半导体发光材料.ppt

第一页，共二十一页，2022年，8月28日 目录 半导体发光材料的条件 半导体发光材料 ? GaAs半导体材料 ? Si基发光材料 半导体发光材料器件 第二页，共二十一页，2022年，8月28日 半导体发光材料的条件 合适的带隙宽度 电导率高的P型和N型晶体 用以制备优良的PN结 完整性好的优质晶体 制作高效率发光器件的必要条件 发光复合几率大 直接带隙跃迁 间接带隙跃迁 第三页，共二十一页，2022年，8月28日 半导体发光材料 发光的主要机制： e-h的复合，释放光子 第四页，共二十一页，2022年，8月28日 半导体发光材料 直接带隙跃迁 特点：无声子参与，发光效率高 第五页，共二十一页，2022年，8月28日 半导体发光材料 直接跃迁的半导体材料 以III-V族化合物半导体以及由它们组成的三四元固溶体为主 GaAs InP GaN GaAsP InGaAsP ...... 第六页，共二十一页，2022年，8月28日 GaAs半导体材料 典型的直接跃迁型材料 最为重要且研究最多的III-V族化合物半导体 Eg~1.43eV，λ~900nm 微波器件，半导体激光器，上转换可见光器件的红外激发源，发光耦合器的红外发光源等 许多材料外延生长的衬底 第七页，共二十一页，2022年，8月28日 GaAs基本性质 闪锌矿结构 （110）自然解理面 主要缺陷 位错 化学计量比偏离 杂质偏析 显微沉淀 第八页，共二十一页，2022年，8月28日 GaAs的发光原理 室温下用电子束激发GaAs发光时的相对效率与杂质浓度 1016 1017 1018 1019 1020 N型 P型 10-4 10-3 10-2 10-1 1 发光相对效率 杂质浓度（cm-3） 第九页，共二十一页，2022年，8月28日 GaAs的发光原理 杂质浓度增加引起的态密度变化 Eg ED E （a）低浓度 （b）中等浓度下 的杂质带 （c）高浓度 下的带尾 第十页，共二十一页，2022年，8月28日 GaAs的发光原理 高杂质浓度晶体内的带间跃迁 Eg hv hv E P(E) (a) N型晶体 (b) P型晶体 第十一页，共二十一页，2022年，8月28日 GaAs的发光原理 GaAs发光二极管主要在P区发光： （1）μn/μp高达20左右 （2）N区的费米能级因简并处于很高的位置 （3）P区内受主很深且形成杂质带 第十二页，共二十一页，2022年，8月28日 半导体发光材料 间接带隙跃迁 特点：有声子参与，发光效率低。 第十三页，共二十一页，2022年，8月28日 Si基发光材料 硅（Si）是目前最主要的半导体，在微电子器件材料领域占有主流地位，硅基光电子集成是目前科学研究的热点。 光发射器件是硅基光电集成中的关键器件，要实现硅基光电子集成，就必须解决硅基材料的发光问题！ 第十四页，共二十一页，2022年，8月28日 Si基发光材料 1984年Dimaria等人报道了，半透明Au 膜/ SiO2(50nm)/富硅SiO2(20nm)/n-Si结构在1000℃退火后，正向偏压大于15V下有电致发光出现。 1990年Canham报道了室温下多孔硅的强光致发光。 近年来许多研究机构正在通过半导体杂质工程或能带工程的方法来改善硅的发光效率，并取得一定的进展。 第十五页，共二十一页，2022年，8月28日 杂质发光 1.等电子（杂质）中心 等电子陷阱 束缚激子 对提高间接带隙材料的发光效率起着关键作用。 2.掺Er杂质发光 发光机理：激子传递能量模型。 目前的局限：Er在Si中的固溶度仅能到1018cm-3， 发光效率较低发光强度不高。 第十六页，共二十一页，2022年，8月28日 硅基量子结构 研究集中在α-Si(Ge)/SiO2超晶格、SiGe/Si量子阱和Si(Ge)量子点发光。 原因 为了对量子点发光的机理进行深入研究，以求得物理上的正确模型与解释。 在Si上制作量子点，从三维上对电子和空穴进行限制，真正回避了硅基材料间接带隙发光效率低的难题。 第十七页，共二十一页，2022年，8月28日 半导体发光材料器件 第十八页，共二十一页，2022年，8月28日 阐述发光机制 * Cu为GaAs中最有害的杂质。它能够参与晶体中所有的全部结构缺陷和杂质的相互作用。在形成固溶体时，还会生成各种络合物和凝聚物，在GaAs中造成大量的能级。它还是一种快扩散杂质，特别是填隙型Cu，造成器件性能劣化。 *