自由激子和束缚激子
自由激子与束缚激子的复合发光PL
AC
1.6K
Eg
PLE&PL: Eg , EbA,
发4
PLE
EbB, EbC
PL
光
强3
PR
度
2
1
PLE-PL激发谱
PR-光反射谱
3.40 3.45 3.50 3.55(eV)
A: 3.472 eV ，9V - 7C, B: 3.48150.001 eV, 7V - 7C C : 3.493 eV，7V - 7C , (n=2)
束缚激子为D0X ❖ 激子结合能与束缚能
EF bEEgEFE 3.5043.4840.02eV
ED bXEgE F bEED X 3.5040.0203.4760.008
EA bXEgE F bEEA X 3.5040.0203.4590.025
Haynes经验规则：束缚激子的束缚 能与相应杂质离化能之比为常数
GaN: a=0.215
可编辑版
6
ZnO薄膜激子自发辐射与受激辐射
Bagnall et al.， Appl. Phys. Lett., Vol. 70, No. 17, 2231 （1997）
❖受激辐射的判据
➢超线性激发强度关系 ➢ 粒子数反转 ➢谱线窄化 ➢相干性
The room-temperature dependence of integrated output intensity on excitation intensity.
(a) (b)
GaN的(a)低温下激子发光和(b) 室温下带边紫外发光
可编辑版
4
束缚激子的复合，PL谱
❖束缚激子 EexEgEbEB bX ❖种类
➢束缚于中性施主D0X ➢束缚于中性受主A0X ➢束缚于离化施主D+X ➢束缚于离化受主A-X ➢束缚于等电子陷阱
《氮化物半导体量子点中的束缚极化子、激子及应变效应》范文
《氮化物半导体量子点中的束缚极化子、激子及应变效应》篇一一、引言随着科技的快速发展，半导体材料及其在电子和光电子器件中的应用已经成为当今科技进步的关键领域。
其中，氮化物半导体因其独特的光电性能在光电子器件、纳米电子器件等领域具有广泛的应用前景。
近年来，氮化物半导体量子点因其尺寸小、量子效应显著等特点，在光电器件中展现出独特的性能。
本文将重点探讨氮化物半导体量子点中的束缚极化子、激子以及应变效应的特性和影响。
二、氮化物半导体量子点中的束缚极化子束缚极化子是氮化物半导体量子点中一种重要的电子激发态。
在量子点中，由于尺寸效应和量子限域效应，电子和空穴的波函数发生明显的变化，形成束缚态。
这种束缚态的电子和空穴由于库仑相互作用而形成极化子。
束缚极化子的存在对氮化物半导体量子点的光学性质和电学性质具有重要影响。
首先，束缚极化子能够影响氮化物半导体量子点的能级结构。
由于电子和空穴的相互作用，量子点的能级发生分裂，形成一系列分立的能级。
这些能级的存在使得量子点具有独特的光学吸收和发射特性。
其次，束缚极化子还对氮化物半导体量子点的光电转换效率产生影响。
由于极化子的存在，量子点中的光生载流子更容易被分离和传输，从而提高光电转换效率。
三、氮化物半导体量子点中的激子激子是氮化物半导体量子点中另一种重要的电子激发态。
当光子能量大于半导体材料的带隙时，光子被吸收并激发出电子和空穴对，形成激子。
激子的存在对氮化物半导体量子点的发光性能具有重要影响。
首先，激子能够影响氮化物半导体量子点的发光颜色。
由于激子的能级与量子点的能级相匹配，激子的复合发光可以产生特定颜色的光。
通过调节激子的能级和数量，可以实现对氮化物半导体量子点发光颜色的调控。
其次，激子还对氮化物半导体量子点的发光效率产生影响。
激子的复合发光是发光效率的主要来源，因此激子的数量和寿命直接影响到量子点的发光效率。
通过优化激子的产生和复合过程，可以提高氮化物半导体量子点的发光效率。
自由激子和束缚激子
束缚激子在半导体发光中有非常重要的地位.在间接带半导体材料中,由于动量选择定则的限 制,材料的发光通常是很弱的,但如果存在束缚激子,其波函数在空间上是局域化的,因而发光跃迁的 动量选择定则大大放松,无须声子参与就可能具有很大的发光跃迁几率.这样,间接带材料的发光效 率将大大增强。
激子是由库仑作用结合在一起的电子空穴对,其稳定性取决于温度、电场、载流子浓度等因素. 当样品温度较高时,激子谱线由于声子散射等原因而变宽.而当 KbT(k 是玻尔兹曼常数)值接近或大
于激子电离能时,激子会因热激发而发生分解.所以,在许多半导体材料中,只有低温下才能观测到清 晰的激子发光,而当温度升高后,激子谱线会展宽,激子发光强度降低,以至发生淬灭.另外,在电场的 作用下,电子和空穴分别向相反方向运动,因而当半导体处于电场作用下时,激子效应也将减弱,甚至 由于电场离化而失效.而当样品中载流子浓度很大时,由于自由电荷对库仑场的屏蔽作用,激子也可 能分解.这些影响激子稳定性的物理因素在光电器件应用中,可以作为对激子效应和相关的光学性 质进行可控调制的有效手段.但对发光和激光器件来说,特别是对一些需要在室温下大浓度注入条 件工作的器件来说,将产生一些不利的影响,使激子效应的应用受到限制. 总的来说,当激子束缚能较大时,激子相对比较稳定.如在宽禁带半导体材料(如Ⅱ-Ⅵ族化合物材料和 氮化物)以及下面要更详细讨论的半导体量子阱等低维结构中,激子束缚能一般比较大,即使在室温 下,激子束缚能也比 KbT 大许多,吸收光谱中能看到明显的激子吸收,激子效应不易淬灭,甚至已实现 了以激子复合效应为主的激光器件.
