《漲知識啦12-LED》---多量子阱LED工作機制

發光二極管又稱LED(light-emitting diode)可分為普通單色發光二極管、高亮度發光二極管、超高亮度發光二極管、變色發光二極管、閃爍發光二極管、電壓控制型發光二極管和負阻發光二極管等多種類型，并且具有應用廣泛、耗電量小、使用壽命長、無污染等特點。上期小賽向大家普及了LED的一些基本概念以及有源區微觀復合機制，本期將繼續給大家帶來LED的工作機制。

眾所周知，LED器件的核心結構組成就是大家耳熟能詳的PN結（具體可參考往期推送），因此LED具有正向導通、反向截止和擊穿等特性。圖1展示了對直接帶隙半導體PN結外加正向偏壓時，n型區的電子和p型區的空穴會在外加電場的作用下進行輸運。對于圖1中的同質結結構，考慮到載流子的擴散長度，電子與空穴傾向在中性區躍遷牽手、發生帶間復合，所產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所產生的光。我們知道導帶電子和價帶空穴復合所產生的光子能量其離散值約為KT數量級，且能量峰值稍大于禁帶寬度Eg。而在某些情況下，光子實際上是通過一個電子從能帶中稍低于導帶邊的位置降落而產生的，有時會在復合前形成激子。當這種情況發生時，光子能量峰值稍小于禁帶寬度Eg。總之，光子能量峰值一般都靠近Eg。那么輸出波長的峰值為λ=1.24/Eg。值得注意是該種LED結構的發光效率極低，為此研究人員引入多異質結結構做LED的有源區來提高它的發光效率。

圖1. 正向偏置中時，LED中載流子注入以及躍遷復合產生光子。

圖2展示了具有多量子阱（Multiple Quantum Wells，MQWs）結構的LED器件能帶示意圖。為了更好地增加有源區對載流子的捕獲幾率，提高輻射復合幾率，研究人員人為地對LED有源區引入眾多“凹坑”，即在有源區引入多異質結結構，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LED正向偏置時，電子與空穴在外加電場的作用下輸運至多量子阱層，不同于同質結結構，電子與空穴將被高效地限制在一個近似二維的空間內，增大了電子和空穴波函數的重合率，提高了他們的復合發光效率。最后，小賽還想補充一句，對于一般直接帶隙半導體材料，材料對應的發光波長的峰值λ與材料帶隙可描述為λ=1.24/Eg，然而，當材料尺寸縮小至幾納米時（如量子阱層），量子效應引起的電子與空穴能級的變化要著重考慮噢，其對材料的發光波長具有重要的影響。

圖2.LED中多量子阱能帶結構。