半導體光電子學（第3版）課件 【ch02】異質結

異質結第二章半導體光電子學

01異質結及其能帶圖1.1pN異型異質結pN

異型異質結和PN同質結一樣，異型異質結的空間電荷區(qū)是由電子型半導體中的電離施主和空穴型半導體中的電離受主在結面兩邊的一個有限范圍內形成的電偶極區(qū)。設所討論的pN異質結有x>x?,由前所述的方法作圖，就能看到導帶和價帶在異質結界面處的不連續(xù)，界面兩邊的導帶出現(xiàn)明顯的“尖峰”和“尖谷”,如圖2.1-2所示。左側材料為禁帶寬度(即帶隙)較小的p型材料，其相應參數在圖中用下標1來表示；右側材料為禁帶寬度較大的N型材料，其相應參數在圖中用下標2來表示；它們所形成的異質結在導帶和價帶分別出現(xiàn)不連續(xù)△E。和△E,,由圖2.1-2可見△E。1.1pN異型異質結pN

異型異質結1.1pN異型異質結pN

異型異質結與△E,并不相等，相對大小與構成異質結的材料有關。后面將看到，由于電子的行為在光電子器件中起著重要的作用，一般對異質結兩邊材料上希望有△E。>AE,。從異質結界面向兩側擴展的空間電荷區(qū)寬度分別為式中，No,、N、分別表示電子型和空穴型半導體的雜質濃度(即圖2-1-2中n型材料的施主濃度和p區(qū)材料的受主濃度),e和c?分別表示圖2.1-2中窄帶隙與寬帶隙半導體的介電常數。因而總的空間電荷區(qū)寬度為1.1pN異型異質結pN

異型異質結V是總的內建電勢，它在兩半導體中內建電勢Vn,與Vo,之間的比值為

在空間電荷區(qū)內，電中性條件N、r|=No,X、成立，所以結電容可表示為

1.2突變同型異質結突變同型異質結和異型異質結不同，同型異質結nN和pP的性質是由多數載流子決定的。和異型異質結一樣，安德森同樣在忽略界面態(tài)影響的前提下，建立了同型異質結的模型。所不同的是由于結兩邊材料的電子親和勢不同，使得同型異質結的空間電荷區(qū)是由寬禁帶半導體一側的固定空間電荷(電離施主或電離受主)和另一側運動的電子或空穴所構成的電偶極層構成的，或者說是由寬帶隙的耗盡層與窄帶隙一側載流子的積累層組成的。依據構成異質結的兩種半導體之間電子親和勢x、功函數φ,以及x和禁帶寬度之間的不同大小關系，同樣可以得出一些具有不同形狀和特點的同型異質結能帶圖。1.2突變同型異質結突變同型異質結圖2.1-3所示是一個突變的nN同型異質結能帶圖，其中x>x?、>2、%+E?i<x?+E?。由于載流子積累層的厚度小于其耗盡層的厚度，所以外加電壓主要降落在耗盡層上，因而可以取寬禁帶半導體作基準來考慮這種異質結的正向和反向的電流-電壓特性。突變同型異質結因為在nN異質結中參與電流的載流子是電子，所以越過導帶尖峰勢壘而到達窄禁帶半導體的電子濃度和速度分布可以由類似于熱陰極的熱電子發(fā)射來求出，從而可求出它的電流-電壓特性。根據安德森的計算，在正向電壓Va下電流密度J1.2突變同型異質結突變同型異質結式中，V+V?=V,B=ex。No,[kT/(2πm。)]2,x。和前面一樣是電子越過界面的傳輸系數，me為寬帶隙半導體中電子的有效質量，No,為半導體2中的施主雜質濃度。因為V?>V≈0,因此有1.3漸變異質結漸變異質結實際上，用一般的液相外延(LPE)所生長的異質結不是上面所述的突變結，而是結兩邊的空間電荷密度以及結兩邊導帶與價帶的能量分布有一個漸變過程(參見圖2.1-5中由實線所表示的能帶),即△E。與△E,在垂直于結平面方向上有一個漸變過程?？梢杂秒p曲正切函數來描述這種漸變的規(guī)律。式中，xo為漸變區(qū)中心坐標，1為線性漸變長度或漸變特征長度，△E。為總的異質結導帶差。

