1、光電子材料概論,光發(fā)射材料 光子探測器材料 （第五章穿插介紹） 光熱探測器材料 （第五章穿插介紹）,光發(fā)射半導體材料,半導體中的復合和發(fā)光 半導體LD材料選擇原則 半導體LD用材料,光發(fā)射半導體材料,制備一種實用化的LD或LED器件需要多種具有一定性能的半導體材料，包括：有源區(qū)材料、限制層材料、襯底材料、電極材料。,光發(fā)射半導體材料,材料中輻射過程的效率； 發(fā)射波長； 材料合成和器件制備的難易。,關鍵點：半導體材料的結構和組成如何影響輻射效率和發(fā)射波長。,LED、LD的材料主要由以下考慮：,半導體中的復合和發(fā)光,輻射躍遷（RT- Radiative Transition ）復合,非輻射躍遷（N

2、RT- Non-radiative Transition ）復合,帶帶復合（Band to band)、雜質參與的復合（D-VB，CB-A，D-A對） 激子復合、等電子陷阱復合,Auger復合、多聲子躍遷復合、深能級態(tài)復合、表面復合,復合：電子和空穴的湮滅，釋放出的能量等于載流子的初始能量差。,Band to band復合CBVB復合,CB中的電子（接近CB底的能態(tài)上的電子）直接與VB中的空穴復合（接近VB頂?shù)哪軕B(tài)上的空穴）,B-B復合的發(fā)射光譜具有一定的寬度。（載流子不是完全處于導帶最低能級和價帶最高能級上 ）,直接躍遷復合：本征吸收的逆過程，k矢量不變，發(fā)光效率高（只有e-h對、光子參與）

3、。例：GaAs、InP等。,Eg：eV 0： m,發(fā)光峰值波長：,間接躍遷復合：有e-h對、光子、聲子參與，部分復合能量轉移給聲子，發(fā)光效率低。例：Si、Ge、GaP等。,Band to band復合CBVB復合,淺雜質能級參與的復合,A：淺躍遷 電子從導帶到電離的淺施主能級或從電離的淺受主能級到價帶的輻射躍遷。,特點： =1.24/Ei，處于紅外區(qū)域。輻射躍遷幾率很低。,CB中的e 電離的淺施主 電離的淺受主上的eVB,B：深躍遷 CB中的e 未電離的受主能級A 未電離的施主能級D上的e VB,淺雜質能級參與的復合,C：D-A對的復合 未電離的施主能級D上的e 未電離的受主能級A,特點： 輻

4、射躍遷幾率大，發(fā)光效率高。多數(shù)LED的發(fā)光機制。,D、A間庫侖作用能,淺雜質能級參與的復合,半導體中的復合和發(fā)光,為了挑選用來制備LD或LED的高輻射效率材料，必須了解半導體材料中是什么因素決定了總的輻射過程是受RT支配，還是受NRT支配？,每種半導體材料中，RT過程和NRT 過程將同時存在，兩者的強弱程度決定了半導體材料的輻射效率。,半導體中的復合和發(fā)光-RT復合,輻射躍遷（RT）復合,1. 在直接帶隙和間接帶隙材料中，帶間躍遷都可以發(fā)生，但發(fā)生的幾率不同。在直接帶隙材料中B-B躍遷發(fā)生的幾率大。,2. 少子壽命（rad）：復合前載流子存在的時間。,Nm：載流子濃度； Vth：載流子熱運動速

5、度； ：載流子俘獲截面,在直接帶隙材料中rad很小，因為容易與多子復合，而在間接帶隙材料中rad較大。,例：GaAs（直接帶隙）： rad10-9s；Ge（間接帶隙）：rad10-2s,結論： 高效率的發(fā)光材料應該具有以下幾個特征：,（1）直接帶隙；,（2）高摻雜濃度；,（3）大的俘獲截面。,例：GaAs:Te（重摻）：有效的發(fā)光材料。 GaP：間接帶隙材料，在重摻雜時幾乎沒有發(fā)光。,半導體中的復合和發(fā)光-RT復合,輻射躍遷（RT）復合,間接帶隙材料通過“等電子陷阱”摻雜可獲得高效率發(fā)光。,GaP:N： N取代P，在導帶下面產(chǎn)生一個中性能級態(tài) ，這個狀態(tài)是有效的電子陷阱，陷在這個狀態(tài)上的電子同

