第十四結 異質結

1、第十四節(jié)第十四節(jié) 半導體異質結半導體異質結 內容內容 n半導體異質結的簡介 n異質結的能帶結構 n異質結的特性 n異質結的應用簡介 半導體異質結？半導體異質結？ n由兩種不同的半導體材料組成的結，則稱為異質結。 n本章主要討論半導體異質結的能帶結構、異質pn結的電流 電壓特性與注入特性及各種半導體量子阱結構及其電子能 態(tài)，并簡單介紹一些應用。 半導體異質結的發(fā)展歷史半導體異質結的發(fā)展歷史 n1947年，巴丁，布喇頓，肖克萊發(fā)明點接觸晶體管； n1949年，肖克萊提出pn結理論； n1957年，克羅默（Kroemer）指出導電類型相反的兩 種半導體組成的異質pn結比同質結具有更高的注入效 率；

2、n1962年，Anderson提出異質結的理論模型； n1968年，美國貝爾實驗室和前蘇聯的約飛研究所做成 GaAs-AlxGa1-xAs異質結激光器； n70年代，液相外延、汽相外延、金屬氧化物化學汽相 沉積和分子束外延技術的出現，使異質結的生長技術 趨于完善； 半導體異質結的分類半導體異質結的分類 根據兩種半導體單晶材料的導電類型，異質 結又分為以下兩類： n反型異質結，指有導電類型相反的兩種不 同的半導體單晶材料所形成的異質結 n同型異質結，指有導電類型相同的兩種不 同的半導體單晶材料所形成的異質結。 n異質結也可以分為突變型異質結（過渡區(qū) 幾個原子層）和緩變形異質結（過渡區(qū)幾 個擴散長

3、度）。 內容內容 n半導體異質結的簡介 n異質結的能帶結構 n異質結的特性 n異質結的應用簡介 突變型異質結的能帶結構突變型異質結的能帶結構 n忽略界面態(tài)影響； n如圖表示兩種不同的半導體材料沒有形成異質結前的熱平 衡能帶圖。有下標“1”者為禁帶寬度小的半導體材料的物 理參數，有下標“2”者為禁帶寬度大的半導體材料的物理 參數。 平衡時，兩塊半導體有統(tǒng)一的費米能級 因而異質結處于熱平衡狀態(tài)。兩塊半導 體材料交界面的兩端形成了空間電荷 區(qū)。n型半導體一邊為正空間電荷區(qū) ，p型半導體一邊為負空間電荷區(qū)。 正負空間電荷間產生電場，也稱為內 建電場，因為電場存在，電子在空間 電荷區(qū)中各點有附加電勢能，

4、 1.能帶發(fā)生了彎曲。 2.能帶在交界面處不連續(xù)，有一個突變 21FFF EEE 則能帶總的彎曲量就是真空電子能級的彎 曲量即 顯然 兩種半導體的導帶底在交界面的處突變 為（導帶階） 而價帶頂的突變（價帶階） 而且 式(9-4)、式(9-5)和式(9-6)對所有突變異 質結普遍適用。 21DDD VVV 21 c E 2112 ggv EEE(9-5) (9-4) 22ggvc EEEE (9-6) 1221FFDDD EEqVqVqV p-n-Ge-GaAs異質結的能帶圖異質結的能帶圖 突變突變np異質結的能帶圖異質結的能帶圖 突變突變nn異質結異質結 n 對于反型異質結，兩種半導體材料的交

5、界面兩邊都成了 耗盡層；而在同型異質結中，一般必有一邊成為積累層。 突變突變pp異質結異質結 n異質結界面，晶格常數較小的半導體存在一部分的不飽和 鍵，稱為懸掛鍵；懸掛鍵產生了界面態(tài)； n懸掛鍵密度為界面兩端鍵密度之差： 界面態(tài)的影響界面態(tài)的影響 n界面態(tài)形成的主要原因：晶格失 配 n兩種半導體晶格常數a1，a2（ a1a2），定義晶格失配為： 2(a2-a1)/(a2+a1) 21sss NNN 晶格失配引入懸掛鍵晶格失配引入懸掛鍵 n金剛石/纖鋅礦結構：Si，Ge， GaN，AlN，GaAs，ZnO等 n金剛石結構界面懸鍵密度： 2 2 2 1 2 1 2 2 2 4 aa aa Ns（1

