发光二极管和半导体激光器课件.ppt

7.2 辐射复合与非辐射复合,7.2.1 非平衡载流子的辐射复合,4）通过深能级的复合,电子和空穴通过深能级复合时，辐射的光子能量远小于禁带宽度，发射光的波长远离吸收边。对于窄带隙材料，要得到可见光是困难的，但对于宽禁带材料，这类发光具有实际意义，例如，GaP中的红色发光便是通过深能级的复合发光。深能级往往还是造成非辐射复合的根源，在直接带隙材料中很明显，实际工作中，往往需要尽量减少深能级，以提高发光效率。,7.2 辐射复合与非辐射复合,7.2.1 非平衡载流子的辐射复合,5）激子复合,如果半导体吸收能量小于禁带宽度的光子，电子被从价带激发，但由于库伦作用，仍受到价带中留下空穴的束缚，形成激子，在禁带中形成一系列激子能级。被库伦能束缚在一起的电子-空穴对称为激子，激子作为一个整体，可以在晶体内自由运动。激子是电中性的，激子的运动 不会引起电流，但它是一个能 量系统，可以把能量以辐射方 式或非辐射方式重新释放。,7.2 辐射复合与非辐射复合,7.2.1 非平衡载流子的辐射复合,根据束缚程度不同，激子分为两类：1. 弗伦克尔（Frenkel）激子或紧束缚激子：其半径为晶格常数量级。2. 万尼尔（Wannier）激子：电子和空穴束缚较弱，二者之间距离远大于晶格常数。通常半导体中存在的是万尼尔激子。束缚激子：激子在晶体中的运动可以受到束缚，而不能再自由运动。能束缚激子的有施主、受主、施主-受主对和等电子陷阱等。,5）激子复合,7.2 辐射复合与非辐射复合,7.2.1 非平衡载流子的辐射复合,激子能级(激子束缚能)：可以用类氢原子模型来计算。,晶体的相对介电常数,电子和空穴的有效折合质量,氢原子的基态电离能。,电子的有效质量,空穴的有效质量,激子能级是分立的。n=1:激子的基态能级；n=时，激子能级=0，相当于导带底，电子和空穴完全摆脱了束缚。,Eg,导带底,价带顶,5）激子复合,导带底,价带顶,7.2 辐射复合与非辐射复合,7.2.1 非平衡载流子的辐射复合,对于自由激子，电子和空穴复合时会把能量释放出来产生光子。对于直接带隙半导体，自由激子复合发射光子的能量为：,对于间接带隙半导体，自由激子复合发射光子的能量为,吸收或放出能量为Ep的N个声子,5）激子复合,Eg,7.2 辐射复合与非辐射复合,7.2.1 非平衡载流子的辐射复合,对于束缚激子，若激子对杂质的结合能为Ebx，则其发射光谱的峰值为,是材料和束缚激子中心的电离能Ei 的函数。,近年在发光材料的研究中，发现束缚激子对发光有重要作用，而且有很高的发光效率。例如，GaP中，Zn-O对产生的束缚激子引起红色发光，N等电子陷阱产生的束缚激子引起绿色发光。这两种发光机制使GaP发光二极管的发光效率大大提高，成为GaP-LED的主要发光机构。,5）激子复合,7.2 辐射复合与非辐射复合,7.2.1 非平衡载流子的辐射复合,6）等电子陷阱复合,等电子杂质：周期表内与半导体基质原子同族的原子，与基质原子的价电子数相等。等电子陷阱：由等电子杂质代替晶格基质原子而产生的束缚态。用等电子杂质代替基质原子不会增加电子或空穴，而是形成电中性中心。例如：N就是GaP中P原子的等电子杂质。,7.2 辐射复合与非辐射复合,7.2.1 非平衡载流子的辐射复合,产生“陷阱”（束缚态）的原因？ 等电子杂质原子与被替位的基质原子之间的电负性和原子半径等方面都不同，会引起晶格势场畸变，因而可以束缚载流子（电子和空穴）形成带电中心。如同等电子杂质原子的位置形成陷阱，束缚住电子或空穴。