实验六半导体发光器件的电致发光测量

半导体发光器件的电致发光测量 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了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，电了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，必须是辐射跃迁占优势。 半导体中的主要辐射复合过程包括：带边复合、电子从自由态到束缚态的复合、施主-受主对复合、等电了杂质束缚激子复合、通过深能级的复合等。带边复合包括导带电子与价带空穴复合、自由激子复合、束缚在中性或电离状态的浅施主和受主上的束缚激子复合等。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辽所引起的发光过程，是本征吸收的逆过程。如图6.1(a)所示，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了一空穴对和一个光子，其辐射效率较高。直接带隙半导体，包括Ⅱ-Ⅳ族和部分Ⅲ-Ⅴ族（如 GaAs等）化合物，都是常用的发光材料。如图8.1(b)所示，间接带隙半导体中，导带和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得多，Ge、Si和部分Ⅲ-Ⅴ族半导体都是间接带隙半导体，它们的发光比较微弱。 图6.1 本征幅射跃迁 图6.2施主受主间跃迁 如果将杂质掺入半导体，则会在带隙中产生施主(Donor)及受主(Acceptor)的能级，因此又可能产生不同的复合而发出光。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很小，非本征跃迁起主要作用。图6.2所示为施主与受主之间的跃迁。这种跃迁效率高，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俘获，然后中性施主上的电予隧道跃迁到中性受主并发射一个光子。若把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...