半导体光电子学
电子行业半导体光电子学
电子行业半导体光电子学引言电子行业是当今社会中一个重要的产业，而半导体光电子学则是电子行业中的一个重要分支。
本文将介绍半导体光电子学的基本概念、应用领域以及未来发展趋势。
什么是半导体光电子学？半导体光电子学是研究光子与半导体材料相互作用的科学学科。
光子是光的基本单位，而半导体是一种特殊的材料，具有在一定条件下既能导电又能隔电的特性。
半导体光电子学研究的是光与半导体材料之间的相互转换关系，从而实现光的控制和检测。
半导体光电子学的应用领域半导体光电子学在电子行业中有广泛的应用。
以下是一些常见的应用领域：光通信光通信是一种基于光的信息传输技术。
通过半导体光电子学技术，可以实现光的发射、接收和调制，从而实现高速和高带宽的网络传输。
目前，光纤通信被广泛应用于电话、互联网和电视等领域，半导体光电子学技术的发展使得光通信变得更加快速和可靠。
光储存光储存是一种利用光来存储和读取信息的技术。
半导体光电子学技术可以实现将光转化为电信号和能量，从而实现信息的存储和检索。
光存储器的容量大、读写速度快，因此在计算机领域中有重要的应用。
光电传感器光电传感器是一种利用光电二极管等光电转换元件来检测和测量光信号的传感器。
通过半导体光电子学技术，可以将光信号转化为电信号，从而实现光的探测和测量。
光电传感器在工业自动化、医疗设备和环境监测等领域有广泛的应用。
激光器激光器是一种利用半导体材料产生激光的设备。
激光器的产生是建立在半导体光电子学原理上的，通过半导体中的电荷载流子重新组合来产生光子，从而产生激光。
激光器被广泛应用于科学研究、医疗、通信和制造等领域。
半导体光电子学的未来发展趋势随着科技的不断进步和需求的增加，半导体光电子学在未来有许多发展趋势。
高速、大容量的光通信随着互联网的快速发展，对于高速和大容量的网络传输需求越来越大。
半导体光电子学技术在实现高速、大容量光通信方面具有重要作用。
未来的发展趋势是将光通信技术应用于更广泛的领域，并提高传输速度和容量。
半导体光电子学 §4.5 可见光LD
❖ 在1450℃下用CVD技术可以生长出质量优 良的薄膜生长速度慢 ，几μm/h 只能室内 显示。目前液相外延(LPE)有可能替代CVD ， 它可以将生长速率提高到每小时150 μm/h。
2. Ⅲ族氮化物 InN,AlN,GaN 直接带隙材料
InN: Eg 2ev
AlN Eg =6.2ev 用缓冲层 GaN Eg =3.4ev InGaN 400~580nm,p~6mw,η＝10％
§4.5 可见光LD
❖ 目的：条形码扫描器，激光扫描，Laser印刷， 高密度光盘存储，水下通信。
一.红光LD
1. Ga1x Alx / GaAs
波长 780nm
670nm为理论极限
① x↑Al含量↓ 直接带隙→间接带隙
不参加振荡的载流子比例↑，内 量子↓，
J th↑
② Al含量↑ Al分凝系数大，
差便小，载流子溢出，因而：
①高掺杂P型包层能抑止载流子溢出； ②多量子阱结构对高能电子有很高反射率→ 改善高功率下温度特性，减小载流子溢出；
③采用张应变量子阱有源层；
④增加Al含量，使 Eg↑
二.兰绿光LD / LED
1. SiC － LED
Eg 2.9ev ~ 3.3ev
量子 ~ 0.05%(473 nm处)
结晶质量↓
热应力↑，
③ 要求有一定电导率，包层须掺杂，工艺难。
2. GaInP / GaAs or GaInP / GaAsP 工作波长 600～730nm
缺点：生长缺陷大，寿命短。
3. InGaAlP / GaAs
理论激射波长 580～650nm；在Ⅲ－ Ⅴ族材料中能提供最大直接带隙，并与 GaAs衬底晶格匹配。
FWHM＝2nm
半导体光电子学
半导体光电子学是以半导体材料和器件为基础，利用光与半导体材料相互作用的物理现象，研究光与半导体相互作用的机理和方法，从而研发出一系列光电器件和光电系统，应用于通信、信息存储、能源、医疗、环保等领域。
本文将从材料、器件、应用等多个方面介绍的相关知识。
一、半导体材料半导体材料通常指能够在一定条件下，既具有导电性又具有绝缘性的物质。
半导体材料在光电子学领域中应用广泛，主要有以下几种类型。
1.硅(Si)：硅是最常用的半导体材料之一，由于硅材料价格便宜、普遍存在，所以广泛应用于半导体器件中。
硅材料通常用于制作光探测器、发光二极管和激光二极管等器件。
2.砷化镓(GaAs)：砷化镓是另一个常用的半导体材料，其基带效应好，可用于高速通信和光电探测器中。
另外，砷化镓也广泛应用于磁光盘读写器等信息存储设备中。
3.铟磷化镉(InP)：铟磷化镉是在高速通信和光电探测方面较为重要的半导体材料。
铟磷化镉器件具有高响应速度和较高的量子效率，具有优异的性能特点。
二、半导体器件半导体器件是利用半导体材料制成的电子器件，广泛应用于信息存储、医疗领域、通信设备和电力自动化等领域。
这些器件包括发光二极管、光电探测器、光放大器和光调制器等。
1.发光二极管(LED)：发光二极管是一种半导体器件，其将电能转化为光能。
