皮秒激光调控SiC半导体发光性质研究

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碳化硅(SiC)作为第三代半导体的代表材料,具有禁带宽度大、热导率高和临界击穿电场高等特点,所制备的光电器件在高温、强辐射等极端、恶劣条件下有巨大的应用潜力。SiC同样也能应用于白光发光照明器件中,由于它具有宽禁带特点并且在可见光谱中拥有多个不同的辐射跃迁能级。然而,SiC的简介带隙不利于用于制造高效率的发光器件。不过,越来越多的研究专注于探索改变物质性质的方法,其中脉冲激光改性方法吸引了众多目光。  如今,LED正在取代大部分的传统光源,主要是由于LED的高效率、低能耗、长寿命和稳定性。但是,目前应用最多的氮化物LED的显色性较低(CRI<68),白光照明的色温较高(7400K);同时这种LED依赖于含有稀土元素的荧光粉,受制于稀土元素的储量以及淬灭特性。混合多种颜色LED芯片的照明器件能有效解决显色性问题,然而复杂的结构提升了制作成本。下一代的固体照明光源应该具有高效、高显色性、光谱可调、稳定以及易于集成等特点,因此越来越多研究者的目光投向了新的发光材料和器件结构。  本文提出了一种调控SiC表面发光性质的方法。在紫外光的激发下,改性的SiC表面具有肉眼可见的白光发光性质。本文中的主要实验手段是超短脉冲激光(10ps脉宽)在空气中辐照SiC表面。本文分析了激光与物质相互作用的过程,利用温度模拟预测激光辐照中产生的熔化、电离及氧化现象。通过多种测试表征手段,研究发现激光辐照作用下空气中的氧进入SiC中形成多种缺氧缺陷与富氧缺陷,这些缺陷可作为发光中心,通过激光参数控制缺陷的相对含量可实现对SiC表面发光性质的调控,并获得了与自然白光相近的白光发光样品。利用激光退火方法进一步讨论了样品中各种缺陷的性质,实验中发现缺氧缺陷与富氧缺陷的相对含量受到退火过程中环境氧气分压的影响。测试样品电学性质的实验中发现了富氧缺陷的p型载流性质,可以与n型的SiC基片形成p-n结。本研究的发现为新一代LED发光器件制作提供一条新的研究思路。
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