激光作用GaAs非平衡載流子瞬態(tài)特性研究

薛 紅

(渭南師范學(xué)院物理與電氣工程學(xué)院，陜西渭南714000)

Ⅲ-Ⅴ族化合物GaAs是一種重要的半導(dǎo)體材料，與單晶Si和Ge等相比，具有許多獨(dú)特的物理性質(zhì)，這與其中的電子狀態(tài)及其動(dòng)力學(xué)特征有著密切的關(guān)系［1］.自從20世紀(jì)50年代發(fā)展以來(lái)，由于能帶結(jié)構(gòu)上的一些特點(diǎn)，使其具有許多獨(dú)特的優(yōu)越性能，GaAs及其相關(guān)的混合晶體AlGaAs等已成為制造許多高性能發(fā)光器件、電子器件和半導(dǎo)體激光器的重要材料［2－5］.一般而言，在絕對(duì)零度附近，半導(dǎo)體和絕緣體中的能帶都是滿帶或者空帶，不導(dǎo)電，因此0K時(shí)半導(dǎo)體和絕緣體都不導(dǎo)電;而在室溫下，由于半導(dǎo)體的能隙比較小，價(jià)帶頂附近能帶中的電子被熱激發(fā)到導(dǎo)帶底附近的量子態(tài)中，同時(shí)在價(jià)帶中留下空穴，因而具有了導(dǎo)電性.一般情況下半導(dǎo)體與絕緣體沒(méi)有絕對(duì)的劃分，通常將0K條件下，能隙在2～3eV以下的固體劃分為半導(dǎo)體.半導(dǎo)體物質(zhì)通常都是以共價(jià)鍵結(jié)合為主的，最常見(jiàn)也最重要的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)有：金剛石結(jié)構(gòu)、閃鋅礦結(jié)構(gòu)和纖鋅礦結(jié)構(gòu).Ⅲ-Ⅴ族元素化合物半導(dǎo)體一般具有閃鋅礦結(jié)構(gòu)，如GaAs、InP、GaN、AlN、InSb等［6］，這類半導(dǎo)體材料在光電半導(dǎo)體物理和光電器件技術(shù)中占據(jù)了極為重要的地位［7－8］.本文根據(jù)非平衡量子統(tǒng)計(jì)理論，對(duì)GaAs半導(dǎo)體材料電子態(tài)的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)分析，并對(duì)光激發(fā)引起的GaAs半導(dǎo)體內(nèi)部非平衡熱電子的瞬態(tài)量子統(tǒng)計(jì)分布特性進(jìn)行了系統(tǒng)研究.

1 GaAs半導(dǎo)體的能帶模型和能帶特點(diǎn)

在各種Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體材料中，研究得最充分的是GaAs.實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到其晶格常數(shù)大約為0.5nm數(shù)量級(jí)，原子數(shù)密度約為5×1022/cm3數(shù)量級(jí)，原子間距約為0.2 nm數(shù)量級(jí)，共價(jià)半徑約為0.1nm數(shù)量級(jí).

1.1 GaAs的能帶模型

GaAs半導(dǎo)體屬于直接能隙結(jié)構(gòu)(直接半導(dǎo)體direct semiconductor)，能帶結(jié)構(gòu)如圖1所示.GaAs導(dǎo)帶的三個(gè)能谷Г、X和L能谷的谷底與價(jià)帶頂?shù)哪芰坎罘謩e為1.42eV、1.71eV和1.90eV，導(dǎo)帶底電子有效質(zhì)量為0.063m0(其中m0是電子的靜止質(zhì)量)，兩個(gè)衛(wèi)星能谷X能谷和L能谷的極值能量相差很小，其電子的有效質(zhì)量較大，分別為0.22m0和0.58m0.通常認(rèn)為在緊靠Г能谷底很窄的能量范圍內(nèi)，E-k之間存在拋物性關(guān)系，即E=η2k2/2m*，兩個(gè)衛(wèi)星能谷L和X處的等能面為橢球面，E-k關(guān)系為：E=η2/2·).在強(qiáng)電場(chǎng)作用下，當(dāng)電子獲得了足夠的能量時(shí)，可以從Г能谷轉(zhuǎn)移到L或X能谷，產(chǎn)生轉(zhuǎn)移電子效應(yīng).室溫下禁帶寬度為1.43eV，同時(shí)隨著溫度的升高，GaAs的禁帶寬度變小［9］.

圖1 GaAs能帶結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 EL2缺陷能級(jí)

雜質(zhì)缺陷對(duì)半導(dǎo)體材料來(lái)說(shuō)是一個(gè)非常重要的研究課題，人們對(duì)寬禁帶半導(dǎo)體材料中雜質(zhì)缺陷已作了很多研究.由于Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體GaAs材料是研究光電導(dǎo)開(kāi)關(guān)的優(yōu)良材料，因此對(duì)其缺陷能級(jí)的研究具有特殊的意義.

