王兴军--2015暑期学校-光发射1硅基集成中的光发射技术

1硅基光电子技术与应用暑期学校LightEmissioninSiliconPhotonics王兴军Beijing2015.7.132欢迎大家参加暑期学校3://spm.pku.edu.cn/CMOS电路DetectorCouplingandalignmentModulatorLightsourceFilterWaveguideSiliconPhotonicIntegrationandMicrosystems:Combiningelectricalandopticalcomponentsonthesamesilicon-basedsubstratesusedinthefabricationofasemiconductorchip,whichemploysnumerousintegratedopticsdevices,includinglasers,photodetectors,splitters,isolators,filters,modulators,switches,et.al.SiliconphotonicsIntroduction(IntelandIBM)5://spm.pku.edu.cn/硅基光源是硅基光电子学元器件中的重中之重。由于硅是间接带隙的半导体，发光效率不高，内量子效率η约为10-5-10-6。因此硅一直以来被认为不适合制作光源材料。7://spm.pku.edu.cn/硅基发光的进展上世纪90年代，多孔硅的室温发光2000年，纳米硅的增益2004年，铒掺杂微环激光器2005年，硅拉曼激光器2006年，III-V族-硅混合激光器2010年，锗硅激光器9介绍光发射的普适理论，解释块体硅不能制备激光器的原因。三种提高硅发光效率的方法：量子效应低维硅，稀土掺杂，利用能带理论设计直接带隙材料。三种发光二级管：体硅发光二极管，纳米硅发光二极管，稀土掺杂硅和稀土硅酸盐化合物发光二极管。最新硅基激光器的进展，包括硅拉曼激光器、III-V族-硅混合激光器、锗硅激光器。从硅基发光的基本原理以及当前硅基光源的研究重点及方向，探明硅基光电子系统中光源的研究现状及未来的发展趋势。内容提要10光发射的基础理论硅放大的限制硅基发光材料硅基发光二极管硅基激光器11光发射的理论辐射复合非辐射复合自发辐射受激辐射受激吸收发光效率12辐射复合和非辐射复合E2-E1=Eg=hv=hc/l,l=hc/Eg=1.24eV/EgLightemission13辐射复合分为带间复合和非带间复合带间复合是指导带电子与价带的空穴直接复合非带间复合是通过复合中心进行，包括有杂质或缺陷参与，如电子从导带跃迁到杂质能级，或杂质能级上的电子跃迁入价带，或电子在杂质能级之间的跃迁带间复合是辐射复合中的主要形式。14直接带隙半导体，导带和价带的极值都在k空间原点，带间复合为直接跃迁，由于直接跃迁的发光过程只涉及一个电子-空穴对和一个光子，其辐射效率很高。间接带隙半导体，导带和价带的极值对应于不同的波矢k、这时发生的带与带之间的跃迁是间接跃迁。在间接跃迁过程中，除了出射光子外，还需要声子参与，因此，间接跃迁比直接跃迁的概率小的多。15非辐射复合：俄歇复合一个电子或空穴吸收另一电子与空穴复合时放出的能量，跃迁到更高的能量状态的过程称为俄歇复合过程。这种过程的几率与复合的载流子浓度和接受能量的载流子浓度乘积成正比，所以载流子浓度高的材料俄歇复合过程更容易。自由载流子吸收多声子复合晶体中电子和空穴复合时可以发射多个声子来释放能量称之为多声子复合。16辐射复合自发辐射自发辐射是指处于激发态的原子中的电子在激发态能级上只能停留一段很短的时间，就自发地跃迁到较低能级中去，同时辐射出一个光子。受激辐射当原子处于激发态E2时，如果恰好有能量等于（E2-E1）的光子入射进来，在入射光子的影响下，原子会发出一个同样的光子而跃迁到低能级E1上去，这种辐射叫做受激辐射。这种方式就是产生激光的基本原理。17自发辐射和受激辐射1917年爱因斯坦在“关于辐射的量子理论”论文中提出，解释黑体辐射现象光子与原子的三种相互作用：自发辐射、受激辐射、受激吸收自发辐射：电子-空穴对复合时产生的光在波长、相位等特性彼此互不关联，自发性的行为。光谱较宽，相位不一致，没有偏振性，光输出功率较弱，例：发光二极管受激辐射：已有的传播光子诱发产生一个光子能量、相位、偏振等特性与前一个光子完全相同。这个辐射复合过程为受激辐射。光谱窄、相位一致、有偏振方向、光输出功率大。例：激光器EcEvSpontaneousemissionStimulatedemission18受激吸收：在正常状态下，电子处于基态E1，在入射光作用下，它会吸收光子的能量跃迁到激发态E2上，这种跃迁称为受激吸收。电子跃迁后，在基态留下相同数目的空穴。受激吸收是受激辐射的逆过程。设在单位物质中，处于E1和E2的原子数分别为N1和N2。