Ch2半导体光电子 Heterostructures
半导体光电子器件ppt
描述光子被半导体材料吸收后产生的电子跃迁和能量吸收现象。
光的吸收
光的产生与吸收
光电二极管的工作原理
重点介绍光子与半导体PN结的作用机制,以及产生的光电流和反向饱和电流的竞争关系。
激光二极管的工作原理
包括阈值条件、模态选择和调谐方法等,以及它们在光电子器件中的应用和限制。
半导体光电子器件的工作原理
具有更高的光电子器件性能,如高速、低功耗、高稳定性等。
硅基光电子器件
利用成熟的CMOS工艺,实现高速、低成本、高集成度的光电子器件。
石墨烯等二维材料
具有超高的载流子迁移率和热导率,可实现高速、低能耗的光电子器件。
01
02
03
高性能光电子器件
01
需要具备高速度、低功耗、高稳定性等特点,同时要求具有优良的热稳定性和机械强度。
半导体光电子器件在光传感领域也有着广泛的应用,如光学陀螺仪、光谱分析仪等。
光传感
03
多功能化
为了满足多样化的应用需求,半导体光电子器件正在向着多功能化的方向发展,如同时实现调制、滤波、放大等功能。
半导体光电子器件的发展趋势
01
高性能化
随着信息技术的发展,对半导体光电子器件的性能要求越来越高,如高速、低耗、稳定性等。
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xx年xx月xx日
CATALOGUE
目录
介绍半导体光电子器件的基本原理半导体光电子器件的结构与特性半导体光电子器件的制作与工艺半导体光电子器件的应用实例半导体光电子器件的发展趋势与挑战
介绍
01
半导体光电子器件的定义
指利用半导体材料和器件实现光-电信号转换的器件。
半导体光电子器件的分类
半导体光电子器件的结构与特性
半导体光电子材料与器件教学大纲
附件2:《半导体光电子材料与器件》教学大纲(理论课程及实验课程适用)一、课程信息课程名称(中文):半导体光电子材料与器件课程名称(英文):Semiconductor Optoelectronic materials and devices课程类别:选修课课程性质:专业方向课计划学时:32(其中课内学时:40 ,课外学时:0)计划学分:2先修课程:量子力学、物理光学、固体物理、激光原理与技术、半导体物理等选用教材:《半导体物理学简明教程》,孟庆巨胡云峰等编著,电子工业出版社,2014年6月,非自编;普通高等教育“十二五”规划教材,电子科学与技术专业规划教材开课院部:理学院适用专业:光电信息科学与工程、微电子学等专业课程负责人:梁春雷课程网站:无二、课程简介(中英文)《半导体光电子材料与器件》是光电信息科学与工程本科专业的专业课。
学习本课程之前,要求学生已经具有量子力学、热力学与统计物理、固体物理和半导体物理方面的知识。
本课程论述基于电子的微观运动规律为基础的各种半导体器件的工作原理。
其核心内容是硅光电子器件的工作原理和设计方法。
本课程的目的是让学生了解和掌握半导体器件相关的物理知识,熟练掌握各种常见半导体器件参数与器件的结构参数和材料参数之间的关系。
能够使用典型的光电子器件进行光电探测。
初步具备新型器件的跟踪研究能力和自主开发能力。
Semiconductor Optoelectronic Materials and Devices is the course designed for the undergraduate students of optoelectronic information science and engineering specialty. Before taking this class, the students are required to have the knowledge of quantum mechanics, thermodynamics and statistical physics, solid state physics and semiconductor physics.The class will discuss the principles of working of all kinds of Semiconductor devices based on the microscopic movement of electron. The main content will be the principle of working and the method of design of optoelectronic devices base on silicon. The purpose is to let the students understand and master physical knowledge related to the semiconductor devices, skillfully master all kinds of relations of semiconductor devices parameters with structural parameter and material parameter. The students are requires to be able to employ some typical devices for photoelectric detection, also they will be able to have the basic ability to follow and develop new devices.三、课程教学要求序号专业毕业要求课程教学要求关联程度1 工程知识本课程注重培养学生理论联系实际的能力、科学研究的思想方法、创新能力以及工程实践能力等。
半导体光电子器件讲解ppt
按制造工艺分
半导体光电子器件的结构
常见的半导体光电子器件结构包括:衬底、活性层、电极等。
衬底通常选用半导体材料,如硅、锗、三五族化合物等。
活性层是光电子器件的核心部分,用于实现光吸收、载流子产生、光电器件的作用。
电极的作用是收集和导出活性层产生的载流子。
半导体光电子器件的工作原理是当加电压时,即势垒降低,有大量电子从N区注入到P区,形成一定的电流,当没有光照时,只有热平衡反向电流,当有光照时,会形成附加的光生电流,从而实现了光电转换。
半导体光电子器件的工作原理
04
半导体光电子器件的性能参数
03
迁移率
指半导体材料中载流子的平均漂移速度,反映了半导体材料导电性能的好坏。
半导体光电子器件的电学参数
01
载流子浓度
指半导体材料中自由电子和空穴的浓度,可以反映半导体材料的导电性能。
02
电阻率
指半导体材料电阻的大小,通常与材料的载流子浓度和迁移率有关。
xx年xx月xx日
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目录
引言半导体光电子器件的基本原理半导体光电子器件的种类与结构半导体光电子器件的性能参数半导体光电子器件的生产与制造半导体光电子器件的应用案例
0器件简介
2
3
半导体光电子器件是利用半导体材料和器件实现光-电信号转换的器件。
半导体材料通常包括硅、锗、砷化镓、磷化铟等。
半导体光电子器件具有体积小、重量轻、稳定性好、寿命长等特点。
半导体光电子器件的历史发展
半导体光电子器件的起源可以追溯到20世纪60年代。
20世纪80年代,随着光纤通信技术的发展,半导体光电子器件在光纤通信领域得到广泛应用。
半导体光电子器件
Conduction, valence bands and band gaps (cont)
Direct gaps are important for most optoelectronic devices They have much stronger optical absorption and emission near the band gap energy Reason - conservation of momentum (photon has small momentum compared to an electron or hole) Transitions are "vertical" on an E vs. k diagram Indirect transitions require additional momentum, usually from a phonon (a crystal lattice vibration), making indirect transitions a three particle process and much weaker
• Black body – T
• Lasers
4) Technologically available materials
Human Eye Response
Lasers and LEDs for displays or lighting must emit in the 430-670 nm wavelength region (bandgaps of 3.0-1.9 eV).
Diamond and Zincblende Lattices Unit cells for silicon (Si) and gallium arsenide (GaAs) Silicon - diamond lattice GaAs - zincblende (cubic zinc sulfide) lattice (most other III-V and many II-VI semiconductors have zincblende lattice) Diamond and zincblende lattice based on tetragonal pattern of bonds from each atom to nearest neighbors-two interlocking facecenteredcubic lattices lattice parameter (or constant), a - repeat length of the unit cells e. g., GaAs, a = 5.65 Å (Angstroms) = 0.565 nm.