如果漸變完全發(fā)生在寬帶隙材料內，即x≥0,

則可得到更為簡便的表示式：當漸變異質結被加上正向電壓后，其勢壘變得與突變異質結相似，因此用前面突變異質結的模型來分析漸變異質結在半導體光電子器件中的作用是恰當的。1.3漸變異質結漸變異質結綜上所述，為了運用安德森模型做出一個能反映異質結特點的能帶圖，關鍵是需要知道組成異質結的有關半導體的電子親和勢x和x?、禁帶寬度E和E以及費米能級F和F相對于帶邊的位置。在多數情況下，半導體的帶隙E。是知道的，對摻雜半導體的費米能級位置也同樣容易決定。然而，要從實驗來得到精確的電子親和勢x值卻是很困難的，往往對x值的實驗誤差(十分之幾電子伏特)與實際存在的兩種半導體電子親和勢之差△x同數量級，這給精確繪制能帶圖勢必帶來很大困難。1.3漸變異質結漸變異質結由式(2.1-4)可知，異質結兩邊半導體材料帶隙之差等于在異質結導帶的臺階△E。和價帶臺階△E,之和。然而△E。與△E、的相對比率對不同材料構成的異質結是不同的。例如，在Gai-xA1xAs/GaAs(x<0.45)異質結中，△E。占據△F?的絕大部分(△F?≈0.85△Fg),而△E,只是0.15△F?。在Ga,In?-xAs,P?-/InP異質結中，△Ec、△E,隨帶隙能量和Ga含量x的變化如圖2.1-4所示。1.3漸變異質結漸變異質結過Ga含量x體現(xiàn))呈非線性變化，二者的差別也不及前面GaAlAs/GaAs異質結那么明顯，并且有△E,>AE.漸變異質結在目前許多實際的半導體光電子器件中，往往包含一個或多個異質結。圖2.1-5所示的是只包含一個同型異質結和一個異型異質結的能帶圖，圖中在結區(qū)的虛線和實線分別表示出突變和漸變異質結的導帶和價帶的情況。至于含更多異質結的半導體光電子器件，將在9.4節(jié)的SAGM結構形式的雪崩光電二極管中看到，在6.3節(jié)中還將分析含有多個異質結的量子阱結構。1.3漸變異質結

02異質結在半導體光電子學器件中的作用在半導體激光器中的作用同型異質結pP

有一個較高的勢壘以阻擋注入p區(qū)(即異質結激光器的有源區(qū))的電子漏出。在半導體激光器中的作用在實際激光器的結構中，往往需要生長一層與前一層摻雜類型相同但雜質濃度很高>101?/cm3)的蓋帽層(或頂層)。在半導體激光器中的作用pN異型異質結處在正向電壓時，異質結勢壘高度降低，N區(qū)的電子可以越過勢壘和隧穿勢壘而注入窄帶隙p區(qū)。在半導體激光器中的作用由于窄帶隙半導體的折射率比寬帶隙高，因此有源區(qū)兩邊的同型和異型異質結都能產生光波導效應。2.1在半導體激光器(LD)中的作用2.2異質結在發(fā)光二極管(LED)中的作用異質結在發(fā)光二極管(LED)中的作用在表面發(fā)射的LED中，還可在靠近有源區(qū)的表面生長一個透明的同型異質結，它一方面用來鈍化表面，減少注入有源區(qū)的載流子與表面態(tài)復合而造成的損失，減少由于表面態(tài)對器件穩(wěn)定性的影響；另一方面還可以減少來自于器件與空氣界面的反射損失從而增加輸出。2.3異質結在光電二極管探測器中的應用異質結在光電二極管探測器中的應用對于光探測器來說，希望有寬的光譜響應范圍和高的光電轉換效率。在包含異質結的光電二極管中，寬帶隙半導體成為窄帶隙半導體的輸入窗，利用這種窗口效應可以使光電二極管的光譜響應范圍加寬。如圖2.2-1(a)所示的異質結由寬帶隙Egi和窄帶隙E的兩種半導體組成，只要入射光子能量hv<Egi,則入射光能透過半導體1,其透射譜如圖中虛線所示。透過半導體1的光子，如果其能量hv>Eg?,則它們將被半導體2所吸收，其吸收譜如圖中實線所示。顯然，透射譜與吸收譜曲線重疊部分(圖中用陰影表示)代表著這種結構的光探測器能有效工作的光譜范圍，入射光子能量應該滿足Ea>hv>E。2.3異質結在光電二極管探測器中的應用

