T220半導體物理-激光器選擇三五族材料的來源

01-31

對於非光學專業的攻城獅，聽著激光器材料三五族、異質結等等名詞是一頭霧水；

光電集成也是很火的新行業，每次看到結論都是硅基光電集成解決不了光源。

這其實是一個原因，在於材料的能帶圖。

一切都要從元素周期表開始，上圖

放大

從左到右，依次是三族、四族、五族。

常用半導體材料，分為元素半導體和化合物半導體

Si （硅）、Ge（鍺）是元素半導體，也是咱們電晶元常用的材料。

硅的原子結構與晶體結構，屬於金剛石晶體，就是鑽石，大鑽石的那種金剛石。閃～～～

化合物半導體分為二元化合物半導體：由兩種元素組成；三元化合物半導體：由三種元素組成；多元化合物半導體：由三種及以上元素組成。

l IV－IV族元素化合物半導體：碳化硅(SiC)；n

l III－V族元素化合物半導體：砷化鎵(GaAs)、磷化鎵(GaP)、磷化銦(InP)等；

l II－VI族元素化合物半導體：氧化鋅(ZnO)、硫化鋅(ZnS)、碲化鎘(CdTe)等；

l IV－VI族元素化合物半導體：硫化鉛(PbS)、硒化鉛(PbSe)、碲化鉛(PbTe)

三元化合物與多元化合物半導體：

? 由III族元素鋁(Al)、鎵(Ga)及V族元素砷(As)所組成的合金半導體AlxGa1－xAs即是一種三元化合物半導體，

? 具有AxB1－xCyD1－y形式的四元化合物半導體可由許多二元及三元化合物半導體組成。例如，四元化合物GaxIn1－xAsyP1－y合金半導體是由磷化鎵(GaP)、磷化銦(InP)及砷化鎵(GaAs)所組成。

化合物半導體的優勢（先耐著性子）

? 化合物半導體具有與硅不同的電和光電特性。這些半導體，特別是砷化鎵(GaAs)，主要用於高速光電器件。

大部分的化合物半導體(如GaAs)具有閃鋅礦結構，下圖。它與金剛石晶格的結構類似，只是兩個相互套構的面心立方副晶格中的組成原子不同，其中一個副晶格為III族原子(Ga)，另一個副晶格為V族原子(As) 。也是很閃～～～～

三五族（III族、V族）的來歷有了，那為什麼四族不做光源，而是三五族或二六族呢，一切還有秘密。

再來科普能帶圖

下圖砷化鎵的能帶結構，它允許傳導電子從高遷移率的能量最小值(稱之為谷)躍遷至低遷移率、能量較高的鄰近谷中。電子沿[111]方向，從中央谷中躍遷至鄰近的谷中。

nnnnnn很高深是不是？

其實可以這樣理解，要從下面山峰（導帶頂），蹦到上面（價帶底），需要能量。

輸入的能量是溫度，輸出改變電阻，則為溫敏電阻

輸入是光，輸出也是光，就是光放大器

輸入是電，輸出是光，（還有增益介質）就是激光器

輸入是光，輸出是電，就是探測器

簡單的說，大部分三五族化合物半導體是直接帶隙、直接帶隙、直接帶隙重要的事情說三遍，硅半導體是間接帶隙。

再通俗的理解就是，一個人站在蘋果樹下摘蘋果，跳起來摘的到是直接帶隙。

站在蘋果樹邊兩米遠，再往上跳也摘不到蘋果，那這是間接帶隙。

那直接帶隙都可以摘的到蘋果嗎？ No no no，還要看蘋果的高度與身高的差異。

接下來引入導體、半導體、絕緣體的概念

蘋果樹很矮，不用跳就摘了蘋果，是導體。

蘋果樹比人高，一般摘不到，跳一跳可以摘，是半導體。也就是在通過外界如電流、溫度、光照等等條件使得電子空穴可以跨越約1電子伏特進行躍遷。這是半導體（半字用的好）。

蘋果樹離地十米高，人怎麼跳也摘不到果子，則是絕緣體。也就是無論外界怎麼觸發，電子空穴也無法完成能級躍遷，通常能級再9電子伏。

再把間接帶隙與直接帶隙的圖做對比

那就可以解釋了，左圖的硅雖是半導體，但非直接帶隙，在自家跳摘別人家的果，很難。

右邊是三五族化合物半導體，直接帶隙。稍微一跳就夠得著果子，容易躍遷。

接下來異質結怎麼通俗解釋，異是不同，一個激光器或探測器本質是一個PN結，異質是說P和N採用兩種不同的材料接觸形成的PN結。

為什麼選擇異質呢，科學家發現不同材料組成結，速度比同質結夠快，光電特性更好。漸漸的就成了快速器件和光電器件的關鍵構成要素。

科普歷史：

q 1957年，克羅馬(Krohmer)提出了用異質結雙極型晶體管(heterojunction bipolar transistor，HBT)來改善晶體管的特性，這種器件有可能成為更快的半導體器件。

q 1962年霍爾(Hall)等人第一次用半導體做出了激光(laser)。

q 1963年克羅馬(Krohmer)、阿法羅(Alferov)和卡查雷挪(Kazarinov)發表了異質結構激光(heterostructurenlaser)，奠定了現代激光二極體的基礎，使激光可以在室溫下連續工作。

小結：

半導體激光器要發光，則需要選擇半導體材料，選擇半導體材料中具有直接帶隙的材料；

直接帶隙的材料通常是化合物半導體；

化合物半導體中二元組合、三元組合、多元組合的材料通常列於元素周期表中的三族與五族。

這就是三五族材料的由來，當然也有二六族材料。

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