《半導體器件物理》

Physics

and

Technology

of

ModerSemiconductor

Devices光電器件現(xiàn)代半導體器件物理與工藝光電器件1天津工業(yè)大學現(xiàn)代半導體器件物理與工藝本章內(nèi)容?輻射躍遷與光的吸收?發(fā)光二極管?半導體激光?光探測器?太陽能電池光電器件2天津工業(yè)大學現(xiàn)代半導體器件物理與工藝輻射躍遷光子和固體內(nèi)的電子之間有三種主要的相互作用過程：吸收、自發(fā)輻射、受激輻射。如圖為在一個原于內(nèi)的兩個能級E1和E2，其中E1相當于基態(tài)，E2相當于激發(fā)態(tài)，則在此兩能態(tài)之間的任何躍遷，都包含了光子的輻射或吸收，此光子的頻率為ν12，而hν12=E2-E1。室溫下，固體內(nèi)的大多數(shù)原子處于基態(tài)。此時若有一能量恰好等于hν12的光子撞擊此系統(tǒng)，則原本處于基態(tài)的原子將會吸收光子的能量而跑到激發(fā)態(tài)。這一過程稱為吸收過程。輻射躍遷和光的吸收光電器件3天津工業(yè)大學現(xiàn)代半導體器件物理與工藝在激發(fā)態(tài)中的原子是很不穩(wěn)定的，經(jīng)過短暫的時間后，不需要外來的激發(fā)，它就會跳回基態(tài)，并放出一個能量為hν12的光子，這個過程即稱為自發(fā)輻射[圖(b)]。當一能量為hν12的光子撞擊一原本在激發(fā)態(tài)的原子時[圖c]，此原子被激發(fā)后，會轉(zhuǎn)移到基態(tài)，并且放出一個與入射輻射同相位、能量為hν12的光子。這個過程即稱為受激輻射。由受激輻射所造成的輻射是單色的，因為每一個光子具有的能量都是hν12。同時，此輻射也是相干的，因為所有的光子都是同相位發(fā)射。輻射躍遷和光的吸收光電器件4天津工業(yè)大學現(xiàn)代半導體器件物理與工藝發(fā)光二極管的主要工作過程是自發(fā)輻射，激光二極管則

是受激輻射，而光探測器和太陽能電池的工作過程則是吸收。設能級E1和E2的電子分布分別是n1和n2。在熱平衡的條件下，若(E2-E1)＞3kT，根據(jù)玻爾茲曼分布其中負指數(shù)表示在熱平衡時n2小于n1，即大多數(shù)的電子是處于較低的能級。在穩(wěn)態(tài)時，受激輻射的速率(即單位時間內(nèi)受激輻射躍遷的次數(shù))和自發(fā)輻射的速率必須與吸收的速率達成平衡，以保持分布n1和n2不變。光電器件5天津工業(yè)大學現(xiàn)代半導體器件物理與工藝輻射躍遷和光的吸收受激輻射速率正比于光子場能量密度ρ(hν12)，此能量密度是在輻射場內(nèi)單位體積、單位頻率的總能量。因此，受激輻射速率可以寫成B21n2ρ

(hν12)。其中n2是較高能級的電子濃度，而B21則是比例常數(shù)。自發(fā)輻射速率只和較高能級的分布成正比，因此可以寫成A21n2，其中A21是常數(shù)。吸收速率則是正比于較低能級的電子分布及ρ(hν12)，此速率可以寫成B12n1ρ

(hν12)，其中B12是比例常數(shù)。因此在穩(wěn)態(tài)時由

受激輻射速率+

自發(fā)輻射速率=

吸收速率?得可見光電器件6天津工業(yè)大學現(xiàn)代半導體器件物理與工藝輻射躍遷和光的吸收欲使受激輻射大于自發(fā)輻射，必須要有很大的光子場能量密度ρ(hν12)。為了達到這樣的密度，可以用一光學共振腔來提高光子場。假如光子的受激輻射大于光子的吸收，則電子在較高能

級的濃度會大于在較低能級的濃度。這種情況稱為分布反轉(zhuǎn)，因其與平衡條件下的情況恰好相反。粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是激光產(chǎn)生