這種窗口效應還被用來提高半導體激光器輸出腔面的破壞閾值，在腔長方向靠近輸出端面的一段形成透明區(qū)，通過它可制出高功率連續(xù)半導體激光器。03異質結中的晶格匹配3.1異質結中的晶格匹配異質結中的晶格匹配對形成一個理想異質結的基本要求是應該使構成異質結的半導體材料之間在微觀上有無畸變的完整原子鍵合，即要求形成異質結的兩種材料在晶體結構上應盡量相近或相同，兩種材料的晶格常數應盡量匹配。表2.3-1列出了一些常用半導體材料的物理參數，這些材料分別屬于IV族元素半導體、Ⅲ-V族和Ⅱ-VI族化合物半導體，并分別有金剛石、閃鋅礦和纖鋅礦的晶體結構。由于這三種結構受方向性很強的sp3雜化共價鍵的作用，結構都很相似而能形成異質結。3.1異質結中的晶格匹配異質結中的晶格匹配以前的異質結都是由相同的晶體結構的半導體材料構成的(如GaAlAs/GaAs、InGaAsP/InP都具有閃鋅礦結構),但近年來，由于光電子集成(OEIC)技術的迫切需要，并考慮到硅是一種常用來制造微電子學器件且制造與加工工藝均較成熟的材料，因此，在價格便宜的硅基體上用MBE和MOCVD技術生長GaAs而構成異質結的技術正不斷發(fā)展。又如在藍寶石襯底上生長的氮化鎵(GaN)基藍光LED和LD已分別在白光照明和大容量光存儲中獲得應用。然而，這些異構異質外延生長都伴有薄的緩沖層來過渡晶格常數大的差異，緩減晶格失配的影響。3.1異質結中的晶格匹配一些典型半導體的物理常數3.1異質結中的晶格匹配異質結中的晶格匹配一般認為，構成異質結的兩種不同半導體之間嚴格的晶格常數匹配是獲取性能良好的異質結的重要條件，否則在異質結界面就會產生所謂懸掛鍵，這些懸掛鍵就構成所謂失配位錯而使晶體承受內應力。后面將談到，由于存在于異質結界面失配位錯的成核、增殖及其向晶體內部的傳播，對半導體激光器的可靠性造成嚴重威脅。實踐已經證明，位錯是GaAlAs/GaAs半導體激光器失效的主要原因。此外，由懸掛鍵所造成的界面態(tài)，將起到載流子陷阱或復合中心的作用，使異質結器件的量子效率降低和其他特性變壞。異質結中的晶格匹配3.1異質結中的晶格匹配在異質結界面上由懸掛鍵引起的界面態(tài)密度與半導體的晶體結構和外延生長的晶面有關，在不同的晶面上生長的異質結有不同的界面態(tài)密度。以具有面心立方結構的金剛石和閃鋅礦晶體為例的計算表明，在(100),(110)和(111)晶面上生長的異質結中所含懸掛鍵或界面態(tài)密度△N,分別為3.1異質結中的晶格匹配異質結中的晶格匹配式中，q?和a?分別為構成異質結的兩種半導體的晶格常數，并設q>a?。表2.3-2列出了一些晶格匹配較好的半導體異質結的界面態(tài)密度。由表可以看出，即使在這些晶格匹配較好的異質結中，也存在著1012cm?2的界面態(tài)密度。從表2.3-2還可以看到，在(111)面上生長異質結是較理想的。這一方面是因為，在(111)面上的界面態(tài)比其他面要低很多；另一方面，在閃鋅礦晶體結構中，(111)面是滑移面，因此在該面上形成異質結的生長期間，懸掛鍵可以重新排列以盡可能調節(jié)晶格失配。遺憾的是，像閃鋅礦類型的晶體自然解理面是(110)面，而大多數半導體激光器正是用自然解理面來作光學諧振腔，因此常用的以GaAs或InP為襯底的半導體激光器的晶體生長面是(100)面。3.1異質結中的晶格匹配異質結中的晶格匹配由于界面態(tài)的存在，會對從寬帶隙半導體向窄帶隙半導體的載流子注入和復合產生影響，使非輻射復合速率增加，從而使內量子效率降低。前面所提及的安德森異質結模型沒有考慮界面態(tài)的影響，也沒有考慮當尖峰勢壘足夠薄時載流子隧穿勢壘的遷移情況，因此表示異質結電流-電壓特性的式(2.1-15)完全由勢壘的高度所確定?；谏鲜鲈?，在實際的異質結中有四種復合過程引起復合電流，以圖2.3-1所示的nP異質結為例說明這幾種復合過程：①越過勢壘的空穴與n區(qū)內導帶的電子復合；②越過勢壘的空穴與界面態(tài)復合；③隧穿勢壘的空穴在n區(qū)內復合；④隧穿勢壘的空穴與界面態(tài)復合。3.1異質結中的晶格匹配表2.3-2晶格常數匹配較好的某些半體體質結的界面態(tài)密度04對注入激光器異質結材料的要求

