【正文】 aA sG aPy物質(zhì)的量的比?y001230m axP價帶導(dǎo)帶?hP動量帶的關(guān)系圖的成分與直接及間接禁yy1PGa As)( a的合金成分、綠色光黃色、橙色相對于紅色)()()()(y)( ?b圖 8. 7eV/gE禁帶寬度eV/能量發(fā)光二極管 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝 天津工業(yè)大學(xué) 光電器件 15 右圖表示幾種合金成分的能量 動量圖 。 導(dǎo)帶有兩個極小值 ，一個沿著 p=0的是直接極小值 ，另一個沿著 p=pmax的是間接極小值 。 位于導(dǎo)帶直接極小值的電子及位于價帶頂部的空穴具有相同的動量 (p=0)；而位于導(dǎo)帶間接極小值的電子及位于價帶頂部的空穴則具有不同的動量 。 輻射躍遷機(jī)制大部分發(fā)生于 直接禁帶 的半導(dǎo) 體 中 ， 如 砷 化 鎵 及 GaAs1yPy(y)， 因其可以 保持動量守恒 。 光子能量等于半導(dǎo)體的禁帶寬度 。 0 K300?Tyy1PG aA s2. 26 1g ?E1. 97 7g??Ey直接禁帶間接禁帶 ?EG aA sG aPy物質(zhì)的量的比?y001230m axP價帶導(dǎo)帶?hP動量帶的關(guān)系圖的成分與直接及間接禁yy1PGa As)( a的合金成分、綠色光黃色、橙色相對于紅色)()()()(y)( ?b圖 8. 7eV/gE禁帶寬度eV/能量發(fā)光二極管 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝 天津工業(yè)大學(xué) 光電器件 16 對于 y大于 GaAs1yPy及磷化鎵 ， 它們都是 間接禁帶 半導(dǎo)體 ， 其發(fā)生輻射躍遷的幾率非常小 ， 因為晶格的 交互作用或其他散射媒介必須參與過程以保持動量守恒 。 常常通過引進(jìn)一些特殊的復(fù)合中心以增加輻射幾率 。 如對 GaAs1yPy而言 ， 將氮引入晶格取代磷原子后 ， 雖然二者的外圍電子結(jié)構(gòu)很相似 ， 但它們的核心結(jié)構(gòu)卻不太相同 ， 因此會在接近導(dǎo)帶底部的位置建立一個 電子陷阱 能級 ， 進(jìn)而產(chǎn)生了一個 等電子復(fù)合中心 ， 并大大地提高間接禁帶半導(dǎo)體的輻射躍遷幾率 。 發(fā)光二極管 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝 天津工業(yè)大學(xué) 光電器件 17 圖 (b)則是以 磷化鎵 為襯底制造的發(fā)橙 、 黃或綠光的 間接禁帶LED,用外延方法生長的 緩變型 GaAs1yPy合金層 用來使界面間因晶格不匹配所導(dǎo)致的非輻射性中心減至最小 。 下圖是平面二極管架構(gòu)的可見光 LED的基本結(jié)構(gòu)圖 。 其中圖 (a)的截面圖是以 砷化鎵 為襯底制造的發(fā)紅光的 直接禁帶 LED。 發(fā)光二極管 A GaAsP GaAs p n B ) 4 . 0 ~ 0 ( P GaAs y y 1 ? y 緩變合金 發(fā)射光子 C q ) ( a 吸收光子 緩變合金吸收光子發(fā)射光子 緩變合金 y y 1 P GaAs GaP y y 1 P GaAs p n 反射接觸 2 SiO ) ( b 發(fā)射光子緩變合金圖 平面二極管 LED 的基本結(jié)構(gòu)以及 (a) 不透明襯底 ( ) 與 (b) 透明襯底 ( GaP ) 對 p n 結(jié)光子發(fā)射的效應(yīng) y y 1 P GaAs 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝 天津工業(yè)大學(xué) 光電器件 18 目前最有希望的材料是氮化鎵(Eg=)和相關(guān)的 Ⅲ V族氮化物半導(dǎo)體 ， 如 AlGaInN，其直接禁帶范圍由 。 至于 高亮度的藍(lán)光 LED()方面 ， 已經(jīng)被研究的材料有： Ⅱ Ⅵ 族化合物的硒化鋅 (ZnSe)， Ⅲ Ⅴ 族氮化物半導(dǎo)體的 氮化鎵 (GaN)、 Ⅳ IV族化合物的碳化硅 (SiC)． 然而 ， Ⅱ Ⅵ 的壽命太短 ，以致至今尚不能商品化；碳化硅也因其為間接禁帶 ， 致使其發(fā)出的藍(lán)光亮度太低 ， 也不具吸引力 。 