納米綠色光源材料課件

1、功能納米材料與器件7. 納米綠色光源材料功能納米材料與器件7. 納米綠色光源材料提綱引言半導(dǎo)體發(fā)光材料II-VI族半導(dǎo)體發(fā)光材料II-VI族材料特點(diǎn)ZnSe 基材料氧化鋅GaN基半導(dǎo)體材料提綱引言引言照明光源的發(fā)展最早可上溯到1880年愛迪生發(fā)明第一盞商業(yè)化電燈。傳統(tǒng)照明的主 流是白熾燈與熒光燈。白熾燈發(fā)光效率低，發(fā)熱溫度高，熱蒸發(fā)快。除此之外，它還有壽命 較短（1000 h)、紅外線成分高、易受震動(dòng)影響、色溫低，帶黃色（2500 K,60 W)、耗能大，不利 于節(jié)能等缺點(diǎn)。熒光管的光源不是穩(wěn)定的光源，而是閃爍的光源，其閃爍頻率與驅(qū)動(dòng)電壓的頻率有關(guān)， 雖然人眼不易察覺，但可產(chǎn)生閃光燈效應(yīng)（st

2、robe effect) 熒光管內(nèi)有水銀成分，對人體有 害。隨意棄置熒光管會對環(huán)境造成損害，因此處理?xiàng)壷玫臒晒夤艹蔀橐粋€(gè)問題。引言照明光源的發(fā)展最早可上溯到1880年愛迪生發(fā)明第一盞商業(yè)中國綠色照明工程中國綠色照明工程是我國實(shí)施的一項(xiàng)重點(diǎn)節(jié)能示范工程，目的是推廣應(yīng)用高效照明產(chǎn) 品，節(jié)約用電，保護(hù)環(huán)境，有益健康。工程實(shí)施以來，受到社會各界的廣泛關(guān)注，得到聯(lián)合國 開發(fā)計(jì)劃署和全球環(huán)境基金的支持，取得了明顯成效。所謂綠色光源，即環(huán)保型、高效節(jié)能、 長壽命、無污染的光源。半導(dǎo)體照明具有節(jié)能、環(huán)保、壽命長等優(yōu)點(diǎn)，是解決能源與環(huán)境問 題、實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)增長的有效途徑之一。半導(dǎo)體發(fā)光二極管光效的最高水平已達(dá)

3、40 lm/W,是白熾燈發(fā)光效率的4倍，壽命達(dá)到 100000 h,為LED應(yīng)用領(lǐng)域的拓展開辟了極為絢麗的前景。中國綠色照明工程中國綠色照明工程是我國實(shí)施的一項(xiàng)重點(diǎn)節(jié)能示范LED發(fā)光二極管是半導(dǎo)體電致發(fā)光器件的一種。發(fā)光二極管的特點(diǎn)是壽命長、耗電少、工 作電壓低，所以發(fā)光二極管經(jīng)常作為計(jì)算機(jī)和儀器儀表中指示燈、數(shù)字和符號的顯示器，光 通信和各種檢測和監(jiān)控設(shè)備光源，家電指示燈、車站顯示牌等。LED必將是未來綠色照明光 源的發(fā)展趨勢，人們稱之為“半導(dǎo)體照明工程”。為使LED成為照明光源，必須解決白光LED的問題。目前用LED產(chǎn)生白光的基本思 想是混色。采用藍(lán)色+黃色、藍(lán)色+橙色等混色方法產(chǎn)生白光。

4、紅色光源、綠色光源以及藍(lán) 色光源一般被稱作三原色光源。目前白光LED的關(guān)鍵是產(chǎn)生藍(lán)色可見光。LED發(fā)光二極管是半導(dǎo)體電致發(fā)光器件的一種。發(fā)光二極管的特點(diǎn)發(fā)藍(lán)光二極管目前，發(fā)光二極管正迅速取 代體育場顯示牌，交通信號燈以及其他專用燈具。大街上或在車站等公共場所里經(jīng)?？梢砸姷礁鞣N顯示牌。這些顯示牌多數(shù) 是由半導(dǎo)體發(fā)光二極管制成的。但是，半導(dǎo)體發(fā)光二極管制 成的顯示牌只有紅色、綠色和黃色的，惟獨(dú)不見組成三原色之一的藍(lán)色。傳統(tǒng)的半導(dǎo)體材料尚無法制造出高效率的藍(lán)光二極管?？茖W(xué)家們已經(jīng)為此付出了半個(gè)多世紀(jì)的努力。制造藍(lán)光二極管是科學(xué)家和工程技術(shù)人 員50年的夢想。發(fā)光二極管還沒有實(shí)現(xiàn)更為廣泛的應(yīng)用 是因?yàn)?/p>

