分析三種新型半導體發(fā)光材料對半導體照明的應用

在信息技術的各個領域中，以半導體材料為基礎制作的各種各樣的器件，在人們的生活中幾乎無所不及，不斷地改變著人們的生活方式、思維方式，提高了人們的生活質量，促進了人類社會的文明進步。它們可用作信息傳輸，信息存儲，信息探測，激光與光學顯示，各種控制等等。半導體照明是一種基于半導體發(fā)光二極管新型光源的固態(tài)照明，是21世紀最具發(fā)展前景的高技術領域之一，已經(jīng)成為人類照明史上繼白熾燈、熒光燈之后的又一次飛躍。固態(tài)照明是一種新型的照明技術，它具有電光轉換效率高、體積小、壽命長、安全低電壓、節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點。發(fā)展固態(tài)照明產(chǎn)業(yè)可以大規(guī)模節(jié)約能源，對有效地保護環(huán)境，有利于實現(xiàn)我國的可持續(xù)發(fā)展具有重大的戰(zhàn)略意義。從長遠來看，新材料的開發(fā)是重中之重。發(fā)光材料因其優(yōu)越的物理性能、必需的重要應用及遠大的發(fā)展前景而在材料行業(yè)中備受關注。

　　GaN是一種寬禁帶半導體(Eg=3.4ev),自由激子束縛能為25mev,具有寬的直接帶隙,Ⅲ族氮化物半導體InN、GaN和AlN的能帶都是直接躍遷型,在性質上相互接近,它們的三元合金的帶隙可以從1.9eV連續(xù)變化到6.2eV，這相應于覆蓋光譜中整個可見光及遠紫外光范圍.實際上還沒有一種其他材料體系具有如此寬的和連續(xù)可調的直接帶隙.GaN是優(yōu)良的光電子材料，可以實現(xiàn)從紅外到紫外全可見光范圍的光發(fā)射和紅、黃、藍三原色具備的全光固體顯示,強的原子鍵,高的熱導率和強的抗輻射能力，其光躍遷幾率比間接帶隙的高一個數(shù)量級.GaN具有較高的電離度,在Ⅲ-V的化合物中是最高的(0.5或0.43).在大氣壓下,GaN一般是六方纖鋅礦結構.它的一個原胞中有4個原子,原子體積大約為GaAS的一半.GaN是極穩(wěn)定的化合物，又是堅硬的高熔點材料，熔點約為1700。

　　目前,GaN基藍綠光發(fā)光二極管己商品化,GaN基LD也有商品出售，最大輸出功率為0.5W.GaNLED的應用非常普遍，在交通信號燈里、彩色視頻廣告牌上、甚至閃光燈里都可能會見到它的身影。GaNLED的成功不僅僅引發(fā)了光電行業(yè)中的革命。它還幫助人們投入更多的資金和注意力來發(fā)展大功率高頻率GaN晶體管。以GaN基半導體材料為基礎所發(fā)展起來的固態(tài)白光照明技術有希望發(fā)展成為未來照明的主題技術，根據(jù)已有發(fā)展計劃，有能在2020年前取代白紙等和白熾燈，比較固態(tài)照明技術對節(jié)環(huán)保、改善照明等具有重要意義，并將會形成500億美元產(chǎn)值的巨大新興產(chǎn)業(yè)。但在目前的技術水平下,獲得一定尺寸和厚度的實用化的GaN體單晶十分困難，并且價格昂貴．GaN單晶至今未形成大規(guī)模商品化,缺乏合適的襯底材料,藍寶石也不是理想的襯底材料,其次是突破p型摻雜優(yōu)化,目前實現(xiàn)的Mg摻雜工藝復雜,設備昂貴,難以操作.這些問題影響了GaN電子器件和光電器件的進一步研究開發(fā),是國內(nèi)外爭相研究的焦點問題.目前的主流制作GaN結晶方法是MOCVD法.因此，尋找和選擇最適合的GaN的襯底材料一直是國際研究的主要熱點之一．專家們預計，GaN基LED及功率晶體管、藍色激光器，一旦在襯底等關鍵技術領域取得突破，其產(chǎn)業(yè)化進程將會長驅直入。

　　ZnO是一種優(yōu)良的多功能材料．作為壓電材料的ZnO壓敏陶瓷，因其優(yōu)良的非線性導電特性、大電流和高能量承受能力等優(yōu)點而被廣泛應用于抑制電力系統(tǒng)雷過電壓和操作過電壓，抑制電磁脈沖和噪音，防止靜電放電等方面.ZnO單晶在可見光透過率達到90%,在室溫下(或低溫下)ZnO及納米ZnO光致發(fā)光譜(PL)普遍存在2個較寬的發(fā)光帶,在520nm附近的寬綠色發(fā)光帶和在380nm附近一系列施主束縛激子峰的紫色發(fā)光帶。

綠色發(fā)光帶有時也存在豐富的結構.關于綠色發(fā)光帶一般被認為是雜質或缺陷態(tài)(O空缺、Zn填隙)的發(fā)光,但是相關機理還有待進一步研究.報道目前常在制備時添加一些有效物質,通過不同制備方法和條件處理,使ZnO表面吸附或包裹上一層“外衣”,以改善其無規(guī)則的表面層,鈍化表面以減少缺陷及懸鍵,可有效提高其可見光或紫外發(fā)射強度(達一個量級以上),通常,ZnO表面有吸附物質(如反應副產(chǎn)品,溶劑分子,溶解的氣體等),使其表面產(chǎn)生大量缺陷態(tài)及懸鍵,淬滅光發(fā)射,影響ZnO的光學、電學等方面的性質,因此這種處理能有效改善ZnO的表面態(tài).自室溫下激光激發(fā)ZnO納米微晶膜觀測到紫外激光發(fā)射行為以來。

ZnO的激光發(fā)射一直是研究的熱點,ZnO的藍帶,特別是近紫外激光發(fā)射特征,以及相當高的激子結合能(60meV)和增益系數(shù)(300cm-1),使其成為重要而優(yōu)異的藍、紫外半導體激光材料.ZnO作為透明電極和窗口材料而被用于太陽能電池，且因其輻射損傷小，特別適合在太空中使用。此外，ZnO還是制造聲表面波(體波)器件的理想材料.ZnO是一致熔融化合物，熔點高達2248K．并且在高溫下ZnO的揮發(fā)性很強，到1773K就會發(fā)生嚴重的升華現(xiàn)象，因此晶體的生長較為困難。

　　SiC作為第三代寬禁帶半導體的典型代表,無論是單晶襯底質量、導電的外延層和高質量的介質絕緣膜和器件工藝等方面,都比較成熟或有可以借鑒的SiC器件工藝作參考,由此可以預測在未來的寬禁帶半導體器件中,SiC將擔任主角,獨霸功率和微電子器件市場.我國在SiC單晶和基片研究方面落后國外5到8年的時間.山東大學晶體材料國家重