III-V族化合物半导体在光电元件中的应用


III-V族化合物半导体绝大部分属于直接能隙半导体,不同于间接能隙之硅半导体。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,此能量大约等于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于图一。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族化合物薄膜于各式基板上,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型半导体薄膜成长于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製作。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,于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複合时则会释放出相当于能隙之能量(Eg,单位: eV)转而放射出特定波长(λ,单位: nm)的光,两者之关係为Eg = 1240/λ,一般定义可见光的波长範围约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于顺偏状态,导致p-n界面空乏区变窄,电子和电洞将于近界面处以辐射複合方式複合然后发光。图四显示日亚公司中村修二所发表之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
  光检测器可用于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。光检测器广泛应用于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于反偏压的p-n界面,当光信号照射于感光二极体时,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。对于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。

(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着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汙染环境之优势,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于一体为目前全世界发展的重大课题。在1990年之前太阳电池的材料以单晶,多晶和非晶的硅为主,III-V族半导体材料亦可应用于太阳电池製作,由于III-V族半导体具直接能隙特性,仅需成长数微米厚之薄膜即具高的吸光率,III-V族半导体之太阳电池也具有较高之光电转换效率。图六显示InGaP/GaAs/Ge多接面太阳电池的结构图[3],其具有p-n半导体结构特性,当阳光照射太阳电池之多接面之p-n界面时,因每个p-n界面具不同的能隙值,因此不同波段之太阳光分别被能被各个p-n结构之半导体所吸收(显示于图七),如此可在导带和价带中产生非平衡电子和电洞。由于p-n界面空乏区存在内建电场,因而在空乏区中的光生电子电洞授内建电场之影响下,各向相反方向移动离开空乏区(构成n区流向p区的光生电流)导致p区电位升高n区电位下降,p-n界面两端形成光生电动势。如果将此多接面之p-n结构之半导体与外电路接通,只要持续照光就会不断有电流流过电路,p-n结构之半导体起了电源的作用,这就是太阳电池基本工作原理,即将太阳光的光能直接转换成电能。

III-V族化合物半导体在光电元件中的应用
III-V族化合物半导体在光电元件中的应用

III-V族化合物半导体在光电元件中的应用

III-V族化合物半导体在光电元件中的应用

III-V族化合物半导体在光电元件中的应用

III-V族化合物半导体在光电元件中的应用

III-V族化合物半导体在光电元件中的应用

参考文献
1.        S, Nakamura, Jpn. J. Appl. Phys. 30, L1705 (1991).
2.        D. J. H. et al. Appl. Phys. Lett. 77, 1900 (2000).
3.        太阳电池技术入门, 林明献 编着 (全华图书公司,台北, 2007).

相关推荐