双异质结多量子阱结构
红外探测Ⅱ类超晶格技术概述(一)

第51卷 第4期 激光与红外Vol.51,No.4 2021年4月 LASER & INFRAREDApril,2021 文章编号:1001 5078(2021)04 0404 11·综述与评论·红外探测II类超晶格技术概述(一)尚林涛,王 静,邢伟荣,刘 铭,申 晨,周 朋(华北光电技术研究所,北京100015)摘 要:本文简单归纳总结了红外探测II类超晶格材料的发展历史、基本理论、相比MCT材料的优势和材料的基本结构。
通过设计61?系超晶格材料适当的层厚和不同层间应力匹配的界面可以构筑灵活合理的能带结构,打开设计各种符合器件性能要求的新材料结构的可能性(如各种同质结p i n结构,双异质结DH、异质结W、M、N、BIRD、CBIRD、p π M N、pBiBn、nBn、XBp、pMp等结构),还可以在一个焦平面阵列(FPA)像元上集成吸收层堆栈实现集成多色/多带探测。
T2SL探测器可以满足实现大面阵、高温工作、高性能、多带/多色探测的第三代红外探测器需求,尤其在长波红外(LWIR)和甚长波红外(VLWIR)及双色/多带探测上可以替代MCT。
关键词:II类超晶格;Type II;T2SL;SLS;材料结构中图分类号:TN215 文献标识码:A DOI:10.3969/j.issn.1001 5078.2021.04.002Overviewofinfrareddetectiontype IIsuperlatticetechnology(I)SHANGLin tao,WANGJing,XINGWei rong,LIUMing,SHENChen,ZHOUPeng(NorthChinaResearchInstituteofElectro Optics,Beijing100015,China)Abstract:Thedevelopmenthistory,basictheory,advantagesoverMCTmaterialsandbasicstructureofinfrareddetec tiontype IIsuperlatticematerialsaresummarizedinthepaper Throughthedesign6 1?superlatticematerialssystemofappropriatelayerthicknessandmatchinginterfacestressbetweenlayerscanbuildflexiblereasonablebandstruc ture,openthepossibilityofdesigningnewmaterialstructurethatconformtotherequirementsofthedeviceperform ance(suchasavarietyofhomojunctionp i nstructure,doubleheterojunctionDH,heterojunctionW,M,N,BIRD,CBIRD,p π M N,pBiBn,nBn,XBp,pMp,etc),alsocanintegratemultilayerabsorptionlayerstackononefocalplanearray(FPA)pixeltorealizeintegratedmulticolor/multibanddetection T2SLdetectorcanmeettherequirementsofthethird generationinfrareddetectorwithlargearray,highoperatingtemperature,highperformance,multiband/multicolordetection,especiallycanreplaceMCTinthelongwaveinfrared(LWIR),theverylongwaveinfrared(VLWIR)andthetwo color/multi banddetectionKeywords:classIIsuperlattice;type II;T2SL;SLS;materialstructure作者简介:尚林涛(1985-),男,硕士,工程师,研究方向为红外探测器材料分子束外延技术研究。
第九章半导体异质结结构.ppt

图9.6 产生悬挂键的示意图
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如图9.7所示
因此对于晶格常数分别为a1、
a2的两块半导体形成的异质
结,以(111)晶面为交界 面的时悬挂键密度为
N s
2 2 4 a 2 a 1 2 2 3 a1 a 2
对于反型异质结,两种半导体材料的交界面两边都成了耗
尽层;而在同型异质结中,一般必有一变成为积累层。 图9.5为pp异质结在热平衡时的能带图。其情况与nn异质 结类似。
实际上由于形成异质结的两种半导体材料的禁带宽度、电 子亲和能及功函数的不同,能带的交界面附近的变化情况 会有所不同。
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(9-5)
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而且
Ec Ev E g 2 E g 2
(9-6)
式(9-4)、式(9-5)和式(9-6)对所有突变异质结普遍适用。