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光电子器件的基本原理
光的吸收
当光照射到物质表面时,物质 可以吸收光能,并将其转化为
热能或电能。
光的发射
在某些条件下,物质可以自发地 或在外加能量作用下发射光。
光电子发射
当光照射到物质表面并被吸收时, 物质会释放出光电子,这些光电子 可以通过电场或磁场进行收集和检 测。
包括暗电流、响应时间、噪声等参数。
半导体光电子器件与其他光电子器件的比较
半导体光电子器件与同质结光电子器件的比较
同质结光电子器件是一种结构简单、易于制造的光电子器件,但半导体光电子器件具有更高的光电转换效率和 更宽的光谱响应范围。
半导体光电子器件与异质结光电子器件的比较
异质结光电子器件具有更高的光电转换效率,但制造工艺复杂,成本较高。
03
通过精确调控半导体材料和器件的物理性质,实现更灵活、更
智能的光信号处理和传输。
02
半导体光电子器件的基本原理
半导体的基本性质
能带结构
半导体具有能带结构,即导带、价带和禁带,其禁带宽度在室温下一般为几电子伏特。
载流子
半导体中导电的载流子包括电子和空穴,其浓度和分布受能带结构和杂质浓度等影响。
热平衡态
传感领域的应用
环境监测
半导体光电子器件可实现对环境中特定气体、温度、湿度等参 数的精确测量。
生物传感
半导体光电子器件可用于检测生物分子、细胞等,实现生物传 感。
光学成像
半导体光电子器件可用于实现高分辨率、高灵敏度的光学成像 。
其他领域的应用
能源领域
半导体光电子器件可实现太阳能电池的光电转换效率的 提高。
半导体光电子学第1章半导体中光子电子的
GaAs就是一种直接带隙半导体材料。它的晶体结构如图。
它属于闪锌矿结构。它与金刚石有相似的结构,每一个晶格点阵 上的原子与4个相邻的原子键合。它们的区别在于:在金刚石结构 中,每一个晶格点阵上的原子是相同的;而在闪锌矿结构中,每 一个晶格点阵上的原子与相邻的键合原子不同。
跃迁的选择定则:不管是竖直跃迁还是非竖直 跃迁,也无论是吸收光子还是发射光子,量子 系统总的动量和能量必须守恒。
给定电子跃迁的初始态能量和动量及终态能量 和动量,当跃迁只涉及一个光子时,选择定则 可表示为:
Ei E f hv 0
(ki k f k p ) 0
第十六页,编辑于星期六:十九点 十分。
前言:半导体物理基础 1.1 半导体中量子跃迁的特点 1.2 直接带隙与间接带隙跃迁 1.3 光子密度分布 1.4 电子态密度与占据几率
1.5 跃迁速率与爱因斯坦关系 1.6 半导体中的载流子复合
1.7 增益系数与电流密度的关系
小结
第六页,编辑于星期六:十九点 十分。
前言:半导体物理基础
半导体光电子技术的发展及应用
半导体光电子学: 是研究半导体中光子-电子相互作用,光
能与电能相互转换的一门学科。
第一页,编辑于星期六:十九点 十分。
半导体光电子技术的发展及应用
发展: 半导体光电子学的产生可以追述到19世纪,那个时候人 们就发现了半导体中的光吸收和光电导现象。上个世纪 60年代得到飞速发展,这主要归因于半导体激光器(LD) 的出现。1962年第一台半导体激光器诞生,是由美国GE 公司的霍尔(Hall)研制成的。这一时期的半导体激光器的 特点是:同质结材料,激光器的阈值电流密度特别高,只 能在液氮温度(77k)或更低的温度下状态脉冲工作,没 有任何实用价值。1969年美国研制出SHLD(Single Heterojunction Laser Diode),1970年前苏联研制出 DHLD(Double Heterojunction Laser Diode)。双异 质结激光器电流密度大大降低,实现了室温下连续工作, 就在同一时间低损耗光纤研制成功。
半导体光电子PPT课件
3/ 2
导带底有效状态密度,单位为: / m3
同理有
p Nv exp Ev EF / kBT
Nv
2
mhkBT
2 2
3/ 2
第11页/共25页
【例题】计算300K时,GaAs导带底的有效状态 密度。
第12页/共25页
非平衡系统
在有载流子注入时,半导体中的电子将不是前面提到的平 衡系统。 在这种非平衡态时,电子的分布用电子准费米能级来表述。 电子在导带处于平衡态,空穴在价带处于平衡态,电子-空 穴相互之间,以及与晶格之间不发生能量交换。
第18页/共25页
【例题】对于一般的半导体。光电子器件,与电子作用的 光子的能量为1~2电子伏特。分别计算2个电子伏特能量
的光子与电子的波矢 k
第19页/共25页
通过计算可以发现,相对于电子的波矢,光子的波矢可以忽 略不计,因此电子在跃迁前后
k f ki k ph ki
在能量与波矢色散关系图中,这种跃迁就是一种垂直跃迁。 由于跃迁的这种垂直特性,我们有
A 0 0
得到关于矢势的方程
1 2A 2A 0
0
t 2
矢势 A
Ar,t A0exp ik r t c.c.
