半導體光電子學(第3版)（簡體書）

半導體光電子學是研究半導體中光子與電子相互作用、光能與電能相互轉換的一門科學，涉及量子力學、固體物理、半導體物理等一些基礎物理，也關聯著半導體光電子材料及其相關器件，在信息和能源等領域有著廣泛的應用。 半導體光電子器件的性能改善無不是通過不斷優化半導體材料和器件結構以增強電子與光子的相互作用、實現高效電能與光能相互轉換的結果，其中異質結所形成的電子勢壘和光波導的雙重效應起到了關鍵作用。全書分十章，各章內容相互關聯，形成當今半導體光電子學較為完整的、理論和實際應用相結合的系統。

黃德修，華中科技大學教授，博士生導師，多年來一直從事半導體光電子學、光纖通信等領域的研究和教學工作，承擔國家科技攻關、863計劃、973計劃、國家自然科學基金關於光纖通信、光纖傳感、光電子器件等方面的研究項目；曾任湖北省電子學會副理事長，武漢市科技專家委員會主任，華中科技大學武漢光電國家實驗室副主任，信息學院院長；現任中國光學學會常務理事。

前 言
《半導體光電子學》第2版自2013年元月問世至今又歷時了5年。在歷史長河中，5年時光只是彈指一揮間。然而，這短短的5年中，人們都能感受到我國正走向富強、人民正奔向小康。其間最令人感受深刻的莫過於我國一躍進入信息社會，盡情享受由信息帶來的財富和高生活質量。可能許多人並未關注我國的超級計算機在國際評比中屢登榜首，但都能感受到憑藉一個小小的手機能知天下事，能與國內乃至世界各地的親朋好友隨時視頻通信，足不出戶即可購物和支付等科技的變革。不少人可能只知道巨型計算機的運算速度只取決於集成電路芯片，卻並不知曉計算機中日益增多的光互連、並行光信息處理對信息容量所做出的貢獻。也可能不少人只知道手機通信如此便捷得益于無線通信（常稱的Wi-Fi)，卻不去深究如果沒有光纖/光纜進入千家萬戶、沒有跨海跨洋的大容量光纜連接到世界各地，並由此構建的光通信網絡大平臺，則無線通信將只能實現短距離且難以暢通的信息交流。這就是因為包括無線網在內的各種互聯網+業務都將彙集到光通信網絡這個大平臺上進行信息的快速（光速）傳輸與交換之故，各種互聯網只是光網絡的接入網而已。基於這一認識，就不難理解由光纖/光纜作為信息傳輸介質所編織的光網絡中，有無數體積很小但高效率工作的半導體激光器發出作為信息載體的激光，有無數接收信息的半導體光探測器。正是它們長年累月的默默奉獻才有今天的光網絡大平臺。
為了促進我國半導體光電子材料和器件的發展以及培養這一領域專業人才的需要，早在1985年原我國電子工業部教材編審委員會徵集相關教材選題時，本人所提出的《半導體光電子學》選題被認可後並在全國招標，1988年本人所提交的書稿又被該教材編審委員會選中，並於1989年由指定的電子科技大學出版社出版。為適應半導體光電子學的快速發展，本書的第2版於2013年元月由電子工業出版社出版發行。承蒙一些重點高校相關專業任課教師的器重，本書被用作相關專業大學本科教材、高校或相關研究所碩士研究生的選修課程以及博士研究生入學考試的參考書。時隔5年雖經3次印刷，但仍能發現書中存在一些錯誤和不足。為此，2017年初經與電子工業出版社竺南直博士（本書責任編輯）商定，將對本書內容做進一步精煉，結合其本身的發展需要增加一些新的內容，並於2018年初出版本書的第3版。
為了確保此版有更充實的內容，本書原作者特邀請華中科技大學黃黎蓉教授和洪偉副教授共同參與本書第3版的相關工作。她們二位早年跟隨我完成博士學位後又與我共同從事科研與教學，她們均有較高的學術造詣和認真的治學態度，因而期待此版有更好的質量與讀者見面。