EL2缺陷位于GaAs能隙的中央附近，即導(dǎo)帶以下約0.75eV處，產(chǎn)生了深施主能級(jí)，如圖2所示.通常可利用它來(lái)補(bǔ)償淺受主，從而可不經(jīng)摻雜得到在技術(shù)上頗具重要性的半絕緣的GaAs(即SI-GaAs).在低于100K的溫度下，利用1～1.3eV光子的激發(fā)可使EL2進(jìn)入亞穩(wěn)態(tài)，在亞穩(wěn)態(tài)荷電狀態(tài)保持不變.亞穩(wěn)態(tài)在帶隙中沒(méi)有能級(jí)，加熱到110K以上又可回到基態(tài)，兩個(gè)狀態(tài)之間相隔一個(gè)約0.34eV的勢(shì)壘，這些性質(zhì)使它成為研究得最多的一種缺陷.

圖2 EL2能級(jí)示意圖

1.3 GaAs的能帶特點(diǎn)

GaAs化合物半導(dǎo)體材料禁帶寬度較大，與Si、Ge等單晶體相比具有電子遷移率高、載流子壽命短、電阻率高等優(yōu)點(diǎn).

(1)GaAs導(dǎo)帶是多能谷結(jié)構(gòu)，電子在中心能谷和衛(wèi)星能谷之間的躍遷會(huì)導(dǎo)致電阻律的變化，具有電子轉(zhuǎn)移效應(yīng).

(2)GaAs是直接禁帶結(jié)構(gòu).用其制作光電子器件，光電轉(zhuǎn)換效率比Si等其它半導(dǎo)體材料高得多，更適合于制造高壓、高頻、高速及高效發(fā)光器件［2－5，7］.

(3)GaAs禁帶寬度較大，極限工作溫度可高達(dá)720K左右，適宜制造大功率器件.

(4)存在EL2能級(jí)，使得Si-GaAs光導(dǎo)開(kāi)關(guān)具有相當(dāng)長(zhǎng)Lock-on延遲時(shí)間，使開(kāi)關(guān)可在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)處于導(dǎo)通狀態(tài).能夠克服開(kāi)關(guān)在線性狀態(tài)下不適合長(zhǎng)時(shí)間導(dǎo)通的缺陷.

(5)GaAs載流子壽命短，常用于快速開(kāi)關(guān).

2 激光作用GaAs非平衡載流子的產(chǎn)生與復(fù)合

激光作用的本質(zhì)是GaAs半導(dǎo)體的原子與光子相互作用使得能帶電子發(fā)生躍遷的過(guò)程，這一過(guò)程可以看成一個(gè)固體中的粒子反應(yīng)：價(jià)帶頂電子+光子 =導(dǎo)帶底電子.

2.1 光激發(fā)在半導(dǎo)體中產(chǎn)生自由載流子過(guò)程

一般情況下，產(chǎn)生半導(dǎo)體光電現(xiàn)象的最基本的物理過(guò)程就是光激發(fā)在半導(dǎo)體中產(chǎn)生自由載流子，即電子或空穴都可以被激發(fā)到能量很高的熱激發(fā)狀態(tài).例如，光激發(fā)電子可以處在導(dǎo)帶底以上幾個(gè)聲子能量的狀態(tài)而成為熱電子，熱電子在作為電荷載流子運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，很快通過(guò)聲子發(fā)射等過(guò)程弛豫到導(dǎo)帶底附近，同時(shí)還可以通過(guò)復(fù)合回到基態(tài)，其躍遷過(guò)程如圖3所示.

圖3 光激發(fā)電子躍遷過(guò)程示意圖

2.2 光激發(fā)非平衡載流子的產(chǎn)生與復(fù)合

在帶間直接躍遷復(fù)射復(fù)合的情況下，電子和空穴以相等的速率產(chǎn)生和復(fù)合，GaAs半導(dǎo)體中非平衡載流子的濃度由速率方程決定：

可見(jiàn)，只有直接禁帶半導(dǎo)體，并且在較高溫度和較高摻雜情況下，帶間直接躍遷輻射復(fù)合才可能是半導(dǎo)體的占支配地位的復(fù)合機(jī)制.

