物理教育学刊 2007, 第八卷第一期, 151-168
151 Chinese Physics Education 2007, 8(1), 151-168
科技报导
III-V 族化合物半导体 在光电元件中的应用
林佑仲
国立彰化师范大学 光电科技研究所
III-V 族化合物半导体绝大部分属於直 接能隙半导体,不同於间接能隙之矽半导 体.所谓直接能隙半导体则指电子从导带底 部掉落至价带顶端,只产生能量的变化,此 能量大约等於导带底部与价带顶端之能量差 称为该半导体之能隙,然而间接能隙半导体 则指电子从导带底部掉落至价带顶端时,除 能量的变化外,还包括晶体动量的改变,两 者之简易能带架构显示於图一.再者,此 III-V 族化合物半导体并非存在自然界,乃是 利用液相磊晶(简称 LPE)技术,化学气相沉 积(简称 CVD)技术,分子束磊晶(简称 MBE) 技术或是有机金属化学气相沉积(简称 MOCVD)技术成长 III-V 族化合物薄膜於各 式基板上,但必须考虑基板与 III-V 化合物 半导体间的晶格匹配问题,藉由不同基板使 用可成长不同 III-V 族化合物半导体,涵盖 二元,三元或四元化合物半导体.此外,在 磊晶过程中亦可掺杂各种杂质改变所成长之 化合物半导体的导电载子特性和电导率,若
所成长之化合物半导体的主要载子是电子则 属 n 型半导体,若所成长化合物半导体的主 要载子是电洞则属 p 型半导体,若将 p 型半 导体薄膜成长於 n 型半导体上则形成 p-n 二 极体,p-n 二极体的发明和其后的发展奠定 了这一划时代的微电子技术革命的基础,亦 延伸应用在光电元件制作.图二显示平衡时 之同质 p-n 二极体的能带架构 p-n 界面处会 , 形成空乏区,在空乏区中并无电子也没有电 洞只存在游离的杂质,在 n 型半导体这边的 空乏区出 现 带正电荷 的 杂质离子( 称为施 体),在 p 型半导体这边的空乏区出现带负电 荷的杂质离子(称为受体),此带正负电荷的 杂质离子会在空乏区中产生内建电场,空乏 区在微电子与光电元件应用中扮演重要的角 色.然而,於 20 世纪 60 年代初期则开始异 质 p-n 结构的研究,成长异质 p-n 半导体结 构仍需要考虑异质 p-n 界面其晶格匹配问题 以便降低界面缺陷的产生.图三显示平衡时 之异质 p-n 二极体的能带架构.底下介绍三 种光电半导体元件最常见的应用.
一,发光二极体
具直接能隙之 III-V 族半导体导带中之 自由电子与价带中的电洞产生辐射复合时则 会释放出相当於能隙之能量(Eg,单位: eV) 转而放射出特定波长(λ,单位: nm)的光,两 者之关系为 Eg = 1240/λ,一般定义可见光的 波长范围约 400 nm 至 750 nm,因此成长特 定能隙(1.66 ~ 3.1 eV)之直接能隙 III-V 族 p-n 二极体便构成一个可发出可见光之发光二极 体.当此发光二极体之 p 型半导体端注入电 洞 n 型半导体注入电子则处於顺偏状态,导 致 p-n 界面空乏区变窄,电子和电洞将於近 界面处以辐射复合方式复合然后发光.图四 显示日亚公司中村修二所发表之
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InGaN/AlGaN 异质结构蓝色发光二极体的 元件结构[1],位在 III-V 族半导体 p-n 界面 之 Zn-Si 掺杂之 InGaN 层为发光层,整个元 件结构显示具有 p-n 半导体结构特性.
二,光检测器
光检测器可用於检测光讯号的光电元 件,构成光检测器必须找到能吸收要被检测 光波之半导体材料,且吸收该光波之后会在 半导体内形成电子-电洞对.光检测器广泛应 用於光纤通信感测器和光隔绝器的红外线感 测器,此类光检测器必须具备高灵敏度,高 响应度和低杂讯.图五显示 III-V 族半导体 之感光二极体结构图[2],其具有 p-n 半导体 结构特性.感光二极体基本上是一个操作於 反偏压的 p-n 界面,当光信号照射於感光二 极体时,空乏区会将光生电子电洞予以分 开,因此有电流流至外部电路.对於一个感 光二极体在操作时并须考量两个参数,即量 子效率和频率响应,在图五中可发现 p-n 半 导体结构中插入一层未掺杂之本质半导体层 可予以调变得到最佳之量子效率和频率响 应.
图1
图2
三,太阳电池
在 20 世纪的世界能源结构中 人们所利 , 用的能源包含石油,天然气和煤炭等化石能 源,经过一段相当时间随著经济发展和人口 增加,这些化石能源可能被消耗殆尽,因此 急需寻求替代能源,根据种种现象和研究成 果显示太阳直接辐射至地球表面的能量丰富 并广泛分布且可再生又具无污染环境之优 势,是目前国际社会公认的理想替代能源. 太阳能发电及其应用是集开发利用绿色可再 生能源,改善生态环境和人类生活条件於一 体为目前全世界发展的重大课题.在 1990 图3

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