半导体异质结的发展及其性质讨论.ppt

题目 半导体异质结的发展及其性质的讨论 Welcometo光电迷 pn结是在一块半导体中用掺杂的办法做成两个导电类型不同的部分 一般pn结的两边是用同一种材料做成的 也称为 同质结 广义上说 如果结两边是用不同的材料制成 就称为 异质结 但一般所说的指两种不同半导体材料的接触构成的半导体异质结 根据结两边的半导体材料的导电类型 异质结可分为两类 反型异质结 p n n p 和同型异质结 n n p p 另外 异质结又可分为突变型异质结和缓变型异质结 当前人们研究较多的是突变型异质结 主要内容 异质结器件的发展过程异质结结构的物理性质当前的一些研究进展 pn结是组成集成电路的主要细胞 50年代pn结晶体管的发明及其后的发展奠定了现代电子技术和信息革命的基础 1947年12月 巴丁 J W H 布喇頓和W 肖克萊发明点接触晶体管 1949年肖克莱提出pn结理论 也称为理想pn结的肖克莱方程 j js eqv kt 1 其中j q np0Dn Ln pnDp Lp 1957年 克罗默指出有导电类型相反的两种半导体材料制成异质结 比同质结具有更高的注入效率 1962年 Anderson提出了异质结的理论模型 他理想的假定两种半导体材料具有相同的晶体结构 晶格常数和热膨胀系数 基本说明了电流输运过程 1968年美国的贝尔实验室和苏联的约飞研究所都宣布做成了GaAs AlxGa1 xAs双异质结激光器 在70年代里 液向外延 LPE 汽相外延 VPE 金属有机化学气相沉积 MO CVD 和分子束外延 MBE 等先进的材料成长方法相继出现 使异质结的生长日趋完善 理想异质结的I V曲线 异质结的结构 异质结的能带图 不考虑界面态 理想突变反型异质结的物理性质 1 在零偏压下 接触界面上的费米能级要相等 发生载流子扩散运动 界面附近留下一个空间电荷区 耗尽区或者势垒区 在热平衡下 即载流子的扩散运动和漂移运动达到平衡时 产生了一个内建电场 电势差满足 qVD EF2 EF1 势场分布为VD1 VD2 1NA 2ND 势垒电容CT dQ dT A 0 52 平衡时能带的两个特点 1 能带发生了弯曲 出现了尖峰和凹口 2 能呆在交界面上不连续 导带底上的突变 EC 1 2 价带顶的突变 EV Eg2 Eg1 1 2 考虑界面态时异质结的能带图 1 异质结的界面态主要来自组成成异质结的晶格失配 定义晶格失配为2 a2 a1 a1 a2 晶格失配会在交界面上产生悬挂建 引入界面态 界面态密度DIT会直接影响异质结的各个物理性质 另外 两种材料的热膨胀系数不同和化合物半导体中的成分元素的互扩散都会引入界面态 当两种材料的晶格常数极为接近时 晶格匹配较好 可以不考界面态的影响 实际上都要考虑这个影响 有时候可加入少量杂质元素改变晶格匹配效果 例如在Si1 xGex Si异质结中加入C原子 1 的C可以补偿91 4 的Ge所带来的压应变 2 增加了界面态能级 他们将成为载流子的非辐射复合中心 3 影响界面附近的电荷分布 加偏压时的一些物理现象 1 加偏压时 结两边的电势要变化VD1 VD1 V1VD2 VD2 V2VD VD1 V1 VD2 V2 VD V2 结两边费米能级间隔变为qV 结势垒发生变化 载流子发生重新分配 其输运机制根据势垒的不同形式发生变化 I V曲线 1 异质结的J V曲线与pn结相似 一般为非线性关系 加正向电压时J exp V 1 存在一个导通电压 导通时以指数形式变化且与温度关系紧密 反向电压时J j0 1 exp V 这个电流也称为反向抽取电流 存在一个反向饱和电流j0 q n 0Ln n pn0Dp p 当电压增大到某一值Vb时会发生击穿现象 这个电压称为击穿电压 关于电流输运机制的几个模型 1 扩散模型2 热电子发射模型3 隧道 复合模型4 热离子发射 界面态模型 扩散模型 