半导体的分类浓度高的称为多数载流子多数载流子是电子n型半导体多数载流子是空穴p型半导体1.2半导体物理基础N型半导体在4价的硅或锗中掺入少量的5价杂质元素，如磷、锑、砷等，则原来晶格中的某些硅原子将被杂质原子代替。

杂质原子与周围四个硅原子组成共价键时多余一个电子。

这个电子只受自身原子核吸引，在室温下可成为自由电子。

自由电子失去自由电子的杂质原子固定在晶格上不能移动，并带有正电荷，称为正离子。

1.2半导体物理基础N型半导体在这种杂质半导体中，电子的浓度大大高于空穴的浓度。

因主要依靠电子导电，也称为电子型半导体。

5价的杂质原子可以提供电子，所以称为施主原子。

多数载流子Majoritycarrier少数载流子Minoritycarrier1.2半导体物理基础P型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的3价杂质元素，如硼、镓、铟等，当它与周围的硅原子组成共价键时，将缺少一个价电子，产生了一个空位。

空位为电中性。

空位1.2半导体物理基础P型半导体硅原子外层电子由于热运动填补此空位时，杂质原子成为负离子，硅原子的共价键中产生一个空穴。

在室温下仍有电子-空穴对的产生和复合。

空穴多数载流子少数载流子1.2半导体物理基础P型半导体在这种杂质半导体中，空穴的浓度远高于自由电子的浓度。

所以也称为空穴型半导体。

3价的杂质原子产生多余的空穴，起着接受电子的作用，所以称为受主原子。

空穴多数载流子少数载流子1.2半导体物理基础在非本征半导体中：

杂质浓度不应破坏半导体的晶体结构，多数载流子的浓度主要取决于掺入杂质的浓度；而少数载流子的浓度主要取决于温度。

非本征半导体的优点：

掺入不同性质、不同浓度的杂质，并使P型半导体和N型半导体以不同方式组合，可以制造出形形色色、品种繁多、用途各异的半导体器件，是制造很多半导体电子及光电子器件的基本材料：

二极管、三极管、场效应管等电子元件；发光二极管、半导体激光器、光电二极管、太阳能电池等半导体光电子器件。

1.2半导体物理基础扩散、复合PN结及其单向导电性半导体单晶材料不同区域的导电类型分别为n型及p型，两者的交界位置便形成pn结由于p区和n区多数载流子（空穴&电子）的浓度差异，使得两边的多数载流子各自向对方区域扩散，并相互复合P型N型-+-+-+1.2半导体物理基础+-PN结及其单向导电性复合后，n区一侧的电子浓度降低，只留下不能移动的施主离子，呈现局域的正电荷区域；而p区一侧的空穴浓度降低，留下不能移动的受主离子，呈现局域的负电荷区域P型N型1.2半导体物理基础+-内电场Uho内电场又称阻挡层，阻止扩散运动，却有利于漂移运动。

PN结及其单向导电性由于局域正负电荷的存在，pn结附近形成了一个有n区指向p区的内建电场，阻碍多数载流子的扩散，使得少数载流子相互漂移P型N型1.2半导体物理基础-+-+-+内电场UhoPN结及其单向导电性随着扩散的减弱、漂移的增强，最终实现载流子的动态平衡。

Pn结附近载流子被耗尽的区域称为空间电荷区，或耗尽区，呈现整体的电中性。

P型N型空间电荷区硅约为（0.60.8）V锗约为（0.20.3）V1.2半导体物理基础PN结及其单向导电性正向偏压在P-N结的p型区接电源正极，叫正向偏压。

阻挡层势垒被削弱、变窄，有利于空穴向N区运动，电子向P区运动，形成正向电流（mA级）。

外加正向电压越大，正向电流也越大，而且是呈非线性的伏安特性IP型N型-+-+-+内电场1.2半导体物理基础PN结及其单向导电性反向偏压在P-N结的p型区接电源负极,叫反向偏压。

