第4章發(fā)光二極管(LED)

第3章發(fā)光二極管（LED）引言制作LED的材料LED工作原理外量子效率先進LED結(jié)構LED性能的影響因素LED的輸出功率和調(diào)制帶寬影響LED穩(wěn)定性的因素1史上第一只LED1962年美國通用電氣實驗室的HolonyakN博士研制GaAsP紅色LED氮氣保護的玻璃封裝亮度不夠(發(fā)光效率<0.1lm/W)不便于安裝使用,而且很貴2LED的發(fā)展1962年1970年1983年1991年1998年3藍光LED芯片45I.引言LED是通過自發(fā)輻射過程發(fā)光的器件，與通過受激輻射發(fā)光的半導體激光器相比，其不同之處在于：結(jié)構簡單；價格低廉；可靠性高。但其不足之處在于：響應速度低；輸出功率小；輸出頻譜寬。6在正向外加偏置下，少數(shù)載流子注入P-N結(jié)(注入)LED的主要應用場合:信息顯示光源（通信、照明等）1.LED器件內(nèi)部的主要光電過程：(LED功能是將輸入的電能轉(zhuǎn)換為光能輸出)注入的少數(shù)載流子與半導體材料中的多數(shù)載流子復合(復合)光子輻射(發(fā)光)7改進的LED:高輸出功率高響應速度高耦合效率第一代LED:GaAlAs-LED,第二代LED:InGaAsP-LED,LED的劃代：8II.LED的材料選擇原則發(fā)光器件的材料選擇，首先要考慮的是器件的發(fā)光效率。電子-空穴對的復合過程有兩種：輻射復合：產(chǎn)生光子；非輻射復合：不產(chǎn)生光子，能量以其他形式散失。

在LED的發(fā)光過程中，兩種輻射機理同時存在，要提高器件的發(fā)光效率，必須盡量使非輻射復合所占比重更小。間接帶隙材料內(nèi)部的復合過程大多屬于非輻射復合，例如俄歇過程。因而半導體光源的材料絕大多數(shù)都是直接帶隙材料，間接帶隙材料無法用于制作光源。例如Si和Ge都不能用于制作半導體光源。9光源的特點和用途發(fā)射光子能量接近于材料帶隙；可見光區(qū)域的光子能量范圍：1.7eV-2.8eV；長途通信用光源的光波長在光纖中的損耗要低：1.3和1.55um局域網(wǎng)通信所用光源成本要低：例如GaAs光源（0.85um）與光電檢測器的制作過程類似，LED也需要利用外延生長技術生成外延層，在外延層上制作發(fā)光區(qū)，材料的選擇必然受到晶格匹配的限制。常用材料為GaAs系列和InP系列材料，這兩類容易滿足晶格匹配條件，且材料制作工藝成熟。10可見光的光波波長范圍在770-350納米之間。波長不同的電磁波，引起人眼的顏色感覺不同。770-622nm，感覺為紅色；622-597nm，橙色；597-577nm，黃色；577-492nm，綠色；492-455nm，藍靛色；455-350nm，紫色。110.70.80.91.01.11.21.31.41.5衰減（dB/km）第一窗口第二窗口波長——λ（μm）普通單模光纖的衰減隨波長變化示意圖6543210。40。2第三窗口

C波段1525~1565nm

1.571.62

L波段12III.LED的工作原理正向偏置條件下，注入少數(shù)載流子，并與多數(shù)載流子復合，產(chǎn)生光子，光子穿過一定厚度的半導體材料向外輻射，形成光輸出。正向偏置，注入少數(shù)載流子：電子注入P區(qū)，空穴注入N區(qū)；少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復合，產(chǎn)生光子；光子出射。描述這一發(fā)光過程的效率的參數(shù)主要有：輻射效率、注入效率、出光效率以及內(nèi)量子效率和外量子效率。131.輻射效率其定義為：在載流子復合過程中，輻射復合在總的復合過程中所占的比例。14由于：直接帶隙材料間接帶隙材料152.注入效率在正向偏置條件下，注入PN結(jié)的電流由三部分構成：注入到P區(qū)的電子擴散電流Jn；注入到N區(qū)的空穴擴散電流Jp；中間耗盡層中由陷阱復合導致的電流JGR

