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半導體光電子器件

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半導體光電子器件是利用半導體光-電子(或電-光子)轉換效應製成的各種功能器件。它不同於半導體光器件(如光波導開關、光調製器、光偏轉器等)。光器件的設計原理是依據外場對導波光傳播方式的改變,它也有別於早期人們襲用的光電器件。後者只是著眼於光能量的接收和轉換(如光敏電阻、光電池等)。

1 半導體光電子器件 - 簡介

利用半導體光-電子(或電-光子)轉換效應製成的各種功能器件。它不同於半導體光器件(如光波導開關、光調製器、光偏轉器等)。光器件的設計原理是依據外場對導波光傳播方式的改變,它也有別於早期人們襲用的光電器件。後者只是著眼於光能量的接收和轉換(如光敏電阻、光電池等)。早期的光電器件只限於被動式的應用,60年代作為相干光載波源的半導體激光器的問世,則使它進入主動式應用階段,光電子器件組合應用的功能在某些方面(如光通信、光信息處理等)正在擴展電子學難以執行的功能。一門新的分支學科──光電子學正在迅速發展,而光電子器件則構成光電子學的核心部分。

早在19世紀末就已經開始研究半導體硒中的光電現象,後來硒光電池得到應用,這幾乎比晶體管的發明早80年,但當時人們對半導體還缺乏了解,進展緩慢。30年代開始的對半導體基本物理特性(如能帶結構、電子躍遷過程等)的研究,特別是對半導體光學性質的研究為半導體光電子器件的發展奠定了物理基礎。1962年,R.N.霍耳和M.I.內森研製成功注入型半導體激光器,解決了高效率的光信息載波源,擴展了光電子學的應用範圍,光電子器件因而得到迅速發展。

2 半導體光電子器件 -基本物理過程

從能帶論的觀點出發,半導體中電子狀態的分佈如圖1,常溫下低能量的帶(價帶)中的狀態基本上為價電子所填充,高能量的帶(導帶)中的狀態則空著,二者之間被寬度為Eg的禁帶所隔離。在此情況下半導體的導電特性很差,只有出現在導帶中的電子或價帶中的空態(空穴)才能在外場驅使下參與導電。

半導體光電子器件半導體光電子器件
  內光電效應 當價帶中的電子吸收了能量大于禁帶寬度的光子就能夠躍遷到導帶中,與此同時在價帶中留下空穴,統稱為光生載流子,由此產生的附加導電現象稱為光電導。在外場驅使下光生載流子貢獻的電流稱為光電流。這種光電子效應因發生在半導體內,故稱為內光電效應。內光電效應是一切光電子接收和能量轉換器件的基礎。 外光電效應

半導體中電子吸收較高能量的光子而被激發成為熱電子,有可能克服晶格場的束縛逸出體外成為自由電子,這又稱光電子發射效應。圖2是一個具有理想表面的半導體的能帶圖,ECEV分別表示導帶底和價帶頂,E0為體外真空能級,x為電子親和勢 (表示導帶底的電子逸出體外所需克服的晶體束縛能),EF為費米能級位置,φ為逸出功,ETx+EV為光電子發射閾能。

半導體光電子器件半導體光電子器件

 半導體表面對環境氣氛和接觸材料很敏感。表面層對外來電荷(正的或負的電荷)的吸附引起表面能帶的彎曲(向上或向下),劇烈地影響半導體中光電子發射的特性。圖3中的墹E表示表面能帶向下彎曲的勢能,實際有效電子親和勢xeffx-墹E。如果墹Ex,則xeff就成為負值。負電子親和勢(NEA)材料(如GaAs、InGaAsP與Cs2O的接觸)的光電子發射的量子產額相當可觀,是發展半導體光陰極的重要基礎。

  電子-空穴複合發光效應
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 1952年,發現了硅、鍺半導體材料注入發光的現象。注入到半導體中的非平衡電子-空穴對以某種方式釋放多餘的能量而回到初始平衡狀態。輻射光子是一種釋放能量的方式,但是由於鍺、硅都屬間接帶材料(導帶底與價帶頂不在動量空間的同一位置),為了滿足躍遷過程的動量守恆原則
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 (圖4),這就要求大量聲子同時參與躍遷過程,屬多體過程。因此帶間複合發光的效率很低(小於0.01%)。許多化合物材料如GaAs、InGaAsP為直接帶材料(導帶底與價帶頂在動量空間同一位置),帶間輻射躍遷過程幾乎無需聲子參與
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 (圖5)。因此發光效率很高,大注入下內量子效率幾乎達100%,高效率的電子-空穴對複合發光效應是一切半導體發光器件的物理基礎。     

3 半導體光電子器件 -光電子器件分類

光電子器件可分為體光電子器件、正反向結光電子器件、異質結和多結光電子器件。
  體光電子器件

它是結構上最簡單的一類光電子器件。半導體材料吸收能量大于禁帶寬度的入射光子,激發出非平衡電子-空穴對(稱為本徵激發)。它們在外場下參與導電,產生光電導。如屬不均勻的表面激發,則光生載流子在有濃度梯度下的擴散將導致內場的建立,即光生伏電效應。擴散電流受磁場的作用而偏轉,產生光磁電效應。依據這些物理效應已經制出各種波段(特別是紅外波段)光電探測器,如InSb、HgCdTe光電探測器,在軍事上已獲得廣泛應用。

體光電探測器也可以用摻入深能級雜質的方法製成。如摻Au、Hg的Ge探測器,是一種很靈敏的紅外探測器。光生載流子是由深能級雜質中心激發的,稱為非本徵激發。這類探測器大多在很低溫度下工作(如液氦溫度4.2K)。
  

