實(shí)驗(yàn)六半導(dǎo)體發(fā)光器件的電致發(fā)光測量

1、實(shí)驗(yàn)六 半導(dǎo)體發(fā)光器件的電致發(fā)光測量081190088 楊靜 一 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與目的（1） 了解半導(dǎo)體發(fā)光材料電致發(fā)光的基本概念。（2） 了解并掌握半導(dǎo)體顯微探針測試臺、光纖光譜儀的使用。（3） 掌握半導(dǎo)體發(fā)光材料電致發(fā)光特性的測量方法。二 實(shí)驗(yàn)原理概述1輻射躍遷半導(dǎo)體材料受到某種激發(fā)時，電子產(chǎn)生由低能級向高能級的躍遷，形成非平衡載流子。這種處于激發(fā)態(tài)的電子在半導(dǎo)體中運(yùn)動一段時間后，又回到較低的能量狀態(tài)，并發(fā)生電子空穴對的復(fù)合。復(fù)合過程中，電子以不同的形式釋放出多余的能量。如躍遷過程伴隨著放出光子，這種躍遷成為輻射躍遷。作為半導(dǎo)體發(fā)光材料，必須是輻射躍遷占優(yōu)勢。導(dǎo)帶的電子躍遷到價帶，與價帶空穴相復(fù)

2、合，伴隨的光子發(fā)射，稱為本征躍遷。顯然這種帶與帶之間的電子躍遷所引起的發(fā)光過程，是本征吸收的逆過程。對于直接帶隙半導(dǎo)體，導(dǎo)帶與價帶極值都在k空間原點(diǎn)，本征躍遷為直接躍遷。由于直接躍遷的發(fā)光過程只涉及一個電子空穴對和一個光子，其輻射效率較高。間接帶隙半導(dǎo)體中，導(dǎo)帶與價帶極值對應(yīng)于不同的波矢k，這時發(fā)生的帶與帶之間的躍遷是間接躍遷。在間接躍遷過程中，除了發(fā)射光子外，還有聲子參與。因此，這種躍遷比直接躍遷的幾率小的多，發(fā)光比較微弱。如果將雜質(zhì)摻入半導(dǎo)體，則會在帶隙中產(chǎn)生施主及受主的能級，因此又可能產(chǎn)生不同的復(fù)合而發(fā)光。電子從導(dǎo)帶躍遷到雜質(zhì)能級，或雜質(zhì)能級上的電子躍遷入價帶，或電子在雜質(zhì)能級間的躍遷都

3、可以引起發(fā)光，這類躍遷稱為非本征躍遷。間接帶隙半導(dǎo)體本征躍遷幾率較小，非本征躍遷起主要作用。施主與受主之間的躍遷效率較高，多數(shù)發(fā)光二極管屬于這種躍遷機(jī)理。在施主受主對的復(fù)合中，過剩電子、空穴先分別被電離的施主和受主看成點(diǎn)電荷，把晶體看作連續(xù)介質(zhì)，施主與受主之間的庫倫作用力使受基態(tài)能量增大，其增量與施主受主雜質(zhì)間距離r成正比，所發(fā)射的光子能量為：E(E+E)式中E和E分別為施主和受主的電離能，是晶體的低頻介電常數(shù)。對簡單的替位施主和受主雜質(zhì)，r只能取一系列的不連續(xù)值，因此，施主受主復(fù)合發(fā)光是一系列分離譜線，隨著r的增大，成為一發(fā)射帶。2.電致發(fā)光根據(jù)不同的激發(fā)過程，可以有各種發(fā)光過程，如：光致發(fā)

4、光、陰極發(fā)光、電致發(fā)光等。半導(dǎo)體的電致發(fā)光（EL），也稱場致發(fā)光，是由電流（電場）激發(fā)載流子，將電能直接轉(zhuǎn)變成光能的過程。EL包括低場注入型發(fā)光和高場電致發(fā)光。前者是發(fā)光二極管（LED）和半導(dǎo)體激光器的基礎(chǔ)。本實(shí)驗(yàn)只涉及這類EL譜的測量。發(fā)光二極管是通過電光轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)發(fā)光的光電子器件，是主要的半導(dǎo)體發(fā)光器件之一，具有廣泛的應(yīng)用，如各類顯示、數(shù)據(jù)通訊等。特別是通過白色發(fā)光二極管實(shí)現(xiàn)固體照明，不僅可以節(jié)省能源、減少污染，而且體積小、壽命長，因此固態(tài)照明已被全世界重視。所有商用LED都具有P-N結(jié)結(jié)構(gòu)，因此以P-N結(jié)的發(fā)光為例來說明注入發(fā)光機(jī)制。P型半導(dǎo)體是摻雜了受主雜質(zhì)，而N型則是摻雜了施主雜質(zhì)，將

