半导体发光材料 (2)

1、半导体发光材料半导体发光材料定义：能够以某种方式吸收能量，并将其转化成光辐射的 半导体材料半导体二极管、半导体激光器应用领域：半导体材料的发展历程一一以锗，硅半导体材料为主二二以GaAs(砷化镓)、InP(磷化铟）为代表的半导体材料制作高性能微波、毫米波器件及发光器件的的优良材料三三以GaN、SiC为代表的宽禁带半导体材料更适合于制作高温、高频、抗辐射及大功率器件主要用于低压、低频、中功率的晶体管和光电探测器半导体发光辐射跃迁：半导体材料中的电子由高能态向低能态跃迁时，以光子的形式释放多余的能量，这称为辐射跃迁。辐射跃迁的过程也就是半导体材料的发光过程。跃迁是电子-空穴对复合激励： 光致发光

2、电致发光弛豫：从不稳定到稳定光致发光：价带中基态的电子吸收入射的光子的能量后，跃迁到导带中，成为不稳定的激发态之后与价带中的空穴通过各种过程进行复合而发光。电致发光：本征式和注入式半导体发光非辐射跃迁：电子由较高能级跃迁至低能级并不发出电磁辐射，称作非辐射跃迁。高效率的发光器件需要的辐射寿命远小于非辐射寿命直接带结构半导体直接带结构：价带顶的能量位置和 导带底的位置相同直接带隙跃迁特点：无声子参与，发光效率高ghE直接跃迁的的半导体材料II-VI族化合物 ZnO、ZnS、ZnSe、ZnTe、 CdS、CdSe、CdTeIII-V族化合物 GaN、GaAs、GaSb、InP 间接带结构半导体间接

3、带结构：价带顶的能量位置与 导带底的能量位置不同间接带隙跃迁特点：有声子参与，发光效率低间接跃迁的半导体材料 IV族半导体Si、Ge， III-V族化合物中的AlAs、GaP ghE半导体发光二极管发光原理即注入式电致发光 即当加正向偏置式势垒下降，p 区和n区的多数载流子向对方扩 散。由于电子迁移率比空穴迁移 率大得多，出现大量电子向p区 扩散，构成p区少数载流子的注 入。这些电子与价带上的空穴复 合，复合时得到的能量以光能的 形式释放。半导体激光器产生激光的必要条件： 1 受激辐射占主导地位 2 粒子数反转分布 3 有光学谐振腔半导体发光材料的研究现状阻碍GaN 研究的主要困难之一是缺乏晶

4、格及热胀系数匹配的衬底材料. SiC与GaN晶格匹配较好,失配率仅为3.5，但SiC价格昂贵. 蓝宝石与GaN有14的晶格失配,但价格比SiC便宜,而且通过在其上面生长过渡层也能获得高质量的GaN薄膜,因而蓝宝石是氮化镓基材料外延中普遍采用的一种衬底材料自室温下激光激发ZnO纳米微晶膜观测到紫外激光发射行为以来,ZnO 的激光发射一直是研究的热点,ZnO的蓝带,特别是近紫外激光发射特征,以及相当高的激子结合能(60meV) 和增益系数(300cm- 1 ) ,使其成为重要而优异的蓝、紫外半导体激光材料。目前，人们致力于ZnO单晶的制备。荧光量子点半导体材料中，微小晶体通常被称作量子点（quan

5、tum dot)。这种量子点可以把电子锁定在一个非常微小的三维空间内，当有一束光照射上去的时候电子会受到激发跳跃到更高的能级。当这些电子回到原来较低的能级的时候，会发射出波长一定的光束。现在量子点被大量地应用在生物学实验室内，帮助研究人员确定生物细胞的结构或活动。荧光量子点当量子点被光脉冲照射的时候会产生各种各样的颜色，不太高级的光学显微镜就可以观察到这种彩色光。量子点可以用来追踪药物在体内的活动、或是研究患者体内细胞和组织的结构。量子点可以产生多种颜色的光，光的颜色取决于量子点的尺寸。研究人员已经制造出可以产生超过12种颜色荧光的量子点，而且理论上讲可以产生出更多的颜色。这样，当某个波长的激

