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，施主与受主之间的库仑作用力使受激态能量增大，其增量与施主-受主杂质问距离r成正比，所发射的光子能量为：

ην=E

g ?(E

D

+E

A

)+q

2

4πεε

r

式中，ED和EA分别为施主和受主的电离能，ε是晶体的低频介电常数。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。

图6.3 p-n结能带

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。

发光二极管是通过电光转换实现发光的光电子厂器件，是主要的半导体发光器件之一，具有广泛的应用，如各类显示、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。

图6.4 在双异质结中由宽带隙半导体材料隔

开的中间发光区，更高的载流子浓度及载

流子限定的改善。

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。图6.3所示为发光二极管p-n结的能带结构。p-n结处于平衡时，存在一定的势垒区，如图86场也相应地减弱（图8.3(b)）。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。图 6.4所示为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，从而可以获得很高的发光效率。这是目前商用LED的实际结构。

对于LED应用，最重要的半导体材料包括：AlGaAs（覆盖从红光到红外的很宽的波长范围），InAlGaP（覆盖了红、橙、黄、绿可见光谱区域），InGaN（覆盖绿光、蓝光和紫外光谱），GaAsP（覆盖了从红外到可见光谱中部的很宽的波长范围）。InGaN是可实现蓝光和紫外光的LED的重要材料，成为发展白光固态照明的关键。图6.5给出了基于InGaN量子阱的蓝光LED的典型结构。

图6.5 基于InGaN量子阱的蓝光LED的典型结构3. 电致发光性质的测量系统

图6.6 电致发光实验系统示意图

图6.7 一台手动式半导体显微探针测试台

电致发光谱的测量系统如图 6.6所示，其基本结构与光致发光测量装置类似，主要区是用高稳定度直流电源代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极表面形成欧姆接触，使直流电源输出的电压和电流无损耗地加到被测器件上。实际生产的LED，其核心部分是包含制备于半导体衬底上的量子阱的半导体晶片，称为LED芯片。通常在封装前单个LED芯片的面积小于lmm2，因此探针与其电极的连接需要在显微镜下完成。图 6.7显示了一台实验室常用的手动式半导体显微探针测试台，其基本构造包括支架平台，载物台，探针座以及显微系统。其中载物台可通过精密机械机构进行360度自由旋转及X-Y平移，配合探针座的移动保证被测芯片上的任意位置都能被点测到。载物台上有若干吸附孔，与真空泵连接，能够吸住被测芯片平贴于台面上，防止测试时滑动。探针座上也包含高精度的X-Y-Z线性移动机构，用来移动探针精确点扎到预定的电极上。探针座通过磁力吸附于支架平台上。测试探针安装于探针座探针针杆上。用于电致发光测试的探针其针尖材质通常为钨，针杆材质为镍，具有小的接触电阻和高的柔性，能与被测芯片表面形成良好接触并不损伤芯片。探针针尖的曲率半径为1-20μm可选。探针座上引出导线可与直流电源输出端连接。

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。图6.8为一台USB接口的微型光纤光谱仪的结构图。其中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，全谱测量的最短积分时间可达到数毫秒。

图6.8一台USB微型光纤光谱仪的内部结构。（1）SMA905连接器，由光纤导入的信号线经由SMA905连接器进入光学平台。SMA905连接器精确地对准光纤断面，固定狭缝、滤光片等。（2）固定入射狭缝，信号光首先通过作为入射孔的固定狭缝。狭缝的宽度从5μm 到200μm可选。狭缝固定在SMA905连接器中，和光纤端面对准。（3）长通吸收滤光片。（4）准直镜。将入射光准直后，投射到光栅上。（5）光栅。（6）聚焦镜。将一级衍射光谱聚焦到探测器面板上。（7）探测器聚光透镜。被固定于探测器的窗片上，将通过狭缝高度方向的信号光聚焦到窄小的探测器像元上，提高采集信号光的效率。（8）探测器。采用包含数千像元的线性CCD阵列。每个像元对不同波长的信号光产生响应。产生的电信号经过软件处理后得到完整的光谱。