当系统处于热平衡状态时，存在下面的分布19StimulatedEmissionRateandEinsteinCoefficientsTheupwardtransitiondependsonthenumberofatomsN1andtheenergydensityintheradiation:Needtodeterminethecontrollingfactorsfortheratesofstimulatedemission,spontaneousemission,andabsorptionintwoenergysystem.E1E2h(a)Absorptionh(b)Spontaneousemissionh(c)StimulatedemissionInhOuthE2E2E1E1Absorption,spontaneous(randomphoton)emissionandstimulatedemission.?1999S.O.Kasap,Optoelectronics(PrenticeHall)B12,A21,andB21aretheEinsteincoefficientsforabsorption,spontaneousemissionandstimulatedemission.ThedownwardtransitiondependsonthenumberofatomsN2andtheenergydensityintheradiation:20StimulatedEmissionRateandEinsteinCoefficientsAtthethermalequilibrium,wecanassumeupanddowntransitionsareequalandtheatomnumbersatenergylevelsaredeterminedbyBoltzmannstatistics:Alsoatthethermalequilibrium,theradiatedphotonenergydensityfromatomsmustfollowthePlanck’sblackbodyradiationdistributionlaw:21StimulatedEmissionRateandEinsteinCoefficientsBasedonaboveassumptionsandequations,theEinsteincoefficientscanbedeterminedas:Theratioofstimulatedtospontaneousemissionscanbedeterminedas:or22StimulatedEmissionRateandEinsteinCoefficientsTheratioofstimulatedemissiontoabsorptioncanbedeterminedas:Fromaboveequations,tworequirementsneedtobemettohavestrongerstimulatedemissionoverspontaneousemissionandabsorption(Lasing):(1)largephotonconcentration(opticalcavity)and(2)N2N1(populationinversion).23“内量子效率”为单位时间内辐射复合产生的光子数与单位时间内注入的电子-空穴对数之比。辐射复合速率wr与总的复合速率(wnr+wr)之比。因此，只有当τnrτr，才能获得高效率的光子发射。对间接复合为主的半导体材料，一般既存在发光中心，又存在其他复合中心，通过前者产生辐射复合，后者产生非辐射复合。因此，要使辐射复合占优势，必须使发光中心浓度远大于其他杂质浓度。发光效率24外量子效率是指半导体材料中总的有效发光效率。单位时间内发射到晶体外部的光子数与单位时间注入的电子-空穴对数之比。因为很多辐射复合所产生的光子并不是全部都能离开晶体向外发射。从发光区产生的光子通过半导体时部分可以被吸收，另外由于半导体的高折射率，光子在界面处很容易发生全反射而返回晶体内部。因此一般外量子效率比内量子效率低很多。25光发射的基础理论硅放大的限制硅基发光材料硅基发光二极管硅基激光器26光放大理论光的放大主要由材料的增益谱决定，对于半导体材料，它是由态密度（ρ(hν)）、费米函数(fg(hν))和辐射寿命τr决定的。L.Pavesi,ReviewArticle:Silicon-BasedLightSourcesforSiliconIntegratedCircuitsAdvancesinOpticalTechnologiesVolume2008其中，drstimordrabs是一定光子能量h下的受激发射和受激吸收率，g(h)是增益系数，dΦ是光子流量的变化。fe和fh是电子-空穴对的热分布函数，Φ是光子流密度，EFe和EFh是电子和空穴的准费米能级，当没有外泵浦的情况下，费米函数减少到简单的费米态，也就是对于一个空的导带和填满的价带，增益系数小于吸收系数，fg0。当外泵浦激发高密度的自由载流子，准费米能级的劈裂增加，当EFe−EFhhν，满足粒子数反转条件，fg0。这意味上面的公式为正值，因此系统也显示正的增益。从上面公式可以看出，辐射寿命τr也是一个关键的参数,寿命越短，增益越大。27对于一个原子系统，增益系数的表达式简化为其中σem是发射截面，σabs是吸收截面，N2和N1