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第三代半導體的光致發光光譜測量

點擊: 次??來源:未知 時間:2020-11-03

什么是第三代半導體?
       半導體產業發展至今經歷了三個階段: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體(Wide bandgap semiconductor)。

第一代半導體材料以硅為代表,引發了集成電路(IC)為核心的微電子領域迅速發展。第二代半導體材料以砷化鎵為代表,使半導體材料的應用進入光電子領域,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,以高亮度藍光發光二極管(LED)和藍光激光器(LD)的研制成功為標志,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體材料
第三代半導體有哪些優勢?
       第三代半導體與前兩代半導體最大的區別是禁帶寬度更寬,可以跨越從0.7-6.2eV,所以我們又稱之為寬禁帶半導體材料。其具有高擊穿電場、高飽和電子速度、高熱導率、高電子密度、高遷移率等特點,逐步受到重視。

典型半導體材料特性參數對比
       最為典型的三族氮化物目前主要用于發光,通過改變材料的組分,其發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用,目前商用藍光GaN芯片已經做到非常成熟,能夠做到80%以上的效率。以及紫光(405nm)激光大量應用。
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)因發明“高效藍色發光二極管”而獲得2014年諾貝爾物理學獎。

GaN LED芯片的發光原理及結構示意圖
       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)因發明“高效藍色發光二極管”而獲得2014年諾貝爾物理學獎。
 
第三代半導體的光致發光光譜測量
       光致發光光譜定義為當一束光子能量足夠高(大于半導體材料的禁帶寬度Eg)的激光入射到半導體材料上,會將價帶的電子激發到導帶,從而在該材料中產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能帶的底部,最后發生復合產生熒光。采集該復合發光的光譜即稱為光致發光光譜。
 
       PL過程實際上是電子從較高能級向較低能級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的能量差來決定,其揭示了材料內部能級位置。
PL測量有以下幾種表征方式及意義:
1)室溫PL測量主要可以分析材料的帶邊發光以及缺陷發光,以及材料表面的均勻性分析。
2)低溫PL主要分析材料的發光特性如施主、受主發光,深能級或淺能級缺陷發光。
3)變溫PL可以根據光譜隨溫度變化趨勢來進一步指認發光峰的性質。
4)變功率PL則根據改變注入載流子濃度來分析材料的性質。
5)時間分辨光致發光(TRPL),包含時間分辨發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,有時候載流子的空間擴散也會體現在時間分辨光譜中。
 
已搭建的客戶案例
       80-300K的變溫光譜測量:樣品S1為InGaN/GaN多量子阱結構的GaN基LED樣品,樣品S2為帶有簡單p-GaN外延層的對照樣品
基于325nm激光器激發的PL測量系統,用于GaN、ZnO等半導體材料等材料的測量

80-300K的變溫光譜測量:樣品S1為InGaN/GaN多量子阱結構的GaN基LED樣品
樣品S2為帶有簡單p-GaN外延層的對照樣品


配置261nm、266nm、360nm激光器

AlGaN在261nm,266nm激光器下的發射光譜圖
全新設計及一站式解決方案
       以氙燈作為主機激發光源實現發光材料熒光光譜測量,現搭配266nm、325nm等紫外激光器耦合,實現寬禁帶半導體的PL測量,發光材料的熒光光譜測量兩不誤。

       單純激光器激發的PL測試系統,266nm、325nm等紫外激光器可選

       顯微PL測量系統:解決弱信號、微區光譜、PL mapping、拉曼光譜表征的測量訴求
輕松選配件,放心做實驗
       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,還有優質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,同樣搭配優質激光線純化濾光片,高通濾光片配套。

       變功率PL測量選件:以色列Ophir廠家PD300-UV激光功率計及Vega表頭,功率計行業標桿,參與國際激光功率標準制定,先鋒科技獨家代理。

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