在這三種電流中，只有前兩者的復合過程會產(chǎn)生光子，例如Jn注入到P區(qū)后，電子成為少數(shù)載流子，與P區(qū)的空穴復合產(chǎn)生光子。而JGR是由中間耗盡區(qū)的陷阱引起的復合所消耗，并不產(chǎn)生光子。由于P區(qū)靠近發(fā)光表面，因而只有Jn引起的發(fā)光才是有效的。注入效率就是注入的Jn在總電流中所占的比例。16光子出射光子被吸收頂層底層17為減少光子的再吸收，提高發(fā)光效率，發(fā)光區(qū)要靠近出射面;提高注入效率，必須盡量提高Jn的值;使用高純度材料，減少陷阱雜質(zhì)，可以降低JGR，提高發(fā)光效率。18由三種電流的表達式，要增大Jn所占比重，提高注入效率，應該使P區(qū)輕摻雜，N區(qū)重摻雜，即使用PN+結(jié)。對于這種結(jié)，ND》NA,且對于III族或者V族元素，電子遷移率要遠大于空穴遷移率，因此Jn要遠大于Jp，注入效率接近于1。對于同質(zhì)結(jié)來說，存在下列等式：19對于異質(zhì)結(jié)，亦存在下列等式：異質(zhì)結(jié)中，兩種材料的帶隙差越大，對載流子的限制作用越強，就注入效率越高。203.內(nèi)量子效率：21在器件設計過程中，P區(qū)的摻雜濃度要綜合考慮，摻雜濃度低則注入效率高，但輻射效率下降；摻雜濃度高則輻射效率提高，而注入效率降低。激光器工作所需要的典型載流子濃度退簡并狀態(tài)低注入?yún)^(qū)GaAs半導體激光器在300K時的溫度特性輻射復合壽命22復合過程半導體材料中電子-空穴對的復合過程分為兩類：輻射復合和非輻射復合。輻射復合：帶間復合；淺雜質(zhì)-帶間復合：淺施主-帶間復合、導帶-淺受主復合；激子復合；施主-受主對復合。非輻射復合：俄歇復合；多聲子躍遷；深能級復合中心復合；表面復合。23帶間復合淺施主-價帶復合導帶-淺受主復合施主-受主對復合24DirectPhononAssistedTrapAssistedDonor-AcceptorRelated25直接復合(1)直接復合(2)26陷阱復合(1)陷阱復合(2)27施主-受主對復合(2)施主-受主對復合(1)28有聲子參與的俄歇過程29【例題3.1】

一個LED其主體結(jié)構為GaAs材料制作的PN結(jié)，工作在300K室溫條件下，GaAs本征半導體載流子密度為2×106cm-3。PN結(jié)的參數(shù)如下，求此PN結(jié)的注入效率。30【解】

少子濃度為擴散長度為：3132【例題3.2】GaAs材料制作的LED，其參數(shù)與例題3.1中相同，假設注入的總的電流為0.35mA，輻射效率為0.5。（1）請計算此LED產(chǎn)生的光子流；（2）GaAs帶隙為1.43eV，計算產(chǎn)生的光功率。【解】

注入的電子電流為產(chǎn)生的光子流為3334IV.外量子效率外量子效率表征的是器件的總的發(fā)光效率，也稱為表觀效率，即器件從外界來看的總發(fā)光效率。351.出光效率定義：

