请问发光机制

土豆 · 发表于 2003-4-8 19:42:00

修正一点：
电子绕核圆频率基本不变是因为角速度w=v/r，
v增加时，离心力大于核向心力，于是电子产生径向运动，r增加，
所以v/r=w基本不变，

按说此时电子会很容易逃跑，可是类似彗星的情况，
由于核向心力与电子轨道不再垂直，产生了部分减速力，
再就是电子加速运动会有“自感效应”（这与假想的以太介质有关），
是这两方面的因素使得绕核电子不会轻易逃跑，

土豆 · 发表于 2003-4-10 08:05:00

现在寻找宽禁带半导体的工作主要集中于III至V族化合物，
这些元素虽也有内层的“高圆频率电子”，
可是由于有较多的外层电子云阻挡，
所以要激发内层电子，就要用较高的激发能量，
因而紫外和兰色的“光发射二极管”一般是大功率的（见后面的附文），
小功率的兰色发光二极管还是见不到（或者哪里已经有买的了？请指点），

我想是否能考虑一下---氢？
（氦和氩好象是发的黄色光，氖--霓虹灯就难说了）
它的光谱在可见光区有三条：红、绿蓝、蓝，
振幅是蓝色最高，红色最小，
它只有一个电子层，容易受到电子撞击而加速，
这就有可能用较小的能量把蓝色圆频率激发出来？
只要那个孤独的绕核电子达到一定的线速度，
估计就会有足够强的蓝光出现？

既然现在可以把氮气中的氮N掺入镓Ga中，形成较高禁带的GaN，
怎么就不能把氢气中的氢H掺入镓中呢？
形成低功率、禁带更高的GaH？

氢气在高温下，可以渗透、溶解、扩散到锗中，
氢在锗Ge中的渗透性随温度指数地增加：
P=2.3*10^19 exp(-47000/RT)
氢分子H2渗入锗中以后，分离成原子H，
参见：鲍尔塔克斯著 , 《半导体中的扩散》 ,
科学出版社 , 1964年11月第1版 , 第199页（超星下载）

那么氢气对镓也应该有类似的情况？
不过由于氢原子的“独生子”轻易不出门的，
所以它不参与导电，所以掺多了可能会影响电子运动，
掺少了可能发光强度又不够，怎么办呢？
是否可以考虑只在半导体的“成结面”上掺入氢H？
这样“结”处的“氢层”很薄，电子可以很容易的穿过，
电子又可以在“氢层结”处与氢原子充分碰撞，
估计就可以很好的激发出蓝光了？

不知道氢气在导体中的渗透情况如何，
如果可以在两块导体间形成“氢层”，不是也很好吗？
导体提供高速电子，电子穿过“氢层”时，
就与氢原子激烈碰撞、发出蓝光，
除非存在一种情况：
导体中的电流增加只是电子通过某截面的数量增加，
而电子在导体中的速度并不增加多少，
这也不是不可能的，
因为导体中金属原子的“电归能”与“电离能”一样较半导体低，
而半导体中的外层绕核电子一旦电离，就会以较高的速度射出，
所以其中的电子速度也较半导体低一些？
这对“发光原子”的被激发很重要，先作为一种猜测吧，还请多指点，

估计要用低功率使原子某固有圆频率的振幅强度达到可观察的程度，
有几点需要考虑：
1、电子尽量与最外层的绕核电子直接碰撞（尽量选择外层圆频率），
2、保证电子有足够的碰撞速度（与空穴“电归能”的加速效果有关？），
3、发光原子在发光处要有一定的密集度（增加被撞几率），
4、但是“发光原子”的掺入量又不能太多，否则会影响电子速度，

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附一篇参考文章摘要：
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《高速电子与微波器件》2000年第三期
文章编号：1007-4252(2000)03-0218-10

氮化镓基电子与光电子器件

李效白

(专用集成电路国家重点实验室，石家庄050002)

摘要：GaN具有宽禁带、高击穿电压、异质结沟道中高峰值电子漂移速度和高薄层电子浓度等特点，是大功率和高温半导体器件的理想化合物半导体材料。宽禁带III-V族化合物半导体的性能和研究进展已经使大功率紫外光/蓝光/绿光光发射二极管走向商业市场，证明InGaAs/GaN/ALGaAs紫罗兰色异质结激光器能够在室温和脉冲或连续波条件下工作，是性能优越的光电器件的理想材料。本文综述了上述研究成果。

