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；n1962年，Anderson提出

2、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

3、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，1.能带发生了弯曲。2.能带在交界面处不连续，有一个突变21FFFEEE则能带总的弯曲量就是真空电子能

4、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。21DDDVVV21cE2112ggvEEE(9-5)(9-4)22ggvcEEEE(9-6)1221FFDDDEEqVqVqVp-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

5、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)21sssNNN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：2221212224aaaaNs（110）222121224aaaaNs（100）2221212234aaaaNs（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，

6、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

7、势垒区中的电荷密度可以写成22201101)(,)(,DAqNxxxxqNxxxx 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： 121002ddxxxxXDQxxqNxxqNDA)()(022101120210ADNNxxxx(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21210)DADDNNXNxx（21A102)DADNNXNxx（221121221212212DADADDADDADNNXNNNNXNN

8、qV21112221221212ADDADDADNNNqNVNNX(9-34)(9-33)(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：112221ADDDNNVV21121221212212DADADDADDADNNXNNNNXNNqVV 21221121221212DADADDADNNNqNVVNNX(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如图半导体异质pn结界面导带

9、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TkEqVnncD021expTkqVnTkEVVqnxncD01002011expexp(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

10、方程为 其通解为 从而求得电子扩散电流密度 011212nnnxndxxndD 1111expexpnnLxBLxAnxn 1exp011011111TkqVLnqDdxnxndqDJnnxxnn(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处的空穴浓度增加为VVDDEqVEqVqV21TkEqVppVD01020exp(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

11、过异质pn结的总电流为TkqVpTkEVVqppVD02001020expexp 1exp0220220222TkqVLpqDdxpxpdqDJppxxpp1exp020221011TkqVpLDnLDqJJJppnnnp(9-66)(9-65)(9-64)n异质pn（扩散）结n同质pn结：1exp020221011TkqVpLDnLDqJJJppnnnp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)(exp002011Tk

12、qVTkEVqnLqDJCDnnn1exp)(exp001022TkqVTkEVqpLqDJVDppp异质异质pn结的注入特性结的注入特性n异质pn结电子电流与空穴电流的注入比为 TkELnDLnDJJnppnpn011022201exp TkELnDLnDJJnAppDnpn0112221exp1exp)(exp002011TkqVTkEVqnLqDJCDnnn1exp)(exp001022TkqVTkEVqpLqDJVDppp 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

13、级，但注入比仍可高达 ，异质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。 AsGaAl7 . 03 . 0eVE37. 0319102cm317105cm4012104exp TkENNJJADpn4104(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半导体材料薄层组成的一维周期性结构，而其