第3版沿用第2版的章節結構應是合理的。這基於幾個方面：① 綜觀半導體光電子學的發展，無不是通過加強半導體光電子材料中電子與光子的相互作用、增強二者之間能量轉換效率，以獲得各種半導體光電子器件所需的性能的。這是貫穿全書的主線。②本書章節較多涉及了最能體現上述特點的半導體光發射器件。這是因為相比之下光吸收材料和相關器件要單純許多。例如，用作光發射器件的半導體材料要求是直接帶隙的，而且根據發射波長，對半導體材料的組成元素和比例（即組分比）都有嚴格要求，對有源層和限制層之間有很好的晶格匹配要求；而作為半導體光探測器的半導體除了選用量子躍遷效率高的直接帶隙材料外，間接帶隙半導體也能產生較強的光吸收。③ 將以量子阱為代表的低維量子材料置於全書中心位置的第6章，體現其核心地位，也體現了半導體光電子材料的發展和認識規律，具有承前啟後的作用。只有認識到體材料中具有3個自由度的電子受限能力不足而不利於其與光子相互作用的增強，才能理解減少電子自由度的重要性，也才有後來半導體光電子器件性能的提升。
本書第1章是全書的理論基礎，半導體光電子器件的功能是電子在半導體能帶之間躍遷的結果。躍遷速率的大小反映電子與光子相互作用的強弱，是量子力學、半導體物理等近代物理向光電子領域的延伸。第2章的異質結是兩種不同帶隙的半導體所形成的晶體界面和載流子勢壘，同時利用異質結兩邊的折射率差又可成為光子全反射界面，從而成為第3章光波導的基礎。異質結的這種雙重作用是第4章體材料半導體激光器的基本結構要件，也是其後發展各種高性能半導體光電子材料和器件的基礎。異質結之間的距離必須從對載流子限制和對光子限制的光波導效應各自優化的基礎上做綜合考慮，以求得到第5章所列器件的最佳性能，例如，激光器的閾值電流、輸出光的模式、線寬、調製等特性。
本書第3版對前一版仍存在的少數印刷失誤和內容敘述不妥之處做了修改；結合半導體光電子學的最新進展對某些章節內容做了較多補充；進一步加強了全書各章節內容之間的關聯和前後呼應，以求更加系統和連貫。儘管如此，限於作者水平，仍會有一些不盡人意之處，懇請讀者不吝批評指正。
本書僅是作者以光信息傳輸中所用光源和探測、光信息存儲和處理所需的半導體光電子器件為應用背景，對半導體光電子材料中電子與光子相互作用的基本理論、器件結構和性能要求等方面的粗淺認識基礎上編寫的，遠非半導體光電子學豐富內涵的全部。在第10章所提的正待發展的半導體光電子學的幾個方面以及緒論中所提的有待進一步探索的幾個問題也只是受限於作者認識水平所為。但願本書能為致力於進一步發展半導體光電子學、進一步提高半導體光電子器件性能和拓展其應用的同仁提供一點創新動力。
最後對長期關心、支持和使用本書的朋友們致以衷心的謝意。

黃德修
2018年2月于華中科技大學

目 錄
緒論 1
第1章 半導體中光子-電子的相互作用 4
1.1 半導體中量子躍遷的特點 4
1.2 直接帶隙與間接帶隙躍遷 5
1.2.1 概述 5
1.2.2 電子在能帶之間的躍遷幾率 7
1.2.3 電子在淺雜質能級和與其相對的能帶之間的躍遷 11
1.2.4 重摻雜時的帶-帶躍遷 13
1.3 光子密度分佈與能量分佈 14
1.4 電子態密度與佔據幾率 16
1.5 躍遷速率與愛因斯坦關係 20
1.5.1 淨的受激發射速率和半導體激光器粒子數反轉條件 22
1.5.2 自發發射與受激發射速率之間的關係 24
1.5.3 淨的受激發射速率與增益係數的關係 25
1.5.4 淨的受激吸收速率與吸收係數 25
1.6 半導體中的載流子複合 26
1.6.1 自發輻射複合速率 27
1.6.2 俄歇（Auger）複合 31
1.7 增益係數與電流密度的關係 36
思考與習題 42
參考文獻 43
第2章 異質結 44
2.1 異質結及其能帶圖 44
2.1.1 pN異型異質結 45
2.1.2 突變同型異質結 47
2.1.3漸變異質結 48
2.2 異質結在半導體光電子學器件中的作用 49
2.2.1 在半導體激光器（LD）中的作用 49
2.2.2 異質結在發光二極管（LED）中的作用 50
2.2.3 異質結在光電二極管探測器中的應用 50
2.3 異質結中的晶格匹配 50
2.4 對注入激光器異質結材料的要求 55
