第四章 光电器件

1、现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学桂林电子科技大学光电器件光电器件 1 1现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学桂林电子科技大学光电器件光电器件 2 2辐射跃迁辐射跃迁 光子和固体内的电子之间有三种主要的相互作用过程：吸收、自发辐射、受激辐射。如图为在一个原于内的两个能级E1和E2，其中E1相当于基态，E2相当于激发态，则在此两能态之间的任何跃迁，都包含了光子的辐射或吸收，此光子的频率为12，而h12=E2-E1。 室温下，固体内的大多数原子处于基态。此时若有一能量恰好等于h12的光子撞击此系统，则原本处于基态的原子将会吸收光子的能量而跑

2、到激发态。这一过程称为吸收过程吸收过程。 1E2E吸收)( a1 2h1 2h自发辐射)( b1 2h1E2E1E2E1 2h1 2h受激辐射)( c)(同相位之前之后图8 . 2在两个能级间的三种基本跃迁过程.其中黑点表示原子的能态.最初的能态在左边，经过跃迁后，其最终的能态则在右边1E2E吸收)( a1 2h1 2h自发辐射)( b1 2h1E2E1E2E1 2h1 2h受激辐射)( c)(同相位之前之后图8 . 2在两个能级间的三种基本跃迁过程.其中黑点表示原子的能态.最初的能态在左边，经过跃迁后，其最终的能态则在右边辐射跃迁和光的吸收辐射跃迁和光的吸收现代半导体器件物理与工艺现代半导体

3、器件物理与工艺桂林电子科技大学桂林电子科技大学光电器件光电器件 3 3 在激发态中的原子是很不稳定的，经过短暂的时间后，不需要外来在激发态中的原子是很不稳定的，经过短暂的时间后，不需要外来的激发，它就会跳回基态，并放出一个能量为的激发，它就会跳回基态，并放出一个能量为h12的光子，这个过程即称的光子，这个过程即称为为自发辐射自发辐射图图(b)。 当一能量为当一能量为h h1212的光子撞击一的光子撞击一原本在激发态的原子时原本在激发态的原子时 图图cc，此，此原子被激发后，会转移到基态，原子被激发后，会转移到基态，并且放出一个与入射辐射同相位并且放出一个与入射辐射同相位、能量为、能量为h h1

4、212的光子。这个过程即的光子。这个过程即称为称为受激辐射受激辐射。由受激辐射所造。由受激辐射所造成的辐射是单色的，因为每一个成的辐射是单色的，因为每一个光子具有的能量都是光子具有的能量都是h h1212。同时，。同时，此辐射也是相干的，因为所有的此辐射也是相干的，因为所有的光子都是同相位发射。光子都是同相位发射。 1E2E吸 收)( a1 2h1 2h自 发 辐 射)( b1 2h1E2E1E2E1 2h1 2h受 激 辐 射)( c)(同 相 位之 前之 后图8 .2在 两 个 能 级 间 的 三 种 基 本 跃 迁 过 程 . 其 中 黑 点 表 示 原 子 的能 态 . 最 初 的 能

5、 态 在 左 边 ， 经 过 跃 迁 后 ， 其 最 终 的 能 态 则 在 右 边1E2E吸 收)( a1 2h1 2h自 发 辐 射)( b1 2h1E2E1E2E1 2h1 2h受 激 辐 射)( c)(同 相 位之 前之 后图8 .2在 两 个 能 级 间 的 三 种 基 本 跃 迁 过 程 . 其 中 黑 点 表 示 原 子 的能 态 . 最 初 的 能 态 在 左 边 ， 经 过 跃 迁 后 ， 其 最 终 的 能 态 则 在 右 边辐射跃迁和光的吸收辐射跃迁和光的吸收 发光二极管的主要工作过程是自发辐射，激光二极管则是受激辐射，发光二极管的主要工作过程是自发辐射，激光二极管则是受

