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2011年2月8日—III-V族化合物半導體絕大部分屬於直接能隙半導體,不同於間接能隙之矽半導體。所謂直接能隙半導體則指電子從導帶底部掉落至價帶頂端,只產生能量的變化, ...
III-V族化合物半導體在光電元件中的應用 國立彰化師範大學光電科技研究所林祐仲教授/國立彰化師範大學洪連輝教授責任編輯 III-V族化合物半導體絕大部分屬於直接能隙半導體,不同於間接能隙之矽半導體。所謂直接能隙半導體則指電子從導帶底部掉落至價帶頂端,只產生能量的變化,此能量大約等於導帶底部與價帶頂端之能量差稱為該半導體之能隙,然而間接能隙半導體則指電子從導帶底部掉落至價帶頂端時,除能量的變化外,還包括晶體動量的改變,兩者之簡易能帶架構顯示於圖一。再者,此III-V族化合物半導體並非存在自然界,乃是利用液相磊晶(簡稱LPE)技術、化學氣相沉積(簡稱CVD)技術、分子束磊晶(簡稱MBE)技術或是有機金屬化學氣相沉積(簡稱MOCVD)技術成長III-V族化合物薄膜於各式基板上,但必須考慮基板與III-V化合物半導體間的晶格匹配問題,藉由不同基板使用可成長不同III-V族化合物半導體,涵蓋二元、三元或四元化合物半導體。此外,在磊晶過程中亦可摻雜各種雜質改變所成長之化合物半導體的導電載子特性和電導率,若所成長之化合物半導體的主要載子是電子則屬n型半導體,若所成長化合物半導體的主要載子是電洞則屬p型半導體,若將p型半導體薄膜成長於n型半導體上則形成p-n二極體,p-n二極體的發明和其後的發展奠定了這一劃時代的微電子技術革命的基礎,亦延伸應用在光電元件製作。圖二顯示平衡時之同質p-n二極體的能帶架構,p-n界面處會形成空乏區,在空乏區中並無電子也沒有電洞只存在游離的雜質,在n型半導體這邊的空乏區出現帶正電荷的雜質離子(稱為施體),在p型半導體這邊的空乏區出現帶負電荷的雜質離子(稱為受體),此帶正負電荷的雜質離子會在空乏區中產生內建電場,空乏區在微電子與光電元件應用中扮演重要的角色。然而,於20世紀60年代初期則開始異質p-n結構的研究,成長異質p-n半導體結構仍需要考慮異質p-n界面其晶格匹配問題以便降低界面缺陷的產生。圖三顯示平衡時之異質p-n二極體的能帶架構。底下介紹三種光電半導體元件最常見的應用。
(一)發光二極體 具直接能隙之III-V族半導體導帶中之自由電子與價帶中的電洞產生輻射複合時則會釋放出相當於能隙之能量(Eg,單位: eV)轉而放射出特定波長(λ...
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