电子伏特

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第八章半导体发光

研究一种新型半导体材料，首先是要对它的光电以及结晶品质等进行研究。对于光

电子材料。对它的发光性质的研究是一个重大课题，有大量的工作可做。可以说每一

种光电子材料的光学性质研究都有大量文献报道。通过对材料的发光性能的研究，可

以判定材料的生长质量，发光特性，杂质情况，杂质电离能，适合不适合制作发光器

件等。

画光谱图

1.辐射跃迁：处于激发态的电子向较低的能级跃迁，同时发射光子的过程。要求系统

处于非平衡状态，一般通过一些外加的激发手段才能达到。

电致发光：电流激发。

阴极射线发光：电子束激发。

光致发光：光激发，入射光子能量要大于材料禁带宽度。

2．发光波长与能量的关系：λ=c/v=hc/E=1240/E（nm），E单位为电子伏特（eV）

3．带-带跃迁：导带的电子跃迁到价带，与空穴复合，自由载流子复合。（激子效应对

半导体发光光谱有更重要的影响，但在较高实验温度下和对于纯度较差的样品，可以

观察到带-带跃迁）

发光光谱形状：F(hv)∝(hv)2（hv-Eg）1/2exp-(hv-Eg)/KT

特征：发光峰在Eg附近。发光峰具有一个高能量尾部，在hv=Eg处，低能量边

缘突然截止。在低激发情况，发射峰的半峰宽近似等于0.7kT。随掺杂浓

度增加和费米能级深入导带，发光峰峰位置和高能边缘均向高能量方向

移动。增加激发和升高温度也可导致发光向高能方移动。自吸收导致实

验观测的发光光谱向低能方向漂移。K：玻尔兹曼常数，8.62x10-5电子

伏特/度。300K时，KT约26meV。77K时，KT约6.6meV。

4．自由激子：自由电子和自由空穴由与库仑力作用而束缚在一起所形成的系统，可

在晶体中运动。电子与空穴之间的作用类似与氢原子中电子与质子的相

互作用。自由激子代表了低激发密度下纯半导体中电子和空穴的能量最

低的本征激发态。（对足够纯的半导体材料，低温下本征辐射复合的主

要特征可以是激子复合导致的狭窄谱线。按激子复合发光模型，发光谱

低能端应在激子波矢0对应的激子能量处突然截止，考虑激子效应时，

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有时还需考虑激子和光子耦合导致的激子极化激元的效应，可以解释实