6、激辐射，而光探测器和太阳能电池的工作过程则是吸收。而光探测器和太阳能电池的工作过程则是吸收。 现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学桂林电子科技大学光电器件光电器件 4 4 如图显示的是半导体中的基本跃迁当半导体被光照射后，如果光如图显示的是半导体中的基本跃迁当半导体被光照射后，如果光子的能量等于禁带宽度子的能量等于禁带宽度(即即h=Eg)，则半导体会吸收光子而产生电子，则半导体会吸收光子而产生电子-空穴空穴对，如对，如(a)所示所示若若h大于大于Eg，则除了会产生电子，则除了会产生电子-空穴对之外，多余的能空穴对之外，多余的能量量(h-Eg)将以热的形式耗散，如将以

7、热的形式耗散，如(b)所示。所示。 以上以上(a)与与(b)的过程皆称为本征跃的过程皆称为本征跃迁，或称为能带至能带的跃迁。另一迁，或称为能带至能带的跃迁。另一方面，方面，若若h小于小于Eg，则只有在禁带中，则只有在禁带中存在由化学杂质或物理缺陷所造成的存在由化学杂质或物理缺陷所造成的能态时，光子才会被吸收，如能态时，光子才会被吸收，如(c)所示，所示，这种过程称为非本征跃迁。一般而言，这种过程称为非本征跃迁。一般而言，以上所述在因果倒置时也是正确。以上所述在因果倒置时也是正确。光的吸收光的吸收半导体中光的吸收半导体中光的吸收CEVEgE)(a)(b)(chtECEVEgE)(a)(b)(ch

8、tE现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学桂林电子科技大学光电器件光电器件 5 5 假设半导体被一光子h能量大于Eg且光子通量为0(即每秒每平方厘米所具有的光子数)的光源照射，当此光子通量进入半导体时，光子被吸收的比例是与通量的强度成正比。因此，在一增量距离x图(a)内，被吸收的光子数目为(x)x，其中称为吸收系数，由光子通量的连续性可得 负号表示由于吸收作用，导致光子通量强度减少。代入边界条件，当x=0时，(x)= 0可得上式的解为 xxaxdxxdxxx xadxxd axex00)( x)(xxW在光照射下的半导体)( a0 xe0 xW0光通量的指数衰减)(

9、b0 xe0 xW0光通量的指数衰减)( b图8 . 4光的吸收半导体中半导体中光的吸收光的吸收现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学桂林电子科技大学光电器件光电器件 6 6 发光二极管(LED)是一种p-n结，它能在紫外光、可见光或红外光区域辐射自发辐射光。可见光LED被大量用于各种电子仪器设备与使用者之间的信息传送。而红外光LED则应用于光隔离及光纤通讯方面。 由于人眼只对光子能 量 h 等 于 或 大 于1.8eV(0.7m)的光线感光，因此所选择的半导体，其禁带宽度必须大于此极限值。右图标示了几种半导体的禁带宽度值。可见光发光二极管：可见光发光二极管：人眼的相

10、对灵敏度FWHMm555. 0m红外红绿紫紫外橙黄蓝SiGaAsCdSeGaPCdSSiCGaNZnSyy-1PGaAs人眼的相对灵敏度FWHMm555. 0m红外红绿紫紫外橙黄蓝SiGaAsCdSeGaPCdSSiCGaNZnSyy-1PGaAs2 . 16 . 10 . 24 . 28 . 22 . 36 . 30 . 18 . 07 . 06 . 05 . 045. 04 . 035. 0m/eV/gE2 . 16 . 10 . 24 . 28 . 22 . 36 . 30 . 18 . 07 . 06 . 05 . 045. 04 . 035. 0m/eV/gE图 8.6 常作为可见光

11、 LED 的半导体. 途中还表示了人眼的相对灵敏度发光二极管（发光二极管（Light-emitting diodesLight-emitting diodes）)(24. 1mEgc现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学桂林电子科技大学光电器件光电器件 7 7下表列出了用来在可见光与红外光谱区产生光源的半导体。 在所列出的半导体材料中，对于可见光LED而言，最重要的是GaAs1 - yPy与GaxIn1-xN合金的-V族化合物系统。发光二极管发光二极管材材 料料波长波长nmInAsSbPInAs4200InAs3800GaInAsP/GaSb2000GaSb1800G

