半導(dǎo)體物理與器件工藝基礎(chǔ)所有光電

1、第五章 光電子器件1光發(fā)射 光發(fā)射是光吸收的逆過程 電子由高能態(tài)向低能態(tài)躍遷，同時(shí)能輻射躍遷以電磁波形式能量，發(fā)射光子；無輻射躍遷以其它形式（晶格弛豫、俄歇復(fù)合、表面復(fù)合等）能量，最終是聲子。盡量減小無輻射射躍遷以提高發(fā)光器件的效33發(fā)光條件處于熱平衡的半導(dǎo)體不能發(fā)光（G = U）；當(dāng)樣品處于非熱平衡態(tài)（有過剩載流子），過剩載流子復(fù)合發(fā)光。因此發(fā)光實(shí)際上包括兩個(gè)過程：激發(fā)過程產(chǎn)生過剩載流子；發(fā)光過程過剩載流子復(fù)合發(fā)光。激發(fā)方式光致發(fā)光：如x射線（或紫外光）照射摻有Tl 的NaI，發(fā)可見光；如日光燈，Hg蒸氣在電場作用下發(fā)出紫外光紫外光照射熒光粉，發(fā)光。電致發(fā)光：如正偏 pn 結(jié)，注入過剩載流子

2、復(fù)合發(fā)光陰極發(fā)光：如示波管。陰極射線（高能到熒光屏發(fā)光。）打34 發(fā)射躍遷發(fā)射躍遷滿足能量守衡和準(zhǔn)動(dòng)量守衡。與電子躍遷相的發(fā)光過程：本征發(fā)射躍遷（帶間復(fù)合發(fā)光），激子復(fù)合發(fā)光（等電子雜質(zhì)激子發(fā)光），電子在能帶和雜質(zhì)能級(jí)間的躍遷發(fā)光，電子由施主到受主的躍遷發(fā)光。35 自發(fā)發(fā)射和受激發(fā)射E1、E2兩個(gè)能級(jí)，E2 E1 。E1上的電子吸收 h12的光子從E1躍遷到E2。自發(fā)發(fā)射處于E2能級(jí)的電子不穩(wěn)定。停留很短時(shí)間（10-910 -3s），在無任何外界作用情況下，自發(fā)地從E2能級(jí)躍遷回到E1能級(jí)，同時(shí)能量為h21 的光子。自發(fā)發(fā)射的光子具有相同的頻率，但相位、向、偏振態(tài)等都是任意的。方36受激發(fā)射若

3、E2能級(jí)的電子在自發(fā)發(fā)射之前，受到另一個(gè)能量也是h12的光子（稱為激勵(lì)光子）作用，則電子立即從E2能級(jí)躍遷到E1能級(jí)，同時(shí)h21 的光子。受激發(fā)射的光子和激勵(lì)光子不僅頻率相同，相位、方向、偏振態(tài)等也都相同。能量37發(fā)光二極管（LED） 發(fā)光二極管通過正偏pn結(jié) 的自發(fā)發(fā)射工作 正偏pn結(jié)，結(jié)區(qū)以及結(jié)兩邊各一個(gè)擴(kuò)散長度內(nèi)的過剩載流子復(fù)合發(fā)光。 發(fā)光光譜由載流子的能量分布決定，典型譜寬50-100nm。 發(fā)光峰值能量略大于帶隙（kT）38 發(fā)光二極管對(duì)材料和器件結(jié)構(gòu)的要求直接禁帶半導(dǎo)體；根據(jù)波長，選擇Eg合適的材料；可利用等電子陷阱; 容易制成pn結(jié)；晶格常數(shù)與襯底匹配；垂直發(fā)射或邊緣發(fā)射的器件結(jié)

4、構(gòu)。 雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管 為獲得顯著的發(fā)光效率，要求在同一物理區(qū)域內(nèi)有很多處于高能態(tài)的電子和空穴，且發(fā)出的光不易被再吸收。 采異質(zhì)結(jié)構(gòu)。p區(qū)和n區(qū)是寬禁帶，中間是窄禁帶，形成電子勢阱和空穴勢阱。正偏時(shí)，電子和空穴分別從n區(qū)和p區(qū)注入到窄禁帶材料，很容易被勢阱俘獲并限制在其中，從而增加了復(fù)合幾率。39菲涅耳反射雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)LED的能帶示意圖發(fā)光在窄禁帶層，稱為有源層。有源層中的電子勢阱和空穴勢阱俘獲并限制載流子，增大俘獲幾率。 發(fā)光損失途徑 光子的再吸收例如自由載流子吸收。在有源區(qū)，自由載流子（n0、p0、 Dn、 Dp）濃度很高（1018 1019/cm3 量級(jí)）。 菲涅耳反射；大于臨界角時(shí)

