半导体照明技术(第七讲)孟课题.ppt

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半 导 体 照 明 技 术 * 第五章 半导体发光材料体系 半导体发光材料是发光器件的基础,如果没有砷化镓、磷化镓、磷砷化镓等材料的研究进展,发光器件也绝不可能会取得今天这样大的发展,今后器件性能的提高也很大程度取决于材料的进展。 成为半导体发光材料的条件: 1、半导体带隙宽度与可见和紫外光子能量相匹配。 2、只有直接带隙半导体才有较高的辐射复合概率。 3、还要求有好的晶体完整性、可以用合金方法调节带隙、有可用的p型和n型材料,以及可以制备能带形状预先设计的异质结构和量子阱结构。 一、砷化镓(GaAs) 1、砷化镓是黑灰色固体,是典型的直接跃迁型材料,其光子能量为1.4eV左右,发射的波长在900nm左右,属于近红外区。它是许多发光器件的基础材料,外延生长用的衬底材料。 2、砷化镓属闪锌矿结构,是极性共价键结合,离子性占0.31。砷化镓的自然解理面是(110)。 矿物晶体在外力作用下严格沿着一定结晶方向破裂,并且能裂出光滑平面的性质称为解理,这些平面称为解理面。 3、砷化镓中的缺陷主要是位错和化学计量比偏离造成的缺陷。(如:空位、填隙原子、代位原子,空位特别是镓空位对发光效率影响很大) 4、铜是砷化镓中最有害的杂质,它能参与砷化镓晶体中所有的结构缺陷和杂质的相互作用,造成大量的有害能级。铜还是一种快扩散杂质,会造成器件性能劣化。 5、GaAs中的Si占据Ga或As位后形成施主或受主,因此是两性杂质。从Ga溶液中液相外延生产GaAs时,在高温下掺Si形成施主,在低温下掺Si形成受主,在940nm处出现发光峰。 6、砷化镓发光二极管采用普通封装结构时发光效率为4%,采用半球形结构时发光效率可达20%以上。它们被大量应用于遥控器和光电耦合器件。 二、磷化镓(GaP) 1、磷化镓是橙红色透明晶体,是典型的间接跃迁型材料。通过掺入不同的等电子陷阱中心,可以直接发射红、绿等颜色的光。 2、磷化镓属闪锌矿结构,化学键结构中存在的离子性为0.374,解理面为(110)。 3、磷化镓的缺陷,除位错外,化学计量比偏离造成的缺陷较为严重。其中主要是镓空位,它的浓度增加时器件效率降低,特别是影响绿光器件的效率。 4、氧是磷化镓中的一种主要杂质,孤立的氧在导带下方0.8ev处引入一个施主能级。氧还能与镓空位、杂质硅等相互作用形成复合体,使发光效率下降。另一有害杂质是铜。 三、磷砷化镓 1、磷砷化镓是目前应用较为广泛的显示用发光材料。GaAs1-xPx是闪锌矿结构,它是由直接跃迁型的砷化镓与间接跃迁型的磷化镓组成的固溶体。 注:固溶体是指溶质原子溶入溶剂溶剂的晶格中而仍保持晶体类型。 在室温下,x<0.45时为直接跃迁型,x=0.4时,发红光,峰值波长650nm,发光效率较高。 当x>0.45时,变为间接跃迁,效率大幅度下降。但掺入杂质N后,如同磷化镓,发光效率大大提高。 5、掺入杂质N后,发光效率大大提高。 6、磷化镓的液相外延材料可制造红色、黄绿色、绿色的发光二极管,汽相外延加扩散生长的材料,可制造黄色、黄绿色的发光二极管。 2、GaAs0.6P0.4/GaAs 此材料是生长在(100)砷化镓衬底上的。根据实验结果,发光波长与组成x间符合关系式: 综合考虑外量子效率与x的关系和人眼是视觉灵敏度,存在一个最佳的组成x值x=0.4,得到最高的发光亮度,波长为650-660nm。 四、镓铝砷 1、Ga1-xAlxAs是GaAs和AlAs的固溶体。当x=0.35时由直接跃迁变成间接跃迁。 2、镓铝砷的一个突出优点是GaAs与AlAs的晶格常数十分接近,晶格失配问题很小,故在砷化镓衬底上直接生长外延层时,不需要向磷砷化镓那样需要很厚的过渡层,就能获得很高晶体质量的Ga1-xAlxAs外延层。 3、镓铝砷体系的优点是可用廉价的液相外延方法进行大批量生产。但这种技术不能保证充分消除氧玷污,另一个严重问题是材料容易退化,解决方案之一是生成一层稳定的氧化物钝化层。 五、铝镓铟磷 1、(AlxGa1-x)yIn1-yP,y约为0.5时,其晶格常数几乎完美地与GaAs匹配。在GaAs上生长的高质量(AlxGa1-x)0.5In0.5P薄膜是半导体照明中重要的异质结构材料。 2、直接带隙到间接带隙的转变出现在x=0.65,对应于带隙能量2.3eV,因此能得到656nm到540nm范围内的光发射。用它制成的发光二极管得到了可见光中最高的发光效率,在614nm达到108lm/W。 3、通常,n型掺杂可用Te或Si作为施主而实现,p型掺杂的典型受主是Zn和Mg。 4、生长这种四元化合物的成熟技术是金属有机物

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