第四章 光電器件

第四章光電器件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

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。

如圖顯示的是半導體中的基本躍遷．當半導體被光照射后，如果光子的能量等于禁帶寬度(即hν=Eg)，則半導體會吸收光子而產(chǎn)生電子-空穴對，如(a)所示．若hν大于Eg，則除了會產(chǎn)生電子-空穴對之外，多余的能量(hν-Eg)將以熱的形式耗散，如(b)所示。

以上(a)與(b)的過程皆稱為本征躍遷，或稱為能帶至能帶的躍遷。另一方面，若hν小于Eg，則只有在禁帶中存在由化學雜質(zhì)或物理缺陷所造成的能態(tài)時，光子才會被吸收，如(c)所示，這種過程稱為非本征躍遷。一般而言，以上所述在因果倒置時也是正確。光的吸收半導體中光的吸收CEVEgE)(a)(b)(cuhtECEVEgE)(a)(b)(cuhtE假設(shè)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，導致光子通量強度減少。代入邊界條件，當x=0時，Φ(x)=Φ0可得上式的解為半導體中光的吸收

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。可見光LED被大量用于各種電子儀器設(shè)備與使用者之間的信息傳送。而紅外光LED則應用于光隔離及光纖通訊方面。由于人眼只對光子能量hν等于或大于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。右圖標示了幾種半導體的禁帶寬度值?？梢姽獍l(fā)光二極管：發(fā)光二極管（Light-emittingdiodes）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GaxIn1-xN合金的Ⅲ-V族化合物系統(tǒng)。發(fā)光二極管材料波長／nmInAsSbP／InAs4200InAs3800GaInAsP/GaSb2000GaSb1800GaxIn1-xAs1-yPy1100~1600Ga0.47In0.53As1550Ga0.27In0.73As0.63P0.371300GaAs:Er,InP:Er1540Si:C1300GaAs:Yb,InP:Yb1000AlxGa1-xAs:Si650~940GaAs:Si940Al0.11Ga0.89As:Si830Al0.4Ga0.6As:Si650GaAs0.6P0.4660GaAs0.4P0.6620GaAs0.15P0.85590(AlxGa1-x)0.5In0.5P655GaP690GaP:N550~570GaxIn1-xN340,430,590SiC400~460BN260,310,490

當有一個以上的第Ⅲ族元素均勻分散于第Ⅲ族元素的晶格位置，或有一個以上的第V族元素均勻分散于第V族元素的晶格位置，就形成了此Ⅲ-V族化合物合金。三元化合物常用的符號是AxB1-xC或AC1-yDy，而四元化合物則用AxB1-xCyD1-y表示，其中A和B為第Ⅲ族元素，C和D為第V族元素，而x和y是物質(zhì)的量的比。

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Eg(GaAs)=1.4eV(886nm)Eg(GaP)=2.26eV(548nm)

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。a.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)；b.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。間接帶隙：需要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。

發(fā)光二極管圖(b)則是以磷化鎵為襯底制造的發(fā)橙、黃或綠光的間接禁帶隙LED,用外延方法生長的緩變型GaAs1-yPy合金層用來使界面間因晶格不匹配所導致的非輻射性中心減至最小。

下圖是平面二極管架構(gòu)的可見光LED的基本結(jié)構(gòu)圖。其中圖(a)的截面圖是以砷化鎵為襯底制造的發(fā)紅光的直接禁帶LED。橙、黃、綠光發(fā)光二極管

目前已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化的材料是氮化鎵(Eg=3.44eV)和相關(guān)的Ⅲ-V族氮化物半導體，如AlGaInN，其直接禁帶范圍由0.7eV至6.2eV。

至于高亮度的藍光LED(0.455ym-0.492Pm)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鎵(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。發(fā)光二極管(LED)Ni/Aup型電極GaN-pNGaAl-p-1xx)N(InGa-1未摻雜xxGaN-nAlN-n藍寶石襯底p光傳輸電極ITOTi/Aln型電極Ni/Aup型電極GaN-pNGaAl-p-1xx)N(InGa-1未摻雜xxGaN-nAlN-n藍寶石襯底Ti/Aln型電極Eg(AlN)=6.2eV(200nm)Eg(InN)=0.7eV(1770nm)

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Ni/Aup型電極GaN-pNGaAl-p-1xx)N(InGa-1未摻雜xxGaN-nAlN-n藍寶石襯底Ni/Au光傳輸電極Ti/Aln型電極Ni/Aup型電極GaN-pNGaAl-p-1xx)N(InGa-1未摻雜xxGaN-nAlN-n藍寶石襯底Ni/AuTi/Aln型電極發(fā)光二極管原理：外加偏壓V，注入載流子（電子+空穴），電子從負極（N-型端）進入電子阱中，空穴從正極（P-型端）進入空穴阱中，二者在阱區(qū)復合，以光或熱的形式釋放能量。其中光子能量:

hw=EG(1)+量子能級間距。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)進人到折射為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

