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光致发光的原理和过程Light-induced luminescence, also known as photoluminescence, is a phenomenon where a material emits light after being exposed to an external light source. 光致发光，也称为光致发光，是一种物质在暴露于外部光源后发出光的现象。
This process occurs when the material absorbs photons from the external light source, which excites the electrons within the material to higher energy states. 这一过程发生在材料吸收外部光源的光子后，激发材料内的电子达到更高能级状态。
When these excited electrons return to their original, lower energy states, they release the excess energy in the form of light, causing the material to emit photons. 当这些激发的电子回到它们最初的低能级状态时，它们以光的形式释放多余的能量，导致材料发射出光子。
One of the key factors influencing the light-induced luminescence process is the band gap of the material. 影响光致发光过程的一个关键因素是材料的能隙。
The band gap is the energy difference between the valence band and the conduction band in a material, and it determines the type of light that a material can absorb and emit. 能隙是材料价带和导带之间的能量差，它决定了材料可以吸收和发射的光的类型。
当III族氮化物进入红外波段：新的性能和前景宽禁带半导体材料GaN和富镓组分的InGaN合金，其能带覆盖范围从蓝光到近紫外波段，是在固态照明和激光技术领域拥有很大优势的材料，因此，已很好地得到研究。
然而一直致力于InN和富铟组分的InGaN合金的努力都事半功倍，直到2002年的一个重大突破-铟的禁带宽度从1.9 eV减少至0.64 eV，这一突破源自于分子束外延技术大大提高了InN薄膜生长的质量。
这一发现使得窄禁带III族氮化物得到广泛的研究。
InN较低的禁带宽度为含有各种成分的InGaN 和InAlN合金的电子结构的描述提供了基础。
它在更宽的光谱区扩展了III族氮化物合金系的基本带宽，从1.9微米的近红外（铟的禁带宽度为0.64eV）到0.36微米（氮化镓的禁带宽度为3.4 eV）或者0.2微米的紫外线（氮化铝的禁带宽度为6.2eV）。
能带的连续范围现在已经扩展到近红外，提高了III族氮化物新的应用的可能性。
在这篇文章中，我们对InN和相关III族氮化物半导体的物理性能进行了详细审查。
在对InN能带的重新评估中我们将讨论电子结构，载流子动力学，光子跃迁，物理缺陷，掺杂的不同，表面效应以及声子结构。
然后，我们将描述基于InGaN合金新的电子器件和光电子器件发展的进展，前景以及所面临的挑战。
我们将对InN和InGaN的纳米结构和相应的InN和InGaN薄膜的表征和了解都进行审查。