4.1從激射波長出發(fā)來選擇半導體激光器的材料半導體激光器的有源區(qū)應該選取直接帶隙半導體材料，其帶隙的大小決定了輻射躍遷波長的上限。因為輻射躍遷所產生的光子能量hv應大于或等于帶隙Eg。當光子能量hc/λ=E?時，此時對應的波長稱為帶隙波長A,有而帶隙或禁帶寬度E,是與材料的組分有關的。由上可知，基于帶間躍遷的半導體激光器的激射波長<3。對Ga1-xAl?As,其禁帶寬度可表示為4.1從激射波長出發(fā)來選擇半導體激光器的材料從激射波長出發(fā)來選擇半導體激光器的有源材料式(2.4-2)和式(2.4-3)分別對應于直接帶隙躍遷和間接帶隙躍遷情況下在布里淵區(qū)原點(T)處的帶隙，兩者交叉的組分x值范圍為0.37～0.45,如圖2.4-1中圓圈所示區(qū)域。由圖2.4-1看出，在室溫下發(fā)生直接帶隙躍遷的禁帶寬度幾乎隨AlAs含量呈線性變化；在導帶次能谷(圖1.2-1(c)右邊的x能谷處)發(fā)生間接帶隙躍遷時的禁帶寬度E隨AlAs含量x增加的速度比較慢。表2.4-1概括了GaAs、AlAs和Ga1-xAl?As的帶隙和相應的有效質量。在x>0.37時，Ga1-xAl?As中的電子躍遷將由直接帶隙躍遷變?yōu)殚g接帶隙躍遷，當,電子躍遷幾乎全部變?yōu)檐S遷速率很低的間接帶隙躍遷。因此不能期待用GaAlAs作有源材料而在波長A<0.65μm下產生有效的受激發(fā)射。為了限制注入有源區(qū)的載流子，應使有源層與相鄰的限制層之間存在0.25～0.4eV的帶隙臺階△Eg。如取△E?=0.3eV,當有源層A1As組分為0%～18%(相應的激射波長為0.87~0.75μm),則限制層中的AlAs含量應為20%～25%。4.1從激射波長出發(fā)來選擇半導體激光器的材料從激射波長出發(fā)來選擇半導體激光器的有源材料四元化合物半導體Ga,In?-xAs,P1-y的能帶結構要比三元化合物復雜得多，它不是幾個二元或三元化合物半導體的簡單組合，而有多個能量極小值相互交錯，因此不同文獻所報導的禁帶寬度的表示式均有不同程度的近似?，F(xiàn)仍按弗伽定律的內插法將In?-Ga?As1-,P,的帶隙表示為E?(eV)=(1-x)yE?(hP)+(1-x)(1-y)E?(nAs)+yxE?(GaP)+x(1-y)E?(GaAs)為了保證Ga;In?-P,As1-/InP異質結對載流子的限制作用，同樣需要異質結有一限定的禁帶寬度臺階△Fg。與GaAlAs/GaAs異質結中△F,大部分落在△E。上不同，在GalnAsP/InP異質結中△F,在△E。和△E,上的分配比率差別不如GaAlAs/GaAs異質結大，這對有效地防止注入電子的泄漏不利。而過大的禁帶寬度臺階，又會引起異質結晶格的嚴重失配。值得說明的是，式(2.4-4)基于弗伽定律內插法計算出來的帶隙只是一個近似，更為準確的帶隙計算還要加上相應的彎曲因子修正項(即，所謂的bowingparameter)。