纳米绿色光源材料课件

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2013/12/2,#,功能纳米材料与器件,7.,纳米绿色光,源,材料,功能纳米材料与器件7.纳米绿色光源材料,1,提纲,引言,半导体,发光,材料,II-VI,族,半导体发光,材料,II-VI,族,材料特点,ZnSe,基,材料,氧化锌,GaN,基半导体材料,提纲引言,2,引言,照明光源的发展最早可上溯到,1880,年爱迪生发明第一盏商业化电灯。传统照明的主 流是白炽灯与荧光灯。白炽灯发光效率低，发热温度高，热蒸发快。除此之外，它还有寿命 较短（,1000 h),、红外线成分高、易受震动影响、色温低，带黄色（,2500 K,60 W),、耗能大，不利 于节能等缺点。,荧光,管的光源不是稳定的光源，而是闪烁的光源，其闪烁频率与驱动电压的频率有关，虽然人眼不易察觉，但可产生闪光灯效应（,strobe effect),荧光,管内有水银成分，对人体有 害。随意弃置荧光管会对环境造成损害，因此处理弃置的荧光管成为一个问题。,引言照明光源的发展最早可上溯到1880年爱迪生发明第一盏商业,3,中国绿色照明工程,中国绿色照明工程是,我国实施的一项重点节能示范工程，目的是推广应用高效照明产 品，节约用电，保护环境，有益健康,。,工程,实施以来，受到社会各界的广泛关注，得到联合国 开发计划署和全球环境基金的支持，取得了明显成效,。,所谓,绿色光源，即环保型、高效节能、长寿命、无污染的光源,。,半导体,照明具有节能、环保、寿命长等优点，是解决能源与环境问 题、实现经济可持续增长的有效途径之一,。,半导体发光二极管光效的最高水平已达,40 lm/W,是白炽灯发光效率的,4,倍，寿命达到,100000 h,为,LED,应用领域的拓展开辟了极为绚丽的前景,。,中国绿色照明工程中国绿色照明工程是我国实施的一项重点节能示范,4,LED,发光二极管是半导体电致发光器件的一种。发光二极管的特点是寿命长、耗电少、工 作电压低，所以发光二极管经常作为计算机和仪器仪表中指示灯、数字和符号的显示器，光 通信和各种检测和监控设备光源，家电指示灯、车站显示牌等。,LED,必将是未来绿色照明光 源的发展趋势，人们称之为“半导体照明工程”。,为,使,LED,成为照明光源，必须解决白光,LED,的问题,。,目前,用,LED,产生白光的基本思 想是混色。采用蓝色,+,黄色、蓝色,+,橙色等混色方法产生白光,。,红色,光源、绿色光源以及蓝 色光源一般被称作三原色光源。目前白光,LED,的关键是产生蓝色可见光,。,LED发光二极管是半导体电致发光器件的一种。发光二极管的特点,5,发蓝光,二极管,目前，发光二极管正迅速取 代体育场显示牌，交通信号灯以及其他专用灯具。,大街上或,在车站等公共场所里经常可以见到各种显示牌。这些显示牌多数 是由半导体发光二极管制成的,。,但是，半导体,发光二极管制 成的显示牌只有红色、绿色和黄色的，惟独不见组成三原色之一的蓝色,。,传统,的半导体材料尚无法制造出高效率的蓝光二极管,。科学家们已经,为此付出了半个多世纪的努力,。制造,蓝光二极管是科学家,和工程,技术人 员,50,年的梦想,。,发光二极管,还没有实现更为广泛的应用 是因为没有出现亮蓝色或绿色的发光二极管。,如果制造出蓝光二极管，将红蓝绿发光二极 管结合在同一装置中就可以产生白光,。,发蓝光二极管目前，发光二极管正迅速取 代体育场显示牌，交通信,6,半导体激光器,半导体激光器,于,1962,年发明。由于体积小，能进行高频调制，成为光纤通信的主要光 源,。,半导体激光器,还不需水冷，所以广泛用于光谱实验、全息照相、激光测距、医疗等。,发光二极管,发出的光 是非相干光，而半导体激光器发出的光则是相干光。,半导体激光器,还是,DVD,之类视频产品的核心技术。除蓝色以外颜色的半导体激光器,投入实际,应用巳经有几十年了,。