2015第7次课-第五章-半导体异质结中的二维电子气及调制掺杂器件

问题？,二维电子气HEMT二维电子气系统的态密度三角势阱的能级特点量子极限,第五章半导体异质结中的二维电子气及调制掺杂器件,5.1二维电子气简介5.2方形势阱中粒子的运动特性5.3异质结量子势阱中的二维电子气,一维和二维物理又称为低维物理。物理上的研究价值和强烈的应用背景。制作技术主要采用MBE和MOCVD。1966由Fowler等人首先提出。Si-MOS反型层存在着磁阻振荡。在垂直于反型层的z方向电子是量子化的。既Si-MOS反型层是一个准二维电子气系统。二维电子气是指在空间z方向电子被限制在一个薄层内的系统。二维电子气散射几率比3-DEG的小得多，有效迁移率将较高。,5.1二维电子气简介,5.1.1低维物理及其应用,基于低维半导体材料的量子器件的特性低维半导体材料是一种人工设计、制造的新型半导体材料,是新一代量子器件的基础。基于它的纳米电子学器件和电路具有超高速、超高频(1000GHz)、高集成度(1010元器件/cm2)和高效、低功耗等特点。基于它的光电子器件，如量子点激光器等，则有极低的阈值电流(亚微安)、极高的量子效率、极高的调制速度、极窄的线宽和高的特征温度等。这些特性在未来的纳米电子学、光电子学、光子学和新一代VLSI以及光电集成、光集成等方面有著极其重要的应用前景,可能触发新的技术革命,并将成为本世纪高新技术产业的重要支拄之一。,新的物理效应的出现库仑阻塞，量子限域效应量子相干、量子纠缠出路：要有概念上的突破：寻找新体系，运用新现象,（1）利用反型层获得二维电子气,5.1.2几种获得二维电子气的方法,（2）利用异质结界面获得二维电子气。,-,（3）利用超晶格结构获得二维电子气,1量子力学中的量子阱2半导体器件中的量子阱结构3有效质量,5.1.3二维电子气的应用,FET原理,HEMT是一种异质结场效应晶体管（HFET），又称为调制掺杂场效应晶体管（MODFET。这种器件及其集成电路都能够工作于超高频（毫米波）、超高速领域，原因就在于它采用了异质结及其中的具有很高迁移率的所谓二维电子气来工作的。势阱中的电子即为高迁移率的二维电子气（2-DEG），因为电子在势阱中不遭受电离杂质散射，则迁移率很高。这种2-DEG不仅迁移率很高，而且在极低温度下也不“冻结，有很好的低温性能,可用于低温研究工作(如分数量子Hall效应)中。异质结界面附近的另一层很薄的本征层（i-AlGaAs），是用于避免势阱中2-DEG受到n-AlGaAs中电离杂质中心的影响，以进一步提高迁移率。,HighMobilityDuetoSuppressionofIonizedImpurityScattering:SuperiorLowTemperaturePerformance:UseofSuperiorMaterialsintheChannel:HighSheetChargeDensity:,5.2.1方形沟道势阱中的粒子。,5.2方形势阱中粒子运动的特性,无限深势阱有限深势阱势阱的构造二维：量子阱一维：量子线零维：量子点,z方向：量子化，xy平面：连续，总能量：连续,X、y平面内以m*自由运动,Z向处在一维势阱中具有量子化的束缚态,1电子的热激发。2载流子的复合。3二者达到平衡。4导电性依赖于温度-载流子浓度随温度的变化造成的。5要探求导电性随温度的规律。,载流子的统计分布,1允许的量子态按能量如何分布。2电子在允许的量子态中如何分布。,半导体的基本性质敏感地依赖温度,5.2.2二维电子气的状态密度,导带和价带中有很多能级：相邻能级间隔：10-22eV,E-E+dE内有dZ个量子态,状态密度,球形等能面导带底状态密度(假设导带底在k=0处),同理，可推得价带顶状态密度：,状态密度gC（E）和gV（E）与能量E有抛物线关系，还与有效质量有关，有效质量大的能带中的状态密度大。,对体材料（三维）,例计算三维系统在0.1eV能量时的的状态密度,二维系统的能态密度,Ez能量的量子化并不意味着电子能量是量子化的，由一个Ez的分裂值,对应一个由各种不同Exy造成的子能带.,半径为k/的圆以内的状态数为：,在xy平面运动的子能带态密度是一个常数,在Kxy平面上的态密度：2A/(2p)2,其中第n个子带态密度为：,对第一个子带，E1以下的状态不允许存在。,100A,0.15eV,5.3异质结量子势阱中的二维电子气,1异质结能带图：-阱2晶体中电子与自由电子的区别,m,m*,双异质结：,5.3.1方型势阱简单分析,由于电子在GaAs中的有效质量很小，m*=0.067m0,由表可知，a=30nm,仍有很大间距。,Dingle的工作：电子从价带束缚态跃迁到导带束缚态时对应的光吸收实验。L=4000,量子尺寸效应消失。1.515eV处的吸收峰相当于体内激子吸收。L=210,140:量子尺寸效应,1跃迁满足Dn=nh-ne=0,相同n的量子态具有相同的波函数节点，对应的波函数有最大的交叠。从而出现最大的跃迁概率。2考虑电子空穴的相互作用，跃迁后电子和空穴形成激子态，所以，跃迁吸收的光子能量为导带和价带的第n个束缚态的能量之差。再扣除激子的束缚能。3对于价带顶，有轻重空穴。在量子阱中，相当于两种不同能量的束缚态。对应在吸收谱中，对应每一个n,有两个峰。,态密度的台阶式分布,(2)异质结界面的量子阱,在掺杂异质结界面：电子在两种半导体间转移，造成能带弯曲。GaAs一侧：势阱AlGa