宽禁带半导体光电材料研究进展

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1、宽禁带半导体光电材料的研究及其应用宽禁带半导体材料(Eg大于或等于3.2ev)被称为第三代半导体材料。主要包括金刚石、SiC、GaN等。和第一代、第二代半导体材料相比，第三代半导体材料具有禁带宽度大，电子漂移饱和速度高、介电常数小、导电性能好，具有更高的击穿电场、更高的抗辐射能力的特点，其本身具有的优越性质及其在微波功率器件领域应用中潜在的巨大前景，非常适用于制作抗辐射、高频、大功率和高密度集成的电子器件。以氮化掾(GnN)为代表的III族氮化物作为第三代半导体材料，是一种良好的直接宽隙半导体光电材料，其室温禁带宽度为3.4eV,它可以实现从红外到紫外全可见光范围的光辐射。近年来已相继制造出了

2、蓝、绿色发光二极管和蓝色激光器等光电子器，这为实现红、黄、蓝三原色全光固体显示，制备大功率、耐高温、抗腐蚀器件，外空间紫外探测，雷达，光盘存储精细化、高密度，微波器件高速化等奠定了基础。氮化铢和碑化铢同属III—V族半导体化合物，但氮化铢是III-V族半导体化合物中少有的宽禁带材料。利用宽禁带这一特点制备的氮化铢激光器可以发出蓝色激光，其波长比碑化铢激光器发出的近红外波长的一半还要短，这样就可以大大降低激光束聚焦斑点的面积，从而提高光纪录的密度。与目前常用的碑化铢激光器相比，它不仅可以将光盘纪录的信息量提高四倍以上，而且可以大大提高光信息的存取速度。这一优点不仅在光纪录方面具有明显的实用价值，

3、同时在光电子领域的其他方面也可以得到广泛应用。虽然人们早就认识到氮化铢的这一优点，但由于氮化铢单晶材料制备上的困难以及难于生长出氮化铢PN结，氮化铢发光器件的研究很长时间一直没有获得突破。经过近20年的努力，1985年通过先进的分子束外延方法大大改善了氮化铢材料的性能；1989年，Akasaki等人利用电子辐照方法实现了氮化铢P型材料的生长并制备出PN结；1995年Nakamura等人制备出发蓝紫光的氮化铢发光二极管，效率达到5%,赶上了传统的磷碑化铢发光二极管的效率，寿命超过一万小时。1997年，用氮化铢基材料制备的半导体激光器也开始面世。这一飞速发展的势头反映了氮化铢材料受重视的程度。有人

4、估计，氮化铢器件在化合物半导体市场的份额将由1997年的2%很快上升到2006年的20%,成为光电子产业中非常重要的产品。半导体MN、QaN和AIN的能带都是直接跃迁的'在性质上相互接近'它们的三元合金的带隙从eV到012eV很宽的范围内变化'具有优异的特性'如高热导、优良的光学、电学性质和良好的材料机械性质和高电子饱和速度等。因为直接带隙材料的光跃迁几率比间接带隙的高约一个数量级丿又上宽带隙，因此GnN基半导体在短波长发光二极管、激光器和紫外探测器以及高温微电子器件方面显示岀广阔的应用前景。目前,正在研制由GnN材料制成的高性能器件主要分为两类:光电器件和电子器件。光电器件已经占领了GaN产

5、品的主要市场。宽禁带GnN基半导体材料研究的几个重大突破，为实现0以2基半导体器件丿最基本的是生长高质量的材料和结构以及控制其电导率。由于缺乏品格常数匹配、热胀系数接近的热稳定的衬底材料，要生长平坦而没有裂纹的高质量GaN外延层是非常困困难的'而且非故意掺杂的GnN外延层一般呈电子浓度很高的的々型丿而p型GaN外延层又难以获得。因此X98S年以前的20多年间'GaN的研究进展十分缓慢。近多年来'GaN材料研究接连取得的重大突破'大大推动了Can基器件的发展。daN基发光LEP的应用及市场前景。高亮度蓝光LEP的商品化使动态信息显示平板实现全色显示全色动态信息显示平板可以广泛的应用于体育场馆、车

6、站、机场、工商业等行业的大型和超大型全色显示屏'而蓝光LED是实现全色平板显示的关键器件'是全色显示器件中价格昂贵的器件。目前仅国内广告业、机场、车站需要的大型显示屏的年成交额达数亿元人民币丿而且该市场仍在以每年约4倍的增长速度迅速发展。照明光源实现体器件化全色超高亮度LEP的商品化带来了照明技术的一场革命。利用组成变化可以发出波长连续可调的各种色光丿构成全色光源。目前利用超高亮度LEP已可以制成最大亮度达到500cddm2的白色平板光源丿成为新一代的照明光源丿其耗电量仅相当于相同亮度白炽灯（寿命约为0~丄2月）的5~2O%丿而其寿命为S~ZO年。这种体积小、重量轻方向性好、节能、长寿命、耐各

7、种恶劣条件的新型固体光源对传统的光源市场造成冲击。目前普遍采用LUCOLED技术制造白光LEP,即在封装材料中添加某种荧光物质（如磷光物质或某种荧光染色体物质）,该荧光物质可以在蓝光LEP的激励下发射橙黄光'利用蓝光和橙黄光的混合得到白光。以高亮度LEP取代信统的信号指示灯。传统的公路、铁路的交通信号灯、警示灯、标志灯和各类汽车的指示灯丿采用白炽灯加油光片的方法实现各色指示或显示'对光能的利用率很