5、沒有出現(xiàn)亮藍(lán)色或綠色的發(fā)光二極管。如果制造出藍(lán)光二極管，將紅藍(lán)綠發(fā)光二極 管結(jié)合在同一裝置中就可以產(chǎn)生白光。發(fā)藍(lán)光二極管目前，發(fā)光二極管正迅速取 代體育場顯示牌，交通信半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器于1962年發(fā)明。由于體積小，能進(jìn)行高頻調(diào)制，成為光纖通信的主要光 源。半導(dǎo)體激光器還不需水冷，所以廣泛用于光譜實(shí)驗(yàn)、 全息照相、激光測距、醫(yī)療等。發(fā)光二極管發(fā)出的光 是非相干光，而半導(dǎo)體激光器發(fā)出的光則是相干光。半導(dǎo)體激光器還是DVD之類視頻產(chǎn)品的核心技術(shù)。除藍(lán)色以外顏色的半導(dǎo)體激光器 投入實(shí)際應(yīng)用巳經(jīng)有幾十年了。紅外半導(dǎo)體激光器是激光唱機(jī)、光盤驅(qū)動(dòng)器的心臟。用波長更短的藍(lán)色激光代替紅外激光可以使盤面上

6、的凹點(diǎn)排列更為緊密，從而使 光盤的信息容量增加到原來的4倍。裝備藍(lán)色激光器的打印機(jī)可以使分辨率提高1 倍。所以在激光器領(lǐng)域，人們又一次面臨藍(lán)色需求。半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器于1962年發(fā)明。由于體積小，能進(jìn)行2.半導(dǎo)體發(fā)光材料從半導(dǎo)體中得到電發(fā)光最早是在1907年無線電波檢波器的實(shí)驗(yàn)中觀察到的。但在半 導(dǎo)體能帶理論發(fā)展起來之前由于不清楚其發(fā)光機(jī)制，電光現(xiàn)象的應(yīng)用研究一直沒有深人展 開。電光現(xiàn)象的深人研究始于20世紀(jì)50年代對GaAs的研究。GaAs可發(fā)紅外光。20世紀(jì)60年代人們才把研究工作集中在可見光器件上。研究重點(diǎn)之一是尋找 合適的發(fā)光材料。這些發(fā)光材料需要滿足兩個(gè)條件：適當(dāng)?shù)慕麕挾?，?/p>

7、決定了發(fā)光 波長；電子躍遷類型為直接能隙躍遷，它決定發(fā)光效率。2.半導(dǎo)體發(fā)光材料從半導(dǎo)體中得到電發(fā)光最早是在1907年無線發(fā)光波長與帶隙按照波長由小到大排列可見光的順序?yàn)樗{(lán)-綠-黃-澄-紅它們的波長范圍分別 為0. 450. 500. 540. 57 0. 610. 70 mm(微米）對應(yīng)光子能量為2. 762. 482. 182. 102. 031. 77 eV。電子從高能級躍遷到低能級時(shí)損 失的能量以光子的形式發(fā)出，所以高能級到低能級之間的禁帶寬度即光子的能量。要產(chǎn)生 可見光比較適合的是寬禁帶半導(dǎo)體材料。發(fā)光波長與帶隙按照波長由小到大排列可見光的順序?yàn)樗{(lán)-綠-黃-發(fā)光調(diào)整與摻雜在所有半導(dǎo)體

