第十四结 异质结

1、第十四节第十四节 半导体异质结半导体异质结 内容内容 n半导体异质结的简介 n异质结的能带结构 n异质结的特性 n异质结的应用简介 半导体异质结？半导体异质结？ n由两种不同的半导体材料组成的结，则称为异质结。 n本章主要讨论半导体异质结的能带结构、异质pn结的电流 电压特性与注入特性及各种半导体量子阱结构及其电子能 态，并简单介绍一些应用。 半导体异质结的发展历史半导体异质结的发展历史 n1947年，巴丁，布喇顿，肖克莱发明点接触晶体管； n1949年，肖克莱提出pn结理论； n1957年，克罗默（Kroemer）指出导电类型相反的两 种半导体组成的异质pn结比同质结具有更高的注入效 率；

2、n1962年，Anderson提出异质结的理论模型； n1968年，美国贝尔实验室和前苏联的约飞研究所做成 GaAs-AlxGa1-xAs异质结激光器； n70年代，液相外延、汽相外延、金属氧化物化学汽相 沉积和分子束外延技术的出现，使异质结的生长技术 趋于完善； 半导体异质结的分类半导体异质结的分类 根据两种半导体单晶材料的导电类型，异质 结又分为以下两类： n反型异质结，指有导电类型相反的两种不 同的半导体单晶材料所形成的异质结 n同型异质结，指有导电类型相同的两种不 同的半导体单晶材料所形成的异质结。 n异质结也可以分为突变型异质结（过渡区 几个原子层）和缓变形异质结（过渡区几 个扩散长

3、度）。 内容内容 n半导体异质结的简介 n异质结的能带结构 n异质结的特性 n异质结的应用简介 突变型异质结的能带结构突变型异质结的能带结构 n忽略界面态影响； n如图表示两种不同的半导体材料没有形成异质结前的热平 衡能带图。有下标“1”者为禁带宽度小的半导体材料的物 理参数，有下标“2”者为禁带宽度大的半导体材料的物理 参数。 平衡时，两块半导体有统一的费米能级 因而异质结处于热平衡状态。两块半导 体材料交界面的两端形成了空间电荷 区。n型半导体一边为正空间电荷区 ，p型半导体一边为负空间电荷区。 正负空间电荷间产生电场，也称为内 建电场，因为电场存在，电子在空间 电荷区中各点有附加电势能，

4、 1.能带发生了弯曲。 2.能带在交界面处不连续，有一个突变 21FFF EEE 则能带总的弯曲量就是真空电子能级的弯 曲量即 显然 两种半导体的导带底在交界面的处突变 为（导带阶） 而价带顶的突变（价带阶） 而且 式(9-4)、式(9-5)和式(9-6)对所有突变异 质结普遍适用。 21DDD VVV 21 c E 2112 ggv EEE(9-5) (9-4) 22ggvc EEEE (9-6) 1221FFDDD EEqVqVqV p-n-Ge-GaAs异质结的能带图异质结的能带图 突变突变np异质结的能带图异质结的能带图 突变突变nn异质结异质结 n 对于反型异质结，两种半导体材料的交

5、界面两边都成了 耗尽层；而在同型异质结中，一般必有一边成为积累层。 突变突变pp异质结异质结 n异质结界面，晶格常数较小的半导体存在一部分的不饱和 键，称为悬挂键；悬挂键产生了界面态； n悬挂键密度为界面两端键密度之差： 界面态的影响界面态的影响 n界面态形成的主要原因：晶格失 配 n两种半导体晶格常数a1，a2（ a1a2），定义晶格失配为： 2(a2-a1)/(a2+a1) 21sss NNN 晶格失配引入悬挂键晶格失配引入悬挂键 n金刚石/纤锌矿结构：Si，Ge， GaN，AlN，GaAs，ZnO等 n金刚石结构界面悬键密度： 2 2 2 1 2 1 2 2 2 4 aa aa Ns（1

6、10） 2 2 2 1 2 1 2 2 4 aa aa Ns （100） 2 2 2 1 2 1 2 2 3 4 aa aa Ns （111） 与面原子密度差别？ 表面能级的作用表面能级的作用 n根据表面能级理论计算求得，当 金刚石结构的晶体表面能级密度 在1013cm-2以上时，在表面处的费 米能级位于禁带宽度的1/3处（巴 丁极限） n对于n型半导体，悬挂键起受主作 用，因此表面能级向上弯曲。 n对于p型半导体悬挂键起施主作用 ，因此表面能级向下弯曲。 考虑表面能级的作用时的能级图考虑表面能级的作用时的能级图 n表面态在界面是普遍存在的， n界面能级弯曲由a较小的一方决定； n界面形成积累

7、层、耗尽层； 施主 作用 (p型) 考虑表面能级的作用时的能级图考虑表面能级的作用时的能级图 受主 作用 (n型) 内容内容 n半导体异质结的简介 n异质结的能带结构 n异质结的特性 n异质结的应用简介 突变异质结的势垒高度和突变异质结的势垒高度和 n以突变pn异质结为例 设p型和n型半导体中的杂质都是均匀分布的，则交界面两 边的势垒区中的电荷密度可以写成 2220 1101 )(, )(, D A qNxxxx qNxxxx 势垒区总宽度为 势垒区内的正负电荷总量相等，即 式（9-13）可以化简为 设V(x)代表势垒区中x电的电势，则突变反型异质结交界 面两边的泊松方程分别为： 121002

