现代半导体器件物理与工艺
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现代半导体器件物理与工艺. Physics and Technology of Modern Semiconductor Devices. 光电器件. 2004,7,30. 本章内容. 辐射跃迁与光的吸收 发光二极管 半导体激光 光探测器 太阳能电池. 辐射跃迁和光的吸收. 辐射跃迁.

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光电器件

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现代半导体器件物理与工艺

Physics and Technology of Modern Semiconductor Devices

光电器件

2004,7,30


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本章内容

  • 辐射跃迁与光的吸收

  • 发光二极管

  • 半导体激光

  • 光探测器

  • 太阳能电池


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辐射跃迁和光的吸收

辐射跃迁

光子和固体内的电子之间有三种主要的相互作用过程:吸收、自发辐射、受激辐射。如图为在一个原于内的两个能级E1和E2,其中E1相当于基态,E2相当于激发态,则在此两能态之间的任何跃迁,都包含了光子的辐射或吸收,此光子的频率为ν12,而hν12=E2-E1。

室温下,固体内的大多数原子处于基态。此时若有一能量恰好等于hν12的光子撞击此系统,则原本处于基态的原子将会吸收光子的能量而跑到激发态。这一过程称为吸收过程。


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辐射跃迁和光的吸收

在激发态中的原子是很不稳定的,经过短暂的时间后,不需要外来的激发,它就会跳回基态,并放出一个能量为hν12的光子,这个过程即称为自发辐射[图(b)]。

当一能量为hν12的光子撞击一原本在激发态的原子时[图c],此原子被激发后,会转移到基态,并且放出一个与入射辐射同相位、能量为hν12的光子。这个过程即称为受激辐射。由受激辐射所造成的辐射是单色的,因为每一个光子具有的能量都是hν12。同时,此辐射也是相干的,因为所有的光子都是同相位发射。


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辐射跃迁和光的吸收

发光二极管的主要工作过程是自发辐射,激光二极管则是受激辐射,而光探测器和太阳能电池的工作过程则是吸收。

设能级E1和E2的电子分布分别是n1和n2。在热平衡的条件下,若(E2-E1)>3kT,根据玻尔兹曼分布

其中负指数表示在热平衡时n2小于n1,即大多数的电子是处于较低的能级。

在稳态时,受激辐射的速率(即单位时间内受激辐射跃迁的次数)和自发辐射的速率必须与吸收的速率达成平衡,以保持分布n1和n2不变。


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辐射跃迁和光的吸收

受激辐射速率正比于光子场能量密度ρ(hν12),此能量密度是在辐射场内单位体积、单位频率的总能量。因此,受激辐射速率可以写成B21n2ρ(hν12)。其中n2是较高能级的电子浓度,而B21则是比例常数。自发辐射速率只和较高能级的分布成正比,因此可以写成A21n2,其中A21是常数。吸收速率则是正比于较低能级的电子分布及ρ(hν12),此速率可以写成B12n1ρ(hν12),其中B12是比例常数。因此在稳态时

由 受激辐射速率十自发辐射速率=吸收速率

可见


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辐射跃迁和光的吸收

欲使受激辐射大于自发辐射,必须要有很大的光子场能量密度ρ(hν12)。为了达到这样的密度,可以用一光学共振腔来提高光子场。

假如光子的受激辐射大于光子的吸收,则电子在较高能级的浓度会大于在较低能级的浓度。这种情况称为分布反转,因其与平衡条件下的情况恰好相反。粒子数反转是激光产生的必要条件,有许多种方法可以得到很大的光子场能量密度以达到分布反转。受激辐射远比自发辐射和吸收来得重要。


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E

E

C

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E

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V

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辐射跃迁和光的吸收

光的吸收

如图显示的是半导体中的基本跃迁.当半导体被光照射后,如果光子的能量等于禁带宽度(即hν=Eg),则半导体会吸收光子而产生电子-空穴对,如(a)所示.若hν大于Eg,则除了会产生电子-空穴对之外,多余的能量(hν-Eg)将以热的形式耗散,如(b)所示。

以上(a)与(b)的过程皆称为本征跃迁,或称为能带至能带的跃迁。另一方面,若hν小于Eg,则只有在禁带中存在由化学杂质或物理缺陷所造成的能态时,光子才会被吸收,如(c)所示,这种过程称为非本征跃迁。一般而言,以上所述在因果倒置时也是正确。


