关于电致发光介绍

[拼音]：dianzhi faguang

[外文]：electroluminescence

电能直接转换为光能的发光现象（简称EL）。过去，取其在电场作用下发光之意，曾译为场致发光。

气体中的EL现象早为人们所熟知。闪电、霓虹灯发出的光就是电流通过气体时的发光现象；而日光灯则是电流通过水银蒸气时发出的紫外线激发日光灯管壁上的固体发光材料而发光的，所以它是EL与光致发光的综合现象。

1923年苏联O.罗雪夫曾观察到，作为检波器用的SiC晶体通电时，从电极与晶体接触处发出光来。这一现象的研究停滞不前，到60年代才在固体理论和半导体技术发展的基础上发现PN结发光。其基本结构跟半导体二极管相似，都是用半导体材料制成的PN结（见半导体物理学）。当PN结正向偏置时，电子（空穴）注入到P(N)型材料区，这样注入的少数载流子，通过直接或间接的途径与多数载流子复合。这种载流子注入引起的复合发光称为注入式EL(或简称注入发光)，而不发光的复合称为无辐射复合或无辐射跃迁。复合发光与无辐射复合是互相竞争的，要提高发光效率就要设法减少无辐射复合。晶体中原有的或制管工艺过程中引进的缺陷是无辐射复合的主要来源。因此只有在晶体生长技术和制管工艺比较成熟的70年代，才制成实用的发光二极管(简称LED)。目前绝大多数的LED是由Ⅲ-Ⅴ族化合物制成的；虽然金刚石和SiC的带隙超过发可见光所需的最小值1.8eV；但这两种材料不易生长完整的晶体，且都是间接带隙材料，因此尚不能用来生产实用的LED。而 Ⅱ-Ⅵ族化合物，虽大都是带隙超过 1.8eV的直接带隙材料(见半导体物理学)，但由于存在自补偿效应，用一般方法不能获得双极性材料(除 CdTe外，ZnTe只能制成P型的，其余的ZnS、ZnO、ZnSe、CdO等则只能制成N型的）；因此除非采用下文提到的特殊方法或特殊结构，用Ⅱ-Ⅵ族材料制造LED是不现实的。Ⅲ-Ⅴ族化合物则除了GaN外均可获得双极性材料，其带隙又大多足够宽，是制造从近红外到可见光LED的实用材料，其中以GaP和GaAs1-xPx等最为典型。GaP材料的带隙在300K时达2.26eV，然而它是间接带隙材料，根据固体理论，这种材料要有声子的参与才能发生带间跃迁，固此跃迁几率较小，直接用它制造LED，发光效率也就较低。目前采用两种办法解决这个缺点。一是在GaP晶体中引进所谓的等电子杂质（如GaP中引进N，发绿光），形成等电子陷阱;另一是把间接带隙材料(GaP)与直接带隙材料(GaAs)按一定组分关系形成混晶，表之为GaAs1-xPx，x<0.40时，这个混晶具有直接带隙材料的特性；改变组分x值，就可改变LED发光的颜色。市场上出售的发红光的GaP:ZnO发光二极管以及发红光的Ga1-xAlxAs发光二极管（GaAs与AlAs的混晶）也是基于上述原理而提高发光效率的。

1936年法国科学家G.德斯特里奥发现另一种被称为本征型EL现象，又称为德斯特里奥效应。所用的发光材料（例如 ZnS粉末）其电阻率很高（类似本征半导体材料），把它悬置于树脂等绝缘材料中并夹于两块平板电极间（其中一块常为透明电极，例如镀SnO2的玻璃），这样的系统称为EL板或EL盒，见图。把EL盒与交流电源连接就可观察到光从透明电极一侧透射出来。这个现象的典型解释为：从施主或陷阱中通过电场或热激发到达导带的电子，或从电极通过隧道效应进入材料中的电子，受到电场加速获得足够高的能量，碰撞电离或激发发光中心，最后导致复合发光。根据理论估计，要发生碰撞电离，场强约需105～106伏/厘米，但一般EL盒发光层厚度约0.1毫米，施加的电压约100伏左右，因此平均场强仅10伏／厘米；然而由于存在晶粒间界、缺陷等各种不均匀性，EL盒中的电场分布不是均匀的，在一些微区内，场强可能远大于平均场强。实际上，对ZnS:Cu颗粒的EL的显微观察发现，光不是均匀发出的而是局限于 ZnS颗粒中一些微区，它表现为一些细短的发光线对，其局部亮度高达 105英尺·朗伯。发光线对的本质是什么尚无一致的看法，较多认为它跟某种缺陷或跟铜的沉积相有关。

本征型EL自从1936年被发现后，由于未能突破亮度低、寿命短的缺点，其应用受到很大限制；直到近十多年来，情况又有新的变化，寿命提高达1万小时，加以直流粉末EL(DC-EL)材料的问世以及交流薄膜EL(ACTF-EL)板的研制成功才又使EL研究进入新的兴盛时期。典型的DC-EL材料是将掺Mn、Cu的ZnS粉末置于有铜离子的溶液中浸润若干分钟进行所谓的包铜工艺而获得的，这种材料的特点是，可用直流电源、脉冲电源和交流电源，亮度高（但效率较低）。典型的 ACTF-EL板是用真空淀积方法把ZnS:Mn发光层夹于双绝缘层之间，这样的EL板亮度高寿命长，并且在采用较高浓度的Mn时，还具有记忆效应等特点，利用它已经研制成全固体化的平板电视样机。如进一步解决色调及造价高的问题，它将成为有竞争力的显示屏。

近年来，EL出现了许多新的研究方向：

（1）在研究方法上，采用离子注入技术使 Ⅱ-Ⅵ族化合物制成PN结，采用金属-绝缘体-半导体(MIS)、金属-半导体(MS)以及异质结等非PN结或异质结的结构。

（2）在有关物理过程方面，跟耿氏效应和声电效应联系的体效应EL是强场下热载流子引起的现象，是与多数载流子联系的均匀发生于晶体内部的过程。

（3）在材料方面，对 Ⅲ-Ⅴ 化合物GaN，对黄铜矿结构的 Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ2 和Ⅱ-Ⅳ-Ⅴ2化合物，如CuGaS2、CdSnP2等以及对有机物的研究也引起广泛的注意。

（4）在应用方面除了作为指示、字符数码显示外，还开展光通信、夜视仪、多功能光电器件及平板显示等方面的应用研究。

参考书目

1. J. I. Pankove，Electroluminescence，Springer－Verlag，Berlin，Heidelberg，New York，1977.