阻挡层势垒增大、变宽，不利于空穴向区运动，也不利于电子向P区运动,没有正向电流。

但是，由于少数载流子的存在，会形成很弱的反向电流，称为漏电流（A级）。

当外电场很强,反向电压超过某一数值后，反向电流会急剧增大-反向击穿。

IP型-N型+内电场1.2半导体物理基础直接带隙和间接带隙半导体导带底和价带顶的位置相同，k相同，为直接带隙导带底和价带顶的位置不同，k不同，为间接带隙1.2半导体物理基础直接带隙和间接带隙半导体直接带隙和间接带隙半导体在电学和光学性质上均表现出较大的差异直接带隙半导体一般用来制作发光器件间接带隙半导体则主要用于光电探测器。

1.3半导体发光原理发光学基本概念物质内部以某种方式吸收能量，将其转化成光辐射（非平衡辐射）的过程称为发光。

受外界激发而发光的固体称为发光材料。

发光特点：

发光是物体热辐射之外的另一种辐射，它与热物体的光辐射过程不同，不需要加热-冷光具有一定的持续时间1.3半导体发光原理发光学基本概念根据激励方式的不同，可分为：

光致发光和电致发光。

光致发光：

材料吸收高能光子后电子跃迁至高能态而后再发光的的过程电致发光：

材料通过电流激发引起的光发射过程。

1.3半导体发光原理发光学基本概念光致发光（Photoluminescence）是物质受到外界光激发而产生发光的现象。

它大致经过吸收、能量传递和光发射三个阶段。

1.3半导体发光原理半导体发光基础半导体材料中电子由高能态（导带）向低能带跃迁的同时，会以光子的形式释放多余的能量，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。

1.3半导体发光原理半导体发光基础电子的跃迁要求在导带和价带中存在对应的电子-空穴对R过程：

通过电子和空穴的复合半导体可以发射光子，称为辐射复合（辐射跃迁）NR过程：

电子和空穴复合过程中不发射光子，其能量通过晶格振动消耗掉，称为非辐射复合（无辐射跃迁）复合过程：

动量守恒、能量守恒hv注入电子注入空穴RNR弛豫过程辐射寿命非辐射寿命1.3半导体发光原理半导体发光基础辐射复合分为受激辐射和自发辐射受激辐射需要激励光子的作用，对应于半导体激光器自发辐射是电子随机性的辐射过程，对应于半导体发光二极管hv注入电子注入空穴RNR弛豫过程1.3半导体发光原理半导体发光基础辐射复合分为受激辐射和自发辐射受激辐射需要激励光子的作用，对应于半导体激光器自发辐射是电子随机性的辐射过程，对应于半导体发光二极管辐射光子波长由复核过程中释放的能量决定：

hv注入电子注入空穴RNR弛豫过程1.3半导体发光原理半导体发光基础考虑到辐射和非辐射跃迁过程，高能态的电子数N单位时间的变化量可以表示为：

辐射、非辐射跃迁寿命有爱因斯坦系数度决定，表征了电子由高能态通过辐射和非辐射跃迁到低能态的几率。

hv注入电子注入空穴RNR弛豫过程1.3半导体发光原理半导体发光基础发光效率辐射寿命长的材料更适合于制作高效率的发光器件hv注入电子注入空穴RNR弛豫过程1.3半导体发光原理半导体发光基础发光效率半导体的发光过程与半导体中能量的弛豫机制有关，发射谱形状同时受到带内电子及空穴的热分布影响hv注入电子注入空穴RNR弛豫过程1.3半导体发光原理半导体发光基础发光效率半导体的发光过程与半导体中能量的弛豫机制有关，发射谱形状同时受到带内电子及空穴的热分布影响hv注入电子注入空穴RNR弛豫过程半导体材料所能发射的不同波长的光，以及各波长光的强度、带宽。

1.3半导体发光原理半导体发光基础直接带隙和间接带隙的发光原理满足守恒定律1.3半导体发光原理半导体发光基础直接带隙的发光原理导带底和价带顶波矢k相同，p相同，电子直接跃迁，发射一个光子。