第一章引言光电市场目前的规模达到200亿美元每年，预计很快在未来几十年内进一步扩大。
这很大程度上是由于经济增长和固态照明以及激光技术的提高。
20世纪90年代出现的铟镓氮作为有源层的高亮度的蓝光发光二极管促进了这一增长。
因此，在这一领域中，大量的研究集中在富镓组分的InGaN和GaAlN合金，其能带隙覆盖范围从蓝光到近紫外波段。
从那时起，迅速发展的固态照明技术给光电字学及光学领域带来了革命。
从图中可以看出，InGaN在该领域起主导作用，其带宽覆盖范围从蓝光到绿光（相应的波长为400到530nm或光子能量从3.1eV 到2.3 eV）。
光致发光发展史1.引言1.1 概述随着科技的不断发展，人类对于光的利用也越来越深入。
其中一项重要的技术就是光致发光技术。
光致发光是通过物质在受到光的激发后放射出可见光的现象。
这种现象在自然界中早已存在，比如夜光材料和一些生物体的荧光。
然而，人类将其利用并发展成一门重要的科学技术还是在相对较近的时间内。
在光致发光的历史背景下，光致发光材料的研究和应用逐渐成为科学研究的热点。
光致发光技术不仅为科学研究和实验提供了有力的工具，也为各个领域的应用带来了巨大的推动力。
比如，在照明领域，光致发光技术的应用使得我们可以制造更节能高效的照明灯具；在显示技术方面，光致发光材料的应用使得我们可以制造更薄、更柔性、更清晰的显示屏；在生物医药领域，光致发光材料的应用为光动力疗法、生物成像等提供了强有力的支持。
本文将系统地介绍光致发光的起源和发展。
首先，我们将回顾发光的历史背景，包括最早的人类利用光的方式以及发光材料的发现。
然后，我们将详细讲述光致发光的起源和相关物理机制的研究进展。
接着，我们将介绍目前光致发光技术的主要应用领域，并展望未来的发展方向。
最后，我们将对本文进行总结，并展望光致发光技术的发展前景。
通过本文的阐述，读者将能够全面了解光致发光技术的发展历程和应用前景。
同时，也可以更好地认识到光致发光技术在科学研究和工程应用中的重要性。
希望本文能够为读者带来新的思考和启发，并对光致发光技术的研究和应用产生积极的影响。
1.2 文章结构本文的结构主要包括以下几个部分：1. 引言：这一部分将会对本文的主题进行介绍，并概述文章的结构和目的。
2. 正文：这一部分将包括两个小节：2.1 发光的历史背景：本小节将会回顾发光技术的历史背景，介绍发光的不同方式和应用领域，以及在光电子学发展过程中的重要里程碑。
2.2 光致发光的起源和发展：本小节将会详细介绍光致发光技术的起源、发展过程和关键发现。
将从光致发光材料的发现、研究和改进、器件结构的优化及光致发光领域的应用等方面进行阐述。
光致发光的基本原理及应用意义1. 基本原理光致发光（Photoluminescence）是一种物质在光照射下产生并发射光的现象。
其基本原理可以归结为以下几点：•光激发：物质受到光的激发，电子从低能级跃迁到高能级，吸收光能并处于激发态。
•衰减：被激发的电子在激发态停留的时间很短，一般为纳秒级别，随即跃迁回到低能级，释放能量。
•发射：能量释放时，电子跃迁会产生辐射，发射出光。
2. 应用意义光致发光在许多领域具有重要的应用意义，主要包括以下几个方面：2.1 光电器件光致发光技术被广泛应用于光电器件的研究与制造中。
比如，光致发光二极管（LED）利用电流驱动来产生光，其原理就是通过载流子在半导体材料中复合跃迁产生光致发光。
光致发光的原理也被应用于激光器、太阳能电池等光电器件的研究与制造中。
2.2 材料研究光致发光被广泛应用于材料研究中的光学材料表征。
通过测量材料的发光光谱，可以了解材料的能带结构、能带宽度等信息。
这对于材料的性能评估和优化具有重要意义。
例如，在荧光材料研究中，光致发光用于评估材料的荧光效率、发光寿命等关键参数。