,6）等电子陷阱复合,7.2 辐射复合与非辐射复合,7.2.1 非平衡载流子的辐射复合,如何确定等电子陷阱是电子的束缚态还是空穴的束缚态？,等电子杂质原子和晶格基质原子之间电负性的大小关系决定了该等电子陷阱是电子的束缚态还是空穴的束缚态。等电子杂质的电负性（）晶格原子的电负性，形成电子(空穴)的束缚态，该等电子陷阱称为等电子的电子（空穴）陷阱，该杂质称为等电子受主（施主）。例如：N原子取代GaP中的P原子：形成电子的束缚态，N原子为等电子受主。Bi原子取代GaP中的P原子：形成空穴的束缚态，Bi原子为等电子施主。,6）等电子陷阱复合,7.2 辐射复合与非辐射复合,7.2.1 非平衡载流子的辐射复合,等电子施主、受主与掺杂直接形成的施主、受主的不同之处：,前者对电子或空穴的束缚只是一个短程力（一两个原子范围内），而后者是一个长程力。等电子杂质进入半导体后，不会因离化而产生载流子，因为半导体中载流子浓度不因为掺入等电子杂质而增加。,6）等电子陷阱复合,7.2 辐射复合与非辐射复合,7.2.1 非平衡载流子的辐射复合,等电子陷阱复合发光 等电子陷阱俘获某一种载流子之后，成为带电中心，又因为库伦作用而俘获带电符号相反的载流子，形成束缚在等电子杂质上的束缚激子。激子复合可以发射光子。,在GaP:N中，N原子形成等电子的电子陷阱，它先俘获电子，然后俘获空穴形成束缚激子，激子复合时产生绿色发光。辐射光子的能量近似等于GaP的禁带宽度2.22eV。,h=2.22-0.01-0.037=2.17eV,6）等电子陷阱复合,7.2 辐射复合与非辐射复合,7.2.1 非平衡载流子的辐射复合,等电子陷阱能够有效增强间接带隙半导体的发光效率。 例如：GaP是间接带隙半导体，带间辐射复合需要声子参与，发光效率很低。但掺入N等杂质后，可显著提高其发光效率。原因如下： N原子进入GaP取代P原子，形成等电子的电子陷阱； 等电子杂质对电子的束缚是短程力，束缚电子被定域 在N原子附近很窄的范围内； 根据海森堡测不准关系，如果电子波函数在位形空间 中的定域很确定，则在动量空间中会扩展到很宽的范围。,6）等电子陷阱复合,7.2 辐射复合与非辐射复合,7.2.1 非平衡载流子的辐射复合, 被束缚在等电子陷阱的电子在价带顶对应波矢处的概率密度显著提高，大大提高了直接跃迁的几率和GaP：N的发光效率。,6）等电子陷阱复合,7.2 辐射复合与非辐射复合,7.2.1 非平衡载流子的辐射复合,与直接跃迁相比，GaP:N 跃迁概率还是很小的。另外，两个或多个N原子也可以形成等电子陷阱，如GaAs1-xPx:NN和GaAs1-xPx:NN3,6）等电子陷阱复合,形成等电子杂质原子对电子（空穴）的束缚态的条件是什么？ 形成等电子杂质对电子的束缚作用是一个短程势，可以看成是深度为V0，半径为a的方势阱。计算表明，只有满足以下关系时，可能出现束缚态。,7.2 辐射复合与非辐射复合,7.2.1 非平衡载流子的辐射复合,电子有效质量大的情况容易产生等电子陷阱。一般，宽禁带材料电子有效质量较大，等电子陷阱往往发生在宽禁带半导体中。,6）等电子陷阱复合,如何才能形成束缚性很强的等电子陷阱？,7.2 辐射复合与非辐射复合,7.2.1 非平衡载流子的辐射复合,当等电子杂质原子的半径与被取代的基质原子的半径差别很大时，晶格形变也很大，才能产生有效的束缚较强的束缚态。,6）等电子陷阱复合,7.2 辐射复合与非辐射复合,7.2.2 非辐射复合过程,非辐射复合中心又称为消光中心，对发光的危害很大。材料的本底杂质、晶格缺陷、缺陷与杂质的复合体等都可能成为非辐射复合中心。