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辐射跃迁和光的吸收

假设半导体被一光子hν能量大于Eg且光子通量为Φ0(即每秒每平方厘米所具有的光子数)的光源照射,当此光子通量进入半导体时,光子被吸收的比例是与通量的强度成正比。因此,在一增量距离Δx[图(a)]内,被吸收的光子数目为αΦ(x)Δx,其中α称为吸收系数,由光子通量的连续性可得

负号表示由于吸收作用,导致光于通量强度减少。代入边界条件,当x=0时,Φ(x)= Φ0可得上式的解为


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辐射跃迁和光的吸收

当x=W[图(b)]时,由半导体的另一端出射的光子通量为

吸收系数α是hν的函数。右下图为几种应用于光电器件的重要半导体的光吸收系数,其中以虚线表示的是非晶硅,它是制造太阳能电池的重要材料。在截止波长λc时,吸收系数会迅速地减小,亦即

因为光的本征吸收在hν<Eg或λ>λc时变得微不足道


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辐射跃迁和光的吸收

例1:一0.25μm厚的单晶硅样品被一能量为3eV的单色光照射,其入射功率为10mW。试求此半导体每秒所吸收的总能量、多余热能耗散到晶格的速率以及通过本征跃迁的复合作用每秒所放出的光子数。

解:根据资料图知单晶硅的吸收系数为4×104cm-1,则每秒所吸收的能量为

每一光子能量转换成热能的比例为

因此,每秒耗散到品格的能量为62.7%×6.3mW≈ 3.9mW.

又因为在1.12eV/光子时,复合辐射需要2.4mW(即6.3mW-3.9mW)的能量,所以每秒通过复合作用放出的光子数目为


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发光二极管

发光二极管(LED)是一种p-n结,它能在紫外光、可见光或红外光区域辐射自发辐射光。可见光LED被大量用于各种电子仪器设备与使用者之间的信息传送。而红外光IED则应用于光隔离及光纤通讯方面。

可见光发光二极管:

由于人眼只对光子能量hν等于或大于1.8eV(λ≤0.7μm)的光线感光,因此所选择的半导体,其禁带宽度必须大于此极限值。右图标示了几种半导体的禁带宽度值。


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发光二极管

下表列出了用来在

可见光与红外光谱

区产生光源的半导

体。

在所列出的半导体材料中,对于可见光LED而言,最重要的是GaAs1-yPy与GaxIn1-xN合金的Ⅲ-V族化合物系统。


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发光二极管

当有一个以上的第Ⅲ族元素均匀分散于第Ⅲ族元素的晶格位置,或有一个以上的第V族元素均匀分散于第V族元素的晶格位置,就形成了此Ⅲ-V族化合物合金。三元化合物常用的符号是AxB1-xC或AC1-yDy,而四元化合物则用AxB1-xCyD1-y表示,其中A和B为第Ⅲ族元素,C和D为第V族元素,而x和y是物质的量的比。

右图表示GaAs1-yPy的禁带宽度是物质的量的比y的函数。当0<y<0.45时,它属于直接禁带半导体,由y=0时的Eg=1.424eV,增加到y=0.45时的1.977eV。当y>0.45时,则属于间接禁带半导体。


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发光二极管

右图表示几种合金成分的能量-动量图。导带有两个极小值,一个沿着p=0的是直接极小值,另一个沿着p=pmax的是间接极小值。位于导带直接极小值的电子及位于价带顶部的空穴具有相同的动量(p=0);而位于导带间接极小值的电子及位于价带顶部的空穴则具有不同的动量。辐射跃迁机制大部分发生于直接禁带的半导体中,如砷化镓及GaAs1-yPy(y<0.45),因其可以保持动量守恒。光子能量等于半导体的禁带宽度。


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发光二极管

对于y大于0.45的GaAs1-yPy及磷化镓,它们都是间接禁带半导体,其发生辐射跃迁的几率非常小,因为晶格的交互作用或其他散射媒介必须参与过程以保持动量守恒。常常通过引进一些特殊的复合中心以增加辐射几率。如对GaAs1-yPy而言,将氮引入晶格取代磷原子后,虽然二者的外围电子结构很相似,但它们的核心结构却不太相同,因此会在接近导带底部的位置建立一个电子陷阱能级,进而产生了一个等电子复合中心,并大大地提高间接禁带半导体的辐射跃迁几率。


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1

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含氮

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6

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.

