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第三代半導(dǎo)體的光致發(fā)光光譜測量
更新時(shí)間:2020-11-23瀏覽:4332次

 什么是第三代半導(dǎo)體?

 

 半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展至今經(jīng)歷了三個(gè)階段:硅材料,砷化鎵材料,再到以氮化鎵、碳化硅為代表的寬禁帶半導(dǎo)體(Wide bandgap semiconductor)。

一代半導(dǎo)體材料以硅為代表,引發(fā)了集成電路(IC)為核心的微電子領(lǐng)域迅速發(fā)展。第二代半導(dǎo)體材料以砷化鎵為代表,使半導(dǎo)體材料的應(yīng)用進(jìn)入光電子領(lǐng)域,尤其是在紅外激光器和高亮度的紅光二極管等方面。第三代半導(dǎo)體材料的興起,則是以氮化鎵(GaN)材料p 型摻雜的突破為起點(diǎn),以高亮度藍(lán)光發(fā)光二極管(LED)和藍(lán)光激光器(LD)的研制成功為標(biāo)志,包括氮化鎵(GaN)、碳化硅(SiC)、氧化鋅(ZnO)、金剛石等寬禁帶材料。

 幾種典型的寬禁帶半導(dǎo)體材料

第三代半導(dǎo)體有哪些優(yōu)勢?

第三代半導(dǎo)體與前兩代半導(dǎo)體大的區(qū)別是禁帶寬度更寬,可以跨越從 0.7-6.2eV,所以我們又稱之為寬禁帶半導(dǎo)體材料。其具有高擊穿電場、高飽和電子速度、高熱導(dǎo)率、高電子密度、高遷移率等特點(diǎn),逐步受到重視。

典型半導(dǎo)體材料特性參數(shù)對比

典型的三族氮化物目前主要用于發(fā)光,通過改變材料的組分,其發(fā)射波長可以覆蓋從紫外到紅外。

三族氮化物中的翹楚——氮化鎵,帶隙3.4eV,在高功率、高速的光電元件中已有應(yīng)用,目前商用藍(lán)光GaN 芯片已經(jīng)做到非常成熟,能夠做到80%以上的效率。以及紫光(405nm)激光大量應(yīng)用。

GaN LED 芯片的發(fā)光原理及結(jié)構(gòu)示意圖

2014 年10 月7 日,赤崎勇、天野浩和中村修二(名字從左到右分別對應(yīng))因發(fā)明“高效藍(lán)色發(fā)光二極管”而獲得2014 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

第三代半導(dǎo)體的光致發(fā)光光譜測量

光致發(fā)光光譜定義為當(dāng)一束光子能量足夠高(大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度Eg)的激光入射到半導(dǎo)體材料上,會(huì)將價(jià)帶的電子激發(fā)到導(dǎo)帶,從而在該材料中產(chǎn)生大量的電子空穴對,形成非平衡載流子。這些非平衡載流子隨即通過各種散射過程快速弛豫到相應(yīng)能帶的底部,后發(fā)生復(fù)合產(chǎn)生熒光。采集該復(fù)合發(fā)光的光譜即稱為光致發(fā)光光譜。

PL 過程實(shí)際上是電子從較高能級(jí)向較低能級(jí)躍遷的過程中釋放出光子,釋放出的光子能量由這些高低能級(jí)的能量差來決定,其揭示了材料內(nèi)部能級(jí)位置。

PL 測量有以下幾種表征方式及意義:

● 室溫PL 測量主要可以分析材料的帶邊發(fā)光以及缺陷發(fā)光,以及材料表面的均勻性分析。

● 低溫PL 主要分析材料的發(fā)光特性如施主、受主發(fā)光,深能級(jí)或淺能級(jí)缺陷發(fā)光。

● 變溫PL 可以根據(jù)光譜隨溫度變化趨勢來進(jìn)一步指認(rèn)發(fā)光峰的性質(zhì)。

● 變功率PL 則根據(jù)改變注入載流子濃度來分析材料的性質(zhì)。

● 時(shí)間分辨光致發(fā)光(TRPL),包含時(shí)間分辨發(fā)射光譜和熒光壽命衰減曲線兩種,用于了解載流子弛豫過程,有時(shí)候載流子的空間擴(kuò)散也會(huì)體現(xiàn)在時(shí)間分辨光譜中。

已搭建的客戶案例




全新設(shè)計(jì)及一站式解決方案

(1)全新900 系列穩(wěn)態(tài)瞬態(tài)熒光光譜儀

以氙燈作為主機(jī)激發(fā)光源實(shí)現(xiàn)發(fā)光材料熒光光譜測量,現(xiàn)搭配266nm、325nm 等紫外激光器耦合,實(shí)現(xiàn)寬禁帶半導(dǎo)體的PL 測量,發(fā)光材料的熒光光譜測量兩不誤。

 

(2)單純激光器激發(fā)的PL 測試系統(tǒng),266nm、325nm 等紫外激光器可選

 

(3)顯微PL 測量系統(tǒng):解決弱信號(hào)、微區(qū)光譜、PL mapping、拉曼光譜表征的測量訴求

 

 

 

(4)輕松選配件,放心做實(shí)驗(yàn)

 

紫外激光器選件: 日本Kimmon 廠家的325nm He-Cd 激光器,功率35mW,不僅僅是激光器本身,還有優(yōu)質(zhì)的激光線純化濾光片、高通濾光片配套。

紫外激光器選件:德國 CryLas 廠家的266nm 固體激光器,同樣搭配優(yōu)質(zhì)激光線純化濾光片,高通濾光片配套。

變功率 PL 測量選件:以色列Ophir 廠家PD300-UV 激光功率計(jì)及Vega 表頭,功率計(jì),參與激光功率標(biāo)準(zhǔn)制定,先鋒科技代理。

低溫變溫 PL 測量選件:英國Oxford 廠家3-300K 閉環(huán)制冷機(jī)(配套包含冷頭、壓縮機(jī)、水冷機(jī)、分子泵)

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