的必要條件，有許多種方法可以得到很大的光子場能量密度

以達到分布反轉(zhuǎn)。受激輻射遠比自發(fā)輻射和吸收來得重要。輻射躍遷和光的吸收光電器件7天津工業(yè)大學現(xiàn)代半導體器件物理與工藝假設半導體被一光子hν能量大于Eg且光子通量為Φ0(即每秒每平方厘米所具有的光子數(shù))的光源照射，當此光子通量進入半導體時，光子被吸收的比例是與通量的強度成正比。因此，在一增量距離Δx[圖(a)]內(nèi)，被吸收的光子數(shù)目為αΦ(x)Δx，其中α稱為吸收系數(shù)，由光子通量的連續(xù)性可得負號表示由于吸收作用，導致光于通量強度減少。代入邊界條件，當x=0時，Φ(x)=Φ0可得上式的解為輻射躍遷和光的吸收光電器件9天津工業(yè)大學現(xiàn)代半導體器件物理與工藝當hν<Eg時，會抑制本征吸收。當x＝W[圖(b)]時，由半導體的另一端出射的光子通量為吸收系數(shù)α是hν的函數(shù)，也同λ有關。右下圖為幾種應用于光電器件的重要半導體的光吸收系數(shù)，其中以虛線表示的是非晶硅，它是制造太陽能電池的重要材料。在截止波長λc時，吸收系數(shù)會迅速地減小，亦即因為光的本征吸收在hν<Eg或λ>λc時變得微不足道輻射躍遷和光的吸收光電器件10天津工業(yè)大學現(xiàn)代半導體器件物理與工藝發(fā)光二極管(LED)是一種p-n結(jié)，它能在紫外光、可見光或紅外光區(qū)域輻射自發(fā)輻射光?？梢姽釲ED被大量用于各種電子儀器設備與使用者之間的信息傳送。而紅外光IED則應用于光隔離及光纖通訊方面。可見光發(fā)光二極管：由于人眼只對光子能量hν≥1.8eV

(λ≤0.7μm)的光線感光，因此所選擇的半導體，其禁帶寬度必須大于此極限值（Eg≥1.8eV

）。右圖標示了幾種半導體的禁帶寬度值。發(fā)光二極管光電器件12天津工業(yè)大學現(xiàn)代半導體器件物理與工藝材料波長／nmIn

As

Sb

P／In

As4200In

As3800Ga

In

As

P/

Ga

Sb2000Ga

Sb1800Gax

In

1

-

x

As

1

-

y

Py1100

~

1600Ga

0

.

4

7

In

0

.

5

3

As1550Ga

0

.

2

7

In

0

.

7

3

As

0

.

6

3

P

0

.

3

71300Ga

As:

Er,

In

P:

Er1540Si:

C1300Ga

As:

Yb,

In

P:

Yb1000Alx

Ga

1

-

x

As:

Si650

~

940Ga

As:

Si940Al

0

.

1

1Ga

0

.

89

As:Si830Al

0

.4

Ga

0

.6

As:

Si650Ga

As

0

.

6

P

0

.

4660Ga

As

0

.

4

P

0

.

6620Ga

As

0

.

1

5

P

0

.

8

5590(

Alx

Ga

1

-

x

)

0

.

5

In

0

.

5

P655Ga

P690Ga

P:

N550

~

570Gax

In

1

-

x

N340

,

430

,

590現(xiàn)代半導體器S

i件C

物理與工藝400

~

460光電器件13天津工業(yè)大學下表列出了用來在可見光與紅外光譜區(qū)產(chǎn)生光源的半導體。在所列出的半導體材料中，對于可見光LED而言，最重要的是GaAs1-yPy與Ga

