第五章复合发光.

第五章复合发光•5.1半导体中的缺陷•5.2直接带与间接带半导体•5.3半导体中复合发光的分类及各自的特点复合发光可直接由带间的电子和空穴的复合而产生，也可通过发光中心复合而产生复合发光的发光中心可由晶体自身的缺陷、掺入的杂质以及杂质的聚合所形成复合发光的分类带间复合边缘发射激子复合通过杂质中心的复合通过施主—受主对的复合通过等电子陷阱的复合按照电子跃迁的方式分类复合发光直接带间接带简化的能带模型2、半导体能带结构及光学跃迁本征吸收•价带电子吸收一个光子跃迁到导带•光子的能量应不小于材料的禁带•能量守恒•动量守恒)1()2/()2/(2222hkmkmifififkkqkk)2()(忽略光子的动量光子的波数大约是105cm-1电子的波数大约为108cm-1直接带半导体•价带顶与导带底位于k=0的位置•电子直接从价带跃迁到导带，k值不变~)()(21*gEhAh曲线为直线间接带半导体•价带顶和导带底的k值不同•电子从价带跃迁到导带不仅能量发生变化，动量也发生变化•声子参与——吸收或发射声子•跃迁概率低k：声子的波矢•间接跃迁光吸收系数–吸收一个声子–发射一个声子)5(1exp)()(12TKEEEhAhBppg)6(exp1)()(12TKEEEhAhBppg3、缺陷及其对发光的影响一、点缺陷化合物空位、填隙原子、位错原子、同时存在空位或填隙原子杂质原子替位、杂质原子填隙点缺陷可以形成辐射复合中心，也就是发光中心也可以形成无辐射复合中心或陷阱发光中心结构缺陷型发光中心杂质缺陷型发光中心由晶格本身的结构缺陷如空位、填隙原子等形成的决定这类发光中心性质的是晶格本身的结构缺陷如ZnS中的VZn（自激活兰色发光带）由激活剂离子或者激活剂离子与其它缺陷组成的缔合缺陷形成基质在灼烧过程中要加进适当的激活剂杂质发光的性质主要由激活剂来决定如ZnS:Mn中发光中心为MnZn无辐射复合中心结构型缺陷，如p-GaAs中VGa杂质缺陷，如ZnS中Fe、Co、Ni二、线缺陷（位错）形成陷阱能级导致杂质的不均匀分布禁带宽度变化晶格受压缩的地方，禁带变宽晶格伸张部分，禁带变窄无辐射复合或产生不需要的发射带影响发光效率导致PN结击穿4带间复合导带电子和价带空穴直接复合产生一个能量等于或大于半导体禁带宽度的光子电子和空穴的复合主要发生在能带边缘载流子的热分布使得发光光谱有一定的宽度通常只能在纯材料中观察到多声子发射俄歇过程辐射跃迁高效的发光二极管大都是直接带材料（1）直接利用直接带材料，如GaAs、InP、ZnSe等（2）利用窄禁带的直接带材料和宽禁带的间接带材料，以得到禁带较宽的直接带材料导带底结构随组分而变，到达某一组份后，直接带开始变为间接带——转变点如：In1-xGaxP，GaAs1-xPx，In1-xAlxP，AlxGa1-xAs等三元化合物直接带材料跃迁过程不需要声子的参与，具有较高的发光效率材料xc（eV）GaAs1-xPx0.461.99AlxGa1-xAs0.311.90In1-xGaxP0.702.18In1-xAlxP0.402.23几种混晶材料的转变点与禁带宽度当xxc时，为直接带发光效率高当xxc时为间接带，发光效率大大降低5边缘发射未激活的ZnS、ZnO、CdS等材料在低温下受到激发后，在本征吸收边附近出现的发光是由许多狭窄的等距离谱线组成。