半导体量子阱的原理

一、半导体发光的原理

在能带理论的框架下描述半导体发光，即为电子从导带向价带跃迁，释放出E~g~能量的光子。这个过程同样可以理解为半导体价带中的空穴和导带中的电子复合而产生光子。

而在半导体中，并不止有电子向低能级跃迁产生的光辐射，还有电子的激发、非辐射复合等过程。即使发光也存在本征发光（带间跃迁或自由载流子复合发光，激子发光）和缺陷发光（DAP、eA、Dh、深能级发光）。如图所示：

所以半导体中电子空穴的行为主要有以下四种：

1. 激发：能量转化为电子-空穴对
2. 复合：电子-空穴对转化为能量
3. 辐射复合：能量以光子形式释放
4. 非辐射复合：能量以热能形式释放

R（复合速率）＝Rr(辐射复合) + Rnr（非辐射复合）

发光效率：

1. 量子效率（电子-空穴对转换为光子的比率）——内量子效率、外量子效率
2. 电光转换效率
3. 流明效率

内量子效率η＝Rr/R 。通常半导体材料的内量子效率较低，大部分载流子通过非辐射复合衰减。

为了提高发光效率，有以下几个方法：

1. 提高晶体质量，减少缺陷发光
2. 减少非辐射复合中心
3. 对载流子进行限制——量子阱

二、量子阱

（一）半导体超晶格与多量子阱

半导体超晶格是由两种不同材料交替生长而成的多层异质结构晶体。

由于这两种材料的禁带宽度不同，则其能带结构出现了势阱和势垒。当这两种薄层材料的厚度和周期长度小于电子平均自由程时，整个电子系统就进入了量子领域，产生量子尺寸效应。这时夹在两个垒层间的阱就是量子阱。

• 当垒层厚度>20nm和高度大于0.5eV时，那么多个阱中的电子行为如同单个阱中电子行为的总合，这种结构材料称为多量子阱。
• 如果势垒比较薄或者高度比较低，由于隧道效应，使阱中的电子隧穿效应，使阱中电子隧穿势垒的机率变得很大，这种材料称为超晶格。

多量子阱——势阱足够窄，势垒足够高，阱间足够宽的组分超晶格。实际上可以使用不止一个量子阱作为有源区，而是采用层厚5～10nm的多层有源区，构成多量子阱。采用多量子阱，电子和空穴在空间上受到更大的限制，复合机率更大，器件有更好的性能。

（二）量子阱中的载流子

我们设阱壁的方向为x、y方向，垂直于阱壁的方向为z方向，则电子在平行于阱壁的平面x-y内是自由的，而在z方向的运动受到限制，故称为二维电子气。为简单起见，我们假如垒高视为无穷大，即电子在z方向是在一个无限深势阱内运动，相应的电子波函数满足薛定谔方程：

• 对于电子来说，导带底为能量零点，向上为能量增加的方向；
• 对于空穴来说，价带顶为能量零点，向下为能量增加的方向。

所以对于电激发半导体发光器件，当电子空穴注入后，电子和空穴会自发向量子阱中运动，在量子阱中复合，从而发光。当发光被限制在量子阱发光有源层中时，由于发出的光子能量为阱层Eg，小于垒层的Eg，故发出的光子不会被垒层吸收，增大了电子和空穴辐射复合的机率，加大了内量子效率。

能态密度

由于量子限域效应，在量子阱中又产生了一次能级分立，产生区别于体状态抛物线能态密度的台阶状能态密度。如图：

在抛物线能带结构中，由于靠近能带底部的态密度较小，处在这些能带上的载流子对受激发射不能产生有效的贡献，而在导带于价带的较高能态之间产生的受激辐射复合之前又必须先填充这些能态，这必然会导致较高的阈值电流密度；换句话说，由于台阶状的能态密度分布，使量子阱激光器比起双异质结激光器有较低的阈值电流密度。

（三）半导体量子阱在LED中的作用

1. 限制电子和空穴
2. 提高电子、空穴的复合机率
3. 在LED中作为发光的有源层
4. 降低阈值电流密度