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?第三代半導(dǎo)體的光致發(fā)光光譜測量

什么是第三代半導(dǎo)體？

半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展至今經(jīng)歷了三個(gè)階段：硅材料，砷化鎵材料，再到以氮化鎵、碳化硅為代表的寬禁帶半導(dǎo)體（Wide bandgap semiconductor）。

第一代半導(dǎo)體材料以硅為代表，引發(fā)了集成電路（IC）為核心的微電子領(lǐng)域迅速發(fā)展。第二代半導(dǎo)體材料以砷化鎵為代表，使半導(dǎo)體材料的應(yīng)用進(jìn)入光電子領(lǐng)域，尤其是在紅外激光器和高亮度的紅光二極管等方面。第三代半導(dǎo)體材料的興起，則是以氮化鎵（GaN）材料p 型摻雜的突破為起點(diǎn)，以高亮度藍(lán)光發(fā)光二極管（LED）和藍(lán)光激光器（LD）的研制成功為標(biāo)志，包括氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC）、氧化鋅（ZnO）、金剛石等寬禁帶材料。

幾種典型的寬禁帶半導(dǎo)體材料

第三代半導(dǎo)體有哪些優(yōu)勢？

第三代半導(dǎo)體與前兩代半導(dǎo)體最大的區(qū)別是禁帶寬度更寬，可以跨越從 0.7-6.2eV，所以我們又稱之為寬禁帶半導(dǎo)體材料。其具有高擊穿電場、高飽和電子速度、高熱導(dǎo)率、高電子密度、高遷移率等特點(diǎn)，逐步受到重視。

典型半導(dǎo)體材料特性參數(shù)對比

最為典型的三族氮化物目前主要用于發(fā)光，通過改變材料的組分，其發(fā)射波長可以覆蓋從紫外到紅外。

三族氮化物中的翹楚——氮化鎵，帶隙3.4eV，在高功率、高速的光電元件中已有應(yīng)用，目前商用藍(lán)光GaN 芯片已經(jīng)做到非常成熟，能夠做到80%以上的效率。以及紫光（405nm）激光大量應(yīng)用。

GaN LED 芯片的發(fā)光原理及結(jié)構(gòu)示意圖

2014 年10 月7 日，赤崎勇、天野浩和中村修二（名字從左到右分別對應(yīng)）因發(fā)明“高效藍(lán)色發(fā)光二極管”而獲得2014 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

第三代半導(dǎo)體的光致發(fā)光光譜測量

光致發(fā)光光譜定義為當(dāng)一束光子能量足夠高（大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度Eg）的激光入射到半導(dǎo)體材料上，會(huì)將價(jià)帶的電子激發(fā)到導(dǎo)帶，從而在該材料中產(chǎn)生大量的電子空穴對，形成非平衡載流子。這些非平衡載流子隨即通過各種散射過程快速弛豫到相應(yīng)能帶的底部，最后發(fā)生復(fù)合產(chǎn)生熒光。采集該復(fù)合發(fā)光的光譜即稱為光致發(fā)光光譜。

PL 過程實(shí)際上是電子從較高能級向較低能級躍遷的過程中釋放出光子，釋放出的光子能量由這些高低能級的能量差來決定，其揭示了材料內(nèi)部能級位置。

PL 測量有以下幾種表征方式及意義：

● 室溫PL 測量主要可以分析材料的帶邊發(fā)光以及缺陷發(fā)光，以及材料表面的均勻性分析。

● 低溫PL 主要分析材料的發(fā)光特性如施主、受主發(fā)光，深能級或淺能級缺陷發(fā)光。

● 變溫PL 可以根據(jù)光譜隨溫度變化趨勢來進(jìn)一步指認(rèn)發(fā)光峰的性質(zhì)。

● 變功率PL 則根據(jù)改變注入載流子濃度來分析材料的性質(zhì)。

● 時(shí)間分辨光致發(fā)光（TRPL），包含時(shí)間分辨發(fā)射光譜和熒光壽命衰減曲線兩種，用于了解載流子弛豫過程，有時(shí)候載流子的空間擴(kuò)散也會(huì)體現(xiàn)在時(shí)間分辨光譜中。

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