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1、突變結(jié):在交界面處,雜質(zhì)濃度由NA(p型)突變?yōu)镹D(n型),具有這種雜質(zhì)分布的p-n 結(jié)稱為突變結(jié)。緩變結(jié):雜質(zhì)濃度從p區(qū)到n區(qū)是逐漸變化的,通常稱為緩變結(jié)。突變結(jié)、緩變結(jié):按照過(guò)度區(qū)空間電荷分布情況及厚度的不同,前者厚度只有幾個(gè)晶格常數(shù)大小,而后者可達(dá)幾個(gè)載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度。p-n結(jié)的形成過(guò)程 當(dāng)本征半導(dǎo)體的兩邊分別摻雜不同類型的雜質(zhì)時(shí),由于濃度差的作用,n區(qū)的多數(shù)載流子電子和p區(qū)的多數(shù)載流子空穴分別向p區(qū)和n區(qū)擴(kuò)散。這樣在p區(qū)和n區(qū)的分界面附近,n區(qū)由于電子擴(kuò)散到p區(qū)而留下不能移動(dòng)的正離子,p區(qū)由于空穴擴(kuò)散到n區(qū)而留下不能移動(dòng)的負(fù)離子。這些不能移動(dòng)的正負(fù)離子在分界面附近形成一個(gè)電場(chǎng)E0,稱為
2、內(nèi)置電場(chǎng)。內(nèi)置電場(chǎng)的方向是從n區(qū)指向p區(qū),阻礙著電子和空穴的擴(kuò)散,它使n區(qū)的少數(shù)載流子空穴和p區(qū)的少數(shù)載流子電子分別向p區(qū)和n區(qū)作漂移運(yùn)動(dòng),當(dāng)擴(kuò)散的載流子數(shù)等于漂移的載流子數(shù)時(shí),達(dá)到了動(dòng)態(tài)平衡。這時(shí)在分界面附近形成了穩(wěn)定的正負(fù)離子區(qū),即p-n結(jié),也稱為空間電荷區(qū)(space charge region),或耗散區(qū)(depletion region)。 空間電荷空間電荷區(qū)在整個(gè)半導(dǎo)體中,在耗散區(qū)存在由正離子區(qū)指向負(fù)離子區(qū)的電場(chǎng),這就使得耗散區(qū)出現(xiàn)電勢(shì)的變化,形成p區(qū)和n區(qū)之間的電勢(shì)差V0。n區(qū)的電勢(shì)大于p區(qū)的電勢(shì)。因此,對(duì)空穴來(lái)說(shuō),n區(qū)的勢(shì)能大于p區(qū)的勢(shì)能,形成了一個(gè)勢(shì)壘eV0,這使得空穴只能在
3、p區(qū),不能到達(dá)n區(qū)。對(duì)電子來(lái)說(shuō),p區(qū)的勢(shì)能大于n區(qū)的勢(shì)能,也形成了一個(gè)勢(shì)壘eV0,使得電子只能在n區(qū),不能到達(dá)p區(qū)。整個(gè)半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)如圖所示。這個(gè)能帶圖是以電子能量為參照的。 內(nèi)建電場(chǎng)電勢(shì)差VD平衡P-N結(jié)的能帶圖 N型、P型半導(dǎo)體的能帶圖,圖中EFn和EFp分別表示N型和P型半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)。 EFn高于EFp表明兩種半導(dǎo)體中的電子填充能帶的水平不同。 當(dāng)兩塊半導(dǎo)體結(jié)合形成P-N結(jié)時(shí),按照費(fèi)米能級(jí)的意義(即電子在不同能態(tài)上的填充水平),電子將從費(fèi)米能級(jí)高的N區(qū)流向費(fèi)米能級(jí)低的P區(qū),空穴則從P區(qū)流向N區(qū)。因而EFn不斷下移,而EFp不斷上移,直至EFn=EFp。 這時(shí),P-N結(jié)中有統(tǒng)一的費(fèi)
4、米能級(jí)EF,P-N結(jié)處于平衡狀態(tài),其能帶圖如圖所示。 能帶相對(duì)移動(dòng)的原因是P-N結(jié)空間電荷區(qū)中存在內(nèi)建電場(chǎng)的結(jié)果。 由于整個(gè)半導(dǎo)體處于平衡狀態(tài),因此在半導(dǎo)體內(nèi)各處的Fermi能級(jí)是一樣的。可以看到,這時(shí)由于勢(shì)壘的存在,電子和空穴也沒(méi)有機(jī)會(huì)復(fù)合如果一個(gè)半導(dǎo)體的兩端加一個(gè)電壓,由于電場(chǎng)的作用,使得能帶整體沿著電場(chǎng)方向傾斜。電子和空穴的勢(shì)能也發(fā)生變化,電子勢(shì)能逆著電場(chǎng)方向降低,而空穴勢(shì)能順著電場(chǎng)方向降低。所以電子和空穴向兩個(gè)相反方向移動(dòng)。正向偏壓勢(shì)壘區(qū)內(nèi)載流子濃度很小,電阻很大,勢(shì)壘區(qū)外的P區(qū)和N區(qū)中載流子濃度很大,電阻很小,所以外加正向偏壓基本降落在勢(shì)壘區(qū)。一、非平衡狀態(tài)下的pn結(jié)1、外加電壓下,
5、pn結(jié)勢(shì)壘的變化及載流子的運(yùn)動(dòng)。P-N結(jié)加正向偏壓V(即P區(qū)接電源正極,N區(qū)接負(fù)極)正向偏壓在勢(shì)壘區(qū)中產(chǎn)生了與內(nèi)建電場(chǎng)方向相反的電場(chǎng),因而減弱了勢(shì)壘區(qū)中的電場(chǎng)強(qiáng)度,這就表明空間電荷相應(yīng)減少。故勢(shì)壘區(qū)的寬度也減小,同時(shí)勢(shì)壘高度從qVD下降為q(VD-V)。 勢(shì)壘區(qū)電場(chǎng)減弱,破壞了載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)之間的平衡,削弱了漂移運(yùn)動(dòng),使擴(kuò)散電流大于漂移電流。 所以在加正向偏壓時(shí),產(chǎn)生了電子從N區(qū)向P區(qū)以及空穴從P區(qū)到N區(qū)的凈擴(kuò)散電流。 由于pn結(jié)阻礙多數(shù)載流子的定向移動(dòng),因此從電路性質(zhì)看,它是高阻區(qū)。如果在半導(dǎo)體兩端有外加電壓,那么電壓基本上都施加在pn結(jié)上?,F(xiàn)在在半導(dǎo)體加一個(gè)電壓V,p區(qū)結(jié)電源正
6、極,n區(qū)接負(fù)極,形成正向偏置。外加電壓基本上都施加在pn結(jié)上,這也等于在pn上施加一個(gè)外加電場(chǎng)E。外加電場(chǎng)的方向與內(nèi)置電場(chǎng)E0的方向相反,總電場(chǎng)E0-E比原來(lái)的電場(chǎng)小了。這削弱了電子和空穴的勢(shì)壘,由原來(lái)的eV0變?yōu)閑(V0-V)。同時(shí)空間電荷區(qū)寬度變窄,由原來(lái)的w0變?yōu)閣。這就使得n區(qū)的電子比較容易克服勢(shì)壘而擴(kuò)散到p區(qū),同時(shí)p區(qū)的空穴也比較容易克服勢(shì)壘而擴(kuò)散到n區(qū)。這就使得電子和空穴有機(jī)會(huì)復(fù)合產(chǎn)生光子。當(dāng)對(duì)半導(dǎo)體施加電壓時(shí),半導(dǎo)體處于非平衡狀態(tài)。原則上講,F(xiàn)ermi能級(jí)已無(wú)意義。但是,由于外加電壓基本上施加在pn結(jié)上,p區(qū)和n區(qū)所受到的影響相對(duì)比較小,可以把它們看成處于局部平衡態(tài),各自具有Fe
7、rmi能級(jí)Efp和Efn。當(dāng)半導(dǎo)體處于平衡狀態(tài)時(shí),Efp=Efn=Ef。當(dāng)對(duì)半導(dǎo)體施加電壓時(shí),Efp和Efn不相等??梢宰C明,EfpEfn=eV。不論是n型或p型半導(dǎo)體材料,若Fermi能級(jí)都處于禁帶中。輕摻雜半導(dǎo)體。這時(shí)在外加電壓作用下電子和空穴雖然也能復(fù)合產(chǎn)生光子,但是由于載流子濃度有限,形成不了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)和受激輻射。這種材料只能用于發(fā)光二極管。為了使半導(dǎo)體材料在外界作用下實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn),必須對(duì)半導(dǎo)體進(jìn)行重?fù)诫s,使n型的Fermi能級(jí)處于導(dǎo)帶中,p型的Fermi能級(jí)處于價(jià)帶中。 這時(shí),p區(qū)有更多的載流子空穴,n區(qū)有更多的載流子電子。當(dāng)半導(dǎo)體正向偏置時(shí),可以證明:當(dāng)EfpEfn=eVEg時(shí),