2.4.1 從激射波長出發來選擇半導體激光器的有源材料 56
2.4.2 從晶格匹配來考慮異質結激光器材料 58
2.4.3 由異質結的光波導效應來選擇半導體激光器材料 58
2.4.4 襯底材料的考慮 63
2.5 異質結對載流子的限制 63
2.5.1 異質結勢壘對電子和空穴的限制 63
2.5.2 由洩漏載流子引起的漏電流 66
2.5.3 載流子洩漏對半導體激光器的影響 69
思考與習題 70
參考文獻 70
第3章 平板介質光波導理論 72
3.1 光波的電磁場理論 72
3.1.1 基本的電磁場理論 72
3.1.2 光學常數與電學常數之間的關係 73
3.2 光在平板介質波導中的傳輸特性 78
3.2.1 平板介質波導的波動光學分析方法 78
3.2.2 平板介質波導的射線分析法 84
3.3 矩形介質波導 91
思考與習題 95
參考文獻 96
第4章 異質結半導體激光器 97
4.1 概述 97
4.2 光子在諧振腔內的振盪 98
4.3 在同質結基礎上發展的異質結激光器 101
4.3.1 同質結激光器 101
4.3.2 單異質結半導體激光器 102
4.3.3 雙異質結激光器 103
4.4 條形半導體激光器 105
4.4.1 條形半導體激光器的特點 105
4.4.2 條形激光器中的側向電流擴展和側向載流子擴散 106
4.5 條形激光器中的增益光波導 111
4.5.1 概述 111
4.5.2 增益波導的數學分析 112
4.5.3 增益波導激光器中的像散、K因子 117
4.5.4 側向折射率分佈對增益波導的影響 118
4.6 垂直腔表面發射激光器（VCSEL） 120
4.6.1 概述 120
4.6.2 VCSEL的結構 121
4.6.3 布拉格反射器 123
4.7 分佈反饋（DFB）半導體激光器 126
4.7.1 概述 126
4.7.2 耦合波方程 127
4.7.3 耦合波方程的解 129
4.7.4 閾值增益和振盪模式 130
4.7.5 DFB激光器結構與模選擇 132
思考與習題 134
參考文獻 135
第5章 半導體激光器的性能 137
5.1 半導體激光器的閾值特性 137
5.1.1 半導體激光器結構對其閾值的影響 137
5.1.2 半導體激光器的幾何尺寸對閾值電流密度的影響 138
5.1.3 溫度對閾值電流的影響 141
5.2 半導體激光器的效率 142
5.3 半導體激光器的遠場特性 145
5.3.1 垂直於結平面的發散角?⊥ 146
5.3.2 平行於結平面方向上的發散角?// 148
5.3.3 波導結構對遠場特性的影響 148
5.4 半導體激光器的模式特性 149
5.4.1 縱模譜[11] 150
5.4.2 影響縱模譜的因素 151
5.4.3 激光器的單縱模工作條件 153
5.4.4 “空間燒洞”效應對單模功率的限制 155
5.4.5 溫度對模譜的影響 156
5.4.6 單縱模激光器 157
5.5 半導體激光器的光譜線寬 158
5.5.1 肖洛?湯斯（Schawlow-Townes）線寬?vsT 158
5.5.2 半導體激光器的線寬 159
5.5.3 與輸出功率無關的線寬 161
5.5.4 增益飽和與線寬 161
5.6 半導體激光器的瞬態特性 162
5.6.1 瞬態響應的物理模型 162
5.6.2 速率方程 163
5.6.3 延遲時間td 164
5.6.4 對半導體激光器直接調製 165
5.6.5 張弛振盪 167
5.6.6 自持脈衝 170
5.7 半導體激光器的退化和失效 171
5.7.1 半導體激光器的工作方式 171
5.7.2 半導體激光器的退化 173
5.7.3 歐姆接觸的退化 175
5.7.4 溫度對半導體激光器退化的影響 175
思考與習題 175
參考文獻 176
第6章 低維量子半導體材料 178
