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E

g

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

2

091.0710.0590.3x

x n +−=Ga x In 1-x As y P 1-y 的折射率n 的表达为

()2

059.0256.04.3y

y 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。

掌握其变化规律，并且充分地利用其特性来满足器件的设计、制造和应用的要求。

三、异质结特性及在半导体光电子器件中的应用

1.异质结的特性

和折射率差∆n这两种本质性异质结构具有带隙差∆E

g

质，它们为异质结带来一系列重要的特性和效应：

●高注入比、超注入效应

●对载流子和光波的限制、导波效应

●窗口效应等等

这些特性和效应构成了半导体光电子技术的物理基础。

（2）异质结对载流子和光波的限制、波导效应

异质结的带隙差∆E g （亦即导带差∆E c 和价带差∆E v ）对载流子（电子和空穴）有限制作用，防止载流子向外泄露。同时，异质结的折射率差∆n 能够提供波导结构，对于高折射率材料中传播的光波具有光限制作用，防止光波向外泄露。

♦在半导体激光器中的应用

（LD-Laser Diode ）

♦异质结在发光二极管中的应用

（LED-Laser Emitting Diode）

LED同LD，采用多层异质结结构，作用：a.将注入电子和空穴限制在有源层中；b.非平衡载流子复合产生的光子在异质结的波导效应下，能有效地减少内部损耗。

(3) 窗口效应

两种半导体材料在一起构成异质结时，由于禁带宽度不同，它们对光波的吸收波长也就不同。半导体只吸收波长小于带隙吸收边（λg ＝1.24/E g )的光波，而对于波长比λg 长的光波来说，它就是透明的。异质结的这种作用称之为窗口效应。

ħv

1

2

2

1

入射光

入射光

透射系数和吸收系数

透射系数和吸收系数光子能量光子能量2

1g g E E >>νh 2

1g g E E =ħv

E g1

E g2

E g2

E g1

ħv ħv

§1-3 金半结与MOS结构

〈一〉金属与半导体接触及其能级图

F

m E E W −=0一、金属与半导体接触

1.金属的功函数

金属的功函数约为几个电子伏特，铯(Cs)的功函数最低为1.93eV,铂（Pt ）的功函数最高为5.36eV 。

金属的功函数大小标志着电子在金属中束缚的强弱，W m 越大，电子越不易离开金属。

意义：一个起始能量等于费米能级能量的电子，由金属内部逸出到真空中所需的最小能量。

2.半导体的表面态

常把固体与真空之间的分界面叫“表面”而把不同相或不同类物质之间的分界面叫“界面”。

“表面”实际上并不是一个几何面，而是指大块晶体的三维周期结构与真空之间的过渡区，它包括了所有不具有体内三维周期性的原子层。

半导体表面态概念见前面及讲义

表面态对半导体各种物理过程有很重要的影响，特别是对许多半导体器件的性能影响更大。

由于接触电势差的存在，使得电子的流动受到影响。

分两种情况讨论

（1）金属与n型半导体接触

（2）金属与p型半导体接触