半導体の発光 発光機構

半導体の発光

発光機構

• バンド間遷移

• バンドと不純物準位間遷移

• 自由励起子遷移

• 束縛励起子遷移

• ドナ・アクセプタ対遷移

• アイソエレクトロニック・トラップ

バンド間遷移

I (hν) ∝

ν²(hν-E_g) exp[ - (hν-E_g)/kT]

伝導帯から価電子帯への遷移 伝導帯と価電子帯のキャリア分布 を反映

バンド間遷移

• バンドギャップエネルギーを低エネルギーのしき い値とする。

• ピークより低エネルギーでは状態密度を反映し て鋭く立ち上がる。

格子不整合と発光

InGaAsP/GaAs

• 関数形はバンド間遷移の形状と同じである が、不純物のイオン化エネルギー（Ea）だ け低エネルギーにシフトする。

I (hν) ∝ ν²(hν-E_g-E_a)exp[ - (hν-E_g-E_a)/kT]

GaAs

• 自由励起子発光

低温で純粋な結晶では光子と励起子が相 互作用して励起子ポラリトンを形成

• 束縛励起子発光 低温で強度大

非常に鋭い発光線（半値幅 ～0.1meV) 発光エネルギーによる不純物の同定

自由励起子遷移

光吸収

発光

励起子ポラリトンによる発光

束縛励起子発光

自由励起子発光 束縛励起子発光

励起子分子

自由励起子 遷移 束縛励起子遷移 フォノンを放出した

束縛励起子遷移

ＬＯ：ＬＯフォノンエネルギー

Hayns

GaPでの中性ドナおよび中性アクセプタに 束縛された励起子の局在エネルギーと 不純物のイオン化エネルギーの関係。

ドナ

アクセプタ

アイソエレクトロニック・トラップ

• 電気陰性度の高い同族の不純物

• 間接遷移

• 波動関数が局在

• ブリルアンゾーンの中心（Γ点）で電子の存 在確率が大

• ＧａＰ（間接遷移型）中の窒素（Ｎ）不純物にト ラップされた励起子遷移：緑色ＬＥＤ

電気陰性度

2.01 1.79 1.57 1.35 1.13 0.91 0.79

Se Br

As Ge Ga Zn Cu

2.10 1.87 1.64 1.41 1.18 0.95 0.72

S Cl

P Si Al Mg Na

4.00

3.50 3.00 2.50 2.00 1.50 1.00

O F

N C B Be Li

DA対発光

発光エネルギー

h

= E

– E

– E

+ e

/4

r

ドナとアクセプタの距離

r

e²/4πεr ： クーロンエネルギー

Type I Type II

S_P-Si_P S_P-Zn_Ga

S_P-Si_P Type I

GaPのDA対発光の時間分解スペクトル

近いペア：遷移確率大 遠いペア：遷移確率小

ZnドープCuAlSe2のDA対発光の励起光強度依存性 半導体中での遷移金属の発光

• 不純物原子の内殻遷移による発光

• ３ｄ遷移金属では、周囲の原子の影響大 ３ｄ－３ｄ遷移（自由イオンでは禁止遷移）

• ３価の４ｆ遷移金属（希土類）では原子特有の 発光（４ｆ電子が５ｓ電子により遮蔽）。

４ｆ－４ｆ遷移（自由イオンでは禁止遷移）

• ３価の４ｆ遷移金属（希土類）では５ｄ－４ｆ遷移

（許容遷移）の発光

遷移金属の発光の応用

• Al₂O₃：Cr ルビーレーザ （初のレーザ）

• ZnS:Mn EL用蛍光体

• 希土類ドープ酸化物、硫化物：蛍光体

• EDFA（Europium Doped Fiber Amplifier) Euドープ石英ファイバーによる光増幅器 1.55μｍ帯光通信