4.1從激射波長出發(fā)來選擇半導體激光器的材料4.1從激射波長出發(fā)來選擇半導體激光器的材料摻雜(特別是重摻雜)和注入的載流子濃度會對帶隙的大小產生影響，由此造成激射波長的漂移。在半導體中摻雜濃度與注入載流子濃度之間應滿足電中性條件：式中，NA和Nt分別為電離受主和電離施主雜質濃度，n和p分別為半導體中的電子和空穴濃度。如果是p型半導體，電中性條件為式中，P。=NA-N表示凈的電離受主濃度，注入的少數載流子濃度增加時，多數載流子濃度也必須增大以維持電中性。對GaAs半導體，帶隙與載流子濃度的關系為因此摻雜或注入引起的載流子濃度的增加會引起帶隙的收縮，這將使半導體激光器的激射波長紅移。4.2從晶格匹配來考慮異質結激光器材料從晶格匹配來考慮異質結激光器材料半導體激光器的有源層和與之毗鄰的限制層之間應該是晶格匹配的，這已在2.3節(jié)中詳細討論過。這里只是分析在保證晶格匹配的前提下，以圖2.4-2為例說明如何選擇符合激射波長要求的半導體激光器的有源層和相應的限制層材料。圖中的縱坐標表示二元化合物半導體(如圖中各多邊形頂點表示)、三元化合物半導體(圖中各多邊形的邊長所對應)、四元化合物半導體(由四種二元化合物所圍成的多邊形面)的晶格常數。橫坐標表示它們相應的禁帶寬度E。4.2從晶格匹配來考慮異質結激光器材料從晶格匹配來考慮異質結激光器材料由圖可見，GaAs和AlAs兩者可形成結晶良好的固溶體Ga1-xAl;As。因此在GaAs襯底上外延生長Ga1-Al,As限制層、Ga1-xAI?As有源層之間都有很好的晶格匹配，并由此可制成在0.70～0.9μm波段內性能良好的異質結激光器。圖中波浪線所表示的是間接帶隙材料所在的范圍，越靠近該波浪區(qū)，Ga1-xAl,As中參與間接帶隙躍遷的電子比例就越大，這就是目前用GaA1As/GaAs來制造可見光激光器的困難所在。由圖2.4-2還可以看出，以InP為襯底，并由它開始以平行于橫軸的短劃線所代表的InGaAsP正是所謂長波長光纖通信中半導體激光器的有源區(qū)材料，激射波長范圍為1.0～1.7μm。無疑，用GaAs作襯底、InGaAsP作有源介質的激光器也應該是異質結晶格匹配的，也可期待能得到好的光發(fā)射特性，只是其可能得到的禁帶寬度范圍完全可由GaA1As/GaAs所代替。而以Ga(As)P作襯底，以與之晶格匹配的AlGaInP作有源介質的激光器卻是用GaA1As/GaAs無法實現(xiàn)的可見光激光器4.2從晶格匹配來考慮異質結激光器材料由異質結的光波導效應來選擇半導體激光器材料由異質結的光波導效應來選擇半導體激光器材料4.3由異質結的光波導效應來選擇半導體激光器材料異質結半導體激光器或發(fā)光二極管對材料的另一重要的要求是希望有源區(qū)材料的折射率比與之毗鄰的限制層的折射率高，以便形成有效的光波導效應，這對降低激光器閾值電流、減少光束發(fā)散角與振蕩模式數等都將有積極的作用。一般要求相對折射率差(△n/n,n

