半导体光电子学 §2.2 异质结在光电子器件中的应用

半导体异质结及其在电子和光电子中的应用——2000年诺贝尔物理奖评述

￣ＯＣＶＤＩ概念后Ｍ
，
到半导体异质结的最重要优越性是：载流子的超
中的应用也提出了许多有益的构想。几年以后，到
尔费罗夫（ｈｒｓＩｌｒｖ、美国加利福尼亚大学Ｚｏ．ｆｏ）￣Ａｅ的克勒默《ｅｂｒＫｏｍｅ）和德州仪器公司的基Ｈｒｅｒｅｒｔ
尔比（ｃ．ｉｙ，以表彰他们为现代信息技术，ＪｋｓＫｌ）ａｂ
生长技术，从美国贝尔实验室卓以和先生的开创性工作，又经过张立纲、曾焕添等人出色的工作，使分子束外延（Ｅ）成为 Ⅲ一ＭＢＶ族化合物半导体异
质结量子阱生长的重要手段。在马纳新维特（Ｈ．Ｍａａｉ最早提出金属有机物化学汽相淀积［￣ｖ）ｎｔ
即使其导电类型不同，都为同质结。
２０世纪３Ｏ年代初期，苏联列宁格勒约飞技术物理研究所的学者就开始了对半导体异质结构的探索。在此前后，弗伦克（ａ．ｒｎ１Ｙ．Ｆｅｋ）预见了激Ｉ子现象并发展了半导体异质结中的激子理论。
俄罗斯科学院圣彼得堡约飞技术物理研究所的阿
作为晶体管的发明者，肖克利（Ｓｏｋｅ）ｗ．ｃｌｈｙ在第一个关于ｐｎ结晶体管的专利中、就提出用宽禁带发射区来实现单向注入的建议。但是，早期异质结理论最重要的开拓者当属美国学者赫伯特・克勒默。早在１５９７年，他就预言异质结有着比同质结大得多的注入效率，同时对异质结在太阳能电池

异质结原理及对应的半导体发光机制

异质结原理及对应的半导体发光机制异质结是由两种不同性质的半导体材料通过外加电场或化学方法形成的界面结构。

异质结的形成使得电子能带结构发生改变，从而产生了一些新的物理现象和电路特性。

另外，由于异质结具有能带结构的差异，使得电子在异质结区域内发生了能级间跃迁，从而产生了一系列新的现象，如半导体发光。

半导体发光机制是一种将电能转化为光能的物理过程。

当电子在半导体中受到能级激发，经过能级跃迁时，由于能量守恒定律，电子俘获的能量必须以光的形式辐射出去。

半导体的发光机制和材料的结构、能量能带及载流子运动等有着密切的关系。

异质结的形成对半导体发光机制起着决定性作用。

在一些特定条件下，异质结可以形成禁带变宽的空穴二维电子气，这就造成了载流子的局域化。

当载流子转移到空穴二维电子气中时，由于能量的守恒，载流子会向低能级转移，进而辐射光。

半导体发光的基本过程有自发辐射和受激辐射两种机制。

自发辐射是指载流子在激发态下自发发射光子，这种过程源于能量守恒定律，当电子从高能级跃迁到低能级时，辐射出光子。

受激辐射是指在激发态载流子受到外界光子作用后发射光子，这种过程是由外部光子激励下的能级跃迁导致的。

异质结的能带结构对半导体发光机制有着重要作用。

在异质结内，电子和空穴在能量跃迁时可以发生非辐射性复合，此时能量以声子的形式释放，即发生瞬时蓄电作用。

当电子重新分离成电子-空穴对时，由于能量守恒定律，电子会辐射出光子，实现半导体发光。

异质结的材料选择及设计对半导体的能带结构起着决定性作用。

半导体发光机制还与材料的掺杂和杂质有关。

在半导体材料中，通过适量的不同原子掺杂，可以形成p型和n型区域。

当载流子在这两个区域之间跃迁时，夹带的能量将以光子的形式释放出来，实现了半导体的发光。

此外，半导体发光还与激子的形成有关。

激子是由一对电子和空穴以准粒子的形式存在，其能量低于电子和空穴分别处于价带和导带状态时的能量之和。

激子存在可以增强半导体的发光效果，提高其发光亮度和纯度。

半导体异质结的作用

半导体异质结的作用
1.提升光生电子-空穴对分离迁移效率：通过结合两种晶体结构、原子间距与膨胀系数
相近的半导体材料，异质结能够促进光生电子-空穴对的分离与迁移。