特点：

无声子参与，发光效率高，常用于制作高效率的发光器件。

1.3半导体发光原理半导体发光基础直接带隙和间接带隙的发光原理导带底和价带顶波矢k不同，p不同，需要声子参与。

1.3半导体发光原理半导体发光基础直接带隙和间接带隙的发光原理导带底和价带顶波矢k不同，p不同，需要声子参与。

特点：

有声子参与，发光效率低。

声子能量1.4发光材料III-V族元素化合的化合物半导体材料GaAs（砷化镓）GaP（磷化镓）GaAs1-xPx（磷砷化镓）GaInN（铟镓氮）Si硅基发光材料稀土发光材料1.4发光材料1.4.1半导体发光材料GaAs（砷化镓）典型的直接跃迁型材料；Eg=1.42eV，=873nm（红光）最为重要且研究最多的III-V族化合物半导体掺杂Si，Si占据Ga和As位，分别成为施主和受主主要在p区发光注入电子的迁移率远高于空穴的迁移率许多材料外延生长的衬底主要应用于微波器件，半导体激光器，上转换可见光器件的红外激发源，发光耦合器的红外发光源等1.4.1半导体发光材料GaP（磷化镓）GaP是橙红色透明晶体，是典型的间接跃迁型材料。

通过掺入不同的等电子陷阱中心，可以直接发射红、绿等颜色的光。

掺入杂质N后，发光效率大大提高。

磷化镓的液相外延材料可制造红色、黄绿色、绿色的发光二极管，气相外延加扩散生长的材料，可制造黄色、黄绿色的发光二极管。

1.4.1半导体发光材料GaN（氮化镓）GaN是纤锌矿型的直接跃迁半导体材料。

具有带隙宽、热导率高、化学性能稳定的特点。

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从1.9eV连续变化到6.2eV。

室温下带隙宽度3.39eV，是性能优良的的短波长半导体发光材料，可用于蓝光及紫光发光器件。

1.4.1半导体发光材料GaInN（铟镓氮）GaInN是直接跃迁结构，带隙宽度的整个范围为1.95（636.6nm）-3.4（365nm）eV，覆盖了整个可见光谱。

AlGaInN的带隙宽度更宽，在1.95-6.2eV之间，因此，GaN及有关化合物半导体（AlGaN、InGaN等）是认为在短波长LED方面最有前途的材料。

AlGaInN材料体系的二元、三元和四元化合物在整个摩尔比范围内都有直接带隙，非常适合做成高效的发光二极管。

AlGaInN中典型的n型杂质是Si，最适合的p型杂质为Mg。

1.4.1半导体发光材料GaAs1-xPx（磷砷化镓）GaAs1-xPx是目前应用较为广泛的显示用发光材料。

闪锌矿结构，它是由直接跃迁型的GaAs与间接跃迁型的GaP组成的固溶体。

在室温下，x0.45时为直接跃迁型，x=0.4时，发红光，峰值波长650-660nm，发光效率较高，人眼对该波长光的敏感度较高。

当x0.45时，变为间接跃迁，效率大幅度下降。

但掺入杂质N后，如同GaP，发光效率大大提高。

发光波长随着组分参数的变化而变化：

1.4.1半导体发光材料GaAs1-xPx（磷砷化镓）以GaP作为衬底，在外延层掺入氮，由于氮的电子陷阱作用，大大提高了材料的发光效率。

GaAs0.35P0.65:

N/GaP、GaAs0.25P0.75:

N/GaP、GaAs0.15P0.85:

N/GaP是发光效率相当高的橙红、橙色和黄色发光材料。

x=1，材料发出较强的绿光。

1.4.1半导体发光材料Ga1-xAlAsx（磷铝化镓）Ga1-xAlAsx是GaAs和AlAs的固溶体。

随着x的改变，禁带宽度可在1.42eV（GaAs）到2.16（AlAs）之间变化。

x0.35，材料为间接带隙。

GaAlAs是制备高辐射度红外发光二极管和半导体激光器的优质材料。

1.4.1半导体发光材料In1-xGaxP（铟镓磷）In1-xGaxP是InP和GaP的固溶体。

是直接跃迁半导体，禁带宽度宽至2.2eV。

与（AlxGa1-x）0.5In0.5一起可以生长量子阱，用于红光半导体激光器或谐振腔发光二极管。

In1-xGaxAs1-yPyIn1-xGaxAs1-yPy是四源固溶体，通过组分x，y的调节，覆盖波长范围从870nm（GaAs）到3.5um（InAs）。

光钎通信所采用的1.3um和1.55um半导体光源主要采用InGaAsP.1.4.2硅基发光材料Si基发光材料硅（Si）是目前最主要的半导体，在微电子器件材料领域占有主流地位，硅基光电子集成是目前科学研究的热点。

