分析三种新型半导体发光材料对半导体照明的应用

在信息技术的各个领域中，以半导体材料为基础制作的各种各样的器件，在人们的生活中几乎无所不及，不断地改变着人们的生活方式、思维方式，提高了人们的生活质量，促进了人类社会的文明进步。它们可用作信息传输，信息存储，信息探测，激光与光学显示，各种控制等等。半导体照明是一种基于半导体发光二极管新型光源的固态照明，是21世纪最具发展前景的高技术领域之一，已经成为人类照明史上继白炽灯、荧光灯之后的又一次飞跃。固态照明是一种新型的照明技术，它具有电光转换效率高、体积小、寿命长、安全低电压、节能、环保等优点。发展固态照明产业可以大规模节约能源，对有效地保护环境，有利于实现我国的可持续发展具有重大的战略意义。从长远来看，新材料的开发是重中之重。发光材料因其优越的物理性能、必需的重要应用及远大的发展前景而在材料行业中备受关注。

　　GaN是一种宽禁带半导体(Eg=3.4ev),自由激子束缚能为25mev,具有宽的直接带隙,Ⅲ族氮化物半导体InN、GaN和AlN的能带都是直接跃迁型,在性质上相互接近,它们的三元合金的带隙可以从1.9eV连续变化到6.2eV，这相应于覆盖光谱中整个可见光及远紫外光范围.实际上还没有一种其他材料体系具有如此宽的和连续可调的直接带隙.GaN是优良的光电子材料，可以实现从红外到紫外全可见光范围的光发射和红、黄、蓝三原色具备的全光固体显示,强的原子键,高的热导率和强的抗辐射能力，其光跃迁几率比间接带隙的高一个数量级.GaN具有较高的电离度,在Ⅲ-V的化合物中是最高的(0.5或0.43).在大气压下,GaN一般是六方纤锌矿结构.它的一个原胞中有4个原子,原子体积大约为GaAS的一半.GaN是极稳定的化合物，又是坚硬的高熔点材料，熔点约为1700。

　　目前,GaN基蓝绿光发光二极管己商品化,GaN基LD也有商品出售，最大输出功率为0.5W.GaNLED的应用非常普遍，在交通信号灯里、彩色视频广告牌上、甚至闪光灯里都可能会见到它的身影。GaNLED的成功不仅仅引发了光电行业中的革命。它还帮助人们投入更多的资金和注意力来发展大功率高频率GaN晶体管。以GaN基半导体材料为基础所发展起来的固态白光照明技术有希望发展成为未来照明的主题技术，根据已有发展计划，有能在2020年前取代白纸等和白炽灯，比较固态照明技术对节环保、改善照明等具有重要意义，并将会形成500亿美元产值的巨大新兴产业。但在目前的技术水平下,获得一定尺寸和厚度的实用化的GaN体单晶十分困难，并且价格昂贵．GaN单晶至今未形成大规模商品化,缺乏合适的衬底材料,蓝宝石也不是理想的衬底材料,其次是突破p型掺杂优化,目前实现的Mg掺杂工艺复杂,设备昂贵,难以操作.这些问题影响了GaN电子器件和光电器件的进一步研究开发,是国内外争相研究的焦点问题.目前的主流制作GaN结晶方法是MOCVD法.因此，寻找和选择最适合的GaN的衬底材料一直是国际研究的主要热点之一．专家们预计，GaN基LED及功率晶体管、蓝色激光器，一旦在衬底等关键技术领域取得突破，其产业化进程将会长驱直入。

　　ZnO是一种优良的多功能材料．作为压电材料的ZnO压敏陶瓷，因其优良的非线性导电特性、大电流和高能量承受能力等优点而被广泛应用于抑制电力系统雷过电压和操作过电压，抑制电磁脉冲和噪音，防止静电放电等方面.ZnO单晶在可见光透过率达到90%,在室温下(或低温下)ZnO及纳米ZnO光致发光谱(PL)普遍存在2个较宽的发光带,在520nm附近的宽绿色发光带和在380nm附近一系列施主束缚激子峰的紫色发光带。

       绿色发光带有时也存在丰富的结构.关于绿色发光带一般被认为是杂质或缺陷态(O空缺、Zn填隙)的发光,但是相关机理还有待进一步研究.报道目前常在制备时添加一些有效物质,通过不同制备方法和条件处理,使ZnO表面吸附或包裹上一层“外衣”,以改善其无规则的表面层,钝化表面以减少缺陷及悬键,可有效提高其可见光或紫外发射强度(达一个量级以上),通常,ZnO表面有吸附物质(如反应副产品,溶剂分子,溶解的气体等),使其表面产生大量缺陷态及悬键,淬灭光发射,影响ZnO的光学、电学等方面的性质,因此这种处理能有效改善ZnO的表面态.自室温下激光激发ZnO纳米微晶膜观测到紫外激光发射行为以来。

        ZnO的激光发射一直是研究的热点,ZnO的蓝带,特别是近紫外激光发射特征,以及相当高的激子结合能(60meV)和增益系数(300cm-1),使其成为重要而优异的蓝、紫外半导体激光材料.ZnO作为透明电极和窗口材料而被用于太阳能电池，且因其辐射损伤小，特别适合在太空中使用。此外，ZnO还是制造声表面波(体波)器件的理想材料.ZnO是一致熔融化合物，熔点高达2248K．并且在高温下ZnO的挥发性很强，到1773K就会发生严重的升华现象，因此晶体的生长较为困难。

　　SiC作为第三代宽禁带半导体的典型代表,无论是单晶衬底质量、导电的外延层和高质量的介质绝缘膜和器件工艺等方面,都比较成熟或有可以借鉴的SiC器件工艺作参考,由此可以预测在未来的宽禁带半导体器件中,SiC将担任主角,独霸功率和微电子器件市场.我国在SiC单晶和基片研究方面落后国外5到8年的时间.山东大学晶体材料国家重点实验室利用自行设计的坩埚和温场,稳定、重复地生长出了直径大于50.8mm的6H-SiC晶体,晶体厚度大于20mm。中国科学院物理研究所成功生长出直径为50.8mm、厚度为25.4mm,具有较高质量的6H多型SiC单晶.除LED外,SiC器件还处于研制阶段.一方面SiC材料,特别是3C-SiC中的各种缺陷影响器件性能.另一方面与器件相关的工艺使得SiC的优势尚未得到开发。

　　1）作为新一代宽禁带半导体,GaN,SiC,ZnO的共同特点是它们的禁带宽度在3.3到3.5eV之间,是Si的三倍,GaAs的两倍.由于它们的一些特殊性质和潜在应用而备受关注。

　　2）GaN及其相关的固熔体合金可以实现带隙1.9eV(InN)到6.2eV(AlN)连续可调,是实现整个可见光波段和紫外光波段发光和制作短波长半导体激光器的理想材料。目前GaN材料的研制工作已取相当成功，并进入了实用化阶段。一旦GaN在衬底等关键技术领域取得突破，其产业化进程将会取得长足发展，有望在将来取代传统的白炽灯,成为主要的照明工具。

　　3）SiC和ZnO体单晶不但具有优异的光学、电学等性质,还具有其它材料无法比拟的优势——同质外延,预计亮度将是GaNLED的10倍而价格和能耗则只有1/10。随着对半导体材料性能的不断探索,进一步完善材料作用原理和器件工艺水平,碳化硅和氧化锌会是将来紫光LED的主要材料。