这种分离迁移效率的提升有助于增强光吸收能力及提高半导体材料的稳定性。

2.形成内建电场：异质结通常以内建电场的形式促进光生电子-空穴对的分离与迁移。

在p-n结中，p型半导体主要以正电荷（空穴）导电，而n型半导体主要以负电荷（电子）导电。

当它们构成异质结后，正负电荷受电磁力的影响互相吸引，最终在两种半导体的界面处形成电偶层，构成方向为n指向p的内建电场。

这个内建电场有助于光生电子与空穴分别向两侧迁移，一方面促进了光生电子-空穴对的产生，另一方面也减小了光生电子与空穴相遇复合的几率。

3.在电子器件中的应用：半导体异质结构对半导体技术具有重大影响，是高频晶体管
和光电子器件的关键成分。

例如，在双极晶体管中，当异质结用作基极-发射极结时，会产生极高的正向增益和低反向增益，从而转化为非常好的高频工作和低漏电流。

在场效应晶体管中，异质结用于高电子迁移率晶体管，可以在更高的频率下工作。

半导体光电子器件课件

§1-2 异质结的晶格匹配与异质结在光电子器件中的应用一、半导体光电子材料1.半导体光电材料特性参数2. 异质结中的晶格匹配二、半导体材料的折射率三、异质结特性及在半导体光电子器件中的应用一、半导体光电子材料.常见半导体材料（Si、GaAs）的能带图半导体的能带结构与晶向有关，都比较复杂，通常以能量E和波矢k的关系来表达。

Si的导带的极小值和价带的极大值不在同一k值处，因而为间接带；GaAs、InP的导带极小值和价带极大值同在相同的k=0处，这类材料为直接带隙材料。

1.半导体光电材料特性参数晶体结构、晶格常数a，热胀系数，能带类型、（单位为ev）、电子迁移率µn和空穴迁移率µp、禁带宽度Eg介电常数ε和电子亲合势χ。

•Si间接带隙材料，金刚石结构，原胞是面心立方结构，常规电子器件和高速的集成电路材料。

Si、Ge等Ⅳ族元素半导体都是间接带隙等材料，其发光效率非常低，不适于做发光器件。

•GaAs、InP是直接带隙材料，闪锌矿结构。

沿着它的{110}晶面很容易把晶体一分为二地解理开来，故此面称为解理面。

Ⅲ-Ⅴ族中的直接带隙材料。

在{110}面中，同时有等数量的Ga原子和As原子，因此显示出电学中性。

解理面非常平坦、光亮，有较高的反射率，解理面之间相互平行，因此两个相向平行的解理面就构成一个非常好的谐振腔。

二、半导体材料的折射率不同化合物的禁带宽度Eg和折射率n随组分的变化趋势正好相反，即Eg大的化合物，折射率n反而较小。

这正是设计半导体光电器件常常需要的。

Al x Ga 1-x As 的折射率n 随AlAs 组分x 之间的依赖关系为2091.0710.0590.3xx n +−=Ga x In 1-x As y P 1-y 的折射率n 的表达为()2059.0256.04.3yy y n −+=折射率是一个很重要的光学参数。

折射率的大小、异质结构中的折射率梯度、折射率随波长、载流子浓度、温度等等的变化都会影响半导体激光器、探测器、波导器件的性能，尤其会影响激光的波长和模式。

异质结在光电子器件中的应用

异质结在光电子器件中的应用在实际的光电子器件中，往往包含一个或多个异质结。

这是因为异质结是由具有不同的电学性质和光学性质的半导体组成的，还可以通过适当的晶体生长技术控制异质结势垒的性状，因此异质结在扩大光电子器件的使用范围，提高光电子器件性能，控制某些特殊用途的器件等方面起到了突出的作用。