In N合金的Ⅲ-Vx 1-x族化合物系統(tǒng)。發(fā)光二極管右圖表示GaAs1-yPy的禁帶寬度是物質(zhì)的量的比y的函數(shù)。當0＜y＜0.45時，它屬于直接禁帶半導體，由y=0時的Eg=1.424eV，增加到y(tǒng)=0.45時的1.977eV。當y＞0.45時，則屬于間接禁帶半導體。發(fā)光二極管光電器件14天津工業(yè)大學現(xiàn)代半導體器件物理與工藝右圖表示幾種合金成分的能量-動量圖。導帶有兩個極小值，一個沿著p=0的是直接極小值，另一個沿著p=pmax的是間接極小值。位于導帶直接極小值的電子及位于價帶頂部的空穴具有相同的動量(p=0)；而位于導帶間接極小值的電子及位于價帶頂部的空穴則具有不同的動量。輻射躍遷機制大部分發(fā)生于直接禁帶的半導體中，如砷化鎵及GaAs1-yPy(y<0.45)，因其可以保持動量守恒。光子能量等于半導體的禁帶寬度。發(fā)光二極管光電器件15天津工業(yè)大學現(xiàn)代半導體器件物理與工藝對于y大于0.45的GaAs1-yPy及磷化鎵，它們都是間接禁帶半導體，其發(fā)生輻射躍遷的幾率非常小，因為晶格的交互作用或其他散射媒介必須參與過程以保持動量守恒。常常通過引進一些特殊的復合中心以增加輻射幾率。如對GaAs1-yPy而言，將氮引入晶格取代磷原子后，雖然二者的外圍電子結(jié)構(gòu)很相似，但它們的核心結(jié)構(gòu)卻不太相同，因此會在接近導帶底部的位置建立一個電子陷阱能級，進而產(chǎn)生了一個等電子復合中心，并大大地提高間接禁帶半導體的輻射躍遷幾率。發(fā)光二極管光電器件16天津工業(yè)大學現(xiàn)代半導體器件物理與工藝至于高亮度的藍光LED(0.455μm-0.492μm)方面，已經(jīng)被研究的材料有：Ⅱ-Ⅵ族化合物的硒化鋅(ZnSe)，Ⅲ-Ⅴ族氮化物半導體的氮化

(GaN)、Ⅳ-IV族化合物的碳化硅(SiC)．然而，Ⅱ-Ⅵ的壽命太短，以致至今尚不能商品化；碳化硅也因其為間接禁帶，致使其發(fā)出的藍光亮度太低，也不具吸引力。目前最有希望的材料是氮化鎵

(Eg=3.44eV)和相關的Ⅲ-V族氮化物半導體，如AlGaInN，其直接禁帶范圍由

1.95eV至6.2eV。發(fā)光二極管光電器件18天津工業(yè)大學現(xiàn)代半導體器件物理與工藝雖然沒有晶格相匹配的襯底可供GaN生長，但是低溫生長的

AlN做緩沖層，即可在藍寶石(Al2O3)上生長高品質(zhì)的GaN。右圖即為生長在藍寶石襯底上的Ⅲ-Ⅴ族氮化物LED。因為藍寶石襯底

是絕緣體，所以p型與

n型的歐姆接觸都必須形成在上表面。藍光

產(chǎn)生于GaxIn1-xN區(qū)域

的輻射性復合作用，

而GaxIn1-xN如三明治

般被夾于兩個較大禁

帶寬度的半導體之間：一個是p型的AlxGa1-xN層，一個是n型的GaN層。發(fā)光二極管光電器件19天津工業(yè)大學現(xiàn)代半導體器件物理與工藝有三種損耗機制會減少光子輻射的數(shù)量：①LED材料內(nèi)的吸收作用；②當光通過半導體進入空氣時，由于折射率的差異所引起的反射損失；③大于臨界角θc的內(nèi)部總反射損失。由

斯涅耳定律有：其中光線是從折射率為n2(如砷化鎵在λ≈0.8μm時，

n2=3.66)的介質(zhì)進入到折射為n1(如空氣n1=1)的介質(zhì)．砷化稼

的臨界角約為16o；而磷化鎵(在λ≈0.8μm，n2=3.45)的臨界角約為17o。發(fā)光二極管光電器件20天津工業(yè)大學現(xiàn)代半導體器件物理與工藝LED的正向電流-電壓特性近似于砷化鎵p-n結(jié)．在低正向偏壓時，二極管的電流是以非輻射性的復合電流為主，它主要是由LED芯片周圍的表面復合所引起。在高正向偏壓時，二極管的電流則是以輻射性擴散電流為主。在更高的偏壓時，二極管電流將被串聯(lián)電阻所限制。二極管的總電流可以寫成其中Rs為器件的串聯(lián)電阻，而Id及Ir則是分別由擴散及復合所引起的飽和電流?？梢?，為了增加LED的輸出功率，必須減小Ir及Rs。發(fā)光二極管光電器件21天津工業(yè)大學現(xiàn)代半導體器件物理與工藝LED的發(fā)射光譜近似于人眼反應曲線。光譜的寬度是以強度半峰值時的全寬度(FWHM，半高寬)為準。光譜寬度一般是隨著λm2

