《漲知識(shí)啦12-LED》---多量子阱LED工作機(jī)制

發(fā)光二極管又稱LED(light-emitting diode)可分為普通單色發(fā)光二極管、高亮度發(fā)光二極管、超高亮度發(fā)光二極管、變色發(fā)光二極管、閃爍發(fā)光二極管、電壓控制型發(fā)光二極管和負(fù)阻發(fā)光二極管等多種類型，并且具有應(yīng)用廣泛、耗電量小、使用壽命長(zhǎng)、無污染等特點(diǎn)。上期小賽向大家普及了LED的一些基本概念以及有源區(qū)微觀復(fù)合機(jī)制，本期將繼續(xù)給大家?guī)鞮ED的工作機(jī)制。

眾所周知，LED器件的核心結(jié)構(gòu)組成就是大家耳熟能詳?shù)腜N結(jié)（具體可參考往期推送），因此LED具有正向?qū)?、反向截止和擊穿等特性。圖1展示了對(duì)直接帶隙半導(dǎo)體PN結(jié)外加正向偏壓時(shí)，n型區(qū)的電子和p型區(qū)的空穴會(huì)在外加電場(chǎng)的作用下進(jìn)行輸運(yùn)。對(duì)于圖1中的同質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，考慮到載流子的擴(kuò)散長(zhǎng)度，電子與空穴傾向在中性區(qū)躍遷牽手、發(fā)生帶間復(fù)合，所產(chǎn)生的能量以光子的形式釋放出去，這些光子從二極管中逃逸后，就成為了LED所產(chǎn)生的光。我們知道導(dǎo)帶電子和價(jià)帶空穴復(fù)合所產(chǎn)生的光子能量其離散值約為KT數(shù)量級(jí)，且能量峰值稍大于禁帶寬度Eg。而在某些情況下，光子實(shí)際上是通過一個(gè)電子從能帶中稍低于導(dǎo)帶邊的位置降落而產(chǎn)生的，有時(shí)會(huì)在復(fù)合前形成激子。當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，光子能量峰值稍小于禁帶寬度Eg?？傊?，光子能量峰值一般都靠近Eg。那么輸出波長(zhǎng)的峰值為λ=1.24/Eg。值得注意是該種LED結(jié)構(gòu)的發(fā)光效率極低，為此研究人員引入多異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)做LED的有源區(qū)來提高它的發(fā)光效率。

圖1. 正向偏置中時(shí)，LED中載流子注入以及躍遷復(fù)合產(chǎn)生光子。

圖2展示了具有多量子阱（Multiple Quantum Wells，MQWs）結(jié)構(gòu)的LED器件能帶示意圖。為了更好地增加有源區(qū)對(duì)載流子的捕獲幾率，提高輻射復(fù)合幾率，研究人員人為地對(duì)LED有源區(qū)引入眾多“凹坑”，即在有源區(qū)引入多異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，且量子阱（quantumwell，QW）的禁帶寬度Eg-QW小于量子壘（quantum barrier，QB）禁帶寬度Eg-QB。當(dāng)LED正向偏置時(shí)，電子與空穴在外加電場(chǎng)的作用下輸運(yùn)至多量子阱層，不同于同質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，電子與空穴將被高效地限制在一個(gè)近似二維的空間內(nèi)，增大了電子和空穴波函數(shù)的重合率，提高了他們的復(fù)合發(fā)光效率。最后，小賽還想補(bǔ)充一句，對(duì)于一般直接帶隙半導(dǎo)體材料，材料對(duì)應(yīng)的發(fā)光波長(zhǎng)的峰值λ與材料帶隙可描述為λ=1.24/Eg，然而，當(dāng)材料尺寸縮小至幾納米時(shí)（如量子阱層），量子效應(yīng)引起的電子與空穴能級(jí)的變化要著重考慮噢，其對(duì)材料的發(fā)光波長(zhǎng)具有重要的影響。

圖2.LED中多量子阱能帶結(jié)構(gòu)。