8、就可以實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。 在以上介紹的pn結(jié)半導(dǎo)體激光器中,p區(qū)和n區(qū)是同一種材料,只是摻雜類型不同,因此整個(gè)半導(dǎo)體具有相同的禁帶寬度。這種半導(dǎo)體激光器存在一個(gè)缺點(diǎn)。當(dāng)半導(dǎo)體激光器正向偏置時(shí),除了在pn結(jié)附近電子和空穴復(fù)合外,還有一部分電子越過(guò)pn結(jié),經(jīng)過(guò)p區(qū)擴(kuò)散到電源正極。同樣,還有相等一部分空穴越過(guò)pn結(jié),經(jīng)過(guò)n區(qū)擴(kuò)散到電源負(fù)極。這部分電子和空穴沒(méi)有復(fù)合產(chǎn)生光子,被浪費(fèi)掉了。這就降低了半導(dǎo)體激光器的發(fā)光效率。雙異質(zhì)結(jié)激光器的兩邊仍然是相同的材料,只是進(jìn)行了不同類型的重?fù)诫s,它們的禁帶寬度是相同的。但是在它們之間加了一個(gè)非常薄的不同半導(dǎo)體材料(0.2mm),它的禁帶寬度要比兩邊材料小,一般是非
9、摻雜或輕摻雜的。在這里是p型摻雜。這樣在pn+結(jié)形成很大的勢(shì)壘,使n+區(qū)的電子不能越過(guò)它到達(dá)中間的p區(qū)和左邊的p+區(qū)。同時(shí)在p區(qū)和p+區(qū)的分界面附近,由于摻雜濃度的差別,使得p+區(qū)的價(jià)帶頂高于p區(qū)的價(jià)帶頂,即在p+區(qū)的空穴勢(shì)能低于p區(qū)空穴的勢(shì)能。這時(shí)空穴集中在p+區(qū)。即在p區(qū)和p+區(qū)的分界面附近也形成一個(gè)勢(shì)壘,但這個(gè)勢(shì)壘的高度比pn+結(jié)勢(shì)壘高度小得多。 當(dāng)半導(dǎo)體激光器正向偏置時(shí),pn+結(jié)附近的勢(shì)壘大大降低,使得電子能夠越過(guò)勢(shì)壘進(jìn)入p區(qū)。同時(shí),p區(qū)和p+區(qū)分界面附近的勢(shì)壘也有一定程度的降低,使得空穴進(jìn)入p區(qū)。但是,由于p區(qū)和兩邊區(qū)域的材料不同,它們的禁帶寬度不同,這就使得在p區(qū)和p+區(qū)分界處導(dǎo)帶
10、是不連續(xù)的,p+區(qū)的導(dǎo)帶高于中間p區(qū)的導(dǎo)帶,相當(dāng)于在p區(qū)和p+區(qū)分界處存在一個(gè)勢(shì)壘Ec,使p區(qū)的電子不能越過(guò)勢(shì)壘流過(guò)p+區(qū)到達(dá)電源正極。同時(shí),在p區(qū)和n+區(qū)分界面處價(jià)帶是不連續(xù)的,n+區(qū)的價(jià)帶低于中間p區(qū)的價(jià)帶,這也相當(dāng)于在p區(qū)和n+區(qū)分界處存在一個(gè)勢(shì)壘Ev,使p區(qū)的空穴不能越過(guò)勢(shì)壘流過(guò)n+區(qū)到達(dá)電源負(fù)極。這就把電子和空穴都限制在中間的p區(qū),迫使他們?nèi)康貜?fù)合產(chǎn)生光子。這就提高了激光器的發(fā)光效率。這個(gè)限制電子和空穴的區(qū)域稱為有源區(qū)。 采用雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)除了將電子和空穴都限制有源區(qū)外,還可以得到另外一個(gè)好處。就是可以把激光器發(fā)出的光束縛在有源區(qū)附近。非常幸運(yùn)的是,禁帶寬度小的材料往往折射率大。這樣
11、,半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)有源區(qū)的折射率要大于兩邊區(qū)域的折射率,光束就被束縛在有源區(qū)附近。即,雙異質(zhì)結(jié)又起著光波導(dǎo)的作用。有源區(qū)兩邊的區(qū)域也稱為包層。這時(shí)仍然有一小部分光功率分布在包層中。采用雙異質(zhì)結(jié)還有一個(gè)好處,就是避免光子的吸收。由于有源區(qū)的帶隙寬度要小于兩邊的帶隙寬度,就使得有源區(qū)發(fā)出的光子能量也小于周圍的禁帶寬度。這樣,在有源區(qū)兩邊傳輸?shù)囊徊糠止庾硬蛔阋员晃?。因此,有源區(qū)周圍對(duì)傳播的光束是透明的,避免了吸收損耗。 2.1 異質(zhì)結(jié)及其能帶圖異質(zhì)結(jié):兩種不同材料之間的界面(廣義)。半導(dǎo)體中是兩種不同單晶半導(dǎo)體材料之間的晶體界面,也可以說(shuō)是由兩種基本物理參數(shù)不同的半導(dǎo)體單晶材料構(gòu)成的晶體界面,不同的物理
12、參數(shù)包括Eg,功函數(shù)(),電子親和勢(shì)(),介電常數(shù)()。同質(zhì)結(jié):由同種材料構(gòu)成的結(jié)。異型異質(zhì)結(jié):p-N;P,N寬帶隙材料;p,n窄帶隙材料。功函數(shù):將一個(gè)電子從費(fèi)米能級(jí)EF處轉(zhuǎn)移到真空能級(jí)所需能量。電子親和勢(shì):一個(gè)電子從導(dǎo)帶底轉(zhuǎn)移到真空能級(jí)所需的能量。真空能級(jí):真空中靜止電子的能量。功函數(shù) 電子親和勢(shì) 真空能級(jí) 一、p-N異質(zhì)結(jié) 作能帶圖的步驟是:以同一水平線的真空能級(jí)為參考能級(jí),根據(jù)各自的、Eg值畫(huà)出兩種半導(dǎo)體材料的能帶圖,如圖2.1-1所示圖2.1-1兩種材料形成異質(zhì)結(jié)后應(yīng)處于同一平衡系統(tǒng)中,因而各自的費(fèi)米能級(jí)應(yīng)相同;畫(huà)出空間電荷區(qū)(由內(nèi)建電勢(shì)可求空間電荷區(qū)寬度),值在空間電荷區(qū)以外保持各
13、自的值不變;真空能級(jí)連續(xù)與帶邊平行(彎曲總量為兩邊費(fèi)米能級(jí)之差,每側(cè)彎曲程度由費(fèi)米能級(jí)與本征費(fèi)米能級(jí)之差決定,由摻雜濃度決定);而各自的、Eg不變。原來(lái)兩種材料導(dǎo)帶、價(jià)帶位置之間的關(guān)系在交界處不變。(即:Ec、Ev、Eg、Eg不變) Ev=Ev2-Ev1 =(Eg2+2)-(Eg1+1)=Eg-=Eg-Ec Eg=Ec+Ev可以看到,導(dǎo)帶和價(jià)帶在異質(zhì)結(jié)界面處是不連續(xù)的,界面兩邊的導(dǎo)帶出現(xiàn)明顯的“尖峰”和“尖谷”1=Ev1 - F1,2 =Ec2 - F2VD 接觸電勢(shì)差(或內(nèi)建電勢(shì)差、擴(kuò)散電勢(shì))VDp、 VDN 交界面兩側(cè)p型半導(dǎo)體和p型半導(dǎo)體中的內(nèi)建電勢(shì)差eVD=1-2 =F1-F2=e(V
14、Dp+VDN) Ec=1-2 =(2.1-1)由泊松方程 電荷守恒 Q 勢(shì)壘區(qū)中單位面積上的空間電荷 Cj 單位面積勢(shì)壘電容 上面講的是平衡結(jié)(無(wú)外界作用)的情況,當(dāng)在結(jié)兩邊加上正向電壓Va后,它在結(jié)兩邊空間電荷區(qū)上的壓降分別為V1和V2,這時(shí)的勢(shì)壘高度就由原來(lái)的eVD降低到e(VD-Va)=e(VDp-V1)+(VDN-V2),只要用(VD-Va)、(VDp-V1)、(VDN-V2)分別代替VD、VDp、VDN,上面講的公式仍然成立。如圖 9 一 10 所示,半導(dǎo)體異質(zhì) pN 結(jié)界面導(dǎo)帶連接處存在一勢(shì)壘尖峰,根據(jù)尖峰高低的不同,可以有兩種情況。圖 9 一 10 ( a )表示勢(shì)壘尖峰頂?shù)陀?