6、空穴復合比GaP中的B-B復合更為有效。,例： GaP:N 黃綠光,半導體中的復合和發(fā)光-RT復合,輻射躍遷（RT）復合,非輻射躍遷（NRT）復合,NRT復合過程的存在限制了發(fā)光器件的輻射效率。,Auger復合 多聲子躍遷復合 深能級態(tài)復合 表面復合,半導體中的復合和發(fā)光-NRT復合,Auger復合,電子與空穴的復合所釋放的能量轉移給另外一個鄰近的載流子而不產(chǎn)生光子。,半導體中的復合和發(fā)光-NRT復合,Auger復合的速率：,CB,VB,結論：從Auger復合速率與少子壽命的影響因素來說，摻雜濃度必須折中考慮。,多聲子躍遷（MT - Multiphonon Transition）復合,禁帶中存

7、在階梯狀能級，階梯躍遷是輻射躍遷和多聲子躍遷的結合。但輻射躍遷發(fā)射的光處在紅外區(qū)域，無利用價值。,半導體中的復合和發(fā)光-NRT復合,MT與哪些因素有關呢？,（1）金屬雜質：Luminescent killers,例Cu在禁帶中產(chǎn)生5個受主態(tài)能級。,（2）絡合缺陷：雜質原子與本征點缺陷形成的絡合缺陷。,（3）晶體缺陷：晶界（Grain Boundaries）、位錯（Dislocation）、自由表面（Free Surface）、微沉淀（Precipitates）,深能級態(tài)復合失配位錯對發(fā)光器件的影響,失配位錯：兩層薄膜材料由于晶格常數(shù)和熱膨脹系數(shù)的不匹配 而產(chǎn)生的位錯。,半導體中的復合和發(fā)光-N

8、RT復合,限制層,有源區(qū),限制層,由于晶格常數(shù)和熱膨脹系數(shù) 的不匹配 而產(chǎn)生失配位錯,失配位錯的影響：,半導體中的復合和發(fā)光-NRT復合,（1）失配位錯的存在將在半導體禁帶中產(chǎn)生深能級態(tài)。,（2）這些深能級態(tài)的位置和密度由位錯的結構和雜質分凝決定。,（3）深能級態(tài)的存在將形成載流子陷阱，增大rad，從而降低發(fā)光效率。,深能級態(tài)，電子被陷住,深能級態(tài)復合失配位錯對發(fā)光器件的影響,異質界面上非輻射復合速率S與晶格常數(shù)失配的關系：,半導體中的復合和發(fā)光-NRT復合,結論：制備高效率的異質結發(fā)光器件，必須選擇晶格常數(shù)盡可能匹配的材料，否則器件效率就很低。,a：薄膜的晶格常數(shù) a：與另一層薄膜的晶格常數(shù)

9、差,半導體異質結材料晶格是否匹配的定量判據(jù),半導體中的復合和發(fā)光-NRT復合,物理意義：為了降低界面態(tài)的非輻射復合速率，必須盡可能使異質結的兩種半導體材料晶格匹配，其失配度應當小于0.1%。,理論分析和實驗測試表明： 界面復合速率應當小于104cm/s。,深能級態(tài)復合失配位錯對發(fā)光器件的影響,一、有源區(qū)材料,（1）發(fā)射波長，根據(jù)=1.24/Eg選擇半導體材料（單質、化合物或三元、四元固熔體）,半導體激光器材料選擇原則,（2）直接帶隙材料,（3）合適的摻雜濃度,（4）無金屬有害雜質，無位錯，無晶界，無第二相微沉淀。,二、限制層材料,（1）滿足電學參數(shù)：導電類型、禁帶寬度等 滿足光學參數(shù)：折射率,