5、兩種材料放在一起，即得到P-N結(jié)。N型半導(dǎo)體中產(chǎn)生電子，P型半導(dǎo)體中產(chǎn)生空穴，在其中間產(chǎn)生耗盡層。P-N結(jié)處于平衡時，存在一定的勢壘區(qū)，場也相應(yīng)地減弱。這樣繼續(xù)發(fā)生載流子的擴(kuò)散，即電子由N區(qū)注入P區(qū)，同時空穴由P區(qū)注入到N區(qū)。進(jìn)入P區(qū)的電子和進(jìn)入N區(qū)的空穴都是非平衡少數(shù)載流子。這些非平衡少數(shù)載流子不斷與多數(shù)載流子復(fù)合而發(fā)光。如果采用異質(zhì)結(jié)，發(fā)光效率可以得到顯著的提高。由寬帶隙半導(dǎo)體材料隔開的中間發(fā)光區(qū)，兩種類型的過剩載流子從兩側(cè)注入并被限制在同一區(qū)域，過剩載流子數(shù)目顯著提高。隨著載流子濃度的提高，輻射壽命縮短，導(dǎo)致更為有效的輻射復(fù)合。如果中間有源區(qū)域減小到10nm或更小就形成量子阱，由于其厚度

6、與德布羅意波長相近，量子力學(xué)效應(yīng)出現(xiàn)，載流子狀態(tài)密度變得更高，從而可以獲得更高的發(fā)光效率。這是目前商用LED的實(shí)際結(jié)構(gòu)。電致發(fā)光譜的測量系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)與光致發(fā)光測量裝置類似，主要區(qū)別是用高溫定度直流電源代替了光致發(fā)光譜測量中所用的激發(fā)光源。針對半導(dǎo)體發(fā)光器件的電致發(fā)光的測量中，電源與發(fā)光器件的連接通常在探針測試臺上進(jìn)行，由金屬微探針壓在發(fā)光器件上預(yù)制的電擊表面形成歐姆接觸，使直流電源輸出的電壓和電流無損耗地加到被測器件上。本實(shí)驗(yàn)的光譜測量采用微型光纖光譜儀。這類光譜儀具有體積小、即插即用、檢測速度快、配置靈活、操作方便等特點(diǎn)。USB接口的微型光纖光譜儀內(nèi)置了先進(jìn)的探測器和強(qiáng)大的高速電路系統(tǒng)，與

7、掃描式單色儀相比，由于采用了線性探測器陣列，不需要轉(zhuǎn)動光柵來工作，光柵永久固定，保證了性能的長期穩(wěn)定，并能夠?qū)崿F(xiàn)高速檢測，配合電子快門，全譜測量的最短積分時間可達(dá)到數(shù)毫秒。三實(shí)驗(yàn)方法與步驟實(shí)驗(yàn)儀器與材料手動式半導(dǎo)體顯微探針測試臺：1臺探針座：2只探針：2根石英光纖（SMA905接頭）：1根鹵鎢燈光源（SMA905接頭）：1臺高精度直流電源：1臺微型光纖光譜儀：1臺微型計算機(jī)：1臺InGaN或AlGaAs LED芯片：若干實(shí)驗(yàn)方法與操作步驟 （一）測試系統(tǒng)的連接與調(diào)整1.用石英光纖連接探針測試臺上光收集單元與鹵鎢燈光源，開啟鹵鎢燈光源，根據(jù)被測樣品在載物臺上的實(shí)際位置調(diào)整探針測試臺上光收集單元的

8、位置與方向，使其出射光斑（定位光斑）照射于顯微鏡視野可及的區(qū)域，作為實(shí)際的測試點(diǎn)位置。2.以導(dǎo)線連接探針座電極與直流電源輸出端。開啟直流電源，根據(jù)需要調(diào)整限流電流（如為100mA）。3.將被測LED芯片放置于載物臺上，覆蓋其上的吸附孔。開啟真空泵和真空閥門開光，使芯片被穩(wěn)固地吸附于載物臺表面上。通過載物臺平移機(jī)構(gòu)將芯片移動到定位光斑位置。4.關(guān)閉鹵鎢燈光源。將石英光纖連接鹵鎢燈光源端改接到微型光纖光譜儀的輸入端口。用USB連接線連接微型光纖光譜儀與計算機(jī)。開啟光譜儀電源。啟動計算機(jī)。啟動光譜儀控制程序。（二）探針與電極的連接1.調(diào)節(jié)顯微鏡的倍率，以能夠清楚觀察探針尖端及LED芯片上電極為度。2