8、 ddxxxxX D QxxqNxxqN DA )()( 022101 1 2 02 10 A D N N xx xx (9-13) (9-12) (9-14) 由式（9-12）（9-14）得 将上述两式代入（9-30）得 从而算得势垒区宽度XD为 21 2 10 ) DA DD NN XN xx （ 21 A1 02 ) DA D NN XN xx （ 2 21 1 21 2 21 2 12 21 2 DA DA D DA DD AD NN XN N NN XN N q V 2 1 112221 2 2121 2 ADDA DDA D NNNqN VNN X (9-34) (9-33) (9

9、-35) (9-36) 交VD1与VD2之比为 以上是在没有外加电压的情况下，突变反型异质结处于热 平衡状态时得到的一些公式。若在异质结上施加外加电压 V。可以得到异质结处于非平衡状态时的一系列公式： 11 22 2 1 A D D D N N V V 21 1 21 2 21 2 12 21 2 DA DA D DA DD AD NN XN N NN XN N q VV 2 1 221121 2 2121 2 DADA DDA D NNNqN VVNN X (9-42) (9-43) (9-41) 半导体异质半导体异质pn结的电流电压特性及注入结的电流电压特性及注入 特性特性 n如图半导体异

10、质pn结界面导带 连接处存在一势垒尖峰，根据 尖峰高低的不同有两种情况。 图a表示势垒尖峰低于p区导带 底的情况，称为低势垒尖峰情 况，图b表示势垒尖峰高于p区 导带底的情况，称为高势垒尖 峰情况（热发射）。 根据上述，低尖峰势垒情形是异质结的电子流主要由扩散 机制决定，可用扩散模型处理，如图9.11中图a和图b分别 表示其零偏压时和正偏压时的能带图。p型半导体中少数 载流子浓度n10与n型半导体中多数载流子浓度的关系为： 取交界面x=0，当异质结加正 向偏压V时 Tk EqV nn cD 0 21 exp Tk qV n Tk EVVq nxn cD 0 10 0 2011 expexp (

11、9-59) (9-60) 在稳定情况下，p型半导体中注入少数载流子运动的连续 性方程为 其通解为 从而求得电子扩散电流密度 0 11 2 1 2 n n nxn dx xnd D 11 11 expexp nn L x B L x Anxn 1exp 01 10111 1 1 Tk qV L nqD dx nxnd qDJ n n xx nn (9-62) (9-61) 上式为由n型区注入p型区的电子扩散电流密度，以下计算 由p型区注入n型区的空穴电流密度。从p区价带顶的空穴 势垒高度为 在热平衡时n型半导体中少数载流子空穴的浓度与p型半导 体中的空穴浓度关系 正向电压V时在n区x=x2处的空

12、穴浓度增加为 VVDD EqVEqVqV 21 Tk EqV pp VD 0 1020 exp (9-63) 从而求得空穴扩散电流密度、 由（9-62）（9-65）可得外加电压，通过异质pn结的总电 流为 Tk qV p Tk EVVq pp VD 0 20 0 1020 expexp 1exp 02 202 202 2 2 Tk qV L pqD dx pxpd qDJ p p xx pp 1exp 0 20 2 2 10 1 1 Tk qV p L D n L D qJJJ p p n n np (9-66) (9-65) (9-64) n异质pn（扩散）结 n同质pn结： 1exp 0

13、20 2 2 10 1 1 Tk qV p L D n L D qJJJ p p n n np 内容内容 n半导体异质结的简介 n异质结的能带结构 n异质结的特性 n异质结的应用简介 异质结的一些特性和应用异质结的一些特性和应用 n注入特性： q高注入比； q超注入现象； n界面二维电子气； n共振隧穿效应； n超晶格结构； 1exp )( exp 00 20 1 1 Tk qV Tk EVq n L qD J CD n n n 1exp )( exp 00 10 2 2 Tk qV Tk EVq p L qD J VD p p p 异质异质pn结的注入特性结的注入特性 n异质pn结电子电流与

14、空穴电流的注入比为 Tk E LnD LnD J J np pn p n 01102 2201 exp Tk E LnD LnD J J nAp pDn p n 0112 221 exp 1exp )( exp 00 20 1 1 Tk qV Tk EVq n L qD J CD n n n 1exp )( exp 00 10 2 2 Tk qV Tk EVq p L qD J VD p p p 以宽禁带n型 和窄禁带p型GaAs组成的pn结 为例，其禁带宽度之差 ，设p区掺杂浓度 为 ，n区掺杂浓度为 由上式可 得 这表明即使禁带宽n区掺杂浓度较p区低近两个数量级，但 注入比仍可高达 ，异质

15、pn结的这一高注入特性是区 别于同质pn结的主要特点之一，也因此得到重要应用。 AsGaAl 7 . 03 . 0 eVE37. 0 319 102 cm 317 105 cm 4 01 2 104exp Tk E N N J J A D p n 4 104 (9-75) 超注入现象超注入现象 n超注入现象是指在异质pn 结中由宽禁带半导体注入 到窄禁带半导体中的少数 载流子浓度可超过宽带半 导体中多数载流子浓度， 应用：半导体异质结激光器应用：半导体异质结激光器 应用：二维电子气应用：二维电子气 n在结平面上，电子可以自 由运动；在与结平面垂直 的方向上，电子被束缚在 界面几个到几十个原子层 的范围内； q高迁移率； q能量量子化； 应用：应用：HEMT（高电子迁移率晶体管）高电子迁移率晶体管） nGaN-AlGaN器件 q高迁移率；宽禁带；高热导率和击穿电压； q大功率微波器件； 量子霍尔效应量子霍尔效应 nRH=h/ie2 i为整数 半导体超晶格半导体超晶格 n 半导体超晶格是指有交替生长两种