8

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1

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0

0

y

合金成分

发光二极管

右图表示GaAs1-yPy在含有或不含有等电子杂质氮时,量子效率(即每一电子-空穴对所产生的光子数目)与合金成分的关系。在不含氮时,量子效率在0.4<y<0.5的范围内会急剧地下降,因为禁带宽度在越过y等于0.45这点发生变化而从直接禁带转换到间接禁带。

含有氮的量子效率则显著地提高,但当y大于0.5时,量子效率随着y的增加而稳步地减小,因其直接禁带与间接禁带之间的距离加大了。


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发光二极管

下图是平面二极管架构的可见光LED的基本结构图。其中图(a)的截面图是以砷化镓为衬底制造的发红光的直接禁带LED。

图(b)则是以磷化镓为衬底制造的发橙、黄或绿光的间接禁带幂LED,用外延方法生长的缓变型GaAs1-yPy合金层用来使界面间因晶格不匹配所导致的非辐射性中心减至最小。


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p

p

型电极

型电极

Ni/Au

Ni/Au

p

p

光传输电极

光传输电极

型电极

型电极

p

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-

-

GaN

GaN

Ni/Au

Ni/Au

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Al

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Ga

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1

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未掺杂

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n

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GaN

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型电极

型电极

Ti/Al

Ti/Al

n

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-

-

AlN

AlN

蓝宝石衬底

蓝宝石衬底

发光二极管

至于高亮度的蓝光LED(0.455ym-0.492Pm)方面,已经被研究的材料有:Ⅱ-Ⅵ族化合物的硒化锌(ZnSe),Ⅲ-Ⅴ族氮化物半导体的氮化镓(GaN)、Ⅳ-IV族化合物的碳化硅(SiC).然而,Ⅱ-Ⅵ的寿命太短,以致至今尚不能商品化;碳化硅也因其为间接禁带,致使其发出的蓝光亮度太低,也不具吸引力。

目前最有希望的材料是氮化镓(Eg=3.44eV)和相关的Ⅲ-V族氮化物半导体,如AlGaInN,其直接禁带范围由1.95eV至6.2eV。


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p

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型电极

型电极

Ni/Au

Ni/Au

p

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光传输电极

光传输电极

型电极

型电极

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-

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GaN

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Ni/Au

Ni/Au

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GaN

GaN

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型电极

型电极

Ti/Al

Ti/Al

n

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AlN

AlN

蓝宝石衬底

蓝宝石衬底

发光二极管

虽然没有晶格相匹配的衬底可供GaN生长,但是低温生长的AlN做缓冲层,即可在蓝宝石(Al2O3)上生长高品质的GaN。右图即为生长在蓝宝石衬底上的Ⅲ-Ⅴ族氮化物LED。

因为蓝宝石衬底是绝缘体,所以p型与n型的欧姆接触都必须形成在上表面。蓝光产生于GaxIn1-xN区域的辐射性复合作用,而GaxIn1-xN如三明治般被夹于两个较大禁带宽度的半导体之间:一个是p型的AlxGa1-xN层,一个是n型的GaN层。


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发光二极管

有三种损耗机制会减少光子辐射的数量:①LED材料内的吸收作用;②当光通过半导体进入空气时,由于折射率的差异所引起的反射损失;③大于临界角θc的内部总反射损失。由斯涅耳定律有:

其中光线是从折射率为n2(如砷化镓在λ≈0.8μm时,n2=3.66)的介质进人到折射为n1(如空气n1=1)的介质.砷化稼的临界角约为16o;而磷化镓(在λ≈0.8μm,n2=3.45)的临界角约为17o。


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发光二极管

LED的正向电流-电压特性近似于砷化镓p-n结.在低正向偏压时,二极管的电流是以非辐射性的复合电流为主,它主要是由LED芯片周围的表面复合所引起。在高正向偏压时,二极管的电流则是以辐射性扩散电流为主。在更高的偏压时,二极管电流将被串联电阻所限制。二极管的总电流可以写成

其中Rs为器件的串联电阻,而Id及Ir则是分别由扩散及复合所引起的饱和电流。可见,为了增加LED的输出功率,必须减小Ir及Rs。


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发光二极管

LED的发射光谱近似于人眼反应曲线。光谱的宽度是以强度半峰值时的全宽度(FWHM,半高宽)为准。光谱宽度一般是随着λm2变化,其中λm是强度为峰值时的波长。

所以当波长由可见光进入红外光时,FWHM将会增大。例如,在λm=0.55μm(绿光)时FWHM大约为20nm,但在0.3μm(红外光)时,FWHM将超过120nm。


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发光二极管

可见光LED可用于全彩显示器、全彩指示器以及灯具而不失其高效率与高可靠性。下图为两种LED灯具的构造图。每一LED灯具包含一个LED芯片及一个着色的塑胶镜头作为滤光镜并增加其对比效果.