激子效应
激子效应对半导体中的物理过程和光学性质具有重要的影响.激子的吸收和复合直接影响半导体的光吸收和发光,而且,作为固体中的一种元激发,其状态与母体材料的电子能带性质和外场的作用紧密相关.此外,自由激子在半导体中可以受到杂质或缺陷中心在空间上的束缚,形成所谓的束缚激子。
其吸收谱线能量位置略低于自由激子的吸收谱线.激子在电中性缺陷上的束缚过程大致可分为两种,它可以是一个自由激子整体地受到缺陷中心的束缚,也可以是一个电荷(电子或空穴)首先被缺陷的近程势所束缚,使缺陷中心荷电,然后再通过库仑互作用(远程势)束缚一个电荷相反的空穴或电子,形成束缚激子.束缚激子在半导体发光中有非常重要的地位.在间接带半导体材料中,由于动量选择定则的限制,材料的发光通常是很弱的,但如果存在束缚激子,其波函数在空间上是局域化的,因而发光跃迁的动量选择定则大大放松,无须声子参与就可能具有很大的发光跃迁几率.这样,间接带材料的发光效率将大大增强。
例如,在间接带Ⅲ-Ⅴ族半导体材料磷化镓(GaP)中,通过掺入Ⅴ族氮原子(或同时掺入能形成施主受主对的锌和氧),发光就可大大增强,其原因就是因为氮在晶格中代替磷位,是一种电中性的替位式等电子杂质.这种杂质中心由于其电负性与主晶格原子不同,原子尺寸不同等原因,在晶格中会产生作用距离较短的近程势,并使激子束缚在其位置附近形成束缚激子.实验上,在掺氮的GaP中已观测到单个氮原子以及成对氮原子所引起的很强的束缚激子发光.现在,这类掺杂方法已成为制造GaP和GaAsP等可见光发光二极管的基本工艺.激子是由库仑作用结合在一起的电子空穴对,其稳定性取决于温度、电场、载流子浓度等因素.当样品温度较高时,激子谱线由于声子散射等原因而变宽.而当kT(k是玻尔兹曼常数)值接近或大于激子电离能时,激子会因热激发而发生分解.所以,在许多半导体材料中,只有低温下才能观测到清晰的激子发光,而当温度升高后,激子谱线会展宽,激子发光强度降低,以至发生淬灭.另外,在电场的作用下,电子和空穴分别向相反方向运动,因而当半导体处于电场作用下时,激子效应也将减弱,甚至由于电场离化而失效.而当样品中载流子浓度很大时,由于自由电荷对库仑场的屏蔽作用,激子也可能分解.这些影响激子稳定性的物理因素在光电器件应用中,可以作为对激子效应和相关的光学性质进行可控调制的有效手段.但对发光和激光器件来说,特别是对一些需要在室温下大浓度注入条件工作的器件来说,将产生一些不利的影响,使激子效应的应用受到限制.总的来说,当激子束缚能较大时,激子相对比较稳定.如在宽禁带半导体材料(如Ⅱ-Ⅵ族化合物材料和氮化物)以及下面要更详细讨论的半导体量子阱等低维结构中,激子束缚能一般比较大,即使在室温下,激子束缚能也比kT大许多,吸收光谱中能看到明显的激子吸收,激子效应不易淬灭,甚至已实现了以激子复合效应为主的激光器件.。
激子的名词解释
激子的名词解释一、引言在物理学中，我们经常会听到关于微观粒子的各种名词，如原子、电子、质子等等。
但是，在这些粒子之外，还有一类被称为"激子"的粒子，对于非专业人士来说，这个名词可能不太熟悉。
本文将对激子进行解释，并讨论其在物理学中的重要性。
二、激子的定义激子是指由电子与空穴之间的相互作用所形成的新的从属粒子。
为了更好地理解激子，我们首先需要了解电子和空穴。
电子是带有负电荷的基本粒子，它在原子中存在，参与着化学反应和电子传导等过程。
而空穴则是电子缺失而形成的，具有正电荷。
电子和空穴常常在半导体材料中生成和消失。