5、的全反射。40LED和光纖的耦合Burrus LED光纖植入發(fā)光二極管的阱中，盡量靠近有源層邊緣發(fā)射LED 折射率大的有源層起波導(dǎo)作用 小角度發(fā)射，易于和光纖耦合； 光場不全在有源區(qū)。41等電子陷阱以GaP中摻入N形成等電子陷阱為例。N的負(fù)電性（3.0）大于P的負(fù)電性（2.1），每個(gè)N原子在GaP禁帶中引入一個(gè)能態(tài)（EC下面10meV）。中性的N沒有長程作用，具有短程勢。對(duì)電子的束縛較緊。由不確定原理，位置的不確定小，波矢K的不確定性很大，這些能態(tài)擴(kuò)展到整個(gè)K空間。等電子陷阱中的電子可以掉入價(jià)帶而仍然保持動(dòng)量守恒，發(fā)生直接躍遷。兩個(gè)好處：發(fā)出的光子能量略小于Eg，避免再吸收。GaP是間接禁帶，

6、采用等電子陷阱，直接躍遷。42GaN藍(lán)光LED一直以來，可見光LED只有綠、黃、橙、紅色。缺，直到質(zhì)量良好的GaN材料出現(xiàn)。少全彩色中的GaN：直接禁帶，Eg=3.4eV。窄禁帶InxGa1-xN -寬禁帶GaN異質(zhì)結(jié)，藍(lán)光LED。藍(lán)光LED 熒光物質(zhì)（磷）準(zhǔn)白光43紅外LED應(yīng)用于光纖通訊領(lǐng)域右圖的光纖鏈路，包括光源（LED或激光二極管）、光纖和光探測器（pin或雪崩二極管）光纖通訊最常用的波長：1.3m，1.55m特定波長發(fā)光的實(shí)現(xiàn)： 選擇合適禁帶寬度的材料； 晶格匹配。44半導(dǎo)體激光器LaserLight amplification by stimulated emission of r

7、adiation（受激輻射光量子放大）激光二極管和普通LED關(guān)鍵的區(qū)別：前者為受激輻射，后者為自發(fā)輻射。半導(dǎo)體激光器工作的基本要求：1. 能夠產(chǎn)生受激輻射2. 共振腔3. 增益大于損耗451. 粒子數(shù)分布反轉(zhuǎn)為了產(chǎn)生受激輻射，必須實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)分布反轉(zhuǎn)。E1、E2兩個(gè)能級(jí)，E2 E1。光子能量 h12 = E2 E1。入射 h12的光子引起光吸收和受激輻射的幾率相同。哪個(gè)過程占優(yōu)勢取決于能級(jí)上的電子填充情況。設(shè)：n1是E1能級(jí)的電子濃度，n2是E2能級(jí)的電子濃度。 若 n1 n2 ，光吸收為主， 若 n2 n1 ，受激輻射為主。熱平衡時(shí) n1 n2 。只有加激勵(lì)能源，使系統(tǒng)處于非熱平衡態(tài)，才可能實(shí)

8、現(xiàn) n2 n1 。稱n2 n1 的情況為粒子數(shù)分布反轉(zhuǎn)。46半導(dǎo)體中如何實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)分布反轉(zhuǎn)？設(shè)：E1為價(jià)帶中的一個(gè)能級(jí)；E2為導(dǎo)帶中的一個(gè)能級(jí)；Na 為Ne 為時(shí)間、時(shí)間、體積吸收的光子數(shù)；體積發(fā)射的光子數(shù)；(h12)是光子能量為(h12)的入射光子流密度。2 ( rf1 ( rfn)1E2n)12E(ag=(eg=-1EAA)12 EV (1f2f)n)nE1 (E2 (g )2(Cng 1 )1 -E)21EC(Vn式中A12為吸收躍遷幾率，A21為發(fā)射躍遷幾率，令A(yù)12=A21。要實(shí)現(xiàn)分布反轉(zhuǎn)，即實(shí)現(xiàn)受激輻射大于吸收，要求Ne Nafn(E2) fn(E1)，即4711n F- E p

9、)/kT( E - E)/kT1+ e(E1+ e21FEn、E p分別為導(dǎo)帶電子和價(jià)帶空穴的準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)。FF將 E1=E2h12 代入上式，上述條件簡化為：- E p hnEnFF12因?yàn)?E1和E2分別位于導(dǎo)帶和價(jià)帶中，所以hn12 = E2- E1 Eg- E En Fp FE即g實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)分布反轉(zhuǎn)的條件為：電子和空穴的準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)分別進(jìn)入導(dǎo)帶和價(jià)帶。48- E En Fp FE根據(jù)g實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)分布反轉(zhuǎn)的方法：n區(qū)和p區(qū)簡并摻雜；pn結(jié)加正偏，大注入。分布反轉(zhuǎn)區(qū)分布反轉(zhuǎn)區(qū)又叫有源區(qū)，或增益區(qū)，或工作物質(zhì)。位于結(jié)區(qū)及附近。492. 共振腔的作用共振腔由工作物質(zhì)和兩端的平行的反射面 (解理面)

