半導體光電子器件半導體發光器件§6.1半導體發光二極管（LED）的結構§6.2白光LED§6.3LED的性能§6.4LED的封裝與應用§6.5半導體激光器的工作機制§6.6半導體激光器的工作條件§6.7半導體激光器的主要參數§6.8異質結半導體激光器

LED、Laser基本結構與特點：

結構：半導體二極管（pn結）；特點：單色性好，

LED:10～50nm；

Laser:0.01～0.1nmLED與Laser區別：

LED：自發發射，產生非相干光；

Laser：受激發射，產生相干光。

LED與Laser發光機理：

正偏pn結電子與空穴復合，釋放光子。§6.1半導體發光二極管（LED）結構1907年，HenryJosephRound第一次在一塊碳化硅里觀察到電致發光現象。1936年，GeorgeDestiau的一份關于硫化鋅粉末發射光的報告。隨著電流的應用和廣泛的認識，最終出現了”電致發光”這個術語。1955年，美國無線電公司（RadioCorporationofAmerica）的RubinBraunstein發現了砷化鎵（GaAs）與及其他半導體合金的紅外線放射作用1962年，GE、Monsanto、IBM的聯合實驗室開發出了發655nm紅光的磷砷化鎵（GaAsP）半導體化合物，從此發光二極管進入商業化發展進程。§6.1半導體發光二極管（LED）結構一、

LED優勢

1965年，Monsanto和惠普公司推出了用GaAsP材料制作的商用化紅色LED，當時這種LED燈的效率為每瓦大約0.1流明。1968年，LED燈的研發取得了突破性進展，利用氮摻雜工藝使GaAsP器件的效率達到了1流明/瓦，LED節能燈并且能夠發出紅光、橙光和黃色光。1971年，推出了具有相同效率的GaP綠色芯片LED，LED開始廣泛應用于數字與文字顯示技術應用領域區。§6.1半導體發光二極管（LED）結構一、

LED優勢

1980年代早期的技術突破是開發出了AlGaAs的LED，能以每瓦10流明的發光效率發出紅光。LED燈開始應用于室外信息發布以及汽車高位剎車燈(CHMSL)設備。1990年，開發出了能夠提供相當于最好的紅色器件性能的AlInGaP技術，這比當時標準的GaAsP器件性能要高出10多倍。1994年，日本科學家中村修二在InGaN(氮化銦鎵)基片上研制出了第一只藍色LED，由此開啟了GaN基LED燈研究和開發熱潮，藍光的出現使得白光LED成為可能。§6.1半導體發光二極管（LED）結構一、

LED優勢

與普通照明方式相比，LED具有如下的優勢。

效率高

按一般光效定義的LED的發光效率并不算高，但由于LED的光譜幾乎全部集中于可見光區域，效率可達到80%-90%，而自熾燈的可見光轉換效率僅為10%-20%，普通節能燈只有40%-50%左右。一般LED在相同的照明效果下比傳統光源節能80%以上。

壽命長LED為固體冷光源，環氧樹脂封裝，抗震動，燈體內也沒有松動的部分，不存在普通燈絲發光發熱易燒、熱沉積、光衰等缺點，使用壽命可高達6萬～10萬小時，是傳統光源使用壽命的10倍以上。由于壽命長，經久耐用，減少了維護和更換的費用，降低了成本。§6.1半導體發光二極管（LED）結構一、

LED優勢

綠色環保

其廢棄物不像熒光燈含汞；廢棄物可回收，沒有污染，不含汞元素，可以安全觸摸，屬于典型的綠色照明光源。而且LED為冷光源，眩光小，無輻射，使用中不產生有害物質，光譜中沒有紫外線和紅外線。

光色純，光線質量高

傳統照明光源的光譜較寬，且發光方向為整個立體空間，不利于配光和光線的有效利用相比；LED為單一顏色、光譜狹窄、譜線單一集中在可見光波段、色彩豐富、鮮艷，可以有多樣化的色調選擇和配光，且LED光源發光大部分集中會聚于中心，發散角較小，可以有效地控制眩光，從而簡化燈具結構，節省設計和制造成本。§6.1半導體發光二極管（LED）結構一、

LED優勢

應用靈活

體積小，便于造型，可做成點、線、面等各種形式。

安全

單體工作電壓為1.5-5v，工作電流為20-70mA。

響應快

響應時間為納秒級，自熾燈的響應時間為毫秒級。

控制靈活

通過控制電路很容易調控亮度，實現多樣的動態變化效果。§6.1半導體發光二極管（LED）結構一、

LED優勢

§6.1半導體發光二極管（LED）結構二、

LED結構原理

發光二極管是一種利用自發輻射制成的器件，它往往具有連續波譜。光譜曲線一般具有單峰。但如果材料是多發光中心，也會出現多峰。峰值波長由材料的禁帶寬度所決定由于熱能，電子能量略高于EC，空穴能量略低于EV，實際上發射光子的能量為色散§6.1半導體發光二極管（LED）結構三、

LED分類

按發光管發光顏色

可分成紅色、橙色、綠色（又細分黃綠、標準綠和純綠）、藍光、白光等；還根據出光處摻或不摻散射劑、有色還是無色，分成有色透明、無色透明、有色散射和無色散射四種類型。

按發光管出光面特征

分圓燈、方燈、矩形、面發光管、側向管、表面安裝用微型管等。

按發光二極管的結構

分有全環氧包封、金屬底座環氧封裝、陶瓷底座環氧封裝及玻璃封裝等結構。

按發光強度

按發光強度分有普通亮度的LED（發光強度<10mcd），超高亮度的LED（發光強度>100mcd），發光強度在10-100mcd間的叫高亮度發光二極管。§6.1半導體發光二極管（LED）結構三、

LED分類

按發光強度角從發光強度角分布圖來分有三類：

高指向性

一般為尖頭環氧封裝，或是帶金屬反射腔封裝，且不加散射劑。半強度角為5o-20o或更小。具有很高的指向性，可作局部照明光源用。

標準型

通常作指示燈用，其半強度角為20o-45o。

散射型

這是視角較大的指示燈，半強度角為45o-90o或更大，散射劑的量較大。紅---GaP:Zn-O;GaAs0.6P0.4;Ga0.7Al0.3As---6500~7600?

橙---GaAs0.35P0.65;In0.3Ga0.7P---5900~6500?

黃---GaP:N:N;GaAs0.15P0.85---5900~6500?

綠---GaP:N；GaInP---5700~5900?

蘭---GaN;GaInP---4300~4600?