變化，其中λm是強度為峰值時的波長。所以當波長由可見光進入紅外光時，F(xiàn)WHM將會

增大。例如，在

λm=0.55μm(綠光)時FWHM大約為

20nm，但在0.3μm(紅外光)時，

FWHM將超過

120nm。光電器件22天津工業(yè)大學現(xiàn)代半導體器件物理與工藝發(fā)光二極管可見光LED可用于全彩顯示器、全彩指示器以及燈具而不失其高效率與高可靠性。下圖為兩種LED燈具的構(gòu)造圖。每一LED燈具包含一個LED芯片及一個著色的塑膠鏡頭作為濾光鏡并增加其對比效果．圖(a)中的燈具是使用傳統(tǒng)的二極管頭座，而圖(b)則顯示了適用于透明性半導體(如磷化鎵)的包裝，它可通過LED芯片的五個面(四個在側(cè)邊，一個在頂部)發(fā)光。發(fā)光二極管光電器件23天津工業(yè)大學現(xiàn)代半導體器件物理與工藝人們對于發(fā)展白光LED以供一般照明之用一直保持著極大興趣，因為LED的效率是白熾燈泡的3倍，而且可以維持10倍長的壽命。白光LED需要紅、綠、藍三種顏色的LED。當

這些顏色LED(尤其是藍光LED)的成本能夠降至與傳統(tǒng)光源相當時，白光LED的廣泛使用就可實現(xiàn)。以上僅介紹由無機半導體材料(如GaAsP與GaN)所制造的器件。近年來，人們已著手研究某些有機半導體材料在電致

發(fā)光上的應用。因為有機發(fā)光二極管(OLED)具有低功率消耗、優(yōu)異的輻射品質(zhì)與寬視角等特性，使它在大面積彩色平面顯

示器上特別有用。光電器件24天津工業(yè)大學現(xiàn)代半導體器件物理與工藝發(fā)光二極管圖(a)為兩種典型的有機半導體材料的分子結(jié)構(gòu)圖。一個是含有六個苯環(huán)，連接至中心鋁分子的AlQ3(羥基喹啉酸鋁)，另一個是同樣含有六個苯環(huán)，但具有不同分子排列的芳香性二胺?；镜腛LED是在透明襯底(如玻璃)上淀積數(shù)層薄膜。從襯底的位置往上依次是：透明導電陽極、作為空穴輸運層的二胺、作為電子輸運層的AlQ3以及陰極接觸，其截面圖如圖

(b)所示。發(fā)光二極管光電器件25天津工業(yè)大學現(xiàn)代半導體器件物理與工藝紅外光發(fā)光二極管紅外光LED包括砷化鎵LED(它發(fā)出的光接近0.9μm)與許多Ⅲ-V族化合物，如四元的GaxIn1-xAsyP1-y

LED(它發(fā)出的光的波長1.1μm

~1.6

μm)。紅外光LED的一種重要應用是作為輸入(或控制信號)與輸出信號去耦之用的光隔離器。右圖所示為一光隔離器，紅外光LED作為光源，光電二極管作為

探測器。當輸入信號送到LED時，LED會產(chǎn)生光線，被光電二極管

探測到后轉(zhuǎn)換成電信號，以電流的形式流過一負載電阻。因為從輸出端無電性作用反饋到輸入端，所以是電隔離的。發(fā)光二極管光電器件26天津工業(yè)大學現(xiàn)代半導體器件物理與工藝紅外光LED的另一個重要應用是在通信系統(tǒng)中通過光纖來輸運光的信號。右圖表示一種簡單的點對點光

纖通信系統(tǒng)，利

用一個光源(LED或激光)可將電的輸入信號轉(zhuǎn)變成

光的信號。這些

光的信號被導入

光纖并輸運到光

探測器，然后再

轉(zhuǎn)換回電的信號。發(fā)光二極管光電器件27天津工業(yè)大學現(xiàn)代半導體器件物理與工藝下圖所示為一種用于光纖通信的表面發(fā)射紅外光GaInAsPLED。光線由表面的中央?yún)^(qū)域發(fā)出，并導入光纖內(nèi)。利用異質(zhì)結(jié)(如

