半導(dǎo)體物理學(xué)第九章

1、第第9章半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)章半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)（簡介）（簡介）Chap9Chap9 半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu) Heterojunction 同質(zhì)結(jié)：（不同導(dǎo)電類型的）同種材料組成的P-N結(jié)。 異質(zhì)結(jié)：（不同導(dǎo)電類型的）兩種材料組成的P-N結(jié)。 1951年提出異質(zhì)結(jié)的概念，由于制備材料的新技術(shù)不斷出現(xiàn)和半導(dǎo)體物理的深入發(fā)展，推動了異質(zhì)結(jié)的研究和發(fā)展。1960年制成激光二極管激光器異質(zhì)結(jié)種類 種類： 反型異質(zhì)結(jié)：導(dǎo)電類型相反的兩種材料制成的結(jié)，如：p-n Ge-Si,p-n Ge-GaAs,p-n Si-GaAs 同型異質(zhì)結(jié)：導(dǎo)電類型相同的兩種材料制成的結(jié)，如：n-n Ge-Si,n-n Ge-GaA

2、s,n-n Si-GaAs 以上的符號，都把Eg小的材料放在前面。異質(zhì)結(jié)的禁帶寬度可能相同，也可能不同，我們主要討論禁帶寬度不同的情形。 異質(zhì)結(jié)生長異質(zhì)結(jié)生長 外延生長技術(shù)發(fā)展于外延生長技術(shù)發(fā)展于50年代末年代末60年代初。當時，年代初。當時，為了制造高頻大功率器件，需要減小集電極串為了制造高頻大功率器件，需要減小集電極串聯(lián)電阻，又要求材料能耐高壓和大電流，因此聯(lián)電阻，又要求材料能耐高壓和大電流，因此需要在低阻值襯底上生長一層薄的高阻外延層。需要在低阻值襯底上生長一層薄的高阻外延層。外延生長的新單晶層可在導(dǎo)電類型、電阻率等外延生長的新單晶層可在導(dǎo)電類型、電阻率等方面與襯底不同，還可以生長不同厚

3、度和不同方面與襯底不同，還可以生長不同厚度和不同要求的多層單晶，從而大大提高器件設(shè)計的靈要求的多層單晶，從而大大提高器件設(shè)計的靈活性和器件的性能。外延工藝還廣泛用于集成活性和器件的性能。外延工藝還廣泛用于集成電路中的電路中的PN結(jié)隔離技術(shù)和大規(guī)模集成電路中結(jié)隔離技術(shù)和大規(guī)模集成電路中改善材料質(zhì)量方面。改善材料質(zhì)量方面。 異質(zhì)結(jié)的形成通常是通過異質(zhì)外延的方法制備的。經(jīng)常形成超晶格結(jié)構(gòu)，在半導(dǎo)體激光器和高遷移率晶體管（HEMT）領(lǐng)域有應(yīng)用。異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu) 異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)與構(gòu)成異質(zhì)結(jié)材料的禁帶寬度、禁帶失調(diào)有關(guān)。設(shè)構(gòu)成異質(zhì)結(jié)材料的禁帶寬度分別為Eg1Eg2。 禁帶的失調(diào)可能有三種情形：1）Eg2

4、包含在Eg1之間，如Ga1-xAlxAs與GaAs ；2）Eg1與Eg2禁帶相互錯開，如Ga1-xInxAs（下）和GaAs1-xSbx（上）；3）二者沒有共能量，如InAs（下）與GaSb（上）GaAs/AlGaAs 異質(zhì)結(jié)的電子能級結(jié)構(gòu) 異質(zhì)結(jié)的應(yīng)用1 異質(zhì)結(jié)的主要應(yīng)用之一是形成量子阱。它由兩個異質(zhì)結(jié)背對背相接形成的。 異質(zhì)結(jié)的主要應(yīng)用之二是形成超晶格。它由異質(zhì)結(jié)交替周期生長形成。超晶格是Esaki和Tsu在1969年提出的。 Esaki等提出的超晶格有兩類：1）同質(zhì)調(diào)制摻雜；2）異質(zhì)材料交替生長。 超晶格或多量子阱間的共振隧穿效應(yīng)Multiquantum Wells (MQW)Singl

5、e quantum wellMultiquantum wellGaAsAlGaAsGaAsEg( AlGaAs)EcEvWells separated by large distance to minimize coupling of statesStructures where the barriers are thick enough to prevent any overlapping of neighboring wavefunctions are referred to as MQWStructures with thin barriers that allow for overla

6、pping of neighboring wavefunctions are referred to as superlatticestSLtMQW 異質(zhì)結(jié)應(yīng)用2 1異質(zhì)結(jié)晶體管： 特點異質(zhì)結(jié)做發(fā)射結(jié)，注入效率高， 大 0.2ev， 注入電子流3000（注入空穴流） 0.4ev， 注入電子流 （注入空穴流） 0.7ev， 注入電子流 （注入空穴流） 2異質(zhì)結(jié)光電二極管（光電池）Photocell 太陽電池Solarcell 同質(zhì)結(jié)光電管，要求n區(qū)很?。ㄒ岳獯┩福?，但薄n區(qū)難制造。/2121,gEkTgggggeEEEEE注入電子流注入空穴流gEgEgE6101610異質(zhì)結(jié)應(yīng)用2 3異質(zhì)結(jié)發(fā)光二極管（light-emitting diode） 同質(zhì)結(jié) 異質(zhì)結(jié) 三個區(qū)都是重摻雜， 加正向電壓， 能帶如下圖 1/(0.2 0.3)xaxnGaAs PGaAs PAl GAsx異質(zhì)結(jié)應(yīng)用2 4異質(zhì)結(jié)激光器 單異質(zhì)結(jié)激光