许多类型的非辐射复合过程尚不清楚，解释得比较清楚的有：多声子跃迁、俄歇过程、表面复合。,7.2 辐射复合与非辐射复合,7.2.2 非辐射复合过程,1）多声子跃迁,晶体中电子和空穴复合时，可以以激发多个声子的形式放出多余的能量。（声子：表示晶格振动的准粒子。）通常发光半导体的禁带宽度为1eV以上，而一个声子的能量约为0.06eV，若导带电子和价带空穴复合的能量全部形成声子，众多声子同时生产的概率是很小的。晶体中的缺陷和杂质在禁带中形成分立的能级，电子依次落在这些能级时，声子也就接连产生，这就是多声子跃迁。多声子跃迁是一个概率很低的多级过程。,7.2 辐射复合与非辐射复合,7.2.2 非辐射复合过程,2）俄歇（Auger）过程,俄歇复合：电子和空穴复合时，把多余的能量传输给第三个载流子，使它在导带或价带内部激发，第三个载流子在能带的连续态中作多声子发射跃迁，来耗散它多余的能量而回到初始的状态。俄歇过程包括两个电子（或空穴）和一个 空穴（或电子）的相互作用，故当电子（或空穴）浓度较高时，该复合较显著。因而PN结LED的掺杂浓度不能太高。,N型,P型,带-带俄歇过程,7.2 辐射复合与非辐射复合,7.2.2 非辐射复合过程,2）俄歇（Auger）过程,带-杂质能级的俄歇过程：多子和一个陷在禁带中的能级上的少子的复合。在高掺杂的半导体中，如有大直接带隙的GaAs中，带-带或带-杂质能级的俄歇过程将成为主要的非辐射复合过程。,N型,P型,7.2 辐射复合与非辐射复合,7.2.2 非辐射复合过程,2）俄歇（Auger）过程,右图所示与D-A对复合的过程相似，但这里，多余的能量是传输给一个自由载流子，而不是产生一个光子。例如，对GaP：Zn-O红色发光的研究说明了这种俄歇过程。当受主浓度过高时，观察到了发光效率的降低。,7.2 辐射复合与非辐射复合,7.2.2 非辐射复合过程,2）俄歇（Auger）过程,电子在晶体缺陷形成的能级中跃起时，多余能量也可被其他的电子和空穴（非载流子）获得，从而产生另一种类型的俄歇过程。,如在GaP中，高浓度的S形成一个施主带，其中电子容易形成束缚激子，俄歇过程有两种可能性：1）S杂质带的电子激发进入导带；2）激子电子激发进入导带。,7.2 辐射复合与非辐射复合,7.2.2 非辐射复合过程,3）表面复合,晶体表面处存在能从周围吸附杂质的悬挂键，能够产生高浓度的深能级和浅能级，可以充当复合中心。半导体表面处能态连续分布模型：在表面一个扩散长度以内电子和空穴的表面复合是通过表面连续态的跃迁进行的，容易发生非辐射复合。做好表面处理和保护也是提高发光二极管发光效率的一个重要方法。,7.3 LED的基本结构和工作原理,LED的基本结构是正向工作的PN结。由平面工艺制成。 基本结构：,7.3 LED的基本结构和工作原理,P侧：注入的非平衡少数载流子电子与价带中的空穴复合N侧：注入的非平衡少数载流子空穴与导带中的电子复合辐射光子能量为Eg。,P,N,LED的工作原理：以带间辐射复合为例。 当正向偏压加于PN结两端，载流子注入穿越PN结，使得载流子浓度超过热平衡值，形成过量载流子。过量载流子复合，能量以光子的形式释放。属于注入式电致发光：在光子发射过程中，从偏压的电能量得到光能量。,7.4 LED的特性参数,7.4.1 I-V特性,LED的I-V特性与普通二极管大体一致。开启电压很低，1-2V左右，工作电流约为10mA。可以把LED做得很小，以至于看成点光源，极适用于光显示。,7.4 LED的特性参数,7.4.2 量子效率,量子效率反映了注入载流子复合产生光量子的效率。外量子效率：单位时间内输出二极管外的光子数目与注入载流子数目之比。