下图9.2为实际的p-n-Ge-GaAs异质结的能带图
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如果从一种半导体材料向另一种半导体材料得过渡只发生
于几个原子范围内,则称为突变型异质结。如果发生于几
个扩散长度范围内,则称为缓变形异质结。 1.不考虑界面态时的能带图 (1)突变反型异质结能带图
半导体激光器的工作原理及应用

半导体激光器的工作原理及应用摘要:半导体激光器产生激光的机理,即必须建立特定激光能态间的粒子数反转,并有合适的光学谐振腔。
由于半导体材料物质结构的特异性和其中电子运动的特殊性,一方面产生激光的具体过程有许多特殊之处,另一方面所产生的激光光束也有独特的优势,使其在社会各方面广泛应用。
从同质结到异质结,从信息型到功率型,激光的优越性也愈发明显,光谱范围宽,相干性增强,是半导体激光器开启了激光应用发展的新纪元。
关键词:受激辐射;光场;同质结;异质结;大功率半导体激光器The working principle of semiconductor lasers and applications ABSTRACT: The machanism of lasing by semiconductor laser,which requires set up specially designated reverse of beam of particles among energy stages,and appropriate optical syntonic coelenteronAs the specificity of structure from semiconductor and moving electrons.something interesting happens.On the one hand,the specific process in producing lase,on the other hand,the beam of light has unique advantages。
As the reasons above,we can easily found it all quartersof the society.From homojunction to heterojunction,from informatics to power,the advantages of laser are in evidence,the wide spectrum,the semiconductor open the epoch in the process of laser. Key worlds: stimulated radiation; optical field; homojunction; heterojunction; high-power semiconductor laser 0 前言半导体激光器是指以半导体材料为工作物质的激光器,又称半导体激光二极管(LD),是20世纪60年代发展起来的一种激光器。
光有源器件介绍

En v
PN结空间电荷区的形成及载流子导向
PN结及其能带图
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pn结的偏置
反向 偏置
N
外电场
+ + + +
_ _ _ _
自建场
P
正向 偏置
N
+ + + +
_ _ _ _
自建场
P
外电场
+
_
_
+
• pn结反向偏置时,即pn结的n端与电源的正极相连,p端与电源 负极相连,外电场与自建场方向一致,造成pn结势垒增高,因 而通过pn结的电流很小,而且电流不会随电压增加而增加。 • pn结正向偏置时,外电场与自建场方向相反,造成pn结势垒降 低。n区的电子可源源不断地通过pn结流向电源正极,同时电 源的负极可以不断向n区补充电子。所以pn结正向电流大,且 随电压增加而增大。
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光的自发辐射和受激辐射
E2 E1 E2
• • • hf = E - E
2
E2 E1 E2
入射光 hf = E2 - E1
E2
入射光 hf = E2 - E1
• •
• • 原子吸收入 •
射光子跃迁 至高能级
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pn结区内的复合和辐射
• 当pn结正向偏置时,结区内存在大量的电子和空穴,导带 中的电子可能与空穴产生复-合,即导带中高能级的电子可 跃迁到价带中低能级的空穴,电子空穴复-合时有能量释 放,这能量可以转变为热而消耗,也可以由于电子从高能 级跃迁至低能级而辐射光子。 • 辐射的光子能量即为电子跃迁的能级差。 hν = Ec- Ev = Eg 光的波长:λ= C/ν =hc/Eg ν为光子频率,c为光速,h为普朗克常数。
精品课件-光器件原理

输出功率和驱动电流之间的函数关系也叫“P-I曲线”
P-I曲线会随温度的变化而变化。
(2)光谱特性 LED光谱特性主要是指发光强度、光谱峰值波长和光
谱的半高全宽Δλ(最大光强一半处的光谱全宽)等。
LED的谱线宽度Δλ与波长(有源层材料的带隙决定) 和结的温度有关:
Δλ = 3.3(kT / h)(λ2/c)
怎样实现粒子数反转呢?