满足矢势的方程
k
v
0
第5页/共25页
根据定义式,电场与磁场则为:
F 2A0 sink r t
B 2k A0 sink r t
Poynting矢量的定义为
S F H kˆ 4k | A0 |2 sin2 k r t
第13页/共25页
准费米能级
n
Ec
Ne
E
f
e
EdE
p
外尔半导体 碲 晶格结构-概述说明以及解释
外尔半导体碲晶格结构-概述说明以及解释1.引言1.1 概述概述外尔半导体是一种特殊的半导体材料,具有独特的电子结构和晶格结构。
在外尔半导体中,电子在能带中存在着称为外尔点的特殊能级。
这些外尔点是一对位于动量空间中不同位置的点,且具有相反的手性。
外尔半导体的引入,在物理学和材料科学领域引起了广泛的兴趣。
碲是一种具有重要应用潜力的半导体材料。
它具有优良的热稳定性和电学性能,在光电子器件、太阳能电池和热电材料等领域具有广泛的应用前景。
然而,传统的碲材料存在着一些问题,如能带结构的独特性和电子输运的特点等方面还需要进一步研究和改进。
本文将重点研究外尔半导体中碲的晶格结构。
晶格结构对材料的性能有着重要的影响,因此对外尔半导体中碲的晶格结构进行深入研究,有助于进一步理解和改进其电学性能。
本文的结构将按照以下的方式组织:首先,在引言部分介绍外尔半导体的概念和研究背景,以及本文的目的和意义。
然后,正文部分将分别介绍外尔半导体中碲的晶格结构的主要特点和相关研究进展。
最后,在结论部分对文中的主要内容进行总结,并展望外尔半导体在碲材料研究中的未来发展方向和应用前景。
通过对外尔半导体中碲的晶格结构进行深入研究,有望为该材料在光电子器件和能源转换领域的应用提供新的理论和实验依据,进一步推动外尔半导体材料的研究和应用。
同时,本文的研究也将为碲材料的改进和优化提供参考,为碲材料的进一步应用拓宽了研究视角。
1.2 文章结构文章结构部分的内容:文章结构部分旨在提供一个概述,指导读者更好地理解文章的组成和内容安排。
本文的结构分为引言、正文和结论三个部分。
引言部分主要提供对外尔半导体碲晶格结构的概述。
首先,将介绍外尔半导体的基本概念和研究背景,解释为什么外尔半导体在材料科学和电子器件领域具有重要的研究价值和应用前景。
接下来,将简单说明本文的研究主题和目的,即探究外尔半导体碲的晶格结构以及相关的特性和性质。
正文部分将针对外尔半导体碲的晶格结构进行详细论述。
《半导体光电子》课件
概述
光电子学在现代科学和技术中起着重要作用。通过本节课,您将了解光电子 学的基本概念,并探索半导体光电子的发展历程。
半导体光电子材料
硅
作为最常见的半导体材料之一,硅在光电子学中有 广泛的应用。
未来发展方向
如半导体材料的性能优化、新材料的探索和创新器件 的设计。
总结
1 半导体光电子的重要性
2 未来发展前景
在通信、能源和医学等领域发挥着关键的作用。
随着技术的不断进步,半导体光电子将在更多领 域创造出更多可能性。
锗
在红外和太阳能电池等领域有重要应用。
氮化镓
具有优异的光电性能,常用于高能效LED和激光器。
硒化铟
用于红外探测器和太阳能电池。
半导体光电子器件
1
光电晶体管
2
具有放大光信号的功能,用于光通信和传感
器。
3
光电二极管
将光能转化为电能,广泛应用于通信和探测 领域。
光电子鼓
将光信号转化为电信号,并能放大信号,用 于图像传输和光通信。
半导体光电子应用
光纤通信
通过光信号传输数据,具有高速和大容量的优势。
激光器
能产生高强度、高单色性和准直性的激光光束,广泛 应用于医学、制造和科研领域。
光学成像
使用光学设备进行图像捕捉和处理,应用于医学成像、
太阳能电池
通过半导体光电子材料将阳光转化为可再生的电能。
半导体材料的研究和发展
研究方法
包括实验室合成、材料表征和器件测试等多个研究步 骤。
石墨烯基二维垂直异质结的制备及光电子器件
石墨烯基二维垂直异质结的制备及光电子器件戴明金;高峰;杨慧慧;胡云霞;胡平安【摘要】石墨烯和类石墨烯二维半导体材料因其独特的物理化学性质受到研究人员的广泛关注,将二者结合组成的石墨烯基二维垂直异质结近年来备受研究者的青睐.本文简要介绍了石墨烯基二维垂直异质结的基本概念和性质,综述了石墨烯基二维垂直异质结制备技术的最新进展情况,对比分析了不同制备方法各自的优缺点,总结了石墨烯基二维垂直异质结在光电子学器件应用的最新进展.最后对石墨烯基二维垂直异质结的研究和发展方向做了展望.%Graphene and graphene-like two-dimensional materials have attracted extensive attention due to their unique physical and chemical properties. The graphene based two-dimensional vertical heterostructures fabricated by combining the graphene and graphene-like two-dimensional materials are highly favored by researchers. The basic conception and properties of graphene based two-dimensional heterostructures are introduced. This paper reviews the synthesis method with contrasting the merits and demerits of different methods. The applications in photoelectronics of garphene based two-dimensional heterostructures are reviewed. Subsequently, the paper makes a summary and outlook for the research and development direction of graphene based two-dimensional heterostructures.【期刊名称】《材料科学与工艺》【年(卷),期】2017(025)003【总页数】12页(P1-12)【关键词】石墨烯;二维材料;异质结;光电子【作者】戴明金;高峰;杨慧慧;胡云霞;胡平安【作者单位】微系统与微结构制造教育部重点实验室(哈尔滨工业大学) ,哈尔滨150080;哈尔滨工业大学材料科学与工程学院,哈尔滨150080;微系统与微结构制造教育部重点实验室(哈尔滨工业大学) ,哈尔滨150080;哈尔滨工业大学材料科学与工程学院,哈尔滨150080;微系统与微结构制造教育部重点实验室(哈尔滨工业大学) ,哈尔滨150080;哈尔滨工业大学材料科学与工程学院,哈尔滨150080;微系统与微结构制造教育部重点实验室(哈尔滨工业大学) ,哈尔滨150080;哈尔滨工业大学材料科学与工程学院,哈尔滨150080;微系统与微结构制造教育部重点实验室(哈尔滨工业大学) ,哈尔滨150080【正文语种】中文【中图分类】TB332石墨烯(Gr)自2004年被发现以来[1],由于自身具有独特的力学、电学、光学等诸多物理化学特性[2-8],在光电子器件、生化传感器、太阳能电池、可穿戴设备等领域拥有着极大的应用潜力[9-12].