半導體結異質結和異質結構

半導體結異質結和異質結構第1頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一本征半導體載流子濃度ni,pi

本征半導體:ni=pi=n=p=4.9E15(memh/mo）^3/4T^3/2exp(-Eg/2KT)=AT^3/2e^(-Eg/2KT)

是溫度T,禁帶寬度Eg的函數(shù),溫度越高,ni越大,Eg越寬,ni越小T為3OOK時,Si:ni=pi=1.4E10/cm*-3nipi=1.96E20/cm^-3

第2頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一雜質半導體ni,電子濃度n,空穴濃度p之間的關系n=nie^(Ef-Ei)/kT,P=nie^(Ei-Ef)/kT,ni^2=npEi本征費米能級Ef雜質費米能,在n型半導體中,n＞p,因此,Ef＞Ei在p型半導體中,p＞n,因此,Ei＞Ef第3頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一n型p型半導體的能帶結構EoEcEvEi,EfiEgEfnEfpEsXsWnWp第4頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一p-n結形成的內部機理施主和受主,電子和空穴(載流子,移動電荷),空間電荷(固定離子)多數(shù)載流子和少數(shù)載流子,(載流子的擴散運動,空間電荷區(qū)的形成,內建電場的建立),內建電場阻止多數(shù)載流子的進一步擴散,增強了少數(shù)載流子在反方向的漂移運動,最后達到動態(tài)平衡(熱平衡,電中性),隨溫度變化時,平衡被破壞)第5頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一幾個重要參數(shù)和概念接觸電位差:

由于空間電荷區(qū)存在電場,方向由N到P,因此N區(qū)電位比P區(qū)高,用V表示,稱作接觸電位差,它與半導體的類型(禁帶寬度),雜質摻雜濃度,環(huán)境溫度等密切相關,一般為0.幾V到1.幾V勢壘高度:

在空間電荷區(qū)內電子勢能為-qV,因此電子從N區(qū)到P區(qū)必須越過這個勢能高度,該高度稱作勢壘高度第6頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一PN結的伏安(I-V)特性：

I為流過PN結的電流；Is為PN結的反向飽和電流，與溫度和材料有關的參數(shù)，V為外加電壓；

Vt=kT/q,為溫度的電壓當量（Vt=26mV.），當外加正向電壓V為正值且比Vt大幾倍時,正向電流隨正向電壓的增加按指數(shù)規(guī)律增大,PN結為正向導通狀態(tài).外加反向電壓即v為負值，且|v|比Vt大幾倍時，PN結只流過很小的反向飽和電流，且數(shù)值上基本不隨外加電壓而變，PN結呈反向截止狀態(tài)。由PN結的I/V特性曲線得到：PN結具有單向導電性和非線性伏安特性.

第7頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一PN結的正向導電性

在PN結上外加一電壓，如果P型一邊接正極，N型一邊接負極，電流便從P型一邊流向N型一邊，空穴和電子都向界面運動，使空間電荷區(qū)變窄，甚至消失，多數(shù)載流子在電場的作用下可以順利通過。如果N型一邊接外加電壓的正極，P型一邊接負極，則空穴和電子都向遠離界面的方向運動，使空間電荷區(qū)變寬，電流不能流過。這就是PN結的單向導電性。

第8頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一PN結加反向電壓時,空間電荷區(qū)變寬,電場增強,阻止了多數(shù)載流子的擴散,而P區(qū)和N區(qū)的少數(shù)載流子電子和空穴沿反向電場運動,產(chǎn)生反向漏電流,由于少子是本征激發(fā),它決定于溫度而不決定于反向電壓,當反向電壓增大到一定程度足以把少子全部吸引過來時,電流達到恒定,稱作反向飽和漏電流,當反向電壓再增大電流突然增大時,稱作PN結擊穿。如果外電路不能限制電流，則電流會大到將PN結燒毀.

PN結加反向電壓時,空間電荷區(qū)中的正負電荷構成一個電容性的器件。它的電容量隨外加電壓改變,反向時電容減小正向時電容增大.PN結的反向電壓特性及電容特性第9頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一

半導體同質p-n結,異質結的形成

采用不同的摻雜工藝,將P型半導體與N型半導體制作在同一塊半導體上,在它們的交界面就形成空間電荷區(qū)稱PN結。

一塊單晶半導體中，一部分摻有受主雜質是P型半導體，另一部分摻有施主雜質是N型半導體時，P型半導體和N型半導體的交界面附近的過渡區(qū)稱PN結。PN結有同質結和異質結兩種。用同一種半導體材料制成的PN結叫同質結，由禁帶寬度不同的兩種半導體材料制成的PN結叫異質結。

制造同質PN結的方法有合金法、擴散法、離子注入法、外延生長法等。

制造異質結通常采用外延生長法。

第10頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一PN結的應用根據(jù)PN結的材料、摻雜分布、幾何結構和偏置條件的不同，利用其基本特性可以制造多種功能的晶體二極管。