内量子效率：单位时间内半导体的辐射复合产生的光子数目与注入载流子数目之比。量子效率与注射效率、辐射效率、逸出效率有关。,7.4 LED的特性参数,7.4.2 量子效率,注射效率 可以产生辐射复合的二极管电流在二极管总电流中所占的百分比。提高注射效率的途径：1）N区施主浓度要大于P区受主浓度，形成N+P结。2）减小耗尽层中的复合电流，要求LED所用材料和制造工艺尽可能保持晶体完整，尽量避免有害杂质的掺入。3）选用电子迁移率比空穴迁移率大的材料，如GaAs。,7.4 LED的特性参数,7.4.2 量子效率,辐射效率 在结的P侧发生辐射复合的电子数在总的注入电子数所占的百分比。R1、R2为辐射复合过程， 辐射光子能量接近Eg。R3可能为非辐射复合， 也可能为辐射复合。,内量子效率= 注射效率 辐射效率,7.4 LED的特性参数,7.4.2 量子效率,逸出效率 PN结辐射复合产生的光子出射到晶体外部的百分比。与晶体对辐射光子的吸收，以及晶体界面对光的反射有关。,外量子效率 = 注射效率 辐射效率 逸出效率,7.5 半导体激光器,按照工作物质的不同，激光器可分为固体激光器、液体激光器、半导体激光器和气体激光器等种类。与其他激光器相比，半导体激光器具有体积小，效率高、结构简单坚固、可直接调制等优点。,7.5.1 半导体激光器及其基本结构,7.5 半导体激光器,7.5.2 半导体受激发射的条件,激光器的发光是需要外界诱发促使载流子复合的受激发射，发射的是同频率、同位相、同偏振、同方向的相干光，其单色性、方向性和亮度都比LED好得多。半导体激光器靠注入载流子工作，发生激光需要三个基本条件：1）要产生足够的粒子数反转分布，即高能态粒子数足够地大于低能态的粒子数；2）要有一个合适的谐振腔，起反馈作用，使激射光子增生，从而产生激光振荡。3）要满足一定的阈值条件，以使光子增益等于或大于光子损耗。,7.5 半导体激光器,7.5.2 半导体受激发射的条件,1）粒子数反转分布,自发发射和受激发射 受激发射过程中，入射光得到放大，出射光是相干光。半导体就是利用这种原理工作的。,7.5 半导体激光器,7.5.2 半导体受激发射的条件,1）粒子数反转分布,在半导体中光吸收、自发发射和受激发射是同时存在的。半导体中，产生光增益的条件是： 受激发射率 吸收率 导带能级上被电子占据的概率 与辐射跃迁相联系的价带能级被电子占据的概率 粒子数反转分布,7.5 半导体激光器,7.5.2 半导体受激发射的条件,1）粒子数反转分布,发生粒子数反转分布的条件：准费米能级之差大于禁带宽度。即准费米能级进入导带和价带。,对于注入式半导体激光器，要实现上述条件，必须做到：1）半导体材料重掺杂；2）外加正偏压V满足,7.5 半导体激光器,7.5.2 半导体受激发射的条件,1）粒子数反转分布,重掺杂GaAs PN结激光器能带图,作用区或有源区,7.5 半导体激光器,2）光学谐振腔,7.5.2 半导体受激发射的条件,开始时，PN结有源区内发生自发发射，其中一小部分光子可以作为受激发射的激发源，激发产生更多同样的光子（相干光）。光学谐振腔：光子在两个平行界面间不断来回反射，被逐渐放大。辐射集中在PN结平面内。,7.5 半导体激光器,3）振荡的阈值条件,7.5.2 半导体受激发射的条件,激光器存在端面损耗和内部损耗。只有当光在谐振腔内来回传播一次所得到的光增益大于损耗时，才能形成激光。增益系数必须达到一定值时， 才开始形成激光。,增益系数,吸收系数,两个端面的反射系数,L,7.5 半导体激光器,4）阈值电流,7.5.2 半导体受激发射的条件,对于GaAs结型激光器，提供增益的方法是加正向电流。