Microsoft PowerPoint - 第11回半導体工学

Size: px

Start display at page:

Download "Microsoft PowerPoint - 第11回半導体工学"

みりあこびき
5 years ago
Views:

1 207 年 2 月 8 日 ( 月 ) 限 8:45~0:5 I05 第回半導体工学天野浩項目 8 章半導体の光学的性質 /24

2 光る半導体 ( 直接遷移型 ) と光らない半導体 ( 間接遷移型 ) * 原理的に良く光る半導体 :GaAs GaN IP ZSe など * 原理的に殆ど光らない半導体 ( 不純物を入れると少し光る ):Si Ge GaP SiCなど結晶構造とバンド構造 E E 伝導帯バンドギャップ k バンドギャップ k 価電子帯 k 0 a 0 a で Ec が極小となることもある 2/24

3 LD とは? 単色性三原色 LED のスペクトル青色 LED の光 LD のスペクトル蛍光体の光白色 LED のスペクトル 3/24

4 LD とは? Lumileds HP より LED の光束電流特性 Sharp HPより LDの光出力電流特性閾値電流 4/24

5 LD とは? 指向性 LED チップ指向性 SILVACO HP より Niichia HP より 5/24

6 LD とは? スペックルパターン r_203_05_8/ewpage2.htm 干渉パターン位相性 6/24

7 LD とは? TE: 電界成分が入射面に対して横向き TM: 磁界成分が入射面に対して横向き直線偏光偏光性 7/24

8 液晶ディスプレイの欠点とレーザダイオードディスプレイの可能性 LED OLED 総合透過率 5% 程度偏光板単体透過率 45% 現状の液晶ディスプレイ 8/24

9 液晶ディスプレイの欠点とレーザダイオードディスプレイの可能性色フィルタなし偏光板無し高効率但し LD は LED より効率悪い新技術 :4K TV *All LD *All LED *lue Gree LED Red LD *OLED 9/24

10 誘導放出の考え方誘導遷移 : 電磁波 ( 光 ) により遷移を誘導させる自発遷移 : 光の助けなしで遷移する (= 自然放出 ) エネルギー誘導遷移 2 自発遷移遷移確率遷移確率遷移確率 A 光誘導放出誘導吸収吸収 R ) 2 2 ( 2 E 2 E 自然放出角振動数 2 の状態密度放出 R 二準位ならば 2 A ( 2) ( 2) ( ) 2 0/24

11 エネルギー光誘導放出誘導遷移 2 自発遷移 2 A 2 2 誘導吸収誘導放出 E 2 E 自然放出熱平衡ならば R R 2 2 電子分布は正確にはFDであるが Mで近似できるとすると二準位のエネルギー差 E 2 -E は 2 E E k T e E E 従って ( ) 2 2 k T 2 2 e A 2 /24

12 レーザ発振の原理 E 2 >E それぞれの準位の電子密度 N 2,N N N 2 e E2 E k T N N 2 kt 通常はN >N e 2 E 2 E ポンピングと呼ぶ E h 誘導遷移 k m 誘導吸収 h m k もし何らかの方法で N <N 2 とすると E 2 >E なので T<0 負温度と呼ぶ N e 誘導放出 N 2 e E2 k T E k T E 2 E 分布が反転しているので反転分布と呼ぶ 2/24

13 遷移確率もし負温度の状態 (N 2 >N ) で h の電磁波が入ってきたら? 毎秒 W 2 N 2 個の光子を放出毎秒 W 2 N 個の光子を吸収 W 2 =W 2 反転分布状態では誘導放出される光子の方が誘導吸収される光子の数より多い! E h k m 誘導吸収誘導遷移 h N m k e 誘導放出 N 2 e E2 k T E k T E 2 E 光の増幅作用 Light Amplificatio by Stimulated Emissio of Radiatio LASER レーザ発振は N 2 >N が必須二準位では実現できない! 3/24

14 ポンピング機構 LASER の概念 4/24

15 半導体レーザダイオード E 活性層活性層 k 型層から活性層の伝導帯へ電子を沢山注入し p 型層から活性層の価電子帯へ正孔を沢山注入すると反転分布してレーザ発振する 5/24

( ) 2 2 k T 2 2 e A 2 A 2 2 誘導放出 Plack の黒体輻射の式と比較 2 3 ( ) 3 2 c h 2 3 3 2 2 c h exp( ) k T