6、光对多种量子点进行照射激发的时候，可以同时观察到多个颜色，同时进行多个测量。生物研究中所使用的量子点需要覆盖上一层物质以便可以追踪特定的生物分子，可以应用在医学成像技术中。国外的科学家已经应用量子点标记肿瘤细胞凭借活体成像系统进行相关的研究Bi掺杂ZnO纳米线的制备 ZnO纳米材料的几种制备方法：1.热蒸发合成法： 这种方法通常是在高温区，利用高温加热使原材料温度上升而升华为蒸汽，同时通入一定量的载气，利用载气把蒸汽吹到温度较低的冷端，随后气相物质在特定的温度区沉积下来并在催化剂的作用下成核长大，从而得到各种ZnO 纳米结构2.化学气相沉积法优点是可以通过这种技术实现一维材料的阵列化，但由于仪

7、器价格昂贵，因此一定程度上妨碍了这种方法的推广和发展3.模板辅助生长法优点是材料普遍、制作方法简单、材料生长有序，但材料与模版分离较为麻烦，限制了它的后续开发与发展4.水热合成法水热合成法是液相法中使用最普遍的一种，它利用水溶液作反应体系，在特制的密封反应器，如高压釜中进行化学反应，对反应体系加热到或接近于其临界温度，使反应容器中产生高压，从而进行无机材料的合成与制备ZnO为什么要掺杂Bi？首先，掺杂可以改变ZnO半导体在电学、光学、磁学等方面的多种性能，并且只有掺杂过的ZnO半导体，才可以用于制备各种器件。Bi的优势:ZnO、Bi2O3的禁带宽度分别为3.37eV、2.85eV，两者相差不大

8、，掺杂后可以调整ZnO禁带宽度，进一步改变材料在光学、电学以及热学等方面的多种性能下图所示Bi掺杂的ZnO纳米颗粒结果表明，通过掺杂提升了纳米线中的载流子浓度（3.5108 cm1）以及电子移动效率（1.5 cm2/V s）此次主要介绍化学气相沉淀法（CAD）这种置备方法具体过程有以下七步：（1）反应组份混合后，变成气态物质进入反应室。（2）反应组份在载气的作用下，形成中间物质。（3）中间物扩散到气相边界区域，到达沉积区域表面。（4）气氛混合物在衬底表面被吸附，形成初级生长材料。（5）在衬底表面发生反应并进行沉积过程。（6）反应物自衬底表面发生解吸，生成气态反应产物。（7）从反应系统中排出反应

9、物气氛。影响因素1.反应温度温度过低时形成Bi的金属球，温度过高生成氧化铋，如图2.压强温度相同时，压强越大，纳米线越容易形成，如下图所示成分分析：可以发现，衍射峰值和ZnO的衍射峰值一致，未发现明显Bi2O3衍射峰，说明Bi未大量氧化结晶。且没有发现明显Bi衍射峰的出现，说明掺杂量较小结论：利用CAD的方法，在400C，500Torr条件下，能得到最好的效果。Bi的掺杂能有效地改善ZnO纳米结构的能级宽度，进而调控ZnO纳米线在许多方面的性能，提升其应用空间。1.周遗品, 赵永金, 张延金. Arrhenius公式与活化能. 石河子大学报(自然科学版), 1995, 4 2.朱静. 纳米材料

10、和器件. 北京: 清华大学出版社, 20033.张立德, 牟季美. 纳米材料和纳米结构. 北京: 科学出版社, 2001 4.Wang, Q. Li, Z. Liu, J. Zhang, and Z. Liu, and R. Wang, Appl. Phys.Lett. 2004, 84(5), 4941 5. Vidhya Chakrapani,Jyothish Thangala and Mahendra K. Sunkara. WO3 and W2N nanowire arrays for photoelectrochemical. international journalof hydrogen energy ,International Journal of Hydrogen Energy, 2009, 34(3): 9050 9059 6.Look D C, Reynolds D C, Litton C W, Jones R L, Eason D B and Cantwell G, A