阈值电流：只有当正向电流增大到使增益系数g达到阈值时，才能发生激光。,课程主要内容：,第一章 半导体光电材料概述第二章 半导体物理基础第三章 PN结第四章 金属-半导体结第五章 半导体异质结构第六章 半导体太阳能电池和光电二极管第七章 发光二极管和半导体激光器第八章 量子点生物荧光探针,第八章 量子点生物荧光探针,量子点的光学特性：,量子限制效应能级分立，带隙展宽,块体材料,大小不同的量子点,单个分子,CdS,CdSe/ZnS,量子点的光学特性：,随量子点尺寸减小，吸收、发光峰蓝移。,量子点生物荧光探针,生物荧光探针概述量子点V.S.传统有机染料荧光探针量子点对生物大分子的标记和检测量子点对生物组织和细胞的标记与成像红外荧光量子点用于活体医学成像,生物荧光探针概述量子点V.S.传统有机染料荧光探针量子点对生物大分子的标记和检测量子点对生物组织和细胞的标记与成像红外荧光量子点用于活体医学成像,量子点生物荧光探针,生物荧光探针概述,在生命科学中，荧光光谱学主要通过研究分析生物大分子本身具有的荧光发色团或通过标记的外源荧光发色团，结合各种有关的荧光方法和技术来获得生物大分子结构、功能、相互作用等信息。从艾滋病病毒检测到人类基因组的测序，从蛋白质溶液构象到细胞内部活动的研究等都广泛地用到荧光探针。通常使用有机荧光染料分子作为荧光探针，如罗丹明等。,Medintz et al., Nature Materials, 4, 435 (2005),各种荧光量子点作为生物荧光探针,生物荧光探针概述,生物荧光探针概述量子点V.S.传统有机染料荧光探针量子点对生物大分子的标记和检测量子点对生物组织和细胞的标记与成像红外荧光量子点用于活体医学成像,量子点生物荧光探针,Medintz et al., Nature Materials, 4, 435 (2005),CdSe/ZnS 量子点,发射光谱宽度窄，发光峰位可调。,有机荧光染料,荧光量子点,量子点相对于传统有机染料荧光 探针的优势,量子点荧光强度高于有机荧光染料Alexa,X. Wu et al., Nature Biotechnology, 21,41 (2003),Alexa染料和荧光量子点的荧光强度对比,（Alexa染料在已知的有机染料中的荧光强度是最高的）,量子点相对于传统有机染料荧光 探针的优势,量子点荧光稳定性优于有机荧光染料Alexa,X. Wu et al., Nature Biotechnology, 21,41 (2003),红色区域：用荧光量子点标记。绿色区域：用有机荧光染料Alexa标记。,（Alexa染料在已知的有机染料中的光稳定性是最高的）,量子点相对于传统有机染料荧光 探针的优势,量子点相对于传统有机染料荧光 探针的优势,量子点生物荧光探针,生物荧光探针概述量子点V.S.传统有机染料荧光探针量子点对生物大分子的标记和检测量子点对生物组织和细胞的标记与成像红外荧光量子点用于活体医学成像,量子点对蛋白质、核酸等生物大分子的标记和检测,量子点最初用于生物领域是应用于简单的生物大分子。量子点具有优越的荧光特性及合适的空间尺度，结合荧光光谱、荧光偏振、能量转移等技术和方法，量子点在研究生物大分子的结构、功能与相互作用等方面的研究中具有一定优势。,W. J. Parak et al., Chem Mater, 14, 2113 (2002),量子点与生物大分子的共价偶联,量子点对蛋白质、核酸等生物大分子的标记和检测,研究表明，与单链或双链DNA共价链接后，量子点的光学性质没有改变，而荧光稳定性增强。