GaInAsP-InP)可以提高效率，因為環(huán)繞在輻射性輻射區(qū)GaInAsP周圍具有高約束的半導體InP會有約束載流子的作用。異質(zhì)結(jié)亦可作為輻射線的光窗，因為高禁帶寬度約束層不會吸收從低禁帶寬度輻射區(qū)發(fā)出的輻射線。發(fā)光二極管光電器件28天津工業(yè)大學現(xiàn)代半導體器件物理與工藝半導體激光和固態(tài)紅寶石激光及氦氖氣體激光很相似，它們都能發(fā)出方向性很強的單色光束。不同之處在于半導體激光較其他激光體積小(長度約只有0.1mm)，而且在高頻時易于調(diào)制，只需要調(diào)節(jié)偏電流即可。由于這些特性，所以半導體激光是光纖通信中最重要得光源之一。它可以應用于錄像機，光學刻錄機及高速激光打印機等。除此之外，它還廣泛用于許多基礎研究與技術領域，如高分辨率氣體光譜學及大氣污染監(jiān)測等。激光半導體材料所有會發(fā)出激光的半導體材料都具有直接禁帶，這是可以理解的。因為直接禁帶半導體的動量守恒，因此有較高的輻射性躍遷幾率。目前的激光波長涵蓋范圍可從0.3μm到超過30μm。砷化鎵是最先被發(fā)現(xiàn)可發(fā)出激光的材料，故與它相關連的Ⅲ-V族化合物合金也受到了廣泛的研究。光電器件29天津工業(yè)大學現(xiàn)代半導體器件物理與工藝半導體激光異質(zhì)結(jié)的各種材料間的失配率越小，得到的界面陷阱就越少，表面復合損耗就越少。最重要的三種Ⅲ-V族化合物合金系統(tǒng)是GaxIn1-xAsyP1-y、GaxIn1-xAsySb1-y和AlxGa1-xAsySb1-y。下圖所示為Ⅲ-V族二元，三元及四元化合物的禁帶寬度與晶格常數(shù)的關系。若要做出可忽略界面陷阱的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，則必須使兩種半導體材料的晶格能緊密地匹配在一起。如果使用

GaAs(a=0.56533nm)作為襯底，則三元化合物AlxGa1-xAs的晶格不匹配會小于0.1％．同樣的，若使用InP

(a=0.58687nm)作為襯底，則四元化合物GaxIn1-xAsyP1-y也可以達到很完美的晶格匹配。半導體激光光電器件30天津工業(yè)大學現(xiàn)代半導體器件物理與工藝圖(a)表示三元化合物AlxGa1-xAs的禁帶寬度是鋁成分的函數(shù)。在x＜0.45時，此合金為直接禁帶半導體，超過此值后則變成間接禁帶半導體。圖(b)顯示折射率與鋁成分的關系。當x=0.3時，AlxGa1-xAs的禁帶寬度為1.789eV，它比GaAs大了0.365eV，而其折射率為3.385，比GaAs小了6％。這些都是在室溫或高于室

溫的環(huán)境下，半導體激光

作連續(xù)工作時的重要特性。半導體激光光電器件31天津工業(yè)大學現(xiàn)代半導體器件物理與工藝激光的工作原理分布反轉(zhuǎn):為了增強激光工作所需的受激輻射，需要分布反轉(zhuǎn)（必要條件）?？紤]簡并型半導體間形成的p-n結(jié)或異質(zhì)結(jié)。這表示在結(jié)兩端的摻雜能級甚高，以致于在p型區(qū)的費米能級EFV比價帶的邊

緣還低，而在n型區(qū)的費米能級EFC則高于

導帶的邊緣，如圖。當外加一足夠大的偏

壓時，會產(chǎn)生大注入的情況，亦即會有很

高濃度的電子與空穴注入轉(zhuǎn)移。結(jié)果在d區(qū)域中，導帶有大量的電子而價帶則擁有大量的空穴，這就是分布反轉(zhuǎn)所需的條件。即：光電器件32天津工業(yè)大學現(xiàn)代半導體器件物理與工藝半導體激光載流子與光學約束:如雙異質(zhì)結(jié)激光所示，由于雙異質(zhì)結(jié)勢壘而使載流子在有源區(qū)的兩端都被約束住，而同質(zhì)結(jié)激光的載流子則可離開發(fā)生輻射性復合的有源區(qū)。在雙異質(zhì)結(jié)激光中，由于有源區(qū)外面的折射率驟然減小，會造成光場被約束在有源區(qū)內(nèi).右圖是一個三層介質(zhì)的波導管，