硅基发光材料又称硅基光子集成。

光发射器件是硅基光电集成中的关键器件，要实现硅基光电子集成，就必须解决硅基材料的发光问题！

1.4.2硅基发光材料Si基发光材料硅基发光材料具有巨大的应用前景。

由于硅材料高透明度、低缺陷、易塑形等优点，以硅基材料为载体，能够集成光电子器件，而形成多功能光电子器件，以达到多功能、复合光电子器件的目的。

以此为基础，就可以充分发挥光传输在速度、带宽、及损耗方面的优势。

多种不同频率的窄带光同时传输，互不烦扰，实现波峰复用1.4.2硅基发光材料Si基发光材料1984年Dimaria等人报道了，半透明Au膜/SiO2（50nm）/富硅SiO2（20nm）/n-Si结构在1000退火后，正向偏压大于15V下有电致发光出现。

1990年Canham报道了室温下多孔硅的强光致发光。

近年来许多研究机构正在通过半导体杂质工程或能带工程的方法来改善硅的发光效率，并取得一定的进展。

1.4.2硅基发光材料Si基发光材料稀土掺杂硅发光材料多孔硅发光材料纳米硅发光材料硅基超晶格和量子阱结构发光材料硅基多孔SiC发光材料1.5发光二极管（核心部分就是pn结）PN结发光原理当PN结处于热平衡状态时，在无偏置电压的情况下，由于PN结内部的电场势垒，载流子不发生扩散和漂移现象，N区的电子和P区的空穴不能发生自然复合，无法发射光子。

无偏置电压时PN结的能带图PN结发光原理PN结外加反向偏置电压时，外加电压主要降落在耗尽区，因此耗尽区的宽度向P区及N区分别扩展而加宽，从而提高了势垒高度，阻止多数载流子穿过结区，载流子无法复合故不能发光。