在光纤通信、光信息处理等方面的具体应用如下：1异质结光电二极管光电二极管是利用光生伏打效应工作的器件，工作时要加上反向偏压，光照使结的空间电荷区和扩散区内产生大量的非平和载流子，这些非平衡载流子被内建电场和反向偏压电场漂移，就会形成很大的光电流。

其工作特性曲线如下图所示：图2.1 光电二极管的工作特性曲线光电二极管往往作为光电探测器使用，此时希望它有宽的光谱响应范围和高的光电转化率。

在包含有异质结的光电二极管中，宽带隙半导体成为窄带隙半导体的入射窗口，利用此窗口效应，可以使光电二极管的光谱响应范围加宽。

图2.2（a）画的是由宽带隙E g1和窄带隙E g2两种半导体组成的异质结，在入射光子能量满足E g1>hv> E g2的条件下，入射光就能透过半导体1而被半导体2吸收。

显然，透过谱与吸收谱的曲线重叠部分是该光电探测器的工作波段范围。

图2.2（b）是同质结光电探测器响应的情况，显然同质结的工作波段范围是很窄的。

光子能量/ev12E =E 入射光光子能量/ev12E >E 入射光（a ）（b ）图2.2 异质结光带二极管和同质结光电二极管的光谱特性2异质结光电晶体管图2.3分别是InP/InGaAs 异质结光电晶体管的典型结构图和能带图。

发射区由宽禁带的n 型InP 材料做成，基区和收集区由窄禁带的InGaAs 材料做成。

光电晶体管工作时一般采用基区浮置的方式，以减少引线分布电容。

在集电极和发射极之间加电压，使发射极对基区正向偏置，而集电极对基区反向偏置。

入射光子流照在宽带发射区上，当光的波长合适时发射区基本是透明的，光在窄带区中靠近宽带一侧被吸收而产生电子-空穴对。

异质结在光电子器件中的应用

异质结在光电子器件中的应用在实际的光电子器件中，往往包含一个或多个异质结。

这是因为异质结是由具有不同的电学性质和光学性质的半导体组成的，还可以通过适当的晶体生长技术控制异质结势垒的性状，因此异质结在扩大光电子器件的使用范围，提高光电子器件性能，控制某些特殊用途的器件等方面起到了突出的作用。

在光纤通信、光信息处理等方面的具体应用如下：1异质结光电二极管光电二极管是利用光生伏打效应工作的器件，工作时要加上反向偏压，光照使结的空间电荷区和扩散区内产生大量的非平和载流子，这些非平衡载流子被内建电场和反向偏压电场漂移，就会形成很大的光电流。

其工作特性曲线如下图所示：图2.1 光电二极管的工作特性曲线光电二极管往往作为光电探测器使用，此时希望它有宽的光谱响应范围和高的光电转化率。

在包含有异质结的光电二极管中，宽带隙半导体成为窄带隙半导体的入射窗口，利用此窗口效应，可以使光电二极管的光谱响应范围加宽。

图2.2（a）画的是由宽带隙E g1和窄带隙E g2两种半导体组成的异质结，在入射光子能量满足E g1>hv> E g2的条件下，入射光就能透过半导体1而被半导体2吸收。

显然，透过谱与吸收谱的曲线重叠部分是该光电探测器的工作波段范围。

图2.2（b）是同质结光电探测器响应的情况，显然同质结的工作波段范围是很窄的。

光子能量/ev12E =E 入射光光子能量/ev12E >E 入射光（a ）（b ）图2.2 异质结光带二极管和同质结光电二极管的光谱特性2异质结光电晶体管图2.3分别是InP/InGaAs 异质结光电晶体管的典型结构图和能带图。