红外,半导体激光器是激光唱机、光盘驱动器的心脏,。,用,波长更短的蓝色激光代替红外激光可以使盘面上的凹点排列更为紧密，从而使 光盘的信息容量增加到原来的,4,倍,。,装备,蓝色激光器的打印机可以使分辨率提高,1,倍。所以在激光器领域，人们又一次面临蓝色需求,。,半导体激光器半导体激光器于1962年发明。由于体积小，能进行,7,2,.,半导体发光材料,从半导体中得到电发光最早是在,1907,年无线电波检波器的实验中观察到的,。,但,在半 导体能带理论发展起来之前由于不清楚其发光机制，电光现象的应用研究一直没有深人展 开,。,电光,现象的深人研究始于,20,世纪,50,年代对,GaAs,的研究。,GaAs,可发红外光,。,20,世纪,60,年代人们才把研究工作集中在可见光器件上。研究重点之一是寻找 合适的发光材料,。,这些,发光材料需要满足两个条件,：,适当,的禁带宽度，它决定了发光 波长,；,电子跃迁,类型为直接能隙跃迁，它决定发光效率。,2.半导体发光材料从半导体中得到电发光最早是在1907年无线,8,发光波长与带隙,按照,波长由小到大排列可见光的顺序为蓝,-,绿,-,黄,-,澄,-,红,它们,的波长范围,分别,为,0.450.500.540.57 0.610.70,m,m,(,微米,）,对应,光子能量为,2.762.,482.182,.102.031.77 eV,。,电子,从高能级跃迁到低能级时损 失的能量以光子的形式发出，所以高能级到低能级之间的禁带宽度即光子的能量,。,要,产生 可见光比较适合的是宽禁带半导体材料。,发光波长与带隙按照波长由小到大排列可见光的顺序为蓝-绿-黄-,9,发光调整与掺杂,在所有半导体材料,中，,Si,最便宜,，,Si,的工艺也最成熟，但,Si,为间 接禁带半导体，发光效率很低，不能作为发光材料,。,最早,作为发光材料研究的是,GaAs,它 是直接禁带半导体，禁带宽度,1.42 eV,可发出,红外光。,GaP,的,禁带宽度是,2.26 eV,，可发可见光。应用时一般需通过掺入杂质以调整发光波长,。,调整,电子跃迁能量最方便的方法是掺杂，这时电子跃迁属于杂质能级跃迁,。,常见,的杂质型发光二极管材料有,：,GaP,:(Zn,，,O,），,发光颜色为红光，属间接跃迁,；,GaP,:N,绿 光，间接跃迁,；,GaP,:NN,，黄光，间接跃迁。,发光调整与掺杂在所有半导体材料中，Si最便宜，Si的工艺也最,10,三元混晶,最方便调整禁带宽度的材料是三元混晶,，从而,改变光子波长,。,Ga,1-x,Al,x,As,可通过调整,x,改变禁带宽,度,；,GaAS,1-y,P,y,可制造红色发光二极管,。,但调整,x,，,y,是,有限度的，比如,GaAs,1-y,P,y,，当,y0,.45,时由直接禁带变成间接禁带，发光效率降低,。,现在,常用的几种混晶材 料,为,GaAs,0.6,P,0.4,:,红光，直接跃迁,;,GaAs,0.35,P,0.65,:N,：橙光，间接跃迁,;,GaAs,o.15,P,0.85,:,N,：黄光，,Ga,0.7,Al,0.3,As,：,红光,，直接跃迁,；,In,0.3,Ga,0.7,P:,橙,光，直接跃迁。,三元混晶最方便调整禁带宽度的材料是三元混晶，从而改变光子波长,11,II-VI,族宽禁带半导体,从禁带宽度的角度看最合适的半导体发光材料,是,II-VI,族,宽禁带,半导体。,ZnSe,的,禁带宽度为,2.812 eV,是短波发光器件的最佳选择,，但是,ZnSe,为单极性半导体，不易掺杂，不能制造,PN,结,。,在,常规半导体材料寻找蓝光二极管材料遇到巨大 困难。,II-VI族宽禁带半导体从禁带宽度的角度看最合适的半导体发光,12,超晶格,鉴于从常规体材料半导体中寻找蓝光材料遇到困难，人们把眼光投向了体材料之外。,19,6 9,年，日本科学家江崎玲玉奈和华裔美国科学家朱肇祥一道提出了半导体超晶格的概,念。,超晶格是人工,周期材料。