3 激光作用GaAs非平衡載流子的瞬態(tài)特性

3.1 直接禁帶GaAs中的光吸收過(guò)程

GaAs材料通常具有強(qiáng)烈的光吸收作用，對(duì)光能的吸收系數(shù)可以達(dá)到105cm－1數(shù)量級(jí)，材料吸收輻射光能使電子從較低能帶躍遷到較高能帶.以導(dǎo)帶底以上價(jià)帶頂以下較小能量范圍內(nèi)的光吸收過(guò)程為例，對(duì)于導(dǎo)帶與價(jià)帶都是拋物線型的非簡(jiǎn)并直接躍遷情況，進(jìn)行理論計(jì)算可得吸收系數(shù)與光子能量的關(guān)系為：

3.2 本征激發(fā)載流子的馳豫過(guò)程

要發(fā)生本征光激發(fā)，光子能量必須等于或大于禁帶能量εg，即hν≥hν0=εg.光激發(fā)的導(dǎo)帶電子和價(jià)帶空穴，可以產(chǎn)生遠(yuǎn)離能帶邊緣的熱激發(fā)態(tài)，形成非平衡載流子，它們可以通過(guò)聲子過(guò)程或其它過(guò)程很快馳豫到帶內(nèi)平衡分布，再通過(guò)輻射或無(wú)輻射躍遷的復(fù)合過(guò)程回到基態(tài)，但更可幾的是首先通過(guò)和自由載流子或聲子的互相作用，弛豫掉它們的過(guò)剩動(dòng)能達(dá)到帶邊緣附近的冷激發(fā)態(tài)，然后經(jīng)復(fù)合過(guò)程回到基態(tài)，這種帶內(nèi)平衡馳豫過(guò)程遠(yuǎn)快于復(fù)合過(guò)程.

采用二能級(jí)模型來(lái)闡明非平衡載流子的帶間激發(fā)和復(fù)合過(guò)程，如圖4所示，光激發(fā)熱電子分布在兩個(gè)激發(fā)能級(jí)上，熱電子能級(jí)的電子數(shù)為nh，熱平衡級(jí)的電子數(shù)為nc，τr為弛豫時(shí)間，τ為復(fù)合時(shí)間.其速率方程為：

在大多數(shù)情況下，存在τ＞＞τr，熱電子效應(yīng)可忽略，可得到非平衡過(guò)剩載流子濃度為：

可見(jiàn)，非平衡載流子濃度及其相應(yīng)的光電特性主要決定于復(fù)合過(guò)程.

3.3 強(qiáng)激光作用GaAs中載流子的馳豫過(guò)程

利用不同延遲時(shí)間的泵—探束瞬態(tài)吸收光譜，對(duì)強(qiáng)激光脈沖照射下GaAs中的載流子馳豫時(shí)間進(jìn)行研究.如圖5所示是GaAs中非平衡載流子在兩種不同濃度情況下的差分透射系數(shù)隨延遲時(shí)間的變化關(guān)系，其中光激發(fā)非平衡載流子濃度分別為1018cm－3和1017cm－3，泵束和探束能量均為2eV.

圖5 GaAs載流子瞬態(tài)差分透射系數(shù)ΔT隨延遲時(shí)間的變化

可見(jiàn)，非平衡載流子馳豫存在兩個(gè)過(guò)程，一個(gè)是快過(guò)程即相位馳豫，一個(gè)是慢過(guò)程即準(zhǔn)熱平衡馳豫;前者主要由熱電子從中心谷Γ谷向X和L兩個(gè)衛(wèi)星谷的散射引起，GaAs中的熱電子Γ-X谷散射時(shí)間約55fs，Γ-L谷散射時(shí)間約80fs，其主要散射機(jī)制為載流子—載流子散射;后者主要為載流子—聲子散射，散射時(shí)間大約為ps量級(jí).

［1］夏建白.現(xiàn)代半導(dǎo)體物理［M］.北京：北京大學(xué)出版社，2001.33－39.

［2］B.S.-Y.Ung，B.M.Fischer，B.W.-H.Ng，et al.Towards quality control of food using terahertz［C］.Proc.of SPIE，BioMEMS and Nanotechnology III，2007，67991E-(1-10).

［3］Jiang Z P，Zhang X C.Free-Space Electro-Optic Technologies［J］.THz Sensing and Imaging Technology，2001，33：161 －164.

［4］Zhang X C.The Encyclopedia of Imaging Science ＆Technology［J］.Imaging Technology ＆ Systems Section，2002，(2)：1393 －1404.

［5］Wang Y X，Zhao ZR，Chen ZQ，et al.Performance of the continuous-wave imaging system based on a terahertz gas laser［J］.紅外與毫米波學(xué)報(bào)，2011，30(3)：193 －197.

［6］葉良修.半導(dǎo)體物理學(xué)：上冊(cè)［M］.第2 版.北京：高等教育出版社，2007.9 －10，88 －93.

［7］Mar A，Loubriel G.M，Zutavern F.J，et al.Doped contacts for high-longevity optically activated high-gain GaAs photoconductive semiconductor switches［J］.IEEE Trans.Plasma Sci，2000，28(5)：1507 －1511.

［8］施衛(wèi)，薛紅，馬湘蓉.半絕緣光電導(dǎo)開(kāi)關(guān)體內(nèi)熱電子的光電導(dǎo)振蕩特性［J］.物理學(xué)報(bào)，2009，58(12)：8554－8559.

［9］劉恩科，朱秉升，羅晉生，等.半導(dǎo)體物理學(xué)［M］.西安：西安交通大學(xué)出版社，2006.24－26，39－40.