半导体光学晶体

Report
光学材料与元件制造
第六章 半导体光学晶体
OUTLINE

半导体物理基础
能带理论,载流子,PN结,半导体的光电性能

IV族半导体光电材料
Si,Ge,SiC

III-V族半导体光电材料
GaAs,InP,GaN

II-VI族半导体光电材料
ZnO,CdS,HgCdTe
能带理论



描述固体内电子运动的波动方程
布洛赫定理
近自由电子近似:假设周期势场的起
伏较小,通过势场平均值 代替V(x),把周
期起伏 作为微扰来处理
ℏ2 2
−
 + ( 
2
 = 
(  ) = (  +  
(  +   ) =    ·   ( 
ℏ2  2 0
−
 +  0 =  0  0
2
2 
1
 = | |
2

=
′
1


=±

=
′
|  ′ | | |2
0
0 − ′
 ′ ||
0

′
0
0 − ′
布里渊区




三维情况下,需满足
∗
∗
∗
′ −  =   =   +   +   ( , 2 , 3 为整数)
|  | = |  +   | 时,能量突变
布里渊区:在 k空间将原点和所有倒易点阵矢量Gn之间的垂直平分面画出来围成的
区域
每个区域内能量E对于k都是连续变化的,而在这些区域的边界处E(k)函数会发生突变
体心立方点阵(a)与面心立方点阵(b)的第一布里渊区
关于能带

导带与价带:金属具有被
电子部分占满的能带,介质
和半导体在0K时具有被电子
完全占满的价带和完全未被
占据的导带

直接带隙与间接带隙

能带的温度效应
 2
 () =  ( = 0) −
+
载流子

态密度:() =
 

 有效质量: 
ℏ  =

能带底部附近量子状态密度为


→ 
=
费米分布函数:() =


∗ 3/2
 () =
=
(
)
 − 
 
ℏ2

∗

−
+(  

载流子浓度:(导带中的电子浓度)
(价带中的空穴浓度)


 =  (−
 −

 =  (−
 −

 
载流子迁移率






 = ∗


 = ∗

外场下载流子:漂移运动
载流子迁移率与其有效质量成反比,而与其平均自由时间
成正比
有效质量取决于能带结构
载流子平均自由时间是由载流子针对多种散射碰撞的散射
概率所决定
与杂质浓度、温度有密切的关系。
半导体
参数
Si
Ge
GaAs
Eg(eV)
m
m
1.12
0.67
1.428
1.062m0
0.56 m0
0.068 m 0
0.59 m 0
0.29 m 0
0.47 m 0
*
n
*
p
Nc(cm-3)
Nv(cm-3)
2.8×1019
1.05×1019
4.5×1017
1.1×1019
3.9×1018
8.1×1018
ni(cm-3)
计算值
7.8×109
1.7×1013
2.3×106
ni(cm-3)
测量值
1.02×1010
2.33×1013
1.1×107
体系
材料
µn300K
/(cm 2/V·s)
µnpeak/(cm 2/V·s)
µp300K
/(cm 2/V·s)
µppeak/(cm 2/V·s)
IV
Diamond
Si
Ge
α-Sn
3C-SiC
6H-SiC
BP
AlP
AlAs
AlSb
α-GaN
β-GaN
GaP
GaAs
GaSb
InP
InAs
InSb
ZnO
α-ZnS
β-ZnS
ZnSe
ZnTe
w-CdS
w-CdSe
CdTe
HgTe
2800
1750
2300
9000(T~80K)
500000(T~8K)
530000(T~11K)
80800(T=4.2K)
3000(T~66K)
10940(T=50K)
190(T=300K)
80(T=300K)
294(T=300K)
700(T=77K)
7400(T~60K)
11000(T~50K)
3100(T~70K)
400000(T=28~40K)
12700(T=77K)
400000(T~45K)
170000(T=77K)
1100000(T~50K)
2400(T=40K)
300(T=185K)
1500
450
2400
6000(T~110K)
350000(T~6K)
550000(T~8K)
25800(T=25K)
~80(T~210K)
240(T~150K)
500(T=300K
III-V
II-VI
980
375
190
80
294
200
1245
760
189
9340
12040
6460
30000
77000
226
140
107
1500
600
390
900
1050
26500
13600(T=55.6K)
70000(T=1.8K)
20000(T=23K)
100000(T~30K)
1400000(T=4.2K)
~60
100
500
450
105
420
370
350
140
450
1624
180
450
1100
72
355
100
48
50
104
320
105(T=300K)
5000(T~50K)
500(T~250K)
1250( T~120K)
2050 (T~55K)
28000(T~22K)
13300(T~25K)
3000(T~60K)
1200(T~70K)
29000(T~20-30K)
596(T=77K)
6500(T=35K)
1200(T=170K)
45000 (T~10K)
PN结





结区存在载流子浓度梯度,载流子扩散
形成空间电荷区,内建电场(np),载流子漂移
构成pn结时,空间电荷区能带发生弯曲(势垒区)
正向偏压下势垒区电场减弱——光增益
反向偏压下势垒区电场增强——光探测
半导体的光电性能

光吸收与光发射:与带隙能量有关,直接带隙与间接带隙

光调制:多种效应(电光χ(2)、自由载流子色散效应χ(1)、电吸
收效应EA、电致折射率变化ER)

光学非线性效应:全光器件SPM,XPM,THG, FWM,SRS等

光伏器件:多结

器件应用:晶体生长,晶格失配,衬底选择,应力与应变,
缺陷
光吸收








本征吸收:存在吸收限(能量大于带隙的光子被吸收),根据带
隙值决定半导体材料对于入射光子的吸收特性
硅对于小于1.12eV光子的吸收:硅可见-近红外探测器
硅对于大于1.12eV光子的透明:硅波导
激子吸收:价带电子不足以进入导带,形成的电子-空穴对。
激子非局域,易被分离或复合。
激子能态分立。
自由载流子吸收
杂质吸收,晶格振动吸收
光发射




本征跃迁:光致发光、电致发光、阴极发光
直接带隙复合:跃迁不涉及k值改变,辐射效率高(GaAs, InP,
GaN)
间接带隙复合:跃迁时改变k值,必须有声子发射或吸收(晶
格振动),有非辐射跃迁(自由载流子吸收,俄歇复合)
量子点发光,掺杂物质发光,缺陷态发光,wafer-bonding…
半导体光电材料


IV族材料:Si(1.12eV第一重要半导体材料),Ge(0.66eV),6HSiC(GaN).“硅光子学”。
SOI波导,硅太阳能电池,Ge红外探测器(针对1.3-1.55μm),Ge量
子点发光,体锗发光,SiC衬底

III-V材料:GaAs(第二重要半导体材料)(AlGaAs)异质结半导体激光器,
光伏器件,探测器; InP((InP)1-z(Ga0.47In0.53As)z )衬底材料,LED及
LD;GaN(InGaN,AlGaN)宽带隙LED及LD,紫外光探测器

II-VI材料:ZnS(掺杂)荧光体材料;CdSe量子点发光,限域效应;
HgCdTe(第三重要半导体材料)中长红外光探测材料;ZnO(宽带隙半
导体材料,激子结合能,p型掺杂,纳米光电,LED/LD,透明导电,
TFT…)

similar documents