半導(dǎo)體表面異質(zhì)結(jié)

《半導(dǎo)體表面》第九章

異質(zhì)結(jié)西安電子科技大學(xué)微電子學(xué)院基本內(nèi)容

§9.1異質(zhì)結(jié)及其能帶結(jié)構(gòu)

§9.2異質(zhì)結(jié)的電流輸運(yùn)機(jī)構(gòu)

§9.3異質(zhì)結(jié)在器件中的應(yīng)用異質(zhì)結(jié)定義兩種不同晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體材料接觸而形成的界面區(qū)域。形成異質(zhì)結(jié)的兩種材料通常有不同的能隙寬度和介電常數(shù)。如p-SiGe/n-Si(一般禁帶寬度較小的半導(dǎo)體材料放在前面)。異質(zhì)結(jié)類型按導(dǎo)電類型劃分：

同型、

反型按能帶結(jié)構(gòu)劃分：

突變、緩變（以過渡區(qū)域?qū)挾仁欠襁h(yuǎn)大于原子間距來區(qū)分。）

§9.1異質(zhì)結(jié)及其能帶結(jié)構(gòu)如何制作“好的”異質(zhì)結(jié)?晶格失配較??；可預(yù)計(jì)或已知的能帶結(jié)構(gòu)；具備合適的襯底材料；具備compositionalgrading潛力；生長(zhǎng)技術(shù)兼容。

Substrates(Widebandgapmaterials)SapphireSiCBulkGaNandquasi-bulkgrowthBulkAlNSiZnO,GaAs,LiGaO2,LiAlO2異質(zhì)結(jié)生長(zhǎng)技術(shù)EpitaxialGrowthMOCVDMBEPALEMEMOCVDHydrideVPENichiaTwo-FlowMOCVDProcessforHighQualityEpitaxialGaN對(duì)流抑制MolecularBeamEpitaxyPulseAtomicLayerEpitaxySequentiallymodulatedprecursorsThedurationofeachpulseintheunitcellisfixed,andtheNH3pulsealwaysfollowseachmetallorganicpulseMigrationEnhancedMOCVDThedurationandwaveformsofprecursorpulsesareoptimized,and,generallyspeaking,thepulsesoverlapallowingforacontinuumofgrowthtechniques（1）如何選取半導(dǎo)體材料？帶隙差異明顯而晶格基本吻合（2）異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)?

安德森模型兩個(gè)問題SiGeheterostructures4.2%differenceinlatticeconstantsLayerisstrainedandmustbegrownbelowthecriticalthicknessEpitaxialgrowthtechnology:layerbylayeronasubstrateImportantparameters:LatticemismatchEpitaxiallayerthickness晶格失配產(chǎn)生的懸掛鍵界面態(tài)：異質(zhì)結(jié)界面處的電子態(tài)懸掛鍵(界面態(tài))(面)密度-△NS：

△NS=NS1-NS2鍵(面)

密度NS由晶格常數(shù)及晶面決定。

NS=[1/晶胞中晶面面積]晶面中鍵數(shù)

如：兩種都為金剛石結(jié)構(gòu)材料(111)晶面：(110)晶面：(100)晶面：晶面原子2懸掛鍵2晶面原子4懸掛鍵4晶面原子2懸掛鍵4Bandgapsandlatticemismatchχ1χ2Eg1Eg2EC1EV1Ec2Ev2VacuumlevelECEVEF1EF2a)BeforecontactVacuumlevelχ1χ2Ec2Ev2EFEC1EV1ECEVb)AftercontactElectronAffinityModel(Anderson1962)qVDqVD1qVD2x1x0x2WpWn_+空間電荷區(qū)p型半導(dǎo)體n型半導(dǎo)體電子流動(dòng)Andersonrule說明：1960年代開始研究能帶補(bǔ)償問題，已有多種模型。沒有任何一種模型可以精確預(yù)計(jì)所有異質(zhì)結(jié)能帶結(jié)構(gòu)。Anderson

rule并未考慮表面態(tài)和電子關(guān)聯(lián)效應(yīng)，因此并不準(zhǔn)確。較為準(zhǔn)確的是HarrisonAtomic-LikeOrbitaltheory(1977,1980,1985)。平衡態(tài)突變反型異質(zhì)結(jié)接觸電勢(shì)差及勢(shì)壘區(qū)寬度Vacuumlevelχ1χ2Ec2Ev2EFEC1EV1qVDqVD1qVD2x1x0x2將上式分別代入VD、VD1、