發(fā)光二極管 Ni/Au p 型電極 GaN p N Ga Al p 1 x x ) N( In Ga 1 未摻雜 x x GaN n AlN n 藍(lán)寶石襯底 Ni/Au p 型電極 光傳輸電極 Ti/Al n 型電極 型電極未摻雜藍(lán)寶石襯底光傳輸電極型電極現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝 天津工業(yè)大學(xué) 光電器件 19 雖然沒有晶格相匹配的襯底可供 GaN生長 ， 但是低溫生長的AlN做緩沖層 ， 即可在 藍(lán)寶石 (Al2O3)上生長高品質(zhì)的 GaN。 右圖即為生長在藍(lán)寶石襯底上的 Ⅲ Ⅴ 族氮化物 LED。 因為藍(lán)寶石襯底是絕緣體 ， 所以 p型與n型的歐姆接觸都必須形成在上表面 。 藍(lán)光產(chǎn)生于 GaxIn1xN 區(qū)域的輻射性復(fù)合作用 ，而 GaxIn1xN 如三明治般被夾于 兩個較大禁帶寬度的半導(dǎo)體之間 ：一個是 p型的 AlxGa1xN層 ， 一個是 n型的 GaN層 。 發(fā)光二極管 Ni/Au p 型電極 GaN p N Ga Al p 1 x x ) N( In Ga 1 未摻雜 x x GaN n AlN n 藍(lán)寶石襯底 Ni/Au p 型電極 光傳輸電極 Ti/Al n 型電極 型電極未摻雜藍(lán)寶石襯底型電極光傳輸電極型電極現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝 天津工業(yè)大學(xué) 光電器件 20 有三種損耗機(jī)制會減少光子輻射的數(shù)量： ① LED材料內(nèi)的吸收作用； ② 當(dāng)光通過半導(dǎo)體進(jìn)入空氣時 ， 由于折射率的差異所引起的反射損失； ③ 大于臨界角 θ c的內(nèi)部總反射損失 。由斯涅耳定律有： 其中光線是從折射率為 n2(如砷化鎵在 λ ≈ m時 ，n2=)的介質(zhì)進(jìn)入到折射為 n1(如空氣 n1=1)的介質(zhì) ． 砷化稼的臨界角約為 16o；而磷化鎵 (在 λ≈， n2=)的臨界角約為 17o。 21s innnc ?q發(fā)光二極管 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝 天津工業(yè)大學(xué) 光電器件 21 LED的正向電流 電壓特性近似于砷化鎵 pn結(jié) ． 在 低正向偏 壓時 ， 二極管的電流是以 非輻射性的復(fù)合電流為主 ， 它主要是由 LED芯片周圍的 表面復(fù)合 所引起 。 在 高正向偏壓 時 ， 二極管的電流則是以 輻射性擴(kuò)散電流為主 。 在 更高的偏壓 時 ， 二極管電流將 被串聯(lián)電阻所限制 。 二極管的總電流可以寫成 其中 Rs為器件的串聯(lián)電阻 ， 而 Id及 Ir則是分別由擴(kuò)散及復(fù)合所引起的飽和電流 。 可見 ， 為了增加 LED的輸出功率 ， 必須減小 Ir及 Rs。 ? ? ? ??????? ???????? ??kTIRvqIkTIRvqII srsd 2e xpe xp發(fā)光二極管 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝 天津工業(yè)大學(xué) 光電器件 22 LED的發(fā)射光譜近似于人眼反應(yīng)曲線 。 光譜的寬度 是以強(qiáng)度半峰值時的全寬度 (FWHM， 半高寬 )為準(zhǔn) 。 光譜寬度一般是 隨著 λ m2變化 ， 其中 λ m是強(qiáng)度為峰值時的波長 。 人眼的相對靈敏度FW H Mm?? ?紅外 紅 綠 紫 紫外橙 黃 藍(lán)Si G aAs C dSe G aP C dS Si C G aN ZnSyy1PG aAs紅 綠 紫橙 黃 藍(lán) m/ ??eV/gE圖 常作為可見光 LED 的半導(dǎo)體 . 途中還表示了人眼的相對靈敏度所以當(dāng)波長由可見光進(jìn)入紅外光時 ， FWHM 將會增大 。 例如 ， 在λ m=(綠光 )時 FWHM 大約為20nm ， 但在(紅外光 )時 ，F(xiàn)WHM 將 超 過120nm。 發(fā)光二極管 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝 天津工業(yè)大學(xué) 光電器件 23 可見光 LED可用于全彩顯示器 、 全彩指示器以及燈具而不失其高效率與高可靠性 。 