8、材料中，Si最便宜，Si的工藝也最成熟，但Si為間 接禁帶半導(dǎo)體，發(fā)光效率很低，不能作為發(fā)光材料。最早作為發(fā)光材料研究的是GaAs,它 是直接禁帶半導(dǎo)體，禁帶寬度1. 42 eV,可發(fā)出紅外光。GaP的禁帶寬度是2. 26 eV，可發(fā)可見光。 應(yīng)用時(shí)一般需通過摻入雜質(zhì)以調(diào)整發(fā)光波長。調(diào)整電子躍遷能量最方便的方法是摻雜，這時(shí)電子躍遷屬于雜質(zhì)能級躍遷。常見的雜質(zhì)型發(fā)光二極管材料有：GaP: (Zn，O），發(fā)光顏色為紅光，屬間接躍遷；GaP : N,綠 光，間接躍遷；GaP : NN，黃光，間接躍遷。發(fā)光調(diào)整與摻雜在所有半導(dǎo)體材料中，Si最便宜，Si的工藝也最三元混晶最方便調(diào)整禁帶寬度的材料是三元混

9、晶，從而改變光子波長。Ga1-xAlxAs,可通過調(diào)整x改變禁帶寬 度；GaAS1-yPy可制造紅色發(fā)光二極管。但調(diào)整x，y是有限度的，比如 GaAs1-yPy ，當(dāng)y0. 45時(shí)由直接禁帶變成間接禁帶，發(fā)光效率降低?，F(xiàn)在常用的幾種混晶材 料為GaAs0.6P0.4:紅光，直接躍遷;GaAs0.35P0.65 : N：橙光，間接躍遷;GaAso.15P0.85: N：黃光， Ga0.7Al0.3As：紅光，直接躍遷；In0.3Ga0.7P:橙光，直接躍遷。三元混晶最方便調(diào)整禁帶寬度的材料是三元混晶，從而改變光子波長II-VI族寬禁帶半導(dǎo)體從禁帶寬度的角度看最合適的半導(dǎo)體發(fā)光材料是II-VI族寬

10、禁帶半導(dǎo)體。ZnSe的禁帶寬度為2. 812 eV,是短波發(fā)光器件的最佳選擇，但是ZnSe為單極性半導(dǎo)體，不易摻雜，不能制造PN結(jié)。在常規(guī)半導(dǎo)體材料尋找藍(lán)光二極管材料遇到巨大 困難。II-VI族寬禁帶半導(dǎo)體從禁帶寬度的角度看最合適的半導(dǎo)體發(fā)光超晶格鑒于從常規(guī)體材料半導(dǎo)體中尋找藍(lán)光材料遇到困難，人們把眼光投向了體材料之外。 19 6 9年，日本科學(xué)家江崎玲玉奈和華裔美國科學(xué)家朱肇祥一道提出了半導(dǎo)體超晶格的概 念。超晶格是人工周期材料。把兩種不同材料交替生長，每種材料的厚度在幾個(gè)或幾十個(gè)、幾百個(gè)晶格常數(shù)的尺度，這就構(gòu)成了超晶格。借助于當(dāng)時(shí)最新開發(fā)成功的分子束外延技術(shù)，江崎終于將他的新思 想變成了新

11、材料。1958年，江崎發(fā)明了 隧道二極管，這一成果使他獲得了 1973年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。超晶格鑒于從常規(guī)體材料半導(dǎo)體中尋找藍(lán)光材料遇到困難，人們把眼超晶格結(jié)構(gòu)及能帶結(jié)構(gòu) (a)多量子阱結(jié)構(gòu)； （b)超晶格結(jié)構(gòu)；（c)多量子阱能帶圖；（d)超晶格電子能帶圖超晶格結(jié)構(gòu)及能帶結(jié)構(gòu) (a)多量子阱結(jié)構(gòu)； （b)超晶格材料方形量子阱是量子力學(xué)中最簡單的數(shù)學(xué)模 型，用來說明電子因束縛而產(chǎn)生能量量子化的情形。長時(shí)間以來，量子力學(xué)中諸如量子阱這 樣的低維模型的物理實(shí)現(xiàn)一直是一個(gè)非常大的困難。直到超晶格、量子阱概念的問世才改 變了這一切。借助于MBE技術(shù)，人們才制造出量子阱這樣的“準(zhǔn)”低維材料。多量子阱與 超

