半導(dǎo)體光電材料 材物

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： 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GaN基激光器AlGaInP紅光激光器材料基本性能外延生長 AlGaInP基激光器8紅外波段量子阱激

4、光器材料短波長AlGaAs/GaAs激光器材料長波長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)刻蝕再生長自組織生長量子點(diǎn)非平面襯底上生長12半導(dǎo)體光電探測器基礎(chǔ)光電探測器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的器件半導(dǎo)體光電探測器分類：光電導(dǎo)型、光伏型13光電導(dǎo)型光電探測器半導(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)光電探測器本征光電導(dǎo)型中遠(yuǎn)紅外光電探測器非本征光電導(dǎo)型14光伏型光電探測器光伏型光電探測 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)行光電探測的器件。（如 光電池）光伏型光電探測器主要優(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器也是光伏型的光電探測器，具有與光電倍增管類似的內(nèi)部增益，具有更高的探測靈敏度 ，但是只能工作于光電導(dǎo)模式。15光電探測器工作性能參數(shù)相應(yīng)度RI、RV 與波長有關(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器材料采用禁帶較寬的材料可望在較短的波長上獲得較好的響應(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