但是,石墨烯因其具有零带隙的特点[13],表现为金属性质,在很多需求半导体特性的应用中受到了限制.为此,具有类石墨烯结构的其他二维半导体材料相继被发现和研究,例如MoS2、WSe2、SnSe2、BP等[14-17].随着研究不断深入,单一材料的性能已经很难满足各领域的需求,基于二维材料的垂直异质结构自然成为科学研究的热点之一[18-19].其中,以石墨烯为基础的二维垂直异质结的研究最为广泛[20-21].将其他类石墨烯二维半导体材料和石墨烯组合,形成石墨烯基二维垂直异质结.这种新颖的结构不仅将石墨烯独特的物理性质和二维半导体材料的特性进行结合,而且还能通过二者之间的相互作用,形成新的物理化学性质.这为石墨烯基二维垂直异质结应用的各个领域提供了可能.本文简要介绍石墨烯基二维垂直异质结的制备方法,分析不同制备方法的优缺点;分类总结了石墨烯基异质结在光电子器件中的最新研究进展,并对近期未来的研究方向做出分析和判断.1.1 基本概念石墨烯是由碳原子构成的二维原子晶体,其中相邻碳原子通过sp2杂化形成的σ键相连,未参与杂化的pz原子轨道相互重叠构成大π键.单层原子结构使石墨烯具有了独特的物理特性,包括载流子迁移率高达2×105cm2/(V·s),理想的单层石墨烯透光率为(97.6±0.1)%,杨氏模量高达(1.0±0.1)TPa等[3,22-23].目前石墨烯一直是材料科学领域的研究热点之一.其他二维材料的相继出现丰富了二维材料家族,包括绝缘体(例如六方氮化硼(hBN)[24-25])、半导体(带隙可调的MoS2[26]和WSe2[27])和导体.这些材料都具有层状结构,层与层之间通过弱的范德华力结合在一起,而层内原子通过共价键结合在一起.因此,可以很容易地通过机械剥离成为单层或者少层的二维材料.异质结是由2种不同的半导体材料结合在一起形成的一种材料结构.根据形成异质结半导体导电类型,可以把异质结分为2种类型:1)同型异质结,即形成异质结的2种半导体材料具有相同的导电类型,例如N-N结、P-P结;2)反型异质结,即形成异质结的2种半导体材料具有不同的导电类型,例如P-N结.对于二维半导体材料来说,异质结在结构上又可以分为2种类型:1)平行异质结,即2种材料在水平方向上互相接触,形成异质结构;2)垂直异质结,2种材料在垂直方向上依次堆叠,形成异质结构,由于二维材料在垂直方向通过范德华力结合,因此,该异质结又被称为范德华异质结.二维垂直异质结构如图1所示[28].石墨烯基二维垂直异质结是石墨烯和二维半导体材料在垂直方向上依次堆叠形成的异质结构.1.2 异质结特性把石墨烯和其他二维半导体材料层层叠加形成异质结后,由于二者之间存在的相互作用,使得异质结具有很多新奇的物理化学特性.1.2.1 能带结构和电学特性把石墨烯和其他二维材料堆叠构成的异质结将会产生新奇的电学性质[29-31].例如Lee等[30]通过对比Gr和Au/Ti作为金属电极发现,当Gr作为电极时,MoS2晶体管不仅具有更好的欧姆或开路状态,而且还可以增强断路状态.作者认为,这是由于和金属相比,Gr作为电极时,会受到栅极的作用,从而可以调控Gr 的功函数造成的结果.当金属性的Gr、绝缘性的hBN和半导体MoS2依次堆叠构成异质结时,其电学特性将会发生明显变化.例如Jeong等[31]研究发现,Gr-hBN-MoS2异质结与MoS2-WSe2异质结相比,具有更加明显的整流效应和更大的电流.这是因为在p-i-n异质结中,载流子主要通过隧穿的形式通过材料的界面.如图2所示,当外加正向偏压时,电子从Gr利用隧穿效应穿过hBN进入MoS2.此时,电子和空穴的隧穿都比较容易,因此可以获得较大的电流.当外加反向偏压时,Gr中的空穴转移到MoS2时具有较高的势垒,因此电流很小.在Gr-hBN-MoS2异质结中,hBN的引入有效提高了正向电流,抑制了反向电流,从而提高了异质结的整流效应.这表明石墨烯基二维垂直异质结应用于超薄光电子器件中具有极大的潜力.1.2.2 光学特性例如Huo等[32]利用拉曼光谱(Raman)和光致发光光谱(PL)研究了石墨烯和WS2之间存在着强的层间耦合作用,并发现了明显的光致发光猝灭现象和声子模式的增强.复合系统也存在着栅极调控整流效应,整流比达到103.此外,研究人员还发现了增强的光开关效应,开关比达103.其中,在Gr-WS2异质结中,WS2的PL发生猝灭,这是因为被光激发后产生的电子-空穴对迅速转移至石墨烯中,并在石墨烯的狄拉克点处实现无辐射复合,从而导致了WS2的PL猝灭.除了Raman和PL光谱的性质发生变化外,Gr-WS2异质结还结合了p型Gr和n 型WS2的特性,呈现出双极性;并且可以通过栅极电压改变能带结构来调控开光比的大小.石墨烯和二维半导体形成异质结产生的新奇特性为将来在电子和光电子器件中的应用打下了基础.1.2.3 热学特性Gao等[33]利用广义非平衡分子动力学模拟与理论分析,系统地研究了Gr-MoS2异质结的热传导特性,指出了层间的内在晶格失配的影响.模拟结果显示,晶格失配软化声子模式,降低了石墨烯的热导率,而由于对MoS2层的影响很弱,因此很难改变MoS2的热导率,并且晶格失配可以通过外加拉伸应力缓解.自Dean等[34]首次制备Gr和hBN的二维垂直异质结以来,更多类型的基于二维材料的垂直异质结不断涌现[35-39].其中,基于石墨烯的二维垂直异质结的研究最为广泛.为了充分探索其特性,研究者探索了不同的制备方法,并把石墨烯基二维垂直异质结应用到不同的领域,希望得到最优的材料组合、制备方法和器件结构.石墨烯以及其他二维材料的制备方法主要有机械剥离、液相剥离、物理气相沉积、化学气相沉积和水热法等[40-44].而制备石墨烯基二维垂直异质结的方法主要可以分为机械转移法和直接生长法.制备过程示意图如图3所示.接下来将总结制备石墨烯基二维垂直异质结的自上而下的机械转移法和自下而上的外延生长法的研究进展,并分析各自的优缺点.表1总结了石墨烯基垂直异质结的制备方法及器件应用.2.1 机械转移法(自上而下)形成石墨烯基二维垂直异质结最直接的方法是机械转移法,机械转移法是通过机械的方法把其他二维材料和石墨烯通过转移进行依次堆叠,从而形成石墨烯/二维材料垂直异质结的方法.过程如图3(a)所示.机械转移法又可以细分为随机转移法和定位转移法2种类型.随机转移法是指在转移第2种材料到第1种材料时,是否构成异质结是随机性的.例如,Yu等[45]首先将铜箔上生长的石墨烯利用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)转移至Si/SiO2基底上,然后再随机地将MoS2通过微机械剥离的方法转移到石墨烯上,形成Gr-MoS2异质结.