半导体发光材料-PPT课件
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半Biblioteka Baidu体发光材料
目录
半导体发光材料的条件 半导体发光材料 ► GaAs半导体材料 ► Si基发光材料 半导体发光材料器件
半导体发光材料的条件
合适的带隙宽度
c 1 .2 4 E g [e V ]h [ m ]
电导率高的P型和N型晶体
用以制备优良的PN结
完整性好的优质晶体
制作高效率发光器件的必要条件
GaAs的发光原理
E
hv Eg hv
P(E) (a) N型晶体
(b) P型晶体
高杂质浓度晶体内的带间跃迁
GaAs的发光原理
GaAs发光二极管主要在P区发光：
（1）μn/μp高达20左右
（2）N区的费米能级因简并处于很高的位置
（3）P区内受主很深且形成杂质带
半导体发光材料
间接带隙跃迁
h E g
SiO2(50nm)/富硅SiO2(20nm)/n-Si结构在1000℃退 火后，正向偏压大于15V下有电致发光出现。
1990年Canham报道了室温下多孔硅的强光致发光。 近年来许多研究机构正在通过半导体杂质工程或能 带工程的方法来改善硅的发光效率，并取得一定的 进展。
杂质发光
1.等电子（杂质）中心
谢
谢！
GaAs的发光原理
1
发 光 相 对 效 率
10-1
N型
10-2
P型
10-3
10-4
1016
1017
1018
1019
1020
杂质浓度（cm-3）
室温下用电子束激发GaAs发光时的相对效率与杂质浓度
GaAs的发光原理
E
ED
Eg
（a）低浓度
（b）中等浓度下 的杂质带
（c）高浓度 下的带尾
杂质浓度增加引起的态密度变化
1.
2.
为了对量子点发光的机理进行深入研究，以求得 物理上的正确模型与解释。 在Si上制作量子点，从三维上对电子和空穴进行 限制，真正回避了硅基材料间接带隙发光效率低 的难题。
半导体发光材料器件
半导体发光材料器件
波长/μm
◄
Δ
1.5 近红外
InGaAsP激光器 通讯系统
◄
1.0
Δ Δ ◄
InGaAs激光器
GaAs半导体材料
典型的直接跃迁型材料
最为重要且研究最多的III-V族化合物半导体
Eg~1.43eV，λ ~900nm
微波器件，半导体激光器，上转换可见光器 件的红外激发源，发光耦合器的红外发光源 等
许多材料外延生长的衬底
GaAs基本性质
闪锌矿结构
（110）自然解理面
主要缺陷
位错 化学计量比偏离 杂质偏析 显微沉淀
发光复合几率大
直接带隙跃迁 间接带隙跃迁
半导体发光材料
发光的主要机制：
e-h的复合，释放光子
半导体发光材料
直接带隙跃迁
h Eg
特点：无声子参与， 发光效率高
半导体发光材料
直接跃迁的半导体材料
以III-V族化合物半导体以及由它们组成的三四元固溶体为主
GaAs InP
GaN
GaAsP InGaAsP ......
等电子陷阱 束缚激子
对提高间接带隙材料的发光效率起着关键作用。
2.掺Er杂质发光
发光机理：激子传递能量模型。
目前的局限：Er在Si中的固溶度仅能到1018cm-3，
发光效率较低发光强度不高。
硅基量子结构
研究集中在α-Si(Ge)/SiO2超晶格、SiGe/Si 量子阱和Si(Ge)量子点发光。 原因
AlGaAs激光器 AlInGaP激光器(红) 光盘存储 GaN激光器(蓝)
可见光
0.5
◄
半导体激光器材料、发射波长和应用分类
参考文献
[1] 余金中编著.半导体光电子技术.北京：化学工业出版社,2019. [2] 方志烈编著.半导体发光材料和器件.上海：复旦大学出版社,1992. [3] Dimaria D J, Kirtley J R, Pakulis E J, et al. Appl. Phys, 1984, 56: 401. [4] Canham L T. Appl Phys Lett.1990, 57: 1046. [5] Wang J, Ning Y Q, Ren D C, et al. Micronano-electronic Technology, 2019, 8: 18. [6] Qin G G, Wang Y Q, Qiao Y P, et a1. Appl Phys Lett, 2019, 74: 2182. [7] Lockwood D J, Lu Z H, Baribeau J M. Phys Rev Lett, 2019, 76: 539. [8] Tsybeskov L, Grom G F, Fauchet P M. et a1. Appl Phys Lett, 2019, 75: 2265. [9] Zacharias M, Blasing J, Veit P, et a1. Appl Phys Lett. 2019, 74: 2614. [10] Qin G G, Heng C L, Bai G F, et a1. Appl Phys Lett, 2019, 75: 3629.
