光電子中的半導(dǎo)體材料

發(fā)光二極管中的半導(dǎo)體材料組員：韓進(jìn)濤09272034

陳澤君09272032發(fā)光二極管(LED)發(fā)光二極管Light-EmittingDiode是由數(shù)層很薄的摻雜半導(dǎo)體材料制成。當(dāng)通過(guò)正向電流時(shí)，n區(qū)電子獲得能量越過(guò)PN結(jié)的禁帶與p區(qū)的空穴復(fù)合以光的形式釋放出能量。發(fā)光二級(jí)管作為裝飾已悄然興起LED照明的優(yōu)點(diǎn)發(fā)光效率高，節(jié)省能源耗電量為同等亮度白熾燈的10%-20%，熒光燈的1/2。綠色環(huán)保冷光源，不易破碎，沒(méi)有電磁干擾，產(chǎn)生廢物少壽命長(zhǎng)壽命可達(dá)10萬(wàn)小時(shí)固體光源、體積小、重量輕、方向性好單個(gè)單元尺寸只有3~5mm響應(yīng)速度快，并可以耐各種惡劣條件低電壓、小電流LED應(yīng)用半導(dǎo)體白光照明車內(nèi)照明交通信號(hào)燈裝飾燈大屏幕全彩色顯示系統(tǒng)太陽(yáng)能照明系統(tǒng)其他照明領(lǐng)域紫外、藍(lán)光激光器高容量藍(lán)光DVD、激光打印和顯示、軍事領(lǐng)域等LED照明燈將珠寶行照的美輪美奐半導(dǎo)體照明是21世紀(jì)最具發(fā)展前景的高技術(shù)領(lǐng)域之一地區(qū)＼條件·效益

條件

能源節(jié)約

降低二氧化碳排放

美國(guó)

5％白熾燈及55％日光燈被白光LED取代

每年節(jié)省350億美元電費(fèi)。

每年減少7.55億噸二氧化碳排放量。

日本

100％白熾燈被白光LED取代

可少建1-2座核電廠。

每年節(jié)省10億公升以上的原油消耗。

臺(tái)灣

25％白熾燈及100％日光燈被白光LED取代

節(jié)省110億度電，約合1座核電廠發(fā)電量。

半導(dǎo)體材料的分代以硅Si為代表的半導(dǎo)體材料為第一代半導(dǎo)體材料以砷化鎵GaAs為代表的化合物半導(dǎo)體材料為第二代半導(dǎo)體材料以氮化鎵GaN、ZnO為代表的寬帶隙化合物半導(dǎo)體材料為第三代半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料中，最常見(jiàn)的Bravais格子是fcc格子和hcp格子

fccBravais格子：Si,Ge,GaAs,…

hcpBravais格子：GaN,ZnO,…相應(yīng)的晶體結(jié)構(gòu)：

(fcc)金剛石結(jié)構(gòu):Si,Ge,C,…(fcc)閃鋅礦(zincblende)結(jié)構(gòu):GaAs,…(hcp)鉛鋅礦(wurtzite)結(jié)構(gòu):GaN,ZnO,…高壓下會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)相變：zincblende<->wurtzite<->rocksalt半導(dǎo)體光電子材料的晶體結(jié)構(gòu)FccBravais格子的基矢對(duì)上圖所示的晶體結(jié)構(gòu)來(lái)講，由這三個(gè)基矢構(gòu)成的原胞含有一個(gè)原子，其位置在基矢空間中表示為：AAFe,Pb,La,…金剛石結(jié)構(gòu)(Si,Ge,C,…)對(duì)金剛石結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，由這三個(gè)基矢構(gòu)成的原胞含有兩個(gè)原子，其位置在基矢空間中表示為：AA閃鋅礦結(jié)構(gòu)(GaAs,…)AB對(duì)閃鋅礦結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，由這三個(gè)基矢構(gòu)成的原胞含有兩個(gè)原子，其位置在基矢空間中表示為：鹽巖(rocksalt)結(jié)構(gòu)對(duì)rocksalt結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，由這三個(gè)基矢構(gòu)成的原胞含有兩個(gè)原子，其位置在基矢空間中表示為：ABhcpBravais格子的基矢Be,Mg,Zn,…對(duì)上圖所示的晶體結(jié)構(gòu)來(lái)講，由這三個(gè)基矢構(gòu)成的原胞含有2個(gè)原子，其位置在基矢空間中表示為：AA鉛鋅礦(wurtzite)結(jié)構(gòu)(GaN,ZnO,…)ABAB對(duì)鉛鋅礦結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，由這三個(gè)基矢構(gòu)成的原胞含有四個(gè)原子，其位置在基矢空間中表示為：理想值：u=3/8GaAs材料特點(diǎn)砷化鎵晶片與硅晶片主要差別，在于它是一種“高頻”傳輸使用的晶片，由于其頻率高，傳輸距離遠(yuǎn)，傳輸品質(zhì)好，可攜帶信息量大，傳輸速度快，耗電量低，適合傳輸影音內(nèi)容，符合現(xiàn)代遠(yuǎn)程通訊要求。一般訊息在傳輸時(shí)，因?yàn)榫嚯x增加而使所能接收到的訊號(hào)越來(lái)越弱，產(chǎn)生“聲音不清楚”甚至“收不到信號(hào)”的情形，這就是功率損耗。砷化鎵晶片的最大優(yōu)點(diǎn)，在于傳輸時(shí)的功率損耗比硅晶片小很多，成功克服訊號(hào)傳送不佳的障礙。砷化鎵具有抗輻射性，不易產(chǎn)生信號(hào)錯(cuò)誤，特別適用于避免衛(wèi)星通訊時(shí)暴露在太空中所產(chǎn)生的輻射問(wèn)題。另外，環(huán)境溫度過(guò)高時(shí)電子遷移速率會(huì)降低，但砷化鎵材料操作溫度高度200oC，不易因高頻所產(chǎn)生的熱能影響到產(chǎn)品穩(wěn)定性。ZnO材料性質(zhì)及特點(diǎn)與應(yīng)用第三代寬禁帶光電功能材料的代表之一

