半导体光电材料 材物课件.ppt

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1、半导体光电材料半导体光电材料的发展半导体光电材料是指具有光电功能的半导体材料半导体激光：在半导体pn结材料上，通过电注入pn结的两种载流子（电子和空穴）的复合产生受激辐射。实现激射，且激射波长是由半导体材料的带隙决定，并只有直接带隙半导体材料才能实现激射。半导体激光材料三维同质结构材料异质结构材料量子阱结构材料应变量子阱结构材料半导体探测器材料：光电导型和光伏型半导体激光器材料同质结构材料第一只半导体激光器1962年（低温）异质结构材料1969——1970（室温）量子阱结构（阈值电流降低）应变量子阱结构（阈值电流更低）发展趋势：结构更新、波段拓展态密度

2、和量子限制效应光跃迁半导体导带和价带的电子-空穴对的产生和复合过程，以光子的形式吸收或者释放能量一般同时涉及电子和空穴两种载流子光吸收过程主要是从有大量电子布据的价带到几乎为空的导带之间产生的。I=I0exp（-αz）吸收系数与光子能量的关系（a）由于杂质所引起的能带填充效应，使得实际吸收边变软（b）由于量子结构的限制效应，使得量子阱和空穴形成的一系列分裂的子能带，因此，吸收系数谱成阶跃性。粒子数分布反转条件：当吸收系数α(ћυ)<0时，光波在媒质中传播获得增益，这时吸收系数用增益表示。fv-fc<0,即Fc-Fv>Ec-Ev=ћυ产生受激辐射入射光子激发

3、电子从导带到价带跃迁，并伴随发射一个与入射光子具有相同能量、相位以及传播方向的光子----受激辐射。形成粒子数反转的条件：大量的注入载流子（通过在有源层两边，采用合适的掺杂层形成pn结来实现。）不限制载流子和光波，会导致极高的阈值电流密度和很差的输出光波模式。限制载流子和光波可采用异质结构实现。（双异质结构（DH）是第一个完成上述两种限制的结构）激光阈值条件：半导体要获得激光输出，辐射必须是相干的，并且增益至少不小于损耗。对半导体激光器的主要要求：低的工作电流、高的输出功率、高电光转换效率和较佳的温度特性。紫外至可见光量子阱激光器材料GaN基激光器材料基本性

4、能外延生长GaN基激光器AlGaInP红光激光器材料基本性能外延生长AlGaInP基激光器红外波段量子阱激光器材料短波长AlGaAs/GaAs激光器材料长波长InP基激光器材料980nmInGaAs/GaAs应变量子阱激光器材料GaInAsSb/AlGaAsSb量子阱激光器材料InGaAs/InGaAsP应变量子阱激光器材料中远红外量子级联激光器材料基于斜角跃迁的量子级联激光器基于垂直跃迁的量子级联激光器室温工作的量子级联激光器单纵模量子级联激光器量子线、量子点激光器材料一维限制——量子阱结构（QWL）实现了对载流子在一维方向上的限制，从而改变了半导体材料的

5、能带结构及态密度分布。相比异质结激光器，量子阱结构激光器性能得到了很大的提高，阶跃性质的态密度使得载流子的能量分布变窄，从而导致较窄的荧光谱线和较高的微分增益。二维限制——量子线结构(QWR)三维限制——量子点结构（QD）量子线、量子点的制造技术刻蚀再生长自组织生长量子点非平面衬底上生长半导体光电探测器基础光电探测器——将光信号转换成电信号的器件半导体光电探测器分类：光电导型、光伏型光电导型光电探测器半导体材料在光的作用下产生光生载流子，从而使材料的电导率发生变化并形成光电导。利用光电导可构成光电导型光电探测器本征型光电导——如果光子的能量大于此种材料的禁带

6、宽度，能将价带中的电子激发到导带上去，产生电子-空穴对，即产生带间吸收形成光电导。非本征光电导——如果光子的能量小于此种材料的禁带宽度，可能将束缚在杂质能级上的载流子激发到导带或价带上去，产生光电导。常规光电探测器——本征光电导型中远红外光电探测器——非本征光电导型光伏型光电探测器光伏型光电探测器是利用半导体pn结或肖特基结在光的作用下产生光电压（或光电流）进行光电探测的器件。（如光电池）光伏型光电探测器主要优点：无需偏执电压直接进行光电能量转换雪崩型的光电探测器也是光伏型的光电探测器，具有与光电倍增管类似的内部增益，具有更高的探测灵敏度，但是只能工作于光电

7、导模式。光电探测器工作性能参数相应度RI、RV——与波长有关RI=Ip/Pi；RV=Vp/Pi;RV=RI*Rd.外量子效率ηEηE=hυRI/q;ηE=1.24RI/λ暗电流Id——决定噪声特性宽禁带紫外光电探测器材料采用禁带较宽的材料可望在较短的波长上获得较好的响应。2eV以上的宽禁带半导体材料主要包括IV族的SiC和金刚石，III-V族的氮化物GaN、AlN、InN及其合金，以及不少II-VI族化合物及其合金对于紫外光电探测器，要充分抑制在可见光及红外光波段的响应。除需选用具有合适的禁带宽度的材料体系以充分利用自身的波长选择作用外，另一个重要的方面是必

8、须提高材料的晶体结构完整性，避免引入不必要的杂质短波