半导体光电子器件课件

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1、§1-2异质结的晶格匹配与异质结在光电子器件中的应用一、半导体光电子材料1.半导体光电材料特性参数2.异质结中的晶格匹配二、半导体材料的折射率三、异质结特性及在半导体光电子器件中的应用一、半导体光电子材料.常见半导体材料（Si、GaAs）的能带图半导体的能带结构与晶向有关，都比较复杂，通常以能量E和波矢k的关系来表达。Si的导带的极小值和价带的极大值不在同一k值处，因而为间接带；GaAs、InP的导带极小值和价带极大值同在相同的k=0处，这类材料为直接带隙材料。1.半导体光电材料特性参数晶体结构、晶格常数a，热胀系数，能带类型、禁带宽

2、度E（单位为ev）、电子迁移率µ和空穴迁移率µ、gnp介电常数ε和电子亲合势χ。•Si间接带隙材料，金刚石结构，原胞是面心立方结构，常规电子器件和高速的集成电路材料。Si、Ge等Ⅳ族元素半导体都是间接带隙等材料，其发光效率非常低，不适于做发光器件。•GaAs、InP是直接带隙材料，闪锌矿结构。沿着它的{110}晶面很容易把晶体一分为二地解理开来，故此面称为解理面。Ⅲ-Ⅴ族中的直接带隙材料。在{110}面中，同时有等数量的Ga原子和As原子，因此显示出电学中性。解理面非常平坦、光亮，有较高的反射率，解理面之间相互平行，因此两个相向平行的

3、解理面就构成一个非常好的谐振腔。2.异质结中的晶格匹配两种半导体的晶格常数分别为a，a，它们组成异质结时，会12因a和a的差别引起晶格失配问题。两种材料的晶格失配度为12它们之间的晶格常数差同平均晶格常数之比，即晶格失配度：∆a2a1−a2a1−a2=≈aa+aa121由于晶格失配的存在，在界面处会出现未配对的悬键，它们的出现会引起晶体缺陷，产生应变、位错。异质结晶格参数：包括晶格常数a，晶格失配度百分比和界面态密度。为了降低界面态的非辐射复合速率，必须尽可能地使异质结的两种不同半导体材料晶格匹配，其失配度应当小于0.1%。即：a表达

4、式的物理意义：为了降低界面态⎛∆⎞−3的非辐射复合速率，必须尽可能地使⎜⎟<10异质结的两种不同半导体材料晶格匹⎝a⎠配，其失配度应当小于0.1%。这成了半导体异质结材料的晶格是否匹配的定量判据。例如：a.在InGaAs/InP异质结中，当x＝0.53时的InGaAs外x1-x0.530.47延层的晶格常数与沉底InP的晶格常数完全一样，其失配度为0，称之为完全晶格匹配。b.在AlGaAs/GaAs中，所有的x值完全匹配。x1-x二、半导体材料的折射率不同化合物的禁带宽度Eg和折射率n随组分的变化趋势正好相反，即Eg大的化合物，折射率

5、n反而较小。这正是设计半导体光电器件常常需要的。AlGaAs的折射率n随AlAs组分x之间的依赖关系为x1-x2n=3.590−0.710x+0.091xGaInAsP的折射率n的表达为x1-xy1-y()2ny=3.4+0.256y−0.059y折射率是一个很重要的光学参数。折射率的大小、异质结构中的折射率梯度、折射率随波长、载流子浓度、温度等等的变化都会影响半导体激光器、探测器、波导器件的性能，尤其会影响激光的波长和模式。掌握其变化规律，并且充分地利用其特性来满足器件的设计、制造和应用的要求。三、异质结特性及在半导体光电子器件中的

6、应用1.异质结的特性异质结构具有带隙差∆E和折射率差∆n这两种本质性g质，它们为异质结带来一系列重要的特性和效应：●高注入比、超注入效应●对载流子和光波的限制、导波效应●窗口效应等等这些特性和效应构成了半导体光电子技术的物理基础。（1）高注入比、超注入效应V＊一外加电压V施I=加在一电阻R时ReV＊外加电压V施加在I=A[exp()−1]半导体材料上时kT＊前面提到异质结结电流，由于具有带隙∆E=∆E+∆E，gcv其伏安特性的表达式变得复杂，但依然是指数形式上升，且∆E和∆E出现在指数项中，大大增强了载流子的注入。cv∆E∆EeVcv

7、I=[Bexp()+Cexp()][exp(−1]kTkTkT简化的表达式定义注入比为：在pN结上加有正向电压时，由N区向p区注入的电子流J同p区向N区注入的空穴流J的比值，N-pp-Nr=JJ，理论得出N−pp−NP-GaAs/N-AlGaAs异质结r=Dexp(∆E/kT)0.30.7g中，∆Eg＝0.33eV，则r＝7.4×105在N－p结p区一侧载流子堆积得越来越多，以至超注入效应于p区的少子（电子）浓度比N区的多子（电子）的浓度还多，以至于达到简并化的程度，这叫超注入现象。图正向偏置电压下N-AlGaAs/p-GaAs的能带

8、图（2）异质结对载流子和光波的限制、波导效应异质结的带隙差∆E（亦即导带差∆E和价带差∆E）对gcv载流子（电子和空穴）有限制作用，防止载流子向外泄露。同时，异质结的折射率差∆n能够提供波导结构，对于高折射率材料中传播的