当电子和空穴在半导体中结合时，就会产生激子。
激子可以看作是电子-空穴对的量子态，类似于"电子-空穴偶"。
它们通过库伦相互作用在空间中结合，形成一个固有的结构。
三、激子的分类根据激子的特性，我们可以将其分为两类：束缚激子和自由激子。
束缚激子是指在半导体晶格中形成的激子，其电子和空穴被束缚于晶格中的特定位置。
束缚激子具有较小的有效质量，能量差较小，因此在光谱中表现出来的是窄线宽。
这种激子的形成条件较为特殊，需要考虑到晶格结构和材料性质等因素。
自由激子则是摆脱束缚的电子和空穴在半导体中自由移动时形成的激子。
自由激子具有更大的有效质量和较大的能量差，因此在光谱中表现为较宽的谱线。
它们的形成条件相对较为宽松，适用于各种半导体材料。
四、激子的性质激子是一种准粒子，具有一些与粒子类似的性质。
首先，激子有自己的能级结构。
电子和空穴在固定的能量范围内结合形成激子，并且不同能级的激子之间存在能级跃迁。
其次，激子还具有电荷和能量的守恒特性。
激子凭借电子和空穴的结合，具有电荷和能量的双重特性。
最后，激子与外界的相互作用也引发了广泛的研究兴趣。
例如，激子可以通过光与半导体材料发生相互作用，从而产生激子-光子相互作用效应。
这种效应在激子激光器等光学器件中得到了广泛应用。
五、激子在科学和技术中的应用激子作为一种新型粒子，对于物理学和材料科学具有重要意义。
半导体物理学名词解释 2
半导体物理学名词解释1、直接复合：电子在导带与价带间直接跃迁而引起非平衡载流子的复合。
2、间接复合：指的是非平衡载流子通过复合中心的复合。
3、俄歇复合：载流子从高能级向低能级跃迁发生电子-空穴复合时，把多余的能量传给另一个载流子，使这个载流子被激发到能量更高的能级上去，当它重新跃迁回到低能级时，多余的能量常以声子的形式放出，这种复合称为俄歇复合，显然这是一种非辐射复合。
4、施主杂质：V族杂质在硅、锗中电离时，能够施放电子而产生导电电子并形成正电中心，称它们为施主杂质或n型杂质。
5、受主杂质：Ⅲ族杂质在硅、锗中能够接受电子而产生导电空穴，并形成负点中心，所以称它们为受主杂质或p型杂质。
6、多数载流子：半导体材料中有电子和空穴两种载流子。
在N 型半导体中,电子是多数载流子, 空穴是少数载流子。
在P型半导体中,空穴是多数载流子,电子是少数载流子。
7、能谷间散射：8、本征半导体：本征半导体就是没有杂质和缺陷的半导体。
9、准费米能级：半导体中的非平衡载流子，可以认为它们都处于准平衡状态（即导带所有的电子和价带所有的空穴分别处于准平衡状态）。
对于处于准平衡状态的非平衡载流子，可以近似地引入与Fermi能级相类似的物理量——准Fermi能级来分析其统计分布；当然，采用准Fermi能级这个概念，是一种近似，但确是一种较好的近似。
基于这种近似，对于导带中的非平衡电子，即可引入电子的准Fermi能级；对于价带中的非平衡空穴，即可引入空穴的准Fermi能级。
10、禁带：能带结构中能态密度为零的能量区间。
11、价带：半导体或绝缘体中，在绝对零度下能被电子沾满的最高能带。
12、导带：导带是自由电子形成的能量空间，即固体结构内自由运动的电子所具有的能量范围。
13、束缚激子：等电子陷阱俘获载流子后成为带电中心，这一中心由于库仑作用又能俘获另一种带电符号相反的载流子从而成为定域激子，称为束缚激子。