把两种不同材料,交替,生长，每种材料的厚度在几个或几十个、几百个晶格常数的尺度，这就构成,了超晶格。,借助于,当时最新开发成功的分子束外延技术，江崎终于将他的新思 想变成了新材料,。,1958,年，江崎发明了 隧道二极管，这一成果使他获得了,1973,年的诺贝尔物理学奖。,超晶格鉴于从常规体材料半导体中寻找蓝光材料遇到困难，人们把眼,13,超晶格,结构及能带结构,(,a),多量子阱结构,；（,b),超晶格结构,；,（,c,),多量子阱能带图；（,d),超晶格电子能带图,超晶格结构及能带结构 (a)多量子阱结构；（b),14,超晶格,材料,方形,量子阱是量子力学中最简单的数学模 型，用来说明电子因束缚而产生能量量子化的情形,。,长,时间以来，量子力学中诸如量子阱这 样的低维模型的物理实现一直是一个非常大的困难,。直到,超晶格、量子阱概念的问世才改 变了这一切,。借助于,MBE,技术，人们才制造出量子阱这样的“准”低维材料,。,多,量子阱与 超晶格结构相同，但阱间距较大，电子波函数没有重叠，阱与阱之间是,独立的。,超晶格阱间距较小，电子波函数有重叠，阱与阱之间不是独立的。电子波函数的重叠，意味 着电子之间存在相互作用，这种相互作用会造成子能带的形成,。,超晶格,也称超晶体，所以单 元是周期性重复的，即阱（垒）的数目是很大的。,超晶格材料方形量子阱是量子力学中最简单的数学模 型，用来说明,15,超晶格的意义,超晶格,材料的发明开创了材料科学的新纪 元。半导体能带工程的思想后来逐渐发展成材料科学领域广为人知的“分子设计方法”,。,设计新材料时，只需,利用 计算机，从材料的微观结构和性能的关系出发，用设计分子结构的方法，来“算出”具有特定 性能的某种材料,。,在,超晶格的研究发展过程中，许多观念上的革命也接二连三地发生,。,晶格,不匹配的二种材料借助于材料的应 变,，可以实现应变,超,品格。应变,超晶格的提出使人们大大 扩展了选择异质结材料的范畴,。,超晶格,的,概念在,别的领 域也产生了深远的影响,。如金属,超晶格，磁多层膜,等。,超晶格的意义超晶格材料的发明开创了材料科学的新纪 元。半导体,16,超晶格的应用,利用超晶格和量子阱材料人们首先在激光器领域取得突破。,ZnSe/ZnCdSe,超晶格和 量子阱材料目前已被用于产生蓝绿激光二极管,。,目前,主要的半导体激光器材料有：,InGaAsP,，四元半导体，产生波长,1.31.5,的激光，主要用于通信,；,AlGaAs,双异质结材料，产生波长,750890 nm,的激光，用于激光打印、光盘、家用电器,；,InGaAlP,异质结量子 阱，激光波长为,670690 nm,；,GaInP/AlGaP,多量子阱，激光波长为,630nm;,ZnSe/ZnCdSe,量子阱，激光波长,490 nm,，用于蓝绿半导体激光器,。,超晶格的应用利用超晶格和量子阱材料人们首先在激光器领域取得突,17,我国蓝色发光材料的研究,2001,年中科院长春物理和光机所采 用光助,MOCVD,方法，在,77K,下观测到的获得,ZnSe,异质结构的电泵浦条件下的受激放大 现象的研究已达到国际先进水平,。,用,常压,MOCVD,技术制备了进行,ZnSe:N,掺杂和,ZnSe,PIN,结构器件，经检测该二极管具有较好,的,I-V,特性，在,77K,下获得了该二极管的蓝绿色 电致发光,。,研制,的,ZnSe PIN,二极管，在室温下观测到了蓝绿色电致发光和电泵浦条件下 的受激放大现象。,我国蓝色发光材料的研究2001年中科院长春物理和光机所采 用,18,3.II-VI,族半导体发光材料,3.1,引言,半导体材料,就其带宽而言可分为三类,：,以,Ge,、,Si,为代表的窄禁带半导体材料已经成为 当代微电子工业的基础,；,以,GaAs,为代表的中等带宽半导体材料已经成为当代半导体光电 子工业的基础,；,以,ZnSe,、,ZnO,、,GaN,和,SiC,为代表的宽带半导体材料现在正是国际研究,的热点,。,以,ZnSe,和