2.3 生物医学应用光致发光技术在生物医学领域有着广泛的应用。
通过将光敏剂注射到体内，然后利用光激发敏感区域产生荧光，可以进行细胞、组织和器官的成像。
这对于疾病的诊断与治疗具有重要意义。
此外，光致发光还被应用于光动力疗法、光学成像等领域。
2.4 安全与防伪光致发光技术在安全与防伪领域有着广泛的应用。
在防伪标签和证件制造上，通过添加荧光材料可以产生特殊的发光效果，使得伪造难度增加。
另外，通过利用光致发光材料的特殊光谱特性，可以对商品和证件进行真伪鉴别。
3. 总结光致发光作为一种重要的光学现象，其基本原理和应用意义值得深入研究和探索。
在光电器件、材料研究、生物医学应用和安全防伪等领域，光致发光技术已经得到广泛应用并取得了显著的成果。
随着技术的不断进步和创新，相信光致发光技术将在更多领域发挥出重要的作用。
光致发光原理及特点光致发光所属现代词，指的是用光激发发光体引起的发光现象。
它大致经过吸收、能量传递及光发射三个主要阶段。
光致发光原理：用光激发发光体引起的发光现象。
它大致经过吸收、能量传递及光发射三个主要阶段。
光的吸收及发射都发生于能级之间的跃迁，都经过激发态。
而能量传递则是由于激发态的运动。
激发态的分布按能量的高低可以分为三个区域。
低于禁带宽度的激发态主要是分立中心的激发态。
关于这些激发态能谱项及其性质的研究，涉及到杂质中心与点阵的相互作用，可利用晶体场理论进行分析。
随着这一相互作用的加强，吸收及发射谱带都由窄变宽，温度效应也由弱变强，特别是猝灭现象变强，使一部分激发能变为点阵振动。
在相互作用较强的情况下，激发态或基态都只能表示中心及点阵作为一个统一系统的状态。
通常用位形坐标曲线表示。
电子跃迁一般都在曲线的极小值附近发生。
但是，近年关于过热发光的研究，证明发光也可以从比较高的振动能级起始，这在分时光谱中可得到直观的图像，反映出参与跃迁的声子结构。
接近禁带宽度的激发态是比较丰富的，包括自由激子、束缚激子及施主-受主对等。
当激发密度很高时，还可出现激子分子，而在间接带隙半导体内甚至观察到电子－空穴液滴。
激子又可以和能量相近的光子耦合在一起，形成电磁激子(excitonicpolariton)。
束缚激子的发光是常见的现象，它在束缚能上的微小差异常被用来反映束缚中心的特征。
在有机分子晶体中，最低的电子激发态是三重激子态，而单态激子的能量几乎是三重态激子能量的两倍。
分子晶体中的分子由于近邻同类分子的存在，会出现两种效应：“红移”(约几百cm-1)及“达维多夫劈裂”。
这两种效应对单态的影响都大于对三重态的影响。
能量更高的激发态是导带中的电子，包括热载流子所处的状态。
后者是在能量较高的光学激发下。
载流子被激发到高出在导带（或价带）中热平衡态的情况，通常可用电子（或空穴）温度（不同于点阵温度）描述它们的分布。
半导体安全评价报告随着材料技术的不断发展，以III族氮化物为代表的第三代半导体村料在越来越多的领域有了应用，例如半导体照明、高速移动通信等诸多领域的研究有了越来越多的突破。
另外，以III族氮化物为代表的第三代半导体和其它领域的交叉学科也愈发给研究者们带来了更多的惊喜。
目前发展地如火如荼的新能源产业和科技电器，乃至当前的国防军工等领域，都能够见到越来越多的III族氮化物半导体的身影。
但整体上我国对于III族氮化物半导体的研究起步相对较晚，发展速度较慢。
本文正是在这样的背景下，通过对III族氮化物第三代半导体材料发展的分析梳理，提出相关的发展对策和建议，以期对我国的半导体产业发展有所裨益。
1 绪论半导体材料的不断发展及其应用，对我们的日常生方式产生了不可估量的影响。
以硅、铬为代表的第一代半导体材料的开发以及实用使得我们打开了半导体的大门，尤其是在计算机产业的发展过程中使得集成电路得以大规模的应用和发展。
