实验六半导体发光器件的电致发光测量081190088 杨静一．实验内容与目的（1）了解半导体发光材料电致发光的基本概念。
（2）了解并掌握半导体显微探针测试台、光纤光谱仪的使用。
（3）掌握半导体发光材料电致发光特性的测量方法。
二．实验原理概述1．辐射跃迁半导体材料受到某种激发时，电子产生由低能级向高能级的跃迁，形成非平衡载流子。
这种处于激发态的电子在半导体中运动一段时间后，又回到较低的能量状态，并发生电子—空穴对的复合。
复合过程中，电子以不同的形式释放出多余的能量。
如跃迁过程伴随着放出光子，这种跃迁成为辐射跃迁。
作为半导体发光材料，必须是辐射跃迁占优势。
导带的电子跃迁到价带，与价带空穴相复合，伴随的光子发射，称为本征跃迁。
显然这种带与带之间的电子跃迁所引起的发光过程，是本征吸收的逆过程。
对于直接带隙半导体，导带与价带极值都在k 空间原点，本征跃迁为直接跃迁。
由于直接跃迁的发光过程只涉及一个电子—空穴对和一个光子，其辐射效率较高。
间接带隙半导体中，导带与价带极值对应于不同的波矢k，这时发生的带与带之间的跃迁是间接跃迁。
在间接跃迁过程中，除了发射光子外，还有声子参与。
因此，这种跃迁比直接跃迁的几率小的多，发光比较微弱。
如果将杂质掺入半导体，则会在带隙中产生施主及受主的能级，因此又可能产生不同的复合而发光。
电子从导带跃迁到杂质能级，或杂质能级上的电子跃迁入价带，或电子在杂质能级间的跃迁都可以引起发光，这类跃迁称为非本征跃迁。
间接带隙半导体本征跃迁几率较小，非本征跃迁起主要作用。
施主与受主之间的跃迁效率较高，多数发光二极管属于这种跃迁机理。
在施主—受主对的复合中，过剩电子、空穴先分别被电离的施主和受主看成点电荷，把晶体看作连续介质，施主与受主之间的库伦作用力使受基态能量增大，其增量与施主—受主杂质间距离r 成正比，所发射的光子能量为：ην＝E g －(E D +E A )＋r πεε402q式中E D 和E A 分别为施主和受主的电离能，ε是晶体的低频介电常数。
对简单的替位施主和受主杂质，r 只能取一系列的不连续值，因此，施主—受主复合发光是一系列分离谱线，随着r 的增大，成为一发射带。
2.电致发光根据不同的激发过程，可以有各种发光过程，如：光致发光、阴极发光、电致发光等。
半导体的电致发光（EL ），也称场致发光，是由电流（电场）激发载流子，将电能直接转变成光能的过程。
EL 包括低场注入型发光和高场电致发光。
前者是发光二极管（LED ）和半导体激光器的基础。
本实验只涉及这类EL 谱的测量。
发光二极管是通过电光转换实现发光的光电子器件，是主要的半导体发光器件之一，具有广泛的应用，如各类显示、数据通讯等。
特别是通过白色发光二极管实现固体照明，不仅可以节省能源、减少污染，而且体积小、寿命长，因此固态照明已被全世界重视。
所有商用LED都具有P-N结结构，因此以P-N结的发光为例来说明注入发光机制。
P型半导体是掺杂了受主杂质，而N型则是掺杂了施主杂质，将两种材料放在一起，即得到P-N结。
N型半导体中产生电子，P型半导体中产生空穴，在其中间产生耗尽层。
P-N结处于平衡时，存在一定的势垒区，场也相应地减弱。
这样继续发生载流子的扩散，即电子由N区注入P区，同时空穴由P区注入到N区。
进入P 区的电子和进入N区的空穴都是非平衡少数载流子。
这些非平衡少数载流子不断与多数载流子复合而发光。
如果采用异质结，发光效率可以得到显著的提高。
由宽带隙半导体材料隔开的中间发光区，两种类型的过剩载流子从两侧注入并被限制在同一区域，过剩载流子数目显著提高。
随着载流子浓度的提高，辐射寿命缩短，导致更为有效的辐射复合。
如果中间有源区域减小到10nm或更小就形成量子阱，由于其厚度与德布罗意波长相近，量子力学效应出现，载流子状态密度变得更高，从而可以获得更高的发光效率。
这是目前商用LED的实际结构。
电致发光谱的测量系统的基本结构与光致发光测量装置类似，主要区别是用高温定度直流电源代替了光致发光谱测量中所用的激发光源。
针对半导体发光器件的电致发光的测量中，电源与发光器件的连接通常在探针测试台上进行，由金属微探针压在发光器件上预制的电击表面形成欧姆接触，使直流电源输出的电压和电流无损耗地加到被测器件上。
本实验的光谱测量采用微型光纤光谱仪。
这类光谱仪具有体积小、即插即用、检测速度快、配置灵活、操作方便等特点。
USB接口的微型光纤光谱仪内置了先进的探测器和强大的高速电路系统，与扫描式单色仪相比，由于采用了线性探测器阵列，不需要转动光栅来工作，光栅永久固定，保证了性能的长期稳定，并能够实现高速检测，配合电子快门，全谱测量的最短积分时间可达到数毫秒。