其折射率分別為n1,n2和n3，其中有源層如三明治般被夾在兩個約束層之間(a)。在n2>n1>n3的條件下，第一層和第二層界面(b)的光線角度θ12超過臨界角。而第二層和第三層界面間的θ23也有相似

的情況發(fā)生。因此當有源層的折射率大于周圍的折射率時，光學輻射就被導引(約束)在與各層界面平行的方向上．半導體激光光電器件33天津工業(yè)大學現(xiàn)代半導體器件物理與工藝定義約束因子為在有源區(qū)內(nèi)的光強度對有源區(qū)內(nèi)外光強度總和的比例，其大小可表示為其中C為常數(shù)，Δn為折射率之差，d為有源層的厚度。顯然，Δn與d愈大，約束因子就愈高。光學腔與反饋：使激光作用的必需條件為分布反轉(zhuǎn)。只要分布反轉(zhuǎn)的條件持續(xù)存在，通過受激輻射放出的光子就有可能引發(fā)更多的受激輻射。這就是光增益的現(xiàn)象。光電器件34天津工業(yè)大學現(xiàn)代半導體器件物理與工藝半導體激光光波沿著激光腔作單程傳導所獲得的增益是很小的。為了提高增益，必須使光波作多次傳播，可以用鏡面置于腔的兩端來實現(xiàn)，如圖(a)左右兩側(cè)所示的反射面。對于半導體激光而言，構(gòu)成器件的晶體的劈裂面可以作為此鏡面。如沿著砷化鎵器件的(110)面劈開，可以產(chǎn)生兩面平行，完全相同的鏡面。有時候激光的背部鏡面會予以金屬化，以提高其反射率。每一鏡面的反射率R可算出為其中n為半導體對應于波長λ的折射率（通常n為λ的函數(shù)）。光電器件35天津工業(yè)大學現(xiàn)代半導體器件物理與工藝半導體激光如果兩鏡面間的距離恰好是半波長的整數(shù)倍時，增強且相干的光會在腔中被來回地反射。因此對受激輻射而言，腔的長度L必須滿足下述條件：即其中，m為一整數(shù)。顯然，有許多的λ值可以滿足條件[圖(a)]，但只有那些落在自發(fā)輻射光譜內(nèi)的值會被采用[圖(b)]。而且，光波在傳播中的衰減，意味著只有最強的譜線會殘留，導致如圖(c)所示的一組發(fā)光模式。半導體激光光電器件36天津工業(yè)大學現(xiàn)代半導體器件物理與工藝基本的激光器結(jié)構(gòu)：下圖所示為三種激光器的結(jié)構(gòu)。圖(a)為基本的p-n結(jié)激光，稱為同質(zhì)結(jié)激光(GaAs)。沿著垂直于＜110＞軸的方向劈成一對平行面，外加適當?shù)钠珘簵l件時，激光就能從這些平面發(fā)射出來(圖中僅示出前

半面的發(fā)射)。二極管的另外兩側(cè)則加以粗糙化處理，以消除激光從這兩側(cè)射出的機會，這種結(jié)構(gòu)稱法布里-波羅腔，其典型的腔長度L約300μm，法布里-波羅腔結(jié)構(gòu)被廣泛地應用在近代的半導體激光器中。半導體激光光電器件38天津工業(yè)大學現(xiàn)代半導體器件物理與工藝圖(b)是雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)(DH)激光，此結(jié)構(gòu)類似于三明治。有一層很薄的半導體(如GaAs)被另一種不同的半導體(如AlxGa1-xAs)所包夾。圖(a)及圖(b)所示的激光結(jié)構(gòu)為大面積激光，因為沿著結(jié)的整個區(qū)

域皆可發(fā)出激光。圖(c)是長條形的

DH激光，它除了長條接觸區(qū)域外，

皆由氧化層予以絕緣隔離，所以激

光發(fā)射的區(qū)域就約束在長條狀接觸

下面狹窄的范圍。典型的條狀區(qū)寬

度s約5至30μm。此長條形狀的優(yōu)點包括低工作電流、消除沿著結(jié)處的

多重發(fā)射區(qū)域以及因除掉大部分結(jié)