14、浅能级杂质：在半导体中、其价电子受到束缚较弱的那些杂质原子，往往就是能够提供载流子（电子或空穴）的施主、受主杂质，它们在半导体中形成的能级都比较靠近价带顶或导带底，因此称其为浅能级杂质。
自由激子与束缚激子的复合发光-PL
ZnSe晶体 晶体10K下自由和束缚激子的发 晶体 下自由和束缚激子的发 材料系用MOVPE (metal organic 光。材料系用 vapor phase epitaxy)方法，原材料为 方法， 方法 二甲基锌（ 二甲基锌（DMZn）和二甲基硒，上 ）和二甲基硒， 普通DMZn ；下图：纯化 DMZn 下图： 图：普通
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激子光谱分析
带隙E 带隙 g L EbFE = R* = E g E FE 自由激子结合能 L EbBX = E g R * E BX 束缚激子结合能 杂质能激级E 见下文） 杂质能激级 D, EA (见下文） 见下文
9
束缚激子的双电子跃迁(DBE) 束缚激子的双电子跃迁
束缚激子的电子与空穴复合所释放的能量一部分用于发光， 束缚激子的电子与空穴复合所释放的能量一部分用于发光， 另一部分用于对中性施主中另一电子的激发， 另一部分用于对中性施主中另一电子的激发，该过程被称 为束缚激子的双电子跃迁
4.4 自由激子与束缚激子的复合发光 自由激子与束缚激子的复合发光-PL
自由激子（ ） 自由激子（FE）复合
直接与间接复合 声子伴线
h 2 K ex 2 m* Eex = E g E1 + 13.6(eV ) ≈ Eg * * 2 2( me + mh ) mε K ex ≈ ± ∑ qn , n = 1, 2, ..., N
自由激子发射与带边发射PL谱 自由激子发射与带边发射 谱
自由激子PL谱 谱线，精细结构；材料纯度高， 自由激子 谱：谱线，精细结构；材料纯度高，结晶质量好 带边发射：谱带，无精细结构；升温，掺杂，改变维度 带边发射：谱带，无精细结构；升温，掺杂，
(a) (b)
GaN的(a)低温下激子发光和 的 低温下激子发光和 低温下激子发光和(b) 室温下带边紫外发光
ZnO发光机理
氧化锌的能带隙和激子束缚能较大，透明度高，有优异的常温发光性能，在半导体领域的液晶显示器、薄膜晶体管、发光二极管等产品中均有应用。
此外，微颗粒的氧化锌作为一种纳米材料也开始在相关领域发挥作用。
在纯净的ZnO薄膜材料中，电子和空穴能形成激子，激子的束缚能约为60 meV，激子的复合能发射出窄的谱线。
激子复合发光包括自由激子复合发光、束缚激子发光、激子-激子碰撞发光，还有声子参与的激子发光以及电子-空穴等离子体复合受激发光等情况。
2.带间跃迁发光在非平衡状态下，导带的电子跃迁到价带和和价带的空穴复合产生带间跃迁发光。
由于氧化锌材料室温下的禁带宽度高达 3.37 eV，其带间跃迁引起的发光波长都在375 nm以下，处在紫外光波段上。
ZnO是直接带隙半导体，具有相同k值的电子态之间的跃迁，其动量守恒，因此其发光效率比间接带隙半导体要高。
3.能带与缺陷能级之间的电子跃迁发光。
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激子在电中性缺陷上的束缚过程大致可分为两种,它可以是一个自由激子整体地受到缺陷中心 的束缚,也可以是一个电荷(电子或空穴) 首先被缺陷的近程势所束缚,使缺陷中心荷电,然后再通过 库仑互作用(远程势)束缚一个电荷相反的空穴或电子,形成束缚激子.
