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物理教育學刊
2007, 第八卷第一期, 151-168 Chinese Physics Education2007, 8(1), 151-168
III-V
族化合物半導體
在光電元件中的應用
林祐仲
國立彰化師範大學 光電科技研究所 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，單位: nm)的光，兩 者之關係為Eg = 1240/λ，一般定義可見光的 波長範圍約400 nm 至 750 nm，因此成長特 定能隙(1.66 ~ 3.1 eV)之直接能隙 III-V 族 p-n 二極體便構成一個可發出可見光之發光二極 體。當此發光二極體之p 型半導體端注入電 洞n 型半導體注入電子則處於順偏狀態，導 致 p-n 界面空乏區變窄，電子和電洞將於近 界面處以輻射複合方式複合然後發光。圖四 顯 示 日 亞 公 司 中 村 修 二 所 發 表 之科技報導
152 InGaN/AlGaN 異質結構藍色發光二極體的 元件結構[1]，位在 III-V 族半導體 p-n 界面 之Zn-Si 摻雜之 InGaN 層為發光層，整個元 件結構顯示具有p-n 半導體結構特性。
二、光檢測器
光檢測器可用於檢測光訊號的光電元 件，構成光檢測器必須找到能吸收要被檢測 光波之半導體材料，且吸收該光波之後會在 半導體內形成電子-電洞對。光檢測器廣泛應 用於光纖通信感測器和光隔絕器的紅外線感 測器，此類光檢測器必須具備高靈敏度、高 響應度和低雜訊。圖五顯示 III-V 族半導體 之感光二極體結構圖[2]，其具有 p-n 半導體 結構特性。感光二極體基本上是一個操作於 反偏壓的p-n 界面，當光信號照射於感光二 極體時，空乏區會將光生電子電洞予以分 開，因此有電流流至外部電路。對於一個感 光二極體在操作時並須考量兩個參數，即量 子效率和頻率響應，在圖五中可發現 p-n 半 導體結構中插入一層未摻雜之本質半導體層 可予以調變得到最佳之量子效率和頻率響 應。三、太陽電池
在20 世紀的世界能源結構中，人們所利 用的能源包含石油、天然氣和煤炭等化石能 源，經過一段相當時間隨著經濟發展和人口 增加，這些化石能源可能被消耗殆盡，因此 急需尋求替代能源，根據種種現象和研究成 果顯示太陽直接輻射至地球表面的能量豐富 並廣泛分布且可再生又具無汙染環境之優 勢，是目前國際社會公認的理想替代能源。 太陽能發電及其應用是集開發利用綠色可再 生能源、改善生態環境和人類生活條件於一 體為目前全世界發展的重大課題。在1990 圖1 圖2 圖3 圖4153 年之前太陽電池的材料以單晶，多晶和非晶 的矽為主，III-V 族半導體材料亦可應用於太 陽電池製作，由於 III-V 族半導體具直接能 隙特性，僅需成長數微米厚之薄膜即具高的 吸光率，III-V 族半導體之太陽電池也具有較 高 之 光 電 轉 換 效 率 。 圖 六 顯 示 InGaP/GaAs/Ge 多接面太陽電池的結構圖 [3]，其具有 p-n 半導體結構特性，當陽光照 射太陽電池之多接面之 p-n 界面時，因每個 p-n 界面具不同的能隙值，因此不同波段之 太陽光分別被能被各個 p-n 結構之半導體所 吸收(顯示於圖七)，如此可在導帶和價帶中 產生非平衡電子和電洞。由於 p-n 界面空乏 區存在內建電場，因而在空乏區中的光生電 子電洞授內建電場之影響下，各向相反方向 移動離開空乏區(構成 n 區流向 p 區的光生電 流)導致 p 區電位升高 n 區電位下降，p-n 界 面兩端形成光生電動勢。如果將此多接面之 p-n 結構之半導體與外電路接通，只要持續 照光就會不斷有電流流過電路，p-n 結構之 半導體起了電源的作用，這就是太陽電池基 本工作原理，即將太陽光的光能直接轉換成 電能。
