(AP, 2003)(ISBN 0125571909)(296s)

296 Pages·2006·4.01 MB·English

Semiconductor
Optoelectronic Devices
Introduction to Physics
and Simulation

Semiconductor
Optoelectronic Devices
Introduction to Physics
and Simulation
JOACHIM PIPREK
UniversityofCalifornia
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02 03 04 05 06 9 8 7 6 5 4 3 2 1
To Lisa

Contents
Preface xi
ListofTables xiii
I Fundamentals 1
1 IntroductiontoSemiconductors 3
1.1 Electrons,Holes,Photons,andPhonons . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2 Fermidistributionanddensityofstates . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3 Doping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2 Electronenergybands 13
2.1 Fundamentals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.1.1 ElectronWaves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.1.2 EffectiveMassofElectronsandHoles . . . . . . . . . . . 16
2.1.3 EnergyBandGap . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.2 ElectronicBandStructure:The(cid:1)k·p(cid:1) Method . . . . . . . . . . . . 23
2.2.1 Two-BandModel(ZincBlende) . . . . . . . . . . . . . . 24
2.2.2 StrainEffects(ZincBlende) . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.2.3 Three-andFour-BandModels(ZincBlende) . . . . . . . 30
2.2.4 Three-BandModelforWurtziteCrystals . . . . . . . . . . 32
2.3 QuantumWells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.4 SemiconductorAlloys. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.5 BandOffsetatHeterointerfaces. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3 Carriertransport 49
3.1 DriftandDiffusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.2 pn-Junctions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.3 Heterojunctions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.4 Tunneling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.5 BoundaryConditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.5.1 Insulator–SemiconductorInterface . . . . . . . . . . . . . 57
3.5.2 Metal–SemiconductorContact . . . . . . . . . . . . . . . 58
vii
viii CONTENTS
3.6 CarrierMobility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.7 Electron–HoleRecombination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.7.1 RadiativeRecombination . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.7.2 NonradiativeRecombination . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.8 Electron–HoleGeneration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
3.8.1 PhotonAbsorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
3.8.2 ImpactIonization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
3.8.3 Band-to-BandTunneling . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
3.9 AdvancedTransportModels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
3.9.1 EnergyBalanceModel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
3.9.2 BoltzmannTransportEquation . . . . . . . . . . . . . . . 81
4 OpticalWaves 83
4.1 Maxwell’sEquations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4.2 DielectricFunction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
4.2.1 AbsorptionCoefficient . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
4.2.2 IndexofRefraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
4.3 BoundaryConditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
4.4 PlaneWaves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
4.5 PlaneWavesatInterfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
4.6 MultilayerStructures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
4.7 HelmholtzWaveEquations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
4.8 SymmetricPlanarWaveguides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
4.9 RectangularWaveguides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
4.10 FacetReflectionofWaveguideModes . . . . . . . . . . . . . . . 110
4.11 PeriodicStructures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
4.12 GaussianBeams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
4.13 FarField . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
5 PhotonGeneration 121
5.1 OpticalGain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
5.1.1 TransitionMatrixElement . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
5.1.2 TransitionEnergyBroadening . . . . . . . . . . . . . . . 127
5.1.3 StrainEffects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
5.1.4 Many-BodyEffects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
5.1.5 GainSuppression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
5.2 SpontaneousEmission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
6 HeatGenerationandDissipation 141
6.1 HeatFluxEquation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
CONTENTS ix
6.2 HeatGeneration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
6.2.1 JouleHeat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
6.2.2 RecombinationHeat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
6.2.3 ThomsonHeat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
6.2.4 OpticalAbsorptionHeat . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
6.3 ThermalResistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
6.4 BoundaryConditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
II Devices 149
7 Edge-EmittingLaser 151
7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
7.2 ModelsandMaterialParameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
7.2.1 Drift–DiffusionModel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
7.2.2 GainModel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
7.2.3 OpticalModel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
7.3 CavityLengthEffectsonLossParameters . . . . . . . . . . . . . 161
7.4 SlopeEfficiencyLimitations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
7.5 TemperatureEffectsonLaserPerformance. . . . . . . . . . . . . 164
8 Vertical-CavityLaser 171
8.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
8.2 Long-WavelengthVertical-CavityLasers . . . . . . . . . . . . . . 171
8.3 ModelandParameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
8.4 CarrierTransportEffects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
8.5 ThermalAnalysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
8.6 OpticalSimulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
8.7 TemperatureEffectsontheOpticalGain . . . . . . . . . . . . . . 184
9 NitrideLightEmitters 187
9.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
9.2 NitrideMaterialProperties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
9.2.1 CarrierTransport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
9.2.2 EnergyBands . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
9.2.3 Polarization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
9.2.4 RefractiveIndex. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
9.2.5 ThermalConductivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
9.3 InGaN/GaNLight-EmittingDiode . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
9.3.1 DeviceStructure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
9.3.2 PolarizationEffects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197