LED具有低功耗、长寿命和低成本等优点，广泛应用于基于LED的照明产品中。
2.光电探测器：光电探测器是一种能够将光信号转换为电信号的器件。
光电探测器的主要应用包括通信、医疗、环境监测、天文学和空间探索等领域。
3.激光二极管：激光二极管是一种电-光转换器，其将电能转化为光能的能力比LED更为强大。
激光二极管具有小体积、低成本、高发光效率和长寿命等优点，广泛应用于通信、制造业等领域。
三、应用领域已经广泛应用于各个领域，包括通信、信息存储、能源、医疗、环保等。
1.通信：在光纤通信领域中起着重要作用。
通信器件包括激光器、调制器、放大器和光电探测器等。
《半导体光电子学》课程教学大纲
半导体光电子学Semiconductor photoelectronics一、课程基本情况课程属性：专业方向选修课学分： 2 学分学时：32 学时（讲课：32 学时，上机：0 学时，实验：0 学时）课程性质：选修开课学期：第5学期先修课程：物理光学、电磁学、原子物理学、模拟电子技术适用专业：光信息科学与技术教材：《光电子技术原理及应用》第1版，国防工业出版社，裴世鑫等编著，2013。
开课院系：物理与光电工程学院二、课程的教学目标和任务光电子学（技术）是伴随着激光技术、微电子技术和光电子材料的发展而迅速发展起来的一门新学科、新技术，主要研究光与物质的相互作用及其能量的相互转换，以光源激光化、传输波导化、手段电子化、现代电子学中的理论模式和电子学处理方法光学化为特征，是光信息科学与技术专业的主干课之一。
通过本课程的学习，使学生掌握辐射度学与光度学、光辐射的传播、光束的调制、光电探测及成像技术、光电显示技术等基本概念及技术，掌握光辐射的基本概念及激光产生的原理与特性、光在介质中的传输特性以及光探测的原理与方法，理解发光器件和光电转换器件的基本原理及与光信号加载有关的光调制概念以及强光作用下的非线性光学现象等。
三、课程的内容和要求1．第1章光辐射与发光源（8学时）（1）掌握辐射度学和光度学中的各个物理量，理解这两套物理量的适用范围；（2）掌握基尔霍夫辐射定律、普朗克定律、维恩公式和斯忒潘-玻尔兹曼定律等热辐射的基本定律；（3）掌握热辐射光源，气体放电光源和光致发光光源的发光原理，熟悉常用的上述光源的特点，了解同步辐射光源；（4）掌握产生激光的条件，以及常见激光器的结构与原理，包括固体激光器、气体激光器和半导体激光器等；（5）了解半导体的基础知识，掌握半导体光源的发光原理，包括发光二极管和半导体激光器，理解上述两种半导体光源在结构和发光特性上的不同。
2. 第2章光辐射的传播(6学时)（1）熟悉光辐射的电磁理论；（2）掌握光波在大气、水、电光晶体、声光晶体、磁光介质和光纤波导中的传播特性，以及相应的分析方法。
《半导体光电子学》教学大纲
《半导体光电子学》教学大纲一、课程信息课程名称：半导体光电子学课程类别：素质选修课/专业基础课课程性质：选修/必修计划学时：64计划学分：4先修课程：无选用教材：《半导体光电子学》，黄德修，黄黎蓉，洪伟编著，电子工业出版社教材，2018.6。
适用专业：本课程可作为大学理科光学专业、工科物理电子学、光学工程和光电信息工程等专业本科生的教学课程和相关专业研究生的参考课程，也可供相关科技工作者参考。
课程负责人：二、课程简介半导体光电子学是研究半导体中光子与电子相互作用、光能与电能相互转换的一门科学，涉及量子力学、固体物理、半导体物理等一些基础物理，也关联着半导体光电子材料及其相关器件，在信息和能源等领域有着广泛的应用。
半导体光电子器件的性能改善无不是通过不断优化半导体材料和器件结构以增强电子与光子的相互作用、实现高效电能与光能相互转换的结果，其中异质结所形成的电子势垒和光波导的双重效应起到了关键作用。
本课程分10个单元，各单元内容相互关联，形成当今半导体光电子学较为完整的、理论和实际应用相结合的体系。
三、课程教学要求注：“课程教学要求”栏中内容为针对该课程适用专业的专业毕业要求与相关教学要求的具体描述。
“关联程度”栏中字母表示二者关联程度。
关联程度按高关联、中关联、低关联三档分别表示为“H”“M”或“L”。
“课程教学要求”及“关联程度”中的空白栏表示该课程与所对应的专业毕业要求条目不相关。
四、课程教学内容五、考核要求及成绩评定注：此表中内容为该课程的全部考核方式及其相关信息。
六、学生学习建议（一）学习方法建议1.依据专业教学标准，结合岗位技能职业标准，通过案例展开学习，将每个项目分成多个任务，系统化地学习。
2.了解行业企业技术标准，注重学习新技术、新工艺和新方法，根据教材中穿插设置的半导体光电子器件应用相关实例，对已有技术持续进行更新。
3.通过开展课堂讨论、实践活动，增强的团队协作能力，学会如何与他人合作、沟通、协调等等。
《半导体光电子学课件》绪论
04
半导体光电子学的技术挑 战
材料制备与表征技术
材料纯度与缺陷控制
为了获得高性能的光电子器件，需要制备高纯度、低缺陷的材料。
晶体生长技术
晶体生长是光电子器件制造的基础，需要发展先进的晶体生长技术， 以获得大尺寸、高质量的晶体。