VD2，有能帶彎曲與摻雜濃度反比，摻雜濃度高一側(cè)能帶彎曲量小，反之則大。非平衡態(tài)突變反型異質(zhì)結(jié)接觸電勢(shì)差及勢(shì)壘區(qū)寬度若外加偏壓為V，窄帶與寬帶區(qū)壓降分別為V1與V2，那么只要將上述試中VD用(VD-V)代替，VD1與VD2分別用(VD1-V1)、(VD2-V2)代替即可。V、V1、V2大于零表示正偏，反之反偏。突變反型異質(zhì)結(jié)勢(shì)壘電容單位面積勢(shì)壘電容VD(VD-V)§9.2異質(zhì)結(jié)電流輸運(yùn)機(jī)構(gòu)電子勢(shì)壘:(qVD–ΔEC)空穴勢(shì)壘:(qVD+ΔEV)負(fù)反向勢(shì)壘VacuumlevelEc2Ev2EFEC1EV1qVD-x10x2ECEV尖峰低于Ec1平衡態(tài)時(shí)：加V正向電壓后：穩(wěn)態(tài)情況下，p型半導(dǎo)體中注入的少數(shù)載流子運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性方程為：類似地，對(duì)于空穴少子電流：忽略空穴少子電流發(fā)射模型:

認(rèn)為在任何溫度下，由于熱運(yùn)動(dòng)，將有一部分載流子具有足夠的熱運(yùn)動(dòng)能量克服勢(shì)壘，從交界面一側(cè)以熱電子發(fā)射方式通過勢(shì)壘而進(jìn)入另一側(cè)。

發(fā)射-復(fù)合模型：認(rèn)為在交界面處存在著晶格被強(qiáng)烈擾亂的一薄層，它產(chǎn)生許多界面態(tài)，使得以熱發(fā)射方式克服了各自的勢(shì)壘而達(dá)到交界面處的電子和空穴迅速復(fù)合。

隧道-復(fù)合模型：在交界面處存在界面態(tài)，既考慮到隧道效應(yīng)又考慮到復(fù)合作用。

隧道模型：不考慮復(fù)合作用，載流子都以隧道效應(yīng)方式通過勢(shì)壘。Heterojunctionp-NdiodeInjectionefficiency

實(shí)際表明：利用異質(zhì)結(jié)制作的激光器，電致發(fā)光兩極管，光電探測(cè)器，應(yīng)變傳感器等，比用同質(zhì)結(jié)制作的同類元件的性能優(yōu)越?！?.3異質(zhì)結(jié)在器件中的應(yīng)用直接利用異質(zhì)結(jié)隧道勢(shì)壘的隧道效應(yīng)：在多結(jié)太陽能電池中，隧道結(jié)形成連續(xù)的pn結(jié)之間的連接。它們的功能作為歐姆在中間的半導(dǎo)體裝置的電接觸。共振隧道二極管。隧道勢(shì)壘BelowresonanceAtresonanceBeyondresonance負(fù)阻效應(yīng)隧穿系數(shù)隨能量迅速增大。熱電子晶體管:在熱電子晶體管中作為電子注入控制的“調(diào)節(jié)器”：在熱電子晶體管的基區(qū)兩側(cè)各有一個(gè)勢(shì)壘與發(fā)射區(qū)和集電區(qū)相連,勢(shì)壘的作用是把冷電子束縛在它們各自的區(qū)域內(nèi)，從發(fā)射區(qū)注入到基區(qū)的熱電子具有足夠大的能量穿過集電區(qū)的勢(shì)壘，幾乎與集電極電壓無關(guān)，因此這種器件具有很高的輸出阻抗。NatureMaterials10,198–201(2011)

利用ΔEc和

ΔEv形成。雙異質(zhì)結(jié)或三層材料。

中間層半導(dǎo)體具有最低的Ec(電子勢(shì)阱)或最高的Ev(空穴勢(shì)阱)。Straddling(TypeI)Staggered(TypeII)ΔEcΔEvΔEcΔEvCarriersheldindifferentlocations量子阱在二維系統(tǒng)中局限載流子。載流子在一維方向上的運(yùn)動(dòng)受限。能量離散形成子帶。

因?yàn)閯?shì)壘高度Φb有限，隧道效應(yīng)。要求Lx小于電子的平均自由程和deBroglie波長(zhǎng)。∞LxΦbLxΦb量子阱光吸收量子阱光發(fā)射QuantumCascadeLaserParallelconductionpaths(FET)BufferLayers(LEDs)超晶格是指由交替生長(zhǎng)兩種半導(dǎo)體材料薄層組成的一維周期性結(jié)構(gòu)，而其薄層厚度的周期小于電子的平均自由程的人造材料。特點(diǎn)：能級(jí)連續(xù)；分立能帶展寬形成子帶；其過程與原子形成能帶類似。成分超晶格：周期性改變薄層的成分而形成的超