王兴军--2015 暑期学校PPT-光发射1 硅基集成中的光发射技术

/
9
Outline
光发射的基础理论 硅放大的限制 硅基发光材料
硅基发光二极管
硅基激光器
/
10
光发射的理论



辐射复合 非辐射复合 自发辐射 受激辐射 受激吸收 发光效率
/
Also at the thermal equilibrium, the radiated photon energy density from atoms must follow the Planck’s black body radiation distribution law:
/

/
24
Outline
光发射的基础理论 硅放大的限制 硅基发光材料
硅基发光二极管
硅基激光器
/
25
光放大理论
光的放大主要由材料的增益谱决定，对于半导体材料，它是由态密度 （ρ(hν)）、费米函数 (fg(hν))和辐射寿命τr决定的。
/
22
发光效率

“内量子效率”为单位时间内辐射复合产生的 光子数与单位时间内注入的电子-空穴对数之 比。辐射复合速率wr与总的复合速率 (wnr+wr) 之比。
因此，只有当τnr>>τr，才能获得高效率的光子发射。 对间接复合为主的半导体材料，一般既存在发光中心， 又存在其他复合中心，通过前者产生辐射复合，后者产生 非辐射复合。因此，要使辐射复合占优势，必须使发光中 心浓度远大于其他杂质浓度。
/
4
/
5
硅基光源是硅基光电子学元器件中的 重中之重。 由于硅是间接带隙的半导体，发光效 率不高，内量子效率η约为10-5-10-6。 因此硅一直以来被认为不适合制作光 源材料。

/
6
/
7
硅基发光的进展
上世纪90年代，多孔硅的室温发光 2000年，纳米硅的增益 2004年，铒掺杂微环激光器 2005年，硅拉曼激光器 2006年，III-V族-硅混合激光器 2010年，锗硅激光器
/
8
内容提要/3Fra bibliotekSilicon photonics Introduction (Intel and IBM)
Light source Filter
Modulator Waveguide
CMOS电路 Coupling and alignment
Detector
Silicon Photonic Integration and Microsystems:
/
16
自发辐射和受激辐射
1917年 爱因斯坦在“关于辐射的量子理论”论文中提出，解释黑体辐射现象 光子与原子的三种相互作用：自发辐射、受激辐射、受激吸收 自发辐射：电子-空穴对复合时产生的光在波长、相位等特性彼此互不关联， 自发性的行为。光谱较宽，相位不一致，没有偏振性，光输出功率较弱，例： 发光二极管 受激辐射：已有的传播光子诱发产生一个光子能量、相位、偏振等特性与前 一个光子完全相同。这个辐射复合过程为受激辐射。光谱窄、相位一致、有 偏振方向、光输出功率大。例：激光器
Ec
Ev Spontaneous emission Stimulated emission
/
17

受激吸收：
在正常状态下，电子处于基态E1，在入射光作用下，它会 吸收光子的能量跃迁到激发态E2上，这种跃迁称为受激吸 收。电子跃迁后，在基态留下相同数目的空穴。受激吸收 是受激辐射的逆过程。 设在单位物质中，处于E1和E2的原子数分别为N1和N2。当 系统处于热平衡状态时，存在下面的分布
其中，drstim or drabs是一定光子能量h下的受激发射和受激吸收率，g(h)是增 益系数，dΦ是光子流量的变化。
fe和fh是电子-空穴对的热分布函数，Φ是光子流密度，EFe和 EFh是电子和空穴的准费米能 级，当没有外泵浦的情况下，费米函数减少到简单的费米态，也就是对于一个空的导带和 填满的价带，增益系数小于吸收系数，fg<0。当外泵浦激发高密度的自由载流子，准费米 能级的劈裂增加，当EFe−EFh >hν，满足粒子数反转条件，fg>0。这意味上面的公式为正值， 因此系统也显示正的增益。从上面公式可以看出，辐射寿命τr也是一个关键的参数,寿命越 短，增益越大。
B12, A21, and B21 are the Einstein coefficients for absorption, spontaneous emission and stimulated emission.
/
19
Stimulated Emission Rate and Einstein Coefficients At the thermal equilibrium, we can assume up and down transitions are equal and the atom numbers at energy levels are determined by Boltzmann statistics:
20
Stimulated Emission Rate and Einstein Coefficients
Based on above assumptions and equations, the Einstein coefficients can be determined as:
The ratio of stimulated to spontaneous emissions can be determined as:
or
/
21
Stimulated Emission Rate and Einstein Coefficients
The ratio of stimulated emission to absorption can be determined as:
From above equations, two requirements need to be met to have stronger stimulated emission over spontaneous emission and absorption (Lasing): (1) large photon concentration (optical cavity) and (2) N2 > N1 (population inversion).
11
Light emission

辐射复合和非辐射复合
E2-E1=Eg=hv=hc/l, l=hc/Eg=1.24eV/Eg
/
12




辐射复合分为带间复合和非带间复合 带间复合是指导带电子与价带的空穴直接复合 非带间复合是通过复合中心进行，包括有杂质 或缺陷参与，如电子从导带跃迁到杂质能级， 或杂质能级上的电子跃迁入价带，或电子在杂 质能级之间的跃迁 带间复合是辐射复合中的主要形式。
/
13



直接带隙半导体，导带和价带的极值都在k空 间原点，带间复合为直接跃迁，由于直接跃迁 的发光过程只涉及一个电子-空穴对和一个光 子，其辐射效率很高。 间接带隙半导体，导带和价带的极值对应于不 同的波矢k、这时发生的带与带之间的跃迁是 间接跃迁。 在间接跃迁过程中，除了出射光子外，还需要 声子参与，因此，间接跃迁比直接跃迁的概率 小的多。
/
14
非辐射复合： 俄歇复合 一个电子或空穴吸收另一电子与空穴复合时放 出的能量，跃迁到更高的能量状态的过程称为 俄歇复合过程。
这种过程的几率与复合的载流子浓度和接受能量的载流子浓度乘积成正比， 所以载流子浓度高的材料俄歇复合过程更容易。

自由载流子吸收
2015硅基光电子技术与应用 暑期学校
Light Emission in Silicon Photonics
王兴军
Beijing 2015.7.13
/
1
欢迎大家参加暑期学校
/
2
Light Emission and detector
Combining electrical and optical components on the same silicon-based substrates used in the fabrication of a semiconductor chip, which employs numerous integrated optics devices, including lasers, photodetectors, splitters, isolators, filters, modulators, switches, et. al.
/
23

外量子效率是指半导体材料中总的有效发光效 率。单位时间内发射到晶体外部的光子数与单 位时间注入的电子-空穴对数之比。
因为很多辐射复合所产生的光子并不是全部都能 离开晶体向外发射。从发光区产生的光子通过半 导体时部分可以被吸收，另外由于半导体的高折 射率，光子在界面处很容易发生全反射而返回晶 体内部。因此一般外量子效率比内量子效率低很 多。
2 2 2
h
h
In
h
Out h
E1
E1
E1
(a) Absorption
(b) Spontaneous emission (c) Stimulated emission
Absorption, spontaneous (random photon) emission and stimulated The upward transition depends on the number of atoms N1 and the emission. ?1999 S.O.radiation: Kasap, Optoelectronics(Prentice Hall) energy density in the The downward transition depends on the number of atoms N2 and the energy density in the radiation: