异质结原理及对应的半导体发光机制.

异质结原理及对应的半导体发光机制摘要本文以能带理论为基础，从P型半导体和N型半导体开始介绍了同质PN结的形成。但是同质PN结中电子带间跃迁产生的光子在很大程度上会被导电区再吸收，使光引出效率降低。于是引入了异质PN结，介绍了单异质PN结和双异质PN结的形成过程及异质PN结的发光机制。关键词能带理论异质结发光机制由于LED光源具有高效节能、环保、长寿以及体积小、发热度低、控制方便等特点，LED照明产业得到了快速的发展。LED发光效率是衡量LED性能的一项重要指标。LED发光效率=内量子效率芯片的出光效率。而LED的核心元件PN结决定了LED的内量子效率。因此研究发展具有高内量子效率的PN结对发展LED产业具有重要意义。相比于同质PN结，异质PN结具有更高的内量子效率。1.同质PN结在一片本征半导体的两侧各掺以施主型（高价）和受主型（低价）杂质，就构成一个P-N结。这时P型半导体一侧空穴的浓度较大，而N型半导体一侧电子的浓度较大，因此N型中的电子向P型区扩散，P型中的电子向N型区扩散，结果在交界面两侧出现正负电荷的积累，在P型一边是负电，N型一边是正电。这些电荷在交界处形成一电偶层即P-N结，其厚度约为10-7m。在P-N结内部形成存在着由N型指向P型的电场，起到阻碍电子和空穴继续扩散的作用，最后达到动态平衡。此时，因P-N结中存在电场，两半导体间存在着一定的电势差U0，电势自N型向P型递减。由于电势差U0的存在，在分析半导体的能带结构时，必须把由该电势差引起的附加电子静电势能-eU0考虑进去。因为P-N结中，P型一侧积累了较多的负电荷，N型一侧积累了较多的正电荷，所以P型导带中的电子要比N型导带中的电子有较大的能量，这能量的差值为eU0。如果原来两半导体的能带如Figure1（a）所示，则在P-N结处，能带发生弯曲，如Figure1（b）所示。Figure 1在P-N结处，势能曲线呈弯曲状，构成势垒区，它将阻止N区的电子和P区的空穴进一步向对方扩散，所以P-N结中的势垒区又称为阻挡区。由于阻挡区的存在，当在P-N结两端加上正向偏向电压时，外电场的方向与阻挡层的电场方向相反，使P-N结中电势减弱，势垒降低，或者说使阻挡层减薄。于是N型中的电子和P型中的空穴就容易通过阻挡层，不断向对方扩散，形成从P区到N区的正向电流，P-N结导通。P区导带中的部分电子跃迁到价带中，与价带中的电子复合，电子跃迁产生的能量以光子的形式释放出来。同样，N区也会发生同样的释放出光子的过程。根据这个现象，可以制作出发光二极管（LED）。二．单异质PN结以同质P-N结为基础的LED存在严重缺陷，限制了其在固体照明中的应用。首先，电子跃迁产生的光子在很大程度上被导电区再吸收，使光引出效率降低。其次，因为只能在一种类型的导电区中（通常是P型区）实现高内量子效率，要求注入到N区的空穴浓度低，即N＞＞P。这个问题可以通过高度非对称的掺杂浓度（ND＞＞ＮＡ）解决。但是，高掺杂导致再吸收的增加，也可能引起不希望的杂质复合物增加，从而增加无辐射复合中心的负担。Figure2为单异质结的能带图。P型导电区的禁带宽度小于N型区的禁带宽度。能带的不连续使向N型区扩散的空穴势垒高度增加了价带偏移量Ev。电子的势垒高度为Ec。N型区对P型区中产生的光子是透明的，这就大大减少了向结构中N型区一端传播的光的再吸收。Figure 2三．双异质PN结Figure3为双异质结的能带图。它是由一层窄禁带P型有源层夹在分别为N型和P型的宽禁带导电层中构成的。这样使过剩载流子可从两个方向注入有源层，电子和空穴在有源层中复合。此外，扩散过一个异质界面的少数载流子被第二个异质界面阻挡在有源层中不可能扩散出去。这就增加了有源区中过剩载流子的浓度，从而增加了辐射复合的速率。在这种结构中，两个导电层对于发射光是透明的，对于向两个方向传播的光的再吸收效应都最小化，但是在有源层存在再吸收。Figure 3四．发光机制LED是利用半导体PN结或类似结构把电能转换为光能的器件。半导体中的自发光是由于过剩电子和空穴的辐射复合。过剩载流子和空穴是电流注入产生的，能量损失很小。过剩载流子既可辐射复合也可非辐射复合。辐射和非辐射复合过程的竞争决定了LED的内量子效率。辐射复合的一种本征机制是带间跃迁，在带间跃迁中，一个电子—空穴对复合，发射一个光子。更进一步，只要温度不太高，电子和空穴可以结合为激子。激子具有类氢结构，结合能在毫电子伏数量级。激子的辐射湮灭是光发射的第二种本征机制。在用于制造LED的一些合金中，组分空间分布的不均匀性可能引起能带势能相当大的起伏，定域在这样起伏处的载流子不再能到达发生非辐射复合的位置，所以辐射复合的概率很大。实际上，定域载流子维持着一种状态，直到另一种不同的载流子定域到近得足以与它的波函数交叠的位置，形成定域激子。定域激子复合是辐射复合的第三种本征机制。参考文献：[1]文尚胜.姚日晖.吴玉香.邵燕宁编著.《半导体照明技术》.华南理工大学出版社2013年8月第一版第三章.[2]赵近芳.王登龙主编.《大学物理学》第3版修订版下“18.1新技术的物理基础”.[3]邓永永(2013)新型异质结可见光响应光催化剂的制备及性能表征.温州大学.