这种方法转移得到的异质结,可以保证2种材料之间界面的高质量,但是这种方法的成功率显然不是很高,且得到的异质结形貌无法控制.随后,Yu等[46]在上述技术的基础上改进了工艺,在石墨烯和MoS2转移过程中,利用电子束刻蚀技术对材料进行裁剪,得到规则的形状,制备了Gr-MoS2-Gr垂直异质结.这种利用电子束辅助转移的方法,有效解决了二维垂直异质结形状不规则的问题,保证了制备的异质结具有预期的功能性.除了利用微机械剥离的方法转移第2种材料以外,研究人员还探索了其他的转移方法.例如Zhang等[47]利用PMMA辅助的方法将生长在铜箔上的石墨烯转移到生长在Si/SiO2基底的MoS2上,形成MoS2-Gr异质结.这种方法简单有效,成为很多实验室研究人员制备二维材料异质结的方法之一[48-49].随机转移法虽然操作简单,但是仍然存在以下不足之处:1)转移载体是机械强度差的聚合物薄膜,或者是不透明的胶带,无法实现精准的位置控制;2)转移过程中需要用到危险的化学药品(KOH、HF、FeCl3/HCl等)去除转移载体;3)转移载体无法完全去除,残留的聚合物分子会严重影响异质结界面的质量.因此,探索其他的转移方法将是下一步研究的方向之一.另一种机械转移法是定位转移法,这种方法是指在转移第2种材料到第1种材料时,可以根据需要而转移到指定位置.这种转移方法是在随机转移法的基础之上,通过增加一种机械强度高且透明的转移载体发展而来的.例如,Georgiou等[50]通过利用玻璃/PMMA作为转移载体的方法,制备了Gr-WS2异质结.这种转移方法还被其他研究人员用于制备Gr-MoS2异质结[51-52].除了可以用玻璃作为附加转移载体以外,Bertolazzi等[53]采用了聚二甲基硅氧烷(PDMS)和PMMA双层聚合物作为转移载体,制备得到了Gr-MoS2异质结.此外,Lee等[54]探索了一种干法转移,即利用玻璃/PDMS作为转移载体,制备了Gr-MoS2异质结.这种转移方法不需要化学试剂除去载体,因此可以避免聚合物在二维材料表面的残留,保证二维材料异质结界面以及金属-半导体界面的高质量.最近,Choi等[55]又利用此种方法制备了基于α-MoTe2的全二维双栅极晶体管,把这种转移方法发挥到了极致,如图4所示.定位转移法相比较随机转移法而言,最大的优势在于可以实现二维材料转移过程中的精准定位,有利于未来基于二维材料异质结器件的图案化和集成.2.2 外延生长法(自下而上)机械转移法制备石墨烯基二维材料异质结的工艺虽然相对比较简单,在实验室基础研究阶段发挥重要的作用,但是无法满足工业生产中需要大量制备大尺寸异质结的要求.因此,寻求另外的制备方法就显得尤为重要.经过科学研究人员不断努力,通过原位直接外延生长法制备石墨烯基二维垂直异质结已经成为现实.外延生长法制备石墨烯基二维垂直异质结为未来器件的整合和自动化提供了可能.这种自下而上的石墨烯基垂直异质结制备方法主要包含了气相沉积法、水热法和分子束外延法. 气相沉积法生长二维材料异质结就是以一种二维材料作为基底,通过物理气相沉积(PVD)或者化学气相沉积(CVD)的方法原位地生长另一种二维材料,形成二维垂直异质结的方法.过程如图3(b)和(c)所示.早在2010年,Dang等[56]通过物理气相沉积技术在石墨烯基底上直接合成Bi2Se3,形成了Gr-Bi2Se3异质结.Shi等[57]通过低温化学气相沉积技术,以生长在铜箔上的石墨烯为基底,直接合成了Gr-MoS2异质结.研究人员采用四硫代钼酸铵高温分解反应合成硫化钼,有效避免了硫化过程中,硫蒸气和基底铜箔的反应,从而实现了在铜箔表面生长Gr-MoS2垂直异质结.这为今后石墨烯基异质结的生长、器件构筑和应用等方面提供了很好的借鉴作用.Lin等[58]首先在碳化硅表面生长石墨烯,然后通过化学气相沉积法分别在石墨烯表面生长MoS2、WSe2和hBN,得到了Gr-MoS2、Gr-WSe2和Gr-hBN异质结.这项研究工作为未来石墨烯基二维垂直异质结的直接气相沉积法制备铺平了道路.Shim等[59]通过化学气相沉积的方法,在转移到SiO2/Si基底的石墨烯上,直接合成了MoSe2,得到了Gr-MoSe2垂直异质结.该项研究工作再次丰富了石墨烯基二维垂直异质结家族.最近,Ago等[60]通过化学气相沉积法直接合成Gr-MoS2异质结,并利用三角形MoS2的方向确定作为基底石墨烯的方向,由此可以得到石墨烯多晶的晶粒结构和晶界,如图5所示.通过该项研究可以发现,气相沉积法制备石墨烯基二维材料异质结,不仅仅在材料制备方面发挥着重要作用,而且在材料结构研究方面同样也发挥着独特的作用.这对于今后的研究方向具有很大的借鉴意义.除了气相沉积法直接外延生长石墨烯基二维材料异质结之外,Liu等[61]通过分子束外延法在石墨烯表面合成了Bi2Se3,得到了Gr-Bi2Se3异质结.Xu等[62]通过水热法和冷冻干燥技术合成了Gr-WS2异质结.通过科学研究人员的不断探索,更多的直接制备石墨烯基二维垂直异质结的方法将不断被发现,为未来石墨烯基二维垂直异质结的应用打下坚实的基础.半导体光电子器件可以根据能量转换方式的不同分为2种类别,即基于光能转换为电能的光电探测器和光伏器件,以及基于电能转换为光能的发光二极管.前两者的物理机制是熟悉的光电效应,后者则是光电效应的逆过程.石墨烯基二维垂直异质结把石墨烯优异的导电性、光学特性和二维半导体材料的半导体特性结合起来,为在光电子器件中的应用提供了很好的基础.接下来将总结此方面的研究进展.3.1 光电探测器3.1.1 基本原理光电探测器是一种利用光电效应,把光信号转变为电信号的电子器件.到目前为止,基于石墨烯基二维垂直异质结的光电探测器大多数都是光电导探测器,光电导探测器的基本原理是半导体材料吸收入射光,当入射光子能量(Eph)大于半导体禁带宽度(Ebg)时,处于价带顶的电子吸收光子的能量后,可以跃迁至导带,同时在价带产生空穴,由此可以得到一对光生电子-空穴对.光生电子-空穴对的产生可以提高半导体中载流子浓度,从而提高半导体电导率.如图6所示[63],可以看出,在光照条件下,光生载流子可以明显提高半导体的导电性,使得在相同的偏压下产生更大的电流.根据这种在入射光的作用下,电流发生明显变化的现象,可以通过检测电流的变化来感知光的变化.为了衡量光电探测器的优劣,需要有一系列的指标进行评价.通常情况下,对光电探测器的评价指标主要有响应率、探测率、响应光谱范围、响应时间等.3.1.2 石墨烯基二维垂直异质结的优势二维材料作为最近十几年新发展的材料,和传统的三维块体材料相比具有很多优势.首先,以石墨烯为代表的二维材料因为具有原子级别的厚度,因此具有很好的光透过能力,在透明光电子器件方面具有很大的应用潜力;同时,由于二维材料自身的结构特性,还具有强光质相互作用,因此二维材料在具有透明特点的同时还具有较大的光吸收能力[64-65].其次,二维材料因为自身晶体结构的特性,具有很好的可拉伸性能,且可以通过应力实现对其光电性能进行调控,因此在柔性光电子器件和可穿戴器件等领域同样具有很大的优势[66-68].与传统的硅基光电探测器相比,基于二维材料的光电探测器具有透明、柔性、可穿戴等特点.