特点：有声子参与， 发光效率低。
Si基发光材料
硅（Si）是目前最主要的半导体，在微电子 器件材料领域占有主流地位，硅基光电子集 成是目前科学研究的热点。
光发射器件是硅基光电集成中的关键器件， 要实现硅基光电子集成，就必须解决硅基材 料的发光问题！
Si基发光材料
1984年Dimaria等人报道了，半透明Au 膜/
目录
半导体发光材料的条件 半导体发光材料 ► GaAs半导体材料 ► Si基发光材料 半导体发光材料器件
半导体发光材料的条件
合适的带隙宽度
c 1 .2 4 E g [e V ]h [ m ]
电导率高的P型和N型晶体
用以制备优良的PN结
完整性好的优质晶体
制作高效率发光器件的必要条件
GaAs的发光原理
E
hv Eg hv
P(E) (a) N型晶体
(b) P型晶体
高杂质浓度晶体内的带间跃迁
GaAs的发光原理
GaAs发光二极管主要在P区发光：
（1）μn/μp高达20左右
（2）N区的费米能级因简并处于很高的位置
（3）P区内受主很深且形成杂质带
半导体发光材料
间接带隙跃迁
h E g
SiO2(50nm)/富硅SiO2(20nm)/n-Si结构在1000℃退 火后，正向偏压大于15V下有电致发光出现。
1990年Canham报道了室温下多孔硅的强光致发光。 近年来许多研究机构正在通过半导体杂质工程或能 带工程的方法来改善硅的发光效率，并取得一定的 进展。
杂质发光
1.等电子（杂质）中心
谢
谢！
GaAs的发光原理
1
发 光 相 对 效 率
10-1
N型
10-2
P型
10-3
10-4
1016
1017
1018
1019
1020
杂质浓度（cm-3）
室温下用电子束激发GaAs发光时的相对效率与杂质浓度
GaAs的发光原理
E
ED
Eg
（a）低浓度
（b）中等浓度下 的杂质带
（c）高浓度 下的带尾
杂质浓度增加引起的态密度变化
1.
2.
为了对量子点发光的机理进行深入研究，以求得 物理上的正确模型与解释。 在Si上制作量子点，从三维上对电子和空穴进行 限制，真正回避了硅基材料间接带隙发光效率低 的难题。
半导体发光材料器件
半导体发光材料器件
波长/μm
◄
Δ
1.5 近红外
InGaAsP激光器 通讯系统
◄
1.0
Δ Δ ◄
InGaAs激光器
GaAs半导体材料
典型的直接跃迁型材料
最为重要且研究最多的III-V族化合物半导体
Eg~1.43eV，λ ~900nm
微波器件，半导体激光器，上转换可见光器 件的红外激发源，发光耦合器的红外发光源 等
许多材料外延生长的衬底
GaAs基本性质
闪锌矿结构
（110）自然解理面
主要缺陷
位错 化学计量比偏离 杂质偏析 显微沉淀
发光复合几率大
直接带隙跃迁 间接带隙跃迁
半导体发光材料
发光的主要机制：
e-h的复合，释放光子
半导体发光材料
直接带隙跃迁
h Eg
特点：无声子参与， 发光效率高
半导体发光材料
直接跃迁的半导体材料
以III-V族化合物半导体以及由它们组成的三四元固溶体为主
GaAs InP
GaN
GaAsP InGaAsP ......
等电子陷阱 束缚激子
对提高间接带隙材料的发光效率起着关键作用。
2.掺Er杂质发光
发光机理：激子传递能量模型。
目前的局限：Er在Si中的固溶度仅能到1018cm-3，
发光效率较低发光强度不高。
硅基量子结构
研究集中在α-Si(Ge)/SiO2超晶格、SiGe/Si 量子阱和Si(Ge)量子点发光。 原因
AlGaAs激光器 AlInGaP激光器(红) 光盘存储 GaN激光器(蓝)
可见光
0.5
◄
半导体激光器材料、发射波长和应用分类
参考文献
[1] 余金中编著.半导体光电子技术.北京：化学工业出版社,2019. [2] 方志烈编著.半导体发光材料和器件.上海：复旦大学出版社,1992. [3] Dimaria D J, Kirtley J R, Pakulis E J, et al. Appl. Phys, 1984, 56: 401. [4] Canham L T. Appl Phys Lett.1990, 57: 1046. [5] Wang J, Ning Y Q, Ren D C, et al. Micronano-electronic Technology, 2019, 8: 18. [6] Qin G G, Wang Y Q, Qiao Y P, et a1. Appl Phys Lett, 2019, 74: 2182. [7] Lockwood D J, Lu Z H, Baribeau J M. Phys Rev Lett, 2019, 76: 539. [8] Tsybeskov L, Grom G F, Fauchet P M. et a1. Appl Phys Lett, 2019, 75: 2265. [9] Zacharias M, Blasing J, Veit P, et a1. Appl Phys Lett. 2019, 74: 2614. [10] Qin G G, Heng C L, Bai G F, et a1. Appl Phys Lett, 2019, 75: 3629.
特点：有声子参与， 发光效率低。
Si基发光材料
硅（Si）是目前最主要的半导体，在微电子 器件材料领域占有主流地位，硅基光电子集 成是目前科学研究的热点。
光发射器件是硅基光电集成中的关键器件， 要实现硅基光电子集成，就必须解决硅基材 料的发光问题！
Si基发光材料
1984年Dimaria等人报道了，半透明Au 膜/