指從發(fā)光面出射的光子數(shù)占發(fā)光區(qū)產(chǎn)生的總的光子數(shù)的比例。發(fā)光區(qū)產(chǎn)生的光子并非都能出射，這是因為在半導體材料中存在多種導致光子損耗的因素：發(fā)光區(qū)產(chǎn)生的光子需要穿過一定厚度的材料才能到達出射面，在此過程中材料會吸收光子，產(chǎn)生電子-空穴對；到達出射面的光子，由于界面的菲涅爾反射，有一部分光子無法出射，形成菲涅爾反射損耗；在出射界面處，若入射角大于臨界角，會發(fā)生全反射，因而只有有限角度范圍內(nèi)的光子能夠出射。362.提高出光效率的措施（1）盡量減小吸收損耗；容易想到的思路是使用吸收系數(shù)小的材料，如間接帶隙材料，但這不是好的辦法，因為間接帶隙材料輻射效率很低；可以考慮減小吸收層的厚度，讓發(fā)光區(qū)盡量靠近表面，但表面陷阱密度高，引起的復合屬于非輻射復合，造成器件發(fā)光效率下降；有效的方法是使用異質(zhì)結(jié)結(jié)構，限制層材料帶隙比發(fā)光區(qū)材料帶隙更大，相對于發(fā)光區(qū)的光子而言是透明的，無吸收。37（2）降低菲涅爾損耗；

+n界面處的反射率為R，這種反射損耗稱為菲涅爾損耗。

對于GaAs與空氣之間的界面：38兩種介質(zhì)的折射率相差越大，界面處的菲涅爾損耗就越高。降低菲涅爾損耗的措施：在界面處加上一個透明的電介質(zhì)罩，盡量減小兩種介質(zhì)的折射率差。例如，如果用折射率為1.6的透明材料在GaAs光源外部制作電介質(zhì)罩，其菲涅爾損耗將從33%降低到15%。39（3）降低表面全反射損耗；

在出射面，如果入射光角度大于臨界角，光波會以全反射的形式被反射回器件內(nèi)部而不是從界面輻射出去。這種損耗稱為全反射損耗。

為全反射臨界角。例如，對于GaAsP材料制作的LED：403.耦合效率光源發(fā)出的光波經(jīng)過調(diào)制變成攜帶信息的光信號，再耦合進光纖，才能在光纖中以全反射的形式傳輸。要提高耦合效率，就需要設計更好的光源結(jié)構，或者采用合適的耦合結(jié)構，使光源發(fā)出的光波更好地耦合進光纖。41光纖的全反射角為：其中An為光纖的數(shù)值孔徑，光源與光纖的最大耦合效率為：42【例題3.3】光束由GaAs材料向空氣入射，計算界面處的反射率和全反射角；如果光束是從GaAs向折射率為1.5的玻璃介質(zhì)入射，計算其反射率和全反射角。若空氣介質(zhì)換為玻璃，反射率和全反射角分別為：結(jié)論：采用電介質(zhì)罩結(jié)構，可有效降低菲涅爾損耗和全反射損耗。43【例題3.4】一個出射光能分布符合余弦規(guī)律的LED，出射光束耦合進光纖，光纖纖芯折射率1.5，包層折射率1.4，計算光纖的最大接收角和光源與光纖的最大耦合效率。即：LED發(fā)出的光波中，最多只有6%能夠耦合進光纖。44V.先進的LED結(jié)構

1.雙異質(zhì)結(jié)LED45雙異質(zhì)結(jié)LED：使用大帶隙材料的限制層將發(fā)光區(qū)與出射面隔開，一方面光子出射過程中穿過限制層時不會被吸收；另一方面，可使發(fā)光區(qū)遠離表面缺陷，提高發(fā)光效率。中間發(fā)光區(qū)稱為有源區(qū)或者激活區(qū)，厚度為0.1-0.2um；有源區(qū)材料(GaAs)帶隙比限制層材料(AlGaAs)帶隙?。划愘|(zhì)結(jié)的生成需要外延生長技術。

雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構可使注入的電子和空穴被兩側(cè)勢壘有效束縛在中間有源區(qū)，使有源區(qū)匯聚了較高濃度的載流子，提高了注入效率。無論是電子電流還是空穴電流都是有效注入，都對發(fā)光有貢獻。462.邊輻射LED限制層(將載流子限制在有源區(qū))背反射鏡(減少光損耗)光波47①注入的電流被局限在一個帶狀區(qū)域內(nèi)；②有源區(qū)兩側(cè)的限制層折射率比有源區(qū)低。使光束集中在一個較小區(qū)域內(nèi)出射，光能集中，且由于兩側(cè)限制層形成類似平板波導的作用，光束出射時發(fā)散角較小，大部分能量集中在較小的錐形角度內(nèi)，使其與光纖之間的耦合效率較高。有源區(qū)兩側(cè)的限制層材料的帶隙比有源區(qū)材料帶隙小，形成勢壘作用，對載流子有較強的限制，使載流子被束縛在有源區(qū)，有源區(qū)集中了較高的載流子濃度，提高了注入效率。其中P區(qū)一側(cè)形成了電子的勢壘，N區(qū)一側(cè)形成了空穴的勢壘。限制層材料折射率比有源區(qū)折射率低，相當于平板波導，光束在界面易形成全反射，對光束有較強的限制作用，使光能集中在較小區(qū)域內(nèi)出射。483.面輻射激光器

通過蝕刻在LED表面形成小孔；將裸光纖插入小孔，用環(huán)氧樹脂固定，直接與LED耦合；光束出射后直接耦合進光纖。49(a)面輻射LED通過折射率匹配介質(zhì)與多模光纖耦合(b)面輻射LED通過微透鏡與多模光纖耦合50面輻射LED與邊輻射LED的光束出射情況51【思考題】為什么在同質(zhì)結(jié)LED中，應該使電子注入電流盡量大，空穴注入電流盡量小，而在異質(zhì)結(jié)LED中，并不需要這樣做？與普通的面發(fā)射LED相比較，為什么邊輻射LED與光纖之間的耦合效率更高？52VI.LED的性能描述LED的光-電特性(P-I特性)

LED屬于自發(fā)輻射發(fā)光，不存在閾值特性。由于器件發(fā)熱導致輸出飽和注入電流輸出光功率低注入條件下：53LED的P-I特性：注入電流較小時，輸出光功率與注入電流是線性關系，輸出光功率隨注入電流的增大而線性增加；注入電流越大，器件發(fā)熱越明顯，俄歇復合逐漸加??；當注入電流增大到一定程度，俄歇復合更加明顯，消耗了大量的載流子，輸出光功率不再隨注入電流增加而增大，即器件的輸出達到“飽和”狀態(tài)。542.LED的頻譜特性LED發(fā)光機理為自發(fā)輻射，產(chǎn)生的大量光子之間頻率、相位、方向都互不關聯(lián)，輸出光具有較大的頻譜寬度。55LED線寬的估算（以能量表示）：

在低注入條件下

在高注入條件下n為載流子濃度，Nc為導帶的有效帶邊密度。(室溫300K)563.LED的瞬態(tài)響應57LED調(diào)制帶寬頻率3dB帶寬10.5與載流子壽命成正比58注入電流越大，載流子密度就越高，載流子復合加劇，響應速度提高；一個典型的LED其復合壽命在ns量級，帶寬在GHz量級。594.LED發(fā)光的溫度特性溫度對LED的工作特性有重要影響，這種影響從兩個方面體現(xiàn)出來：(1)在較高溫度下，更多的載流子以漏電流的形式到達電極區(qū)，而不是相互復合產(chǎn)生光子；(2)溫度越高，俄歇復合越強，降低了器件的發(fā)光效率。60

低溫

漏電流小

(a)注入載流子(空穴)注入載流子(電子)61結(jié)溫高注入載流子的能級更加分散，有些具有較高能量漏電流大漏電流注入載流子(電子)漏電流62溫度對輸出光功率的影響：