12、晶格結(jié)構(gòu)相同，但阱間距較大，電子波函數(shù)沒有重疊，阱與阱之間是獨(dú)立的。 超晶格阱間距較小，電子波函數(shù)有重疊，阱與阱之間不是獨(dú)立的。電子波函數(shù)的重疊，意味 著電子之間存在相互作用，這種相互作用會造成子能帶的形成。超晶格也稱超晶體，所以單 元是周期性重復(fù)的，即阱（壘）的數(shù)目是很大的。超晶格材料方形量子阱是量子力學(xué)中最簡單的數(shù)學(xué)模 型，用來說明超晶格的意義超晶格材料的發(fā)明開創(chuàng)了材料科學(xué)的新紀(jì) 元。半導(dǎo)體能帶工程的思想后來逐漸發(fā)展成材料科學(xué)領(lǐng)域廣為人知的“分子設(shè)計(jì)方法”。設(shè)計(jì)新材料時(shí)，只需利用 計(jì)算機(jī)，從材料的微觀結(jié)構(gòu)和性能的關(guān)系出發(fā)，用設(shè)計(jì)分子結(jié)構(gòu)的方法，來“算出”具有特定 性能的某種材料。在超晶格的

13、研究發(fā)展過程中，許多觀念上的革命也接二連三地發(fā)生。晶格不匹配的二種材料借助于材料的應(yīng) 變，可以實(shí)現(xiàn)應(yīng)變超品格。應(yīng)變超晶格的提出使人們大大 擴(kuò)展了選擇異質(zhì)結(jié)材料的范疇。超晶格的概念在別的領(lǐng) 域也產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。如金屬超晶格，磁多層膜等。超晶格的意義超晶格材料的發(fā)明開創(chuàng)了材料科學(xué)的新紀(jì) 元。半導(dǎo)體超晶格的應(yīng)用利用超晶格和量子阱材料人們首先在激光器領(lǐng)域取得突破。ZnSe/ZnCdSe超晶格和 量子阱材料目前已被用于產(chǎn)生藍(lán)綠激光二極管。目前主要的半導(dǎo)體激光器材料有： InGaAsP，四元半導(dǎo)體，產(chǎn)生波長1.31. 5 的激光，主要用于通信；AlGaAs雙異質(zhì)結(jié)材料，產(chǎn)生波長750890 nm的激光，

14、用于激光打印、光盤、家用電器；InGaAlP異質(zhì)結(jié)量子 阱，激光波長為670690 nm；GaInP/AlGaP多量子阱，激光波長為630nm; ZnSe/ZnCdSe 量子阱，激光波長490 nm，用于藍(lán)綠半導(dǎo)體激光器。超晶格的應(yīng)用利用超晶格和量子阱材料人們首先在激光器領(lǐng)域取得突我國藍(lán)色發(fā)光材料的研究2001年中科院長春物理和光機(jī)所采 用光助MOCVD方法，在77K下觀測到的獲得ZnSe異質(zhì)結(jié)構(gòu)的電泵浦條件下的受激放大 現(xiàn)象的研究已達(dá)到國際先進(jìn)水平。用常壓MOCVD技術(shù)制備了進(jìn)行ZnSe : N摻雜和ZnSe PIN結(jié)構(gòu)器件，經(jīng)檢測該二極管具有較好的I-V特性，在77K下獲得了該二極管的藍(lán)綠

15、色 電致發(fā)光。研制的ZnSe PIN 二極管，在室溫下觀測到了藍(lán)綠色電致發(fā)光和電泵浦條件下 的受激放大現(xiàn)象。我國藍(lán)色發(fā)光材料的研究2001年中科院長春物理和光機(jī)所采 用3. II-VI族半導(dǎo)體發(fā)光材料3.1 引言半導(dǎo)體材料就其帶寬而言可分為三類：以Ge、Si為代表的窄禁帶半導(dǎo)體材料已經(jīng)成為 當(dāng)代微電子工業(yè)的基礎(chǔ)；以GaAs為代表的中等帶寬半導(dǎo)體材料已經(jīng)成為當(dāng)代半導(dǎo)體光電 子工業(yè)的基礎(chǔ)；以ZnSe、ZnO、GaN和SiC為代表的寬帶半導(dǎo)體材料現(xiàn)在正是國際研究的熱點(diǎn)。以ZnSe和ZnO為代表的寬帶族半導(dǎo)體極其合金具有寬帶隙、直接帶躍遷、激子束縛能 大和能以任何比例組成合金等優(yōu)點(diǎn)，長期以來一直被認(rèn)為