15、p 區(qū)導(dǎo)帶底的情況,稱為低勢(shì)壘尖峰情形。在這種情形,由 N 區(qū)擴(kuò)散向結(jié)處的電子流可以通過(guò)發(fā)射機(jī)制越過(guò)尖峰勢(shì)壘進(jìn)人 p 區(qū),因此異質(zhì) Pn 結(jié)的電流主要由擴(kuò)散機(jī)制決定,可以由擴(kuò)散模型處理。圖 9 一 10 ( b )表示勢(shì)壘尖峰頂較 p 區(qū)導(dǎo)帶底高的情況,稱為高勢(shì)壘尖峰情形。對(duì)于這種情形,如勢(shì)壘尖峰頂較 p 區(qū)導(dǎo)帶底高得多,則由 N區(qū)擴(kuò)散向結(jié)處的電子,只有能量高于勢(shì)壘尖峰的才能通過(guò)發(fā)射機(jī)制進(jìn)入 p 區(qū),故異質(zhì)結(jié)電流主要由電子發(fā)射機(jī)制決定,計(jì)算異質(zhì) pN結(jié)電流應(yīng)采用發(fā)射模型;當(dāng)異質(zhì)結(jié)加正向偏壓V時(shí),通過(guò)異質(zhì)結(jié)的總電流密度以下主要討論低勢(shì)壘尖峰情形異質(zhì) pN結(jié)的電流電壓特性。Dn、Lnp型區(qū)少數(shù)載流
16、子電子的擴(kuò)散系數(shù)、擴(kuò)散長(zhǎng)度Dp、Lpn型區(qū)少數(shù)載流子空穴的擴(kuò)散系數(shù)、擴(kuò)散長(zhǎng)度其中,電子擴(kuò)散電流密度空穴擴(kuò)散電流密度低勢(shì)壘尖峰情形時(shí),異質(zhì)結(jié)的電一子流主要由擴(kuò)散機(jī)制決定,可用擴(kuò)散模型處理,上兩式中,若np0和pn0 在同一數(shù)量級(jí),則前面的系數(shù)也在同數(shù)量級(jí),消去相同因式后,二式所不同的只是對(duì)于由窄禁帶 p 型半導(dǎo)體和寬禁帶 n 型半導(dǎo)體形成的異質(zhì) pN結(jié),Ec和Ev都是正值,一般其值較室溫時(shí)的 k值0.026eV大得多,故Jn Jp,表明通過(guò)結(jié)的電流主要由電子電流組成,空穴電流占比很小。這也可從圖9-11中直接看出,由于導(dǎo)帶階Ec的存在,N區(qū)電子面臨的勢(shì)壘高度由qVD下降至 qVD -Ec,而空穴
17、所面臨的勢(shì)壘高度由 qVD升高至qVD+Ev,從而導(dǎo)致電子電流大大超過(guò)空穴電流。異質(zhì)pN結(jié)的注入特性1 異質(zhì)pN結(jié)的高注入比特性異質(zhì) pN結(jié)電子電流與空穴電流之注入比為E = Ec + Ev 在p區(qū)和n區(qū)雜質(zhì)完全電離的情況,nn0和pp0分別等于n區(qū)的摻雜濃度ND和p區(qū)的摻雜濃度 NA,上式中Dn與Dp及Ln與Lp相差不大,都在同一數(shù)量級(jí),而exp(E /kT)可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1。由上式可看到,即使 ND NA ,仍可得到很大的注人比。以寬禁帶n型Al0.3Ga0.7As和窄禁帶p型GaAs組成的pN結(jié)為例,其禁帶寬度之差E = 0.21eV。設(shè) p 區(qū)摻雜濃度為 21019 cm-3,n區(qū)摻雜濃
18、度為 51017cm-3,則可得這表明即使寬禁帶n區(qū)摻雜濃度較p區(qū)低近兩個(gè)數(shù)量級(jí),但注人比仍可高達(dá) 80 左右。異質(zhì) Pn 結(jié)的這一高注人特性是區(qū)別于同質(zhì) pn 結(jié)主要特點(diǎn)之一,得到重要應(yīng)用。2 異質(zhì)pN結(jié)的超注入現(xiàn)象超注入現(xiàn)象是指在異質(zhì) pN結(jié)中由寬禁帶半導(dǎo)體注入到窄禁帶半導(dǎo)體中的少數(shù)載流子濃度可超過(guò)寬帶半導(dǎo)體中多數(shù)載流子濃度,這一現(xiàn)象是首先在由寬禁帶n型AlxGa1-xAs和窄禁帶p型 GaAs 組成的異質(zhì) pN結(jié)中觀察到的。圖 9 一 14 為這種 pn 結(jié)在加大的正向電壓下的能帶圖,由圖可看到,加正向電壓時(shí)n區(qū)導(dǎo)帶底相對(duì)p區(qū)導(dǎo)帶底隨所加電壓的增加而上升,當(dāng)電壓足夠大時(shí),結(jié)勢(shì)壘可被拉平,
19、由于導(dǎo)帶階的存在,n區(qū)導(dǎo)帶底甚至高于p區(qū)導(dǎo)帶底。因?yàn)閜區(qū)電子為少數(shù)載流子,其準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)隨電子濃度的上升很快,在正向大電流穩(wěn)態(tài)時(shí),結(jié)兩邊電子的準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí) EFn達(dá)到一致。在這種情況下,由于p區(qū)導(dǎo)帶底較n區(qū)導(dǎo)帶底更低,距EFn更近,故p區(qū)導(dǎo)帶的電子濃度高于n區(qū)。以np和nn分別表示 p 區(qū)和 n 區(qū)的電子濃度,Ec1和EC2分別表示p區(qū)和n區(qū)導(dǎo)帶底的能值,根據(jù)玻爾茲曼統(tǒng)計(jì)可得式中 Npc和Nnc分別表示p型GaAs和n 型 AlxGa1-xAs導(dǎo)帶的有效狀態(tài)密度。Npc和Nnc一般相差不大,可粗略認(rèn)為兩者相等,則由上兩式可得由于EC2 Ec1 ,故np/nn大于 l ,即:np nn 。因 kT
20、在常溫下其值很小,只要n區(qū)導(dǎo)帶底較p區(qū)導(dǎo)帶底高的能值 EC2 - Ec1較 kT大一倍,則由上式可得, np較nn大近一個(gè)數(shù)量級(jí)。超注人現(xiàn)象是異質(zhì)結(jié)特有的另一重耍特性,在半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)激光器中得到重要應(yīng)用。應(yīng)用這一效應(yīng),可使窄禁帶區(qū)的注入少數(shù)載流子濃度達(dá)到1018cm-3 以上,從而實(shí)現(xiàn)異質(zhì)結(jié)激光器所要求的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)條件。異質(zhì)結(jié)的電流-電壓特性 在所討論的pN異質(zhì)結(jié)模型中,因?yàn)殡娮觿?shì)壘比空穴勢(shì)壘小得多,來(lái)自寬禁帶N型的電子流支配著異質(zhì)結(jié)的電流一電壓特性。在正向電壓為零時(shí),由右至左越過(guò)勢(shì)壘eVD2的電子流與反方向越過(guò)勢(shì)壘Ec eVD1的電子流相等,即A1、A2為常數(shù),分別取決于半導(dǎo)體1和半導(dǎo)體2的