材料表征技术
对材料的物理、化学和光学性质进行准确测量和表征，是评估材料 质量和性能的关键。
《半导体光电子学课 件》绪论
目录
• 半导体光电子学的定义与重要性 • 半导体光电子学的发展历程 • 半导体光电子学的核心概念
目录
• 半导体光电子学的技术挑战 • 半导体光电子学的未来展望
01
半导体光电子学的定学是一门研究半导体中光与物质相互作用的科学，主要涉及光子在半 导体材料中的产生、传播和吸收等过程。
光电器件的工作原理
1
光电器件是指利用光子与电子相互作用原理制成 的器件，其工作原理主要基于半导体的光电效应。
2
光电器件可以分为光电导器件、光生伏特器件和 光电发射器件等类型，它们分别利用不同机制实 现光能与电能的转换。
3
光电器件的性能参数包括光谱响应范围、响应速 度、量子效率等，这些参数决定了器件在不同领 域的应用价值。
半导体光电子学的交叉学科研究
物理与化学
将物理和化学的理论与技术应用于半导体光电子学的研究，以深入理解光电子现 象的本质和规律。
生物与医学
将生物和医学的理论与技术应用于半导体光电子学的研究，以开发新型的光电子 生物传感器和医疗设备。
THANKS
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新器件
研究新型光电器件，如光子晶体器件 、表面等离子体激元器件等，以实现 更高效、更紧凑的光电子器件。
光电器件的高效化与小型化
半导体光电子学第1章半导体中光子电子的
GaAs就是一种直接带隙半导体材料。它的晶体结构如图。
它属于闪锌矿结构。它与金刚石有相似的结构，每一个晶格点阵 上的原子与4个相邻的原子键合。它们的区别在于：在金刚石结构 中，每一个晶格点阵上的原子是相同的；而在闪锌矿结构中，每 一个晶格点阵上的原子与相邻的键合原子不同。
跃迁的选择定则：不管是竖直跃迁还是非竖直 跃迁，也无论是吸收光子还是发射光子，量子 系统总的动量和能量必须守恒。
给定电子跃迁的初始态能量和动量及终态能量 和动量，当跃迁只涉及一个光子时，选择定则 可表示为：
Ei E f hv 0
(ki k f k p ) 0
第十六页，编辑于星期六：十九点 十分。
前言：半导体物理基础 1.1 半导体中量子跃迁的特点 1.2 直接带隙与间接带隙跃迁 1.3 光子密度分布 1.4 电子态密度与占据几率
1.5 跃迁速率与爱因斯坦关系 1.6 半导体中的载流子复合
1.7 增益系数与电流密度的关系
小结
第六页，编辑于星期六：十九点 十分。
前言：半导体物理基础
半导体光电子技术的发展及应用
半导体光电子学： 是研究半导体中光子-电子相互作用，光
能与电能相互转换的一门学科。
第一页，编辑于星期六：十九点 十分。
半导体光电子技术的发展及应用
发展： 半导体光电子学的产生可以追述到19世纪，那个时候人 们就发现了半导体中的光吸收和光电导现象。上个世纪 60年代得到飞速发展，这主要归因于半导体激光器（LD） 的出现。1962年第一台半导体激光器诞生，是由美国GE 公司的霍尔(Hall)研制成的。这一时期的半导体激光器的 特点是：同质结材料，激光器的阈值电流密度特别高，只 能在液氮温度（77k）或更低的温度下状态脉冲工作，没 有任何实用价值。1969年美国研制出SHLD(Single Heterojunction Laser Diode),1970年前苏联研制出 DHLD(Double Heterojunction Laser Diode)。双异 质结激光器电流密度大大降低，实现了室温下连续工作， 就在同一时间低损耗光纤研制成功。
《半导体光电子学》课件
原理
通过受激辐射产生的一束相干光，实现信息传输或 高精度切割。
应用
医疗、通信、材料加工、激光雷达和光谱学等领域 的关键技术。
光通信中的半导体器件
1 光纤收发模块
将电信号转换为光信号并 通过光纤传输，实现远距 离高速通信。
2 光开关
通过控制光信号的传输路 径和光的开关，实现网络 的快速切换和重构。
3 光放大器
应用
住宅和商业建筑的能源供应、太阳能车、太空探索 和户外充电等。
形成了半导体器件的基础， 如二极管和太阳能电池。
了解能带之间的能级间隙 和激子的形成，有助于设 计电子器件。
LED （发光二极管）工作原理及其应用
原理
通过注入P型和N型半导体内的载流子复合释放出能 量，产生可见光。
应用
照明、显示屏、指示灯和满足复杂颜色需求的装饰 等各行各业。
激光器工作原理及其应用
III-V族化合物
在高频率、高功率和高温环境下表现出色，常 用于雷达和通信系统。
镓化物
优良的光电特性，广泛应用于激光器、LED等器 件。
有机半导体
灵活的分子结构，使其适用于柔性显示和光电 传感器等领域。
光电子物理基础知识
1 能带理论
描述了半导体中电子能级 的分布和载流子运动的机 制。
2 PN结
3 半导体能级
放大光信号强度，以确保 信号在传输过程中不衰减。
光电探测器及其应用
1
光电二极管
将光能转换为电能，并常用ห้องสมุดไป่ตู้光电信号检测与光通信系统。