图(a)中的灯具是使用传统的二极管头座,而图(b)则显示了适用于透明性半导体(如磷化镓)的包装,它可通过LED芯片的五个面(四个在侧边,一个在顶部)发光。


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发光二极管

人们对于发展白光LED以供一般照明之用一直保持着极大兴趣,因为LED的效率是白炽灯泡的3倍,而且可以维持10倍长的寿命。白光LED需要红、绿、蓝三种颜色的LED。当这些颜色LED(尤其是蓝光LED)的成本能够降至与传统光源相当时,白光LED的广泛使用就可实现。

以上仅介绍由无机半导体材料(如GaAsP与GaN)所制造的器件。近年来,人们已着手研究某些有机半导体材料在电致发光上的应用。因为有机发光二极管(OLED)具有低功率消耗、优异的辐射品质与宽视角等特性,使它在大面积彩色平面显示器上特别有用。


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发光二极管

图(a)为两种典型的有机半导体材料的分子结构图。一个是含有六个苯环,连接至中心铝分子的AlQ3(羟基喹啉酸铝),另一个是同样含有六个苯环,但具有不同分子排列的芳香性二胺。

基本的OLED是在透明衬底(如玻璃)上淀积数层薄膜。从衬底的位置往上依次是:透明导电阳极、作为空穴输运层的二胺、作为电子输运层的AlQ3以及阴极接触,其截面图如图(b)所示。


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发光二极管

红外光发光二极管

红外光LED包括砷化镓LED(它发出的光接近0.9μm)与许多Ⅲ-V族化合物,如四元的GaxIn1-xAsyP1-y LED(它发出的光的波长1.1 μm ~1.6 μm)。红外光LED的一种重要应用是作为输入(或控制信号)与输出信号去耦之用的光隔离器。

右图所示为一光隔离器,红外光LED作为光源,光电二极管作为探测器。当输入信号送到LED时,LED会产生光线,被光电二极管探测到后转换成电信号,以电流的形式流过一负载电阻。因为从输出端无电性作用反馈到输入端,所以是电隔离的。


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发光二极管

红外光LED的另一个重要应用是在通信系统中通过光纤来输运光的信号。

右图表示一种简单的点对点光纤通信系统,利用一个光源(LED或激光)可将电的输入信号转变成光的信号。这些光的信号被导入光纤并输运到光探测器,然后再转换回电的信号。


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单片镜片

单片镜片

AR

AR

涂层

涂层

n

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-

-

接触

接触

m

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-

-

InP

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(~

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75

75

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衬底

衬底

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-

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(1.0

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m

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GaInAsP

GaInAsP

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)

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激活

激活

m

m

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-

-

InP

InP

(1.0

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m

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-

-

GaInAsP

GaInAsP

(0.1

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m)

SiO

SiO

2

2

Cr

Cr

Au

Au

p

p

-

-

接触

接触

Au

Au

Si

Si

散热器

散热器

发光二极管

下图所示为一种用于光纤通信的表面发射红外光GaInAsP LED。光线由表面的中央区域发出,并导入光纤内。

利用异质结(如GaInAsP-InP)可以提高效率,因为环绕在辐射性辐射区GaInAsP周围具有高约束的半导体InP会有约束载流子的作用。异质结亦可作为辐射线的光窗,因为高禁带宽度约束层不会吸收从低禁带宽度辐射区发出的辐射线。


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半导体激光

半导体激光和固态红宝石激光及氦氖气体激光很相似,它们都能发出方向性很强的单色光束。不同之处在于半导体激光较其他激光体积小(长度约只有0.1mm),而且在高频时易于调制,只需要调节偏电流即可。由于这些特性,所以半导体激光是光纤通信中最重要得光源之一。它可以应用于录像机,光学刻录机及高速激光打印机等。除此之外,它还广泛用于许多基础研究与技术领域,如高分辨率气体光谱学及大气污染监测等。

激光半导体材料

所有会发出激光的半导体材料都具有直接禁带,这是可以理解的。因为直接禁带半导体的动量守恒,因此有较高的辐射性跃迁几率。目前的激光波长涵盖范围可从0.3μm到超过30μm。砷化镓是最先被发现可发出激光的材料,故与它相关连的Ⅲ-V族化合物合金也受到了广泛的研究。