16 ( ) 2 2 k T 2 2 e A 2 A 2 2 誘導放出 Plack の黒体輻射の式と比較 2 3 ( ) 3 2 c h c h exp( ) k T レーザの必要条件反転分布 N 2 >N 二準位だけでは生じない E 2 No radiative E 3 Max Plack Pump Lasig 四準位の例 E No radiative E 4 6/24

17 Electros i C.. 電子の擬フェルミ準位 N EC E k T 正孔の擬フェルミ準位 p N V C e e p EF E k T 半導体内で反転分布を実現するには? V F E F p E F Phoo cascade Ec Recombiatio Ev Phoo cascade Hole i V.. 伝導帯から価電子帯への遷移確率をW CV とすると単位体積単位時間当たりの誘導放出数は N W N f N f st CV C C V 価電子帯から伝導帯への遷移確率をW VC とすると単位体積単位時間当たりの誘導吸収数は N W N ( f ) N f ab VC C C V V V 7/24

18 右の式で W CV =W VC 誘導放出の条件は N st N ab f C 半導体内反転分布 N W N f N st CV N W N ( f ) ab VC fv ( fc fv ) Q8-5:f を M で近似し誘導放出の必要条件である erard-duraffourg の条件を導出せよ C C C C V fv N f f f C V V V M 近似 EC E Exp[ k T EV E Exp[ k T f fp ] ] E F E p F E C E V 擬フェルミ準位のエネルギー差 > バンドギャップ 8/24

19 閾値電流密度簡単化のために電子電流密度のみ考える活性層での生成割合をG 再結合割合をUとする J q ( G U ) d, dt 利得 gは活性層内の再結合生成と以下の関係がある g a ( U G ) dx aは比例定数定常状態では J q J ( G q J U q U G ( U G ) dx ) 0 電流密度の損失分 J T を考慮すると g=a (J-J T ) J T =Trasparecy curret desity 透明になる電流密度 g a q 9/24

20 閾値電流密度パワー反射率 R パワー反射率 R 2 L 行き帰りで光強度 exp(g 2L) 増加損失はミラー損失だけとすると exp( g 2L) g l( 2L R R R R 2 ) 2 前頁 g=a (J-J T ) 20/24

21 Separate Cofiemet Heterostructure(SCH) Laser Diode(LD) 光閉じ込めキャリア閉じ込め 2/24

22 内部損失 : 散乱損失 G 光閉じ込め係数 th i g sc モード利得 G と閾値 th i fc 2L l( R R 2 共振器長 ( ) ) pg 活性層内クラッド層での損失自由キャリアの吸収損失 Fabry-Perot FP 反射率閾値電流密度 J th は? J th d i ) 2L l( RR 2 J 0d J 電流密度と g の例 : 内部量子効率 J 0 : 透明になるために必要な電流密度 d: 活性層厚 J :Auger 再結合や界面再結合などの無効電流密度 22/24

23 GaAs GaIPおよびGaNの各バンドの有効質量と透明になる電子 - 正孔対濃度 GaAs Ga 0.5 I 0.5 P GaN 伝導帯電子の有効質量 m e /m 価電子帯軽い正孔の有効質量 m lh /m 価電子帯重い正孔の有効質量 m hh /m 価電子帯正孔状態密度有効質量 m h /m 透明になる電子 - 正孔対濃度 N 0 /cm 3.3* * *0 8 閾値電流密度 J th d * q N 0 s s : 自然放出光の再結合速度 GaAs:2~3sec GaN:2~4sec GaAs : 0.6~0.4 KA/cm 2 GaN : ~2.4 KA/cm 2 23/24

24 HW: LD の単色性可干渉性についてその機構を纏める 2LD の偏光特性指向性が何故生じるか調べる 24/24

PowerPoint Presentation

PowerPoint Presentation 半導体電子工学 II 神戸大学工学部電気電子工学科小川真人 11//'11 1 1. 復習 : 基本方程式キャリア密度の式フェルミレベルの位置の計算ポアソン方程式電流密度の式連続の式 ( 再結合 ). 接合. 接合の形成 b. 接合中のキャリア密度分布 c. 拡散電位. 空乏層幅 e. 電流 - 電圧特性本日の内容 11//'11 基本方程式ポアソン方程式 x x x 電子正孔キャリア密度の式