半导体发光材料

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
（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
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
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
应用领域：
半导体材料的发展历程
一
以锗，硅半导体材料为主 主要用于低压、低频、中功率的晶体管和光电 探测器
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
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
IV族半导体Si、Ge，
III-V族化合物中的AlAs、GaP
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
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(300cm1 ) ,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
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（3.5×108 cm−1） 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。
II-VI族化合物
ZnO、ZnS、ZnSe、ZnTe、 CdS、CdSe、CdTe
III-V族化合物
GaN、GaAs、GaSb、InP
间接带结构半导体
间接带结构：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
h Eg
特点：有声子参与，发光效率低 间接跃迁的半导体材料
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 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。
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， 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
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
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
源自文库
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
h Eg
特点：无声子参与，发光效率高
直接跃迁的的半导体材料
半导体材料中，微小晶体通常被称作量子点（quantum 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。