宽禁带半导体光电材料研究进展

宽禁带半导体光电材料的研究及其应用

宽禁带半导体材料(Eg大于或等于3.2ev)被称为第三代半导体材料。主要包

括金刚石、SiC、GaN等。和第一代、第二代半导体材料相比,第三代半导体材料具有禁带宽度大,电子漂移饱和速度高、介电常数小、导电性能好,具有更高的击穿电场、更高的抗辐射能力的特点,其本身具有的优越性质及其在微波功率器件领域应用中潜在的巨大前景,非常适用于制作抗辐射、高频、大功率和高密度集成的电子器件。

以氮化镓(GaN)为代表的Ⅲ族氮化物作为第三代半导体材料,是一种良好的直

接宽隙半导体光电材料,其室温禁带宽度为3.4eV,它可以实现从红外到紫外全可见光范围的光辐射。近年来已相继制造出了蓝、绿色发光二极管和蓝色激光器等光电子器,这为实现红、黄、蓝三原色全光固体显示,制备大功率、耐高温、抗腐蚀器件,外空间紫外探测,雷达,光盘存储精细化、高密度,微波器件高速化等奠定了基础。

氮化镓和砷化镓同属III-V族半导体化合物,但氮化镓是III-V族半导体化合物中少有的宽禁带材料。利用宽禁带这一特点制备的氮化镓激光器可以发出蓝色激光,其波长比砷化镓激光器发出的近红外波长的一半还要短,这样就可以大大降低激光束聚焦斑点的面积,从而提高光纪录的密度。与目前常用的砷化镓激光器相比,它不仅可以将光盘纪录的信息量提高四倍以上,而且可以大大提高光信息的存取速度。这一优点不仅在光纪录方

面具有明显的实用价值,同时在光电子领域的其他方面也可以得

到广泛应用。虽然人们早就认识到氮化镓的这一优点,但由于氮

化镓单晶材料制备上的困难以及难于生长出氮化镓PN结,氮化

镓发光器件的研究很长时间一直没有获得突破。经过近20年的

努力,1985年通过先进的分子束外延方法大大改善了氮化镓材

料的性能;1989年,Akasaki等人利用电子辐照方法实现了氮化

镓P型材料的生长并制备出PN结;1995年Nakamura等人制备

出发蓝紫光的氮化镓发光二极管,效率达到5%,赶上了传统的

磷砷化镓发光二极管的效率,寿命超过一万小时。1997年,用

氮化镓基材料制备的半导体激光器也开始面世。这一飞速发展的

势头反映了氮化镓材料受重视的程度。有人估计,氮化镓器件在

化合物半导体市场的份额将由1997年的2%很快上升到2006年

的20%,成为光电子产业中非常重要的产品。

半导体InN、GaN 和A lN 的能带都是直接跃迁的, 在性质上相互接近, 它们的三元合金的带隙从119 eV 到612 eV 很宽的范围内变化,具有优异的特性, 如高热导、优良的光学、电学性质和良好的材料机械性质和高电子饱和速度等。因为直接带隙材料的光跃迁几率比间接带隙的高约一个数量级, 又上宽带隙, 因此GaN 基半导体在短波长发光二极管、激光器和紫外探测器以及高温微电子器件方面显示出广阔的应用前景。目前, 正在研制由GaN 材料制成的高性能器件主要分为两类:光电器件和电子器件。光电器件已经占领了GaN 产品的主要市场。

宽禁带GaN 基半导体材料研究的几个重大突破,为实现GaN 基半导体器件, 最基本的是生长高质量的材料和结构以及控制其电导率。由于缺乏品格常数匹配、热胀系数接近的热稳定的衬底材料, 要生长平坦而没有裂纹的高质量GaN 外延层是非常困难的, 而且非故意掺杂的GaN 外延层一般呈电子浓度很高的n 型, 而p