2
光电倍增管（PMT）
高增益和灵敏度使其适用于低能光子探测和高精度测量。
3
光电二极管阵列
在光谱测量、光学成像和医学诊断方面有广泛应用。
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Backgr oundThe Dema nd for More BandwidthIn ternet, multimedia comm un icati ons, and etcMethods to In crease System CapacityWDM (Wavelength-Division Multiplexing)OTDM (Optical Time-Division Multiplexing) Benefits of WDM techniques Flexibility and scalability for a variety of network architecturesWDM techniques are the backbone ofmodem optical fiber networks(UIU)s o c a n o uR O 呂oP E e sb s U I c o q eJ Auy£E 】S L000L OO OJ L - -oss l000lNX F O W A服tita 0=寸、(E y fflp )OADM （AWG、光开关阵）调谐、高速集成光源OXCOADM光放大Key Devices for WDM Optical FiberNetwork SystemsLight Sources一Low-cost uncooled LDs一Directly modulated LDs一Modulator integrated DFB LDsHigh-Speed一Wavelength tunable/selectable LDsPhotodetectors SOA and Wavelength Converter AWG and RelatedState Key Lab on Integrated 2020/4/10OptoelectronicsLow-Cost Un cooled LDsApplications一Access network一Metropolitan transmission一Bit rate: 155 MB/s (FP-LDs) ~ 10 Gb/s (DFB-LDs)Requirements一Wide temperature range operation一Cost-effective structure for device fabrication一High efficiency and large toleranee for coupling output light intoa single mode fiberUn cooled Gain-Coupled DFB LDsStable single mode operation from ・40 to 85°CIn teg rated beam-expa nder for improved coupli ng tolera nee Gain-coupled DFB lasers with current-blocking gratingsgain-coupled DFB laser high-reflectivity film flared ridge waveguideInsulatorthickness tapered BEX p-electrodecurrent-blocki ng gratingn-lnP substratelow-reflectivity filmDirectly Modulated DFB LDsApplications一Gigabit Ether net一Metropolitan transmission一Bit rate: up to 10 Gb/s一Wavelength: 1.3 |im & 1.55 pirnLimitations一Limited transmission span (< 20 km) due to large linewidth enhancement factor oc (> 4)Modulation speed is limited by carrier relaxation oscillation10 Gb/s Directly Modulated DFB LDs forMetropolitan Data TransmissionBER Characteristics6 3 03 6 9-■-主0.2 0.5 1 2 5 10 20Frequency (GHz)Small-signal RF Response>j=1.5-5 pmD=17 psykm/nm10 Gb/SNRZ223-1L=10km-5-6-7倉申QcE」UJ*fw60•10-11Average