束缚激子在半导体发光中有非常重要的地位.在间接带半导体材料中,由于动量选择定则的限 制,材料的发光通常是很弱的,但如果存在束缚激子,其波函数在空间上是局域化的,因而发光跃迁的 动量选择定则大大放松,无须声子参与就可能具有很大的发光跃迁几率.这样,间接带材料的发光效 率将大大增强。
激子束缚能大，说明自由激子容易和杂志结合形成发光中心。激子效应对半导体中的光吸收、 发光、激射和光学非线性作用等物理过程具有重要影响，并在半导体光电子器件的研究和开发中 得到了重要的应用。与半导体体材料相比，在量子化的低维电子结构中，激子的束缚能要大得多， 激子效应增强，而且在较高温度或在电场作用下更稳定。
与氢原子一样,激子也具有相应的基态和激发态,但其能量状态与固体中的介电效应和电子空 穴的有效质量有关.实际上,固体中的激子态可用类氢模型加以描述,并按此模型很好地估算出激子 在带边下方分立能级的能态和电离能。
总的来说,宽禁带的半导体材料,激子束缚能较大,而激子玻尔半径则比较小.而禁带较窄的材料, 其激子电离能较小,激子玻尔半径则较大。
激子是由库仑作用结合在一起的电子空穴对,其稳定性取决于温度、电场、载流子浓度等因素. 当样品温度较高时,激子谱线由于声子散射等原因而变宽.而当 KbT(k 是玻尔兹曼常数)值接近或大
于激子电离能时,激子会因热激发而发生分解.所以,在许多半导体材料中,只有低温下才能观测到清 晰的激子发光,而当温度升高后,激子谱线会展宽,激子发光强度降低,以至发生淬灭.另外,在电场的 作用下,电子和空穴分别向相反方向运动,因而当半导体处于电场作用下时,激子效应也将减弱,甚至 由于电场离化而失效.而当样品中载流子浓度很大时,由于自由电荷对库仑场的屏蔽作用,激子也可 能分解.这些影响激子稳定性的物理因素在光电器件应用中,可以作为对激子效应和相关的光学性 质进行可控调制的有效手段.但对发光和激光器件来说,特别是对一些需要在室温下大浓度注入条 件工作的器件来说,将产生一些不利的影响,使激子效应的应用受到限制. 总的来说,当激子束缚能较大时,激子相对比较稳定.如在宽禁带半导体材料(如Ⅱ-Ⅵ族化合物材料和 氮化物)以及下面要更详细讨论的半导体量子阱等低维结构中,激子束缚能一般比较大,即使在室温 下,激子束缚能也比 KbT 大许多,吸收光谱中能看到明显的激子吸收,激子效应不易淬灭,甚至已实现 了以激子复合效应为主的激光器件.
激子详解
激子是固体中的一种基本的元激发，是由库仑互作用互相束缚着的电子-空穴对。半导体吸收 一个光子之后，电子由价带跃迁至导带，但是电子由于库仑作用仍然和价带中的空穴联系在一起。
激子对描述半导体的光学特性有重要意义；Free Exciton 自由激子束缚在杂质上---施主，受主， 深能级杂质形成束缚激子(Tight Bond Exciton)。
在一些发光二极管和特殊发光器件的实际应用中,激子发光是一种重要的发光机制,特别是在 一些间接带半导体材料和低维结构半导体材料制成的发光二极管中,激子发光跃迁被证明往往起着 极管.众所周知,氮化物及其合金中 一般缺陷浓度是很大的,但发光效率却很高,原因是受到局域化的激子有很高的复合几率,使得载流 子在到达非辐射复合中心之前,就通过激子复合对发光作出贡献.人们认为, InGaN/GaN 量子阱之所 以发光效率很高,与 InGaN 中存在着组分分凝,甚至形成了量子点,激子发光得到加强有关。
在半导体吸收光谱中,本征的带间吸收过程是指半导体吸收一个光子后,在导带和价带同时产 生一对自由的电子和空穴.但实际上除了在吸收带边以上产生连续谱吸收区以外,还可以观测到存 在着分立的吸收谱线,这些谱线是由激子吸收引起的,其能谱结构与氢原子的吸收谱线非常类似.
激子谱线的产生是由于当固体吸收光子时,电子虽已从价带激发到导带,但仍因库仑作用而和 价带中留下的空穴联系在一起,形成了激子态. 自由激子作为一个整体可以在半导体中运动.这种因静电库仑作用而束缚在一起的电子空穴对是一 种电中性的、非导电性的电子激发态.
例如,在间接带Ⅲ-Ⅴ族半导体材料磷化镓(GaP)中,通过掺入Ⅴ族氮原子(或同时掺入能形成施 主受主对的锌和氧),发光就可大大增强,其原因就是因为氮在晶格中代替磷位,是一种电中性的替位 式等电子杂质.这种杂质中心由于其电负性与主晶格原子不同,原子尺寸不同等原因,在晶格中会产 生作用距离较短的近程势,并使激子束缚在其位置附近形成束缚激子.实验上,在掺氮的 GaP 中已观 测到单个氮原子以及成对氮原子所引起的很强的束缚激子发光.现在,这类掺杂方法已成为制造 GaP 和 GaAsP 等可见光发光二极管的基本工艺.