6、10） 2 2 2 1 2 1 2 2 4 aa aa Ns （100） 2 2 2 1 2 1 2 2 3 4 aa aa Ns （111） 與面原子密度差別？ 表面能級的作用表面能級的作用 n根據表面能級理論計算求得，當 金剛石結構的晶體表面能級密度 在1013cm-2以上時，在表面處的費 米能級位于禁帶寬度的1/3處（巴 丁極限） n對于n型半導體，懸掛鍵起受主作 用，因此表面能級向上彎曲。 n對于p型半導體懸掛鍵起施主作用 ，因此表面能級向下彎曲。 考慮表面能級的作用時的能級圖考慮表面能級的作用時的能級圖 n表面態(tài)在界面是普遍存在的， n界面能級彎曲由a較小的一方決定； n界面形成積累

7、層、耗盡層； 施主 作用 (p型) 考慮表面能級的作用時的能級圖考慮表面能級的作用時的能級圖 受主 作用 (n型) 內容內容 n半導體異質結的簡介 n異質結的能帶結構 n異質結的特性 n異質結的應用簡介 突變異質結的勢壘高度和突變異質結的勢壘高度和 n以突變pn異質結為例 設p型和n型半導體中的雜質都是均勻分布的，則交界面兩 邊的勢壘區(qū)中的電荷密度可以寫成 2220 1101 )(, )(, D A qNxxxx qNxxxx 勢壘區(qū)總寬度為 勢壘區(qū)內的正負電荷總量相等，即 式（9-13）可以化簡為 設V(x)代表勢壘區(qū)中x電的電勢，則突變反型異質結交界 面兩邊的泊松方程分別為： 121002

8、 ddxxxxX D QxxqNxxqN DA )()( 022101 1 2 02 10 A D N N xx xx (9-13) (9-12) (9-14) 由式（9-12）（9-14）得 將上述兩式代入（9-30）得 從而算得勢壘區(qū)寬度XD為 21 2 10 ) DA DD NN XN xx （ 21 A1 02 ) DA D NN XN xx （ 2 21 1 21 2 21 2 12 21 2 DA DA D DA DD AD NN XN N NN XN N q V 2 1 112221 2 2121 2 ADDA DDA D NNNqN VNN X (9-34) (9-33) (9

9、-35) (9-36) 交VD1與VD2之比為 以上是在沒有外加電壓的情況下，突變反型異質結處于熱 平衡狀態(tài)時得到的一些公式。若在異質結上施加外加電壓 V?？梢缘玫疆愘|結處于非平衡狀態(tài)時的一系列公式： 11 22 2 1 A D D D N N V V 21 1 21 2 21 2 12 21 2 DA DA D DA DD AD NN XN N NN XN N q VV 2 1 221121 2 2121 2 DADA DDA D NNNqN VVNN X (9-42) (9-43) (9-41) 半導體異質半導體異質pn結的電流電壓特性及注入結的電流電壓特性及注入 特性特性 n如圖半導體異

10、質pn結界面導帶 連接處存在一勢壘尖峰，根據 尖峰高低的不同有兩種情況。 圖a表示勢壘尖峰低于p區(qū)導帶 底的情況，稱為低勢壘尖峰情 況，圖b表示勢壘尖峰高于p區(qū) 導帶底的情況，稱為高勢壘尖 峰情況（熱發(fā)射）。 根據上述，低尖峰勢壘情形是異質結的電子流主要由擴散 機制決定，可用擴散模型處理，如圖9.11中圖a和圖b分別 表示其零偏壓時和正偏壓時的能帶圖。p型半導體中少數 載流子濃度n10與n型半導體中多數載流子濃度的關系為： 取交界面x=0，當異質結加正 向偏壓V時 Tk EqV nn cD 0 21 exp Tk qV n Tk EVVq nxn cD 0 10 0 2011 expexp (