10、半導體激光器材料選擇原則,（2）考慮薄層晶體的完整性，要滿足與有源層和襯底材料間晶格常數(shù)以及熱膨脹系數(shù)的一致。 特別是晶格常數(shù)的匹配。,三、襯底材料,（1）采用已商業(yè)化的材料（工藝成熟、性能穩(wěn)定、質量得到保證、價格便宜 ）。,半導體激光器材料選擇原則,（2）與限制層材料間的晶格匹配，以及與電極材料間的歐姆接觸。,四、電極材料,（1）與n型接觸：選擇低功函數(shù)金屬。,（2）與p型接觸：選擇高功函數(shù)金屬。,金屬與n型半導體的接觸（WmWs）,金屬與n型半導體的接觸（WmWs）,幾種材料的分析,Si、Ge：傳統(tǒng)用于半導體分立器件和集成電路，但不是所希望的LD材料。原因：間接帶隙材料。,半導體LD用材料

11、,GaAs：直接帶隙材料。發(fā)射波長約0.87m（Eg=1.42eV），不是很好地匹配石英光纖的低損耗窗口（0.85 m）。,GaP:N：發(fā)射黃綠光。,結論：無論是GaAs還是GaP都不能實現(xiàn)紫藍光器件（新一代光盤用LD）、光通信光源（0.85、1.3、1.55 m）。,目前在光通信、信息處理、激光顯示和條形碼掃描等方面已大量實用的LD材料，主要有：,半導體LD用材料,一、發(fā)射0.85、1.3、1.55 m的材料,半導體LD用材料,材料選擇：II-VI族、III-V族、IV-VI族。III-V族化合物半導體是半導體LD材料的主流。,原因：III-V族化合物的n、p型容易制備，制備工藝簡單。,II

12、I族主要指：Al、Ga、In,V族主要指：N、P、As、Sb,波長0.81.7m： 對應于Eg：0.81.5eV,一、發(fā)射0.85、1.3、1.55m的材料（0.81.5eV）,半導體LD用材料,1. 二元化合物,III-V族二元化合物的帶隙：,AlN 6.2 AlP AlAs 2.32 AlSb 1.6 GaN 3.8 GaP 2.26 GaAs 1.42 GaSb 0.73 InN 1.9 InP 1.26 InAs 0.36 InSb 0.17,符合禁帶寬度條件的只有GaAs和InP，但是： GaAs：0.9 m InP：1.0 m,一、發(fā)射0.85、1.3、1.55 m的材料（0.81

13、.5eV）,半導體LD用材料,2. 三元固熔體（合金）,三元固熔體：AxB1-xC，或者ACxD1-x，其中A、BIII，C、DV。,特點：（1）Eg隨著組分x的變化而單調(diào)變化，但并不線性變化。也即三元合金的Eg的數(shù)值總在EgAC和EgBC之間。 （2）可通過合理地選擇組分x，就可獲得所需Eg值的材料。,AxB1-xC,一、發(fā)射0.85、1.3、1.55 m的材料（0.81.5eV）,半導體LD用材料,2. 三元固熔體（合金）,例一：GaxIn1-xSb的Eg隨x的變化：,GaxIn1-xSb,一、發(fā)射0.85、1.3、1.55 m的材料（0.81.5eV）,半導體LD用材料,2. 三元固熔體

14、（合金）,例二：GaPxAs1-x的Eg隨x的變化：,GaAs：直接帶隙，GaP：間接帶隙 GaPxAs1-x在x=0.45處有帶隙結構的轉變。,一、發(fā)射0.85、1.3、1.55 m的材料（0.81.5eV）,半導體LD用材料,2. 三元固熔體（合金）,0.85 m：,GaPxAs1-x/GaAs,GaAlxAs1-x/GaAs,In1-xGaxP,Al1-xGaxSb,一、發(fā)射0.85、1.3、1.55 m的材料（0.81.5eV）,半導體LD用材料,2. 三元固熔體（合金）,作為發(fā)光層的襯底的III-V族二元化合物： GaAs、InP、InAs、GaSb,含Al的二元化合物容易潮解，不穩(wěn)

