光芯片行业报告：从II-VI和Lumentum看光芯片国产化（42页）

行业报告下载 2023年01月14日 08:30 管理员

对于直接带隙结构，电子在价带与导带间的跃迁只需满足能量守恒；对于间接带隙结构，由于价带顶与导带底的波矢不同，需在水平方向施加动量方可使电子完成跃迁，也即电子跃迁过程涉及声子的吸收与发射一方面，由低向高能级的跃迁必须要有声子参与，这导致跃迁发生的概率降低，间接带隙结构发生电子跃迁的概率约为直接间隙结构的 1/1000；另一方面，跃迁释放的大部分能量会转换为声子而非光子。此二因素决定了直接间隙结构中电子在高低能级间的跃迁效率更高。如前所述，对于激光器芯片而言，输出激光的关键在于“半导体中的电子吸收能量，由低能级向高能级跃迁 —电子由不稳定的高能级回落至低能级，在这一过程中以光子形式释放能量”，可见，电子跃迁的效率是激光输出效率的本源，故直接带隙结构的半导体更适用于制作激光器芯片。

三五族化合物大都为直接间隙半导体材料，如 GaAs、 GaN、InP 等，少部分三五族化合物如 GaP 及 Ge、 Si 则属于间接带隙结构，这是 GaAs、 InP 等三五族化合物在激光器芯片制备中应用普遍的基础。三五族化合物可形成三元及以上化合物作为外延材料，通过调整各组分元素的比例 ,可获得期望的激光输出波长，满足多样化的场景需求。激光器芯片输出的激光源于从导带层回落至价带层时释放的光子，故激光的波长主要由释放光子的波长决定，而光子的波长与光子的频率进而光子的能量成反比，故输出激光的波长将主要由“电子由导带底回落至价带顶释放的能量大小”决定，即半导体材料的带隙。对于 Si、 Ge而言，除电子跃迁效率较低外，它们为单一材料，带隙固定，故只能发出单一波长的光；对三五族化合物而言，单个化合物的带隙同样固定，但它们可按照不同比例进行混合，形成不同的三元及以上化合物，由此可得多种带隙。需指出，光芯片的衬底通常还是二元化合物，三元及以上化合物一般作为从衬底上生长出的外延材料。