T1為器件的溫度參數(shù)，其值越大，器件對溫度變化越不敏感，溫度特性越好。在注入電流較大的情況下，為了有效抑制器件的溫度效應，往往采用脈沖電流源，而不是連續(xù)電流源。InGaAsP材料：GaAs材料：63VII.輸出功率及調(diào)制帶寬輸出光子流輸出光功率為單位時間單位體積內(nèi)由于輻射復合消耗的載流子數(shù)目；為單位時間單位體積內(nèi)外界注入的載流子數(shù)目。64要提高LED的輸出光功率，器件設計時需要考慮：注入載流子密度：輸出光功率隨載流子密度線性變化。器件橫截面積：在注入電流密度不變條件下，器件橫截面積越大輸出光功率越大，呈線性關系。但是，受限于器件的制作工藝，橫截面積不可能太大，因面積越大越容易引入缺陷。有源區(qū)厚度：其他條件不變時，厚度越大，則發(fā)光區(qū)體積越大，產(chǎn)生的光子就越多，輸出光功率就越大。但響應速度下降。輸出功率與帶寬存在一定的矛盾關系，器件設計時需綜合考慮。65一般情況下:例如有些LED:100.11.010調(diào)制帶寬(MHz)輸出功率(mW)AlGaAsLEDsInGaAsPLEDs66VIII.LED的可靠性及壽命任何器件都有其使用壽命，通常用輸出功率的變化來判斷LED是否已經(jīng)達到了其使用壽命。但不同的系統(tǒng)其判別的標準并不相同，例如一般通信系統(tǒng)可以將門限值設定為50%，即當LED發(fā)出光功率下降到其額定功率的50%時，認為其到達了使用壽命；而某些對光源功率有更高要求的系統(tǒng)可能將門限值設定得更高一些，比如80%，即當輸出功率下降到額定功率的80%時就必須更換。影響LED壽命的因素主要包括：早期失效；反常失效；漸變失效。67（1）早期失效早期失效是指在器件的制作階段，由于材料質(zhì)量較差或者制作工藝不成熟，在器件內(nèi)部造成了大量的缺陷，嚴重影響了器件的性能。這種失效對于制作者會造成損失，但是對于最終使用者不會帶來影響，因為在設備出廠之前有個“考機”過程，即對設備通電達100小時左右，觀察是否損壞。帶有早期失效的器件，一般無法通過這個過程的檢驗，因而在出廠前就會被剔除，不可能到使用者手中。68（2）反常失效反常失效是指器件內(nèi)部的缺陷由于統(tǒng)計性的運動特性，可能會產(chǎn)生聚集，造成器件使用壽命降低。例如，有些帶有缺陷的器件，在器件工作溫度升高時，會向有源層匯聚，使有源層缺陷密度較高，器件效率及輸出功率下降嚴重。帶有反常失效的器件其壽命遠大于“考機”時間，因而在出廠前無法剔除，但是其使用壽命比正常壽命要短得多。因而這種缺陷對于使用者來講危害是比較大的。69（3）漸變失效漸變失效是指質(zhì)量良好的器件在正常使用時的逐漸老化過程。任何器件在使用過程中其性能會逐漸下降，最終其性能不能滿足使用要求。使用壽命一般簡稱為MTTF(MeanTimeToFailure)不同材料的LED其使用壽命差別較大。GaAsInP70本章主要內(nèi)容總結(jié)

LED的定義

LED的工作過程

輻射效率

注入效率

出光效率

內(nèi)量子效率

外量子效率

耦合效率

LED線寬（頻譜）的估算

先進的LED結(jié)構

LED的性能

LED的可靠性71【例題3.5】一個由P-N+型同質(zhì)結(jié)構成的LED，其工作參數(shù)如下。計算：（1）器件的總量子效率；（2）單位時間內(nèi)產(chǎn)生的載流子數(shù)目；（3）注入電流I。72（1）器件的總量子效率（外量子效率）：（2）單位時間產(chǎn)生的載流子數(shù)目：

出光效率為0.2，即產(chǎn)生的光功率中有20%能夠輸出，而輸出功率為1mW，因而產(chǎn)生的光功率為5mW，對應光子數(shù)目為：73（3）注入電流I：總的量子效率的含義是單位時間內(nèi)輸出的光子個數(shù)與輸入的電子個數(shù)的比值