半導體發(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合而產生的。一般的半導體發(fā)光二極管，多以Ⅲ-Ⅴ、Ⅱ-Ⅵ族化合物半導體為材料。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，圖2(a)是直接帶隙材料，包括GaN-InN-AlN、GaAs、InP、InAs及GaAs等，這些材料的導帶最低點與價帶最高點在同一K空間。所以電子與空穴可以有效地再復合（Recombination）而發(fā)光。而圖2(b)的材料均是間接帶隙（Indirect Bandgap），其帶隙即導帶最低點與價帶最高點不在同一K空間，以致電子與空穴復合時除了發(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合。圖3(a)及(b)是一般AlGaInP紅光LED產生光的原理，而圖3(c)則是AlGaInN的藍光及綠光LED 產生光的原理。{{分頁}}

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

    當電子與空穴復合而產生光時，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（Junction）的能帶結構，p型半導體是摻雜了受主雜質，而n型則是摻雜了施主雜質，將兩種材料放在一起即得到pn結。 n型半導體中產生電子，p型半導體中產生空穴，在其中間產生耗盡層（Depletion Layer）。當正向偏壓(Forward Bias)加在pn結時，多余的載流子（Carrier）會經過耗盡至而滲透至對方。圖6所示的是pn結能帶，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合產生光的情況，至于不發(fā)光的復合，則有通過禁帶中央深能級（Deep Trap Center）的復合以及在晶體中產生的熱能損失。{{分頁}}

　　當電子與空穴復合時產生不同波長的光，而光波λ與能量E間的關系是

　　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部量子效率（Internal Quantum Efficiency），即產生的光子（Photon）與進入pn結內的載流子之比，同時也要有高的外部量子效率（External Quantum Efficiency），即產生的發(fā)光光子數(shù)目與越過pn結的載流子數(shù)目之比，外部量子效率比內部量子效率低，原因之一是有些光在材料表面輻射之前被吸收，而且光到達表面時只有低于臨界角（Critical Angle）的光才能輻射。

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

    目前，LED的活性層也采用了半導體激光器所用的量子阱(Quantum Well)結構，圖8所示是量子阱能帶圖。當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生壓縮性或者伸張性應變（Strain），這些應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，但是藍光LED的特性到1992年后才突飛猛進。{{分頁}}