為有源層的折射率)應為3%～7%。雖然還沒有半導體材料禁帶寬度E,與它的折射率n之間的明顯關系式，但可發(fā)現(xiàn)改變半導體材料組分對Eg和n大小的影響是相反的，即材料組分引起E?的增加或減少會使π減少或增加。對Ga1-xAl;As來說，折射率n隨AlAs

組分x的變化由實驗得出：4.3由異質結的光波導效應來選擇半導體激光器材料由異質結的光波導效應來選擇半導體激光器材料對GaInAsP四元化合物來說，原則上也可按照前面介紹的弗伽定律，用已知的二元化合物半導體的折射率數據來求得。問題在于半導體材料存在較大的色散，要精確知道四元化合物半導體的折射率是困難的。然而，為了使半導體激光器具有低的閾值、好的遠場與模式特性，有必要知道精確到0.2%～0.5%的寬帶隙與窄帶隙層的折射率。對于GaInAsP/InP異質結，與它有關的二元化合物的折射率已在較寬的波長范圍內得到，如表2.4-2所示。對GaInAsP四元化合物的折射率可由測量激光器的某些特性參數(如光束發(fā)散角、閾值電流與有源層厚度的關系、縱模間隔等)而間接得到，但間接測量很難滿足上述對折射率的精確要求。有一種與實驗結果相近的內插法來計算存在色散情況下四元化合物半導體的折射率，即塞爾邁耶(Sellmeyer)公式圖:4.3由異質結的光波導效應來選擇半導體激光器材料由異質結的光波導效應來選擇半導體激光器材料式中，A、B和C是適當選擇的塞爾邁耶參數，A為波長。為了計算四元化合物半導體的折射率，將塞爾邁耶參數按下面的規(guī)則平均。設x?和x?分別代表GaInAsP中兩個Ⅲ族元素的組分，y?和y?分別代表其中兩個V族元素的組分，則01襯底材料的考慮這首先要求襯底材料與外延層材料有盡可能一致的晶體結構和晶格常數。這是高性能GaAlAs/GaAs、GaInPAs/InP光電子器件獲得廣泛應用的原因所在。03襯底材料的考慮襯底應與在其上生長的外延材料有好的生長工藝相容性，即在生長條件下外延材料與襯底之間應有盡可能小的相互作用。02襯底材料的考慮襯底本身的位錯密度應盡可能小，應有盡可能少的晶格缺陷(如摻雜不均勻、晶格畸變、空格點和填隙原子等缺陷)。4.4襯底材料的考慮05異質結對載流子的限制5.1異質結勢壘對電子和空穴的限制異質結勢壘對電子和空穴的限制無論是突變還是漸變異質結，都能對載流子起到限制作用。例如，在圖2.1-5的雙異質結激光器能帶圖中，由N型限制層注入p型有源層的電子將為pP同型異質結勢壘所限，阻擋它們向P型限制層內擴散而損耗掉。同樣，pN異型異質結的空穴勢壘限制著p型有源層中的多數載流子空穴向N型限制層的運動。籍此，可在有源區(qū)內積累用來產生輻射復合的載流子濃度。異質結勢壘是靠異質結兩邊半導體材料禁帶寬度差△E,分別在導帶和價帶形成的臺階△E.和△E,所形成的，外加電壓對△E。和△E,也產生不同程度的影響。例如，在有源層很薄(0.2μm)的GaA1As/GaAs異質結激光器中，導帶不連續(xù)量△E。占△F?的85%,而△F,只占△E的15%。加上正向偏壓后，pP同型異質結的電子勢壘高度主要仍由△E。決定，但pN異型異質結的空穴勢壘高度將由加正向電壓Va后在結區(qū)的剩余內建電勢(Vo-V?)所形成的勢壘e(Vb-Va)和△E,之和共同決定。5.1異質結勢壘對電子和空穴的限制異質結勢壘對電子和空穴的限制為了定量說明異質結對載流子的限制能力，仍以GaAIAs/GaAs雙異質結激光器為例。在室溫下，為在GaAs有源層內產生粒子數反轉，需要注入的載流子濃度為(1～1.3)×10°?/cm3;為達到激射閾值，需注入的總電子濃度約為2×10°/cm3。從圖2.4-1注意到，在AlAs含量x<0.37前有,所注入的載流子絕大部分處在直接帶隙的T能谷中，但還有少部分電子處于與“T”能谷導帶底相距分別為和的“L”能谷與“X”能谷內[2]。由表示電子濃度的基本公式出發(fā)，可以寫出各能谷中電子濃度的表示式?！?/p>