石墨烯基二维异质结的构造有平行异质结和垂直异质结2种方式,这2种异质结构在作为光电探测器时具有不同的工作原理和特点.平行异质结的光电探测器中载流子主要以扩散和漂移的形式通过沟道,因此沟道的长度对于器件的性能有很大影响;而在垂直异质结的光电探测器中,由于异质结是有原子级厚度的材料形成,沟道长度达到原子级,且载流子主要以隧穿的形式通过沟道,这有助于提高光电探测器的性能.例如Yu等[69]研究了Gr-MoS2-Gr垂直异质结的光电流收集行为,如图7所示.研究发现,对于Gr-MoS2-Gr垂直异质结体系而言,由单层MoS2构成的异质结与7层MoS2构成的异质结相比,具有更加高效的光电流收集效率.单层MoS2的内量子效率可以达到65%,而7层MoS2的内量子效率只有7%.研究人员发现,在Gr-1L-MoS2-Gr异质结中,光生载流子是以隧穿的形式通过不对称的静电势垒,根据隧道输运模型计算表明,与7层MoS2相比,单层MoS2具有最高的光生载流子收集效率.综上所述,石墨烯基二维垂直异质结在光电子器件的应用中具有很大的优势.3.1.3 异质结构和器件石墨烯因其具有高的光透过率、零带隙等特点,直接作为光电探测器时不具有明显优势.但是石墨烯和其他二维半导体材料结合形成的异质结可以很好地利用石墨烯的特点,从而提高光电探测器的性能.在石墨烯基二维垂直异质结在光电导探测器中的应用中,可以利用石墨烯的高导电性.例如Tan等[70]利用石墨烯作为电极,制备了Gr-WS2-Gr异质结超薄光电探测器,如图8(a)所示,其在入射光能量密度为2.5×107mW/cm2的条件下,光响应度可以达到3.5 A/W.研究发现,利用石墨烯作为光电探测器的电极,明显不同于传统的金属电极.这是因为在石墨烯的狄拉克点处态密度是有限的,通过改变栅极电压和提高入射光功率可以降低石墨烯电极和WS2之间的肖特基势垒,从而提高Gr-WS2-Gr光电探测器的响应度.此外,石墨烯作为零带隙的材料,理论上可以对所有的光产生吸收.因此,将石墨烯和其他二维半导体材料组合,构成的异质结构可以实现制备宽光谱范围响应的光电探测器.Long等[71]把n-MoS2、Gr和p-WSe2依次堆叠制备了p-g-n异质结光电探测器,其可以实现在室温下对可见光和近红外光的有效探测.这种异质结构的设计,可以有效地摆脱低探测率和大能耗的限制.如图8(c)所示,基于MoS2-Gr-WSe2异质结构的光电探测器在400~2 400 nm的波长范围内具有较好的响应率和探测度.通过图8(d)的分析可以看出,正是由于石墨烯的存在,在近红外光波段,光子能量不足以激发半导体材料的电子和空穴产生时,石墨烯材料中被激发产生的电子和空穴会转移至n型的MoS2和p型的WSe2中,从而实现对红外光的探测.另外,由于石墨烯属于半金属材料,因此在和其他二维半导体材料形成异质结时,会在2种材料的界面处产生内建电场,有利于光生电子和空穴的分离[29].Zhang等[72]制备了Gr-MoS2异质结光电探测器,如图8(b)所示,获得了超过108的光增益.光照的条件下,在MoS2内产生光生电子和空穴,其中光生电子会更倾向于注入到石墨烯中.分析原因认为,在石墨烯和MoS2的界面处存在3种附加电场,包括内建电场、外加电场和带电杂质或吸附物质产生的电场,这3种附加电场叠加形成最终的有效电场,其方向始终是由石墨烯指向MoS2.在有效电场的作用下,MoS2中的光生电子会注入到石墨烯中,有效提高了光生电子和空穴的分离效率.3.2 光伏器件光伏器件最主要的应用就是太阳能电池.在太阳能电池中,由2种不同导电类型的半导体组成P-N结,在结区存在内建电场,可以驱动电子进入外电路,在电路中形成电压和电流.对于太阳能电池材料来说,最重要的特性之一就是具有较强的光吸收能力.在二维材料家族中,过渡金属硫化物(TMDS)是一类具有非常强的光吸收能力的材料.Britnell等[73]研究发现,过渡金属硫族化合物电子态密度中存在的范霍夫奇异点可以增强光质相互作用,从而增强光的吸收和电子空穴对的产生.这种特性可以使得制备的柔性的光伏器件的光响应度超过0.1 A/W,表观量子效率可以超过30%.这就为二维材料应用于光伏器件中提供了很好的基础.对于石墨烯基二维垂直异质结来说,石墨烯和其他二维材料的组合,特别是和过渡金属硫化物的组合,形成垂直异质结以后,在光伏器件领域仍然具有很好的应用潜力.Bernardi等[74]通过理论计算表明,对于MoS2、MoSe2和WS2材料来说,小于1 nm厚的单原子层薄膜可以吸收入射太阳光的5%~10%,这种光吸收效率要比传统的GaAs和Si材料高1个数量级,还研究了基于Gr-MoS2异质结的肖特基太阳能电池和基于MoS2-WS2异质结的激子太阳能电池,如图9(a)和(b)所示.1 nm厚的材料可以获得约1%的能量转化效率,这几乎是现存最好的薄膜太阳能电池的能量密度的1~3个数量级.这项工作为石墨烯基垂直异质结在光伏器件领域的应用提供了很好的理论支持,同时,让更多研究者看到了把石墨烯基垂直异质结应用到光伏领域的曙光.除了理论的研究和预测之外,已经有研究者把石墨烯基二维垂直异质结应用到了光伏领域.例如Shanmugam等[75]制备了基于Gr-WS2异质结的肖特基太阳能电池.其制备的太阳能电池能量转换效率可以达到3.3%.并讨论了不同石墨烯厚度作为肖特基接触电极的作用.研究发现,相比较于单层和双层石墨烯,3层石墨烯由于具有更好的电导率,以及可以更有效地抑制暗电流,而具有更优异的光伏性能.此外,Yu等[46]研究了基于Gr-MoS2-Gr异质结的光伏效应,如图9(c)和(d)所示.研究发现,其外量子效率最高可达55%,内量子效率最高可达85%. 石墨烯基二维垂直异质结除了可以构筑肖特基结光伏器件之外,在染料敏化太阳能电池中也可以作为对电极,表现出很好的催化作用[76-78].Lin等[78]利用电泳沉积法制备了透明MoS2-Gr纳米片异质结薄膜,并把其应用在染料敏化太阳能电池中作为对电极.染料敏化太阳能电池的能量转化效率可以达到传统Pt电极转化效率的93%.该项研究证实MoS2-Gr异质结有望作为Pt的替代材料,从而。
ch2_异质结和MQW,SL
Herbert Kroemer (1928-2013)
Jack S. Kilby (1923-2005)
The Nobel Prize in Physics 2000 was awarded "for basic work on information and communication technology" with one half jointly to Zhores I. Alferov and Herbert Kroemer "for developing semiconductor heterostructures used in high-speed- and opto-electronics" and the other half to Jack S. Kilby "for his part in the invention of the integrated circuit".