6.1 概述 178
6.2 量子阱的基本理論和特點 180
6.2.1 量子阱中的電子波函數和能量分佈 180
6.2.2 量子阱中電子的態密度和增益 182
6.2.3 量子阱中的激子性質 184
6.2.4 應變量子阱 185
6.3 量子阱半導體激光器 187
6.3.1概述 187
6.3.2 單量子阱（SQW）半導體激光器 188
6.3.3 多量子阱（MQW）半導體激光器 189
6.3.4 量子級聯激光器 191
6.4 量子線與量子點 192
6.4.1 量子線和量子點基本理論 192
6.4.2 量子線和量子點製備方法 194
6.4.3 量子點的定位生長 195
6.4.4 矽基異質外延的量子點及激光器 196
思考與習題 199
參考文獻 199
第7章 半導體光放大器（SOA） 202
7.1 概述 202
7.2 半導體光放大器的性能要求 204
7.2.1 半導體光放大器的增益特性 205
7.2.2 半導體光放大器的噪聲特性 210
7.2.3 半導體光放大器的耦合特性[7] 211
7.3 半導體光放大器應用展望 212
7.3.1 半導體光放大器在光纖通信傳輸網上的應用 213
7.3.2 半導體光放大器在全光信號處理中的應用 214
思考與習題 217
參考文獻 218
第8章 可見光半導體光發射材料和器件 219
8.1 概述 219
8.2 紅光半導體光發射材料和器件 222
8.2.1 紅光半導體材料 222
8.2.2 紅光半導體激光器 224
8.2.3 紅光發光二極管 226
8.3 藍/綠光半導體光發射材料和器件 228
8.3.1 概述 228
8.3.2 Ⅲ-N化合物半導體光發射材料 229
8.3.3 藍/綠光半導體光發射器件 232
思考與習題 233
參考文獻 234
第9章 半導體中的光吸收和光探測器 236
9.1 本征吸收 236
9.1.1 直接帶隙躍遷引起的光吸收 237
9.1.2 間接帶隙躍遷引起的光吸收 239
9.2 半導體中的其他光吸收 243
9.2.1 激子吸收 243
9.2.2 自由載流子吸收 247
9.2.3 雜質吸收 249
9.3 半導體光電探測器的材料和性能參數 250
9.3.1 常用的半導體光電探測器材料 250
9.3.2 半導體光電探測器的性能參數 250
9.4 無內部倍增的半導體光探測器 253
9.4.1 光電二極管 253
9.4.2 PlN光探測器 254
9.4.3 光電導探測器 256
9.5 半導體雪崩光電二極管（APD） 257
9.5.1 APD的原理與結構 257
9.5.2 APD的噪聲特性 261
9.5.3 APD的倍增率（或倍增因子） 263
9.5.4 APD的響應速度 263
9.5.5 低電壓工作的APD 264
9.6 量子阱光探測器 265
9.6.1 量子阱雪崩倍增二極管 265
9.6.2 基於量子阱子能級躍遷的中/遠紅外探測器 266
9.6.3 基於量子限制斯塔克效應的電吸收調製器 267
思考與習題 270
參考文獻 271
第10章 半導體光電子器件集成 273
10.1 概述 273
10.1.1 集成電路的啟示 273
10.1.2 由電子與光子所具有的並行性和互補性應為PIC或OEIC出現的邏輯推理 273
10.1.3 PIC和OEIC的發展 274
10.1.4 需求對光子集成或光電子集成的強力拉動 275
10.2 制約光子集成和光電子集成發展的某些因素 276
10.2.1 制約光子集成或光電子集成發展的因素 276
10.2.2 發展光子集成或光電子集成的某些啟示 277
10.3 幾種常用的光子集成手段 280
10.3.1 對接再生長 280
10.3.2 選區外延生長 281
10.3.3 量子阱混合 281
10.3.4 鍵合 282