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半导体激光

最重要的三种Ⅲ-V族化合物合金系统是GaxIn1-xAsyP1-y、 GaxIn1-xAsySb1-y和AlxGa1-xAsySb1-y。下图所示为Ⅲ-V族二元,三元及四元化合物的禁带宽度与晶格常数的关系。

若要做出可忽略界面陷阱的异质结构,则必须使两种半导体材料的晶格能紧密地匹配在一起。如果使用GaAs(a=0.56533nm)作为衬底,则三元化合物AlxGa1-xAs的晶格不匹配会小于0.1%.同样的,若使用InP (a=0.58687nm)作为衬底,则四元化合物GaxIn1-xAsyP1-y也可以达到很完美的晶格匹配。


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半导体激光

图(a)表示三元化合物AlxGa1-xAs的禁带宽度是铝成分的函数。在x<0.45时,此合金为直接禁带半导体,超过此值后则变成间接禁带半导体。

图(b)显示折射率与铝成分的关系。当x=0.3时, AlxGa1-xAs的禁带宽度为1.789eV,它比GaAs大了0.365eV,而其折射率为3.385,比GaAs小了6%。这些都是在室温或高于室温的环境下,半导体激光作连续工作时的重要特性。


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半导体激光

激光的工作原理

分布反转:为了增强激光工作所需的受激辐射,需要分布反转。

考虑简并型半导体间形成的p-n结或异质结。这表示在结两端的掺杂能级甚高,以致于在p型区的费米能级EFV比价带的边缘还低,而在n型区的费米能级EFC则高于导带的边缘,如图。当外加一足够大的偏压时,会产生大注入的情况,亦即会有很高浓度的电子与空穴注入转移。结果在d区域中,导带有大量的电子而价带则拥有大量的空穴,这就是分布反转所需的条件。即:


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半导体激光

载流子与光学约束:如双异质结激光所示,由于双异质结势垒而使载流子在有源区的两端都被约束住,而同质结激光的载流子则可离开发生辐射性复合的有源区。在双异质结激光中,由于有源区外面的折射率骤然减小,会造成光场被约束在有源区内.

右图是一个三层介质的波导管,其折射率分别为n1,n2和n3,其中有源层如三明治般被夹在两个约束层之间(a)。在n2>n1>n3的条件下,第一层和第二层界面(b)的光线角度θ12超过临界角。而第二层和第三层界面间的θ23也有相似的情况发生。因此当有源层的折射率大于周围的折射率时,光学辐射就被导引(约束)在与各层界面平行的方向上.


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半导体激光

定义约束因子为在有源区内的光强度对有源区内外光强度总和的比例,其大小可表示为

其中C为常数,Δn为折射率之差,d为有源层的厚度。显然,Δn与d愈大,约束因子就愈高。

光学腔与反馈:使激光作用的必需条件为分布反转。只要分布反转的条件持续存在,通过受激辐射放出的光子就有可能引发更多的受激辐射。这就是光增益的现象。


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半导体激光

光波沿着激光腔作单程传导所获得的增益是很小的。为了提高增益,必须使光波作多次传播,可以用镜面置于腔的两端来实现,如图(a)左右两侧所示的反射面。

对于半导体激光而言,构成器件的晶体的劈裂面可以作为此镜面。如沿着砷化镓器件的(110)面劈开,可以产生两面平行,完全相同的镜面。有时候激光的背部镜面会予以金属化,以提高其反射率。每一镜面的反射率R可算出为

其中n为半导体对应于波长λ的折射率(通常n为λ的函数)。


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半导体激光

如果两端点平面间的距离恰好是半波长的整数倍时,增强且相干的光会在腔中被来回地反射。因此对受激辐射而言,腔的长度L必须满足下述条件:

其中,m为一整数。显然,有许多的λ值可以满足条件[图(a)],但只有那些落在自发辐射光谱内的值会被采用[图(b)]。而且,光波在传播中的衰减,意味着只有最强的谱线会残留,导致如图(c)所示的一组发光模式。


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半导体激光

图中在横轴方向上可容许模式间的间距Δλ是相当于m与m+1波长的差。将

对λ微分可得

虽然n为λ的函数,波长在临近模式间的微小的变化量dn/dλ却很小。因此模式间的间距Δλ可得到很好的近似值:


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半导体激光

基本的激光器结构:

下图所示为三种激光器的结构。图(a)为基本的p-n结激光,称为同质结激光 (GaAs)。沿着垂直于<110>轴的方向劈成一对平行面,外加适当的偏压条件时,激光就能从这些平面发射出来(图中仅示出前半面的发射)。