答案是:如果外界向物质提供了能量,就会使得低能级上
的电子获得能量,并大量地激发到高能级上去,像一个泵一 样,不断地将低能级上的电子“抽运”到高能级上,就可达 到高能级上的粒子数N2大于低能级上的粒子数N1 ,此时,我 们称这个能量为激励或者泵浦。
4.能带理论
在实际中,原子的能级不是单一的,而是由彼此靠的很近的系列能 级组成的,这种有一定宽度的带,我们称能带。
(1)自发辐射
处在高能级E2的电子往往是不稳定的,即使没有外界的作用, 也会自动地跃迁到低能级E1上与空穴复合,释放的能量转换为光 子辐射出去,这种跃迁称为自发辐射。
(2)受激辐射
高能级E2的电子,受到入射光的作用,被迫跃迁到低能级E1 上与空穴复合,释放的能量产生光辐射,这种跃迁称为受激辐射。
式中,T为结的绝对温度驱动电流, c是光速, k为波尔兹曼常数, h为普朗克常数。
(3)调制带宽
就是功率谱降低到最大值一半时,对应0~3dB的频率范围。 LED的调制带宽为:
Δf = 1/ (2πτ) 其中τ是载流子的复合寿命。 调制带宽跟PN结的掺杂浓度和有源区的厚度有关。
(4)温度特性
LED的温度特性
光器件原理
学习目标
1.掌握激光产生的基本原理 2.掌握光源的结构、原理和性能 3.掌握光放大器的结构、原理和性能 4.掌握波分复用器的类型、原理和应用 5.掌握光电检测器的结构、原理和性能 6.了解光分插复用器的作用、原理和应用 7.了解光交叉复用器的作用、原理和应用 8.理解光开关作用、原理和应用
GaN在光电子器件中的应用

第一章引言GaN材料的研究与应用是目前全球半导体研究的前沿和热点,是研制微电子器件、光电子器件的新型半导体材料,并与SIC、金刚石等半导体材料一起,被誉为是继第一代Ge、Si半导体材料、第二代GaAs、InP化合物半导体材料之后的第三代半导体材料。
它具有宽的直接带隙、强的原子键、高的热导率、化学稳定性好(几乎不被任何酸腐蚀)等性质和强的抗腐蚀能力,在光电子、高温大功率器件和高频微波器件应用方面有广阔的应用前景。
GaN是极稳定的化合物,又是坚硬的高熔点材料,熔点约为1700℃,GaN 具有高的电离度,在Ⅲ—Ⅴ族化合物中是最高的(0.5或0.43)。
在大气压力下,GaN晶体一般是六方纤锌矿结构。
它在一个元胞中有4个原子,原子体积大约为GaAs的一半。
因为其硬度高,又是一种良好的涂层保护材料。
其化学稳定性和热稳定性尤其有利于制造高温器件。
其物理特性,包括宽禁带、高击穿、高饱和速度等,更有利于制造微波功率器件。
更值得一提的是,由于A1x Ga1-xN,InxGa1-xN的禁带宽度可调,是可见光、紫外线光电子器件的理想选择,工艺技术上,成功地实现了传统的低压、原子层的CVD淀积和A1GaN/InGaN的掺杂,从而获得了高质量GaN-A1GaN异质结和 A1GaN二维电子气,优良的二维电子气传输特性使其能够制造更加独特的光电子器件。
近年来,在材料生长方面的进展也很快,日本住友电气公司(SEI)已经首次生长2英寸单晶GaN衬底。
同蓝宝石相比,GaN能导电,便于顶层和底层同时制作电极,节省面积;衬底和外延层的材料相同,易于解理衬底和外延层的位错少,可延长激光器的寿命。
该公司计划2001年开始出售GaN材料,这种单晶的商品化不仅加快激光器的开发,而且也有利于GaN电子器件的开发。
用于GaN器件的外延材料生长,经常采用MBE或者MOCVD技术。
其外延材料结构大多属于六方或者立方型的晶体结构,前者生长在蓝宝石或者6H/4H SiC衬底上,当前,大多数器件采用此类衬底。
半导体异质结构讲解课件

Jn = Dn dn/dx Jp = -Dp dp/dx
Drift currents components