ZnSe(1990),SiC(1992),GaN(1994),ZnO(1996)1）直接帶隙的寬禁帶半導(dǎo)體材料2）能隙3.37eV,

束縛激子能60meV,

與其它幾種寬禁帶發(fā)光材料如ZnSe(束縛激子能22meV),ZnS(40meV)和GaN(25meV)相比,ZnO是一種合適的用于室溫或更高溫度下的紫外光發(fā)射材料3）生長(zhǎng)溫度較低化學(xué)物理性能穩(wěn)定：

抗氧化、耐潮、耐高溫、與人體無(wú)抵觸寬帶隙：室溫下Eg=3.37eV

，在近紫外波段

半導(dǎo)體激光的波長(zhǎng)越短，能在光盤(pán)上讀寫(xiě)信息的密度就越高

可廣泛應(yīng)用于節(jié)能半導(dǎo)體白光照明光源－－綠色能源（汽車燈，路燈，交通信號(hào)燈，甚至家庭用燈等）透明晶體管室溫下激子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,可以實(shí)現(xiàn)室溫或高溫下高效的激子受激發(fā)光激子結(jié)合能Eb=60meV

(ZnSe:18meV,GaN:25meV)Basicproperties

高溫特性，在300℃正常工作（非常適用于航天、軍事和其它高溫環(huán)境）耐酸、耐堿、耐腐蝕（可用于惡劣環(huán)境）高壓特性（耐沖擊，可靠性高）大功率（對(duì)通訊設(shè)備是非?？释模㈱nO半導(dǎo)體材料特點(diǎn)近年來(lái),寬禁帶半導(dǎo)體材料ZnO的研究已經(jīng)引起了人們廣泛的關(guān)注。ZnO是直接寬帶隙(室溫下3.37eV)半導(dǎo)體材料,激子束縛能(60meV)高,遠(yuǎn)大于室溫?zé)崮?26meV),因而理論上可以在室溫條件下獲得高效的紫外激子發(fā)光和激光。ZnO具有高的熔點(diǎn)和熱穩(wěn)定性,良好的機(jī)電耦合性能,較低的電子誘生缺陷,而且原料易得廉價(jià)、無(wú)毒性。作為短波長(zhǎng)發(fā)光器件、低閾值紫外激光器的一種全新的候選材料,ZnO已經(jīng)成為當(dāng)今半導(dǎo)體發(fā)光材料與器件研究中新的熱點(diǎn)。

ZnO半導(dǎo)體光電器件應(yīng)用藍(lán)光激光器（BLD）

藍(lán)光DVD，雙面雙密度容量為20G，取代現(xiàn)有紅光DVD，是以后數(shù)字電視存儲(chǔ)的必由之路激光打印和顯示，生物醫(yī)療儀器和設(shè)備，光譜測(cè)量系統(tǒng)可用于軍事領(lǐng)域，450～550nm的藍(lán)-綠光波段對(duì)海水是透光的，所以BLD可通過(guò)空間衛(wèi)星、機(jī)載平臺(tái)直接用來(lái)對(duì)海底潛艇通信，大大提高潛艇的隱蔽性和保密性。這是軍事部門(mén)長(zhǎng)久渴望實(shí)現(xiàn)的技術(shù)手段。

光纖通信具有高速、大容量、信息多的特點(diǎn)，是構(gòu)筑“信息高速公路”的主干，大于2.5G比特/秒的光通信傳輸系統(tǒng)，其收發(fā)系統(tǒng)均需要采用GaAs超高速專用電路。隨著光電子產(chǎn)業(yè)和自動(dòng)化的發(fā)展，用作顯示器件LED、測(cè)距、玩具、條形碼識(shí)別等應(yīng)用的高亮度發(fā)光管、可見(jiàn)光激光器、近紅外激光器、量子阱大功率激光器等均有極大市場(chǎng)需求，還有GaAs基高效太陽(yáng)能電池的用量也十分大，對(duì)低阻低位錯(cuò)GaAs產(chǎn)業(yè)的需求十分巨大而迫切。我國(guó)數(shù)十億只LED管芯，所有的可見(jiàn)光激光器、高亮度發(fā)光管、近紅外激光器等幾乎都依靠進(jìn)口，因此生產(chǎn)高質(zhì)量的低阻GaAs單晶，促進(jìn)LED管芯、可見(jiàn)光激光器、高亮度發(fā)光管和高效率高效