第三代半导体的光致发光光谱测量

 什么是第三代半导体？

 半导体产业发展至今经历了三个阶段：硅材料，砷化镓材料，再到以氮化镓、碳化硅为代表的宽禁带半导体（Wide bandgap semiconductor）。

第一代半导体材料以硅为代表，引发了集成电路（IC）为核心的微电子领域迅速发展。第二代半导体材料以砷化镓为代表，使半导体材料的应用进入光电子领域，尤其是在红外激光器和高亮度的红光二极管等方面。第三代半导体材料的兴起，则是以氮化镓（GaN）材料p 型掺杂的突破为起点，以高亮度蓝光发光二极管（LED）和蓝光激光器（LD）的研制成功为标志，包括氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）、氧化锌（ZnO）、金刚石等宽禁带材料。

 几种典型的宽禁带半导体材料

第三代半导体与前两代半导体最大的区别是禁带宽度更宽，可以跨越从 0.7-6.2eV，所以我们又称之为宽禁带半导体材料。其具有高击穿电场、高饱和电子速度、高热导率、高电子密度、高迁移率等特点，逐步受到重视。

典型半导体材料特性参数对比

最为典型的三族氮化物目前主要用于发光，通过改变材料的组分，其发射波长可以覆盖从紫外到红外。

三族氮化物中的翘楚——氮化镓，带隙3.4eV，在高功率、高速的光电元件中已有应用，目前商用蓝光GaN 芯片已经做到非常成熟，能够做到80%以上的效率。以及紫光（405nm）激光大量应用。

GaN LED 芯片的发光原理及结构示意图

2014 年10 月7 日，赤崎勇、天野浩和中村修二（名字从左到右分别对应）因发明“高效蓝色发光二极管”而获得2014 年诺贝尔物理学奖。

第三代半导体的光致发光光谱测量

光致发光光谱定义为当一束光子能量足够高（大于半导体材料的禁带宽度Eg）的激光入射到半导体材料上，会将价带的电子激发到导带，从而在该材料中产生大量的电子空穴对，形成非平衡载流子。这些非平衡载流子随即通过各种散射过程快速弛豫到相应能带的底部，最后发生复合产生荧光。采集该复合发光的光谱即称为光致发光光谱。

PL 过程实际上是电子从较高能级向较低能级跃迁的过程中释放出光子，释放出的光子能量由这些高低能级的能量差来决定，其揭示了材料内部能级位置。

PL 测量有以下几种表征方式及意义：

● 室温PL 测量主要可以分析材料的带边发光以及缺陷发光，以及材料表面的均匀性分析。

● 低温PL 主要分析材料的发光特性如施主、受主发光，深能级或浅能级缺陷发光。

● 变温PL 可以根据光谱随温度变化趋势来进一步指认发光峰的性质。

● 变功率PL 则根据改变注入载流子浓度来分析材料的性质。

● 时间分辨光致发光（TRPL），包含时间分辨发射光谱和荧光寿命衰减曲线两种，用于了解载流子弛豫过程，有时候载流子的空间扩散也会体现在时间分辨光谱中。

已搭建的客户案例

（1）全新900 系列稳态瞬态荧光光谱仪

以氙灯作为主机激发光源实现发光材料荧光光谱测量，现搭配266nm、325nm 等紫外激光器耦合，实现宽禁带半导体的PL 测量，发光材料的荧光光谱测量两不误。

紫外激光器选件： 日本Kimmon 厂家的325nm He-Cd 激光器，功率35mW，不仅仅是激光器本身，还有优质的激光线纯化滤光片、高通滤光片配套。

紫外激光器选件：德国 CryLas 厂家的266nm 固体激光器，同样搭配优质激光线纯化滤光片，高通滤光片配套。

变功率 PL 测量选件：以色列Ophir 厂家PD300-UV 激光功率计及Vega 表头，功率计行业标杆，参与国际激光功率标准制定，先锋科技代理。

低温变温 PL 测量选件：英国Oxford 厂家3-300K 闭环制冷机（配套包含冷头、压缩机、水冷机、分子泵）