实验六 半导体发光器件的电致发光测量

《实验六 半导体发光器件的电致发光测量》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在应用文档-天天文库。

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。作为半导体发光材料，必须是辐

2、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。[键入文字]如果将杂质掺入半导体，则会在带隙中产生施主及受主

3、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

4、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。[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

5、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

6、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，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

7、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

8、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