15、定。不宜作為襯底材料。如AlAs、AlSb。,InSb：晶格常數(shù)太大，不可能與其它化合物、合金匹配。 GaP：晶格常數(shù)太小，不可能與其它化合物、合金匹配。,一、發(fā)射0.85、1.3、1.55 m的材料（0.81.5eV）,半導體LD用材料,2. 三元固熔體（合金）,GaPxAs1-x：GaAs和GaP的晶格常數(shù)偏離較大，不易控制匹配，x稍有偏移，不匹配程度增大。,GaAlxAs1-x：GaAs和AlAs的晶格常數(shù)很接近。在任何組分x值上GaAlAs與GaAs襯底很好地匹配。因此GaAlAs/GaAs廣泛用于制備LED和LD。,0.85 m：,符合條件的固熔體： Ga1-xInxAs GaSbx

16、As1-x InAsxP1-x GaAlxSb1-x,一、發(fā)射0.85、1.3、1.55 m的材料（0.81.5eV）,半導體LD用材料,2. 三元固熔體（合金）1.3 m,無襯底匹配,無襯底匹配,無襯底匹配,間接帶隙,符合條件的固熔體： Ga1-xInxAs GaSbxAs1-x InAsxP1-x GaAlxSb1-x,一、發(fā)射0.85、1.3、1.55 m的材料（0.81.5eV）,半導體LD用材料,2. 三元固熔體（合金）1.55 m,無襯底匹配,無襯底匹配,無襯底匹配,襯底匹配不是最好,一、發(fā)射0.85、1.3、1.55 m的材料（0.81.5eV）,半導體LD用材料,3. 四元固熔

17、體（合金）,In1-xGaxAsyP1-y體系,Ga1-xAlxAsySb1-y體系,四元固熔體（合金）的特點：禁帶寬度（Eg）和晶格常數(shù)可獨立變化。,一、發(fā)射0.85、1.3、1.55 m的材料（0.81.5eV）,半導體LD用材料,3. 四元固熔體（合金）InGaAsP體系,InGaAsP/InP：0.91.7 m （1.31 m、1.55 m）,InGaAsP/GaAs：0.70.9 m （0.85 m）,一、發(fā)射0.85、1.3、1.55 m的材料（0.81.5eV）,半導體LD用材料,3. 四元固熔體（合金）GaAlAsSb體系,GaAlAsSb/GaAs（微量Sb）：0.85 m,

18、GaAlAsSb/InP： 1.3 m,GaAlAsSb/GaSb（富Sb）：1.55 m,一、發(fā)射0.85、1.3、1.55 m的材料（0.81.5eV）,半導體LD用材料,小結： （1）0.85 m： GaAlAs/GaAs （2）1.3、1.55 m InGaAsP/InP,思考題7,1、根據(jù)上圖分析GaPxAs1-x、GaxAl1-xAs和GaxAl1-xSb是否適合作為發(fā)射0.85m波長LD的有源區(qū)材料，InAsxP1-x和GaxAl1-xSb是否適合作為發(fā)射1.3 m和1.55 m波長LD的有源區(qū)材料，并說明原因。2、高效率的發(fā)光材料應該具有哪些特征？制備發(fā)光材料時是不是摻雜濃度越

19、大越好，為什么？,二、發(fā)射可見光（0.40.75m）的材料（1.653.1eV）,半導體LD用材料,1. III-V族材料,二元化合物：GaP（等電子摻雜）、InN,AlN 6.2 AlP AlAs 2.32 AlSb 1.6 GaN 3.8 GaP 2.26 GaAs 1.42 GaSb 0.73 InN 1.9 InP 1.26 InAs 0.36 InSb 0.17,半導體LD用材料,三元固熔體：GaAlAs/GaAs,四元固熔體：InGaAsP/GaAs,二、發(fā)射可見光（0.40.75m）的材料（1.653.1eV）,二、發(fā)射可見光（0.40.75m）的材料（1.653.1eV）,半導體LD用材料,2. II-VI族材料,CdS、ZnSe、ZnTe ZnSSe、ZnSeTe ZnMgSSe,3. IV-IV族材料,