半導(dǎo)體發(fā)光二極管的基本原理

    目前使用的大部分燈具是白熾鎢絲燈或者采取氣體放電，而半導(dǎo)體發(fā)光二極管（LED）的發(fā)光原理則與大部分燈迥然不同。發(fā)光二極管自發(fā)性（Spontaneous）的發(fā)光是由于電子與空穴的復(fù)合而產(chǎn)生的。一般的半導(dǎo)體發(fā)光二極管，多以Ⅲ-Ⅴ、Ⅱ-Ⅵ族化合物半導(dǎo)體為材料。圖1示出的是Ⅲ- Ⅴ及Ⅱ-Ⅵ族元素的帶隙（Bandgap）與晶格常數(shù)（Lattice Constant）的關(guān)系。由圖可知，這些材料的發(fā)光范圍由紅光到紫外線，目前紅光的材料主要有AlGaInP，而藍(lán)綠光及紫外線的主要材料則有 AlGaInN。雖然Ⅱ-Ⅵ族材料也可以得到紅光和綠光，但是這族材料極為不穩(wěn)定，所以目前使用的發(fā)光材料大部分是Ⅲ-Ⅴ族。

    發(fā)光效率與材料是否為直接帶隙（Direct Bandgap）有關(guān)，圖2(a)是直接帶隙材料，包括GaN-InN-AlN、GaAs、InP、InAs及GaAs等，這些材料的導(dǎo)帶最低點(diǎn)與價帶最高點(diǎn)在同一K空間。所以電子與空穴可以有效地再復(fù)合（Recombination）而發(fā)光。而圖2(b)的材料均是間接帶隙（Indirect Bandgap），其帶隙即導(dǎo)帶最低點(diǎn)與價帶最高點(diǎn)不在同一K空間，以致電子與空穴復(fù)合時除了發(fā)光外，還需要聲子（Phonon）的配合，所以發(fā)光效率低。目前發(fā)光二極管用的都是直接帶隙的材料。

    在直接帶隙材料中，電子與空穴復(fù)合時，其發(fā)光躍遷（Radiative Transition）有多種可能性，如圖3所示。圖3（a）是帶間復(fù)合，圖3(b)是自由激子(Exciton)相互抵消，圖3(c)是在能帶勢能波動區(qū)域低勢能區(qū)局部束縛激子的再復(fù)合。圖3(a)及(b)是一般AlGaInP紅光LED產(chǎn)生光的原理，而圖3(c)則是AlGaInN的藍(lán)光及綠光LED 產(chǎn)生光的原理。{{分頁}}

    上述的“復(fù)合”是由于本身內(nèi)部（Intrinsic）產(chǎn)生的，但是假設(shè)將雜質(zhì)（Impurity）摻入半導(dǎo)體，則會在帶隙中產(chǎn)生施主（Donor）及受主（Acceptor）的能級，因此又可能產(chǎn)生不同的復(fù)合而發(fā)出光如圖4所示。圖4(a)是受主與導(dǎo)帶復(fù)合，圖4(b)是施主與價帶復(fù)合，圖4(c)是施主與受主的再復(fù)合，圖4(d)是激子再復(fù)合。

    當(dāng)電子與空穴復(fù)合而產(chǎn)生光時，這些光被稱為自發(fā)輻射（Spontaneous Emission），其光的方向如圖5(a)所示，是多方向的，這是發(fā)光二極管的發(fā)光特性。但是，如果發(fā)出的光是激發(fā)輻射（Stimulated）的，如圖5(b)所示其方向一致，則此種元件被稱為半導(dǎo)體激光二極管（LD：Laser Diode）。目前要得到高功率LED就是要得到非常高的自發(fā)輻射。

