發射帶

GaN晶體薄膜的光致發光譜均存在一個非常寬且比較複雜的黃光發射帶，從給出的譜線形狀可判斷，其包含有多個發光峰，這說明黃光發光帶是由多個躍遷過程產生的。Pankove和Hutchby小組系統地研究了35種元素注入GaN薄膜後的低溫 （78K）光致發光行為， 並發現金屬元素的注入均存在較強的特徵光發射；其餘的元素在2.15eV附近有一較寬的發射峰，如C，Li，Be，Al和Si均存在較強的發射帶，這些發射帶被認為是同注入帶來的缺陷有關。

基本介紹

• 中文名：發射帶
• 外文名：emission band
• 來源：發光材料
• 套用：GaN半導體材料
• 學科：核技術

內容簡介

由於GaN晶體具有優良的物理和化學性質，因而被認為是一種非常具有套用前景的第三代寬頻隙半導體材料。由於GaN晶體薄膜外延生長技術的改進與提高，使其在半導體器件套用領域得以迅速發展，尤其在GaN基光電器件套用研究領域。由此，GaN晶體的發光特性、帶隙能級的精細結構、能級形成的內部機制以及能級間的躍遷行為變得十分具有現實意義。Ogino和Aoko認為，2.2eV附近的光致發光帶是由淺施主到深受主的躍遷，其中淺施主的深度約為25meV，深受主是鎵空穴(V_Ga)與氮的碳替位（C_N）形成的複合體（V_Ga-C_N）且其能級深度為860meV，並確定Si和O的摻雜並不影響黃光發射帶。

離子注入型GaN黃光發射帶研究

對C摻雜氫化物氣相外延生長的GaN的光致發光測量確定C雜質是黃光發射帶存在的一個重要原因。對於Si摻雜或注入對樣品黃光發射強度的影響，不同的文獻給出的結論也不盡相同。如在2002年，Dai等研究了離子注入的不同GaN樣品退火前後的光致發光譜，得出樣品1的黃光發射與近帶緣發射的強度比減小，而對於樣品2，該比值卻增大；有些文獻報導Si摻雜的樣品黃光發射與近帶緣發射的強度比值增大，且該文獻認為黃光發光帶起源於Ga空穴與Si離子注入帶來缺陷的複合體。在高濃度的n型摻雜中（n>10¹⁹/cm³），黃光發射的強度隨Si摻雜的增加而降低，文獻中解釋為引入的施主原子對Ga空穴進行了補償。由此可見，Si在GaN黃光發射帶中扮演著重要的角色。

樣品退火後與退火前黃光發射強度比隨注入劑量的關係圖

雖然各個研究團體對於n型GaN的黃光發射帶的研究結果各不相同，但一個基本的共識就是該發射帶是由第一種機制，即淺施主或導帶到深受主能級的躍遷產生，其中淺施主可能是V_N，O_N，Ga_i或Si_Ga等；深受主可能由V_Ga與淺施主的複合體（V_GaD）形成，且離化能約為0.8-0.9eV。但躍遷的淺施主和與V_Ga形成複合體的淺施主D並沒有統一的認識。

通過測量退火前後N，O，Mg，Si和Ga離子注入GaN樣品的光致發光譜，並利用獨立提出的半經驗模型分析譜線中黃光發射帶強度的變化規律，得出如下結論：GaN樣品的黃光發射帶強度隨Si離子注入劑量的增加而減弱、隨Ga和Mg離子的注入劑量的增加而增強；而對於注入的N和O離子則對GaN樣品的黃光發射帶的影響較小且基本不隨劑量的變化而變化。雖然該實驗得出了如上一些有益的結論，並且也得到了一些相關文獻研究結果的支持， 但還不能確定導致黃光發射帶強弱變化的內部機制，同時，該結論所基於的獨立提出的半經驗模型的有效
性仍需要進一步的驗證。

離子注入型GaN藍光發射帶研究

故意和非故意摻雜GaN的光致發光譜中，有時會存在一個定位於2.9eV的藍光發射帶，且在不同樣品和摻雜的情況下，其峰位也會有所變化（約在2.7—3.0eV 範圍內）。該藍光發光帶一般被認為是由淺施主或導帶向深受主的躍遷形成的，該深受主的離化能約為0.34—0.40eV之間。但有人認為該發射帶是由深施主向淺受主的躍遷形成的。 Yang等通過對Si摻雜GaN光致發光的研究確定，定位於2.8 eV處的藍光發光帶是由 O_N形成的淺施主能級（定位於導帶下方 0.25eV處）向由 V_Ga-O_N複合體形成的深受主能級（定位於價帶上方 0.8eV處）躍遷產生。同樣 Reshchikov 等通過研究光致發光譜隨激發光強度和溫度的變化確定藍光發射與 V_Ga有關。

謝世勇等採用離子注入的方式在GaN中引入Mg，退火前的光致發光譜中沒有觀測到藍光發射，而退火後，卻觀測到較強的藍光發射，並確定該藍光發射是由位於導帶下0.17 eV的間位 Mg（ M_gi）雜質到價帶上 0.25 eV 的替位Mg（Mg_Ga）受主能級躍遷和該能級到價帶上0.39 eV能級的躍遷，以及導帶下0.31eV的 Mg_Ga-V_N複合體能級到Mg_Ga 受主能級的躍遷產生。 Schubert 等通過對非故意摻雜GaN光致發光研究發現存在一定位於2.9eV處較弱的藍光發射，推測可能是導帶向受主躍遷產生的，但並沒有進行深入的研究。李欣等通過對非故意摻雜的 GaN 進行不同激發光強條件下的光致發光測量，發現藍光發射具有發光強度弱、並且容易飽和等特點，由此認為藍光發射屬於施主型發射，該施 主可能起源 於某些間位 雜質。而Kaufmann 等通過對故意（ Mg 和 Si）和非故意摻雜的 GaN 的室溫光致發光研究， 提出截然相反的結論，即藍光發光帶是由深施主向淺受主的躍遷。其中深施主為 Mg（ Si）受主與 N 空穴的複合體，淺受主為 Mg（ Si）。

由於各文獻報導存在藍光發射的非故意摻雜 GaN 均採用 HVPE 和 MOCVD 方法生長，而採用 MBE 法生長的 GaN 未發現藍光發射，由此也可推斷，藍光發射可能起源於 V_GA-H_n 複合體。該推斷也被 Toth 等採用直接的實驗手段所證實。 Ghil Lee Sun 等由第一性原理出發研究了 Mg摻雜 GaN，確定藍色發光帶是由深施主到價帶的躍遷產生，該深施主是由位於價帶上2.8eV處的M_gi-V_N複合體構成。而 Reboredo 和 Pantelides基於第一性原理卻得出了不同的結論，即能與H結合的替位間位複合體是產生藍光發射的原因。雖然關於藍光發射的起源問題已經做了大量的理論和實驗方面工作，但仍沒有統一的、確切的結論。