易獲電子易獲空穴可見光λ：4000?~7600?；Eg:1.8~2.9eV§6.1半導體發光二極管（LED）結構四、發光二極管主要材料§6.2白光LED一、

GaN基藍光LED

GaN被稱為繼第一代半導體Si、Ge和第二代半導體GaAs、InP之后的第三代半導體材料。InN的禁帶寬度為0.7eV，GaN的禁帶寬度為3.44eV，AlN的禁帶寬度為6.2eV，在GaN材料中摻入Al、In組成的三元或者四元半導體材料應用于發光材料與器件，其發光波長范圍可以從遠紅外線一直覆蓋到紫光，甚至是深紫外波段§6.2白光LED二、幾種常見的藍光LED結構電流橫向流動，在芯片的臺階附近會產生電流聚集效應；正面出光的GaN基LED芯片的很大一部分光被LED上方的p型歐姆接觸電極、n型歐姆接觸電極以及電極焊盤所吸收，而且p型電極上增強電流擴展能力的Ni-Au或ITO透明導電層對光也具有一定的吸收作用；由于藍寶石材料的熱導率較低，影響了器件的熱可靠性，從而限制了大功率LED芯片注入電流的進一步提高。1.水平結構§6.2白光LED二、幾種常見的藍光LED結構倒裝技術就是將水平結構LED芯片進行倒置p型電極采用具有高反射率的金屬薄膜，從而使光從藍寶石襯底出射，避免了p型電極金屬對光的吸收；倒裝技術可以借助電極（或微凸點）與封裝的Si基板直接接觸，從而降低了熱阻，提升了芯片的散熱性能。2.倒裝結構§6.2白光LED二、幾種常見的藍光LED結構在制造過程中采用襯底片鍵合與激光剝離技術相結合將GaN外延片從藍寶石襯底轉移到具有良好電、熱導特性的襯底材料上（如Si、ZnO等襯底）。器件電極上下垂直分布，徹底解決了正裝、倒裝結構GaN基LED芯片中因為電極平面分布、電流側向注入導致的諸如散熱，電流分布不均勻、可靠性等一系列問題。3.垂直結構§6.2白光LED三、幾種常見的白光LED結構首先通過GaN藍光LED芯片得到藍光，然后在其表面涂覆一層以釔鋁石榴石為主要成分的熒光粉，熒光粉吸收部分藍光后，重新發射出黃色熒光，黃光和藍光混合后形成白光。這種類型的白光技術是在1997年，首先由日本的Nakamura團隊開發和展示的。市場上大多數的光LED產品都是通過這種方式實現，這目前由藍光芯片得到白光性價比最高的解決方案。1.藍光LED芯片+黃色熒光粉這種方式難以在較遠的照射區域獲得很好的顏色均勻性，難以在LED芯片表面涂覆一層均一的熒光粉層，是造成這個缺點的重要原因。這種方式獲取白光的光電轉化效率仍然不高，能量損失主要來自三個方面：熒光轉化損失、熒光粉和芯片的重復發射吸收損失、全反射損失。這些能量損失累計起來，可以很容易的達到電功率的60%以上。§6.2白光LED三、幾種常見的白光LED結構通過不同顏色的單顆LED芯片進行組合也可以得到白光。通過AlGaInP材料體系可以得到紅色、橘紅色、以及黃色LED芯片。通過AlGaN材料體系可以得到綠色和藍色芯片。這種方法的好處在于可以獲得非常高的光效，而且沒有熒光粉發光方式中常見的能量損失。2.

紅色+綠色+藍色LED芯片

這種方式的缺點在于每個單色LED其輻射波長隨著溫度、電流密度和壽命等其他因素都會發生改變。因此其所產生的白光性質將非常不穩定，所以這種方式主要被使用在日期顯示等對顏色穩定性要求不高的類似應用中。§6.2白光LED三、幾種常見的白光LED結構利用紫外LED來激發三色熒光粉這種方式的優勢在于，可以通過多種顏色熒光粉來提高其白光的顏色還原性。缺點在于這種方式會產生大量的能量損失，最終限制器件的發光效率，并且隨著紫外LED波長向著深紫外發展，這種損失會越來越大。這種方式的第二個缺點在于很難得到高效率的紫外LED芯片。3.

紫外LED芯片+三色熒光粉§6.2白光LED三、幾種常見的白光LED結構

這種方式需要在同一塊襯底上集成發射不同波長光波的有源區，有源區可以通過電驅動或者光激發而發光。

最早的單芯片多波長發光的LED芯片，其發光峰在475nm和540nm。其方案為在一個襯底上生長兩個層疊獨立的InGaN有源區，從而得到兩種波長的光。4.

單塊多波長LED芯片常用的熒光粉與波長如下：藍粉InGaN或GaN，波長465nm；黃粉(Y1Gd)3(AlGa)5O12，波長550nm；三基色紅粉Y2O2S:Eu3+，波長626nm；藍粉Sr5(PO4)3Cl:Eu2+，波長447nm；綠粉BaMgAl10O17:Eu2+,Mn2+，波長515nm。§6.2白光LED四、異質結LED結構

異質結LED由一層窄禁帶有源層加在n型和p型的寬禁帶導電層中間構成。這樣載流子會從兩邊向有源區注入，電子和空穴在有源區復合。這種情況下，擴散過第一個異質結界面的少數載流子會被第二個異質結界面阻擋在有源層中，這就增加了載流子的輻射復合，提高了發光效率。§6.3LED的性能一、發光效率1.

量子效率外量子效率：內量子效率：§6.3LED的性能一、發光效率輻射效率為輻射功率與輸入電功率之比輻射功率2.