12、axIn1-xAs1-yPy11001600Ga0.47In0.53As1550Ga0.27In0.73As0.63P0.371300GaAs: Er, InP: Er1540Si: C1300GaAs: Yb, InP: Yb1000AlxGa1-xAs: Si650940GaAs: Si940Al0.11Ga0.89As: Si830Al0.4Ga0.6As: Si650GaAs0.6P0.4660GaAs0.4P0.6620GaAs0.15P0.85590(AlxGa1-x)0.5In0.5P655GaP690GaP: N550570GaxIn1-xN340, 430, 590SiC40

13、0460BN260, 310, 490现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学桂林电子科技大学光电器件光电器件 8 8 当有一个以上的第族元素均匀分散于第族元素的晶格位置，或有一个以上的第V族元素均匀分散于第V族元素的晶格位置，就形成了此-V族化合物合金。三元三元化合物常用的符号是AxB1-xC或AC1-yDy，而四元化合物则用AxB1-xCyD1-y表示，其中A和B为第族元素，C和D为第V族元素，而x和y是物质的量的比。 右图表示GaAs1-yPy的禁带宽度是物质的量的比y的函数。当0y0.45时，它属于直接禁带半导体，由y=0时的Eg=1.424eV，增加到y=0.

14、45时的1.977eV。当y0.45时，则属于间接禁带半导体。 02 . 04 . 06 . 08 . 00 . 15 . 20 . 25 . 10 . 3K3 0 0Tyy - 1PG a A s2 .2 6 1gE1 .9 7 7g4 5. 0Ey直 接 禁 带间 接 禁 带4 2 4. 1gE02 . 04 . 06 . 08 . 00 . 15 . 20 . 25 . 10 . 302 . 04 . 06 . 08 . 00 . 15 . 20 . 25 . 10 . 3K3 0 0Tyy - 1PG a A s2 .2 6 1gE1 .9 7 7g4 5. 0Ey直 接 禁 带间 接

15、 禁 带4 2 4. 1gEG a A sG a Py物 质 的 量 的 比0 . 1y001230m a xP8 5. 06 5. 04 0. 0价 带导 带h0 . 1y001230m a xP8 5. 06 5. 04 0. 0价 带导 带hP动 量带 的 关 系 图的 成 分 与 直 接 及 间 接 禁yy - 1PG a A s) (a的 合 金 成 分、 绿 色 光黄 色、 橙 色相 对 于 红 色) 0 . 1 ()8 5. 0 ()6 5. 0 (0 .4 )(y) (b图 8 . 7eV/gE禁带宽度eV/能量发光二极管发光二极管Eg(GaAs)=1.4eV(886nm) E

16、g(GaP)=2.26eV(548nm)现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学桂林电子科技大学光电器件光电器件 9 9 右图表示几种合金成分的能量-动量图。导带有两个极小值，一个沿着p=0的是直接极小值，另一个沿着p=pmax的是间接极小值。a.位于导带直接极小值的电子及位于价带顶部的空穴具有相同的动量(p=0)；b.而位于导带间接极小值的电子及位于价带顶部的空穴则具有不同的动量。辐射跃迁机制大部分发生于直接禁带的半 导 体 中 ， 如 砷 化 镓 及 G a A s1 -yPy(yn1n3的条件下，第一层和第二层界面(b)的光线角度12超过临界角。而第二层和第三层界

17、面间的23也有相似的情况发生。因此当有源层的折射率大于周围的折射率时，光学辐射就被导引(约束)在与各层界面平行的方向上半导体激光半导体激光现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学桂林电子科技大学光电器件光电器件 2222光学腔与反馈：使激光作用的必需条件为分布反转。只要分布反转的条件持续存在，通过受激辐射放出的光子就有可能引发更多的受激辐射。这就是光增益的现象。 半导体激光半导体激光 光波沿着激光腔作单程传导所获得的增益是很小的。为了提高增益，必须使光波作多次传播，可以用镜面置于腔的两端来实现，如图(a)左右两侧所示的反射面。对于半导体激光而言，构成器件的晶体的劈裂面可

