半导体电致发光基础理论

文章摘要：这种电致发光方式是由电场（电流）激发载流子，将电能直接转变为光能的过程，也称为场致发光。电子在从高能级向低能级跃迁的过程中，必然释放出一定的能量。如果能量以发射光子的形式释放，则称这种跃迁为辐射跃迁；反之，没有辐射出光子的跃迁就称为无辐射跃迁。半导体中的电子与空穴的非辐射复合主要包括：异质结界面态的复合、缺陷复合及俄歇复合。非辐射复合对于半导体激光器的量子效率、工作稳定性和可靠性等都带来不利影响。在半导体发光材料中，必须是辐射跃迁占优势，以提高光发射效率。辐射跃迁可以分为本征跃迁与非本征跃迁两种情况。本征跃迁即为带间跃迁，导带的电子跃迁到价带，与价带空穴相复合，发射出光子。显然，这种带间的电子

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　　这种电致发光方式是由电场（电流）激发载流子，将电能直接转变为光能的过程，也称为场致发光。电子在从高能级向低能级跃迁的过程中，必然释放出一定的能量。如果能量以发射光子的形式释放，则称这种跃迁为辐射跃迁；反之，没有辐射出光子的跃迁就称为无辐射跃迁。半导体中的电子与空穴的非辐射复合主要包括：异质结界面态的复合、缺陷复合及俄歇复合。非辐射复合对于半导体激光器的量子效率、工作稳定性和可靠性等都带来不利影响。在半导体发光材料中，必须是辐射跃迁占优势，以提高光发射效率。辐射跃迁可以分为本征跃迁与非本征跃迁两种情况。

　　本征跃迁即为带间跃迁，导带的电子跃迁到价带，与价带空穴相复合，发射出光子。显然，这种带间的电子跃迁所引起的发光过程，是本征吸收的逆过程。对于直接带隙半导体，导带与价带极值都在Κ空间原点，本征跃迁为直接跃迁，其辐射效率较高。而间接带隙半导体，导带底和价带顶位于不同的佬值处，这时发生在带与带之间的跃迁是间接跃迁。在间接跃迁过程中，除了发出光子外，还有声子参与。因此，这种跃迁比直接跃迁的概率小得多，本征辐射跃迁如图所示。

　　图 本征辐射跃迁

　　带间的跃迁所发射的光子能量与禁带宽度直接有关。对于直接跃迁，发射光子的能量至少应满足式中，岛是声子能量。

　　非本征跃迁是指电子从导带跃迁到杂质能级，或者从杂质能级跃迁到价带，或者在杂质能级之间的跃迁，并发射出光子的现象。在间接带隙半导体中，非本征跃迁起主要作用。其中，施主与受主之间的跃迁效率较高，是多数发光二极管的主要跃迁方式。当半导体材料中同时存在施主和受主杂质时，两者之间的库仑引力作用使激发态能量增大，其增量龃与施主和受主杂质之间的距离｀成反比。当电子从施主向受主跃迁时，如果没有声子参与，发射的光子能量为

　　式中，ED和EA分别表示施主和受主的束缚能，εr是晶体相对介电常数。

　　由于发光过程中存在辐射复合和无辐射复合过程，使得半导体材料具有不同的发光效率。由复合理论可知，发光效率决定于非平衡载流子辐射复合寿命τnt和无辐射复合寿命‰的相对大小。通常用内部量子效率和外部量子效率来表示发光效率。单位时间内辐射复合产生的光子数与单位时间内注入的电子－空穴对数之比称为内量子效率，即

　　单位时间内发射到器件外部的光子数与单位时间内注入的电子－空穴对数之比称为外量子效率，即

　　对于直接带隙半导体，其内量子效率较高，甚至有些材料可以达到100％。但实际发射的光子却很少。这是因为材料的损耗、界面反射等因素制约了外量子效率。所以，要实现有效的半导体发光，不仅要选择内量子效率较高的材料，还必须采取适当措施提高器件的外量子效率。