这种发光称为边缘发射边缘发射的光子能量总比禁带宽度小被认为是一个价带中的空穴和一个俘获在浅施主上的电子的复合发光过程导带电子俘获在定域能级上，然后由这些定域能级上的电子和价带的空穴复合发光定域能级应当是晶体的物理缺陷（空位或间隙）引起的实验证实用115KeV加速电子轰击CdS，（能量大于在CdS中产生S空位的能量阈值），在CdS中产生空位或间隙产生520nm的边缘发射立方（α）和六角（β）ZnS晶体的边缘发射光谱第一级谱峰为电子—空穴复合发射一个光子而没有声子参与第二级谱峰为发射一个光子的同时发射一个声子第（n+1）级谱峰为发射一个光子的同时发射n个声子边缘发射通常伴随着声子发射6激子的复合激子就是束缚在一起的电子—空穴对激子的能量小于禁带宽度，减小的部分能量称为激子的结合能激子在晶体某一部分产生后，可以在晶体中传播，传输激发能，但并不传输电荷，对电导率没有贡献能在晶体中运动的激子称为自由激子受束缚的激子称为束缚激子，不能再在晶体中自由运动束缚激子的能量低于自由激子的能量n=1n=2n=∞激子的类氢能级电子和空穴结合成自由激子释放出的结合能为1）运动着的激子通过电子和空穴复合，辐射出光子和声子，并保持动量和能量的守恒谱线锐、吸收强、效率高等特点，有利于产生激光激发密度足够高，采用合适的谐振腔，就可以得到激光2）通过声子散射、碰撞离化、缺陷散射和场离化等形式，激子离解成一对自由电子和空穴3）发射声子而损失掉能量4）激子把能量交给杂质，而得到能量的杂质以辐射的或无辐射的方式或将能量转移给另一个杂质的途径损失能量激子释放能量的方式7通过杂质中心的复合1激发产生自由电子和空穴，很快驰豫到导带底（价带顶）——光电导2导带电子在导带中扩散，可以被陷阱D俘获3落入陷阱的电子也可以通过热扰动从D再跃迁回到导带4价带空穴被未电离的发光中心A俘获5俘获在A上的空穴也可以通过热扰动从A再跃迁回到价带6导带电子和发光中心A上的空穴复合产生发光通过杂质中心的复合模型8通过施主—受主对的复合•若将施主和受主同时掺入同一半导体，两者可能通过库仑力作用束缚在一起，形成施主-受主对（DAP）•离化的施主和受主可以分别束缚电子和空穴，跃迁复合产生施主受主对特征发射光谱•Ⅲ-Ⅴ、Ⅱ-Ⅵ化合物半导体如ZnS:Cu,Al中，Cu+替位Zn2+，在价带上产生受主能级，Al3+替位Zn2+，在导带下产生施主能级，它们形成施主—受主对•能量状态–D+可能从导带俘获一个电子，A-从价带俘获一个空穴，形成D+A-eh（施主-受主对联合中心，简称施主-受主对）–初态能量为)(ADgiEEEE•终态能量–跃迁后：施主中心留下一个等效正电荷，受主中心留下一个等效负电荷–终态能量即为电势能•跃迁辐射能量reEf4/2reEEEEEEADgfir4/)(2r：D-A距离，取离散值•D—A对的跃迁概率与电子和空穴波函数重叠区域的平方成正比•一般来说，施主上电子波函数的伸展范围比受主上空穴的波函数伸展范围要大得多•施主上电子波函数随r变化按指数规律衰减•D—A对的跃迁概率rB：波尔半径r越小，发射光的波长越短，跃迁得概率越大，寿命越短，发光的衰减就越快•GaP:S(donor),Si(acceptor)的发射光谱GaP：面心立方晶格，S、Si替代P位置），，，，，（16151312321ma2mra：晶格常数激发停止后，D—A对的发光光谱随时间的延长应逐渐向长波方向移动GaP:S,Si的时间分辨发射光谱为什么？•等电子中心——化合物半导体中的杂质中心，其化合价与所替代元素相同–GaP:N；GaP:Bi•电子亲和势不同，原子半径上有差异–局域化的等电子中心——自由电子或空穴可以吸附到等电子原子上•对红色和绿色发光二极管的商品化起到了巨大的推动作用10等电子中心发光•一个电子被等电子中心俘获•库仑力作用再吸附一个空穴形成激子•电子和空穴被高度定域化，K空间范围延伸•GaP:N的辐射跃迁概率是GaP:S的100倍以上GaP:N的能带结构思考题•半导体中存在哪些种类的缺陷，对发光性能有何影响？•为什么发光二极管需要采用直接带半导体材料？•什么是等电子中心？•D—A对的发光有何特点？•何为激子，激子发光有何特点？