16、是紫、藍(lán)和綠色發(fā)光、激光以及在 該波段響應(yīng)的光學(xué)雙穩(wěn)和光學(xué)非線性的重要候選材料。3. II-VI族半導(dǎo)體發(fā)光材料3.1 引言半導(dǎo)體光電器件探測器、發(fā)光二極管（LED)和半導(dǎo)體激光器（LD)等半導(dǎo)體光電器件，目前廣 泛用于光通信網(wǎng)絡(luò)、光電顯示、光電儲存、光電轉(zhuǎn)化和光電探測等領(lǐng)域。以光電顯示領(lǐng)域?yàn)槔桨屣@示技術(shù)是信息時(shí)代對終端顯 示的基本要求，目前主要的平板顯示技術(shù)有液晶（LCD)、等離子體 (PDP)、熒光管（VFD)和發(fā)光二極管。發(fā)光二極管作為平板顯示屏具有驅(qū)動(dòng)電壓低，可與集成電路匹配，使用安全，可多色顯示，壽命長和響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，是一種理想的平板顯示器件， 在科學(xué)儀器、便攜式微機(jī)、航空航天和

17、軍事領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。目前III-V族氮化物和II-VI族的硫化物、氧化鋅基發(fā)光二極管的開發(fā)， 為LED產(chǎn)品全色顯示的實(shí)現(xiàn)提供了可能，正在全世界范圍內(nèi)掀起了一場藍(lán)光熱。半導(dǎo)體光電器件探測器、發(fā)光二極管（LED)和半導(dǎo)體激光器（L能帶結(jié)構(gòu)以ZnSe/ZnCdSe為代表的寬帶II-VI族半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)（薄膜，單異質(zhì)結(jié)，單量子阱和 多量子阱，超晶格）材料與體材料或III - V族如Ga AS/Ga Al As異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料有很重要的 區(qū)別。參數(shù)m*/moEg/eVLO/eVTO/eV0GaAs0.0671.3536.2533.2913.1810.9ZnSe0.172.8231.026.468.1

18、5.9ZnSe基的II-VI族半導(dǎo)體材料多為寬禁帶、直接帶隙半導(dǎo)體材料，具有較 大的有效質(zhì)量和較小的靜態(tài)介電常數(shù)，較大的激子結(jié)合能，較小的激子半徑，較小的抗 磁能移。激子發(fā)光可延續(xù)到室溫，是最適合制造可見光和紫外光區(qū)光電器件的一類材料。能帶結(jié)構(gòu)以ZnSe/ZnCdSe為代表的寬帶II-VI族半導(dǎo)室溫激子效應(yīng)II-VI族材料多為強(qiáng)離子型晶體，載流子與LO聲子場作用強(qiáng)烈，激子-LO聲子耦 合也較III-V族材料強(qiáng)烈。量子阱的一個(gè)重要性質(zhì)即室溫激子效應(yīng)。對于III - V族GaAs/GaAlAs、II-VI族 CdTe/CdMnTeXdZnTe/ZnTe等量子阱都觀察到室溫激子共振。對于離子型半導(dǎo)體

19、，由于激子被LO聲子散射，室 溫下激子躍遷被展寬。量子阱中激子和LO聲子 的耦合強(qiáng)度Gc滿足如下規(guī)律：（1) Gc （II-VI) Gc(III-V); (2) Gc隨阱寬增大而增大， Gc (阱） Gc(MQW)。激子線寬是近年 研究熱點(diǎn)。室溫激子效應(yīng)II-VI族材料多為強(qiáng)離子型晶體，載流子與LO聲ZnSe與集成光電子技術(shù)對藍(lán)色半導(dǎo)體發(fā)光和激光器件的探索經(jīng)歷了相當(dāng)長的時(shí)間。到目前為止作為該類器件 的候選材料，主要有GaN、SiC和ZnSe等。在探索藍(lán)色發(fā)射器件的過程中GaN和SiC曾一 度領(lǐng)先于ZnSe,但自從1990年美國人實(shí)現(xiàn)ZnSe的p型摻雜后并率先報(bào)道了 ZnSe基材料 的藍(lán)綠色半導(dǎo)

