发光二极管

1第3章发光二极管（LED）1.引言2.制作LED的材料3.LED工作原理4.外量子效率5.先进LED结构6.LED性能的影响因素7.LED的输出功率和调制带宽8.影响LED稳定性的因素2史上第一只LED1962年美国通用电气实验室的HolonyakN博士研制GaAsP红色LED氮气保护的玻璃封装亮度不够(发光效率0.1lm/W)不便于安装使用,而且很贵3LED的发展1962年1970年1983年1991年1998年4蓝光LED芯片56I.引言LED是通过自发辐射过程发光的器件，与通过受激辐射发光的半导体激光器相比，其不同之处在于：结构简单；价格低廉；可靠性高。但其不足之处在于：响应速度低；输出功率小；输出频谱宽。7在正向外加偏置下，少数载流子注入P-N结(注入)LED的主要应用场合:信息显示光源（通信、照明等）1.LED器件内部的主要光电过程：(LED功能是将输入的电能转换为光能输出)注入的少数载流子与半导体材料中的多数载流子复合(复合)光子辐射(发光)8改进的LED:高输出功率高响应速度高耦合效率第一代LED:GaAlAs-LED,sMbitsVkmdmm/50,4,9.085.0~第二代LED:InGaAsP-LED,s/Mbits1010~V,km1010~d,m3.132m21LED的划代：9II.LED的材料选择原则发光器件的材料选择，首先要考虑的是器件的发光效率。电子-空穴对的复合过程有两种：辐射复合：产生光子；非辐射复合：不产生光子，能量以其他形式散失。在LED的发光过程中，两种辐射机理同时存在，要提高器件的发光效率，必须尽量使非辐射复合所占比重更小。间接带隙材料内部的复合过程大多属于非辐射复合，例如俄歇过程。因而半导体光源的材料绝大多数都是直接带隙材料，间接带隙材料无法用于制作光源。例如Si和Ge都不能用于制作半导体光源。10光源的特点和用途发射光子能量接近于材料带隙；可见光区域的光子能量范围：1.7eV-2.8eV；长途通信用光源的光波长在光纤中的损耗要低：1.3和1.55um局域网通信所用光源成本要低：例如GaAs光源（0.85um）与光电检测器的制作过程类似，LED也需要利用外延生长技术生成外延层，在外延层上制作发光区，材料的选择必然受到晶格匹配的限制。常用材料为GaAs系列和InP系列材料，这两类容易满足晶格匹配条件，且材料制作工艺成熟。110.70.80.91.01.11.21.31.41.5第一窗口第二窗口波长——λ（μm）普通单模光纤的衰减随波长变化示意图6543210。40。2第三窗口C波段1525~1565nm1.571.62L波段kmdBlossm/2.0~:55.1kmdBlossm/5.0~:3.112III.LED的工作原理正向偏置条件下，注入少数载流子，并与多数载流子复合，产生光子，光子穿过一定厚度的半导体材料向外辐射，形成光输出。正向偏置，注入少数载流子：电子注入P区，空穴注入N区；少数载流子与多数载流子复合，产生光子；光子出射。描述这一发光过程的效率的参数主要有：辐射效率、注入效率、出光效率以及内量子效率和外量子效率。131.辐射效率其定义为：在载流子复合过程中，辐射复合在总的复合过程中所占的比例。nrnrrr,R,R命：载流子寿非辐射复合，复合率：载流子寿命：辐射复合，复合率：复合过程nrrrQrRRR14由于：nRnrrnrrrQr111111~Qr231010~Qr直接带隙材料间接带隙材料152.注入效率在正向偏置条件下，注入PN结的电流由三部分构成：注入到P区的电子扩散电流Jn；注入到N区的空穴扩散电流Jp；中间耗尽层中由陷阱复合导致的电流JGR在这三种电流中，只有前两者的复合过程会产生光子，例如Jn注入到P区后，电子成为少数载流子，与P区的空穴复合产生光子。而JGR是由中间耗尽区的陷阱引起的复合所消耗，并不产生光子。由于P区靠近发光表面，因而只有Jn引起的发光才是有效的。注入效率就是注入的Jn在总电流中所占的比例。pnPhotonsBuriedregion16FnEFpE电子注入空穴注入光子出射光子被吸收顶层底层171expTkeVLneDJBnpnn1expTkeVLpeDJBpnpp12exp2TkeVWenJBiGR为减少光子的再吸收，提高发光效率，发光区要靠近出射面;提高注入效率，必须尽量提高Jn的值;使用高纯度材料，减少陷阱杂质，可以降低JGR，提高发光效率。pnnGRpnninjJJJJJJJ18由三种电流的表达式，要增大Jn所占比重，提高注入效率，应该使P区轻掺杂，N区重掺杂，即使用PN+结。对于这种结，ND》NA,且对于III族或者V族元素，电子迁移率要远大于空穴迁移率，因此Jn要远大于Jp，注入效率接近于1。pnpnpnpnLPDLnDJJ21)(ehheADNN对于同质结来说，存在下列等式：19对于异质结，亦存在下列等式：kTEgehehehheADpnemmmmNNJJ23*2*2*1*121122121)()(injEg异质结中，两种材料的带隙差越大，对载流子的限制作用越强，就注入效率越高。203.内量子效率：Qrinjint21在器件设计过程中，P区的掺杂浓度要综合考虑，掺杂浓度低则注入效率高，但辐射效率下降；掺杂浓度高则辐射效率提高，而注入效率降低。nrrQrrBN11,5106107108109101010激光器工作所需要的典型载流子浓度1410151016101710181031910cm退简并状态Iffhe低注入区0GaAs半导体激光器在300K时的温度特性辐射复合寿命22复合过程半导体材料中电子-空穴对的复合过程分为两类：辐射复合和非辐射复合。