21、雜質(zhì)濃度及有效質(zhì)量。加上正向電壓后,兩個(gè)方向的電子流不相等,凈的電子流密度為同時(shí)考慮電子電流和空穴電流時(shí),當(dāng)異質(zhì)結(jié)加正向偏壓V時(shí),通過(guò)異質(zhì)結(jié)的總電流密度A 為系數(shù),方括號(hào)中的第一項(xiàng)在正向偏壓下起主要作用,在反向偏壓下則第二項(xiàng)起主要作用無(wú)論正向還是反向,其電流密度均隨電壓的增加而指數(shù)增加。這是與同質(zhì)pn結(jié)不同的。異質(zhì)nP結(jié)二、突變同型異質(zhì)結(jié) 和異型異質(zhì)結(jié)不同,同型異質(zhì)結(jié)nN和pP的性質(zhì)是由多數(shù)載流子決定的。由于異質(zhì)結(jié)兩邊材料的電子親和勢(shì)不同,使得同型異質(zhì)結(jié)的空間電荷區(qū)是由寬禁帶半導(dǎo)體一側(cè)的固定空間電荷(電離施主或電離受主)和另一側(cè)運(yùn)動(dòng)的電子或空穴所構(gòu)成的電偶極層構(gòu)成,或者說(shuō)是由寬帶隙一側(cè)的耗盡層
22、與窄帶隙一側(cè)載流子的積累層組成。 由于載流子積累層的厚度小于其耗盡層的厚度,所以外加電壓主要降落在耗盡層上,因而可以取寬禁帶半導(dǎo)體作基準(zhǔn)來(lái)考慮這種異質(zhì)結(jié)的正向和反向電流一電壓特性,因?yàn)樵趎N異質(zhì)結(jié)中參與電流的載流子是電子,所以越過(guò)導(dǎo)帶尖峰勢(shì)壘而到達(dá)窄帶半導(dǎo)體的電子濃度和速度分布可以由類似于熱陰極的熱電子發(fā)射來(lái)求出,從而可求出它的電流一電壓特性。根據(jù)安德森的計(jì)算,在正向電壓 V(=V1 +V2)下電流密度 J 由下式給出:因?yàn)閂2V10,2.2 異質(zhì)結(jié)在半導(dǎo)體光電子學(xué)器件中的作用 一、在半導(dǎo)體激光器中的作用 1. pN異型異質(zhì)結(jié)處在正向電壓時(shí),異質(zhì)結(jié)勢(shì)壘高度降低,N區(qū)的電子可以越過(guò)勢(shì)壘和隧穿勢(shì)壘
23、而注入窄帶隙p區(qū),這種異質(zhì)結(jié)有助于載流子從寬帶隙區(qū)向窄帶隙區(qū)的注入,同時(shí)該異質(zhì)結(jié)在價(jià)帶上的勢(shì)壘也阻礙著空穴由p區(qū)向N區(qū)的注入。2.同型異質(zhì)結(jié)pP有一個(gè)較高的勢(shì)壘以阻擋注入p區(qū)的電子漏出。3.由于窄帶隙半導(dǎo)體的折射率比寬帶隙高,因此有源區(qū)兩邊的同型和異型異質(zhì)結(jié)都能產(chǎn)生光波導(dǎo)效應(yīng),從而限制有源區(qū)中的光子從該區(qū)向?qū)拵断拗茖右莩龆鴵p失掉。n1n3.4.在實(shí)際激光器的結(jié)構(gòu)中,需要生長(zhǎng)一層與前一層摻雜類型相同但雜質(zhì)濃度很高(1020/cm3)的蓋帽層(或頂層),這種同型異質(zhì)結(jié)可用來(lái)減少與相繼的金屬電極層之間的接觸電阻,實(shí)現(xiàn)良好的歐姆接觸。 二、異質(zhì)結(jié)在發(fā)光二極管(LED)中的作用 光信息領(lǐng)域中使用的LE
24、D和半導(dǎo)體激光器一樣,也是采用多層異質(zhì)結(jié)構(gòu),其作用同樣是載流子限制、光子限制,減少內(nèi)部損耗。在表面發(fā)射LED中,還可以在靠近有源區(qū)的表面生長(zhǎng)一個(gè)能透明的同型異質(zhì)結(jié),它一方面用來(lái)鈍化表面,減少注入有源區(qū)的載流子與表面態(tài)復(fù)合而造成損失,提高器件穩(wěn)定性,同時(shí)還可以減少器件與空氣界面的反射損失,從而增加輸出。 三、異質(zhì)結(jié)在光電二極管探測(cè)器中的應(yīng)用作為光探測(cè)器,希望它有寬的光譜響應(yīng)范圍和高的光電轉(zhuǎn)換效率。在包含有異質(zhì)結(jié)的光電二極管中,寬帶隙半導(dǎo)體成為窄帶隙半導(dǎo)體的輸入窗,利用這種窗口效應(yīng),可以使光電二極管的光譜響應(yīng)范圍加寬。如圖2.2-1(a),異質(zhì)結(jié)由Eg1和Eg2兩種半導(dǎo)體組成,Eg1Eg2,只要入
25、射光子能量hEg1,則光能透過(guò)1,透射譜線如圖中虛線所示。透過(guò)半導(dǎo)體1的光子,如果能量滿足hEg2,則它被半導(dǎo)體2吸收,吸收譜線如圖中實(shí)線。顯然,圖中陰影部分表示這種結(jié)構(gòu)的光探測(cè)器能有效工作的范圍,入射光子應(yīng)滿足Eg1hEg2。如圖(b)中表示同質(zhì)結(jié)的情況,可見(jiàn)這種結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體有效吸收的光子非常有限。 第三節(jié) 異質(zhì)結(jié)中的晶格匹配 形成理想的異質(zhì)結(jié),要求兩種半導(dǎo)體材料在晶體結(jié)構(gòu)上應(yīng)盡量相近或相同,晶格常數(shù)應(yīng)盡量匹配。以前的異質(zhì)結(jié)都是由晶體結(jié)構(gòu)相同的半導(dǎo)體材料構(gòu)成的(如GaAlAs/GaAs、InGaAsP/InP都是具有閃鋅礦結(jié)構(gòu)),近年來(lái)由于光電子集成(OEIC-Optoelectronic I
26、ntegrated Circuit)技術(shù)的迫切需要,并考慮到硅是一種常用來(lái)制造微電子學(xué)器件且制造與加工工藝均成熟的材料,因此在價(jià)格便宜的硅基體上用MBE和MOCVD技術(shù)生長(zhǎng)GaAs而構(gòu)成異質(zhì)結(jié)的技術(shù)正不斷發(fā)展。 一般認(rèn)為,構(gòu)成異質(zhì)結(jié)的兩種不同半導(dǎo)體之間嚴(yán)格的晶格常數(shù)匹配是獲取性能良好的異質(zhì)結(jié)的重要條件,否則在異質(zhì)結(jié)界面就會(huì)產(chǎn)生所謂懸掛鍵,這些懸掛鍵就構(gòu)成所謂失配位錯(cuò)而使晶體承受內(nèi)應(yīng)力。由于存在于異質(zhì)結(jié)界面失配位錯(cuò)的成核、增殖及其向晶體內(nèi)部的傳播,對(duì)半導(dǎo)體激光器的可靠性造成嚴(yán)重威脅實(shí)踐已證明,位錯(cuò)是 GaAIAs / GaA s 半導(dǎo)體激光器失效的主要原因此外,由懸掛鍵所造成的界面態(tài),將起到載流