16
b) nN同型异质结
异质结两边的半导体的多子 皆为电子,此时,当两者接 触后,电子将发生什么变化? 电荷分布不均匀:
左侧半导体结区:电子的 积累,导致电荷密度很大; 右边半导体结区:电子被 耗尽,电荷密度为qND; 耗尽区主要在右边半导体 (N区)。
问题:空穴有什么变化?
17
又根据
E c1 Ev 1 E g 1
qVbi
N AN D -E g 1 E c kT ln N N c2 v1 N AN D -E g 2 - Ev kT ln N N c2 v1
12
与耗尽区宽度有什么关系?
• 静电势分布
“Super-junction” devices that use both 2DHGs and 2DEGs, which could lead to ultra-low-loss power devices
半导体光电子器件课件
主要有半导体材料的能带结构、载流子类型和浓度、光吸收系数等。
降低阈值电流的方法
优化材料和结构,提高材料的质量和纯度,采用多量子阱结构等。
响应速度
响应速度
指光电子器件对输入光信号的反应速度,即输出电流或电压对输 入光信号的响应时间。
响应速度的限制因素
主要包括载流子的寿命、扩散长度、载流子注入和收集的效率等。
发射极是半导体光电子器件中的重要 组成部分,负责产生光子。
详细描述
发射极通常由掺杂的半导体材料制成, 通过注入载流子并经过一系列物理过 程,产生光子。发射极的性能直接影 响器件的发光效率和光谱特性。
增益介 质
总结词
增益介质是半导体光电子器件的核心部分,提供光放大作用。
详细描述
增益介质是半导体光电子器件中用于放大光信号的部分,通 常由多种不同掺杂浓度的半导体材料组成。在光的激发下, 增益介质中的载流子发生跃迁,释放出光子,实现光信号的 放大。
03 半导体光电子器件的材料
直接带隙半导体材料
直接带隙半导体材料的特点是导带和价带之间的跃迁是允许的,因此可以直接吸 收光子产生电子-空穴对。常见的直接带隙半导体材料有硅(Si)、锗(Ge)、 硫化铅(PbS)等。
直接带隙半导体材料在光电子器件中应用广泛,如发光二极管(LED)、激光器 (LD)等。
02
宽禁带半导体材料在高温、高功 率光电子器件中具有优异性能, 如高亮度LED、高功率激光器等。
04 半导体光电子器件的制造 工艺
外延生长技术
总结词
外延生长技术是制造半导体光电子器 件的关键工艺之一,它通过在单晶衬 底上生长一层或多层具有所需晶体结 构和掺杂类型的单晶材料,实现器件 的制造。
半导体光电子器课件
内部电场产生与扩散相反方向的漂移运动,直到P区和N 区的Ef 相同,两种运动处于平衡状态为止,结果能带发生倾 斜,见图4.5(b)。
能量
p
Ec
P区
p
E
v
n
E
c
势垒
E
f
N区
n
E
v
(b) 零偏压时P - N结的能带倾斜图;
《半导体光电子器》PPT课件
PN结:
耗 尽区
扩散电子
-
+
-
+
-
+
pn结
内建电场
电势
U
Ef
n
p
1. 浓度的差别导致载流子的扩散运动 2. 内建电场的驱动导致《半载导体流光电子子做器》反PP向T课漂件 移运动
P-N结施加反向电压
VCC
当PN结两端加上反向偏置电压时,耗尽区加宽,势垒加强。
《半导体光电子器》PPT课件
(a) 反向偏压使耗尽区加宽
少数载流子漂移
特点: - 同质结两边具有相同的带隙结构和光学性能 - pn结区的完全由载流子的扩散形成
存在的问题: • 增益区太厚(1~10 mm),很难把载流子约束在相对小的区域,
无法形成较高的载流子密度 1. 无法对产生的光进行有效约束
n
p
《半导体光电子器》PPT课件
典型的GaAlAs双异质结
异质结:
为提高辐射功率,需 要对载流子和辐射光 产生有效约束
注入电子 ---
电子能量 空穴势垒
电子势垒 电子-空穴复合
++
注入空穴
1. 不连续的带隙结构 2. 折射率不连续分布
半导体光电子学第2章异质结
半导体光电子学第2章异质结半导体光电子学是研究半导体材料光电特性及其应用的学科。
其作为现代光电子技术的基础,为光通信、光传感、光信息处理等领域的发展提供了坚实的支持。
在半导体光电子学的学习过程中,我们需要了解异质结的概念、特性及应用。
本章将对异质结进行详细阐述。
1. 异质结的概念异质结是由两种或更多种不同半导体材料相接而形成的结构。
其中,相邻两种材料的晶格常数和禁带宽度不同,导致在结面上形成电子和空穴的能带弯曲。
这种能带弯曲会导致电子和空穴的能级重组,形成“内建电场”。
异质结的概念是实现光电转换、能带调控和电子输运等重要功能的基础。
2. 异质结的特性异质结具有多种特性,下面将对其中几个重要特性进行介绍。
2.1 能带偏移由于异质结两侧材料的禁带宽度不同,电子和空穴在结面上的能带位置会发生偏移。
这种偏移可以通过外加电场和局域界面态等方式进一步调控,从而实现电子和能带的控制和调节。
2.2 冯特效应冯特效应是指异质结中带电粒子受到界面内建电场的作用,导致能带弯曲。
这种弯曲会在异质结区域形成空间电荷区,从而产生高电场效应。
冯特效应不仅可以用于增强材料的光电转换效率,还可以用于光电探测和激光调制等应用中。
2.3 谐振隧穿效应当异质结中的能带弯曲达到一定程度时,电子和空穴可以发生隧穿穿过禁带区,形成谐振隧穿效应。
该效应可以用于制备高速、低噪声的光电二极管和光电输运器件。
3. 异质结的应用异质结由于其独特的特性,被广泛应用于光电子学领域。
3.1 光电转换器件异质结被用于制备光电二极管、光电导等转换器件,用于将光信号转换为电信号或将电信号转换为光信号。
这些器件在光通信、光传感、光信息处理等领域起到重要作用。
3.2 光电检测器基于异质结的光电检测器具有高灵敏度、快速响应和宽波段等特点。
它们可以用于光电通信中的光信号接收、光传感中的光信号检测以及光学成像等领域。
3.3 光电调制器异质结可以通过冯特效应实现光的调制。
光电调制器可以用于光通信中的信号调制、光学成像中的图像增强和光信息处理中的信号调节等应用。
半导体材料特性
半导体材料特性半导体材料是一类电子特性介于导体与绝缘体之间的材料。
它们具有独特而重要的电学、热学和光学等性质,广泛应用于电子元件、光电器件以及能源转换等领域。
本文将重点探讨半导体材料的特性。
1. 带隙(Bandgap)半导体材料的带隙是指在材料中电子能级能够占据的能量范围。
带隙的大小决定了材料的导电性质。
在典型的半导体材料中,带隙通常介于金属材料的导带和价带之间,通常为数电子伏特至数光子伏特。
半导体材料的带隙决定了在特定能量条件下能否形成可观测的电子和空穴激发,从而影响了电导率和光吸收等性质。
2. 载流子(Charge Carriers)半导体材料中的载流子是指能够携带电荷的自由电子和空穴。
在纯净(本征)半导体中,自由电子主要来源于带隙内被激发的价带电子,而空穴则是带隙内被激发的导带空穴。
载流子的行为直接影响了半导体材料的导电性质。
另外,掺杂材料(如n型和p型半导体)可通过添加杂质改变载流子浓度,进而影响电导率。
3. 能带(Energy Bands)能带理论是用来描述半导体材料中电子能级分布的理论模型。
能带可以看作是连续的能量区域,其中容纳了大量电子。
在能带理论中,导带是最高一层电子能级的集合,而价带则是最低一层。
其中,带隙将导带和价带分开。
能带理论解释了半导体材料在特定能量范围内的电子激发行为,进而揭示了导电机制和光学特性。
4. 堆垛结构(Heterostructures)半导体材料的堆垛结构是指将不同材料的薄层堆叠在一起。
这种结构常用于纳米器件和半导体光电子学中,可以调控电子和光的传播特性。
堆垛结构的设计和制备对于开发新型半导体材料、优化器件性能以及实现功能集成具有重要意义。
5. 热电性能(Thermoelectric Properties)热电性能是指半导体材料中电子和热之间的相互转换效应。
热电材料通过在温度梯度下产生电压差来实现热能转化为电能,或者通过施加电压来实现电能转化为冷热能。
半导体材料的热电性能直接决定了其在能源转换和散热器件中的应用潜力。
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Heterostructures
Most semiconductor optoelectronic devices, other than silicon photodetectors, are made from heterostructures. Heterostructures - structures made using more than one material These are important because (1) use of different materials allows us to control where the electrons and holes go in the devices (critical for lasers) (2) different materials have different refractive indices, which allow us to make waveguides and mirror structures (3) structures can be made in which only certain parts absorb or emit light at a desired wavelength (other parts being transparent) (4) in advanced optoelectronic devices, the different materials allow us to quantum-confine the electrons and holes in very thin layers, enabling quantum-mechanically engineered devices.