18、以作为此镜面。如沿着砷化镓器件的(110)面劈开，可以产生两面平行，完全相同的镜面。现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学桂林电子科技大学光电器件光电器件 2323 如果两端点平面间的距离恰好是半波长的整数倍时，增强且相干的光会在腔中被来回地反射。因此对受激辐射而言，腔的长度L必须满足下述条件： 其中，m为一整数。显然，有许多的值可以满足条件图(a)，但只有那些落在自发辐射光谱内的值会被采用图(b)。而且，光波在传播中的衰减，意味着只有最强的谱线会残留，导致如图(c)所示的一组发光模式。Lnm2Lnm2即 长轴模式长轴模式光增益光衰减发光光谱自发辐射衰减腔中的光增益光

19、衰减发光光谱自发辐射衰减腔中的激光腔中的共振模式)(a自发辐射光谱)(b光增益波长)(c激光模式激光模式图 8. 22长 轴 模 式长 轴 模 式光 增 益光 衰 减发 光 光 谱自 发 辐 射衰 减腔 中 的光 增 益光 衰 减发 光 光 谱自 发 辐 射衰 减腔 中 的激 光 腔 中 的 共 振 模 式)(a自 发 辐 射 光 谱)(b光 增 益 波 长)(c激 光 模 式激 光 模 式图8. 22半导体激光半导体激光现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学桂林电子科技大学光电器件光电器件 2424图(a)为基本的p-n结激光，称为同质结激光 (GaAs)。沿着垂直

20、于110轴的方向劈成一对平行面，外加适当的偏压条件时，激光就能从这些平面发射出来(图中仅示出前半面的发射)。 二极管的另外两侧则加以粗糙化处，以消除激光从这两侧射出的机会，这种结构称法布里-波罗腔，其典型的腔长度L约300m，法布里-波罗腔结构被广泛地应用在近代的半导体激光器中。基本的激光器结构基本的激光器结构 ：横向纵向金属接触Ga As-pGa As-n接触Lxy110z横向纵向金属接触Ga As-pGa As-n接触Lxy110z同质结激光)( aAsGaAl-p1xxAsGaAl-n1xxGa As-p激光双异质结)DH()( bAsGaAl-p1xxAsGaAl-n1xxGa As-

21、p激光双异质结)DH()( b金属氧化物Ga AspAsGaAlp1xxGa AspAsGaAln1xx衬底Ga AsLsd激光长条状DH)( c金属氧化物Ga AspAsGaAlp1xxGa AspAsGaAln1xx衬底Ga AsLsd金属氧化物Ga AspAsGaAlp1xxGa AspAsGaAln1xx衬底Ga AsLsd激光长条状DH)( c图8. 23法布里- 波罗腔形态的半导体激光结构半导体激光半导体激光现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学桂林电子科技大学光电器件光电器件 2525 图(b)是双异质结构(DH)激光，此结构类似于三明治。有一层很薄的半

22、导体(如GaAs)被另一种不同的半导体(如AlxGa1-xAs)所包夹。 图(a)及图(b)所示的激光结构为大面积激光，因为沿着结的整个区域皆可发出激光。 图(c)是长条形的DH激光，它除了长条接触区域外，皆由氧化层予以绝缘隔离，所以激光发射的区域就约束在长条状接触下面狭窄的范围。典型的条状区宽度s约5至30m。此长条形状的优点包括低工作电流、消除沿着结处的多重发射区域以及因除掉大部分结周围区域而提高可靠度。 横向纵向金属接触GaAs-pGaAs-n接触Lxy110z横向纵向金属接触GaAs-pGaAs-n接触Lxy110z同质结激光)(aAsGaAl-p1 xxAsGaAl-n1 xxGaA