三．实验方法与步骤实验仪器与材料手动式半导体显微探针测试台：1台探针座：2只探针：2根石英光纤（SMA905接头）：1根卤钨灯光源（SMA905接头）：1台高精度直流电源：1台微型光纤光谱仪：1台微型计算机：1台InGaN或AlGaAs LED芯片：若干实验方法与操作步骤（一）测试系统的连接与调整1.用石英光纤连接探针测试台上光收集单元与卤钨灯光源，开启卤钨灯光源，根据被测样品在载物台上的实际位置调整探针测试台上光收集单元的位置与方向，使其出射光斑（定位光斑）照射于显微镜视野可及的区域，作为实际的测试点位置。
2.以导线连接探针座电极与直流电源输出端。
开启直流电源，根据需要调整限流电流（如为100mA）。
3.将被测LED芯片放置于载物台上，覆盖其上的吸附孔。
开启真空泵和真空阀门开光，使芯片被稳固地吸附于载物台表面上。
通过载物台平移机构将芯片移动到定位光斑位置。
4.关闭卤钨灯光源。
将石英光纤连接卤钨灯光源端改接到微型光纤光谱仪的输入端口。
用USB连接线连接微型光纤光谱仪与计算机。
开启光谱仪电源。
启动计算机。
启动光谱仪控制程序。
（二）探针与电极的连接1.调节显微镜的倍率，以能够清楚观察探针尖端及LED芯片上电极为度。
2.使用载物台上X轴/Y轴平移机构移动载物平台，将待测电极移动至显微镜视野中央。
3.待测点位置确认好后，再调节探针座位置，将探针装上后可先通过眼视将探针移到接近待测点的位置旁，再使用探针座上下左右三个旋钮，慢慢的通过显微镜观察将探针移至测试点，此时动作一定要小心，以防动作太大而碰上到芯片，将探针针尖轻触或稍微悬空到待测电极上。
（滑动探针可以电极上留下划痕，视为接触）4.调节探针座的Z轴旋钮使探针尖扎在待测电极上，确保针尖和电极良好接触。
则可以通过连接的测试设备开始测试。
（三）电致发光的测量1.调节直流电压电源的输出电压V(0-4V)，记录直流电压源的输出电流（驱动电流）I，绘制LED芯片的I-V曲线。
2.通过微型光纤光谱仪测量与一组预定的驱动电流值对应的LED 的电致发光谱，绘制光谱曲线。
曲线。
四．思考与讨论（1）试举出几种典型的电致发光器件，并进行简要说明。
答：①交流电致发光显示。
它是将电致发光粉ZnS:CuCl或（ZnCd）S:CuBr混合在环氧树脂和氰乙基醣的混合物的有机介质中，两端夹有电极，其中一个为透明电极。
另一个是真空蒸镀铝或银电极，构成一个EL。
②高场薄膜电致发光（TFEL）。
目前的ACTFEL多采用双绝缘层ZnS:Mn薄膜结构。
器件由三层组成，发光层夹在两绝缘层间，起消除漏电流与避免击穿的作用。
掺不同杂质则发不同的光，其中掺Mn 的发光效率最高，加200V，5000Hz电压时，亮度高达5000cd/m2。
ACTFEL具有记忆效应，通常室内光照度下，记忆可维持几分钟，在黑暗中可保持十几个小时。
③有机发光显示器（OLED）又称有机EL，是以有机薄膜作为发光体的自发光显示器件。
它是固体自发光器件，可适应恶劣工作环境；它响应时间短、发光效率高、视角宽、对比度高；它可在5V~10V的低电压下工作，功耗低，工艺简单；制造成本低、有机发光材料众多、覆盖发光光谱从红外到紫外，适合全彩色显示；价廉、易于大规模生产；OLED的生产更近似于精细化工产品，可在塑料、树脂等不同的材质上生产，产品的机械性能好，不仅可以制造出笔记本电脑、台式机适用的显示器，还有可能创造出墙壁大小的屏幕、可以弯曲折叠的屏幕。
人们预言，随着规模量产的到来，OLED可以比LCD成本低20%。
（2）介绍几种发光二极管在日常生活中的应用。
答：发光二极管是一种把电能直接转换为光能的固体发光器件。
它以体积小、耗电低、响应速度快、亮度调整灵活、使用寿命长、稳定性好、抗震性强等优点广泛应用于工农业和家用电器等设备上。
具体应用有：①指示用电源。
在不需要高亮度的场所，可采用发光二极管作指示电源。
例如示波器的标尺照明、收音机的刻度照明、十字路口的信号指示灯等。
②电压越限报警。
利用发光二极管和稳压二极管的直流上下限报警。
③发光二极管作光电开关的光辐射源。
光电开关是以光辐射驱动的电子开关，当一定强度的光辐射到其中的光敏器件上时，会产生开关作用。
驱动光电开关的辐射，可以是可见光，也可以是非可见光，可以用不同类型的发光二极管充任。
④闪光电路。
发光二极管的闪光电路组成是将两只发光二极管接在多谐振振荡器的集电极电路中。
这样，当多谐振振荡器工作时，T1和T2交替导通，LED1和LED2交替发出闪光信号。
（3）比较发光二极管与光电二极管的工作原理，设计一个由发光二极管和光电二极管组成的运动感知机构。
答：光电二极管，即可将光信号转换成电信号。
我们在捕获系统上安装光电二极管，将捕捉到的运动信息经过一定的处理变成计算机可以识别的电信号。
然后再利用发光二极管，将电信号重新读取并在显示设备上还原成光信号，比如我们可以在屏幕上重现运动的影响和运动过程，这样就实现了运动感知。