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。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。

基本的OLED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

半導體激光和固態(tài)紅寶石激光及氦氖氣體激光相同點：單色光束方向性很強。不同點：半導體激光較其他激光體積小(長度約只有0.1mm)，在高頻時易于調(diào)制，只需要調(diào)節(jié)偏電流即可。應用：半導體激光是光纖通信中最重要得光源之一。

錄像機，光學刻錄機及高速激光打印機等。直接禁帶：具有較高的輻射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(guān)連的Ⅲ-V族化合物合金也受到了廣泛的研究。激光半導體材料

半導體激光

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(guān)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)。

考慮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。p型區(qū)的費米能級EFV比價帶的邊緣還低；n型區(qū)的費米能級EFC則高于導帶的邊緣。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：激光的工作原理

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。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。

如果兩端點平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：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。即半導體激光圖(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，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。基本的激光器結(jié)構(gòu)

：半導體激光

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。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(guān)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

光探測器是一種能夠?qū)⒐獾男盘栟D(zhuǎn)換為電的信號的半導體器件。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。沒有光照時：反向電流極其微弱，叫暗電流；有光照時：反向電流迅速增大，稱為光電流。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。光探測器（光電二極管）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(guān)系，能產(chǎn)生可觀的光電流的波長范圍是有限的。a.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。b.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。光探測器（光電二極管）響應速度受到三個因素的限制：①光生載流子在耗盡層附近的擴散時間；②光生載流子在耗盡區(qū)內(nèi)的漂移時間；③負載電阻與并聯(lián)電容（耗盡區(qū)的電容）所決定的電路時間常數(shù)。二、響應速度a.在耗盡區(qū)外產(chǎn)生的載流子會擴散到結(jié)，造成相當大的時間延遲。為了將擴散效應降到最小，結(jié)必須非常接近表面。b.如果耗盡區(qū)足夠?qū)挼脑?，絕大部分的光線都會被吸收,然而耗盡區(qū)不能太寬，因為渡越時間效應會限制頻率響應。但它也不能太薄，因為過大的電容C會造成大的RC時間常數(shù)(其中R是負載電阻)。c.最理想的折衷辦法是選擇一個寬度，使耗盡層渡越時間大約為調(diào)制周期的一半。例如，調(diào)制頻率為2GHz時，硅最理想的耗盡層寬度約25μm。光電二極管p-i-n光電二極管

p-i-n光電二極管是最常用的光探測器之一，其有效作用區(qū)域是存在有電場的i型層，光生載流子有效區(qū)域增大，擴散影響就會減弱，結(jié)電容也大大減小，光檢測靈敏度和響應速度得到提高。絕大部分入射光在i層被吸收并產(chǎn)生大量電子-空穴對。其耗盡區(qū)厚度(本征層)可予調(diào)制以優(yōu)化量子效率及頻率響應。圖(a)是p-i-n光電二極管的截面圖，它具有抗反射層以增加量子效率的特性。圖(b)、(c)分別是反向偏壓條件下，p-i-n二極管的能帶圖及光吸收特性。半導體吸收光之后會產(chǎn)生電子-空穴對。在耗盡區(qū)或其擴散長度內(nèi)的電子-空穴對終會被電場所分開，導致載流子漂移出耗盡層而產(chǎn)生外部電路電流。光電二極管uh金屬接觸2SiO抗發(fā)射層i+n+pLRRV+-uh金屬接觸2SiO抗發(fā)射層i+n+pLRRV+-uhuhuhRqVCEVE電子擴散空穴擴散漂移空間反向偏壓下的能帶圖)(buhuhuhRqVCEVE電子擴散空穴擴散漂移空間反向偏壓下的能帶圖)(bxa-e~a/1PWWW+Px吸收載流子吸收特性曲線)(cxa-e~a/1PWWW+Px吸收載流子吸收特性曲線)(c光電二極管的截面圖n-i-p)(ap-n太陽能電池p-n結(jié)太陽能電池包含一個形成于表面的淺p-n結(jié)、一個條狀及指狀的正面歐姆接觸、一個涵蓋整個背部表面的背面歐姆接觸以及一層在正面的抗反射層。

當電池暴露在太陽光譜時，能量小于禁帶寬度Eg的光子對電池輸出并無貢獻。能量大于禁