27、子陷阱或復(fù)合中心的作用,使異質(zhì)結(jié)器件的量子效率降低和其它特性變壞。懸掛鍵:晶格在表面的最外層的每個(gè)硅原子將有一個(gè)未配對(duì)的電子即有一個(gè)未飽和鍵,如圖,這個(gè)鍵稱為懸掛鍵,與之對(duì)應(yīng)的電子能級(jí)就是表面態(tài)。 復(fù)合中心:能夠促進(jìn)復(fù)合過(guò)程的雜質(zhì)和缺陷。 晶格常數(shù):晶體學(xué)晶胞各個(gè)邊的實(shí)際長(zhǎng)度失配位錯(cuò):兩種材料晶格常數(shù)不相等,界面處形成位錯(cuò)。 異質(zhì)結(jié)界面上由懸掛鍵引起的界面態(tài)密度與半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)和晶面有關(guān),不同晶面上界面態(tài)密度不同,在具有面心立方結(jié)構(gòu)的金剛石和閃鋅礦晶體中(100)(110)(111)晶面上生長(zhǎng)的異質(zhì)結(jié)中所包含懸掛鍵或界面態(tài)密度分別為 由表可以看出,即使在這些晶格匹配較好的異質(zhì)結(jié)中,也存在著1012
28、cm-2的界面態(tài)密度。在(111)面上生長(zhǎng)異質(zhì)結(jié)是較理想的。這一方面是因?yàn)樵?111)面上的界面態(tài)比其它面要低很多;另一方面,在閃鋅礦晶體結(jié)構(gòu)中, (111)面是滑移面,因此在該面上形成異質(zhì)結(jié)的生長(zhǎng)期間,懸掛鍵可以重新排列以盡可能調(diào)節(jié)晶格失配。遺憾的是,象閃鋅礦類型的晶體自然解理面是 (110)面,而半導(dǎo)體激光器正是用自然解理面來(lái)作光學(xué)諧振腔的,因此半導(dǎo)體激光器的晶體生長(zhǎng)面是(110)面。 二.表面態(tài)(1)從能帶角度當(dāng)晶體存在表面,在垂直表面方向成了半無(wú)限周期勢(shì)場(chǎng)表面存在而產(chǎn)生的附加電子能級(jí)表面能級(jí)對(duì)應(yīng)的電子能態(tài)表面態(tài)(2)從化學(xué)鍵角度表面是原子周期排列終止的地方未飽和鍵懸掛鍵純凈表面的表面態(tài)
29、密度為實(shí)際表面的表面態(tài)密度 三.表面電場(chǎng)效應(yīng)1.表面電場(chǎng)(1)表面態(tài)與體內(nèi)電子態(tài)之間交換電子(2)金屬半導(dǎo)體接觸(3)MOS結(jié)構(gòu)和MIS結(jié)構(gòu)2.空間電荷層及表面勢(shì)(1)n型P型A:電子從體內(nèi)轉(zhuǎn)移到表面態(tài) 表面受主態(tài)B:正空間電荷層C:表面勢(shì)為D:空間電荷層能帶彎曲電子勢(shì)壘空穴勢(shì)阱n型P型A:電子從表面態(tài)轉(zhuǎn)移到體內(nèi) 表面施主態(tài)B:負(fù)空間電荷層C:表面勢(shì)D:電子勢(shì)阱空穴勢(shì)壘n型P型空穴勢(shì)壘電子勢(shì)阱(2)n型P型3.空間電荷層內(nèi)載流子濃度的變化體內(nèi)在空間電荷層內(nèi),電勢(shì)能 變化空間電荷層的載流子濃度與體內(nèi)的關(guān)系空間電荷層處于多子堆積狀態(tài)積累層參考能級(jí)4.表面空間電荷層的三種基本狀態(tài)(1)積累層能帶從體
30、內(nèi)到表面上彎以p型為例反型層耗盡層(3)反型層n型導(dǎo)電性反型層耗盡層(2)耗盡層能帶從體內(nèi)到表面下彎空間電荷層處于多子耗盡狀態(tài)耗盡層7.4 異質(zhì)結(jié)導(dǎo)電類型相同的兩種不同半導(dǎo)體材料所形成 由導(dǎo)電類型相反的同種半導(dǎo)體材料接觸而構(gòu)成同質(zhì)結(jié)由兩種不同的半導(dǎo)體材料接觸而構(gòu)成異質(zhì)結(jié)(1)同型異質(zhì)結(jié) p-p Ge-GaAs n-n Ge-GaAs(2)反型異質(zhì)結(jié)導(dǎo)電類型相反的兩種不同半導(dǎo)體材料所形成 p-n Ge-GaAs n-p Ge-GaAs 禁帶寬度較小的半導(dǎo)體材料寫(xiě)在前面一.理想異質(zhì)結(jié)的能帶圖不考慮表面態(tài)取決于禁帶寬度、功函數(shù)、電子親和能1. 突變反型異質(zhì)結(jié)能帶圖下標(biāo)為“1”者為禁帶寬度小的半導(dǎo)體材
31、料的物理參數(shù)下標(biāo)為“2”者為禁帶寬度大的半導(dǎo)體材料的物理參數(shù) 兩種材料的過(guò)渡 發(fā)生于幾個(gè)原子間距形成突變p-n異質(zhì)結(jié)之前的能帶圖(1)突變p-n異質(zhì)結(jié)形成突變p-n異質(zhì)結(jié)之后的平衡能帶圖電子從n型半導(dǎo)體流向p 型 空穴的流動(dòng)方向相反直至兩塊半導(dǎo)體有統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí)交界面的兩邊形成空間電荷層 n型半導(dǎo)體一邊為正空間電荷層 P型半導(dǎo)體一邊為負(fù)空間電荷層不考慮界面態(tài)正負(fù)空間電荷數(shù)相等空間電荷層內(nèi)產(chǎn)生電場(chǎng)能帶發(fā)生彎曲形成突變p-n異質(zhì)結(jié)之后的平衡能帶圖能帶總的彎曲量 異質(zhì)結(jié)能帶的特點(diǎn):A:能帶在交界面處不連續(xù),有一個(gè)突變導(dǎo)帶底在交界面處的突變價(jià)帶頂在交界面處的突變而且對(duì)所有突變異質(zhì)結(jié)都適用 分別稱為導(dǎo)帶
32、階和價(jià)帶階重要的物理量B: n型半導(dǎo)體的導(dǎo)帶底在界面處形成一向上的“尖峰”P型半導(dǎo)體的導(dǎo)帶底在界面處形成一向下的“凹口”C: 對(duì)于反型異質(zhì)結(jié),交界面兩邊都是耗盡層(2)突變n-p異質(zhì)結(jié)形成突變n-p異質(zhì)結(jié)之前的能帶圖形成突變n-p異質(zhì)結(jié)之后的平衡能帶圖形成突變n-n異質(zhì)結(jié)之前的能帶圖形成突變n-n異質(zhì)結(jié)之后的平衡能帶圖禁帶寬度小的n型半導(dǎo)體一邊形成電子的積累層禁帶寬度大的n型半導(dǎo)體一邊形成電子的耗盡層(2)突變p-p異質(zhì)結(jié)一邊是空穴積累層一邊是空穴耗盡層2. 突變同型異質(zhì)結(jié)能帶圖(1)突變n-n異質(zhì)結(jié)二.考慮界面態(tài)時(shí)的能帶圖形成異質(zhì)結(jié)的兩種半導(dǎo)體材料的晶格失配引入界面態(tài)在界面處,晶格常數(shù)小的半