二极管的另外两侧则加以粗糙化处,以消除激光从这两侧射出的机会,这种结构称法布里-波罗腔,其典型的腔长度L约300μm,法布里-波罗腔结构被广泛地应用在近代的半导体激光器中。


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半导体激光

图(b)是双异质结构(DH)激光,此结构类似于三明治。有一层很薄的半导体(如GaAs)被另一种不同的半导体(如AlxGa1-xAs)所包夹。

图(a)及图(b)所示的激光结构为大面积激光,因为沿着结的整个区域皆可发出激光。图(c)是长条形的DH激光,它除了长条接触区域外,皆由氧化层予以绝缘隔离,所以激光发射的区域就约束在长条状接触下面狭窄的范围。典型的条状区宽度s约5至30μm。此长条形状的优点包括低工作电流、消除沿着结处的多重发射区域以及因除掉大部分结周围区域而提高可靠度。


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半导体激光

域值电流密度:激光工作中最重要的参数之一是域值电流密度Jth,亦即产生激光所需的最小电流密。下图比较同质结激光与DH激光的域值电流密度Jth与工作温度的关系。

值得注意的是,当温度增加时,DH激光增加的速率远低于同质结激光增加的速率。由于DH激光在300K具有低值,所以DH激光可以在室温下连续工作.这样的特性增加了半导体激光的应用范围,尤其是在光纤通信系统中。


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半导体激光

在半导体激光中的增益g是每单位长度的光能通量增加量,它与电流密度有关。增益g可表示为额定电流密度Jnom的函数,它定义为在单一量子效率(即每个光子所产生的载流子数目,η=1)下均匀地激发1μm厚的有源层所需要的电流密度。实际的电流密度为

其中d是有源层的厚度,以μm为单位。右图表示一典型砷化镓DH激光的增益计算值。在50cm-1≤g≤400cm-1内,增益是随着Jnom成线性增加的。


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半导体激光

图中直的虚线可以写成

其中g0/J0=5×10-2cm·μm/A,而J0=4.5×103A/(cm2·μm)。

在低电流时,会在各个方向上产生自发辐射。当电流增加时,增益亦随之增加,直到激光的域值点,亦即直到增益满足光波无衰减地沿着光学腔传播的条件时:

其中Γ是约束因子,α是由于吸收或其他散射机制所引起的单位长度的损耗,L是光学腔的长度,R是光学腔终端的反射系数(假设腔两端的R相同)


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半导体激光

结合,而得出域值电流密度为

其中J0d/g0ηΓ项常写为1/β,而β即增益因子。为了降低Jth,必须增大η、Γ、L、R及减小d、α。


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半导体激光

例5:试求出激光二极管的域值电流。已知前方与后方镜面的反射率分别为0.44与0.99,光学腔的长度与宽度分别为300 μm与5 μm,α=100cm-1,β=0.1cm-3·A-1,g0=100cm-1,Γ=0.9

解:由于两镜面的不同的反射率,上式可修改成

所以


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半导体激光

温度效应 :下图表示一连续波(cw)长条状AlxGa1-xAs -GaAs DH激光的域值电流与温度的关系。图a显示当温度在25℃至115℃之间变化时,cw的光输出与注入电流的关系,注意此光-电流曲线的完美线性关系。在一定温度下的域值电流值是在输出功率为零时的补差值。

图b则是域值电流对温度的关系图。此域值电流随温度呈指数增加,即

Ith~exp(T/T0)

其中T是温度,以℃为单位。而对此激光,T0是110℃。


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光探测器

光探测器是一种能够将光的信号转换为电的信号的半导体器件。光探测器的工作包括三个步骤:①由入射光产生载流子;②通过任何可行的电流增益机制,使载流子传导及倍增;③电流与外部电路相互作用,以提供输出信号。

光探测器广泛应用于包括光隔离器的红外传感器以及光纤通信的探测器。在这些应用中,光探测器必须在所工作的波长中具有高灵敏度、高响应速度及低噪声。另外,光探测器必须轻薄短小、使用低电压或低电流,并具有高可靠度。

光敏电阻

光敏电阻包含一个简单的半导体平板,而在平板两端则具有欧姆接触,如图。当入射光照到光敏电阻表面时,会发生从能带到能带(本征)或包含禁带能级的跃迁(非本征),从而产生电子-空穴对,导致电导率增加。


