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/ev

12

E =E 入射光光子能量/ev

12E >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。电子被发射结的自建电场所吸引从基区向发射区漂移，而空穴将流向基区。如果光在宽带区中也部分吸收的话，电子和空穴的流动方向也是这样的。因为基区是浮置的，电子和空穴这样的流动将促使发射极的电位更负，而基区的电位更正。这相当于发射结的p-n 正向偏置更加强。也就是说，光的吸收和光生载流子的流动等效于在光电晶体管的发射结上加了一个正向的信号。从而是发射区向基区注入更多的电子。这些电子以扩散的方式通过基区到达基区和集电区的边界，被方向偏置的集电极收集成为集电极电流，从而完成放大的目的。所以，光电晶体管不但能用于检测光信号，还能将光信号转换成的电信号放大。

（a）（b）

图2.3 InP/InGaAs异质结光电晶体管的典型结构图和能带图

3异质结发光二极管

发光二极管是一种用半导体pn结或类似结构把电能转换成光能的器件，由于这种发光是由注入的电子和空穴复合而产生的，所以称为注入式电致发光。

在电致发光中采用异质结的目的，一方面是想在不易得到两性电导的材料上获得高效率的发光，另一方面是试图利用多种材料组合的多样性制作多种性能的发光器件。根据异质结的能带结构，在正向偏置下可实现单边注入，因而具有较高的注射效率。在异质pn结中，载流子从宽带向窄带材料注射效率高，所以辐射复合将发生在窄带材料中，其复合机制和同质pn结是一样的。

图2.4（a）、（b）分别为GaAs/Ga1-x Al x As单异质结LED和双异质结LED的能带结构。对于单异质结发光二极管，n型Ga1-x Al x As向p型GaAs注入的电子有非常大的注入效率，远大于p型GaAs向 n型Ga1-x Al x As注入的空穴注入效率，所以复合发生在p型GaAs内，同时Ga1-x Al x As又起到了窗口的作用，使得异质结LED的发光效率得到提高。对于双异质结发光二极管，既利用了宽禁带半导体的高注入特性，又利用了界面处势垒对载流子的限制和窗口作用，因而具有更高的注入效率。作为光通信的光源，异质结红外发光二极管具有成本低、制造容易、线性好，温度稳定性好寿命长等优点。

(a)单异质结能带图（b）双异质结能带图

图2.4 异质结LED的能带结构

4异质结激光器

人们最早制备出的半导体激光器是同质结激光器，由于同质结激光器阈值电流密度很高（3×104‐5×104A/cm2），不能在室温下连续工作，所以人们相继研究出了异质结激光器。GaAs/Ga1-x Al x As双异质结激光器的研制成功，才使得半导体激光器得意实现室温下连续运转，其平衡和加正向偏压时的能带图如图2.5所示。

（a）平衡时（b）加正向偏压

图2.5 GaAs/Ga1-x Al x As双异质结激光器的能带结构

双异质结激光器的工作机理如下：

1）p-N异型异质结处在正向电压时，导带电子的异质结势垒降低，N区的电子可以很容易的越过势垒而注入到窄带隙的有源p区，p-N结有利于N区电子向p区的注入，同时该异质结在价带的势垒也阻碍了空穴由p区向N区的注入，防止空穴的流失。

2）p-P同型异质结，它有较高的电子势垒，以阻挡N区注入到p区的电子流失。在价带，该结有利于P区向p区注入空穴。

3）由于窄带隙半导体的折射率比宽带隙的大，因此，有源区两边的异质结

A、B能产生光波导效应，从而限制有源区中的光子从该区向宽带隙层溢出而损耗掉。

5总结

随着工艺水平的提升，对半导体异质结的研究已经取得了突飞猛进的进步，并且相继研制出了各种利用异质结的光电子器件，可以肯定的是异质结将在半导体器件、光电子器件、集成电路领域发挥越来越重要的作用。而随着半导体异质结受到越来越广泛的重视，以及理论和技术的不断发展，相信异质结的应用将会获得更多的成果。