验观察到的发光谱线的低能带尾）。温度较低，材料纯度较高时可观察

到。

发光峰能量：hv=hv=Eg-E

ex

束缚能：E

ex

=-m

r

*q4/8εr

2ε

0

2h2n2=（m

r

*/m

o

）（13.6/εr

2）（1/n2）

m

r

*为电子和空穴的折合质量m

r

*=m

p

*/（m

p

*+m

n

*）

m

p

*，m

n

*分别是空穴和电子的有效质量。（在杂质原子里（如施主），

核的有效质量很大，因此，其折合质量等于电子的有效质量。但激子折合

质量要小于电子，激子束缚能要低于施主或受主的束缚能）

（一般只能观察到n=1，2的谱线）

特征：发光峰能量略低于Eg，离化能可估计出，发光峰尖锐，半峰宽在几

个meV以内。发光强度与激发密度成线性关系，一般在低温下才可观察

到。

自由激子的声子伴线：自由激子在复合时，发射了一个或多个声子，同时发出的光子。

发光峰能量：hv=hv=Eg-E

ex

-mE

p

特征：发光峰一般伴随自由激子峰出现。其与自由激子的能量差为声子能量。

出现多声子伴线时，发射峰之间的能量差相等。

横向光学声子（TO），横向声学声子（TA），纵向光学声子（LO），纵向声学

声子（LA）一般最易观察到纵向光学声子（LO声子）伴线。

5．束缚激子：束缚在杂质上的激子。杂质中心俘获电子或空穴，然后俘获相反符号的

载流子；或者杂质中心俘获一个自由激子。束缚激子不能在晶体中自由运动。

可束缚在中性施主，中性受主，电离施主，电离受主上。（从能量的观点看，如

果激子处在杂质中心附近时使系统能量下降，那么激子保持在杂质或缺陷附近

是有利的，激子可以束缚在杂质中心上。）低温观察KT/E

Dx

﹤0.3。

中性施主束缚激子：D0X电离施主束缚激子：D+X

中性受主束缚激子：A0X电离受主束缚激子：A+X

对中性施主或受主，杂质中心都有可能束缚激子，但电离杂质的情况就不

一样。判定：有效质量比：σ：m

e

*/m

h

*，认为：对于电离施主，σ小于0.71，

系统能量下降，也有认为，σ小于0.2时，束缚激子（D+X）才是稳定的。当σ

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接近0时，E

b

=0.22E

x

。D+X离解为一个中性施主和一个自由空穴比离解为一个

电离施主和一个自由激子更容易发生。对于电离受主束缚激子，只有当σ大于

1.4时，才可能存在，因此一般电离受主束缚激子很难观察到。具体参照半导体

光学性质337，图5.21。

中性施主束缚激子：D0X电离施主束缚激子：D+X

中性受主束缚激子：A0X电离受主束缚激子：A+X

发光峰能量：hv=Eg-E

x

-E

b

，电离施主束缚激子hv=Eg-E

Dx

=Eg-E

D

-D（D0h）

束缚能：E

x

+E

b

其中，E

x

为自由激子束缚能，E

b

是将自由激子束缚到杂质中

心的附加能。

特征：发光峰能量略低于自由激子，发射谱线很窄（样品较纯的情况下，束缚

激子的波函数可认为互不交叠，基态能量是孤立和局域化的，不同于自由激子，其动

能项对发光谱线的展宽效应可忽略不计），半峰宽一般低于1meV。GaAs，束缚于浅杂

质的激子发射谱线宽在0.1meV数量级。（各种束缚激子的判定较为复杂，首先可比较

实验观测到的束缚激子发光谱线的能量和各种不同束缚激子态束缚能的理论估计）如，

利用有效质量近似，类氢模型估算出的自由激子束缚能（E

ex

），计算出有效质量比σ：

m

e

*/m

h

*，在已知该材料的σ情况下，根据不同束缚激子能Eb与Eex的关系估算出Eb，

得到各种束缚激子的发光峰能量，与实验值比较。还可以结合磁场作用下的束缚激子

发光谱线的塞曼分裂来判定。

束缚激子的声子伴线：束缚激子在复合时，发射了一个或多个声子，同时发出的光

子。

6．深跃迁：电子从导带跃迁到受主能级，或从施主能级跃迁到价带。

发光能量：hv=Eg-E

i

E

i

（E

A

受主束缚能，E

D

施主束缚能）

施主束缚能：E

D

=m

n

*q4/8εr

2ε

0

2h2=13.6m

n

*/m

0

εr

2m

n

*:电导有效质量，m

0

:电

子惯性质量。ε

r

:相对介电常数。

如果掺杂浓度达到1018cm-3,导带电子跃迁到受主能级或从施主能级跃迁到价带的

几率和带-带跃迁，激子跃迁有相同的量级，不难在实验中观察到。也可观察到声子伴

线峰。

特征：发光峰能量低于激子峰，一般谱线较宽。当杂质浓度增加时，发光峰展

宽，峰位能量漂移。（半导体的光学性质，P362。，半导体中的光学过程，P151）

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7．施主-受主对：施主离子及其束缚的电子和受主离子及其束缚的空穴可以构成施主-

