半導(dǎo)體發(fā)光材料

半導(dǎo)體發(fā)光材料第一頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期五應(yīng)用領(lǐng)域：第二頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期五半導(dǎo)體材料的發(fā)展歷程一以鍺，硅半導(dǎo)體材料為主二以GaAs(砷化鎵)、InP(磷化銦）為代表的半導(dǎo)體材料制作高性能微波、毫米波器件及發(fā)光器件的的優(yōu)良材料三以GaN、SiC為代表的寬禁帶半導(dǎo)體材料更適合于制作高溫、高頻、抗輻射及大功率器件主要用于低壓、低頻、中功率的晶體管和光電探測器第三頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期五半導(dǎo)體發(fā)光輻射躍遷：半導(dǎo)體材料中的電子由高能態(tài)向低能態(tài)躍遷時，以光子的形式釋放多余的能量，這稱為輻射躍遷。輻射躍遷的過程也就是半導(dǎo)體材料的發(fā)光過程。躍遷是電子-空穴對復(fù)合激勵：光致發(fā)光電致發(fā)光弛豫：從不穩(wěn)定到穩(wěn)定第四頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期五光致發(fā)光：價帶中基態(tài)的電子吸收入射的光子的能量后，躍遷到導(dǎo)帶中，成為不穩(wěn)定的激發(fā)態(tài)之后與價帶中的空穴通過各種過程進行復(fù)合而發(fā)光。電致發(fā)光：本征式和注入式第五頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期五半導(dǎo)體發(fā)光非輻射躍遷：電子由較高能級躍遷至低能級并不發(fā)出電磁輻射，稱作非輻射躍遷。高效率的發(fā)光器件需要的輻射壽命遠小于非輻射壽命第六頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期五直接帶結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體直接帶結(jié)構(gòu)：價帶頂?shù)哪芰课恢煤蛯?dǎo)帶底的位置相同直接帶隙躍遷特點：無聲子參與，發(fā)光效率高第七頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期五直接躍遷的的半導(dǎo)體材料II-VI族化合物ZnO、ZnS、ZnSe、ZnTe、CdS、CdSe、CdTeIII-V族化合物GaN、GaAs、GaSb、InP

第八頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期五間接帶結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體間接帶結(jié)構(gòu)：價帶頂?shù)哪芰课恢门c導(dǎo)帶底的能量位置不同間接帶隙躍遷特點：有聲子參與，發(fā)光效率低間接躍遷的半導(dǎo)體材料IV族半導(dǎo)體Si、Ge，III-V族化合物中的AlAs、GaP

第九頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期五半導(dǎo)體發(fā)光二極管發(fā)光原理即注入式電致發(fā)光即當加正向偏置式勢壘下降，p區(qū)和n區(qū)的多數(shù)載流子向?qū)Ψ綌U散。由于電子遷移率比空穴遷移率大得多，出現(xiàn)大量電子向p區(qū)擴散，構(gòu)成p區(qū)少數(shù)載流子的注入。這些電子與價帶上的空穴復(fù)合，復(fù)合時得到的能量以光能的形式釋放。第十頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期五半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生激光的必要條件：1受激輻射占主導(dǎo)地位2粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布3有光學諧振腔第十一頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期五半導(dǎo)體發(fā)光材料的研究現(xiàn)狀阻礙GaN研究的主要困難之一是缺乏晶格及熱脹系數(shù)匹配的襯底材料.SiC與GaN晶格匹配較好,失配率僅為3.5％，但SiC價格昂貴.藍寶石與GaN有14％的晶格失配,但價格比SiC便宜,而且通過在其上面生長過渡層也能獲得高質(zhì)量的GaN薄膜,因而藍寶石是氮化鎵基材料外延中普遍采用的一種襯底材料自室溫下激光激發(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(jié)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(dǎo)體激光材料。目前，人們致力于ZnO單晶的制備。第十二頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期五熒光量子點半導(dǎo)體材料中，微小晶體通常被稱作量子點（quantumdot)。這種量子點可以把電子鎖定在一個非常微小的三維空間內(nèi)，當有一束光照射上去的時候電子會受到激發(fā)跳躍到更高的能級。當這些電子回到原來較低的能級的時候，會發(fā)射出波長一定的光束?，F(xiàn)在量子點被大量地應(yīng)用在生物學實驗室內(nèi)，幫助研究人員確定生物細胞的結(jié)構(gòu)或活動。第十三頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期五熒光量子點當量子點被光脈沖照射的時候會產(chǎn)生各種各樣的顏色，不太高級的光學顯微鏡就可以觀察到這種彩色光。量子點可以用來追蹤藥物在體內(nèi)的活動、或是研究患者體內(nèi)細胞和組織的結(jié)構(gòu)。量子點可以產(chǎn)生多種顏色的光，光的顏色取決于量子點的尺寸。研究人員已經(jīng)制造出可以產(chǎn)生超過12種顏色熒光的量子點，而且理論上講可以產(chǎn)生出更多的顏色。這樣，當某個波長的激光對多種量子點進行照射激發(fā)的時候，可以同時觀察到多個顏色，同時進行多個測量。生物研究中所使用的量子點需要覆蓋上一層物質(zhì)以便可以追蹤特定的生物分子，可以應(yīng)用在醫(yī)學成像技術(shù)中。國外的科學家已經(jīng)應(yīng)用量子點標記腫瘤細胞憑借活體成像系統(tǒng)進行相關(guān)的研究第十四頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期五