周圍區(qū)域而提高可靠度。半導體激光光電器件39天津工業(yè)大學現(xiàn)代半導體器件物理與工藝域值電流密度：激光工作中最重要的參數(shù)之一是域值電流密度Jth，亦即產(chǎn)生激光所需的最小電流密度。下圖比較同質(zhì)結(jié)激光與DH激光的

域值電流密度Jth與工作溫度的關系。值得注意的是，當溫度增加時，DH激光

增加的速率遠低于同質(zhì)結(jié)激光增加的速率。由于DH激光在300K具有

低值，所以DH激光可

以在室溫下連續(xù)工作．這樣的特性增加了半導體激光的應用范圍，尤其是在光纖通信系統(tǒng)

中。半導體激光光電器件40天津工業(yè)大學現(xiàn)代半導體器件物理與工藝在半導體激光中的增益g是每單位長度的光能通量增加量，它與

電流密度有關。增益g可表示為額定電流密度Jnom的函數(shù)，它定義為在單一量子效率(即每個光子所產(chǎn)生的載流子數(shù)目，η=1)下均勻地激發(fā)1μm厚的有源層所需要的電流密度。實際的電流密度為其中d是有源層的厚度，以μm為單位。右圖表示一

典型砷化鎵DH激光的增益

計算值。在50cm-1≤g≤400cm-1內(nèi)，增益是隨著

Jnom成線性增加的。圖中直的虛線可以寫成其中g0/J0=5×10-2cm·μm/A，而J0=4.5×103A/(cm2·μm)。半導體激光光電器件41天津工業(yè)大學現(xiàn)代半導體器件物理與工藝將與其中J0d/(g0ηΓ)項常寫為1/β，而β即增益因子。為了降低Jth，必須增大η、Γ、L、R及減小d、α。結(jié)合，而得出域值電流密度為和半導體激光光電器件43天津工業(yè)大學現(xiàn)代半導體器件物理與工藝例5：試求出激光二極管的域值電流。已知前方與后方鏡面的反射率分別為0.44與0.99，光學腔的長度與寬度分別為300

μm與5

μm，α=100cm-1，β=0.1cm-3·A-1，g0=100cm-1，Γ=0.9解：由于兩鏡面的不同的反射率，上式可修改成所以光電器件44天津工業(yè)大學現(xiàn)代半導體器件物理與工藝半導體激光一般情況下，都希望激光器工作在室溫左右。溫度效應：下圖表示一連續(xù)波(cw)長條狀AlxGa1-xAs-GaAs

DH激光的域值電流與溫度的關系。圖a顯示當溫度在25℃至115℃之間變化時，cw的光輸出與注入電流的關系，注意此光-電流曲線的完美線性關系。在一定溫度下的域值電流值是在輸出功率為零時的補差值。圖b則是域值電流對溫度的關系圖。此域值電流隨溫度呈指數(shù)增加，即Ith~exp(T/T0)其中T是溫度，以℃為單位。而對此激光，T0是110℃。半導體激光光電器件45天津工業(yè)大學現(xiàn)代半導體器件物理與工藝光探測器是一種能夠?qū)⒐獾男盘栟D(zhuǎn)換為電信號的半導體器件。光探測

器的工作包括三個步驟：①由入射光產(chǎn)生載流子；②通過任何可行的電流增益機制，使載流子傳導及倍增；③電流與外部電路相互作用，以提供輸出

信號。光探測器廣泛應用于包括光隔離器的紅外傳感器以及光纖通信的探測器。在這些應用中，光探測器必須在所工作的波長中具有高靈敏度、高響應速度及低噪聲。另外，光探測器必須輕薄短小、使用低電壓或低電流，并具有高可靠度。光敏電阻光敏電阻包含一個簡單的半導體平板，而在平板兩端則具有歐姆接觸，如圖。當入射光照到光敏電阻表面時，會發(fā)生從能帶到能帶(本征)或包含禁帶能級的躍遷(非本征)，從而產(chǎn)生電子-空穴對，導致電導率增加。光探測器光電器件46天津工業(yè)大學現(xiàn)代半導體器件物理與工藝載流子的衰減情況符合下面的指數(shù)規(guī)律。另外，由載流子的壽命以及濃度可表示出復合率。在本征光敏電阻中，電導率為而在光照射下，電導率的增加主要由于載流子數(shù)目的增加而引起的。本征光敏電阻的長截止波長可由λc=1.24/Eg決定。在非本征光敏電阻中，能帶邊緣及禁帶內(nèi)的能級之間也會產(chǎn)生光激發(fā)。在此情況下，長截止波長則決定于禁帶能級的深度?？紤]光敏電阻在光照射下的工作，在t=0時，單位體積內(nèi)由光通量所產(chǎn)生的載流子數(shù)是n0．經(jīng)過一段時間后，載流子數(shù)目n在相同的體積內(nèi)由于復合而衰減為其中τ是載流子的壽命。由上式可以得復合率為：光探測器光電器件47天津工業(yè)大學現(xiàn)代半導體器件物理與工藝假設一穩(wěn)定的光通量均勻打在面積A=WL的光敏電阻表面上，單位時間內(nèi)到達表面的全部光子數(shù)目為Popt/(hν)，其中Popt是射入光的功率，hν是光子能量，在穩(wěn)態(tài)時，載流子產(chǎn)生率G=復合率n/τ

