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半导体物理的开展和在光电子芯片和器材中的运用

发布时间:2022-05-11 18:21:20 来源:米乐m6app官网下载

  半导体物理是介于固体物理和半导体器材物理之间的一门学科,即介于根底和运用研讨之间。虽然只阅历了几十年的光辉开展时期,但现已取得了引人注目的成果。本文首要介绍了半导体物理的开展前史,然后会举例说明半导体物理的开展在光电子芯片和器材中的运用,即在光电子芯片和器材的开展中起到何种推进效果。

  这个时期首要在20世纪曾经或20世纪初期,半导体相关的理论还没有树立,人们对其的首要研讨在于经过试验进行性质的探求和运用的开发。

  在这个时期,虽然在试验的进行上有诸多困难(比方难以取得较纯的单晶),可是研讨人员仍是发现了半导体的许多首要性质。包括负温度系数的电阻率、整流效应、霍尔效应,以及发现半导体中物质化学组分的细小偏移将严峻影响到化合物半导体的性质,N型和P型半导体等等。

  第一个重要的运用研讨便是低频沟通整流器,整流效应的发现带来了整流器的发明,反过来又促进了对相应资料性质的研讨和整流原理的开掘,后来发现整流现象是电学效应与热无关。别的一个重要的运用便是红外光探测器的发明,相同也促进了科学家对相应资料性质的探求。

  到了20世纪30年代,人们开端用量子理论解说晶体中的电子态。关于晶态半导体的研讨依据能带论和晶格动力学理论得以敏捷开展。能带论描绘了状况空间中电子的散布特色和能量状况,让咱们得以区别金属、半导体和绝缘体;晶格动力学理论在实空间中从原子微观振荡的概念动身,深入提醒晶格原子、电子之间的相互效果,即晶体在温度场中的行为和规则的理论。两者结合让咱们对晶态半导体的介电、光学等性质有了更深的了解,由此能够对资料进行改进,为规划和制造各种半导体器材及其集成电路奠定了重要的物理根底。

  与之对应的试验探求也开展敏捷。20世纪40年代,贝尔试验室积极开展半导体的研讨,并研制出结形晶体管和场效应管替代了电子管。这让人们看到了晶体管的重要运用价值,半导体物理的研讨随后繁荣的打开。比方50年代初对锗的能隙、电导和霍尔系数对温度的依靠联系的探求,为了满意晶体管制造对少量载流子复合寿数的要求而对深能级半导体(掺杂能级间隔导带底和价带顶都较远)的探求等等。

  在对晶态半导体物理有了比较充沛的了解之后,科学家们开端转向了其他方向半导体的研讨。首要包括以下几个方面:

  1969与1976年分子束外延和金属有机物化学汽相堆积薄膜成长技能为半导体科学带来一场革新,跟着技能的开展,完成了晶体的低速率成长,使得人们能发明高质量的异质结构,为新式半导体器材的规划和运用奠定技能根底。

  1969年,江崎和朱兆祥第一次提 出“超晶格”概念,这儿“超”的意思是在天然的周期性外附加人工周期性——由半导体资料薄膜组成的一维周期性结构。1971 年,卓以和运用分子束外延技能成长出第一个超晶格资料。从此拉开了超晶格、量子点、量子线和量子阱等等低维半导体资料研讨前奏。

  非晶态半导体的研讨有利于取得新资料、新器材,以及加深对固体理论中一些基本问题的知道。1958年,Anderson提出无序系统中电子定域化的概念,这以后Mott等人提出迁移率边和带尾定域态的概念。1972年Aderson提出电子-声子相互效果模型,在开展无序系统中电子的跳跃式输运特性理论方面起到了重要效果。这以后也有一系列人员对非晶态半导体资料和器材的开发作出重要贡献。

  当然也有其它的一些研讨方向包括纳米半导体物理,以及元素组成从原子到分子的改动:有机半导体物理等等。

  总而言之,当时半导体物理的开展离不开与其他学科和技能开展的结合,包括与资料、器材和工艺的结合;与低维物理、介观物理和无序系统物理的结合;与化学、外表科学、超真空技能以及超低温技能的结合等等。

  得益于能带理论的开展咱们知道激光器成功的要害之一便是要求资料是直接带隙半导体,由于相关于电子来说,光子的动量十分小能够疏忽,依据动量守恒要求电子跃迁前后动量不变,关于直接带隙半导体(电子一般在价带顶和导带底之间跃迁,两者对应于同一k值叫做直接带隙半导体),这一点能够满意,所以能够较为简单的产生辐射复合(导带电子跃迁回价带便是电子和空穴进行复合)。但关于直接带隙半导体来说,想要进行辐射复合需求凭借声子来满意动量守恒,这样就导致发光功率会很低。所以半导体激光器资料要求半导体是直接带隙的,这样一来Si和Ge这类直接带隙半导体就行不通,需求一些具有直接带隙的化合物半导体比方GaAs。

  运用AlAs和GaAs晶格匹配好的特色将两者长在一同,运用异质结结构约束电子空穴复合规模处理了载流子简单从p-n结扩散掉而不是在该处复合的问题。

  后来科学家们运用二维的量子阱结构显著地改进了激光器的阈值电流,彻底改动了半导体激光器的商场位置。并且量子阱激光器二维导带底部态密度很大,在阈值以上有更大的微分增益。这以后的开展便是进一步局域化,开展量子线和量子点激光器。

  对半导体激光器的另一个需求便是改动波长,得到波长更短的激光器,仍是用资料GaAs,当咱们经过掺入Al等物质制造新式激光器的时分波长可能会到达要求,可是常常伴跟着较大的阈值电流。后来知道到激光电流中包括电子的漏电流,对这一电流的知道让咱们能够找到减小它的办法——运用Be资料和分子束外延的办法增高势垒。

  在其他资料由于多种原因逐步被抛弃的时分(比方碳化硅化学键太强导致较高的处理温度),GaN在处理一系列问题后成功制成了高效的蓝色发光二极管。

  20世纪80年代后开展起来的成长办法处理了GaN缺少衬底的问题。可是长出的资料是强n型的,不能用于器材制造。由于GaN是功率十分高的可见光发射器,所以对得到p型掺杂的办法的寻觅一向没有连续。后来经过成长工艺的改进(用三乙基镓传输Ga离子而不是GaCl),降低了布景载流子浓度,又经过Mg进行p掺杂,终究取得了成功。不过一开端科学家们不了解低能量电子束辐照能够激起Mg的机制的时分,Mg只能使外表区域有用,后来发现退火能够使其在整个掺杂区域都有用。在清楚原理之后(外延成长进程生成了H-Mg复合体)发现只需求在成长时扫除H的存在得到的资料直接便是p型导电的。之后的作业便是经过比如运用窄的InGaN量子阱改进二极管的功率,就不再赘述了。

  从以上的两个比如咱们能够看出半导体物理的研讨让咱们对资料或器材的性质有了更深的了解,也知道能够从那些方面进行改进来满意实践运用的需求。