但随着现代社会对于半导体材料性能的要求越来越高，从而引发了以GaAs以及InP为代表的第二代半导体开始逐渐凸显其作为半导体的性能优势，在新世纪前后引发了又一次的电子工业革命，随着相关技术的成熟人类开始进入了光纤通信以及高速宽带下的大数据信息化时代。
但随着智能时代的不断发展，尤其是现代科技对于半导体材料性能有了越发高的要求，由氮化铝、氮化镓等所代表的第三代半导体材料开始逐渐从实验室走向市场化的实践过程，而其在市场化过程中也越发显现其广阔的未来发展前景。
从它们所显现出的物流和化学特征来看，第三代半导体都是直接带隙半导体，能连续调节0.7-6.2eV带隙，同时它们都具有稳定的化学结构、抗辐射和耐腐蚀等等优良的物理和化学性能。
这些材料已经在实践中证明是发展光电器件的非常合适的新型材料。
可以预见的是，III族氮化物半导体在未来有着不可限量的发展前景。
2 III族氮化物材料简介Ⅲ族氮化物，主要包括BN、AN、GaN、InN、AlGaN、GanN、AlnN和AlGaInN等，经过对这些物质的物理和化学实验证明，它们都是宽带隙材料，其宽带隙能够覆盖的光波段较广，除了一般地能够覆盖可见光波段之外，这些特殊III族氮化物还能覆盖很少见到的紫外光谱。
InN的光致发光
与其他的Ⅲ族氮化物相比，InN具有最小的电子有效质量、最高的电子迁移率以及最高的饱和电子漂移速度。
随着In组分的改变，InGaN的光谱可以覆盖到整个可见光甚至红外区域，在光电子器件方面有着重要的应用。
但是由于InN 的生长缺乏晶格常数以及热膨胀系数都匹配的衬底材料，并且由于InN自身较低的分解温度以及生长过程中需要较高的的氮平衡蒸汽压，这使得InN的生长变得非常困难。
近年来随着生长技术以及生长方法的改进，利用分子束外延（MBE）以及金属有机化学气相淀积（MOCVD）已经可以制备得到高质量的InN薄膜。
Wang采用边界温度控制外延的MBE生长方法生长出迁移率为3280cm2·V-1·S-1，载流子浓度为1.47×1017cm-3的高质量的InN薄膜。
Miller等人证实了在Mg掺
杂的InN中，在某一掺杂浓度范围内材料内部会实现P型，但是表面依然是n 型，同时根据PL谱推算Mg的掺杂能级在价带之上约70meV.但是由于材料质
量的限制，目前对MOCVD制备的InN薄膜性质的研究还相对缺乏。
本文重点研究利用MOCVD制备的InN薄膜的光致发光(PL)特性，分析了PL谱与半导体带隙以及载流子浓度之间的关系，同时观察了温度对材料发光特性的影响。
实验
实验中InN薄膜是采用了Thomas Swan MOCVD生长系统，在α-Al2O3蓝宝石（0001）的衬底上进行的异质外延生长。
生长前首先通入NH3，在1150℃的条件下对衬底进行氮化，生长过程采用了两步法：首先在570℃的条件下生长GaN缓冲层，厚度大约为25nm，然后在605℃的条件下生长InN外延层，生长时间为2.5h，压强为300Torr，生长厚度大约为300nm.生长过程中分别采用三
甲基Ga（TMGa）、三甲基In（TMIn）和氨气（NH3）作为Ga、In以及N源按，载气采用氮气（N2）。
实验对InN进行了光致发光研究，采用了傅里叶变换红外光谱仪接收系统，激发光源为532nm的半导体激光器，探测器为工作于液氮温度下的InSb，其响应波段为1.1-5.4μm，变温过程温度测量采用的是小型铑铁电阻温度计，分辨率为0.1K。
结果与分析
理论模型：
图1给出本正与简并半导体的能带说明。
InN本身具有很高的背景电子浓度，费米能级在导带之上，是简并半导体。
从图中我们可以得到如下关系：
E PL(n)=E g(n)+E F(n)
其中E PL(n)为光激荧光光谱峰值能量，E g(n)为InN的带隙，E F(n)为费米能级。
同时由于能带重整效应所产生的带隙随载流子浓度的增加而减小的影响，我们可以看到：
