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第六章 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. 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. Outline. 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. 能带理论. 三维情况下，需满足 时，能量突变

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Presentation Transcript

  1. 光学材料与元件制造 第六章 半导体光学晶体

  2. 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 Outline

  3. 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 能带理论

  4. 三维情况下，需满足 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 布里渊区 体心立方点阵(a)与面心立方点阵(b)的第一布里渊区

  5. 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 关于能带

  6. 态密度： 有效质量： 费米分布函数： 载流子浓度：（导带中的电子浓度） （价带中的空穴浓度） 载流子 能带底部附近量子状态密度为

  7. 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。 载流子迁移率

  8. 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 PN结

  9. 光吸收与光发射：与带隙能量有关，直接带隙与间接带隙光吸收与光发射：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 半导体的光电性能

  10. 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 光吸收

  11. 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… 光发射

  12. IV族材料：Si(1.12eV第一重要半导体材料),Ge(0.66eV),6H-SiC(GaN).“硅光子学”。IV族材料：Si(1.12eV第一重要半导体材料),Ge(0.66eV),6H-SiC(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…) 半导体光电材料

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