20、體激光器后，形勢發(fā)生了很大變化。目前GaAs是許多II-VI族半導(dǎo)體外延生 長的襯底。由于ZnSe和GaAs的晶格失配僅為0. 27%，非常適合集成光電子技術(shù)的需要， ZnSe已經(jīng)成為最重要的藍(lán)色發(fā)光候選材料。ZnSe與集成光電子技術(shù)對藍(lán)色半導(dǎo)體發(fā)光和激光器件的探索經(jīng)歷高度穩(wěn)定的激子態(tài)對于II-VI族半導(dǎo)體材料，由于具有較大的有效質(zhì)量和較小的靜態(tài)介電常數(shù)，其激子結(jié) 合能通常比III-V族材料大許多。對于量子阱材料，由于量子限制效應(yīng)，激子結(jié)合能會更大， 以至超過LO聲子能量LO ，這樣激子不容易被LO聲子離解，更加穩(wěn)定。利用阱寬 較?。ɡ? nm)的ZnSe/Zn1-xCdxSe (x=O.

21、250. 30)量子阱可實(shí)現(xiàn)激子結(jié)合能Eb高于 LO聲子能量LO ，即Eb LO ，因而不易離解，更穩(wěn)定。高度穩(wěn)定的激子態(tài)對于II-VI族半導(dǎo)體材料，由于具有較大的有3.2 ZnSe 基材料ZnSe的禁帶寬度為2.812 eV，且為直接禁帶，從禁帶寬度躍遷類型角度是理想的藍(lán)光 發(fā)光材料；可惜是單極性半導(dǎo)體，具有強(qiáng)烈的自補(bǔ)償效應(yīng)，只能呈現(xiàn)n型導(dǎo)電，不易p摻雜， 長期以來不能制造PN結(jié)。20世紀(jì)80年代后期，隨著新型非平衡摻雜技術(shù)的發(fā)展，II-VI族 半導(dǎo)體材料的P摻雜問題得到初步解決。研究表明對ZnSe而言，最好的摻雜劑是N。長期以來，P - Z n S e的低阻歐姆接觸難以實(shí)現(xiàn)。這是由于其價(jià)帶

22、較低，從而使其與任何 金屬接觸時(shí)，對空穴而言都至少存在1 eV的Schottky勢壘。在以ZnSe為基的發(fā)光器件中 必須用較高電壓以克服這一勢壘，這會使整個(gè)器件很快老化。1992年這一問題得到初步解 決。解決思路是將ZnSe與其他材料組成漸變合金，以使其與另一種能實(shí)現(xiàn)低阻歐姆接觸 的半導(dǎo)體的價(jià)帶相配合。3.2 ZnSe 基材料ZnSe的禁帶寬度為2.812 eVZnSe的研究應(yīng)用歷程1991年美國3M公司首先實(shí)現(xiàn)了 II-VI族ZnSe基量子阱激光器的77K脈沖工作。以后美國的Brown-Purdue大學(xué)聯(lián)合研究組、荷蘭Philips公司和日本 Sony公司等先后實(shí)現(xiàn)了激光器的室溫連續(xù)工作；1

23、996年，Sony公司以ZnSe/ZnCdSe 為量子阱，ZnMgSSe為限制層的II-VI族藍(lán)綠激光器室溫連續(xù)工作壽命達(dá)到100h。激光器的工作壽命從1 h提高到 100 h整整花費(fèi)了近5年時(shí)間，而要進(jìn)一步提高，難度很大。其主要原因在于ZnSe是一種離 子性強(qiáng)共價(jià)性弱的晶體，在受激發(fā)射運(yùn)行時(shí)，容易因溫度升高而 造成缺陷的大量增殖。1996年以后，隨著GaN藍(lán)色發(fā)光二極管和激光二極管的出現(xiàn)，ZnSe 材料系列的前景變得更加暗淡。自從GaN激光器實(shí)現(xiàn)了室溫連續(xù)工作后，對ZnSe體系在 藍(lán)綠激光器方面持消極的觀點(diǎn)已占了上風(fēng)。但GaN與InGaN或AlGaN合金構(gòu)成量子阱 等異質(zhì)結(jié)構(gòu)時(shí)，GaN與In