輻射效率熱功率則

考慮發光和吸收兩方面的作用，輸出輻射功率

使

e取得最大值時的最佳dp值可由d

e／dx=0得到對于GaAsP發光二極管，

＝700cm-1Ln=1

m，得到dpm=2.5

m。輻射功率是正向電流和殼體溫度的函數。3.

發光效率發光效率光通量

v與輸入電功率P之比§6.3LED的性能二、伏安特性

發光二極管的伏安特性與普通小信號二極管相比，除正向電壓稍高一點外，在電氣性能方面完全相同。GaAs的正向開啟電壓為1V；而GaxAs1-xP和Ga1-xA1xAs的約為1.5V；GaP:ZnO的約為1.8V；GaP:N的為2V幾種材料的正向電流和電壓關系（1-Ge；2-Si；3-GaAs；4-GaAsP；5-GaP；6-SiC）§6.3LED的性能三、正向電流和亮度特性常用發光二極管的正向電流在小于1mA區域內亮度與電流的平方成正比，1mA～10mA之間，亮度對電流大致呈直線上升，因此亮度與電流密度成正比。當工作電流超過25mA時，亮度隨電流增長變慢，這是因引線串聯電阻發熱的影響增大造成的，若采用脈沖工作來降低發熱影響，曲線的直線范圍會擴大。可以用改變電流的大小來調整發光二極管的亮度，質量好的發光二極管在200μA時即能發出可見光來。發光二極管的響應速度較快，約為10-5-10-9秒。§6.4LED封裝與應用一、LED封裝LED封裝的功能主要包括：機械保護，以提高可靠性；加強散熱，以降低芯片結溫，提高LED性能；光學控制，提高出光效率，優化光束分布；供電管理，包括交流/直流轉變，以及電源控制等。LED封裝技術主要建構在五個主要考慮因素上：光學取出效率、熱阻、功率耗散、可靠性、性價比。§6.4LED封裝與應用一、LED封裝

表面貼裝式半導體發光器件，具有體積小、散射角大、發光均勻性好、可靠性高等優點，發光顏色包括白光在內的各種顏色，因此被廣泛應用在各種電子產品上。1.貼片封裝2.頂模封裝

仿照燈泡的封裝技術制造出來的燈珠，仿流明燈珠曾經是LED大功率照明的代表產品。主要為1W-3W的單顆芯片封裝頂模封裝貼片封裝§6.4LED封裝與應用一、LED封裝

將裸芯片用導電或非導電膠粘附在互連基板上，進行引線鍵合實現其電連接，一般是將眾多小的LED芯片整體焊接在一塊基板（鋁基板或者陶瓷基板）上，現在已經成為較大功率LED燈珠的主流。3.COB封裝4.集成封裝

在一顆支架上固幾顆芯片后的封裝，支架里面的晶片由串聯和并聯方式組合成不同功率的LED。優點：總體積小，每瓦功率單價低，配光較簡單。缺點：熱量集中，總功率要降低規格使用，以免光衰過快。集成封裝COB封裝§6.4LED封裝與應用一、LED封裝5.

發光效率LED頂層硅膠形狀直接影響其出光效率，一般有扁平，半球形和拋物面形三種形式。其中半球形出光角最大，適合于普通照明應用；拋物面出光角最小，適合于局部照明應用；而扁平形介于兩者之間，適合于指示照明。§6.4LED封裝與應用二、發光二極管的驅動

發光是以損耗電功率為代價的。發光管的供電電源可以是直流也可以是交流，不過與一般白熾燈不同，發光二極管是一種電流控制器件。

對發光二極管來說，不管供電電源的電壓如何，只要流過發光管的正向工作電流在所規定的范圍之內，器件就可正常發光。直流驅動電路晶體管驅動電路發光二極管的交流驅動§6.5半導體激光器工作機制

激光(Laser)取自英文(LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation)的首字母，意思是受激輻射光放大，按波段可分為可見光、紅外、紫外、X光以及波長可調諧等幾種。