1.用PN結單向導電性可以制作整流二極管、檢波二極管和開關二極管，2.利用擊穿特性制作穩(wěn)壓二極管和雪崩二極管；

3.利用高摻雜PN結隧道效應制作隧道二極管；4.利用結電容隨外電壓變化效應制作變容二極管;

5.將半導體的光電效應與PN結相結合還可以制作多種光電器件。如利用前向偏置異質結的載流子注入與復合可以制造半導體激光二極管與半導體發(fā)光二極管；6.利用光輻射對PN結反向電流的調制作用可以制成光電探測器；7.利用光生伏特效應可制成太陽電池;8.利用兩個PN結之間的相互作用可以產(chǎn)生放大，振蕩等多種電子功能;PN結是構成雙極型晶體管和場效應晶體管的核心，是現(xiàn)代微電子技術、光電子技術的基礎。第11頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一半導體異質結基本概念：

異質結就是一種半導體材料生長在另一種半導體材料上所形成的接觸過渡區(qū)。依照兩種材料的導電類型分同型異質結（P-p結或N-n結）和異型異質(P-n或p-N)結。按照兩種材料晶格常數(shù)的失配程度，異質結可分為兩類，即匹配型異質結和失配型異質結，由于兩種異質材料具有不同的物理化學參數(shù)（如電子親和勢、能帶結構、介電常數(shù)、晶格常數(shù)等）,接觸界面處產(chǎn)生各種物理化學屬性的失配，使異質結具有許多不同于同質PN結的新特性。第12頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一異質結的能帶結構

半導體異質結構一般是由兩層以上不同材料所組成，它們各具不同的能帶隙。研究較多的是GaAs化合物、SiGe之類的半導體合金,目前按異質結中兩種材料導帶和價帶的對準情況可以把異質結分為Ⅰ型異質結和Ⅱ型異質結兩種，兩種異質結的能帶結構如圖所示。第13頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一半導體異質結構的基本特性

半導體異質結構，是將不同材料的半導體薄膜，依先后次序外延淀積在同一襯底上。如圖所述的是利用半導體異質結構所作成的半導體激光器基本特性：量子效應：因中間層的能階較低，電子很容易掉落下來被局限在中間層，而中間層可以只有幾nm的厚度，因此在如此小的空間內，電子的特性會受到量子效應的影響而改變。例如：能階量子化、基態(tài)能量增加、能態(tài)密度改變等，其中能態(tài)密度與能階位置，是決定電子特性很重要的因素。

第14頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一遷移率(Mobility)變大：半導體的自由電子主要是由于外加雜質的貢獻，因此在一般的半導體材料中，自由電子會受到雜質的碰撞而減低其行動能力。然而在異質結構中，可將雜質加在兩邊的夾層中，該雜質所貢獻的電子會掉到中間層，因其有較低的能量（如圖所示），因此在空間上，電子與雜質是分開的，所以電子的行動就不會因雜質的碰撞而受到限制，因此其遷移率就可以大大增加，這是高速組件的基本要素。第15頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一發(fā)光二極管組件(lightemittingdevices,LED)：因為半導體異質結構能將電子與空穴局限在中間層內，電子與空穴的復合率因而增加，所以發(fā)光的效率較大；同時改變量子井的寬度亦可以控制發(fā)光的頻率，所以現(xiàn)今的半導體發(fā)光組件，大都是由異質結構所組成的。半導體異質結構發(fā)光組件，相較其它發(fā)光組件，具有高效率、省電、耐用等優(yōu)點，因此應用廣泛。第16頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一激光二極管：

半導體激光二極管的基本構造，與發(fā)光組件極為類似，只不過激光是二極管必須考慮到受激發(fā)光與共振的條件。使用半導體異質結構，因電子與空穴很容易掉到中間層，因此載子數(shù)目反轉較易達成，這是具有受激發(fā)光的必要條件，而且電子與空穴被局限在中間層內，其結合率較大。此外，兩旁夾層的折射率與中間層不同，因而可以將光局限在中間層，致使光不會流失，而增加激光強度，異質結構很適合制作激光器，有很大的優(yōu)點。第17頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一若干半導體雜質摻雜的一些考慮12第18頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一關于Au/ZnO/Si異質結能帶結構第19頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一器件結構圖第20頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一Au/n-ZnO/p-Si

新型肖特基結-異質結構紫外增強光電晶體管

新型肖特基結-異質結紫外增強光電晶體管，半導體學報英文版刊登認為論文有新意，并在重要位置（第二篇）刊登該新型光電探測器增強了Si光電探測器在紫外（UV）波長的響應靈敏度，具有重要研究價值第21頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一C-VcharacteristicsofAu/n-ZnOSBDAu/n-ZnOSBD第22頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一Photo-currentresponsewithopticalwavelength第23頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一不同襯底Si材料的ZnO異質結IV及光電特性研究