,量子点对蛋白质、核酸等生物大分子的标记和检测,在荧光原位杂交技术中，将与DNA偶联的量子点作为探针，可以检测分析人类的中期染色体。,Nucl. Acids Res. 32, e28 (2004),在荧光免疫方面，S. Wang 等人分别将发射红光和绿光的CdTe量子点偶联到抗原和抗体上，二者混合后，通过荧光共振能量转移，观察到免疫反应的进行。,Nano Lett. 2, 817 (2002),红光,绿光,量子点生物荧光探针,生物荧光探针概述量子点V.S.传统有机染料荧光探针量子点对生物大分子的标记和检测量子点对生物组织和细胞的标记与成像红外荧光量子点用于活体医学成像,量子点对生物组织和细胞的标记与成像,用量子点标记细胞并成像的方法来观察细胞的活动。用不同颜色的量子点同时观测活细胞表面或内部的细胞器、胞内组分的运动和迁移，研究它们在细胞内部的生物功能是如何实现的，以及它们之间的相互关系。,标记酵母细胞与成像,M. Xie et al., Chem Commun., 44, 5518 (2005),壳聚糖是一种天然多糖，具有许多十分重要的生物学性质，如生物相容性、生物降解性和生物活性，在生物医药领域具有十分广阔的应用前景。,量子点对生物组织和细胞的标记与成像,M. Xie et al., Chem Commun., 44, 5518 (2005),标记酵母细胞与成像,用CdSe/ZnS核壳结构量子点标记羧甲基壳聚糖作为探针用于酵母细胞成像,量子点对生物组织和细胞的标记与成像,对同一细胞中不同细胞器的标记与成像,H. J. Tanke et al., Curr Opin Biotech, 16, 49 (2005),绿色荧光量子点标记微管，橙黄色量子点标记高尔基体，红色量子点标记细胞核。单一波长激光激发后，三种颜色同时显现。,量子点对生物组织和细胞的标记与成像,Medintz et al., Nature Materials, 4, 435 (2005),对同一细胞中不同细胞器的标记与成像,青色 :细胞核；紫色：Ki-67蛋白；橙黄色：线粒体；绿色：微管；红色：肌动蛋白纤维。,量子点对生物组织和细胞的标记与成像,包覆共聚物的结构决定标记细胞的位置,H. W. Duan et al., JACS, 129, 3333 (2007),一个PEI与四个PEG形成的共聚物包覆的量子点标记到细胞核的微管中。一个PEI和两个PEG形成的共聚物包覆的量子点标记到细胞浆上。,量子点对生物组织和细胞的标记与成像,PEG:聚乙二醇PEI:聚乙二胺,t=0,t=0,t=12h,t=12h,量子点生物荧光探针,生物荧光探针概述量子点V.S.传统有机染料荧光探针量子点对生物大分子的标记和检测量子点对生物组织和细胞的标记与成像红外荧光量子点用于活体医学成像,红外荧光量子点用于活体医学成像,体内标记要求生物体组织对于所使用的激发光及量子点的发射光波长吸收及散射都尽量少。可见光最多只能穿透毫米级厚度的组织，而近红外光则可穿透厘米级的组织。将在近红外区（700-900nm）发光的量子点标记到活体内，并用红外光激发，就可以通过成像检测的方法来分析研究组织内部的情况，达到疾病诊断的目的。,例如：前哨淋巴结（SLN）活检是判断肿瘤是否扩散的重要环节，用红外荧光量子点可准确进行手术定位，避免大量盲目切除。,Kim et al., Nat Biotechnol, 22, 93 (2004),红外荧光量子点用于活体医学成像,皮下注射量子点前,注射后30秒,注射后4分钟,准确切除前哨淋巴结,