固體電致發(fā)光的早期研究

　　早在固體材料電子結(jié)構(gòu)理論建立之前，固體電致發(fā)光的研究就已經(jīng)開(kāi)始。最早的相關(guān)報(bào)道可以追溯到上世紀(jì)初的1907年。就職于Marconi Electronics的H.J.RounD在SiC 晶體的兩個(gè)觸點(diǎn)間施加電壓，在低電壓時(shí)觀察到黃光，隨電壓增加則觀察到更多顏色的光。前蘇聯(lián)的器件物理學(xué)家O.Losev( 1903—1942) 在1920 和1930年代在國(guó)際刊物上發(fā)表了數(shù)篇有關(guān)SiC 電致發(fā)光的論文。

　　1940年代半導(dǎo)體物理和p-n結(jié)的研究蓬勃發(fā)展，1947年在美國(guó)貝爾電話(huà)實(shí)驗(yàn)室誕生了晶體管。Shockley，BardeenanDBrattain共獲1956年的諾貝爾物理獎(jiǎng)。人們開(kāi)始意識(shí)到p-n結(jié)能夠用于發(fā)光器件。1951年美國(guó)陸軍信號(hào)工程實(shí)驗(yàn)室的K.Lehovec等人據(jù)此解釋了SiC的電致發(fā)光現(xiàn)象： 載流子注入結(jié)區(qū)后電子和空穴復(fù)合導(dǎo)致發(fā)光。然而，實(shí)測(cè)的光子能量要低于SiC 的帶隙能量，他們認(rèn)為此復(fù)合過(guò)程可能是雜質(zhì)或晶格缺陷主導(dǎo)的過(guò)程。1955年和1956年，貝爾電話(huà)實(shí)驗(yàn)室的J.R.Haynes 證實(shí)在鍺和硅中觀察到的電致發(fā)光是源于p-n結(jié)中電子與空穴的輻射復(fù)合。

　　1957年，H.Kroemer預(yù)言異質(zhì)結(jié)有著比同質(zhì)結(jié)更高的注入效率，同時(shí)對(duì)異質(zhì)結(jié)在太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用提出了許多設(shè)想。1960年R.L.Anderson第一次制成高質(zhì)量的異質(zhì)結(jié)，并提出系統(tǒng)的理論模型和能帶圖。1963年Z.I.Alferov 和H.Kroemer各自獨(dú)立地提出基于異質(zhì)結(jié)的激光器的概念，指出利用異質(zhì)結(jié)的超注入特性實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的可行性，并且特別指出同質(zhì)結(jié)激光器不可能在室溫下連續(xù)工作。

　　經(jīng)過(guò)堅(jiān)持不懈的努力，1969年異質(zhì)結(jié)激光器終于實(shí)現(xiàn)室溫連續(xù)工作，這構(gòu)成了現(xiàn)代光電子學(xué)的基礎(chǔ)。

　　H.Kroemer 和Z.I.Alferov 因發(fā)明異質(zhì)結(jié)晶體管和激光二極管( LD) 所做出的奠基性貢獻(xiàn)，獲得了2000年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

　　之后，GaAs 倍受關(guān)注，基于GaAs 的p-n結(jié)的制備技術(shù)迅速發(fā)展。GaAs 是直接帶隙半導(dǎo)體材料，電子與空穴的復(fù)合不需要聲子的參與，非常適合于制作發(fā)光器件。GaAs 的帶隙為1.4 eV，相應(yīng)發(fā)光波長(zhǎng)在紅外區(qū)。1962年夏天觀察到了p-n結(jié)的發(fā)光。數(shù)月后，3 個(gè)研究組獨(dú)立且?guī)缀跬瑫r(shí)實(shí)現(xiàn)了液氮溫度下( 77 K) GaAs 的激光，他們分別是通用電氣，IBM 和MIT 林肯實(shí)驗(yàn)室。異質(zhì)結(jié)及后來(lái)的量子阱，能夠更好地限制載流子，提高激光二極管的工作性能。室溫下連續(xù)工作的LD被廣泛應(yīng)用于眾多領(lǐng)域。

　　可見(jiàn)光LEDs

　　第一只LED是1962年由Holonyak等人利用GaAsp材料制得的紅光LED，1968年因?yàn)槠溟L(zhǎng)壽命、抗電擊、抗震而作為指示燈實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化。1970年代，隨著材料生長(zhǎng)和器件制備技術(shù)的改進(jìn)，LED的顏色從紅光擴(kuò)展到黃綠光。1980年代，AlGaAs新材料的生長(zhǎng)技術(shù)的發(fā)展，高質(zhì)量AlGaAs / GaAs 量子阱得以應(yīng)用于LED結(jié)構(gòu)中，載流子在量子阱中的限制效應(yīng)大大地提高了LED的發(fā)光效率。90年代，四元系A(chǔ)lGaInp/GaAs 晶格匹配材料的使用，使得LED的發(fā)光效率提高到幾十lm/W。美國(guó)惠普公司利用截角倒金字塔( TIP) 管芯結(jié)構(gòu)得到的桔紅光的效率達(dá)到100 lm/ W。