实验六 半导体发光器件的电致发光测量1

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1、实验六半导体发光器件的电致发光测量081190088杨静一．实验内容与目的（1）了解半导体发光材料电致发光的基本概念。（2）了解并掌握半导体显微探针测试台、光纤光谱仪的使用。（3）掌握半导体发光材料电致发光特性的测量方法。二．实验原理概述1．辐射跃迁半导体材料受到某种激发时，电子产生由低能级向高能级的跃迁，形成非平衡载流子。这种处于激发态的电子在半导体中运动一段时间后，又回到较低的能量状态，并发生电子—空穴对的复合。复合过程中，电子以不同的形式释放出多余的能量。如跃迁过程伴随着放出光子，这种跃迁成为辐射跃迁。作

2、为半导体发光材料，必须是辐射跃迁占优势。导带的电子跃迁到价带，与价带空穴相复合，伴随的光子发射，称为本征跃迁。显然这种带与带之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k空间原点，本征跃迁为直接跃迁。由于直接跃迁的发光过程只涉及一个电子—空穴对和一个光子，其辐射效率较高。间接带隙半导体中，导带与价带极值对应于不同的波矢k，这时发生的带与带之间的跃迁是间接跃迁。在间接跃迁过程中，除了发射光子外，还有声子参与。因此，这种跃迁比直接跃迁的几率小的多，发光比较微弱。[键入文

3、字]如果将杂质掺入半导体，则会在带隙中产生施主及受主的能级，因此又可能产生不同的复合而发光。电子从导带跃迁到杂质能级，或杂质能级上的电子跃迁入价带，或电子在杂质能级间的跃迁都可以引起发光，这类跃迁称为非本征跃迁。间接带隙半导体本征跃迁几率较小，非本征跃迁起主要作用。施主与受主之间的跃迁效率较高，多数发光二极管属于这种跃迁机理。在施主—受主对的复合中，过剩电子、空穴先分别被电离的施主和受主看成点电荷，把晶体看作连续介质，施主与受主之间的库伦作用力使受基态能量增大，其增量与施主—受主杂质间距离r成正比，所发射的光子

4、能量为：ην＝E－(E+E)＋式中E和E分别为施主和受主的电离能，ε是晶体的低频介电常数。对简单的替位施主和受主杂质，r只能取一系列的不连续值，因此，施主—受主复合发光是一系列分离谱线，随着r的增大，成为一发射带。2.电致发光根据不同的激发过程，可以有各种发光过程，如：光致发光、阴极发光、电致发光等。半导体的电致发光（EL），也称场致发光，是由电流（电场）激发载流子，将电能直接转变成光能的过程。EL包括低场注入型发光和高场电致发光。前者是发光二极管（LED）和半导体激光器的基础。本实验只涉及这类EL谱的测量。[

5、键入文字]发光二极管是通过电光转换实现发光的光电子器件，是主要的半导体发光器件之一，具有广泛的应用，如各类显示、数据通讯等。特别是通过白色发光二极管实现固体照明，不仅可以节省能源、减少污染，而且体积小、寿命长，因此固态照明已被全世界重视。所有商用LED都具有P-N结结构，因此以P-N结的发光为例来说明注入发光机制。P型半导体是掺杂了受主杂质，而N型则是掺杂了施主杂质，将两种材料放在一起，即得到P-N结。N型半导体中产生电子，P型半导体中产生空穴，在其中间产生耗尽层。P-N结处于平衡时，存在一定的势垒区，场也相应

6、地减弱。这样继续发生载流子的扩散，即电子由N区注入P区，同时空穴由P区注入到N区。进入P区的电子和进入N区的空穴都是非平衡少数载流子。这些非平衡少数载流子不断与多数载流子复合而发光。如果采用异质结，发光效率可以得到显著的提高。由宽带隙半导体材料隔开的中间发光区，两种类型的过剩载流子从两侧注入并被限制在同一区域，过剩载流子数目显著提高。随着载流子浓度的提高，辐射寿命缩短，导致更为有效的辐射复合。如果中间有源区域减小到10nm或更小就形成量子阱，由于其厚度与德布罗意波长相近，量子力学效应出现，载流子状态密度变得更高

7、，从而可以获得更高的发光效率。这是目前商用LED的实际结构。[键入文字]电致发光谱的测量系统的基本结构与光致发光测量装置类似，主要区别是用高温定度直流电源代替了光致发光谱测量中所用的激发光源。针对半导体发光器件的电致发光的测量中，电源与发光器件的连接通常在探针测试台上进行，由金属微探针压在发光器件上预制的电击表面形成欧姆接触，使直流电源输出的电压和电流无损耗地加到被测器件上。本实验的光谱测量采用微型光纤光谱仪。这类光谱仪具有体积小、即插即用、检测速度快、配置灵活、操作方便等特点。USB接口的微型光纤光谱仪内置了

8、先进的探测器和强大的高速电路系统，与扫描式单色仪相比，由于采用了线性探测器阵列，不需要转动光栅来工作，光栅永久固定，保证了性能的长期稳定，并能够实现高速检测，配合电子快门，全谱测量的最短积分时间可达到数毫秒。三．实验方法与步骤实验仪器与材料手动式半导体显微探针测试台：1台探针座：2只探针：2根石英光纤（SMA905接头）：1根卤钨灯光源（SMA905接头）：1台高精度直流电源：1台微型