E g(n)=E g-ΔE g(n)
其中E g为本征InN的带隙，当载流子浓度区趋近于零时，E g(n)趋近于E g。
ΔE g(n)
为能量带重整效应所产生的能带收
缩，n为载流子浓度。
实验结果与讨论
图2为13K下的InN光激荧光图
谱，红外为拟合值，在ℏω>E g(n)区
域内，可以采用拟合公式：
Iℏω∝[ℏω−E g(n)]γ/2f(ℏω-E g(n)-E F)
其中γ为与能量有关的参数，对于InN而言，2≤γ≤4，f为费米狄拉克函数。
拟合后我们可以得到E g(n)=0.67eV，这个值与文献中报道的InN的光学禁带宽度在0.65-0.8eV的结果一致。
同时我们可以得到另外两个参数：γ=3.1、
E F=0.11eV。
在各向同性条件下，E F与载流子浓度的关系式为：
E F=3.58（m0
m e )(n
10
)2/3meV
其中m
为自由电子质量，m e为有
效电子质量，并且m e=0.1m0，这样我
们就可以根据上式求出载流子浓度
n=5.4×1018cm-3。
通过以上办法，我们实现了在已知
InN的PL图谱的情况下求出该InN半导体材料的带隙以及费米能级的位置，并且根据相关公式求出了此载流子浓度，从而找到了PL图与载流子浓度之间的联系。
为了研究InN的光致发光随温
度的变化行为，我们测量了样品在
13-300K变温下的PL谱，如图3所
示。
从图中我们可以很明显的看出，
随着温度的升高，InN的带边发光峰
的强度不断减弱，为了更清楚地看出发光峰位置随温度的变化，图4给出了不同温度下发光峰的位置。
可以看出，随着温度的升高，带边发光峰逐渐红移，这种变化可以用下式来解释：
E g(T)=E g(0)−γT 2
T+β−σE2
KT
其中E g(0)为0K下光致发光峰，式中第二项是表现带隙随温度升高而收缩的Varshni项，第三项代表了局域化作用，σE为载流子的局域化能量。
通过拟合可以得到E g(0)=0.77eV，描述电子声子相互作用对能带影响的γ=0.14meV，德拜温β=864K，与已有文献中的报道值接近。
而拟合得到的σE很小，可以看出此样品中的载流子局域化作用并不明显。
值得注意的是，文献中提到InN的发光峰位随温度会有“S”形非单调变化，原因在于InN中随机分布的杂质和缺陷态会产生载流子局域态，在温度较低时，载流子被冻结在局域态的低能量位置，导带和价带带尾的局域态之间的跃迁在光致发光中占主导作用，随温度的升高，热化能量使载流子能够越过局域态势垒成为自由载流子，此时光致发光主要在导带和
价带顶之间进行。
同时温度升高带来的能带收缩效应也会对InN的光致发光峰位产生影响，故最终会表现为“S”形。
但在此我们并没有观察到文献中所提到的发光峰位随温度“S”形变化，这种现象与得到的很小的σE的结果也是符合的。
产生这种结果的原因可能是由于我们得到的光致发光光谱半高宽较宽，使得能量位置的红移以及蓝移变得不明显。
同时这种差异也可能与载流子浓度以及内建电场强度有关。
结论
本文研究了通过MOCVD制备的InN薄膜的光致发光特性。
基于InN本身很高的载流子浓度，利用他的能带结构关系以及相关公式拟合PL图谱，可以得到材料的带隙为0.67eV以及载流子浓度n=5.4×1018cm-3，从而找到了一种通过PL图谱求载流子浓度的方法。
同时通过测量变温条件下InN的PL图，发现随着温度升高强度逐渐降低，并且发光峰位置逐渐红移，这是由于随着温度的升高，带隙逐渐减小所造成的。
之所以没有出现文献中所提到的“S”形非单调变化，主要原因是因为实验中得到的光致发光光谱的半高宽太宽所致。
参考文献
[1]王健, 谢自力†, 张荣,等. InN的光致发光特性研究*[J]. 物理学报, 2013,
62(11):117802-117802.。