33、導(dǎo)體中出現(xiàn)了一部分不飽和鍵懸掛鍵晶格失配定義:晶格常數(shù)的相對(duì)變化量即使兩種材料的晶格常數(shù)在室溫是相同的由于熱膨脹系數(shù)不同,在高溫下,也將發(fā)生晶格失配從而產(chǎn)生懸掛鍵在交界面處引入界面態(tài)巴丁極限對(duì)于大多數(shù)半導(dǎo)體表面態(tài)密度在以上不論n型半導(dǎo)體還是p 型半導(dǎo)體與金屬接觸 形成阻擋層n型P型p-n異質(zhì)結(jié)n-p異質(zhì)結(jié)p-p異質(zhì)結(jié)界面呈施主型時(shí),界面兩側(cè)形成空穴勢(shì)壘界面呈受主型時(shí),界面兩側(cè)形成電子勢(shì)壘p-n異質(zhì)結(jié)n-p異質(zhì)結(jié)n-n異質(zhì)結(jié) 由于界面態(tài)的存在會(huì)對(duì)從寬帶隙向窄帶隙半導(dǎo)體的載流子注入與復(fù)合產(chǎn)生影響,使非輻射復(fù)合速率增加,從而使內(nèi)量子效率降低。 i. 越過(guò)勢(shì)壘的空穴在n區(qū)內(nèi)復(fù)合,ii. 超過(guò)勢(shì)壘的空穴
34、與界面態(tài)復(fù)合,iii. 隧穿勢(shì)壘的空穴在n區(qū)內(nèi)復(fù)合,iv. 隧穿勢(shì)壘的空穴與界面態(tài)復(fù)合。 實(shí)際的異質(zhì)結(jié)中有四種復(fù)合過(guò)程引起復(fù)合電流,晶格失配率 盡管由異質(zhì)結(jié)界面態(tài)引起的載流子復(fù)合損耗只占整個(gè)復(fù)合電流的一小部分,但當(dāng)雙異質(zhì)結(jié)激光器的有源區(qū)特別薄時(shí),這種復(fù)合的影響就變得突出??梢杂媒缑鎻?fù)合速度來(lái)表征由于晶格失配所造成的載流于的非輻射損失。如果由寬帶隙半導(dǎo)體向窄帶隙半導(dǎo)體注入電子,單位能量間隔內(nèi)的界面態(tài)密度為NIS,則由界面態(tài)對(duì)注入載流子的復(fù)合速度為式中n為電子的俘獲截面,vth為電子的熱運(yùn)動(dòng)速度,積分在所有可能的界面態(tài)能量范圍內(nèi)進(jìn)行??紤]在(100)面上生長(zhǎng)異質(zhì)結(jié),假設(shè)每一與位錯(cuò)有關(guān)的態(tài)形成一個(gè)非
35、輻射復(fù)合中心,則晶格失配所造成的界面復(fù)合速度可近似喪示為可以看到,由界面態(tài)引起的非輻射復(fù)合速度與晶格失配程度a/a0成正比。設(shè)vth=1017cm/s, n=10-15cm2,a0=5.6(相當(dāng)于異質(zhì)結(jié) GaAlAs/GaAs的情況),則s2.6107(a/a0)表 2.3一3 列舉了幾種能在0.80.9m和1.01.7m波段內(nèi)產(chǎn)生光發(fā)射的有源介質(zhì)與表中所對(duì)應(yīng)的襯底材料形成異質(zhì)結(jié)的晶格失配率。由表可見(jiàn),目前光纖通信中短波長(zhǎng)(0.820.85m) GaAlAs/GaAs激光器或發(fā)光二極管其異質(zhì)結(jié)晶格失配率很小,而所謂長(zhǎng)波長(zhǎng)(1.01.7m) InGaAsP/InP激光器或發(fā)光管在一定條件下異質(zhì)結(jié)
36、的晶格失配率可達(dá)到零。 雙異質(zhì)結(jié)激光器中若兩個(gè)異質(zhì)結(jié)之間的距離為d,當(dāng)體內(nèi)復(fù)合與界面態(tài)復(fù)合并存時(shí),則注入載流子的有效復(fù)合壽命可表示為 內(nèi)量子效率 內(nèi)量子效率與晶格失配率成反比。 r和nr分別為體內(nèi)的輻射和非輻射復(fù)合壽命,2s/d表示在兩個(gè)界面上界面態(tài)引起的非輻射復(fù)合速率,其中d的引入反映了有源層厚度對(duì)界面態(tài)復(fù)合速度的影響。在實(shí)際器件中,通常有例如,若 r =2.5ns,d=0.5m,則為達(dá)到50的內(nèi)量子效率,就要求界面復(fù)合速度s104cm/s。即要求晶格失配率a/a0 10-3。(2.3-8)實(shí)際半導(dǎo)體光電子器件的異質(zhì)結(jié)都是在某一襯底材料上外延生長(zhǎng)所形成的,外延層的質(zhì)量取決于襯底材料本身結(jié)晶的
37、完美性、外延層與襯底之間的晶格匹配、外延層的厚度以及合適的生長(zhǎng)工藝等多種因素。為了保證晶格匹配,必須合理選擇固溶體的組分。某一固溶體的晶格常數(shù)是與它的各組分含量有關(guān)的。例如 GaAs 的晶格常數(shù)aGaAs= 5.653,這與AlAs的晶格常數(shù)aAlAs=5.611所差甚微,因此能保證Ga1-xAlxAs與GaAs是晶格匹配的。對(duì)于四元化合物A1-xBxC1-yDy,可以按照弗伽(Vagard)定律計(jì)算出其晶格常數(shù):0 x 1 、0y1臨界厚度 對(duì)于半導(dǎo)體激光器,其有源層較?。▉單⒚琢考?jí)),初看起來(lái)只要實(shí)現(xiàn)襯底與外延層之間的晶格匹配,就不會(huì)在有源層內(nèi)存在失配位錯(cuò)的影響但實(shí)驗(yàn)表明,盡管 InGaA
38、sP 外延層與 InP 襯底之間可以實(shí)現(xiàn)理想的晶格匹配,但外延層厚到某一程度以后同樣出現(xiàn)失配位錯(cuò),將這種開(kāi)始出現(xiàn)位錯(cuò)的臨界厚度hc表示為超出這一厚度出現(xiàn)失配位錯(cuò)可歸因于襯底與外延層之間熱膨脹系數(shù)不同,在界面出現(xiàn)內(nèi)應(yīng)力而引起位錯(cuò)。因此,要生長(zhǎng)出較厚但無(wú)失配位錯(cuò)的外延層,關(guān)鍵在于在生長(zhǎng)溫度下外延層與襯底要實(shí)現(xiàn)晶格匹配。晶格常數(shù)與溫度的關(guān)系可表示為(T)和(0)分別表示為T和0時(shí)的晶格常數(shù)GaInAsP的熱膨脹系數(shù) 一般認(rèn)為,晶格不匹配的異質(zhì)結(jié)在性能上是不穩(wěn)定的,但隨著MBE(Molecular Beam Epitaxy取向附生)、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor
39、 Deposition金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積)等外延技術(shù)的發(fā)展,可以生長(zhǎng)出原子級(jí)薄層,只要外延層小于某一臨界厚度(幾十nm),則兩種材料的晶格失配可由彈性應(yīng)變的形式來(lái)彌補(bǔ),而不產(chǎn)生影響器件性能的失配位錯(cuò),利用這種原子層外延技術(shù)可以生長(zhǎng)所謂應(yīng)變異質(zhì)結(jié),有可能在Si上生長(zhǎng)GeSi或GaAs外延層,這樣將在光電子集成(OEIC-optoelectronic integrated circuit)方面獲得廣泛的應(yīng)用。9.4 半導(dǎo)體應(yīng)變異質(zhì)結(jié)應(yīng)變異質(zhì)結(jié)在一種材料襯底上外延另一種晶格常數(shù)不匹配的材料時(shí),只要兩種材料的晶格常數(shù)常數(shù)相差不是太大,外延層的厚度不超過(guò)某個(gè)臨界值時(shí),仍可獲得晶格匹配的異質(zhì)結(jié)構(gòu)。但生長(zhǎng)