Bi摻雜ZnO納米線的制備

ZnO納米材料的幾種制備方法：1.熱蒸發(fā)合成法： 這種方法通常是在高溫區(qū)，利用高溫加熱使原材料溫度上升而升華為蒸汽，同時通入一定量的載氣，利用載氣把蒸汽吹到溫度較低的冷端，隨后氣相物質(zhì)在特定的溫度區(qū)沉積下來并在催化劑的作用下成核長大，從而得到各種ZnO納米結(jié)構(gòu)第十五頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期五2.化學氣相沉積法

優(yōu)點是可以通過這種技術(shù)實現(xiàn)一維材料的陣列化，但由于儀器價格昂貴，因此一定程度上妨礙了這種方法的推廣和發(fā)展 3.模板輔助生長法

優(yōu)點是材料普遍、制作方法簡單、材料生長有序，但材料與模版分離較為麻煩，限制了它的后續(xù)開發(fā)與發(fā)展第十六頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期五4.水熱合成法

水熱合成法是液相法中使用最普遍的一種，它利用水溶液作反應(yīng)體系，在特制的密封反應(yīng)器，如高壓釜中進行化學反應(yīng)，對反應(yīng)體系加熱到或接近于其臨界溫度，使反應(yīng)容器中產(chǎn)生高壓，從而進行無機材料的合成與制備第十七頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期五ZnO為什么要摻雜Bi？

首先，摻雜可以改變ZnO半導(dǎo)體在電學、光學、磁學等方面的多種性能，并且只有摻雜過的ZnO半導(dǎo)體，才可以用于制備各種器件。Bi的優(yōu)勢:ZnO、Bi2O3的禁帶寬度分別為3.37eV、2.85eV，兩者相差不大，摻雜后可以調(diào)整ZnO禁帶寬度，進一步改變材料在光學、電學以及熱學等方面的多種性能第十八頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期五下圖所示Bi摻雜的ZnO納米顆粒結(jié)果表明，通過摻雜提升了納米線中的載流子濃度（3.5×108cm?1）以及電子移動效率（1.5cm2/Vs）第十九頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期五此次主要介紹化學氣相沉淀法（CAD）這種置備方法具體過程有以下七步：（1）反應(yīng)組份混合后，變成氣態(tài)物質(zhì)進入反應(yīng)室。（2）反應(yīng)組份在載氣的作用下，形成中間物質(zhì)。（3）中間物擴散到氣相邊界區(qū)域，到達沉積區(qū)域表面。（4）氣氛混合物在襯底表面被吸附，形成初級生長材料。（5）在襯底表面發(fā)生反應(yīng)并進行沉積過程。（6）反應(yīng)物自襯底表面發(fā)生解吸，生成氣態(tài)反應(yīng)產(chǎn)物。（7）從反應(yīng)系統(tǒng)中排出反應(yīng)物氣氛。第二十頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期五影響因素1.反應(yīng)溫度溫度過低時形成Bi的金屬球，溫度過高生成氧化鉍，如圖第二十一頁，共二十三頁，編輯于2023年