激光是一種高質量的光源，具有以下特點。方向性好。激光發射后發散角非常小，激光射出20公里，光斑直徑只有20-30厘米，激光射到38萬公里的月球上，其光斑直徑還不到2公里。單色性好。激光的波長基本一致，譜線寬度很窄，顏色很純，單色性很好。由于這個特性，激光在通信技術中應用很廣。能量集中。由于激光的發射能力強，所以亮度很高，它比普通光源高億萬倍，比太陽表面的亮度高幾百億倍。相干性好。激光不同于普通光源，它是受激輻射光，具有極強的相干性，所以稱為相干光。

§6.5半導體激光器工作機制

激光器的種類很多，可分為固體、氣體、半導體和染料等。固體激光器一般比較堅固，脈沖輻射功率高，應用較廣泛。半導體激光器體積小、重量輕、壽命長、結構簡單，特別適合在飛機、軍艦、車輛、宇宙飛船等上使用。半導體激光器可以通過外加的電場、磁場、溫度、壓力等改變激光的波長，能將電能直接轉化為光能，發展迅猛。氣體激光器以氣體為工作物質，波長范圍寬，可達幾千種，造價低廉，應用最為廣泛，有電能、熱能、化學能、光能以及核能扽過多種激勵方式。染料激光器是以液態染料作為工作物質，被稱為液態激光器，其最大特點是波長連續可調。除以上幾種激光器外還有紅外激光器、X射線激光器、化學激光器、自由能激光器、準分子激光器、光纖波導激光器等，在工、農、醫以及軍事領域具有廣泛的應用。一、激光器分類§6.5半導體激光器工作機制

以半導體材料制備的激光器稱為半導體激光器。

半導體激光器就其激勵方式有：pn結注入電流激勵、電子束激勵、光激勵、碰撞電離激勵等。

應用最多的是pn結注入電流激勵，這種激勵方式的半導體激光器稱為二極管激光器、或者激光二極管，或者注入型半導體激光器。二極管激光器的種類比較多，按結構可分為法布里一珀羅（F-P）型、分布反饋（FB）型、分布Bragg反饋型（BR）、量子阱（Qw）和垂直腔面發射激光器（VCSEL）；按結型可分為同質結和異質結兩類；按波導機制可分為增益導引和折射率導引LD；按性能參數可分為低閾值、高特征溫度、超高速、動態單模、大功率等；按波長可分為可見光、短波長、長波長和超長波等等。一、激光器分類§6.5半導體激光器工作機制二、二極管激光器工作機制hνpn有源區-諧振腔光子限定區基本特性相干光束—方向、頻率、相位差相同光諧振光子限定受激輻射>受激吸收§6.5半導體激光器工作機制二、二極管激光器工作機制產生激光條件1.受激輻射+自發輻射>受激吸收

受激輻射+自發輻射≈受激輻射>受激吸收（粒子數反轉）2.光子限定；光子限定于確定區域。3.光諧振

--產生諧振：使增益大于損耗；形成單色光。§6.5半導體激光器工作機制二、二極管激光器工作機制§6.6半導體激光器工作條件一、有源區內粒子數的反轉分布∵pn結處非平衡狀態∴用準費米能級1.受激輻射>受激吸收§6.6半導體激光器工作條件一、有源區內粒子數的反轉分布粒子數反轉條件物理意義：受激發射大于受激吸收：導帶底電子占據幾率>價帶頂電子占據幾率。EFn–EFp>hν≥Eg：簡并半導體，但不能使其形成負阻效應粒子數翻轉--又稱電子限定輻射復合區域ECECEVEVEFECEVECEVEFnEFphνpn有源區-復合發光區np—p型區折射率；n1—有源區折射率；nn—n型區折射率。根據斯涅耳(SnellLaw):θc1

=arcsin(np/n1)θc2

=arcsin(nn/n1)有：n1>np;

n1>nn光波導--又稱光子限定，折射率差是產生光波導效應的基礎。光子被反射θc2

θc1

§6.6半導體激光器工作條件二、有源區光子限定產生激光需相干光，