采用PLD技術和微電子平面工藝，用不同表面摻雜的Si作為襯底制備了ZnO/Si異質結，另外為改善異質結特性，以p-Si(p-)為襯底嘗試制備了ZnO（含Mn0.2％）/Si結構、以及包含SiC緩沖層的ZnO/SiC/Si和ZnO（含Mn0.2％）/SiC/Si結構。測試了樣品的XRD曲線，I－V特性曲線和P－E（光電響應）特性曲線，研究樣品作為二極管，光探測器的性能。第24頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一樣品制備第一組ZnO/Si異質結樣品(1)～(4)：準備四種不同表面摻雜的Si材料作為襯底。分別為樣品(1)n-<100>，電阻率ρ=4.06Ω·cm。樣品(2)p+<111>，ρ=16.8mΩ·cm。樣品(3)p-<111>，ρ=11.126Ω·cm。樣品(4)n+<111>，ρ=6.6mΩ·cm。工藝流程如下：清洗后將襯底氧化（溫度1050℃，干氧10min＋濕氧40min＋干氧10min）生成SiO2外延，去除背底SiO2。干燥后光刻出圓形有源區(qū)，圓孔直徑為500μm。然后采用PLD技術在樣品表面制備高質量ZnO薄膜。PLD工藝采用德國LamdaPhysik公司的LPXKRF受激準分子激光器(excimerlaser)，輸出波長為248nm，脈寬20ns，頻率5Hz，功率200mj/pulse，通過透鏡以45度角聚焦在靶上，靶材為高純ZnO陶瓷靶，直徑32mm。抽真空至6.2×10－4Pa后，通入O2至20Pa，在700℃下轟擊靶材60min，生成ZnO薄膜厚約800nm，并在有源區(qū)反刻出圓形ZnO（稍大于有源區(qū)圖形）。接著表面蒸Al，Al膜厚約1μm，再在有源區(qū)反刻圓形Al（稍大于ZnO圖形）。最后將樣品放在N2氣氛中530℃高溫下退火15min。初步測試后切片，背底固定到Al電極，引線焊接，封裝。器件結構如圖第25頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一第二組摻Mn和包含SiC緩沖層的異質結樣品A、B、C所用Si襯底表面摻雜為p-<111>，電阻率ρ為10.31～11.31Ω·cm。工藝如下：SiC緩沖層，PLD參數(shù)：靶材為純SiC，溫度550℃，轟擊時間3min，6.2×10－4Pa真空；然后在所有樣品表面一起用PLD方法生成ZnO薄膜，PLD參數(shù)：A、靶材為純ZnO，溫度550℃，轟擊時間15min，6.2×10－4Pa真空；B、靶材為ZnO（0.2％Mn），溫度550℃，轟擊時間15min，0.13Pa氧偏壓；C、靶材為ZnO（0.2％Mn），溫度550℃，轟擊時間60min，0.13Pa氧偏壓。（注：制備第二組樣品時PLD工藝相關參數(shù)，沒有特別注明的部分默認為與第一組的參數(shù)相同。）再將所有樣品表面蒸金，膜厚約45nm，套刻Au和ZnO，反刻出圓形圖案，圓孔直徑500μm。最后將樣品放在N2氣氛中530℃高溫下退火15min。初步測試后切片，背底固定到Al電極，引線焊接，封裝。器件結構如圖第二組樣品A、B器件結構第二組樣品C器件結構第26頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一I－V特性所有樣品中(1)、(4)是以ZnO作為異質結的正向端，其余的則相反。這是因為PLD制成的ZnO為弱n型，而樣品(1)、(4)襯底為n-Si，其他為p-Si。圖中可見樣品(1)、(4)具有很好的反向特性——很小的反向漏電流，其他器件的反向漏電流都很大而且隨反偏壓增大迅速增強，反向曲線呈阻性。樣品A因為SiC緩沖層的存在，具有很高的反向擊穿電壓。除樣品B外其他樣品正向曲線都很陡峭。樣品B正反向曲線都不理想且具有較高的開啟電壓。第一組樣品的I－V曲線第二組樣品的I－V曲線第27頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一光生伏特效應

采用HITACHIM850熒光分光光度計產(chǎn)生入射光測量異質結零偏壓下光譜響應特性，其準確有效的波長范圍200～600nm，準確度±0.2nm，各波長出射功率均為6.5μW。用Yokogama3036X/Yrecorder記錄異質結兩端的光生電壓隨入射波長的變化。第28頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一對比曲線易知，第一組三種樣品的光生電壓強度從大到小依次是(2)、(1)、(3)，其中p-Si(p+)襯底的樣品(2)光電響應明顯比較強；n-Si(n-)襯底的樣品(1)光電響應強度略高于p-Si(p-)襯底的樣品(3)，但還需考慮制備工藝粗糙帶來的誤差（切片大小不均勻，壓焊電極時對金屬膜的影響，分別制備的ZnO存在的差異等）；第二組樣品A的響應遠強于樣品B，應該是樣品B中ZnO的非晶態(tài)導致遷移率降低的緣故。第二組光電響應強度遠高于第一組，是由于表面金屬膜厚差異太大。容易發(fā)現(xiàn)，相比其他幾種樣品，樣品(1)的P－E曲線有明顯的差別，最強峰在417nm，在261nm有峰的存在，323