40、的外延層發(fā)生了彈性應(yīng)變,在平行于結(jié)方向產(chǎn)生張應(yīng)變或壓縮應(yīng)變,使晶格常數(shù)改變?yōu)榕c襯底的晶格相匹配,同時(shí)在與結(jié)平面垂直的方向上也產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)變。這種異質(zhì)結(jié)稱為應(yīng)變異質(zhì)結(jié)。 在(a)中表示下面襯底的晶格常數(shù)小于上面將外延材料的晶格常數(shù),(b)表示外延生長(zhǎng)后形成的應(yīng)變異質(zhì)結(jié),(c)表示馳豫后的異質(zhì)結(jié)構(gòu),在界面處因晶格不匹配而產(chǎn)生缺陷。由于發(fā)生應(yīng)變,同時(shí)伴有應(yīng)力存在,這種力稱為內(nèi)應(yīng)力。從圖(b)中還可看到應(yīng)變異質(zhì)結(jié)界面晶格是匹配的,不存在因晶格不匹配而產(chǎn)生的界面缺陷,因此可很好地應(yīng)用于器件制作弛豫當(dāng)外延層的厚度超過(guò)臨界厚度時(shí),則外延層的應(yīng)變消失,恢復(fù)原來(lái)的晶格常數(shù),稱為馳豫。贗晶生長(zhǎng)應(yīng)變異質(zhì)結(jié)的無(wú)界面失
41、配應(yīng)變層的生長(zhǎng)模式。贗晶生長(zhǎng)的臨界厚度隨生長(zhǎng)溫度的升高而減小,隨贗晶組分的不同而改變。應(yīng)變異質(zhì)結(jié)的應(yīng)用擴(kuò)展了異質(zhì)結(jié)材料的種類實(shí)現(xiàn)材料人工改性2.4 對(duì)激光器異質(zhì)結(jié)材料的要求 一、從激射波長(zhǎng)出發(fā)來(lái)選擇半導(dǎo)體激光器材料對(duì)Ga1-xAlxAs,其布里淵區(qū)原點(diǎn)()處的禁帶寬度可表示為 半導(dǎo)體激光器的有源區(qū)材料應(yīng)該是直接帶隙躍遷的,其帶隙的大小決定著半導(dǎo)體激光器的發(fā)射波長(zhǎng):而帶隙或禁帶寬度Eg是與材料的組分有關(guān)的(2.4-2)返回 在x0.37時(shí),Ga1-xAlxAs中的電子將由直接帶隙變?yōu)殚g接帶隙躍遷,因此不能用GaAlAs作有源材料制作發(fā)射波長(zhǎng)0.65m的激光器。 返回 為了限制注入有源區(qū)的載流子,
42、應(yīng)使有源層與相鄰的限制層之間存在0.250.4eV的帶隙臺(tái)階Eg,如取Eg=0.3eV,當(dāng)有源層AlAs組分為018%(對(duì)于波長(zhǎng)0.870.75m),則限制層中的AlAs含量應(yīng)為2025%。 四元化合物半導(dǎo)體 GaxIn1-xAsyP1-y的能帶結(jié)構(gòu)要比三元化合物復(fù)雜得多,目前尚有爭(zhēng)議,它不是幾個(gè)二元或三元化合物半導(dǎo)體的簡(jiǎn)單組合,而有多個(gè)能童極小值相互交錯(cuò),因此不同文獻(xiàn)所報(bào)導(dǎo)的禁帶寬度的表示式均有不同程度的近似。按弗伽定律的內(nèi)插法將 GaxIn1-xAsyP1-y的帶隙表示為 選擇材料時(shí),還應(yīng)考慮到摻雜和注入的載流子濃度對(duì)帶隙大小產(chǎn)生的影響,這將造成激射波長(zhǎng)的漂移。 在半導(dǎo)體中,摻雜濃度與注入
43、載流子濃度之間滿足電中性條件: 由式中可見(jiàn),摻雜或載流子注入會(huì)引起帶隙收縮,這將引起半導(dǎo)體激光器的激射波長(zhǎng)紅移 如果是p型半導(dǎo)體,電中性條件為表示凈的電離受主濃度注入的少數(shù)載流子濃度增加時(shí),多數(shù)載流子濃度也必須增大以維持電中性對(duì)GaAs半導(dǎo)體,帶隙與載流子濃度的關(guān)系為二、從晶格匹配來(lái)考慮異質(zhì)結(jié)激光器材料GaAs和AlAs二者可形成結(jié)晶良好的固溶體Ga1-xAlxAs。因此在 GaAs襯底上外延生長(zhǎng)的 Ga1-xAlxAs限制層、 Ga1-xAlxAs有源層之間都有很好的晶格匹配,并由此可制成在0.700.90m 波段內(nèi)性能良好的異質(zhì)結(jié)激光器。圖中波浪線所表示的是間接帶隙材料所在的范圍,越靠近該
44、波浪區(qū),Ga1-xAlxAs中參與間接帶隙躍遷的比例就越大,這就是目前用Ga1-xAlxAs / GaAs 來(lái)制造可見(jiàn)光激光器的困難所在。二、從晶格匹配來(lái)考慮異質(zhì)結(jié)激光器材料以InP為襯底,并由它開(kāi)始以平行于橫軸的短劃線所代表的InGaAsP 區(qū)正是目前長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖通信中半導(dǎo)體激光器和發(fā)光二極管的有源區(qū)材料,激射波長(zhǎng)范圍為1.01.7m。二、從晶格匹配來(lái)考慮異質(zhì)結(jié)激光器材料圖中另一多邊形InGaAsSb是一個(gè)正在開(kāi)發(fā)的、激射波長(zhǎng)更長(zhǎng)的光發(fā)射器件的有源區(qū)材料。目前以GaSb為襯底、以 InGaAsSb為有源介質(zhì)的激光器,已在1.9 2.0 m波段內(nèi)實(shí)現(xiàn)了室溫下連續(xù)工作,這為正在研究的低損耗紅外光纖
45、及其通信系統(tǒng)作了先行性工作。三、由異質(zhì)結(jié)的光波導(dǎo)效應(yīng)來(lái)選擇半導(dǎo)體激光器材料n=3.590 -0.710 x+0.091x2 異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器或發(fā)光二極管對(duì)材料的另一重要要求是希望有源區(qū)材料的折射率比與之毗鄰的限制層的折射率高。以便形成有效的光波導(dǎo)效應(yīng),這對(duì)降低激光器閾值電流、控制光束發(fā)散角與振蕩模式等都將有積極的作用。一般要求相對(duì)折射率差對(duì) Ga1-xAlxAs來(lái)說(shuō),為了形成所需的光波導(dǎo)效應(yīng),需要在異質(zhì)結(jié)處形成一定高度的折射率臺(tái)階,如果固定窄帶隙的組分,這相當(dāng)于異質(zhì)結(jié)激光器有一定的發(fā)射光子能量或激射彼長(zhǎng),則可通過(guò)改變寬帶隙材料的組分來(lái)獲得所需的 。對(duì)Ga1-xAlxAs/GaAs異質(zhì)結(jié),增加