24、GaN或AlGaN存在較大晶格失配，特別是In或A1濃度較大時(shí)失 配非常嚴(yán)重。這種晶格失配會造成界面處出現(xiàn)裂縫（cracks )或失配位錯(cuò)（misfit dislocation),從而使器件性能下降。另外GaN材料的p型摻雜很困難。ZnSe的研究應(yīng)用歷程1991年美國3M公司首先實(shí)現(xiàn)了 II一些研究組還在繼續(xù)改進(jìn)ZnSe的外延材料質(zhì)量（如采用ZnSe單晶作襯底， 減小ZnSe/GaAs界面的失配位錯(cuò)）、提高p型摻雜濃度、改進(jìn)電極的歐姆接觸。想改變目前II-VI族半導(dǎo)體在藍(lán)綠激光器研究方面的困境必須嘗試新的途徑。其一是用鈹化物 ZnMgBeSe，但由于Be有劇毒，使不少人望而生畏，不敢嘗試。第二

25、種途徑就是采用ZnO 材料。一些研究組還在繼續(xù)改進(jìn)ZnSe的外延材料質(zhì)量（如采用ZnSe3.3 氧化鋅氧化鋅是一種重要的直接帶隙寬禁帶半導(dǎo)體材料，室溫下的帶隙寬度為3. 37 eV，激子 結(jié)合能高達(dá)60 meV，具有從藍(lán)光到紫外波段的發(fā)旋光性能。ZnO具有很高的化學(xué)穩(wěn)定性 和熱穩(wěn)定性，在大氣中不易被氧化，與111-V族氮化物和II-VI族的硒化物相比，其材料的穩(wěn) 定性是其他材料所無法比擬的。當(dāng)ZnO晶粒的尺寸降至納米級時(shí)，其表面電子結(jié)構(gòu)和晶體 結(jié)構(gòu)就會發(fā)生顯著變化，產(chǎn)生宏觀塊體材料所不具有的小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、介電限域效 應(yīng)和量子尺寸效應(yīng)，具有普通ZnO材料所無法比擬的特性，在化工、電子、生

26、物、醫(yī)藥等許多 領(lǐng)域展現(xiàn)出許多特殊功能和用途。隨著高質(zhì)量的ZnO納米材料的生長，氧化鋅 已經(jīng)顯示出巨大的優(yōu)越性。3.3 氧化鋅氧化鋅是一種重要的直接帶隙寬禁帶半導(dǎo)體材料，室ZnO的p型摻雜實(shí)現(xiàn)ZnO基光電器件的關(guān)鍵技術(shù)是制備出優(yōu)質(zhì)的p型ZnO薄膜。本征ZnO是一種n 型半導(dǎo)體,必須通過受主摻雜才能實(shí)現(xiàn)P型轉(zhuǎn)變。但是由于氧化鋅中存在較多本征施主缺 陷，對受主摻雜產(chǎn)生高度自補(bǔ)償作用，并且受主雜質(zhì)固溶度很低，難以實(shí)現(xiàn)P型轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致無 法制得半導(dǎo)體器件的核心-氧化鋅pn結(jié)結(jié)構(gòu)，極大地限制了氧化鋅基光電器件的開發(fā)應(yīng)用。 目前,P型ZnO的研究已成為國際上的研究熱點(diǎn)，并取得一系列突破性進(jìn)展。具有p-ZnO

27、/ n-ZnO雙層結(jié)構(gòu)的ZnO同質(zhì)pn結(jié)也已經(jīng)問世。另外，利用施主（donor)、受主（acceptor)共 摻雜（codoping)的方法降低受主電離能，從而在ZnO中形成淺受主等建議也已經(jīng)被證明為 是切實(shí)可行的。這些研究成果對于試制新型氧化鋅短波長發(fā)光器件、深人研究ZnO薄膜 晶體生長和摻雜機(jī)理、拓寬氧化鋅薄膜應(yīng)用領(lǐng)域等方面具有重要意義。ZnO的p型摻雜實(shí)現(xiàn)ZnO基光電器件的關(guān)鍵技術(shù)是制備出優(yōu)質(zhì)的GaN與SiC間的緩沖層近年 來隨著GaN體系火熱起來，ZnO材料又被用來作為GaN外延層與SiC襯底間的緩沖層。 這是因?yàn)樗哂邢旅鎺讉€(gè)基本性質(zhì)：（l)Zn與GaN具有相同的纖鋅礦型晶格結(jié)構(gòu)，其