关键词：氮化硅；发光管；激光管；场效应管；异质结双极晶体管

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加注：氮可发出绿色和紫色（高能下）的光，却刚好跳过了蓝光，

ab209 · 发表于 2003-4-10 20:55:00

想法很好，不过GaN不是把N掺杂到Ga里，一般用的方法是MOCVD，通过反应生成GaN，现在大家似乎都把希望寄托在量子阱器件上，因为这样调节Eg比较容易实现。

土豆 · 发表于 2003-4-11 23:06:00

多谢鼓励，
MOCVD是气相外延（气相覆盖？）的意思吧？好象和镀膜也差不多？
认真看了一下书，那个N大概是在氢气把镓Ga带向衬底时，通以NH3，
可惜在700-800度的情况下，氢的渗透性可能不太大，
是否可以在更高温度、高压下就可以在Ga的表面获得一定浓度的渗透H呢？
总之想办法把H作为被激发原子加入到半导体里去，估计是个思路，

或者考虑用有机CH化合物薄膜作发光层，也很不错，
这也符合纳米级电子器件的发展趋势，
比如：
“美国西北大学的T. Marks等[8]用氯硅烷功能化的三芳胺和联苯类小分子
通过共价键自组装成高度有序、平整度好的薄膜，
用此薄膜构筑的LED能够发出电视荧光屏一般亮的蓝光。”
http://www.hxtb.org/col/1999/c99021.htm

量子阱理解起来稍微困难一点了，
不过是否可以暂时简单理解为如果原子在一定条件下，
如同太阳系是有一个公转平面的话，就会出现一个扁平原子，
电子很难穿过这个“扁平面”，
但可以如同彗星那样轻易的在行星公转平面的垂直方向穿行，
只要条件合适，比如近核掠过、两轨道平面夹角较小，
也可能出现线速度不低（发光强度较高）的内层高圆频率光，
这也不错，既然内层电子不容易被撞击到，
就向原子内层安装上一个高速电子？
不过我还是不很理解：
“这些量子阱令电子及电洞得以自由地通过平行于该量子阱平面的两维空间，
却无法通过垂直的空间。”

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最初的GaN蓝色发光二极管金属—绝缘体—半导体（MIS）—蓝宝石，
包括后来的P-N结和双异质结蓝光二极管其实都要通过蓝宝石衬底的滤光作用，
如：
“氮化镓是一种直接跃迁型半导体，室温带隙宽度Eg＝3．39eV，
Eg的温度系数为-6.7*10^-4eV/K。晶体结构属纤锌矿型，
目前主要作为三基色之一的蓝光器件材料开展研究，并取得了较大进展，
制得了可以实用的蓝色发光器件，发光波长490nm，典型工作电压7．5V，
在10mA下具有2mcd的典型光输出，最高已达10mcd。
效率只达到0.03-0.1%。在蓝宝石上用气相外延方法制造氮化镓单晶层，
但能得到N型材料，得不到P型，掺锌只能得到高阻I层。目前的器件
是MIS结构，即金属—高阻绝缘层—半导体N层。
氮化镓是一种很有希望的材料，如能做成P型，以制得PN结，可获得更高的效率。
外延层结构和器件形状如图5—19。”
参见：方志烈 , 《半导体发光材料和器件》 , 1992年1月第1版 , 第101页

注：图中各层顺序为：金属—高阻绝缘层—半导体N层—蓝宝石，
光是通过蓝宝石后发出的，因为490nm显然不属于蓝光区，所以要用蓝宝石滤光，

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下面是近年来的发展趋势：
“相对于比较成熟的、已经商品化的红、绿色LED而言，蓝色LED还处于研发阶段。蓝色LED不仅是全色显示不可替代的光源之一，也是研制用于高密度信息存取的蓝色半导体激光器的关键。对蓝色LED材料和器件的研究和开发一直是一个十分活跃的领域。

技术上的突破使GaN材料和器件的研究取得了长足进展。在器件的制造方面，经历了从金属—绝缘体—半导体（MIS）到P-N结，双异质（DH）结，单量子阱（SQW)结构和多量子阱（MQW）结构的发展过程。
美国的Gree公司对上述结构进行改进，用导电的SiC衬底代替绝缘的蓝宝石衬底，
得到的蓝光LED输出功率也可达1.4mW，

用GaN基制造LED的量子阱结构的器件有广阔的发展前景。单量子阱结构的LED比异质结构的同类器件有更高的输出功率和更窄的发射谱带。如Nakamura等人，采用厚度为3纳米的InGaN的单量子阱结构，获得了较好性能的超紫外光、紫光、蓝光、绿光和黄光。在20mA注入电流下，发光强度为2.5cd。通过改变热阱层InGaN中铟的摩尔数，还可获得高效率超亮度的绿色GaN　LED，从而填补了没有高亮度绿色LED的空白。由于人眼对绿色的高敏感性，其对应的光亮度可达12cd，这比目前市售的GaP绿色LED（0.1cd）高出约100倍。目前日亚公司开始批量生产2cd和6cd的单量子阱GaN蓝色和绿色LED。这意味着蓝色发光LED进入了一个新的发展阶段。 ”
参见：
http://www.xminfo.net.cn/xmkj/2001/5/2001503.htm