10、組成。 產(chǎn)生自激振蕩相干光，通過反饋，實(shí)現(xiàn)光量子放大。實(shí)際器件中，受激發(fā)射需要的激勵(lì)光子不是由外界提供，而是靠自發(fā)發(fā)射的光在共振腔中產(chǎn)生自激振蕩。50受激發(fā)射的光在腔內(nèi)來回反射，某些特定波長的光會(huì)發(fā)生相長消。其它的波長則為相消，相互抵若腔的長度為L，折射率為n。共振腔的共振波長和頻率：n c l mc2ndm=l =2ndc 是光速；m 為任意整數(shù)。取不同的m值，得到一系列l(wèi) 值。腔長為半波長的整數(shù)倍時(shí)能夠產(chǎn)生共振。利用共振腔的光反饋使光子多次穿過增益區(qū)，經(jīng)受受激發(fā)射的放大作用，最后形成持續(xù)的相干振蕩，達(dá)到光量子放大的目的。51 共振腔對(duì)光束的方向和頻率的限制 對(duì)方向的限制只有軸向(q = 0

11、) 或q 很小的光，才能在腔內(nèi)往返多次，形成振蕩。 對(duì)頻率的限制對(duì)于半導(dǎo)體激光：h n -pEnEEgFF頻率受到限制，m并不能任意取值。頻率間隔：=c1n =nnDLn2LL 小，D大，可實(shí)現(xiàn)在 Eg (EFn - EF )范圍內(nèi)p只有一個(gè)頻率（模式） 單色光 。523. 增益系數(shù)和閾值條件光波在腔內(nèi)振蕩過程中，不僅獲得增益(光量子放大), 還存在損耗。 增益，由于受激發(fā)射，光強(qiáng) I 不斷光在工作物質(zhì)中增強(qiáng)。工作物質(zhì)又叫做增益介質(zhì)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)： I( x )dI( x)d（x 光強(qiáng)較小時(shí)）引入比例系數(shù) gL ，) =gx)dIx(I (dxLg Le x)=I(xI得0是(cm-1)。I0 為

12、 x=0 處的光強(qiáng)； gL為增益系數(shù)，53 損耗 工作物質(zhì)中存在光吸收令吸收系數(shù)為a ，增益和吸收同時(shí)存在時(shí)：( g L -a )x0eI (x ) = I 端面有光射出設(shè)兩個(gè)端面的反射系數(shù)分別為R1、R2，光在腔內(nèi)往返一次（x = 2L）后光強(qiáng)為：( g L -a )2 L0eR 1I (x ) = I R 2 實(shí)際器件，部分光場分布到有源區(qū)之外，造成損耗。54 閾值條件要形成穩(wěn)定的激光，必須使光在腔內(nèi)往返一次獲得的增益大于損耗，即( g L -a )2 LI (x ) = I 0eR1 R 2 I 011 a +gln即LR R2 L12式中等號(hào)代表增益等于損耗的情形，稱為閾值增益， 記做

13、 gLth11= a +glnLthR R2L12與閾值增益 gLth相應(yīng)的注入電流 jF 稱為閾值電流，記做 jth。55I Ith，激光器就是LED。閾值以上才是激光器。jF jth56受激輻射單色光的形成過程： 啟動(dòng)這一過程的光子來源于自發(fā)輻射； 加大電流，獲得光增益，實(shí)現(xiàn)受激輻射； 共振腔的長度決定特定的波長; 通過鏡面反射獲得光反饋，光子多次通過增益區(qū)； 光增益最大的模式產(chǎn)生的光子數(shù)最多，經(jīng)過腔內(nèi)的多次反饋， 最終，處于分布反轉(zhuǎn)的電子和空穴全部被這一波長的光子激發(fā)輻射，形成單色相干光。572. 半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)異質(zhì)結(jié)構(gòu)。利用限制層和有源區(qū)的Eg不通常采同、折射率n不同，實(shí)現(xiàn)對(duì)載流子

14、和光場的限制，從而提高增益、降低損耗，降低閾值電流 jth。法布里-珀羅腔： 鏡面對(duì)光部分反射、部分透射。 有源區(qū)折射率大限制層的作用：載流子限制和光場限制。58下圖是 P-Ga1-yAlyAs / GaAs / N-Ga1-xAlxAs 雙異質(zhì)結(jié)法布里-珀羅邊緣發(fā)射激光器結(jié)構(gòu)示意圖。幾何為：L=200mm，W=110mm， d=0.3 1mm。材料參數(shù)見表。59載流子限制作用利用限制層和有源區(qū)的Eg不 同，將注入的過剩載流子限制在有源區(qū)內(nèi)，從而減小損耗，降低閾值電流。光限制作用利用限制層折射率（n= 3.6） 大于限制層折射率（n=3.5）， 使發(fā)出的光被限制在有源區(qū)內(nèi)，從而減小損耗，降低閾值電流。602. 激光器結(jié)構(gòu)的改進(jìn)有源層足夠薄才能形成量子