Transcript 半导体光学晶体

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𝑽 代替V(x),把周
期起伏 作为微扰来处理
ℏ2 2
−
𝛻 + 𝑉( 𝑟
2𝑚
𝜓 = 𝐸𝜓
𝑉( 𝑟 ) = 𝑉( 𝑟 + 𝑅 𝑛
𝜓( 𝑟 + 𝑅 𝑛 ) = 𝑒 𝑖 𝑘 · 𝑅 𝑛 𝜓( 𝑟
ℏ2 𝑑 2 0
−
𝜓 + 𝑉𝜓 0 = 𝐸 0 𝜓 0
2
2𝑚 𝑑𝑥
1
𝐸𝑘 = 𝑘|𝛥𝑉 |𝑘
2
𝐸𝑘
| 𝑘 ′ |𝛥𝑉 |𝑘 |2
0
𝐸𝑘0 − 𝐸𝑘′
=
𝑘′
1
𝜓𝑘
𝑛𝜋
𝑘=±
𝑎
𝑘 ′ |𝛥𝑉|𝑘
0
𝜓
𝑘′
0
𝐸𝑘0 − 𝐸𝑘′
=
𝑘′
布里渊区




三维情况下，需满足
∗
∗
∗
𝒌′ − 𝒌 = 𝑮 𝒏 = 𝒏𝟏 𝒂 + 𝒏𝟐 𝒃 + 𝒏𝟑 𝒄 (𝒏𝟏 , 𝒏2 , 𝒏3 为整数）
| 𝒌 |𝟐 = | 𝒌 + 𝑮 𝒏 |𝟐 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
𝛼𝑇 2
𝐸𝑔 (𝑇) = 𝐸𝑔 (𝑇 = 0) −
𝑇+𝛽
载流子

态密度：𝒈(𝑬) =
𝒅𝟐 𝑬
𝟏
 有效质量： 𝟐
ℏ 𝒅𝒌𝟐 𝒌=𝟎

能带底部附近量子状态密度为
𝜟𝒁
𝒍𝒊𝒎
𝜟𝑬→𝟎 𝜟𝑬
=
费米分布函数：𝒇(𝑬) =
𝒅𝒁
𝑽
𝟐𝒎𝒏∗ 3/2
𝑵𝒄 (𝑬) =
=
（
）
𝑬 − 𝑬𝒄
𝒅𝑬 𝟐𝝅𝟐
ℏ2
𝟏
𝒎∗𝒏
𝟏
𝑬−𝑬
𝟏+𝐞𝐱𝐩( 𝒌 𝑻𝑭
𝟎
载流子浓度：（导带中的电子浓度）
（价带中的空穴浓度）


𝒏 = 𝑵𝒄 𝐞𝐱𝐩(−
𝑬𝒄 −𝑬𝑭
𝑲𝑻
𝒑 = 𝑵𝒗 𝐞𝐱𝐩(−
𝑬𝑭 −𝑬𝑽
𝑲𝑻
𝟏 𝟐
载流子迁移率





𝑞𝜏𝑛
𝜇𝑛 = ∗
𝑚𝑛
𝑞𝜏𝑝
𝜇𝑝 = ∗
𝑚𝑝
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…)