ReceivedOptical Power (dBm)EA Modulator Integrated DFB LDsApplications一Trunk line transmission Bit rate: 2.5 Gb/s ~ 40 Gb/s Advantages一Compact size一Low coupling loss一Low frequency chirping一Reduced cost一Improved reliability10 Gb/s EA Modulator Integrated DFB LDsfor Trunk Line CommunicationsTransmission length: 100 kmFeature: Low power penalty (<1.5 dB) & Wide bandwidth (~14 GHz)EA ModulatorWindowstructureGrating DFB-LDp-lnP Cladding layern Electroden-lnPSubstrateIsolationtrenchSemi-insulati ngMultiquantum well layer(InGaAsP/lnGaA^10 Gb/s EA Modulator Integrated DFB LDsEye DiagramBER PerformaneeWavelength Tunable/Selectable LDs Advantages一Ability to restore failed channels一Reduced transmitter cost一In creased flexibility for future network managingWavelength Tunable vs. Wavelength Selectable一Wavele ngth Tun able LDs: Based on DBR structuresn Compact device structuren Poor reliability & Electric crosstalk at high frequency一Wavelength Selectable LDs: Based on DFB LD arraysn Relatively complicated device structuren Improved reliability and wavelength stabilityMulti-range Wavelength Selectable LDsFor use in back-up & add-drop in DWDM photonic networkDFB-LDs integrated with MMI coupler, SOA, and EA modulator Compact size (400 pm x 2840 jum)8 ch microarray一一、 DFB-LDs rHnG ・A ・P 、、8*1 MMI optical combinerSOA80 MimWindowMQWn-lnPEA-modulatorWindowIB 轡繆严的浮伽Multi-Range Wavelength Selectable LDArrays for DWDM Systems15 nm/chip wavelength selectable rangeWavelength & Threshold current1530154015501560157015801590Wavelength [nm]Lasing Spectra123456781234567812345678Channel<E一 luauno302010090807060504030 5 5 5 5 5 5 5Eu】 £6u(Da>>EM CDPOL 、A 七25°C -CWHigh-Speed PhotodetectorsConventional Configurations一Surface illuminated p■卜n photodetector一Avalanche photodetector (APD)Limitations一Limited bandwidth for APD detectorsTrade-off between bandwidth and efficiency for surface illuminated p-i-n detectorsCurrent Trend一Side illuminated structure => Waveguide p-i-n photodiodesWideband Waveguide Photodiodefor 40 Gb/s SystemsMonolithic receiver composed of multimode waveguide p-i-n photodiode and a HEMT distributed amplifierWGPD HEMT。