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光探测器

在本征光敏电阻中,电导率为

而在光照射下,电导率的增加主要由于载流子数目的增加而引起的。本征光敏电阻的长截止波长可由λc=1.24/Eg决定。在非本征光敏电阻中,能带边缘及禁带内的能级之间也会产生光激发。在此情况下,长截止波长则决定于禁带能级的深度。

考虑光敏电阻在光照射下的工作,在时间等于零时,单位体积内由光通量所产生的载流子数是n0.经过一段时间后,载流子数目在相同的体积内由于复合而衰减为

其中τ是载流子的寿命。由上式可以得复合率为:


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光探测器

假设一稳定的光通量均匀打在面积A=WL的光敏电阻表面上,单位时间内到达表面的全部光子数目为Popt/(hν),其中Popt是射入光的功率,h ν是光子能量,在稳态时,载流子产生G必须等于复合率n/τ。假如探测器的厚度D远大于光穿透深度1/α,则每单位体积内全部的稳态载流子产生率为

其中η是量子效率,亦即每个光子产生载流子的数目;n是载流子浓度,亦即每单位体积内载流子的数目。在电极间流动的光电流为

其中E是光敏电路内的电场,而vd是载流子漂移速度。将前式的n代入上式可得


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其中 为载流子渡越时间。而增益则与载流子寿命对渡越时间之比有关。

光探测器

若我们定义原来的光电流为

则光电流增益G为

对于少数载流子寿命很长且电极间的距离很小的样品,其增益会大于1。某些光敏电阻的增益甚至可高达106。而光敏电阻的响应时间是由渡越时间tr来决定。为了达到短的渡越时间,必须使用很小的电极间距及强电场。一般光敏电阻的响应时间为10-3s~10-10s,它们被大量应用于红外光侦测,尤其是波长大于几微米以上的区域。


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光探测器

例7:试计算当5×1012个光子/s打在η=0.8的光敏电阻表面时的光电流与增益。少数载流子的寿命为0.5ns,且此器件的μn=2500cm2/(V·s),E=5000V/cm,L=10μm。

解: 由式

因此


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光电二极管

光电二极管基本上是一个工作于反向偏压的p-n结或金属-半导体接触。由光产生的电子-空穴对在耗尽区内建电场的作用下分离,因此有电流流至外部电路。为了能在高频下工作,耗尽区必须尽可能地变薄以减少渡越时间。另一方面,为了增加量子效率,耗尽层必须足够厚,以使大部分入射光都被吸收,因此在响应速度与量子效率之间必须有所取舍。

一、量子效率η:每个入射光子所产生的电子-空穴对数目.

决定η的重要因素之一是吸收系数α。因为α和波长有强烈的依赖关系,能产生可观的光电流的波长范围是有限的。长截止波长λc是由禁带宽度决定的,当波长大于λc时,α值太小,以致无法造成明显的本征吸收。至于光响应的短截止波长,则是由于短波长的α值很大(约105cm-1),大部分的辐射在表面附近就被吸收,且其复合时间甚小,导致光载流子在被p-n结收集以前就会发生复合。


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100

100

Si

Si

GaInAs

GaInAs

Au

Au

-

-

Si

Si

80

80

InSb

InSb

(77K)

(77K)

60

60

+

+

Ge

Ge

n

n

-

-

p

p

%

/

Ag

Ag

-

-

ZnS

ZnS

40

40

InAs

InAs

(77K)

(77K)

20

20

0

0

10

10

0

0

.

.

1

1

0

0

.

.

2

2

0

0

.

.

4

4

0

0

.

.

6

6

6

6

8

8

1

1

2

2

4

4

l

m

/

m

光电二极管

下图是一些高速光电二极管的典型的量子效率与波长的关系。

注意,在紫外光及可见光区域内,金属-半导体光电二极管具有良好的量子效率。在近红外光区时,硅光电二极管(具有抗反射层)在0.8至0.9附近,可达到100%的量子效率。在1.0至1.6间,锗光电二极管与Ⅲ-V族光电二极管(如GaInAs)具有很高的量子效率。而在更长的波长,为了高效率地工作,可将光电二极管予以冷却(如冷却至77K)。


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光电二极管

二、响应速度

响应速度受到三个因素的限制:

①载流子的扩散;

②耗尽区内的漂移时间;