Andeson模型 最早由Anderson提出对象 1 理想突变异质结 边界上突变 界面上没有界面电子态 2 导带势垒尖峰低于另一导带底 3 忽略势垒区载流子的产生和复合模型 载流子输运过程主要是多子由一端能够越过势垒的电子扩散到另一端过程 即电流输运主要有扩散理论决定 如图1主要结论 1 Jn qDn1n10 Ln1 exp qV K0T 1 Jp qDp2p20 Lp2 exp qV K0T 1 注入比 Jn Jp Dn1ND2Lp2 Dp2NA1Ln1 exp E kT ND2 NA1 exp E Kt 在宽紧带和窄禁带材料组成的异质结中可以实现高注入 2 如果用多数载流子浓度代替 那么得到Jn exp q Ec K0T Jp exp q Ev K0T 可以看出由于势垒高度的不同一般只有一种载流子其主要作用 这里是Je起主要作用 热电子发射模型 对于高势垒尖峰情况 图2 通过异质结的电流主要是由发射机制控制的 它的J V曲线与扩散模型相似 隧道 复合模型 模型 如图 1 在交界面存在界面态 2 载流子的流动过程包括 隧道电子流 复合的电子流和空穴流 越过势垒的空穴扩散流和发射流等 主要结论 1 J Jp Jr D Aexp aV Bexp qV mkT 在高电压区 Jp起主要作用 lnJ V直线的斜率与温度T无关 在低电压区 Jr D起主要作用 温度影响lnJ V直线的斜率 2 这个结果如很多实验现象一致 如图 热离子发射 界面态模型 1 界面态模型 最早由Tersoff提出 界面上产生界面能级 分为两类 类施主能级和类受主能级 2 根据界面态模型得到的一些结果 1 界面总电荷态密度QIT QITL QITR q2DIT SL Vp EBL q V 2 根据电中性条件QSC QIT 0 SL SR V DIT 函数形式如图所示 界面态密度会影响表面势 SL和 SR3 电流输运 1 电流密度J JE JH AE T2exp qVN kT exp q SR kt AH T2exp qVp kt exp q SL EV kT 界面态密度要影响I V曲线 2 电导G dJ dV GE GH 3 二极管理想因子N dlnJ dV 4 总电容C为CL与CR的串联结果 4 串联电阻的影响 异质结的串联电阻会有分压作用 结果流经pn结的电压变为V JR 上面的结论中的V都要用V JR代替 可以看到 高压下串联电阻影响较大 会掩盖I V的非线性关系 以上结果与Ge GaAs Ge AlGeAs等一些异质结的结果一致 理想因子 异质结的一些特性 1 高注入比 高注入比可以用来提高晶体管的频率特性 利用这种性质制成的HBT有广泛的应用 例如雷达 无线通讯 GaAs HBT放大器 等 2 超注入现象 实现粒子数反转 3 窗口效应 可以提高光生伏特效率 4 高频特性 总结 相比同质结 1 异质结两侧的材料具有不同的禁带宽度 2 由于介电常数的不同 会使界面处出现能带的凸起和凹口 结果能带出现不连续 3 在异质结界面处存在比较复杂的界面态 目前异质结制备的一些常用方法 1 分子束外延技术 2 MO CVD3 液相外延4 化学池沉积 5 物理气相沉积法 6 辅助化学法7 sol gel 目前的一些研究对象 1 制备电子器件 1 开关器件 2 整流器件SiC基异质材料 3 场效应晶体管 4 异质结双极晶体管 HBT 主要应用材料为GaAs AlGaAs GaInP InGaAs InP InAlAs Si SiGe等 5 HEMT Highelectronmobilitytransistor 2 制备发光二极管 1 异质结发光二极管 异质结构为CdTe PS ZnS ps等 2 制备新型的发光设备取代传统光源 白光LED是继白炽灯和日光灯之后的第三代电光源 主要集中在GaN基pn结研究上 例如AlGaInN GaN 3 GaAs或InP基半导体激光器 这