28、a 軸晶格常數(shù)為0. 325nm，與GaN的晶格失配小于2%，其c軸晶格常數(shù)為0. 527 nm；(2)ZnO的n型摻雜濃度可達(dá)10l9/cm3，遷移率為260 cm2/V s，具有良好的電學(xué)特性；(3)根據(jù)電子親和勢和能帶偏移的共同陰離子規(guī)則，Zn的導(dǎo)帶底比GaN和SiC的導(dǎo)帶底 分別低0. 7 eV和0. 4 eV,所以用它作為GaN與SiC之間的緩沖層，不會造成阻擋電子運(yùn)動(dòng) 的勢壘.在通常的GaN/AlN/SiC結(jié)構(gòu)中，緩沖層A1N與GaN和SiC的導(dǎo)帶偏移分別為2. 1 eV和2. 4 eV，緩沖層A1N成為一個(gè)很高的電子勢壘；（4)ZnO相對于氮化物半導(dǎo)體來 說，材料比較軟，切變模量

29、較小，用其作緩沖層時(shí)，可以使晶格失配引起的位錯(cuò)不向GaN有 源層延伸。GaN與SiC間的緩沖層近年 來隨著GaN體系火熱起來，Zn4. GaN基半導(dǎo)體材料GaN基半 導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)在多量子阱藍(lán)色發(fā)光二極管，紫外光探測器等領(lǐng)域有十分重要的應(yīng)用。但二元GaN與三元InGaN或 AlGaN合金構(gòu)成量子阱等異質(zhì)結(jié)構(gòu)時(shí)，存在嚴(yán)重的晶格失配問題。4. GaN基半導(dǎo)體材料GaN基半 導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)在多量子阱藍(lán)p型摻雜晶格匹配的InGaN/InAlGaN量子阱的發(fā)光強(qiáng)度以及量子效率都有很大提 高。有人認(rèn)為原因是晶格匹配降低了缺陷、失配位錯(cuò)以 及壓電場所致，也有人認(rèn)為是由于波函數(shù)高度局域在富含In的納米團(tuán)簇造成的。

30、能帶結(jié)構(gòu)的調(diào)控是能帶工程的主要內(nèi)容和手段，通過提高價(jià)帶最大值 (VBM)可以使某些材料的p型摻雜變得更容易。寬帶半導(dǎo)體材料GaN、ZnO是目前藍(lán)綠 光發(fā)光二極管、激光器的首選材料之一，但這兩類材料的p型摻雜很困難，給它們的直接應(yīng) 用造成困難。第一原理計(jì)算表明：同GaN相比，InAlGaN可以有相似的帶隙但卻可以有較 高的價(jià)帶頂（VBM)，因此對InAlGaN進(jìn)行p型摻雜應(yīng)相對容易。p型摻雜晶格匹配的InGaN/InAlGaN量子阱的發(fā)光強(qiáng)度四元混晶半導(dǎo)體材料四元混晶半導(dǎo)體材料具有兩個(gè)可供調(diào)節(jié)的組分變量，同二元和三元材料相比，其晶格常 數(shù)、禁帶寬度和介電常數(shù)等物理性質(zhì)可以通過改變混晶中各元素的組

31、分比而更方便地人為 改變。正因?yàn)槿绱耍脑炀О雽?dǎo)體材料近年來備受科研工作者的青睞，并在紅外探測器、 激光器、光電管、太陽能電池、微波管、高速器件、傳感器件等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。利用四元 混晶材料可能生長出既能滿足晶格匹配，又使帶隙在一定范圍內(nèi)可調(diào)的半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)、量子 阱和超晶格，這對于降低缺陷、失配位錯(cuò)以及壓電場是極其有用的。另外，四元混晶（比如 AlxInyGa1-x1-yN)很容易與二元襯底（比如GaN)熱匹配，這對于外延生長極其有利。 GalnNAs可以生長在晶格互相匹配的GaAs基板上，并且具有可發(fā)出長波長的能帶間隙， 例如1. 3 mm, 1. 55mm甚至是更長的波長。InGaAsP/InP激光二極管在目前1. 3 mm和1.55 mm光纖通信光源的應(yīng)用上發(fā)揮著重 要作用。四元混晶半導(dǎo)體材料四元混晶半導(dǎo)體材料具有兩個(gè)可供調(diào)節(jié)的組分變量子阱電子的抑制雖然采用應(yīng)變多量子阱結(jié)構(gòu)使得GalnPAs/