③耗尽区的电容。

在耗尽区外产生的载流子会扩散到结,造成相当大的时间延迟。为了将扩散效应降到最小,结必须非常接近表面。如果耗尽区足够宽的话,绝大部分的光线都会被吸收,然而耗尽区不能太宽,因为渡越时间效应会限制频率响应。但它也不能太薄,因为过大的电容C会造成大的RC时间常数(其中R是负载电阻)。最理想的折衷办法是选择一个宽度,使耗尽层渡越时间大约为调制周期的一半。例如,调制频率为2GHz时,硅最理想的耗尽层宽度约25μm。


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u

u

h

h

金属接触

金属接触

SiO

SiO

2

2

R

R

L

L

+

+

抗发射层

抗发射层

p

p

i

i

-

-

V

V

+

+

R

R

n

n

+

+

a

(

)

p

-

i

-

n

光电二极管的截面图

u

u

h

h

u

u

h

h

qV

qV

R

R

E

E

u

u

C

C

h

h

E

E

V

V

电子扩散

电子扩散

空穴扩散

空穴扩散

漂移空间

漂移空间

(

(

b

b

)

)

反向偏压下的能带图

反向偏压下的能带图

吸收

吸收

-

-

a

a

x

x

~

~

e

e

x

x

a

a

+

+

W

W

1

1

/

/

W

W

W

W

P

P

P

P

(

(

c

c

)

)

载流子吸收特性曲线

载流子吸收特性曲线

光电二极管

p-i-n光电二极管

p-i-n光电二极管是最常用的光探测器之一,其耗尽区厚度(本征层)可予调制以优化量子效率及频率响应。图(a)是p-i-n光电二极管的截面图,它具有抗反射层以增加量子效率的特性。图(b)、(c)分别是反向偏压条件下,p-i-n二极管的能带图及光吸收特性。半导体吸收光之后会产生电子-空穴对。在耗尽区或其扩散长度内的电子-空穴对终会被电场所分开,导致载流子漂移出耗尽层而产生外部电路电流。


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正面指状条形接触

正面指状条形接触

2

2

cm

cm

1cm

1cm

n

n

m

m

1

1

/

/

4

4

m

m

p

p

u

u

h

h

p

p

-

-

n

n

抗反射涂层

抗反射涂层

0

0

.

.

5

5

mm

mm

m

m

W

W

·

·

1

1

/

/

4

4

m

m

1

1

cm

cm

p

p

Si

Si

背面接触

背面接触

太阳能电池

p-n太阳能电池

p-n结太阳能电池包含一个形成于表面的浅p-n结、一个条状及指状的正面欧姆接触、一个涵盖整个背部表面的背面欧姆接触以及一层在正面的抗反射层。

当电池暴露在太阳光谱时,能量小于禁带宽度Eg的光子对电池输出并无贡献。能量大于禁带宽度Eg的光子才会对电池输出贡献能量,而大于Eg的部分能量则会以热的形式消耗掉。


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u

u

h

h

u

u

E

E

C

C

u

u

h

h

E

E

qV

qV

g

g

oc

oc

E

E

V

V

(

a

)

p

-

n

结太阳能电池在太阳照

射下的能带图

I

I

u

u

h

h

qV

qV

-

-

º

I

I

[exp(

[exp(

)

)

1

1

]

]

s

s

R

R

I

I

R

R

kT

kT

L

L

L

L

L

L

(

b

)

太阳能电池的理想化等

效电路

太阳能电池

图(a)和(b)分别为太阳辐射下的p-n结能带图及其等效电路。

其中有一恒定电流源与结并联。此电流源IL是由于太阳辐射产生的多余 载流子的激发所造成的,IS是二极管饱和电流,而R是负载电阻。

根据上述模型,其I-V特性可表示为


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太阳能电池

下图是太阳能电池的I-V特性曲线。选择适当的负载,可以得到接近80%的ISCVOC乘积。其中ISC是短路电流,等于IL,而VOC是电池的开路电压;图中的阴影面积就是最大功率。图中也分别定义了在最大输出功率Pm(=Im×Vm)时的电流Im与电压Vm。

开路电压

因此,固定一IL,则VOC会随着饱和电流IS的减少而呈对数增加,此输出功率为


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太阳能电池

转换效率

太阳能电他的理想功率转换效率为

其中Pin是入射功率,而FF是填充因子,定义为

填充因子为最大功率矩形对矩形ISC×VOC的比例。若要使效率最大,必须使η表达式分子中的三项全都最大化。

理想效率可以由I-V特性求得。短路电流IL为q与太阳光谱中能量hν的光子数目的乘积。一旦IL已知,即可由I-V特性曲线求出太阳能电池的理想效率


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