【正文】 一 起 。 目前的激光波長(zhǎng)涵蓋范圍可從 30μm。 它可以應(yīng)用于錄像機(jī) ， 光學(xué)刻錄機(jī)及高速激光打印機(jī)等 。 異質(zhì)結(jié)亦可作為輻射線的光窗 ， 因?yàn)楦呓麕挾燃s束層不會(huì)吸收從低禁帶寬度輻射區(qū)發(fā)出的輻射線 。 這些光的信號(hào)被導(dǎo)入光纖并輸運(yùn)到光探測(cè)器 ， 然后再轉(zhuǎn)換回電的信號(hào) 。 當(dāng)輸入信號(hào)送到 LED時(shí) ，LED會(huì)產(chǎn)生光線 ， 被光電二極管探測(cè)到后轉(zhuǎn)換成電信號(hào) ， 以電流的形式流過(guò)一負(fù)載電阻 。 從襯底的位置往上依次是：透明導(dǎo)電陽(yáng)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 。 因?yàn)橛袡C(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 。 白光 LED需要紅 、 綠 、 藍(lán)三種顏色的 LED。 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(jiàn)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 。 光譜的寬度 是以強(qiáng)度半峰值時(shí)的全寬度 (FWHM， 半高寬 )為準(zhǔn) 。 在 更高的偏壓 時(shí) ， 二極管電流將 被串聯(lián)電阻所限制 。 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(huì)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(guò)半導(dǎo)體進(jìn)入空氣時(shí) ， 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 。 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(méi)有晶格相匹配的襯底可供 GaN生長(zhǎng) ， 但是低溫生長(zhǎng)的AlN做緩沖層 ， 即可在 藍(lán)寶石 (Al2O3)上生長(zhǎng)高品質(zhì)的 GaN。 下圖是平面二極管架構(gòu)的可見(jiàn)光 LED的基本結(jié)構(gòu)圖 。 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(jià)帶導(dǎo)帶?hP動(dòng)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(duì)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(duì)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?yàn)榫Ц竦?交互作用或其他散射媒介必須參與過(guò)程以保持動(dòng)量守恒 。 導(dǎo)帶有兩個(gè)極小值 ，一個(gè)沿著 p=0的是直接極小值 ，另一個(gè)沿著 p=pmax的是間接極小值 。 發(fā)光二極管 材 料 波長(zhǎng)／ nm InAsSbP／ InAs 4200 InAs 3800 GaInAsP/GaSb 2022 GaSb 1800 GaxIn1xAs1yPy 1100~1600 1550 1300 GaAs: Er, InP: Er 1540 Si: C 1300 GaAs: Yb, InP: Yb 1000 AlxGa1xAs: Si 650~940 GaAs: Si 940 : Si 830 : Si 650 660 620 590 (AlxGa1x) 655 GaP 690 GaP: N 550~570 GaxIn1xN 340, 430, 590 SiC 400~460 BN 260, 310, 490 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 14 右圖表示 GaAs1yPy的禁帶寬度是物質(zhì)的量的比 y的函數(shù) 。 由于人眼只對(duì)光子能量 hν≥ (λ≤ )的光線感光 ， 因此所選擇的半導(dǎo)體 ， 其禁帶寬度必須大于此極限值 （ Eg ≥ ） 。 試求此半導(dǎo)體每秒所吸收的總能量 、 多余熱能耗散到晶格的速率以及通過(guò)本征躍遷的復(fù)合作用每秒所放出的光子數(shù) 。 因此 ， 在一增量距離 Δx[圖 (a)]內(nèi) ， 被吸收的光子數(shù)目為 αΦ(x)Δx， 其中 α稱為吸收系數(shù) ， 由光子通量的連續(xù)性可得 負(fù)號(hào)表示由于吸收作用 ， 導(dǎo)致光于通量強(qiáng)度減少 。 以上 (a)與 (b)的過(guò)程皆稱為 本征躍遷 ， 或稱為 能帶至能帶的躍遷 。 這種情況稱為 分布反轉(zhuǎn) ，因其 與平衡條件下的情況恰好相反 。 吸收速率則是正比于較低能級(jí)的電子分布及 ρ(hν12)， 此速率可以寫成B12n1ρ(hν12)， 其中 B12是比例常數(shù) 。 輻射躍遷和光的吸收 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 6 受激輻射速率正比于光子場(chǎng)能量密度 ρ(hν12)， 此能量密度是在輻射場(chǎng)內(nèi)單位體積 、 單位頻率的總能量 。 1E2E吸收)( a12?h12?h自發(fā)輻射)( b12?h1E2E1E2E12?h12?h受激輻射)( c)(同相位之前 之后圖 在兩個(gè)能級(jí)間的三種基本躍遷過(guò)程 . 其中黑點(diǎn)表示原子的能態(tài) . 最初的能態(tài)在左邊，經(jīng)過(guò)躍遷后，其最終的能態(tài)則在右邊圖輻射躍遷和光的吸收 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 5 發(fā)光二極管的主要工作過(guò)程是 自發(fā)輻射 ， 激光二極管則是 受激輻射 ， 而光探測(cè)器和太陽(yáng)能電池的工作過(guò)程則是 吸收 。 