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

微型光纤光谱仪：1台

微型计算机：1台

InGaN或AIGaAs LED芯片：若干

实验方法与操作步骤

（一）测试系统的连接与调整

1.用石英光纤连接探针测试台上光收集单元与卤钨灯光

源，开启卤钨灯光源，根据被测样品在载物台上的实际位置调整探针测试台上光

收集单元的位置与方向，使其出射光斑（定位光斑）照射于显微镜视野可及的区

域，作为实际的测试点位置。

2.以导线连接探针座电极与直流电源输出端。开启直流

电源，根据需要调整限流电流（如为l00）。

3.将被测LED芯片放置于载物台上，覆盖其上的吸附

孔。开启真空泵和真空阀门开关，使芯片被稳固地吸附于载物台平面上。通过载

物台平移机构将芯片移动到定位光斑位置。

4.关闭卤钨灯光源。将石英光纤连接卤钨灯光源端改接

到微型光纤光谱仪的输入端口。用USB连接线连接微型光纤光谱仪与计算机。开

启光谱仪电源。启动计算机。启动光谱仪控制程序。

（二）探针与电极的连接

1.调节显微镜的倍率，以能够清楚观察探针尖端及LED

芯片上电极为度。

2.使用载物台上X轴/Y轴平移机构移动载物平台，将待

测电极移动至显微镜视野中央。

3.待测点位置确认好后，再调节探针座的位置，将探针

装上后可先通过目艮视将探针移到接近待测点的位置旁，再使用探针座上下左右

三个旋钮，慢慢的通过显微镜观察将探针移至测试点，此时动作一定要小心，以

防动作太大而碰伤到芯片，将探针针尖轻触或稍微悬空到待测电极上。（滑动探针

可以电极上留下划痕，视为接触）

4.调节探针座的Z轴旋钮使探针尖扎在待测电极上，确

保针尖和电极良好接触。则可以通过连接的测试设各开始测试。

（三）电致发光的测量

1.调节直流电压源的输出电压V（0-4伏），记录直流电

压源的输出电流（驱动电流）I，绘制LED芯片的I-V曲线。

数据记录如下：

V(v) 2.

2.6 2.7 2.8 2.9 3

3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 4

5

I(mA) 0 1 3 6 10 14 19 23 29 34 40 47 53 60 67 75

2.通过微型光纤光谱仪测量与一组预定的驱动电流值对

应的LED的电致发光谱，绘制光谱曲线。

记录的相应的电压与电流值如下：

I(mA) 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

V(v) 2.79 2.94 3.07 3.16 3.26 3.36 3.44 3.53 3.62 3.71 画的曲线如下：

光谱曲线如下：

3.

根据电致发光谱计算出发光峰的面积，绘制发光峰面

积-驱动电流曲线。

计算的面积如下： I(mA) 5 10

15

20

25

30

35

40

45

50 area

43,175.10765 49,920.6035 53,248.14705 60,716.28975 91,895.92035 167,544.787

244,824.19475 341,892.78755 415,894.2585

5

500,895.27125

绘的曲线如下：

四、思考与讨论

1.试举出几种典型的电致发光器件，并进行简要说明。

答：如LED灯，半导体激光器等。LED发出的光谱线较宽，而且人们希望得到能发出白光的光源，而半导体激光器则恰恰相反，半导体激光器发出的光一般谱线较窄，而且人们希望得到更窄的谱线。

2.介绍几种发光二极管在日常生活中的应用。

答：做显示及照明，如LED灯，二极管的报警装置灯等。还可以做指示灯，背光灯灯，比如用作广告牌，车尾灯，背光键盘等。

3.比较发光二极管与光电二极管的工作机理，设计一个由发光二极管和光电二极管组成

的运动感知机构。

答：发光二极管：利用电的泵浦，产生大量的电子-空穴对，电子和空穴会经过复合而产生光。

光电二极管：光照射在PN结上会被电子吸收，相应的电子因此而获得动能而运动（突破了能级的束缚），会因此而产生光电流。

设计：将发光二极管绑定在运动的物体上，用光电二极管做探测器，当物体运动时，发光二极管与光电二极管之间的距离会发生改变，由于光强与距离的平方成反比，因此光电二极管接受的光强会随距离有规律的变化，相应产生的电流也会变化，通过测量产生的电流可以得到物体运动的规律。