分析三種新型半導(dǎo)體發(fā)光材料對(duì)半導(dǎo)體照明的應(yīng)用

在信息技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域中，以半導(dǎo)體材料為基礎(chǔ)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(zhì)量，促進(jìn)了人類社會(huì)的文明進(jìn)步。它們可用作信息傳輸，信息存儲(chǔ)，信息探測(cè)，激光與光學(xué)顯示，各種控制等等。半導(dǎo)體照明是一種基于半導(dǎo)體發(fā)光二極管新型光源的固態(tài)照明，是21世紀(jì)最具發(fā)展前景的高技術(shù)領(lǐng)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(shù)，它具有電光轉(zhuǎn)換效率高、體積小、壽命長(zhǎng)、安全低電壓、節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。發(fā)展固態(tài)照明產(chǎn)業(yè)可以大規(guī)模節(jié)約能源，對(duì)有效地保護(hù)環(huán)境，有利于實(shí)現(xiàn)我國(guó)的可持續(xù)發(fā)展具有重大的戰(zhàn)略意義。從長(zhǎng)遠(yuǎn)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(yīng)用及遠(yuǎn)大的發(fā)展前景而在材料行業(yè)中備受關(guān)注。

　　GaN是一種寬禁帶半導(dǎo)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(dǎo)體InN、GaN和AlN的能帶都是直接躍遷型,在性質(zhì)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(yīng)于覆蓋光譜中整個(gè)可見光及遠(yuǎn)紫外光范圍.實(shí)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(diào)的直接帶隙.GaN是優(yōu)良的光電子材料，可以實(shí)現(xiàn)從紅外到紫外全可見光范圍的光發(fā)射和紅、黃、藍(lán)三原色具備的全光固體顯示,強(qiáng)的原子鍵,高的熱導(dǎo)率和強(qiáng)的抗輻射能力，其光躍遷幾率比間接帶隙的高一個(gè)數(shù)量級(jí).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(jié)構(gòu).它的一個(gè)原胞中有4個(gè)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(jiān)硬的高熔點(diǎn)材料，熔點(diǎn)約為1700。

　　目前,GaN基藍(lán)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(yīng)用非常普遍，在交通信號(hào)燈里、彩色視頻廣告牌上、甚至閃光燈里都可能會(huì)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(dǎo)體材料為基礎(chǔ)所發(fā)展起來的固態(tài)白光照明技術(shù)有希望發(fā)展成為未來照明的主題技術(shù)，根據(jù)已有發(fā)展計(jì)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(shù)對(duì)節(jié)環(huán)保、改善照明等具有重要意義，并將會(huì)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(shù)水平下,獲得一定尺寸和厚度的實(shí)用化的GaN體單晶十分困難，并且價(jià)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(lán)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(shí)現(xiàn)的Mg摻雜工藝復(fù)雜,設(shè)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(jìn)一步研究開發(fā),是國(guó)內(nèi)外爭(zhēng)相研究的焦點(diǎn)問題.目前的主流制作GaN結(jié)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(guó)際研究的主要熱點(diǎn)之一．專家們預(yù)計(jì)，GaN基LED及功率晶體管、藍(lán)色激光器，一旦在襯底等關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域取得突破，其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程將會(huì)長(zhǎng)驅(qū)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(dǎo)電特性、大電流和高能量承受能力等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)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(dá)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(gè)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(shí)也存在豐富的結(jié)構(gòu).關(guān)于綠色發(fā)光帶一般被認(rèn)為是雜質(zhì)或缺陷態(tài)(O空缺、Zn填隙)的發(fā)光,但是相關(guān)機(jī)理還有待進(jìn)一步研究.報(bào)道目前常在制備時(shí)添加一些有效物質(zhì),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(qiáng)度(達(dá)一個(gè)量級(jí)以上),通常,ZnO表面有吸附物質(zhì)(如反應(yīng)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(xué)、電學(xué)等方面的性質(zhì),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(cè)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(diǎn),ZnO的藍(lán)帶,特別是近紫外激光發(fā)射特征,以及相當(dāng)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(lán)、紫外半導(dǎo)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(diǎn)高達(dá)2248K．并且在高溫下ZnO的揮發(fā)性很強(qiáng)，到1773K就會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的升華現(xiàn)象，因此晶體的生長(zhǎng)較為困難。

　　SiC作為第三代寬禁帶半導(dǎo)體的典型代表,無論是單晶襯底質(zhì)量、導(dǎo)電的外延層和高質(zhì)量的介質(zhì)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(yù)測(cè)在未來的寬禁帶半導(dǎo)體器件中,SiC將擔(dān)任主角,獨(dú)霸功率和微電子器件市場(chǎng).我國(guó)在SiC單晶和基片研究方面落后國(guó)外5到8年的時(shí)間.山東大學(xué)晶體材料國(guó)家重