當(dāng)一能量為 hν12的光子撞擊一原本在激發(fā)態(tài)的原子時(shí) [圖 c]， 此原子被激發(fā)后 ， 會(huì)轉(zhuǎn)移到基態(tài) ，并且放出一個(gè) 與入射輻射同相位、 能量為 hν12的光子 。 室溫下 ， 固體內(nèi)的大多數(shù)原子處于基態(tài) 。 如圖為在一個(gè)原于內(nèi)的兩個(gè)能級(jí) E1和 E2，其中 E1相當(dāng)于基態(tài) ， E2相當(dāng)于激發(fā)態(tài) ， 則在此兩能態(tài)之間的任何躍遷 ， 都包含了光子的輻射或吸收 ， 此光子的頻率為 ν12， 而 hν12=E2E1。 1E2E吸收)( a12?h12?h自發(fā)輻射)( b12?h1E2E1E2E12?h12?h受激輻射)( c)(同相位之前 之后圖 在兩個(gè)能級(jí)間的三種基本躍遷過(guò)程 . 其中黑點(diǎn)表示原子的能態(tài) . 最初的能態(tài)在左邊，經(jīng)過(guò)躍遷后，其最終的能態(tài)則在右邊圖輻射躍遷和光的吸收 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 4 在激發(fā)態(tài)中的原子是很不穩(wěn)定的 ， 經(jīng)過(guò)短暫的時(shí)間后 ， 不需要外來(lái)的激發(fā) ， 它就會(huì)跳回基態(tài) ， 并放出一個(gè)能量為 hν12的光子 ， 這個(gè)過(guò)程即稱為 自發(fā)輻射 [圖 (b)]。 同時(shí) ，此輻射也是 相干 的 ， 因?yàn)樗械墓庾佣际峭辔话l(fā)射 。 在 穩(wěn)態(tài) 時(shí) ， 受激輻射的速率 (即單位時(shí)間內(nèi)受激輻射躍遷的次數(shù) )和自發(fā)輻射的速率必須與吸收的速率達(dá)成平衡 ， 以保持分布 n1和 n2不變 。 自發(fā)輻射速率只和較高能級(jí)的分布成正比 ， 因此可以寫成 A21n2， 其中 A21是常數(shù) 。 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 7 假如光子的受激輻射大于光子的吸收 ， 則電子在較高能級(jí)的濃度會(huì)大于在較低能級(jí)的濃度 。 2 1 21 2 1BnBn??????受 激 輻 射 速 率 ＝吸 收 速 率輻射躍遷和光的吸收 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 8 如圖顯示的是半導(dǎo)體中的基本躍遷 ． 當(dāng)半導(dǎo)體被光照射后 ， 如果光子的能量等于禁帶寬度 (即 hν=Eg)， 則半導(dǎo)體會(huì)吸收光子而產(chǎn)生電子 空穴對(duì) ， 如 (a)所示 ． 若 hν大于 Eg， 則除了會(huì)產(chǎn)生電子 空穴對(duì)之外 ， 多余的能量 (hνEg)將以熱的形式耗散 ， 如 (b)所示 。 光的吸收 輻射躍遷和光的吸收 C E V E g E ) ( a ) ( b ) ( c ? h t E 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 9 假設(shè)半導(dǎo)體被一光子 hν能量大于 Eg且光子通量為 Φ0(即每秒每平方厘米所具有的光子數(shù) )的光源照射 ， 當(dāng)此光子通量進(jìn)入半導(dǎo)體時(shí) ， 光子被吸收的比例是與通量的強(qiáng)度成正比 。 在截止波長(zhǎng) λc時(shí) ， 吸收系數(shù)會(huì)迅速地減小 ， 亦即 ? ? aWeW ???? 00?)( x? )( xx ???W在光照射下的半導(dǎo)體)( a0?x??? e0x W0光通量的指數(shù)衰減)( b圖 光的吸收)( mEgc ?? ? 1 110210310410510610 3102101101110?210?m)(0. 51C dS?m)(0. 82Si?? ?m)Si( ?m)(0. 87Ga As?m)(1 .4PAsInGa.?m) 4/EGe(gC?? ??K300m/ ?波長(zhǎng)圖 數(shù)種半導(dǎo)體材料的光吸收系數(shù) ( 括號(hào)內(nèi)的數(shù)值為截止波長(zhǎng) )eV/?hm/1??透光深度1cm/??吸收系數(shù) 因?yàn)楣獾谋菊魑赵?hνEg或 λλc時(shí)變得微不足道 輻射躍遷和光的吸收 ()mh????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 11 例 1：一 3eV的單色光照射 ， 其入射功率為 10mW。 而紅外光 IED則應(yīng)用于光隔離及光纖通訊方面 。 在所列出的半導(dǎo)體材料中 ， 對(duì)于可見(jiàn)光 LED而言 ， 最重要的是 GaAs1yPy 與GaxIn1xN合金的 Ⅲ V族化合物 系統(tǒng) 。 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(jià)帶導(dǎo)帶?hP動(dòng)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(duì)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(dòng)量圖 。 光子能量等于半導(dǎo)體的禁帶寬度 。 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(zhǎng)的 緩變型 GaAs1yPy合金層 用來(lái)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 。 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