1、異質結原理及對應的半導體發光機制摘要本文以能帶理論為基礎，從P型半導體和N型半導體開始介紹了同質PN結的形成。但 是同質PN結中電子帶間躍遷產生的光子在很大程度上會被導電區再吸收，使光引出效率降 低。于是引入了異質PN結，介紹了單異質PN結和雙異質PN結的形成過程及異質PN結的 發光機制。關鍵詞能帶理論異質結發光機制由于LED光源具有高效節能、環保、長壽以及體枳小、發熱度低、控制方便等特點，LED照 明產業得到了快速的發展o LED發光效率是衡量LED性能的一項重要指標o LED發光效率= 內量子效率X芯片的出光效率。而LED的核心元件PN結決定了 LED的內量子效率。因此研 究發展具有高內量

2、子效率的PN結對發展LED產業具有重要意義。相比于同質PN結，異質 PN結具有更高的內量子效率。1.同質PN結在一片本征半導體的兩側各摻以施主型(高價)和受主型(低價)雜質，就構成一個 P-N結。這時P型半導體一側空穴的濃度較大，而N型半導體一側電子的濃度較大， 因此N型中的電子向P型區擴散，P型中的電子向N型區擴散，結果在交界面兩側出 現正負電荷的積累，在P型一邊是負電，N型一邊是正電。這些電荷在交界處形成一 電偶層即P-N結，其厚度約為IO mo在P-N結內部形成存在著由N型指向P型的 電場，起到阻礙電子和空穴繼續擴散的作用，最后達到動態平衡。此時，因P-N結中 存在電場，兩半導體間存在著

3、一定的電勢差U。，電勢自N型向P型遞減。由于電勢差 U。的存在，在分析半導體的能帶結構時，必須把由該電勢差引起的附加電子靜電勢能 -eU考慮進去。因為P-N結中，P型一側積累了較多的負電荷，N型一側積累了較多 的正電荷，所以P型導帶中的電子要比N型導帶中的電子有較大的能量，這能量的差 值為eU。如果原來兩半導體的能帶如Figurel (a)所示，則在P-N結處，能帶發生 彎曲，如Figurel (b)所示。?！边?X整T-s件的母字惘Rgiire 1在P-N結處，勢能曲線呈彎曲狀，構成勢壘區，它將阻止N區的電子和P區的空穴進一步 向對方擴散，所以P N結中的勢壘區又稱為阻擋區。由于阻擋區的存在

4、，當在P-N結兩端加上正向偏向電壓時，外電場的方向與阻擋層的電場方 向相反，使P-N結中電勢減弱，勢壘降低，或者說使阻擋層減薄。于是N型中的電子和P 型中的空穴就容易通過阻擋層，不斷向對方擴散，形成從P區到N區的正向電流，P-N結導 通。P區導帶中的部分電子躍遷到價帶中，與價帶中的電子復合，電子躍遷產生的能量以光 子的形式釋放出來。同樣，N區也會發生同樣的釋放出光子的過程。根據這個現象，可以制 作出發光二極管（LED） o單異質PN結以同質P-N結為基礎的LED存在嚴重缺陷，限制了其在固體照明中的應用。首先，電子躍遷 產生的光子在很大程度上被導電區再吸收，使光引出效率降低。其次，因為只能在一種

5、類型 的導電區中（通常是P型區）實現高內量子效率，要求注入到N區的空穴濃度低，即N Po這個問題可以通過高度非對稱的摻雜濃度（NdNa）解決。但是，高摻雜導致再 吸收的增加，也可能引起不希望的雜質復合物增加，從而增加無輻射復合中心的負擔。Figure2為單異質結的能帶圖。P型導電區的禁帶寬度小于N型區的禁帶寬度。能帶的 不連續使向N型區擴散的空穴勢壘高度增加了價帶偏移量Ev o電子的勢壘高度為4Ec o N 型區對P型區中產生的光子是透明的，這就大大減少了向結構中N型區一端傳播的光的再 吸收。Nd:c）N-p異型觸異質縮Figure 2雙異質PN結Figures為雙異質結的能帶圖。它是由一層窄

6、禁帶P型有源層夾在分別為N型和P型的寬禁 帶導電層中構成的。這樣使過剩載流子可從兩個方向注入有源層，電子和空穴在有源層中復 合。此外，擴散過一個異質界面的少數載流子被第二個異質界面阻擋在有源層中不可能擴散 出去。這就增加了有源區中過剩載流子的濃度，從而增加了輻射復合的速率。在這種結構中， 兩個導電層對于發射光是透明的，對于向兩個方向傳播的光的再吸收效應都最小化，但是在 有源層存在再吸收。.AKiaAs 。今。.Figure 3發光機制LED是利用半導體PN結或類似結構把電能轉換為光能的器件。半導體中的自發光是由 于過剩電子和空穴的輻射復合。過剩載流子和空穴是電流注入產生的，能量損失很小。 過剩

7、載流子既可輻射復合也可非輻射復合。輻射和非輻射復合過程的競爭決定了 LED 的內量子效率。輻射復合的一種本征機制是帶間躍遷，在帶間躍遷中，一個電子一空 穴對復合，發射一個光子。更進一步，只要溫度不太高，電子和空穴可以結合為激子。激子具有類氫結構，結合能在亳電子伏數量級。激子的輻射湮滅是光發射的第二種本 征機制。在用于制造LED的一些合金中，組分空間分布的不均勻性可能引起能帶勢能 相當大的起伏，定域在這樣起伏處的載流子不再能到達發生非輻射復合的位置，所以 輻射復合的概率很大。實際上，定域載流子維持著一種狀態，直到另一種不同的載流 子定域到近得足以與它的波函數交疊的位置，形成定域激子。定域激子復合是輻射復 合的第三種本征機制。參考文獻：1文尚勝.姚日暉.吳玉香.邵