辐射复合：带间复合；浅杂质-带间复合：浅施主-带间复合、导带-浅受主复合；激子复合；施主-受主对复合。非辐射复合：俄歇复合；多声子跃迁；深能级复合中心复合；表面复合。23带间复合浅施主-价带复合导带-浅受主复合施主-受主对复合24DirectPhononAssistedTrapAssistedDonor-AcceptorRelated25直接复合(1)直接复合(2)26陷阱复合(1)陷阱复合(2)27施主-受主对复合(2)施主-受主对复合(1)28有声子参与的俄歇过程29【例题3.1】一个LED其主体结构为GaAs材料制作的PN结，工作在300K室温条件下，GaAs本征半导体载流子密度为2×106cm-3。PN结的参数如下，求此PN结的注入效率。sscmNNcmNP)sV/(cmD)sV/(cmDpnDApn783173162210101051051530空穴少数载流子寿命电子少数载流子寿命区掺杂区掺杂空穴扩散系数电子扩散系数30【解】少子浓度为aipNnn2351626108105102cm)(dinNnp2361726108105102cm)(扩散长度为：nnnDLm.))((4751030218pppDLm.))((2512101521731980.LpeDLneDLneDpnopnponnponinj32【例题3.2】GaAs材料制作的LED，其参数与例题3.1中相同，假设注入的总的电流为0.35mA，辐射效率为0.5。（1）请计算此LED产生的光子流；（2）GaAs带隙为1.43eV，计算产生的光功率。【解】注入的电子电流为产生的光子流为mA...IIinjn343098035011519310071106150103430s...).(eIIQrnph33mW.)J.)(.)(s.(Ppower24501061431100711911534IV.外量子效率外量子效率表征的是器件的总的发光效率，也称为表观效率，即器件从外界来看的总发光效率。intoptQrinjTot载流子注入inj辐射复合Qr光能输出opt351.出光效率定义：指从发光面出射的光子数占发光区产生的总的光子数的比例。发光区产生的光子并非都能出射，这是因为在半导体材料中存在多种导致光子损耗的因素：发光区产生的光子需要穿过一定厚度的材料才能到达出射面，在此过程中材料会吸收光子，产生电子-空穴对；到达出射面的光子，由于界面的菲涅尔反射，有一部分光子无法出射，形成菲涅尔反射损耗；在出射界面处，若入射角大于临界角，会发生全反射，因而只有有限角度范围内的光子能够出射。362.提高出光效率的措施（1）尽量减小吸收损耗；容易想到的思路是使用吸收系数小的材料，如间接带隙材料，但这不是好的办法，因为间接带隙材料辐射效率很低；可以考虑减小吸收层的厚度，让发光区尽量靠近表面，但表面陷阱密度高，引起的复合属于非辐射复合，造成器件发光效率下降；有效的方法是使用异质结结构，限制层材料带隙比发光区材料带隙更大，相对于发光区的光子而言是透明的，无吸收。37（2）降低菲涅尔损耗；np光子出射入射光反射光2rn1rn透射光21212rrrrnnnnR界面处的反射率为R，这种反射损耗称为菲涅尔损耗。损耗%330.1,66.312Rnnrr对于GaAs与空气之间的界面：38两种介质的折射率相差越大，界面处的菲涅尔损耗就越高。降低菲涅尔损耗的措施：在界面处加上一个透明的电介质罩，尽量减小两种介质的折射率差。电极LED例如，如果用折射率为1.6的透明材料在GaAs光源外部制作电介质罩，其菲涅尔损耗将从33%降低到15%。39（3）降低表面全反射损耗；在出射面，如果入射光角度大于临界角，光波会以全反射的形式被反射回器件内部而不是从界面辐射出去。这种损耗称为全反射损耗。为全反射临界角。例如，对于GaAsP材料制作的LED：12rrnn211sinrrcnnc%4~2.166.302optcrn403.耦合效率光源发出的光波经过调制变成携带信息的光信号，再耦合进光纤，才能在光纤中以全反射的形式传输。要提高耦合效率，就需要设计更好的光源结构，或者采用合适的耦合结构，使光源发出的光波更好地耦合进光纤。41光纤的全反射角为：IA2A12rn1rn2rn21光波泄漏纤芯包层包层)(sin)(sin12122211nrrAAnnAfiber2sin其中An为光纤的数值孔径，光源与光纤的最大耦合效率为：42【例题3.3】光束由GaAs材料向空气入射，计算界面处的反射率和全反射角；如果光束是从GaAs向折射率为1.5的玻璃介质入射，计算其反射率和全反射角。212212)()(rrrrnnnnR33.066.466.22211sinrrcnn019.1566.30.1sin若空气介质换为玻璃，反射率和全反射角分别为：结论：采用电介质罩结构，可有效降低菲涅尔损耗和全反射损耗。02.24;18.0cR43【例题3.4】一个出射光能分布符合余弦规律的LED，出射光束耦合进光纤，光纤纤芯折射率1.5，包层折射率1.4，计算光纤的最大接收角和光源与光纤的最大耦合效率。即：LED发出的光波中，最多只有6%能够耦合进光纤。1.14)(sin2/122211rrAnn06.0sin2Afiber44V.先进的LED结构1.双异质结LEDpnAsGaAlx1x光波有源区GaAsAsGaAlx1xpn注入注入p)(透明限制层45