Jn = q n mn E
Einstein relation
and Jp = q p mp E
Law of the Junction II. Mass Action Law
Shockley equation for the diode i-v characteristic
Summary
PN junction
Junction Capacitance I
Junction Capacitance II
Capacitance
Model
9.1 半导体异质结及其能带图
高势垒尖峰
低势垒尖峰情形异质pn结
加正向偏压V, 通过结的总电流密度
Dn1 qV Dp2 J J n J p q n10 p20 exp 1 L kT L p2 n1
Dn1和Ln1:p区少子电子的扩散系数和扩散长度 Dp2和Lp2:n区少子空穴的扩散系数和扩散长度 n10:p区少子浓度 p20:n区少子浓度
用分离变量法求解
2
( x, y, z ) ( x, y)u ( z )
h * x, y Exy x, y 2 2 2m x y
2 2 2
h u( z) * V ( z )u ( z ) Ez u ( z ) 2 2m z
正向偏压时
qV2 qV J exp exp kT kT
9.3 半导体异质结量子阱结构及 其电子能态与特性
半导体微结构物理效应及其应用讲座 第2讲 量子阱、超晶格物理及其在光电子领域中的应用

物理
讲! 座 类超晶格, 电子和空穴分别限制在 ’()* 和 +,-. 中/ 第三种是多元混晶超晶格, 如 ’(0 1 ! +, ! )* 2 +,-.0 1 " )* 3 , +, 的组分 ! 和 )* 的组分 " 可分别调节, 以满 足晶格匹配条件和改变导带、 价带的相对位置/ 自然界中两种晶格常数相近的材料是很少的/ 实验上发现, 利用分子束外延也能生长晶格不匹配 的量子阱或超晶格/ 这时其中一种材料就产生应变/ 如果这个材料层的厚度超过了一个临界层厚度, 则 应变产生的能量就会被释放出来, 产生位错线/ 应变 将影响超晶格的电子态, 可被用来改善激光器的性 能/ ! / "# 自组织生长量子点 利用分子束外延 ( 456 ) 或者金属有机物化学 气相淀积 ( 4789:) , 在一种材料上生长与衬底材料 有很大晶格失配的另一种材料/ 在长了一层很薄的 “ 湿润” 层后, 由于很大的应变能, 接着将生长三维 岛 ( 量子点) / 这种生长模式称为 -;<,(*=>?@<,*;,(AB 模式/ 生成的岛中可能有失配的位错, 也可能没有/ 没有位错的岛称为相干岛 ( CADE<E(; >*F,(G*) / 在 +,)* ( $$0 ) 上 生 长 的 ’()* 岛 (晶格失配
[ K] M H
( )
(#)
这表明, 要达到激光工作, 有源区介质的增益必须等 于它的损失加两端激光输出的损耗/ 以上公式仅仅是光完全在有源区中传播的理想 情形, 没有考虑到光场在垂直方向上的分布/ 实际上 光场除了在有源区内, 还有部分衍射分布在上、 下两 )F+,)* 层中/ 由于只有在有源区中光才能放大, 因 此要求有源区中光的比例越大越好/ 为此定义光的 限制因子为
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双异质结多量子阱结构
1. 引言
1.1 背景介绍
双异质结多量子阱(Double Heterostructure Multiple Quantum Wells,简称DH-MQWs)是一种具有特殊结构的半导体材料系统,由两种不同的半导体材料交替堆叠而成。
在DH-MQWs结构中,两种材料之间的能隙差异可以形成量子阱,这种结构具有优异的光学和电学