下圖為兩種 LED燈具的構(gòu)造圖 。 每一 LED燈具包含一個 LED芯片及一個著色的塑膠鏡頭作為濾光鏡并增加其對比效果 ． 圖 (a)中的燈具是使用傳統(tǒng)的二極管頭座 ， 而圖 (b)則顯示了適用于透明性半導(dǎo)體 (如磷化鎵 )的包裝 ， 它 可 通 過LED芯片的五個面(四個在側(cè)邊 ， 一個在頂部 )發(fā)光 。 彩色環(huán)氧鏡片玻璃窗金屬容器金屬頭座玻璃絕緣體)( ?負(fù)極)(＋正極＋圖 8. 11 兩種 LED 燈具的結(jié)構(gòu)圖發(fā)光二極管 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝 天津工業(yè)大學(xué) 光電器件 24 人們對于發(fā)展白光 LED以供一般照明之用一直保持著極大興趣 ， 因為 LED的效率是白熾燈泡的 3倍 ， 而且可以維持 10倍長的壽命 。 白光 LED需要紅 、 綠 、 藍(lán)三種顏色的 LED。 當(dāng)這些顏色 LED(尤其是藍(lán)光 LED)的成本能夠降至與傳統(tǒng)光源相當(dāng)時 ， 白光 LED的廣泛使用就可實(shí)現(xiàn) 。 以上僅介紹由無機(jī)半導(dǎo)體材料 (如 GaAsP與 GaN)所制造的器件 。 近年來 ， 人們已著手研究某些有機(jī)半導(dǎo)體材料在電致發(fā)光上的應(yīng)用 。 因為有機(jī)發(fā)光二極管 (OLED)具有低功率消耗 、優(yōu)異的輻射品質(zhì)與寬視角等特性 ， 使它在大面積彩色平面顯示器上特別有用 。 發(fā)光二極管 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝 天津工業(yè)大學(xué) 光電器件 25 圖 (a)為兩種典型的有機(jī)半導(dǎo)體材料的分子結(jié)構(gòu)圖 。 一個是含有六個苯環(huán) ， 連接至中心鋁分子的 AlQ3(羥基喹啉酸鋁 )， 另一個是同樣含有六個苯環(huán) ， 但具有不同分子排列的芳香性二胺 。 基本的 OLED是在透明襯底 (如玻璃 )上淀積數(shù)層薄膜 。 從襯底的位置往上依次是：透明導(dǎo)電陽極 、 作為 空穴輸運(yùn)層的二胺 、 作為 電子輸運(yùn)層的 AlQ3以及陰極接觸 ， 其截面圖如圖(b)所示 。 OANONONN NMg/ Ag陽極3Al Q陽極二胺ITO玻璃襯底?h??nm200nm75nm75nm30?h二胺M g/AgITO?? ????? ???3Al Q?1?q2?qCE?VE?有機(jī)半導(dǎo)體)( a 截面圖OLE D)( b 的能帶圖OLE D)( c圖 8. 13發(fā)光二極管 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝 天津工業(yè)大學(xué) 光電器件 26 紅外光 LED包括砷化鎵 LED(它發(fā)出的光接近 )與許多 Ⅲ V族化合物 ， 如四元的 GaxIn1xAsyP1y LED(它發(fā)出的光的波長 μm ~ μm)。紅外光 LED的一種重要應(yīng)用是作為輸入 (或控制信號 )與輸出信號去耦之用的光隔離器 。 右圖所示為一光隔離器 ， 紅外光LED作為光源 ， 光電二極管作為探測器 。 當(dāng)輸入信號送到 LED時 ，LED會產(chǎn)生光線 ， 被光電二極管探測到后轉(zhuǎn)換成電信號 ， 以電流的形式流過一負(fù)載電阻 。 因為從輸出端無電性作用反饋到輸入端 ，所以是電隔離的 。 紅外光發(fā)光二極管 ?h??1I 2ILED 光電二極管輸入信號出信號被隔離的輸LR圖 8. 14 光隔離器可降輸入信號與輸出信號去耦 (d ec ou ple, 或譯分離 )發(fā)光二極管 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝 天津工業(yè)大學(xué) 光電器件 27 紅外光 LED的另一個重要應(yīng)用是在通信系統(tǒng)中通過光纖來輸運(yùn)光的信號 。 右圖表示一種簡單的點(diǎn)對點(diǎn)光纖通信系統(tǒng) ， 利用一個光源 (LED或激光 )可將電的輸入信號轉(zhuǎn)變成光的信號 。 這些光的信號被導(dǎo)入光纖并輸運(yùn)到光探測器 ， 然后再轉(zhuǎn)換回電的信號 。 發(fā)送器電輸入信號驅(qū)動電器 或激光LED接收器光探測器 放大器 信號還原器