    圖6所示為發(fā)光二極管pn結(jié)（Junction）的能帶結(jié)構(gòu)，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)，將兩種材料放在一起即得到pn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（Depletion Layer）。當(dāng)正向偏壓(Forward Bias)加在pn結(jié)時，多余的載流子（Carrier）會經(jīng)過耗盡至而滲透至對方。圖6所示的是pn結(jié)能帶，其中，圖6(a)表示在平衡狀態(tài)，圖6 (b)表示在正向偏壓時，圖6(c)表示在注入高密度電流時的電子與空穴復(fù)合產(chǎn)生光的情況，至于不發(fā)光的復(fù)合，則有通過禁帶中央深能級（Deep Trap Center）的復(fù)合以及在晶體中產(chǎn)生的熱能損失。{{分頁}}

　　當(dāng)電子與空穴復(fù)合時產(chǎn)生不同波長的光，而光波λ與能量E間的關(guān)系是

　　其中，h是普朗克常數(shù)；c是光速。{{分頁}}

    所有的發(fā)光元件都需要具有高的內(nèi)部量子效率（Internal Quantum Efficiency），即產(chǎn)生的光子（Photon）與進(jìn)入pn結(jié)內(nèi)的載流子之比，同時也要有高的外部量子效率（External Quantum Efficiency），即產(chǎn)生的發(fā)光光子數(shù)目與越過pn結(jié)的載流子數(shù)目之比，外部量子效率比內(nèi)部量子效率低，原因之一是有些光在材料表面輻射之前被吸收，而且光到達(dá)表面時只有低于臨界角（Critical Angle）的光才能輻射。

    要得到高的內(nèi)部量子效率，一部分與結(jié)構(gòu)有關(guān)，簡單的pn結(jié)用同質(zhì)結(jié)構(gòu)（Homo-Structure）不易得到高效率，因?yàn)閜n結(jié)材料間折射率之差低，光的閾值也低，其結(jié)果如圖7(a)所示。用圖7(b)所示的雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)（DH：Double-Hetero Structure），可以提高效率。在雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)中，pn結(jié)材料與中間活性層（Active Region）的材料不同，帶隙較高，可以得到較高的折射率之差，所輻射的光不但強(qiáng)而且半高寬較窄，如圖7(b)所示，所以此種結(jié)構(gòu)已完全取代同質(zhì)結(jié)構(gòu)。

    目前，LED的活性層也采用了半導(dǎo)體激光器所用的量子阱(Quantum Well)結(jié)構(gòu)，圖8所示是量子阱能帶圖。當(dāng)活性層的厚度減小到與德布羅意（de Broglie）波長相近時，量子力學(xué)現(xiàn)象出現(xiàn)，這些薄的活性層就是量子阱，量子阱的數(shù)目可以是一個到數(shù)十個，量子阱的帶隙是不連續(xù)的（Discrete），也是分離的。用量子阱可以得到小的臨界電流（Threshold Current），同時量子阱的材料可以改變晶格不匹配以產(chǎn)生壓縮性或者伸張性應(yīng)變（Strain），這些應(yīng)變可以改變波長并減少臨界電流。

    用AlGaAs及AlGaInP均可得到紅光，用AlGaInN可以得到藍(lán)光、綠光及紫外線，一般都用MOCVD(Metalorganic Chemical Vapor Deposition)法或OMVPE（Organic Metal Vapor Phase Epitaxial）法生長AlGaInP及AlGaInN材料，用不同量子阱材料得到不同顏色的LED。圖9(a)所示是一些例子，例如用AlGaAs 得到649nm紅光，用AlGaInP得到594nm的琥珀色光，用AlGaInN得到517nm的綠光及465nm與427nm的藍(lán)光等。這些LED的 I-V（電流-電壓）特性示于圖9(b)。由圖可見，AlGaAs DH LED 及AlGaInP DH LED 的I-V特性相近，效率r=2表示電流主要是用作發(fā)光的再復(fù)合，AlGaInN DH LED 則不同，低電流主要是隧道（Tunnelling）電流，但是AlGaInN SQW（單量子阱）低電流時 r=2，高電流時有高電阻。圖10所示是可見光LED的發(fā)展史，自1970年左右開始紅光LED的光功率不斷上升，但是藍(lán)光LED的特性到1992年后才突飛猛進(jìn)。{{分頁}}