正向結光電子器件 在正向大偏置下半導體PN結結區附近將注入大量非平衡載流子,利用複合發光效應可製成各種顏色發光二極體。電子儀錶上普遍使用的紅、綠色半導體指示燈、數碼管,就是用GaAsP、GaP、AlGaAs等材料製成的。固態發光管功耗低、體積小、壽命長,已逐步取代真空管。用GaAs製成的發光管,發光效率很高,發射波長約9000埃,屬人眼不靈敏的近紅外波段,廣泛用作光電控制和早期光通信的光源。第一隻半導體激光器就是用高摻雜GaAs的PN結製成的,雖然現代半導體激光器已被異質結器件所取代,但基本上仍屬正向結結構。
  反向結光電子器件

PN結中由於兩側電荷的轉移在結區建立很強的內場(達104伏/厘米以上),導致能帶彎曲,形成pn結勢壘。光生載流子一旦擴散入結區即被內場掃向兩側構成光生電流。硅光電池和光敏二極體就是利用反向結特性工作的器件。硅光電池作為太陽能電源在人造衛星上已得到應用,中國「東方紅」2號人造衛星就使用了硅光電池。目前硅光電池能量轉換效率已接近15%的理論值。光敏二極體是廣泛使用的光檢測器件,為了提高量子效率和響應速度,必須盡量擴大耗盡區(即電場區),因此實用的半導體光電二極體都施加反向偏置,量子效率可達到80%以上,響應時間可小於納秒,光纖通信系統使用的Si-PIN檢測器就是典型的一種。

如果施加足夠大的反向偏置,光生載流子在結附近某區域的強電場下加速,其能量可達到引起晶格碰撞電離的閾值。這種電離過程呈雪崩式鏈鎖反應,因而可得到內部增益。利用這種過程可制出快速靈敏的光檢測器,稱半導體雪崩光電二極體(APD)。它在長距離、大容量光纖通信系統中得到應用。
  

異質結光電子器件

60年代以來,半導體外延生長技術迅速發展。利用外延生長技術可以把不同半導體單晶薄膜控制生長在一起,形成異質結或異質結構。適當選擇異質結構可以獲得一些新的電學特性,如單向注入特性、載流子定域限制效應、負電子親和勢等,在光學上具有窗口效應、光波導特性等。異質結的新特性不僅使原有的光電子器件性能得到很大改善,同時還藉以研製成許多新功能器件(如量子阱激光器、雙穩態光器件等)。雙異質結激光器的發明是異質結研究方面的一個重大成就。採用異質結構以後,激光器有源區可精確控制在 0.1微米量級。把注入載流子和光都局限在這個薄層中,使激光器閾值電流密度降低2~3個量級,達到103安/厘米2以下,從而實現低功耗(毫瓦),長命壽(外推百萬小時)、室溫連續波工作等目的。異質結在光電子學中的另一成就是70年代出現的半導體光陰極。以前採用的光陰極材料屬正電子親和勢材料 (如Cs3Sb-CsO等),量子產額很低,且基本上由熱電子弛豫時間決定(10-12秒量級)。利用半導體異質結(如GaAs、InGaAsP-CsO等)負電子親和勢,使量子產額提高3個數量級以上,量子產額由非平衡載流子壽命(10-8秒量級)決定;適當選擇材料可使響應波長擴展到紅外波段。這類負電子親和勢光陰極特別適用于軍事夜視。

利用異質結窗口效應改善了太陽電池的能量轉換效率。與硅光電池的理論極限相比,能量轉換效率得到成倍提高。在研製成的20種以上異質結光電池中轉換效率最高的是AlGaAs/GaAs,達到23%。異質結太陽電池雖成本較高,但適用於特殊用途(如空間應用)。
  

多結光電子器件

根據器件功能設計的需要,可以連續生長兩個以上多層異質結。這種多結光電子器件可以是二端工作的,也可以是三端或多端的。AlGaAs/GaAsPNPN負阻激光器就是一種多結二端器件,它是將普通的PNPN閘流管和雙異質激光器組合成一體的複合功能器件。為了兼顧電學上的全導通和激光器低閾值要求,通常製成NpPpnP結構。其中大寫字母表示寬頻隙材料,小寫字母表示窄帶隙材料。這種負阻激光器適用於光電自動控制方面。

光晶體管是一種多層雙結三端器件,它也是一種有內部電流增益的光電探測器。它不受碰撞電離雜訊的限制,因此在長波長低雜訊探測器應用方面可與半導體雪崩光電二極體相媲美。

最典型的多結器件是量子阱激光器。量子阱激光器的有源區由多層超晶格材料構成,在超晶格結構中窄帶隙材料形成極薄二維電子(或空穴,或二者兼有)勢阱,導帶中的准連續的電子態變成量子化,電子空穴的複合發光發生在這些量子化的分立狀態之間,所以能在相當程度上克服半導體激光器能帶工作的弱點。譜線變窄,溫度係數變小,而且還可以通過注入電流密度的改變,對發射波長進行調諧。它將擴展半導體激光器的應用領域。
  

4 半導體光電子器件 -展望

半導體激光器特別是室溫連續波工作的雙異質結激光器出現后,進入了光電子器件範疇,其應用領域也從被動式應用時期進入主動式應用階段。光通信是光電子學取得的第一個重大成就。光通信具有損耗低、容量大、保密性強和抗電磁干擾的優點,因此它將成為社會生活不可缺少的重要部分。計算機中的相干光存儲和激光讀出技術是光電子器件另一重要應用。相干光全息存儲技術可以提高計算機存儲系統的容量。激光讀出則可提高信息取出速度。雙穩態光學器件的研究引起人們對光計算機的關注。人們有可能在計算機中首先採用信息的光傳輸技術來提高運算速度,全光計算機也是人們探索的一個方向。
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