半导体光电材料

1 半导体光电材料的发展/器件及其应用
半导体光探测器：光电成像，自动控制，辐射测量，弱信号探测，军事上，跟踪、 制导、侦察、遥感。 太阳能电池：耗电低的产品，如万用表、时钟、电子计算机（LCD-liquid crystal display）显示的，灯塔，海上航标灯，人造卫星，家用太阳能热水器。 CCD图象传感器（固体摄像器件）：传真机、扫描仪、摄像机、数字照相机中都用 到，光谱分析。
2 半导体激光材料
目前已制成激光器的半导体材料有GaAs、InAs、GaN、 InSb、CdS、CdTe、PbSe、PhTe、 A1GaAs、InPAs等。
激光波段不断扩展， 红外半导体激光器 670nm红光半导体激光器 波长为650nm,635nm的激光器 蓝绿光、蓝光半导体激光器 l0mw量级的紫光乃至紫外光半导体激光器。
半导体光电材料
复习
2，IC制造工艺中几大关键技术？
平坦化技术 光刻 刻蚀。
半导体光电材料
半导体光电材料的发展 半导体激光器材料 新型半导体光电探测器材料 光电子集成电路及光子集成电路材料
半导体光电材料
半导体光电材料是一门发展极为迅速的边缘学科，同时也是一门实践性很强的应用学科。 半导体光电材料是光电信息技术的重要基础和组成部分。 通过了解当今材料科学和工程的新概念、新理论、新技术、新工艺，把握材料科学与工程 的前沿及最新动向。 材料类型主要包半导体光电功能材料、低维功能材料（薄膜、异质结构、超晶格）。
2 半导体激光材料
阈值电流：由几百mA降到几十mA，直到亚mA； 寿命由几百到几万小时，乃至百万小时； 从最初的低温(77K)下运转发展到室温下连续工作； 功率转换效率高(已达10%以上、最大可达50%)； 体积小、重量轻、结构简单； 电能直接转换为激光能、便于直接调制、省电等优点。
半导体材料作为工作物质。
半导体能带中存在高的电子态密度，可以得到比其它气体或固体激光器工作物质高几个数 量级的光增益系数。 半导体同一能带中不同状态的电子之间存在相当大的互作用，电子跃迁留下空状态将迅速 由其它电子补充，所以半导体激光器有很高的量子效率和很好的高频响应特性。 可以将载流子直接注入发光二极管或激光器的有源区中（电子-空穴复合区），因而有很高 的能量转换效率。
材料禁带的宽度就决定了光电器件的工作波长。
1 半导体光电材料的发展
1969年发明单异质结构激光器。 两种不同带隙的半导体材料薄层，如GaAs, GaAlAs所组成。
1970年，实现了激光波长为9000A，室温连续工作的双异质结GaA(砷化稼一稼铝砷)激 光器。 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。
2 半导体激光材料 激光器一般由工作物质、激励源和光学谐振腔三部分组成 。
第一台激光器是美国科学家梅曼发明的红宝石激光器。
2 半导体激光材料
对于半导体激光器也是由这三部分组成： 工作物质：有源区； 谐振腔：晶体的自然解理面； 泵浦源：电源。
半导体激光器具有层状结构,其作用相当于固体激光器的聚光腔； 谐振腔是利用半导体本身的晶体解理面形成内反射腔，这使得半导体激光器结构很紧凑； 半导体激光器的电源简单，电流电压都很小，工作使用很方便、安全，优点。
1 半导体光电材料的发展/器件及其应用
1 半导体光电材料的发展/器件及其应用
发光二极管（LED-Light Emitting Diode）。 低电压、低功耗、高亮度、寿命远比白炽灯长，响应速度快。 可见光的用作家电、仪器设备的指示灯，七段数字显示、图形显示、交通指示灯、汽 车尾灯，室外大型显示（三色全了）。 不可见光的用在遥控器、光通信、传感器中。
1978年出现了世界上第一只半导体量子阱激光器(QWL)，它大幅度地提高了半导体激光 器的各种性能。
1 半导体光电材料的发展
光纤通信的发展对半导体光电子技术提出了越来越高的要求，因而促进了半导体光电子学的 进一步发展. 近三十年是半导体光电子学发展最快的一个时期，现在它已经发展成为一门独立的学科，半 导体光电子技术是当今各国广泛关注的高科技领域。
1 半导体光电材料的发展/器件及其应用
半导体激光器：因其体积小、耗电少、寿命长，应用领域十分广。 VCD(780nm)、CD-ROM、DVD(635nm,650nm)中读取数据； 激光打印、计算机直接印刷； 医疗中切割，内窥镜光源； 工业中打孔、焊接、切割； 光纤通信中光发射机的核心，泵浦源，中继器; 军事上：测距、红外夜视，激光雷达，激光制导，激光打靶。
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。
1 半导体光电材料的发展
世界上第一只半导体激光器是1962 年问世的同质结型激光器。 在同一种材料上制作的pn结二极管。在正向大电流注人下，电子不断地向p区注人，空穴不断地 向n区注入。于是，在原来的pn结耗尽区内实现了载流子分布的反转。由于电子的迁移速度比空 穴的迁移速度快，在有源区发生辐射、复合，发射出荧光，在一定的条件下发生激光，这是一种 只能以脉冲形式工作的半导体激光器。
基本要求
半导体光电材料 了解半导体激光器的理论基础 光电子集成电路的基本知识 重点： 半导体光电材料
1 半导体光电材料的发展 光电材料是由光的基本粒子—光子—扮演主要角色的材料。
发光二极管（LED） 激光（LD）
将电能转化为光能
光探测器 太阳能电池
将光能转化为电能 半导体器件物理
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1 半导体光电材料的发展
2 半导体激光材料
半导体激光器是靠注入载流子工作的。若发射激光，需具备三个基本条件： 要产生足够的粒子数反转分布，即高能态粒子数足够地大于低能态的粒子数。 要有一个合适的谐振腔能起到反馈作用，使激射光子增生，从而产生激光振荡。 要满足一定的阈值条件以使光子增益等于或大于光子损耗。
2 半导体激光材料