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1、半導(dǎo)體光電材料1半導(dǎo)體光電材料的發(fā)展半導(dǎo)體光電材料是指具有光電功能的半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體激光:在半導(dǎo)體pn結(jié)材料上,通過電注入pn結(jié)的兩種載流子(電子和空穴)的復(fù)合產(chǎn)生受激輻射。實(shí)現(xiàn)激射,且激射波長(zhǎng)是由半導(dǎo)體材料的帶隙決定,并只有直接帶隙半導(dǎo)體 材料 才能實(shí)現(xiàn)激射。半導(dǎo)體激光材料三維同質(zhì)結(jié)構(gòu)材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料量子阱結(jié)構(gòu)材料應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)材料半導(dǎo)體探測(cè)器材料:光電導(dǎo)型和光伏型2半導(dǎo)體激光器材料同質(zhì)結(jié)構(gòu)材料 第一只半導(dǎo)體激光器1962年 (低溫)異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料 19691970 (室溫)量子阱結(jié)構(gòu) (閾值電流降低)應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu) (閾值電流更低)發(fā)展趨勢(shì): 結(jié)構(gòu)更新、 波段拓展3態(tài)密度和量子限制效應(yīng)光躍遷
2、 半導(dǎo)體導(dǎo)帶和價(jià)帶的電子-空穴對(duì)的產(chǎn)生和復(fù)合過程,以光子的形式吸收或者釋放能量一般同時(shí)涉及電子和空穴兩種載流子光吸收過程主要是從有大量電子布據(jù)的價(jià)帶到幾乎為空的導(dǎo)帶之間產(chǎn)生的。 I=I0exp(-z)4吸收系數(shù)與光子能量的關(guān)系(a)由于雜質(zhì)所引起的能帶填充效應(yīng),使得實(shí)際吸收邊變軟(b)由于量子結(jié)構(gòu)的限制效應(yīng),使得量子阱和空穴形成的一系列分裂的子能帶,因此,吸收系數(shù)譜成階躍性。5粒子數(shù)分布反轉(zhuǎn)條件:當(dāng)吸收系數(shù) ( )0時(shí),光波在媒質(zhì)中傳播獲得增益,這時(shí)吸收系數(shù)用增益表示。fv-fcEc-Ev= 產(chǎn)生受激輻射 入射光子激發(fā)電子從導(dǎo)帶到價(jià)帶躍遷,并伴隨發(fā)射一個(gè)與入射光子具有相同能量、相位以及傳播方向
3、的光子-受激輻射。形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的條件:大量的注入載流子 (通過在有源層兩邊,采用合適的摻雜層形成pn結(jié)來實(shí)現(xiàn)。)6不限制載流子和光波,會(huì)導(dǎo)致極高的閾值電流密度和很差的輸出光波模式。限制載流子和光波可采用異質(zhì)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。 (雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)(DH)是第一個(gè)完成上述兩種限制的結(jié)構(gòu))激光閾值條件:半導(dǎo)體要獲得激光輸出,輻射必須是相干的,并且增益至少不小于損耗。對(duì)半導(dǎo)體激光器的主要要求:低的工作電流、高的輸出功率、高電光轉(zhuǎn)換效率和較佳的溫度特性。7紫外至可見光量子阱激光器材料GaN基激光器材料基本性能外延生長(zhǎng)GaN基激光器AlGaInP紅光激光器材料基本性能外延生長(zhǎng) AlGaInP基激光器8紅外波段量子阱激
4、光器材料短波長(zhǎng)AlGaAs/GaAs激光器材料長(zhǎng)波長(zhǎng)InP基激光器材料980nm InGaAs/ GaAs應(yīng)變量子阱激光器材料GaInAsSb/ AlGaAsSb量子阱激光器材料InGaAs/ InGaAsP應(yīng)變量子阱激光器材料9中遠(yuǎn)紅外量子級(jí)聯(lián)激光器材料基于斜角躍遷的量子級(jí)聯(lián)激光器基于垂直躍遷的量子級(jí)聯(lián)激光器室溫工作的量子級(jí)聯(lián)激光器單縱模量子級(jí)聯(lián)激光器10量子線、量子點(diǎn)激光器材料一維限制量子阱結(jié)構(gòu)(QWL)實(shí)現(xiàn)了對(duì)載流子在一維方向上的限制,從而改變了半導(dǎo)體材料的能帶結(jié)構(gòu)及態(tài)密度分布。相比異質(zhì)結(jié)激光器,量子阱結(jié)構(gòu)激光器性能得到了很大的提高,階躍性質(zhì)的態(tài)密度使得載流子的能量分布變窄,從而導(dǎo)致較窄
5、的熒光譜線和較高的微分增益。二維限制量子線結(jié)構(gòu)(QWR)三維限制量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)(QD)11量子線、量子點(diǎn)的制造技術(shù)刻蝕再生長(zhǎng)自組織生長(zhǎng)量子點(diǎn)非平面襯底上生長(zhǎng)12半導(dǎo)體光電探測(cè)器基礎(chǔ)光電探測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的器件半導(dǎo)體光電探測(cè)器分類:光電導(dǎo)型、光伏型13光電導(dǎo)型光電探測(cè)器半導(dǎo)體材料在光的作用下產(chǎn)生光生載流子,從而使材料的電導(dǎo)率發(fā)生變化并形成光電導(dǎo)。利用光電導(dǎo)可構(gòu)成光電導(dǎo)型光電探測(cè)器本征型光電導(dǎo)如果光子的能量大于此種材料的禁帶寬度,能將價(jià)帶中的電子激發(fā)到導(dǎo)帶上去,產(chǎn)生電子-空穴對(duì),即產(chǎn)生帶間吸收形成光電導(dǎo)。非本征光電導(dǎo)如果光子的能量小于此種材料的禁帶寬度,可能將束縛在雜質(zhì)能級(jí)上的載流子激發(fā)到導(dǎo)帶
6、或價(jià)帶上去,產(chǎn)生光電導(dǎo)。常規(guī)光電探測(cè)器本征光電導(dǎo)型中遠(yuǎn)紅外光電探測(cè)器非本征光電導(dǎo)型14光伏型光電探測(cè)器光伏型光電探測(cè) 器是利用半導(dǎo)體pn結(jié)或肖特基結(jié)在光的作用下產(chǎn)生光電壓(或光電流)進(jìn)行光電探測(cè)的器件。(如 光電池)光伏型光電探測(cè)器主要優(yōu)點(diǎn):無需偏執(zhí)電壓直接進(jìn)行光電能量轉(zhuǎn)換雪崩型的光電探測(cè)器也是光伏型的光電探測(cè)器,具有與光電倍增管類似的內(nèi)部增益,具有更高的探測(cè)靈敏度 ,但是只能工作于光電導(dǎo)模式。15光電探測(cè)器工作性能參數(shù)相應(yīng)度RI、RV 與波長(zhǎng)有關(guān) RI=Ip/Pi; RV=Vp/Pi; RV=RI*Rd.外量子效率E E=hRI/q; E=1.24RI/暗電流Id決定噪聲特性16寬禁帶紫外光電探測(cè)器材料采用禁帶較寬的材料可望在較短的波長(zhǎng)上獲得較好的響應(yīng)。2eV以上的 寬禁帶半導(dǎo)體材料主要包括IV族的SiC和金剛石,III-V族的氮化物GaN、AlN、InN及其合金,以及不少II-VI族化合物及其合金對(duì)于紫外光電探測(cè)器,要充分抑制在可見光及紅外光波段的響應(yīng)。除需選用具有合適的禁帶寬度的材料
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