半导体光子材料

第二章半导体光子材料

1.名词解释

固溶体：两种或两种以上的固体材料互溶在一起构成的新型晶体结构，晶体结构中一种位置被两种或两种以上的不同元素（或基团）占据，形成组分完全互溶的新型晶体。在一定结构位置上，其组成的元素的离子或原子互相置换，但不改变整个晶体的结构及对称性。

固溶体分为三种：替代式固溶体，填隙式固溶体和缺陷式固溶体。固溶体的晶格常数也随着固溶体的组分大小而改变。

晶格匹配：两种半导体材料在形成异质结时，由于晶格常数相同，失配度为零，而使界面处晶格完美的结合在一起而不形成悬键，这种状态就是晶格匹配。

晶格失配：两种半导体材料在形成异质结时，由于晶格常数不同，界面处结合的原子会受到因此而产生的应力，也会产生未匹配对的悬键，这种状态就是晶格失配。

应变：晶格常数不同的两种半导体形成的异质结界面会产生应力，晶格常数大的材料的原子受到压缩应力，晶格常数小的材料原子受到拉伸应力，这就使得界面附近的晶格常数不同于各自体材料的晶格常数，从而产生应变。

临界厚度：外延层中刚刚要出现位错时的外延层厚度，小于临界厚度时，外延层不会出现新的位错；大于临界厚度时，外延层肯定出现新的位错。

界面态：两种半导体材料晶格常数的不同在异质结界面处出现悬键，这些悬键会引起界面态。

2.试求试求出GaAs 、Al 0 .15Ga 0 .85As 、Al 0 .3Ga 0 .7As 、Al 0.5Ga 0.5As 的带隙宽度和发射波长。

解析：

室温下，分析Al x Ga 1-x As 带隙宽度同组分的关系，可看出禁带宽度g E 随着x 的变化而变化，且Γ带的带隙随着x 增大而增大的速率较快。

已知，室温下：

GaAs 的带隙宽度 ：V E e 424.1g =Γ

V E L e 708.1g =

V E X e 900.1g =

而Al x Ga 1-x As 的带隙宽度：

()()V E e o.45x 0 x 247.1424.1x g <<+=Γ

()()()V E e 1x 0.45 o.45-x 1.147x 247.1424.1x 2g <<++=Γ

()

eV x 642.0708.1x g +=L E () eV 0.143x x 125.0900.1x 2g ++=X E

故可知：

对于Al 0 .15Ga 0 .85As 而言，带隙宽度为：

()eV 1.6110.15247.1424.10.15g

=⨯+=ΓE () eV 1.8040.15642.0708.10.15g =⨯+=L E

() eV 1.9220.150.1430.15125.0900.10.152g =⨯+⨯+=X E 对于Al 0 .3Ga 0 .7As 而言，带隙宽度为：

()eV 1.7980.3247.1424.10.3g

=⨯+=ΓE () eV 1.9010.3642.0708.10.3g =⨯+=L E

() eV 1.9410.30.1430.3125.0900.10.32g =⨯+⨯+=X E

对于Al 0.5Ga 0.5As ，带隙宽度为：

()()eV 2.0500.45-0.51.1470.5247.1424.10.52

g =+⨯+=ΓE () eV 029.20.5642.0708.10.5g =⨯+=L E

() eV 1.9980.50.1430.5125.0900.10.52g =⨯+⨯+=X E

半导体的禁带宽度应为电子从价带跃迁到导带所需的最小的能量。 半导体的发射波长一般取决于半导体材料的禁带宽度：m 2398.1g μλE =

故：

对于GaAs ：

禁带宽度为： eV 1.424 g g ==ΓE E

发射波长为：m 871.0424

.12398.1μλ== 对于Al 0 .15Ga 0 .85As ：

禁带宽度为： eV 1.611 g g ==ΓE E 发射波长为：m 7696.0611

.12398.1μλ== 对于Al 0 .3Ga 0 .7As ：

禁带宽度为： eV 1.798 g g ==ΓE E 发射波长为：m 6895.0798

.12398.1μλ== 对于Al 0.5Ga 0.5As ：

禁带宽度为： eV 1.998 g g ==X E E

对于此种间接带隙半导体材料，在间隙下发光效率非常低，需要额外声子的参与才能保证其发生辐射跃迁发光，故对于Al 0.5Ga 0.5As 半导体其发射波长取决于禁

带宽度相对小的V E e 05.2g =Γ， 发射波长为：m 605.005

.22398.1μλ==

3. 试求室温下

（a ）高纯； (b)掺杂载流子浓度为318105n -⨯=cm ；

(c)掺杂载流子浓度320103-⨯=cm p

三种情况下GaAs 的禁带宽度。

解析：

已知室温下高纯的GaAs 的禁带宽度eV E 424.1g =，掺有杂质时，带隙边出现收缩而使带隙宽度减小，使发射波长边长，即发生红移。

室温下带隙同杂质载流子浓度的关系如下：

()eV n p eV E ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+⨯⨯-=-31318

g 106.1424.1

故可得：

高纯GaAs 的禁带宽度：eV E 424.1g = 。

掺杂载流子浓度为318105n -⨯=cm 时，GaAs 的禁带宽度：

()()eV eV E 3966.1105106.1424.131188g =⨯⨯⨯-=-

(c)掺杂载流子浓度320103-⨯=cm p 时，GaAs 的禁带宽度：

()()eV eV E 3169.1103106.1424.131208g =⨯⨯⨯-=-

小结：由带隙同杂质载流子浓度的关系可看出，载流子浓度对带隙宽度的影响与载流子的类型无关，两种类型的杂质载流子浓度分别对半导体材料作用时的效果是一样的。

4.由经验得出，Ga x In 1-x As y P 1-y 同InP 晶格匹配时满足x y 2.2=，其带隙同组分的关系为：

()47.0012.072.035.12≤≤+-=x y y E g