型GaN 外延层又难以获得。因此1985 年以前的20多年间, GaN 的研究进展

十分缓慢。近10 多年来, GaN 材料研究接连取得的重大突破, 大大推动了GaN 基器件的

发展。

GaN基发光L ED 的应用及市场前景。

高亮度蓝光L ED 的商品化使动态信息显示平板实现全色显示全色动态信息

显示平板可以广泛的应用于体育场馆、车站、机场、工商业等行业的大型和超大型全色显示屏, 而蓝光L ED 是实现全色平板显示的关键器件, 是全色显示器件中价

格昂贵的器件。目前仅国内广告业、机场、车站需要的大型显示屏的年成交额达数亿元人民币, 而且该市场仍在以每年约4 倍的增长速度迅速发展。

照明光源实现固体器件化全色超高亮度L ED 的商品化带来了照明技术的一

场革命。利用组成变化可以发出波长连续可调的各种色光, 构成全色光源。目前利用超高亮度L ED 已可以制成最大亮度达到500 cd? m2的白色平板光源, 成为新

一代的照明光源, 其耗电量仅相当于相同亮度白炽灯(寿命约为6~12 月) 的

l0%~20% , 而其寿命为5~10 年。这种体积小、重量轻方向性好、节能、长寿命、

耐各种恶劣条件的新型固体光源对传统的光源市场造成冲击。目前普遍采用LU COL ED 技术制造白光L ED , 即在封装材料中添加某种荧光物质(如磷光物质或某

种荧光染色体物质) , 该荧光物质可以在蓝光L ED 的激励下发射橙黄光, 利用蓝

光和橙黄光的混合得到白光。

以高亮度L ED 取代信统的信号指示灯。传统的公路、铁路的交通信号灯、

警示灯、标志灯和各类汽车的指示灯, 采用白炽灯加油光片的方法实现各色指示或显示, 对光能的利用率很低(最高为50% ) , 而采用高亮度L ED 不仅响应速度

快、寿命长、抗震、耐冲击, 而且高效节能。目前日本已用高亮度红黄蓝L ED 像

素灯作为交通信号灯, 其耗电量仅为原来的12%。以高亮度的L ED 作为汽车的外

部指示灯, 不仅可以降低汽车用于发电的油耗, 使每加仑油耗的里程数增加一公里;

而且以L ED 作为汽车尾部的高位刹车灯, 由于其内应速度极快, 可以使行驶速度为60 KM /H 的汽车的刹车距离增加4 码, 从而大大降低了交通事故的发生概率。随着LED 照明技术的不断进步, 汽车用照明和指示设备有可能在未来几年以内全部被L ED 器件取代。

与氮化镓材料相比,氧化锌薄膜的紫外发光是刚刚开始的新兴课题。氧化锌是一种具有六方结构的自激活宽禁带半导体材料,室温下的禁带宽度为3.36eV,特别是它的激子结合能高达60毫电子伏,在目前常用的半导体材料中首屈一指,这一特性使它具备了室温下短波长发光的有利条件;此外,氧化锌具有很高的导电性,它还和其他氧化物一样具有很高的化学稳定性和耐高温性质,而且它的来源丰富,价格低廉。这些优点使它成为制备光电子器件的优良材料,极具开发和应用的价值。1997年日本和香港科学家合作研究得到了氧化锌薄膜的近紫外受激发光,开拓了氧化锌薄膜在发光领域的应用。由于它产生的受激发射的波长比氮化镓的发射波长更短,对提高光信息的纪录密度和存取速度更加有利,而且价格便宜。目前,除了氧化锌薄膜的发光特性外,也有人发现了氧化锌薄膜的光生伏特效应,显示出用它制备太阳能电池和紫外探测器的应用潜力;此外还有人研究了氧化锌薄膜的光记录特性。虽然氧化锌的研究工作刚刚兴起,但它已成为非常活跃的热门课题。目前在我国,中国科学技术大学、复旦大学、中科院长春物理所和等离子体物理所等一些单位都相继开展了这方面的工作,正在形成氧化锌研究热潮。

氧化锌是一种新型直接带隙宽禁带化合物半导体材料,具有优异的光学和电学特性,具备了发射蓝光或近紫外光的优越条件。氧化锌薄膜的高电阻率与单一的C 轴结晶择优取向决定了它具有良好的压电常数与机电耦合系数袁可用作各种压电,电声与声光器件。因具有电阻率随表面吸附的气体浓度变化的特点,氧化锌薄膜还可以用作制备表面型气敏元件。

41 短波长发光材料

由于以往的制备工艺很难制出高质量的氧化锌薄膜,限制了氧