InGaN的单量子阱结构是否还需要蓝宝石衬底滤光就不知道了，
不过既然它能“获得了较好性能的超紫外光、紫光、蓝光、绿光和黄光”，
可能已经不需要了？不太清楚，还请多指点，

ab209 · 发表于 2003-4-15 00:35:00

呵呵，MOCVD是金属氧化物化学气相沉积。不过对于电致发光的原理可以这样理解：有一份能量，只不过由电转化成光，而光的波长取决与材料的禁带宽度，只要调整禁带的宽度，光的颜色就可以调整。对于一种材料，取得好的结果，和具有较高的实用价值是有区别的。所以现在这个方向比较热。

土豆 · 发表于 2003-4-15 09:34:00

能带理论确实有一定的道理和实验基础，
不过我觉得其中似乎也存在一点疑问，
比如按说导带的电子要有“空穴”（P型区）可入，
才有介带能量可言？
所以在P-N型发光二极管中总是在P型区发光的？

但是现在的有机薄膜发光器件就不同了，
发光区是在有机薄膜区吧？
空穴区似乎只起到一个“异质结阳极”加速的作用：

“图6是LEP器件的结构图。如图所示，
LEP器件由阳极（通常是镀覆了透明导电膜的玻璃或塑料衬底）、
聚合物空穴导电层、共轭聚合物电致发光层和反射阴极组成。”
http://www.chip-china.com/1006.php?sid=836

这样，空穴就不再是P型区特有的了，
当然也可以说是在[有机区]“正电荷和负电荷再结合而发光”，
这里的“正电荷”大概就是“广义空穴”了吧？
不过聚合物能否象导体或半导体那样外层电子逃脱---参与导电，
恐怕还是个问题？聚合物毕竟是绝缘体吧？会产生“广义空穴”（正离子）吗？
只是由于其厚度很薄（“有机电致发光膜”），
又有与P型区结合处的空穴近距离吸引，
电子才得以穿越“聚合物区”？
在穿越过程中，就可以与含氢H的有机分子充分碰撞，于是可以容易的发出蓝光？

所以我觉得随着有机发光二极管的出现，
能带理论恐怕要做出一些必要的修正了？
我比较倾向于用经典理论作出的解释，
一些专业书籍上也说，在实际的实验中，
用经典理论得出的结果往往更接近实际的实验结果？
不知是否果真如此？还请指点，

ab209 · 发表于 2003-4-16 04:35:00

关于OLED研制方面的文章鄙人读的不多，对于聚合物的发光机制也不大了解，我觉得是不是有点象荧光发光？文章中既然说是“聚合物空穴导电层”那么从字面上理解该层应该不是完全绝缘的，应该是以空穴为主的导电层，那么它与半导体中的P型层的特点是一致的。至于能带理论只是针对半导体而言，在我们的工作中，能带理论很好的解释了设计与实验结果，所以修正是不大必要了，只不过有可能需要另外一种发光机制的解释倒是真的。

土豆 · 发表于 2003-4-16 23:18:00

我说地绝缘层是“共轭聚合物电致发光层”（“有机电致发光膜”），
下一层才是聚合物P型区，但并不是在P型区内发光的，
这似乎就与能带理论有些不同了？

你说的“另外一种发光机制的解释”能大概的介绍一点吗？
或许我们的看法有相似之处？希望能多交流、指点，
用邮件也可以：
yanghx@19.cn

另外，是否有人知道半导体材料能否被强磁场磁化？
我是想如果被磁化后的原子如果取向相同，
就意味着很多“扁平原子”的整齐排列，
那么电子发光就被限制在一个近似圆平面内（或椭圆平面内），
这样半导体发光就会具有一定方向性了---平面方向性，发光效率更高？
这对半导体激光也很有意义，显然可以增加激光的效率和功率，
气体激光器就难说了，气体好象一般很难被磁化？

还有一点值得注意，就是气体激光不是偏振光（或者说偏振度极小），
但是半导体激光则具有很大的偏振度（用偏振膜对着激光旋转一下就知道了），
这说明偏振是发光原子的有序排列产生的效果，
由此可知，如果我们把光“切”细到原子直径的量极（0.5-1nm），
这束光的偏振度就很高了，如果要作成全息光栅，至少要达到100万槽/mm，
而现在的全息光栅也只是1200-6000槽/mm，最高的也只16000槽/mm，
还差着大约1-2个数量级，现在的电子束最细可以到1nm，
那么似乎做出100万槽/mm的全息光栅也还是有希望的？
这样偏振与衍射的关系就越来越清楚了？

请问发光机制