。假如探測器的厚度D遠大于光穿透深度1/α，則每單位體積內(nèi)全部的穩(wěn)態(tài)載流子產(chǎn)生率為其中η是量子效率，亦即每個光子產(chǎn)生載流子的數(shù)目；n是載流子濃度，亦即每單位體積內(nèi)載流子的數(shù)目。在電極間流動的光電流為其中E是光敏電路內(nèi)的電場，而vd是載流子漂移速度。將前式的n代入上式可得光探測器光電器件48天津工業(yè)大學現(xiàn)代半導體器件物理與工藝光電流增益的大小決定了該光電探測器的靈敏性。若我們定義原來的產(chǎn)生的光電流為則光電流增益G為為載流子渡越時間。而增益則與載流子壽命對渡越時間其中之比有關。對于少數(shù)載流子壽命很長且電極間的距離很小的樣品，其增益會大于1。某些光敏電阻的增益甚至可高達106。而光敏電阻的響應時間是由渡越時間

tr來決定。為了達到短的渡越時間，必須使用很小的電極間距及強電場。一般光敏電阻的響應時間為10-3s~10-10s，它們被大量應用于紅外光偵測，尤其是波長大于幾微米以上的區(qū)域。光電器件49天津工業(yè)大學現(xiàn)代半導體器件物理與工藝光探測器例7：試計算當5×1012個光子/s打在η=0.8的光敏電阻表面時的光電流與增益。少數(shù)載流子的壽命為0.5ns，且此器件的μn=2500cm2/(V·s)，E＝5000V/cm，L=10μm。解:由式得因此光探測器光電器件50天津工業(yè)大學現(xiàn)代半導體器件物理與工藝光電二極管基本上是一個工作于反向偏壓的p-n結(jié)或金屬-半導體接觸。由光產(chǎn)生的電子-空穴對在耗盡區(qū)內(nèi)建電場的作用下分離，因此有電流流至外部電路。為了能在高頻下工作，耗盡區(qū)必須盡可能地變薄以減少渡越時

間。另一方面，為了增加量子效率，耗盡層必須足夠厚，以使大部分入射

光都被吸收，因此在響應速度與量子效率之間必須有所取舍。一、量子效率η：每個入射光子所產(chǎn)生的電子-空穴對數(shù)目.決定η的重要因素之一是吸收系數(shù)α。因為α和波長有強烈的依賴關系，能產(chǎn)生可

觀的光電流的波長范圍是有限的。長截止波長λc是由禁帶寬度決定的，當波長大于λc時，

α值太小，以致無法造成明顯的本征吸收。

至于光響應的短截止波長，則是由于短波長的α值很大(約105cm-1)，大部分的輻射在表面附近就被吸收，且其復合時間甚小，導致光載流子在被p-n結(jié)收集以前就會發(fā)生復合。每一種材料對光響應存在一個合適的范圍光電二極管光電器件51天津工業(yè)大學現(xiàn)代半導體器件物理與工藝下圖是一些高速光電二極管的典型的量子效率與波長的關系。注意，在紫外光及可見光區(qū)域內(nèi)，金屬-半導體光電二極管具有良好的量子效率。在近紅外光區(qū)時，硅光電二極管(具有抗反射層)在0.8至0.9附近，可達到100％光電二極管2040608010000.10.20.4

0.61l

/m

m246

810Si光電器件52天津