46、寬帶隙材料中 AlAs 的含量,異質(zhì)結(jié)的折射率臺(tái)階將增加,更一般說(shuō),如果異質(zhì)結(jié)兩邊的 AlAs含量之差為x,則相應(yīng)的折射率臺(tái)階與x之間的關(guān)系為0.62x曲線 A克雷歇爾(kressal)曲線 B 凱西(Casey)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在半導(dǎo)體中,摻雜濃度、注入載流子濃度和溫度都對(duì)拆射率產(chǎn)生影響。在雙異質(zhì)結(jié)激光器中,有源區(qū)一般不要求高的摻雜濃度,這一影響可以忽略。但在單異質(zhì)結(jié)激光器中,在考慮光限制時(shí)應(yīng)該注意到這一影響。圖2.48 表示摻雜對(duì)GaAs折射率的影響,盡管這種影響是有限的,但折射率隨摻雜濃度的增高而降低,會(huì)減弱有源區(qū)的光波導(dǎo)效應(yīng)。在圖 2.49(a) 中,表示由于注入載流子引起吸收邊的漂移。這時(shí)
47、GaAs激光器由于載流子注入,引起陡峭的吸收邊Ec產(chǎn)生0.03ev的移動(dòng)。在圖 2.49(b)中,表示引起相應(yīng)的折射率變化。這時(shí)產(chǎn)生-0.04的折射率的變化。注:在較高的載流子濃度注入下,導(dǎo)帶底附近的狀態(tài)也被電子填充(n型),或價(jià)帶頂附近的狀態(tài)也被空穴填充(p型)。吸收光子時(shí),電子只能從價(jià)帶頂躍遷到導(dǎo)帶底以上的能態(tài),或只能從價(jià)帶頂以下的能態(tài)躍遷到導(dǎo)帶底。結(jié)果,躍遷的能量差增大,吸收邊向短波方向移動(dòng)。這時(shí)吸收最低能量大于由價(jià)帶頂?shù)綄?dǎo)帶底的躍遷能量差半導(dǎo)體激光器的結(jié)溫度變化也會(huì)引起折射率的變化,根據(jù)馬普爾(MarPle)的數(shù)據(jù),GaAs的折射率隨溫度的變化為式中T為溫度的變化量。圖2.4-10表示
48、所測(cè)GaAs樣品(電子濃度約為61018/cm3)在光子能量低于帶隙能量時(shí)(這時(shí)無(wú)吸收)三種不同溫度的拆射率。綜上所述,選擇折射率受光子能量、摻雜、注入載流子、溫度等多種因素影響,為了獲得合理的折射率臺(tái)階要多方考慮,這樣才能提高半導(dǎo)體激光器的性能。 四、襯底材料的考慮 異質(zhì)結(jié)激光器、發(fā)光二極管以及其它光電子器件,都是在襯底上通過(guò)多次外延生長(zhǎng)而成的。因此外延層的質(zhì)量和光電子器件的性能在很大程度上取決于襯底的晶體質(zhì)量和特點(diǎn)。因此對(duì)襯底的主要要求有:1.襯底應(yīng)該與在其上外延生長(zhǎng)的材料有很好的晶格匹配,要求晶格常數(shù)盡量相同,為此要求二者有盡可能多的相同原子構(gòu)成。2.襯底本身的位錯(cuò)密度應(yīng)盡可能小,有盡可
49、能少的晶格缺陷,3.襯底與外延層在生長(zhǎng)工藝上要相容。或者說(shuō),在生長(zhǎng)條件下材料與襯底之間應(yīng)有盡可能小的互作用,不造成彼此之間的分解。 2.5 異質(zhì)結(jié)對(duì)載流子的限制 異質(zhì)結(jié)限制載流子的能力與勢(shì)壘高度、結(jié)溫度等因素有關(guān),由于受到晶格匹配的限制,不可能無(wú)限地增加勢(shì)壘高度。從載流子能量統(tǒng)計(jì)分布的特點(diǎn)來(lái)看,部分載流子不可避免地越過(guò)勢(shì)壘而泄漏,漏出的載流子以非輻射復(fù)合釋放能量,將惡化器件的性能,下面分析異質(zhì)結(jié)對(duì)載流子的限制。 例如,由N型限制層注入p型有源層的電子將受到pP同型異質(zhì)結(jié)勢(shì)壘的限制,阻擋它們向P型限制層內(nèi)擴(kuò)散。同樣,pN異型異質(zhì)結(jié)的空穴勢(shì)壘限制著p型有源層中的多數(shù)載流子 空穴向N型限制層的運(yùn)動(dòng)。
50、異質(zhì)結(jié)勢(shì)壘是靠異質(zhì)結(jié)兩邊半導(dǎo)體材料禁帶寬度差Eg分別在導(dǎo)帶和價(jià)帶形成的臺(tái)階Ec和Ev所形成的,外加電壓對(duì)Ec和Ev也產(chǎn)生不同程度的影響。無(wú)論是突變還是漸變異質(zhì)結(jié),都能在一定程度上對(duì)載流子起到限制作用, 以GaAs為例在GaAs有源區(qū)內(nèi) 產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)需要注入的載流子濃度約為 (11.3)1018/cm3, 為達(dá)到激射閾值,需要注入的總電子濃度約為 21018/cm3, 所注入的載流子絕大部分處在直接帶隙的“”能谷中。 但還有少部分電子處于的“L”能谷與“x”能谷內(nèi)。 這兩個(gè)能谷與“”能谷導(dǎo)帶底相距分別為各能谷中電子濃度表達(dá)式Ec為谷拋物線導(dǎo)帶底的能量,(2.5-3)(2.5-1)(2.5-2)
51、E為L(zhǎng)谷內(nèi)電子能量,如令E=E+E(2.5-4)各能谷中電子濃度表達(dá)式令直接帶隙“”谷內(nèi)的電子濃度與總的電子濃度之比為(2.5-3)(2.5-1)返回(2.5-4)即,總的電子濃度一旦確定了,F(xiàn)ermi能級(jí)也就確定了圖2.5-1表示當(dāng)n21018/cm3、T=24和T=50時(shí),“”谷內(nèi)電子所占總電子濃度的比率與AlAs組分x的關(guān)系。由圖可見(jiàn),x0.3,將有半數(shù)以上的電子處在間接帶隙能谷內(nèi)。而對(duì)于x0,則注入的電子基本上處在直接帶隙的“”谷內(nèi),因此對(duì)室溫下的GaAs,當(dāng)注入電子濃度為21018/cm3時(shí),可以得到準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)在導(dǎo)帶中的位置,即Fn-Ec0.079eV,則求出的導(dǎo)帶電子濃度隨能量的分布n(E)如圖2.5-2所示。當(dāng)注入電子濃度為21018/cm3時(shí),可以得到準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)在導(dǎo)帶中的位置,即Fn-Ec0.079eV,則求出的導(dǎo)帶電子濃度隨能量的分布n(E)如圖2.5-2所示。同樣方法,將式(2.5-3)的積分下限改為Ec,將E=
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