23、s-p激光双异质结)DH()(bAsGaAl-p1 xxAsGaAl-n1 xxGaAs-p激光双异质结)DH()(b金属氧化物GaAspAsGaAlp1 xxGaAsp AsGaAln1 xx衬底GaAsLsd激光长条状 DH)(c金属氧化物GaAspAsGaAlp1 xxGaAsp AsGaAln1 xx衬底GaAsLsd金属氧化物GaAspAsGaAlp1 xxGaAsp AsGaAln1 xx衬底GaAsLsd激光长条状 DH)(c图 8.23法布里-波罗腔形态的半导体激光结构半导体激光半导体激光现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学桂林电子科技大学光电器件光

24、电器件 2626域值电流密度：激光工作中最重要的参数之一是域值电流密度Jth，亦即产生激光所需的最小电流密。下图比较同质结激光与DH激光的域值电流密度Jth与工作温度的关系。 值得注意的是，当温度增加时，DH激光增加的速率远低于同质结激光增加的速率。由于DH激光在300K具有低值，所以DH激光可以 在 室 温 下 连 续 工作这样的特性增加了半导体激光的应用范围，尤其是在光纤通信系统中。 100200300210310410510m300L波罗腔法布里)cm/A105(24约结传统的np )cm/A10(23约)m5 . 0(d双异质结结构100200300210310410510m300L波

25、罗腔法布里)cm/A105(24约结传统的np )cm/A10(23约)m5 . 0(d双异质结结构K/T图 8.24图 20 中两种激光结构的域值电流密度与温度关系图)cmA(2域值电流密度半导体激光半导体激光现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学桂林电子科技大学光电器件光电器件 2727 光探测器是一种能够将光的信号转换为电的信号的半导体器件。光探测器的工作包括三个步骤：由入射光产生载流子；通过任何可行的电流增益机制，使载流子传导及倍增；电流与外部电路相互作用，以提供输出信号。 光探测器广泛应用于包括光隔离器的红外传感器以及光纤通信的探测器。在这些应用中，光探测器

26、必须在所工作的波长中具有高灵敏度、高响应速度及低噪声。另外，光探测器必须轻薄短小、使用低电压或低电流，并具有高可靠度。 光敏电阻光敏电阻 光敏电阻包含一个简单的半导体平板，而在平板两端则具有欧姆接触，如图。当入射光照到光敏电阻表面时，会发生从能带到能带(本征)或包含禁带能级的跃迁(非本征)，从而产生电子-空穴对，导致电导率增加。 hWLD欧姆接触欧姆接触半导体hWLD欧姆接触欧姆接触半导体图8.30由一半导体平板与两端的接触所构成的光敏电阻的示意图光探测器光探测器现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学桂林电子科技大学光电器件光电器件 2828 光电二极管基本上是一个工

27、作于反向偏压的p-n结或金属-半导体接触。没有光照时：反向电流极其微弱，叫暗电流；有光照时：反向电流迅速增大，称为光电流。由光产生的电子-空穴对在耗尽区内建电场的作用下分离，因此有电流流至外部电路。为了能在高频下工作，耗尽区必须尽可能地变薄以减少渡越时间。另一方面，为了增加量子效率，耗尽层必须足够厚，以使大部分入射光都被吸收，因此在响应速度与量子效率之间必须有所取舍。 光探测器（光电二极管）光探测器（光电二极管）现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学桂林电子科技大学光电器件光电器件 2929一、量子效率一、量子效率 ：每个入射光子所产生的电子-空穴对数目. 决定的重要

28、因素之一是吸收系数。因为和波长有强烈的依赖关系，能产生可观的光电流的波长范围是有限的。a.长截止波长c是由禁带宽度决定的，当波长大于c时，值太小，以致无法造成明显的本征吸收。b.光响应的短截止波长，则是由于短波长的值很大(约105cm-1)，大部分的辐射在表面附近就被吸收，且其复合时间甚小，导致光载流子在被p-n结收集以前就会发生复合。 光探测器（光电二极管）光探测器（光电二极管）现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学桂林电子科技大学光电器件光电器件 3030响应速度受到三个因素的限制：光生载流子在耗尽层附近的扩散时间；光生载流子在耗尽区内的漂移时间；负载电阻与并联电