Band offsets and line-ups
To design devices, we need to know how the conduction and valence bands line up at the interface between materials with different bandgaps. Band "line- up” determines, for example, in which material the electrons and holes will be found (i.e., in which material they have the lower energy, hence the extent to which electrons and holes are confined in a particular material layer. Terminology for the heterostructure interface. ΔEc - conduction band offset (or discontinuity) ΔEv - valence band offset (or discontinuity) ΔEc/ΔEv - offset ratio
Band offsets and line-ups
Heterojunction Band Diagramming
Epitaxial growth of heterostructures
Need to grow layers, often very thin, with different materials, alloy compositions and doping Three main techniques 1. Liquid phase epitaxy (LPE) 2. Metal organic vapor phase epitaxy (MO-VPE) 3. Molecular beam epitaxy (MBE) Basic epitaxial concept Start with substrate of bulk semiconductor (e.g., GaAs or InP) polished to a flat surface (a wafer), with a particular crystal orientation (e.g., (100) x direction) Then grow thin layers epitaxially on the substrate (i.e., with a high-quality crystalline structure based on that of the substrate template).
Lattice mismatch & critical layer thickness
We can grow very thin layers even when there is substantial lattice mismatch Strained layers are useful for making surprisingly reliable high-performance lasers, despite the very large strains in the lattice in the thin "quantum well” layer because in spite of the strain, the epitaxial layer is in its lowest energy state.
பைடு நூலகம்
Growth regions of III-V compounds
Liquid-solid phase diagram for GaAs
Liquid phase epitaxy
Basic concept of LPE--Thermodynamic equilibrium growth Pass a saturated melt of compound (As in Ga) to be grown over surface of substrate and reduce the temperature, which reduces the solubility of As and results in deposition of GaAs horizontal growth technique substrate is pulled in sequence under several different melts to grow a multiple layer structure
Lattice mismatch, strain & dislocations
The degree of strain and introduction of dislocations depends upon epitaxial layer lattice mismatch and thickness--if the strain energy is less than required to create a dislocation, the layer remains strained, if not, it is relaxed with dislocations.
LPE can successfully and inexpensively grow heterostructures, but precise control over thickness, surface morphology and formation of very abrupt interfaces between materials are difficult.
What makes a good heterojunction system
Growth compatibility
Iso-electronic pairs (non-doping) Lattice match or commensurate match between layers Predictable and known values of ΔEc and ΔEv Known and shallow ionization energy P and N dopants Potential for compositional grading Available substrates
Lattice constants and band-gap energies
To successfully grow one crystalline material on another, lattice constants need to be very closely matched, otherwise the epitaxial layer has a very large number of crystalline defects This tends to significantly degrade device performance and can result in catastrophic failure (e.g., in light-emitting devices, defects shorten the lifetime, making them practically useless).
Lattice matched materials systems
Most optoelectronic devices (with the specific exception of strained "quantum well" lasers) use lattice matched materials AlxGa1-xAs AlAs and GaAs have very similar lattice constants and allow arbitrary sequences and thicknesses of layers and alloys extensively used for devices (e.g., compact disc lasers) In0.53Ga0.47As and InP Critical for devices operating near 1.55µm wavelength "ternary" alloy - three constituent materials one d. of f. (In/ Ga ratio) - control lattice constant to match to InP GaxIn1- xAsyP1-y & In1-x-yAlxGayAs - quaternary (four constituent) alloys with two degrees of freedom (x and y) Control over both bandgap energy and lattice parameter to match, for example, to InP. Both alloys are useful for band gaps in 1.3 - 1.5µm wavelength region. Important for long distance optical fiber systems.