反向偏置电压时PN结的能带图PN结发光原理在LED的PN结外加正向偏置电压时，耗尽区的宽度和高度都要下降P区和N区费米能级分离，势垒下降eV。

正向偏置破坏了原来的热平衡状态有更多的电子和空穴分别从N区和P区经过扩散运动穿过PN结而进入对方区域，大大增加了少数载流子的浓度。

通过正向偏置注入的额外少数载流子，将与带有相反电荷的多数载流子复合而产生光子。

正向偏置电压时PN结的能带图PN结发光原理PN结在正向偏置下由电子注入产生光自发辐射的现象即称为电致发光。

光发射主要位于PN结附近的势垒区内载流子发生复合的地方。

但由于少数载流子的扩散长度常常远大于势垒宽度，在势垒区外也会发生复合发光。

正向偏置电压时PN结的能带图同质结发光二极管P型层相对较薄，利于辐射复合产生光子的逃逸。

N型层重掺杂，以使辐射复合主要发生在p型层内。

然而，此种结构只有部分光能从界面逃逸出去。

半导体材料相对于空气为光密介质，小于全反射临界角的光材料形成有效辐射。

易全反射，出光效率低通过有效封装，增加光输出。

C相对A增加三倍。

直插式LED平面式LED（多个芯片组合而成）食人鱼式LED双异质结发光二极管由不同带隙宽度的半导体材料构成的pn结。

一般带隙宽，则折射率小。

为了提高发射光强，常采用双异质结结构。

AlGaAs带隙宽于GaAs，因此GaAs中的光子不被AlGaAs吸收。

产生的光子很容易到达器件表面。

双异质结发光二极管的发光效率远高于普通同质结发光二极管。

发光二极管的主要光学特性1、效率：

内部量子效率、取出效率、外部量子效率、发光效率。

内部量子效率：

单位时间内有源区产生光子数与电子-空穴复合数之比。

取出效率：

单位时间内，发射到自由空间中的光子数与有源区内发射光子数之比。

外部量子效率：

单位时间内，发射到自由空间中的光子数与注入到发光二极管的电子数之比。

发光效率：

出射到自由空间的光功率与加载到发光二极管的电功率之比。

2、光谱分布：

产生的光子能量并不简单等于禁带宽度。

最大发光强度对应的波长为：

发射光光谱的半高全宽（FWHM）为：

光谱特性：

0.40.20.81.00600700800900GaAsPp=670nmGaAsPp=655nmGaPp=565nmGaAsp=950nm1000/nm相对灵敏0.度63、光强分布：

发射光强非均匀，且按一定规律分布。

（折射率差及表面形状的影响）平面：

朗伯分布半球面：

各向同性发光二极管的优点效率高：

8090%，而白炽灯用于照明只有1020%，大部分为红外辐射光色纯：

光谱较白炽灯窄，色彩鲜明能耗小：

0.051W/h寿命长：

光通量衰减到70%的标称寿命为100000h可靠耐用：

使用环境广泛，非正常报废可能性小，维护费用低应用灵活：

体积小，易开发成轻、薄、小、点、线、面阵各种形式的应用产品绿色环保：

可回收、无污染白光LED:

适于照明，最受重视白光是混合光，需要两种或两种以上的单色光合成目前获得白光LED有两种基本方法：

通过荧光粉转换得到白光LED，被称为PCLED（PhosphorConvertedLED）；把不同颜色的LED芯片封装在一起，多芯片混合发射出白光，简称MCLED（Multi-ChipLED）。

PCLED（芯片+荧光粉）是主流方案，荧光粉选择是重要部分。

4、典型应用：

白光LED应用LED节能灯LED装饰LED显示屏LED路灯照明光纤通信应用：

光纤通信主要采用发光二极管和半导体激光器作为通信光源。

发光二极管材料：

GaAsP（1.3微米）、GaAs（0.810.87微米）宽频谱使其存在很大的色散。

发光二极管与光纤的耦合问题：

半导体激光器与发光二极管一样，同样为有着有源区的pn结，通过电子空穴在有源区复合发光。

但不同之处为，激光器需要一个光学谐振腔提供光反馈以形成受激发射。

特点：

单色性、相干性、方向性及更高的亮度。

基本原理：

实现粒子数反转（必要条件）。

热平衡时：

电子服从费米-狄拉克统计规律电子注入或光激发时：

电子、空穴偏离平衡态，出现准费米能级。

光子作用于非平衡半导体：

电子由价带向导带跃迁的受激吸收速率为：

电子的受激发射速率：

自发辐射：

若忽略较弱的自发辐射，则为了实现光的净增益，必须r21r12半导体实现光放大的粒子数反转条件。

实现粒子数反转并不就能产生激光。

往返一次：

为实现光放大：

阈值条件增益饱和相位条件：

（单模/多模）同质结半导体激光器:

未加偏压时，EFp=Efn。

加偏置电压U，且大于阈值时，Efp-Efn=eUEg。

有源区厚度约为电子向p区扩散长度，形成粒子数反转。

由两个端面（即自然解理面）提供反馈，形成激光。

缺点：

阈值电流非常高。

双异质结半导体激光器:

（对载流子进行限制；对光子进行限制。

）方法：

窄带隙半导体有源层夹在宽带隙半导体之间。

（why）电子和空穴大量聚集在有源层，形成粒子数反转。

真的完全限制了载流子和光子么？

条形结构，进一步限制载流子和光子。

方法一:

增益引导型。

有缺点!

方法二:

折射率引导型。

分布布拉格反射半导体激光器：

激光条件：

分布反馈半导体激光器：

激光条件：

对光的辐射形成部分反射，从而提供光反馈机制。

量子阱半导体激光器：

材料尺寸足够小的时候，其光学性质会发生变化。

发射波长表示为：

垂直腔表面发射激光器：

谐振腔垂直于半导体衬底，并与注入电流同向。

有源区很薄，则需谐振腔反射率高。

波长需与光学增益相匹配。

纵模间隔大，可实现单模输出。

（why）作业：

16题。