性质,因此在光电器件领域得到了广泛的研究和应用。
双异质结多量子阱结构最早由卡恩(Alfvén)等人于1970年提出,并被广泛应用于半导体激光器、LED和光伏器件等领域。
该结构具有
明显的量子效应,如量子尺寸效应和量子束缚效应,能够在能带结构
和光电特性上展现出独特的优势。
随着半导体材料制备技术的不断发展,DH-MQWs结构的制备方法也得到了不断改进和优化,使其在光电器件中发挥更加重要的作用。
研究人员也对DH-MQWs结构的物理性质、应用领域和发展趋势进行了深入的探讨和研究,为该领域的进一步发展提供了重要的参考和指导。
【字数:213】
1.2 研究意义
双异质结多量子阱结构是一种新型半导体结构,在纳米技术和光
电器件领域具有广泛的应用前景。
通过研究双异质结多量子阱,可以
深入了解其独特的物理性质和优越的光电性能,为新型光电器件的设
计和制备提供理论基础和技术支持。
双异质结多量子阱在光电器件中具有重要的应用价值,如激光器、光电探测器、光电调制器等。
在半导体激光器中,双异质结多量子阱
可以实现高效率的电子-空穴重组,提高激光器的性能指标;在光电探测器中,双异质结多量子阱的量子效应可以实现高灵敏度和低噪声的
探测,有助于提高探测器的性能。
2. 正文
2.1 双异质结多量子阱的概念
双异质结多量子阱(heterostructure multiple quantum wells)是一种由不同材料构成的半导体结构,包含多个量子阱。
量子阱是一
种在一个方向上非常薄的材料层,其厚度通常在几纳米到几十纳米之间。
双异质结多量子阱是在两种不同的半导体材料上交替堆叠多个量
子阱。
这种结构能够有效地限制电子和空穴在一个维度上的移动,从
而产生量子限制效应。
双异质结多量子阱的制备方法包括分子束外延、金属有机化学气
相沉积等技术。
通过精密的控制层厚度和组分,可以实现不同材料之
间的能带偏移,形成量子阱结构。
双异质结多量子阱具有优异的光电性能,包括高量子效率、较长
的寿命和较小的非辐射复合率。
这些特性使得双异质结多量子阱在光
电器件领域有广泛的应用,如激光器、光电探测器和太阳能电池等。
双异质结多量子阱是当前研究的热点之一,未来的发展趋势包括
进一步优化结构设计、提高量子效率和探索新的应用领域。
这种结构
有望在光电子学领域发挥重要作用,促进光电器件的性能和功能的持
续提升。
2.2 双异质结多量子阱的制备方法
双异质结多量子阱的制备方法是一项至关重要的技术,它直接影
响到该结构的性能和应用。
制备双异质结多量子阱通常采用分子束外
延(MBE)或金属有机化学气相沉积(MOCVD)等技术。
在制备过程中,首先需要选择合适的衬底材料,常用的有GaAs、InP等。
然后通过周期性地沉积GaAs和AlGaAs等材料来构建多量子阱结构。
控制好沉积温度、压力和材料流量等参数,是制备过程中关键的一步。
还需
要考虑到材料的晶格匹配性和界面质量,以确保最终的双异质结多量
子阱具有良好的品质和稳定性。
近年来,随着纳米技术的发展,一些
新型的制备方法也在不断涌现,如分子束外延中的原子层沉积技术和
金属有机化学气相沉积中的气相外延等,这些新方法为双异质结多量
子阱的制备带来了更多的可能性和发展空间。
通过不断优化制备方法,可以进一步提高双异质结多量子阱的性能,拓展其在光电子领域的应用。
2.3 双异质结多量子阱的物理性质
双异质结多量子阱的物理性质涵盖了多个方面,包括电子结构、
光学性质、热学性质等。
双异质结多量子阱中的电子结构具有明显的
量子效应,由于限制在两个不同材料组成的异质结界面之间,电子处在禁闭态,形成一维或二维的能级结构。