29、容（耗尽区的电容）所决定的电路时间常数。二、响应速度二、响应速度a.在耗尽区外产生的载流子会扩散到结，造成相当大的时间延迟。为了将扩散效应降到最小，结必须非常接近表面。b.如果耗尽区足够宽的话，绝大部分的光线都会被吸收,然而耗尽区不能太宽，因为渡越时间效应会限制频率响应。但它也不能太薄，因为过大的电容C会造成大的RC时间常数(其中R是负载电阻)。c.最理想的折衷办法是选择一个宽度，使耗尽层渡越时间大约为调制周期的一半。例如，调制频率为2GHz时，硅最理想的耗尽层宽度约25m。 光电二极管光电二极管现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学桂林电子科技大学光电器件光电器件

30、3131p-i-n光电二极管光电二极管 p-i-n光电二极管是最常用的光探测器之一，其有效作用区域是存在有电场的i型层，光生载流子有效区域增大，扩散影响就会减弱，结电容也大大减小，光检测灵敏度和响应速度得到提高。绝大部分入射光在i层被吸收并产生大量电子-空穴对。其耗尽区厚度(本征层)可予调制以优化量子效率及频率响应。图(a)是p-i-n光电二极管的截面图，它具有抗反射层以增加量子效率的特性。图(b)、(c)分别是反向偏压条件下，p-i-n二极管的能带图及光吸收特性。半导体吸收光之后会产生电子-空穴对。在耗尽区或其扩散长度内的电子-空穴对终会被电场所分开，导致载流子漂移出耗尽层而产生外部电路电流

31、。 光电二极管光电二极管h金属接触2SiO抗发射层inpLRRVh金属接触2SiO抗发射层inpLRRVhhhRqVCEVE电子扩散空穴扩散漂移空间反向偏压下的能带图)(bhhhRqVCEVE电子扩散空穴扩散漂移空间反向偏压下的能带图)(bxe/1PWWW Px吸收载流子吸收特性曲线)(cxe/1PWWW Px吸收载流子吸收特性曲线)(c光电二极管的截面图n- i -p)(a现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学桂林电子科技大学光电器件光电器件 3232p-n太阳能电池太阳能电池p-n结太阳能电池包含一个形成于表面的浅p-n结、一个条状及指状的正面欧姆接触、一个涵盖整

32、个背部表面的背面欧姆接触以及一层在正面的抗反射层。 当电池暴露在太阳光谱时，能量小于禁带宽度Eg的光子对电池输出并无贡献。能量大于禁带宽度Eg的光子才会对电池输出贡献能量，而大于Eg的部分能量则会以热的形式消耗掉。 太阳能电池太阳能电池正面指状条形接触1cmcm2npm4/ 1正面指状条形接触1cmcm2npm4/ 1h抗反射涂层mm5 . 0m4/1Sipcm1型W背面接触结n-ph抗反射涂层mm5 . 0m4/1Sipcm1型W背面接触结n-p现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学桂林电子科技大学光电器件光电器件 3333图(a)和(b)分别为太阳辐射下的p-n结能带图及其等效电路。根据上述模型，其根据上述模型，其I-V特性可表示为特性可表示为LsIkTqVII1exp而kTEDNDNNqNAIJgppDnnAVCssexp11其中有一恒定电流源与结并联。此电流源IL(短路光电流)是由于太阳辐射产生的多余载流子的激发所造成的，IS是二极管饱和电流，而R是负载电阻。 太阳能电池太阳能电池hCEVEgEhocqVhCEVEgEhocqV射下的能带图结太阳能电池在太阳照n-p)(ahLRhLRLRILI 1)exp(skTqVILRILI