光电信息导论

在蓝宝石上制备高质量GaN 单晶薄膜需要使用金属有机 化气相沉积（MOCVD）技 术。所得GaN材料中仍有缺 陷残留（下图中的暗线）。
GaN(11-20)面：2550倍放大
GaN材料的制备及GaN-LED 的制备获得了2014年诺奖。 GaN(11-20)面：690000倍放大
一些半导体材料的晶体结构
晶格坐标系
晶格常数：
1. 晶格常数指晶胞的边长。一般由三个分量 （a, b, c）构成，用以描述晶体在三维空 间中的排布。 2. 由于晶胞的三个基本边不一定两两垂直， 所以还需要借助三个角度(α, β, γ)才能完整 的描述晶体（晶胞）的具体情况。 3. 在立方晶系和正交晶系中，晶胞的三条边 两两垂直，可以用直角坐标系描述。 一种正交体系的晶体材料，其晶胞边长分别为 a=0.5nm，b=1.5nm，c=2.5nm，且晶格基元只由一 个原子构成。则一般以某一个格点为坐标原点建立 坐标系。 试判断下列空间位置中，哪些位置上有原子存在？ (0nm,0nm,1.5nm)、(0nm, 1.5nm, 1.5nm)、 (0.5nm, 0nm, 5nm)、(1.5nm, 1.5nm, 5nm)、 (10nm, 3nm, 2.5nm)、(-1.5nm, 1.5nm, -10nm)
闪锌矿结构：ZnS、 GaAs、β-SiC等。 金刚石结构：Si、C （金刚石）等。
一些半导体材料的晶体结构
纤锌矿结构
目前研究热门的光电 半导体材料GaN和 ZnO都是这种结构。 属于六方晶系，简单 点阵。每个格点上包 含有两个原子，如 GaN是一个Ga原子和 一个N原子。 如果把每个原子视作 大小相同的钢球，纤 锌矿的堆积方式，能 够获得最大的空间填 充比74.05%。因此这 种结构又被称为六方 密排堆积结构。
•非密排 俯视图
•密排堆积 A层 侧视图 晶胞示意图 A层 B层 A层 B层 A层 B+A层
一些半导体材料的晶体结构
纤锌矿结构：晶胞
1. 对于六方密堆结构，垂直方向上是由ABABAB……双层 结构重复堆积而成（下左图）。 2. 如果每个格点上包含两个不同原子，则这种结构被称为 纤锌矿结构。宽禁带半导体GaN、ZnO都是这种结构。 3. 描述晶向的四个指标(a1, a2, a3, c)，a1+a2= -a3
本课程主要内容
1. 半导体光电子基本理论 2. 半导体光电子材料 3. 半导体光电子器件
1.1 晶体与晶格
固体材料
有机材料、无机材料。 按结晶形式分：晶体、多晶体、非晶体。 按材料功能分：光电材料、光学材料、电子材料、磁性材料等。
理想晶体：具有平移周期性和长程+短程有序性。具有固定的熔点。 非晶体：晶格无序排列的固体。没有固定的熔点，比如玻璃。
正交晶系在xy平面上的投影
晶向与晶面
晶面晶面族
晶面：由数个不在同一直线上的 格点确定的面称为晶面。 晶向族：不同晶面，其晶面指数 （密勒指数）不同，但这些晶面有 可能是等价的。比如立方体系中， (100)和(010)是等价的，(110)和(101) 是等价的，(111)和(-111)是等价的； 而(100)和(111)不等价。这些等价的 面的集合就是晶面族。 确定密勒指数（不要求掌握）： 某个面在晶体坐标系（不是空间坐 标系）xyz三条轴上的截距的倒数， 取整，得到的指数就是该平面的晶 面指数。
一些常见固体材料的晶体结构
一些半导体材料的晶体结构
金刚石/闪锌矿结构
这两种结构，本质上都是正交晶系， 其点阵属于面心立方。 在该面心立方点阵上，一个基元并非 由单个原子组成，而是由两个原子组 成。比如对Si单晶，每个基元上含有 两个Si原子，被称为金刚石结构；而 于GaAs，每个基元上包含一个Ga和 一个As，被称为闪锌矿结构。 一个点阵上，如果其中一个原子的坐 标定为(0,0,0)，则另一个原子的坐标 必定为(0.25, 0.25, 0.25)或(-0.25, -0.25, 0.25)。因此，这种结构可以认为是两 套面心立方嵌套在一起形成，两套面 心立方两两相对移动了四分之一晶格 常数。
多晶材料电镜图片
1.1晶体与晶格
理想晶体：具有平移周期性和长程有序性。 晶格：晶体内部原子是按一定的几何规 律排列的。如果将原子看作一个点，再 用一些假想线，将晶体中各原子的中心 连接起来，便形成了一个空间格子，这 种抽象的、用于描述原子在晶体中规则 排列方式的空间几何图形称为晶格（如 右图）。 晶胞：形成晶体的重复性 单元（右下图）。 非晶体：晶格无序排列 的固体。