9、.使用載物臺上X軸/Y軸平移機(jī)構(gòu)移動載物平臺，將待測電極移動至顯微鏡視野中央。3.待測點(diǎn)位置確認(rèn)好后，再調(diào)節(jié)探針座位置，將探針裝上后可先通過眼視將探針移到接近待測點(diǎn)的位置旁，再使用探針座上下左右三個旋鈕，慢慢的通過顯微鏡觀察將探針移至測試點(diǎn)，此時動作一定要小心，以防動作太大而碰上到芯片，將探針針尖輕觸或稍微懸空到待測電極上。（滑動探針可以電極上留下劃痕，視為接觸）4.調(diào)節(jié)探針座的Z軸旋鈕使探針尖扎在待測電極上，確保針尖和電極良好接觸。則可以通過連接的測試設(shè)備開始測試。（三）電致發(fā)光的測量1.調(diào)節(jié)直流電壓電源的輸出電壓V(0-4V)，記錄直流電壓源的輸出電流（驅(qū)動電流）I，繪制LED芯片的I-V

10、曲線。2.通過微型光纖光譜儀測量與一組預(yù)定的驅(qū)動電流值對應(yīng)的LED的電致發(fā)光譜，繪制光譜曲線。3.根據(jù)電致發(fā)光譜計算出發(fā)光峰的面積，繪制發(fā)光峰面積-驅(qū)動電流曲線。四思考與討論（1）試舉出幾種典型的電致發(fā)光器件，并進(jìn)行簡要說明。答：交流電致發(fā)光顯示。它是將電致發(fā)光粉ZnS:CuCl或（ZnCd）S:CuBr混合在環(huán)氧樹脂和氰乙基醣的混合物的有機(jī)介質(zhì)中，兩端夾有電極，其中一個為透明電極。另一個是真空蒸鍍鋁或銀電極，構(gòu)成一個EL。高場薄膜電致發(fā)光（TFEL）。目前的ACTFEL多采用雙絕緣層ZnS:Mn薄膜結(jié)構(gòu)。器件由三層組成，發(fā)光層夾在兩絕緣層間，起消除漏電流與避免擊穿的作用。摻不同雜質(zhì)則發(fā)不同的

11、光，其中摻Mn的發(fā)光效率最高，加200V，5000Hz電壓時，亮度高達(dá)5000cd/m2。ACTFEL具有記憶效應(yīng)，通常室內(nèi)光照度下，記憶可維持幾分鐘，在黑暗中可保持十幾個小時。有機(jī)發(fā)光顯示器（OLED）又稱有機(jī)EL，是以有機(jī)薄膜作為發(fā)光體的自發(fā)光顯示器件。它是固體自發(fā)光器件，可適應(yīng)惡劣工作環(huán)境；它響應(yīng)時間短、發(fā)光效率高、視角寬、對比度高；它可在5V10V的低電壓下工作，功耗低，工藝簡單；制造成本低、有機(jī)發(fā)光材料眾多、覆蓋發(fā)光光譜從紅外到紫外，適合全彩色顯示；價廉、易于大規(guī)模生產(chǎn)；OLED的生產(chǎn)更近似于精細(xì)化工產(chǎn)品，可在塑料、樹脂等不同的材質(zhì)上生產(chǎn)，產(chǎn)品的機(jī)械性能好，不僅可以制造出筆記本電腦、

12、臺式機(jī)適用的顯示器，還有可能創(chuàng)造出墻壁大小的屏幕、可以彎曲折疊的屏幕。人們預(yù)言，隨著規(guī)模量產(chǎn)的到來，OLED可以比LCD成本低20%。（2）介紹幾種發(fā)光二極管在日常生活中的應(yīng)用。答：發(fā)光二極管是一種把電能直接轉(zhuǎn)換為光能的固體發(fā)光器件。它以體積小、耗電低、響應(yīng)速度快、亮度調(diào)整靈活、使用壽命長、穩(wěn)定性好、抗震性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)和家用電器等設(shè)備上。具體應(yīng)用有：指示用電源。在不需要高亮度的場所，可采用發(fā)光二極管作指示電源。例如示波器的標(biāo)尺照明、收音機(jī)的刻度照明、十字路口的信號指示燈等。電壓越限報警。利用發(fā)光二極管和穩(wěn)壓二極管的直流上下限報警。發(fā)光二極管作光電開關(guān)的光輻射源。光電開關(guān)是以光輻射驅(qū)動的電子開關(guān)，當(dāng)一定強(qiáng)度的光輻射到其中的光敏器件上時，會產(chǎn)生開關(guān)作用。驅(qū)動光電開關(guān)的輻射，可以是可見光，也可以是非可見光，可以用不同類型的發(fā)光二極管充任。閃光電路。發(fā)光二極管的閃光電路組成是將兩只發(fā)光二極管接在多諧振振蕩器的集電極電路中。這樣，當(dāng)多諧振振蕩器工作時，T1和T2交替導(dǎo)通，LED1和LED