半导体光电材料课件.ppt

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1、同集成电路产业对半导体材料的依赖一样，光电材料是整个光电产业的基础和先导。主要的光电材料系统包括III-V族的化合物半导体光电材料、有机半导体光电材料、无机晶体和石英玻璃等。III-V族的元素可以任意组合形成许多化合物半导体材料，例如AlGaAs、InGaAsN等。晶格常数、禁带宽度和吸收/发射光波长是决定化合物半导体材料光电属性的3个最重要的参数。目前，大多数商用半导体光电器件由GaAs基,InP基和GaN基化合物半导体材料系统制成，广泛用于光通信网络、光电显示、光电存储、光电转换和光电探测等领域。第二章半导体光电材料2.1半导体光电材料与半导体电子或光电

2、子技术有关的元素列表IIIIIIVVVIAlSiPSZnGaGeAsSeCdInSbTeHg元素半导体：四价元素硅和锗——最常用，但其是间接禁带材料，发光效率低。不适合于做发光器件，可用于做光检测器二元化合物半导体：——GaAs，价带极大值和导带极小值对应同一k值的半导体直接禁带材料，发光效率高。三元化合物半导体：例如AlxGa1-xAs，与GaAs衬底晶格匹配得很好四元化合物半导体：例如In1-xGaxAs1-yPy其中满足条件y=2.16(1-x)的In1-xGaxAs1-yPy与InP衬底晶格匹配得很好，是目前光纤通信光源的主要材料由II、VI族元素组

3、成的化合物半导体在制作波长短于0.5微米以及长于5微米的发光器件时很有用.GaN、AlN、InN:宽带蓝光半导体发光器件主要有两种：一为Ⅱ—Ⅵ族，如ZnMgSTe/GaAs,3M和SONY公司工作最为出色，但目前寿命仍极短，室温连续工作寿命仅约300小时；二为GaN材料，它的困难在于没有合适的衬底，并且容易造成晶格失配，但是这种材料非常结实，即使有缺陷也不发展。由于存在严重的晶格失配问题，人们认为这种材料没有前途，各大公司研究一段时间后纷纷放弃了这种材料。但是日亚(Nichia)公司的中村修二(ShujiNakamura)，坚持研究独辟蹊径，出人意料地取得了

4、成功，使用GaN材料制作出长寿命高亮度的蓝光LED、LD。E-k（能量波矢）关系举例2.2异质结构所谓同质结，是指由单一半导体材料组成的PN结。这种结构LD的漏电流非常大，阈值电流密度非常高，约为1万A/cm2量级，通常必须工作在液氮温度下(77K)。由同一种半导体材料制成的pn结为同质结构。不同的半导体材料构成的晶体称为异质结构。指两种不同质地的晶体相接的界面，异质结构是指含有异质结的二层或二层以上的器件结构。分类：突变异质结（MOCVD、MBE）、缓变异质结同型异质结、异型异质结一个GaAs激光器的基本结构：这是一个异质结半导体激光器，其PN结是由GaA

5、s和GaAlAs两种不同材料构成。掺Si的n型Ga1-xAlxAs作为下限制层，厚度约为1－2m，起保护有源区和限制载流子和光的作用，掺杂浓度为；有源层为本征层GaAs不掺杂，如果不纯则可能降低发光效率；有源层之上是通过掺杂Be，Zn，Ge，Mg等杂质的p型Ga1-xAlxAs上限制层。由于金属和半导体之间有肖特基势场，导通电压较高，所以一般在上限制层之上加一重掺杂层(如图中的p+GaAs)，从而消除肖特基势垒，形成良好的欧姆接触，降低接触电阻。GaAs半导体激光器基本结构异质结则是由不同半导体材料组成的PN结，一般可分为单异质结(singlehetero

6、structure,SH)和双异质结(doublehetero-structure,DH)。由于DH结构对载流子的限制最好，目前LD基本上都采用DH结构。双异质结的作用如同一个水库，限制有源区载流子逃出，因而提高了有源区电子和空穴的浓度，并且可根据需要改变容量，使载流子浓度很容易地达到，从而使LD阈值电流密度下降，目前最好的阈值电流密度达到50A/cm2(注意早期的同质结激光器1万A/cm2水平)。除了对载流子的限制外，异质结还能形成对光的限制，折射率分布如下图所示。由于有源区折射率高，光也被束缚在有源区里面。晶格常数：半导体光(电)子器件一般要求材料之间形

7、成理想界面，微观上有完整的原子键合。两种材料在晶体结构上应尽量相近或相同，晶格常数应尽量匹配，否则在界面就会产生悬挂键，构成失配位错。在异质结构中，界面的失配位错会导致成核、增值并向晶体内部的传播，对材料的可靠性造成严重的威胁。此外，由悬挂键所造成的界面态，可能起到载流子陷阱或复合中心的作用，降低异质结器件的量子效率和使其它特性变坏。所以合理选择固溶体的组分，保证晶格匹配，对于半导体光(电)子器件的特性具有很重要的作用。不过也并非总是要求晶格匹配，在特定的情况下还需要一定范围内的失配。如果两种材料的晶格不匹配，热膨胀系数不同，那么在异质结构界面就会引入应力，

8、造成应变。它有两种形式：压应变和张应变。应变对晶体的