1. 按用途分：成像探测 器、光强探测器。 2. 按波段分：紫外探测、 可见光探测、近红外探 测、中红外探测、远红 外探测。
可见光波段的民用光电探测 器：如硅光电探测器、GaAs 光电探测器
光电探测器的军事用途：日盲紫外和中远红外
美国F35战 斗机配置红外 光电瞄准系统
导弹尾焰与日盲紫外探测
LD相比起LED：功率密度高、
激光器波长：短波更利于实
现高分辨率。
蓝光存储： 405nm激光使 得存储容量提 升五倍。
半导体光电探测器：
1. 按用途分：成像探测 器、光强探测器。 2. 按波段分：紫外探测、 可见光探测、近红外探 测、中导效应
半导体光电探测器：
AFM-Au(111)
比如： 对于Au，一个基元就是一个Au原子。 对于NaCl，一个基元就是一个Na离子加 一个Cl离子。
空间点阵：七大晶系
晶格：十四种布拉菲格子
七大晶系可细分 成十四种布拉菲 格子（晶胞）。
晶胞和原胞
晶胞：即考虑晶格周期性，也考虑其对称性的最小周期 性结构。一般和十四种布拉菲格子对应。 原胞：只考虑晶格周期性的最小周期性单元。 晶胞和原胞的差别（不要求掌握）：晶胞一般是原胞的 整数倍。对于简单立方，原胞和晶胞一样；对于复杂结构 （体心、面心立方），原胞小于晶胞。下图中面心立方晶 体中，大的是晶胞，小的是原胞。
Why Semiconductor?
1.小尺寸与集成工艺 2.高效率 3.功能多样化 4……..
灯泡 vs LED
光电倍增管 vs APD
半导体发光器件： 发光二极管LED 激光二极管LD
白光LED的实现
中村修二：因发明 “高效蓝光发光二极 管”而获得2014年诺 贝尔物理学奖。
单色性准直性好、发出的光具有 相干性，更适用于通讯领域。但 制备难度大、成本高。
光电信息导论
中山大学电子与信息工程学院 王钢 stswangg@
本课程评定标准： 平时成绩（考勤等）：10分 期末考试（简答题）：40分
本课程主要内容
1. 半导体光电子基本理论 2. 半导体光电子材料 3. 半导体光电子器件
光电信息是一门以光电信号产生和获取、光通信、光电信 息处理、光存储、光显示及光电信息应用等信息光电子工 程领域的基础知识、基础理论、基本技能的课程。 一个光电通讯系统中，实际上是由光电信号的产生发送、 传输、探测接受三部分构成。光电信号的传输一般是无源 器件，而光电信号的产生和探测一般是有源器件，尤其是 半导体类型的有源器件。 因此，本部分导论课程主要介绍半导体光电子学的一些基 础知识。
一些半导体材料的晶体结构
纤锌矿结构：原胞与超胞
纤锌矿结构GaN等，原胞 与超胞有所不同，但都可 以用于描述材料。 左下图圈出的部分实际上 就是GaN的晶胞。 原胞
(0001)面 (11-20)面 (10-10)面
红色：N原子 灰色：Ga原子
4x4x4超胞
2x2x2超胞
一些半导体材料的晶体结构
纤锌矿结构
举例：
晶向与晶面
立方晶系中的晶向
晶向：晶体中不同“原子列” 所代表的方向。 晶向族：对于立方体系， <001>，<010>，<100>是等价 的，称为一个族。对于正交晶 系，因为晶格常数a、b、c不相 等，所以这些晶向不等价。
晶向指数
基矢量：以晶体的三个基本 边作为空间矢量的单位一。 若某个格点的空间坐标系坐 标为<Ma, Nb, Lc>，则在晶格 坐标系中其晶向指数表为<M, N, L>。
纤锌矿结构
单晶GaN上生长多晶ZnO的透射电镜（TEM）观测
ZnO：43000倍放大
ZnO：97000倍放大
ZnO：690000倍放大
ZnO
GaN
一些半导体材料的晶体结构
复杂多元化合物半导体：单晶铟镓锌氧InGaO3(ZnO)5
宽禁带半导体铟镓锌氧是一种结构更为复杂的晶体。当其处于非晶 态时，可用于制备新一代平板显示器中的TFT驱动阵列。
无源器件：在光信号传输的光路中起光纤连接、功率分配、光信 号衰减、隔离和调制、波分复用、信道切换等作用的器件。 主要包括连接器、分路器、耦合器、衰减器、隔离器、滤波器、 波分复用器、光开关和光调制器等。
有源器件：在光纤通信系统中， 有源器件是指能够实现电-光转 换的器件。 发射端（电转光）：发光二极 管（light emitting diode, LED）、 激光二极管（laser diode, LD） 接收端（光转电）：PIN光电二 极管、雪崩光电二极管 （Avalanche photodiode, APD）
E-paper 单晶铟镓锌氧TEM实测 铟镓锌氧晶体结构示意图
AM-LCD