11、9-59) (9-60) 在穩(wěn)定情況下，p型半導體中注入少數載流子運動的連續(xù) 性方程為 其通解為 從而求得電子擴散電流密度 0 11 2 1 2 n n nxn dx xnd D 11 11 expexp nn L x B L x Anxn 1exp 01 10111 1 1 Tk qV L nqD dx nxnd qDJ n n xx nn (9-62) (9-61) 上式為由n型區(qū)注入p型區(qū)的電子擴散電流密度，以下計算 由p型區(qū)注入n型區(qū)的空穴電流密度。從p區(qū)價帶頂的空穴 勢壘高度為 在熱平衡時n型半導體中少數載流子空穴的濃度與p型半導 體中的空穴濃度關系 正向電壓V時在n區(qū)x=x2處的空

12、穴濃度增加為 VVDD EqVEqVqV 21 Tk EqV pp VD 0 1020 exp (9-63) 從而求得空穴擴散電流密度、 由（9-62）（9-65）可得外加電壓，通過異質pn結的總電 流為 Tk qV p Tk EVVq pp VD 0 20 0 1020 expexp 1exp 02 202 202 2 2 Tk qV L pqD dx pxpd qDJ p p xx pp 1exp 0 20 2 2 10 1 1 Tk qV p L D n L D qJJJ p p n n np (9-66) (9-65) (9-64) n異質pn（擴散）結 n同質pn結： 1exp 0

13、20 2 2 10 1 1 Tk qV p L D n L D qJJJ p p n n np 內容內容 n半導體異質結的簡介 n異質結的能帶結構 n異質結的特性 n異質結的應用簡介 異質結的一些特性和應用異質結的一些特性和應用 n注入特性： q高注入比； q超注入現象； n界面二維電子氣； n共振隧穿效應； n超晶格結構； 1exp )( exp 00 20 1 1 Tk qV Tk EVq n L qD J CD n n n 1exp )( exp 00 10 2 2 Tk qV Tk EVq p L qD J VD p p p 異質異質pn結的注入特性結的注入特性 n異質pn結電子電流與

14、空穴電流的注入比為 Tk E LnD LnD J J np pn p n 01102 2201 exp Tk E LnD LnD J J nAp pDn p n 0112 221 exp 1exp )( exp 00 20 1 1 Tk qV Tk EVq n L qD J CD n n n 1exp )( exp 00 10 2 2 Tk qV Tk EVq p L qD J VD p p p 以寬禁帶n型 和窄禁帶p型GaAs組成的pn結 為例，其禁帶寬度之差 ，設p區(qū)摻雜濃度 為 ，n區(qū)摻雜濃度為 由上式可 得 這表明即使禁帶寬n區(qū)摻雜濃度較p區(qū)低近兩個數量級，但 注入比仍可高達 ，異質

15、pn結的這一高注入特性是區(qū) 別于同質pn結的主要特點之一，也因此得到重要應用。 AsGaAl 7 . 03 . 0 eVE37. 0 319 102 cm 317 105 cm 4 01 2 104exp Tk E N N J J A D p n 4 104 (9-75) 超注入現象超注入現象 n超注入現象是指在異質pn 結中由寬禁帶半導體注入 到窄禁帶半導體中的少數 載流子濃度可超過寬帶半 導體中多數載流子濃度， 應用：半導體異質結激光器應用：半導體異質結激光器 應用：二維電子氣應用：二維電子氣 n在結平面上，電子可以自 由運動；在與結平面垂直 的方向上，電子被束縛在 界面幾個到幾十個原子層 的范圍內； q高遷移率； q能量量子化； 應用：應用：HEMT（高電子遷移率晶體管）高電子遷移率晶體管） nGaN-AlGaN器件 q高遷移率；寬禁帶；高熱導率和擊穿電壓； q大功率微波器件； 量子霍爾效應量子霍爾效應 nRH=h/ie2 i為整數 半導體超晶格半導體超晶格 n 半導體超晶格是指有交替生長兩種