发射区由宽禁带的n 型InP 材料做成，基区和收集区由窄禁带的InGaAs 材料做成。

光电晶体管工作时一般采用基区浮置的方式，以减少引线分布电容。

在集电极和发射极之间加电压，使发射极对基区正向偏置，而集电极对基区反向偏置。

入射光子流照在宽带发射区上，当光的波长合适时发射区基本是透明的，光在窄带区中靠近宽带一侧被吸收而产生电子-空穴对。

光电器件中的双异质结及其性能研究

光电器件中的双异质结及其性能研究光电器件是一种半导体器件，它将光能转换为电能、电信号或能量的器件。

双异质结则是其中一种常见的器件结构。

在光电器件中，双异质结的学术研究已经相当成熟，并且被广泛应用于太阳能电池、光电检测器和激光器等设备中。

本文将探讨双异质结在光电器件中的性能研究，以及对该领域未来的展望。

一、双异质结结构及其原理双异质结是一种由三层不同材料构成的器件结构，其中夹层由两种宽度不同的半导体材料组成，所以双异质结也被称为“量子阱”结构。

其材料常用的包括三元合金和四元合金材料，如AlxGa1−xAs和InGaAsP等。

这种结构的特点是能量势垒突变，能带结构呈现出态密度的量子化，因此具有较好的性能。

在双异质结中，带隙能量宽度较小，可以使电子和空穴束缚在一起，从而形成共同的能级。

这种束缚的能级，可以被形象地描述为一个“量子阱”的概念。

当硅化处理器件时，硅原子可以替代氮原子，使蓝色光出现。

由于这个“量子阱”的能量与晶体势能的差值相对较小，因此可以随着入射光子能量的改变而实现光发射和吸收。

二、双异质结在光电器件中的应用1. 太阳能电池在太阳能电池中，通过双异质结可以使束缚电子和空穴种类形成载流子，从而增大光生电流。

所以，使用三元合金AlxGayIn1−x−yAs双异质结母材的光电池，其转换效率可能会提高至约33%。

2. 光电检测器光电检测器是电子设备中的一种，用于将入射光信号转化为电信号。

在这种器件中，当光束传播到光电探测元件中时，会在该元件中产生电信号，该信号可以被用作测量和控制光功率的信号。

在光电检测器中，双异质结具有更好的耐辐射性能，可以实现高速响应和低暗电流密度特性。

3. 激光器激光器是光源器件，其信号有高亮度、单色性、直立、表现好等特点，被广泛应用于医疗、通讯等领域中。

在激光器中，使用亚稳超晶格AlGaAs/InGaAs双异质结可以实现高温稳定性和连续波激光输出。

三、未来发展和展望双异质结获得了广泛应用，并且在不断的研究和探索中，将其应用于更加广泛的范围。

半导体光电子学第2章_异质结

x1 φ1
EC1
ΔEC
Eg1
F1
EV1
ΔEV
p
图2.1-1
x2 φ2
真空能级
EC2 F2
Eg2
EV2
N
②两种材料形成异质结后应处于同一平衡系统中，因而各自的费米能级应相同； ③画出空间电荷区（由内建电势可求空间电荷区宽度），φ值在空间电荷区以外保持各自的值不变； ④真空能级连续与带边平行（弯曲总量为两边费米能级之差，每侧弯曲程度由费米能级与本征费米能级之差决定，由掺杂浓度决定）； ⑤而各自的χ、Eg不变。原来两种材料导带、价带位置之间的关系在交界处不变。(即：ΔEc、ΔEv、Eg、Eg不变)
一、非平衡状态下的pn结 1、外加电压下，pn结势垒的变化及载流子的运动。
正向偏压
P-N结加正向偏压V （即P区接电源正极，N区接负极）
势垒区内载流子浓度很小，电阻很大，势垒区外的P区和N 区中载流子浓度很大，电阻很小，所以外加正向偏压基本降落在势垒区。
正向偏压在势垒区中产生了与内建电场方向相反的电场，因而减弱了势垒区中的电场强度，这就表明空间电荷相应减少。故势垒区的宽度也减小，同时势垒高度从qVD下降为q(VD-V)。
这时，P-N结中有统一的费米能级EF，P-N结处于平衡状态，其能带图如图所示。
能带相对移动的原因是P-N结空间电荷区中存在内建电场的结果。
由于整个半导体处于平衡状态，因此在半导体内各处的Fermi 能级是一样的。可以看到，这时由于势垒的存在，电子和空穴也没有机会复合
如果一个半导体的两端加一个电压，由于电场的作用，使得能带整体沿着电场方向倾斜。电子和空穴的势能也发生变化，电子势能逆着电场方向降低，而空穴势能顺着电场方向降低。所以电子和空穴向两个相反方向移动。