受主对（D-A对）（半导体中的光学过程，P160），KT﹤Ei时，载流子被电离杂

质俘获后很难热电离，D-A对的跃迁变得重要。

发光峰能量：hv=Eg-（E

A

+E

D

）+e2/（4πεr），其中，r为施主-受主对的间距。

特征：当r不是很大（10-50晶格常数）可显示为一系列分立的谱线，但在r较大

时，形成一个连续的宽发射谱。随激发密度增大，激发近距离的D-A对数目增

多，发光峰向高能方移动。

8．能带内的跃迁，导带热电子跃迁到价带顶，导带底电子与价带热电子复合：在直接

带隙半导体中很难观察到，而价带空穴到电离受主的跃迁的声子发射几率远大于光

子发射几率，一般难以观察到。

半导体的光吸收

探测半导体能带结构最直接的方法就是测量它的吸收光谱。研究一种新型半导体材

料，首先是要对它的光电以及结晶品质等进行研究。对于光电子材料。对它的发光性

质的研究是一个重大课题，有大量的工作可做。可以说每一种光电子材料的光学性质

研究至少有上千篇的相关文献报道。通过对材料的发光性能的研究，可以判定材料的

生长质量，发光特性，杂质情况，杂质电离能，适合不适合制作发光器件等。

画光谱图

1．本征吸收：价带电子吸收能量跃迁到导带的过程。可判定材料的禁带宽度。

条件：入射光子能量大于禁带宽度。

特点：吸收系数与光子的能量关系为：

α（hv）=A（hv-Eg）1/2，hv≥Eg

=0hv＜Eg

处于激发态的电子向较低的能级跃迁，同时发射光子的过程。要求系统处于非平衡

状态，一般通过一些外加的激发手段才能达到。

电致发光：电流激发。

阴极发光：电子束激发。

光致发光：光激发，入射光子能量要大于材料禁带宽度。

2．发光波长与能量的关系：λ=hv=hc/E=1240/E（nm），E单位为电子伏特（eV）

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3．带-带跃迁：导带的电子跃迁到价带，与空穴复合，自由载流子复合。（激子效应对

半导体发光光谱有更重要的影响，但在较高实验温度下和对于纯度较差的样品，可以

观察到带-带跃迁）

发光光谱形状：L=B（hv-Eg）1/2

特征：发光峰在Eg附近。发光峰具有一个高能量尾部，在hv=Eg处，低能量边

缘突然截止。在低激发情况，发射峰的半峰宽近似等于0.7kT。

K：玻尔兹曼常数，8.62x10-5电子伏特/度。300K时，KT约26meV。77K

时，KT约6.6meV。

6．自由激子：自由电子和自由空穴由与库仑力作用而束缚在一起所形成的系统，可

在晶体中运动。电子与空穴之间的作用类似与氢原子中电子与质子的相

互作用。（对足够纯的半导体材料，低温下本征辐射复合的主要特征可

以是激子复合导致的狭窄谱线。按激子复合发光模型，发光谱低能端应

在激子波矢0对应的激子能量处突然截止，考虑激子效应时，有时还需

考虑激子和光子耦合导致的激子极化激元的效应，可以解释实验观察到

的发光谱线的低能带尾）

发光峰能量：hv=hv=Eg-E

ex

束缚能：E

ex

=-m

r

*q4/8εr

2ε

0

2h2n2=13.6m

r

*/m

o

εr

2

m

r

*为电子和孔穴的折合质量m

r

*=m

p

*/（m

p

*+m

n

*）

m

p

*，m

n

*分别是空穴和电子的有效质量。（在杂质原子里（如施主），

核的有效质量很大，因此，其折合质量等于电子的有效质量。但激子折合

质量要小于电子，激子束缚能要低于施主或受主的束缚能）

（一般只能观察到n=1，2的谱线）

特征：发光峰能量略低于Eg，离化能可估计出，发光峰尖锐，半峰宽在几

个meV以内。一般在低温下才可观察到。

自由激子的声子伴线：自由激子在复合时，发射了一个或多个声子，同时发出的光子。

发光峰能量：hv=hv=Eg-E

ex

-mE

p

特征：发光峰一般伴随自由激子峰出现。其与自由激子的能量差为声子能量。

出现多声子伴线时，发射峰之间的能量差相等。

横向光学声子（TO），横向声学声子（TA），纵向光学声子（LO），纵向声学

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声子（LA）一般最易观察到纵向光学声子（LO声子）伴线。