这种能级结构的调控可以通过材料的选择、厚度的设计以及外加电场等手段来实现,从而实现对电子性质的精确控制。
双异质结多量子阱在光学性质方面具有独特的特点。
量子限制效应使得在多量子阱中形成的能级之间的跃迁对应着特定波长的吸收或发射。
双异质结多量子阱在激光器、光电探测器等器件中的应用备受关注,可以实现波长可调谐性、快速响应等优势。
在热学性质方面,双异质结多量子阱也具有一定的特殊性。
由于量子尺寸效应的存在,导致了少量的载流子自由度,使得电子与晶格的相互作用减弱,从而减小了热传导效率。
这一特性在热电材料、红外探测器等领域的应用具有重要意义,可以提高器件的性能。
双异质结多量子阱的物理性质丰富多彩,具有广泛的应用前景,尤其在光电子器件、红外探测器、热电材料等领域具有巨大潜力。
通过深入研究其物理性质,可以进一步拓展其应用领域,推动其在科学技术领域的发展。
2.4 双异质结多量子阱的应用领域
双异质结多量子阱在应用领域有着广泛的应用,其中包括光电器件、激光器件、光电探测器、太阳能电池等多个领域。
在光电器件中,双异质结多量子阱可以用于制作高性能的激光二
极管、LED等光电器件。
其优异的光学性能和电学性能使得这些器件
在通信、显示、照明等领域具有重要的应用价值。
在激光器件中,双异质结多量子阱结构被广泛应用于制作高功率、高效率的激光器件。
这些激光器件在激光雷达、医疗器械、激光加工
等领域发挥着重要作用。
在光电探测器方面,双异质结多量子阱结构的优异特性使得其可
以用于制作高灵敏度、高响应速度的光电探测器。
这些探测器在安全
监控、生物医学、红外成像等领域有着广泛的应用。
双异质结多量子阱结构还被应用于太阳能电池领域,用于提高太
阳能电池的光电转换效率和稳定性。
这些应用都展示了双异质结多量
子阱在各种领域中的巨大潜力和广阔前景。
2.5 双异质结多量子阱的发展趋势
随着纳米技术的不断发展,人们对双异质结多量子阱的制备方法
和工艺要求也越来越高。
未来的发展趋势将主要集中在如何实现更高
的制备精度和更低的制备成本上。
随着材料科学的进步,人们也在不
断探索新的材料组合和结构设计,以提高双异质结多量子阱的性能和
应用领域。
随着光电子技术的发展,双异质结多量子阱在光电子器件领域将
有更广泛的应用。
作为光学器件中的活性层,双异质结多量子阱可以
用于制造高性能的激光器和光电探测器。
在电子器件领域,双异质结多量子阱也可以用于构建新型的高速晶体管和量子点存储器。
3. 结论
3.1 总结
在双异质结多量子阱领域的研究中,总结的内容涵盖了以下几点:
双异质结多量子阱结构在半导体器件中具有重要的应用,能够实现更高效的光电转换和更快的电子传输速度。
通过调控量子阱的厚度和材料组分,可以实现对光电性能的精准调控,为新型光电器件的设计提供了丰富的可能性。
双异质结多量子阱结构的制备方法日益完善,包括分子束外延、金属有机化学气相沉积等技术的应用,能够实现高质量、大面积的量子结构生长。
这些制备方法的发展为双异质结多量子阱的研究和应用奠定了坚实基础。
双异质结多量子阱在光电器件、激光器、光检测器等领域的应用已经取得了令人瞩目的成就,为光电子技术的发展做出了积极贡献。
未来随着材料科学和微纳加工技术的不断进步,双异质结多量子阱结构的应用前景将更加广阔。
3.2 展望
随着科技的不断发展,双异质结多量子阱结构在光电子学领域的应用前景十分广阔。
未来,随着研究技术的进步和理论深入,我们可以预见一些新的发展方向和趋势。
随着材料科学和纳米技术的不断发展,我们有望看到更多新型材料的涌现,这将为双异质结多量子阱结构的制备和性能提升带来新的机遇和挑战。
双异质结多量子阱结构在生物医学领域的应用也将逐渐拓展,例如在生物成像、生物传感和药物传递等方面具有潜在的应用前景。