GaN的能带结构的能带结构 晶体场晶体场+自旋自旋轨道耦合价轨道耦合价带：带： EAB=6 meV, EBC=37meV, 激子结合能激子结合能 EAb= EBb =20 meV, Ecb=18meV1GaN自由激子自由激子(FE)的的PLE与与PL本征与轻本征与轻n-掺杂掺杂GaN低温下发光谱低温下发光谱PL 样品样品1-本征本征GaN: 激子线激子线 A-3.488eV; B-3.495, C-3.506eV; FWHM=3meV 样品样品2- n-轻掺杂轻掺杂: 只有带边发射宽带。只有带边发射宽带。A CPLEEg1.6KPR1234发发光光强强度度3.403.453.503.55(eV)PLE-PL激发谱激发谱PR-光反射谱光反射谱PLA: 3.472 eV ， 9V - 7C, B: 3.4815 0.001 eV, 7V - 7C C : 3.493 eV， 7V - 7C , (n=2)样品样品:本征本征GaN (Eg=3.504eV)厚膜厚膜PLE&PL: Eg , EbA, EbB, EbC2自由激子发射与带边发射自由激子发射与带边发射PL谱谱GaN的的(a)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室温下带边紫外发光v 自由激子自由激子PL谱：谱线，精细结构；材料纯度高，结晶质量好谱：谱线，精细结构；材料纯度高，结晶质量好v 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，改变维度(a)(b)3v束缚激子束缚激子v种类种类束缚于中性施主束缚于中性施主D0X束缚于中性受主束缚于中性受主A0X束缚于离化施主束缚于离化施主D+X束缚于离化受主束缚于离化受主A-X束缚于等电子陷阱束缚于等电子陷阱v特点特点 谱线窄化谱线窄化振子强度高振子强度高束缚能低，温度敏感束缚能低，温度敏感(低温低温)束缚激子的复合，束缚激子的复合，PL谱谱ZnSe晶体晶体10K下自由和束缚激子的发下自由和束缚激子的发光。材料系用光。材料系用MOVPE (metal organic vapor phase epitaxy)方法，原材料为方法，原材料为二甲基锌（二甲基锌（DMZn）和二甲基硒，上）和二甲基硒，上图：普通图：普通DMZn ；下图：纯化；下图：纯化 DMZn4束缚激子结合能束缚激子结合能v低温下，低温下，BX为主为主v升温，升温，BX快速下降快速下降v本征本征GaN为为n-型，型， 束缚激子为束缚激子为D0Xv激子结合能与束缚能激子结合能与束缚能Haynes经验规则：束缚激子的束缚经验规则：束缚激子的束缚能与相应杂质离化能之比为常数能与相应杂质离化能之比为常数GaN: a a=0.2155ZnO薄膜激子自发辐射与受激辐射薄膜激子自发辐射与受激辐射Normalized spectra taken at(A)low 66 kW cm-2, (B) intermediate 660 kW cm-2(C) high 1.32 MW cm-2 excitation levels. Intensitiesare plotted on a linear scale.!The room-temperature dependence of integrated output intensity onexcitation intensity.Bagnall et al.， Appl. Phys. Lett., Vol. 70, No. 17, 2231 （1997）v受激辐射的判据受激辐射的判据超线性激发强度关系超线性激发强度关系 粒子数反转粒子数反转谱线窄化谱线窄化相干性相干性6ZnO微晶激子自发辐射微晶激子自发辐射与受激辐射与受激辐射Room-temperature ultraviolet laser emission from self-assembled ZnOmicrocrystallite thin filmsZ. K. Tang,a) G. K. L. Wong, and P. YuKowloon, Hong Kong, M. Kawasaki, A. Ohtomo, and H. Koinuma, Y. SegawaAPPLIED PHYSICS LETTERS, VOLUME 72, NUMBER 25, (1998) 32707v激子光谱分析激子光谱分析带隙带隙Eg自由激子结合能自由激子结合能束缚激子结合能束缚激子结合能杂质能激级杂质能激级ED, EA (见下文）见下文）8Photoluminescence of GaN grown by molecular-beam epitaxy on a freestanding GaN template，M. A. Reshchikov,a) D. Huang, F. Yun, L. He, and H. Morkoc， D. C. Reynolds，S. S. Park and K. Y. Lee，APPLIED PHYSICS LETTERS VOLUME 79, 3779（ 2001）束缚激子的双电子跃迁束缚激子的双电子跃迁(DBE)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，该过程被称另一部分用于对中性施主中另一电子的激发，该过程被称为为束缚激子的双电子跃迁束缚激子的双电子跃迁9v束缚激子双电子跃迁：束缚激子双电子跃迁：束缚激子中的一个电子与空穴复合发光束缚激子中的一个电子与空穴复合发光同时激发杂质中的另一个电子同时激发杂质中的另一个电子(n=1n=2),等于杂质电离能等于杂质电离能ED的的3/4.v计算施主能级的电离能计算施主能级的电离能 采用杂质态的类氢模型采用杂质态的类氢模型Donner SiDonner O10