7．束缚激子：束缚在杂质上的激子。杂质中心俘获电子或空穴，然后俘获相反符号的

载流子；或者杂质中心俘获一个自由激子。束缚激子不能在晶体中自由运动。

可束缚在中性施主，中性受主，电离施主，电离受主上。（从能量的观点看，如

果激子处在杂质中心附近时使系统能量下降，那么激子保持在杂质或缺陷附近

是有利的，激子可以束缚在杂质中心上。）

对中性施主或受主，杂质中心都有可能束缚激子，但电离杂质的情况就不

一样。判定：有效质量比：σ：m

e

*/m

h

*，认为：对于电离施主，σ小于0.71，

系统能量下降，也有认为，σ小于0.2时，束缚激子（D+X）才是稳定的。当σ

接近0时，E

b

=0.22E

x

。D+X离解为一个中性施主和一个自由空穴比离解为一个

电离施主和一个自由激子更容易发生。对于电离受主束缚激子，只有当σ大于

1.4时，才可能存在，因此一般电离受主束缚激子很难观察到。具体参照半导体

光学性质337，图5.21。

中性施主束缚激子：D0X电离施主束缚激子：D+X

中性受主束缚激子：A0X电离受主束缚激子：A+X

发光峰能量：hv=Eg-E

x

-E

b

束缚能：E

x

+E

b

其中，E

x

为自由激子束缚能，E

b

是将自由激子束缚到杂质中

心的附加能。

特征：发光峰能量略低于自由激子，发射谱线很窄，半峰宽一般低于1meV。

GaAs，束缚于浅杂质的激子发射谱线宽在0.1meV数量级。（各种束缚激子的判定较为

复杂，首先可比较实验观测到的束缚激子发光谱线的能量和各种不同束缚激子态束缚

能的理论估计）如，利用有效质量近似，类氢模型估算出的自由激子束缚能（E

ex

），计

算出有效质量比σ：m

e

*/m

h

*，在已知该材料的σ情况下，根据不同束缚激子能Eb

与Eex的关系估算出Eb，得到各种束缚激子的发光峰能量，与实验值比较。还可以结

合磁场作用下的束缚激子发光谱线的塞曼分裂来判定。

束缚激子的声子伴线：束缚激子在复合时，发射了一个或多个声子，同时发出的光

子。

6．深跃迁：电子从导带跃迁到受主能级，或从施主能级跃迁到价带。

发光能量：hv=Eg-E

i

E

i

（E

A

受主束缚能，E

D

施主束缚能）

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施主束缚能：E

D

=m

n

*q4/8εr

2ε

0

2h2=13.6m

n

*/m

0

εr

2m

n

*:电导有效质量，m

0

:电

子惯性质量。ε

r

:相对介电常数。

如果掺杂浓度达到1018cm-3,导带电子跃迁到受主能级或从施主能级跃迁到价带的

几率和带-带跃迁，激子跃迁有相同的量级，不难在实验中观察到。也可观察到声子伴

线峰。

特征：发光峰能量低于激子峰，一般谱线较宽。当杂质浓度增加时，发光峰展

宽，峰位能量漂移。（半导体的光学性质，P362。，半导体中的光学过程，P151）

7．施主-受主对：施主离子及其束缚的电子和受主离子及其束缚的空穴可以构成施主-

受主对（D-A对）（半导体中的光学过程，P160）

发光峰能量：hv=Eg-（E

A

+E

D

）+e2/（4πεr），其中，r为失主-受主对的间距。

特征：当r不是很大（10-50晶格常数）可显示为一系列分立的谱线，但在r较大

时，形成一个连续的宽发射谱。随激发密度增大，激发近距离的D-A对数目增

多，发光峰向高能方移动。

9．能带内的跃迁，导带热电子跃迁到价带顶，导带底电子与价带热电子复合：在直

接带隙半导体中很难观察到，而价带空穴到电离受主的跃迁的声子发射几率远大于

光子发射几率，一般难以观察到。