异质结二极管（量子阱、超晶格）

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1、第一部分第一部分 半导体器件半导体器件第一章第一章 pn结二极管结二极管第二章第二章 异质结二极管（量子阱、超晶格）异质结二极管（量子阱、超晶格）第三章第三章 金属金属-半导体肖特基二极管（包括欧姆接半导体肖特基二极管（包括欧姆接触和肖特基接触）触和肖特基接触）1郑 新 和第二章 半导体异质结与量子阱、超晶格 2.1 半导体异质结 2.2 量子阱、超晶格22.1 半导体异质结(Semiconductor Heterojunction)(1)异质结基本要求不同半导体材料：一般是窄带隙和宽带隙34 异质突变结：带隙由一种半导体直接变为另一种半导体，如 Ge/GaAs等 异质缓变结：两种半导体的带隙

2、连续变化形成，如GaAs/Al1-xGaxAs异质结等 晶格常数匹配。如不匹配，将形成缺陷和界面态。问题：异质结的突变结、缓变结与pn结中突变结、缓变结有什么区别？(2)异质结能带图(band alignment) 构成异质结的两种半导体材料具有不同的带隙宽度Eg、电子亲和势、 电离能和功函数W，而结的电学特性强烈地依赖于这些参数。 根据和Eg的相对值，窄带隙和宽带隙形成的异质结有三种类型：(a)跨骑型或I型，straddling; (b)交错型或II型，staggered; (c)错开型 或III型，broken。其中I型从技术上讲最为重要。5 为描述方便，将宽带隙半导体用掺杂类型的大写字母

3、(如P、 N)表示，反之用小写字母(如p、n)等。 掺杂类型相同的称为同型异质结(Nn和Pp)、相反的称为反 型异质结(Np和Pn)。Pn反型异质结6 电子亲和势模型(EAM)或准则假设条件： 半导体材料参数直到冶金结处都不变； 半导体材料的晶格常数相近或相等； 真空能级连续；异质结能带图由两种半导体材料的亲和能异质结能带图由两种半导体材料的亲和能、电离能或带隙决定电离能或带隙决定，如 对跨骑型异质结导带底能量差(不同)：价带顶能量差(不同)：712-cE12v-EgvEEEc三种异质结类型的电子亲和势差异注意：电子亲和势模型有 时并不十分正确，依此获 得的导带底差值与实验有 较大出入。因此，

4、Ec往往 由实验确定。8接触后接触后，载流子传输也通过扩散实现载流子传输也通过扩散实现，类似同质结的分析类似同质结的分析。a) Pn反型异质结平衡时，根据电子亲和势模型和异质结接触时任一给定的材料、和 Eg都是常数，可以画出能带图。问题：在连接处，导带和价带有什么特点？9 导带或价带出现势能尖峰或凹谷Pn异质结异质结类型？ 尖峰或凹谷的具体形状取决于半导体材料的种类和掺杂水平； 凹谷或势阱：陷住载流子，提高器件性能。如在激光器中，利用势阱 将载流子局限在导带中，增大受激发射的几率。1011The Nobel Prize in Physics 2000 Zhores I. Alferov Her

5、bert Kroemer Jack S. Kilby (1930-) (1928-2013) (1923-2005) The Nobel Prize in Physics 2000 was awarded “for basic work on information and communication technology“ with one half jointly to Zhores I. Alferov and Herbert Kroemer “for developing semiconductor heterostructures used in high-speed- and op

6、to-electronics“ and the other half to Jack S. Kilby “for his part in the invention of the integrated circuit“. 内建电势Vbi 222lncD cfNNkTEE 111lnvA fvNNkTEE 12c2v1lnvcDA biNNNNkTEEqV又根据 122ln-vcDA vgNNNNkTEE 121ln-vcDA cgbiNNNNkTEEqV12111gvcEEE与耗尽区宽度有什么关系？13 静电势分布nxx02222)(p sA n sDxqNxxxqNx 0xxp2)(2)(p

7、 sAxxqNx同质结：22 2pAnD sbixNxNqVVbi=1214 电场分布0xxp)(p sAxxqNE)(xxqNEn sDnxx0同质结：spAsnDxqNxqNEmax15 耗尽区宽度2/12 DADAbis pnNNNN qVxxW同质结： 偏压下的Pn异质结 如在Pn结中，电子势垒和空穴势垒并不同电子势垒和空穴势垒并不同，区别于同质pn结。因此， 正偏时，空穴比电子更容易注入空穴比电子更容易注入，亦即空穴注入效率更高亦即空穴注入效率更高。在双极晶 体管中，通过引入异质结，可改善器件性能(减小BJT反向注入)。 除了势垒的不同外，由于异质结中存在宽带隙，因此在光电子器件设

8、计也有不同应用，如发光二极管、太阳能电池。能大概说说为什么？16问题：正、负 偏压下的能带 如何变化？b) nN同型异质结 异质结两边的半导体的多子 皆为电子，此时，当两者接 触后，电子将发生什么变化？ 电荷分布不均匀： 左侧半导体结区：电子的电子的 积累积累，导致电荷密度很大； 右边半导体结区：电子被 耗尽耗尽，电荷密度为qND； 耗尽区主要在右边半导体 (N区)。17问题：空穴有什么变化？ 二维电子气(2-dimension electron gas，简称2DEG)在nN异质结中，GaAs/AlGaAs就是一个很典型的例子。2DEG情况 与表面垂直的方向上， 电子活动受到势阱的限 制，能量

9、出现量子化， 但电子在其它两个方向 自由流动。 电子能量的三角形势阱18qnzE)x(Vz019 迁移率的提高途径：尽可能降低电离杂质的散射！ 2DEG分布在非掺杂的GaAs中以及异质结的设计(考虑使用缓变 结，而不是突变结)可减少来自AlGaAs中电离杂质的散射，从而 大大提升电子的迁移率。 这种高电子迁移率(HEMT)器件设计也是衡量某些外延设备和材 料纯度的重要手段。 2DEG的迁移率问题：GaAs中2DEG从何而来？20 2DEG in AlGaN/GaN heterojunction问题：2DEG如何实现？21Akira Nakajima et al, Appl. Phys. Exp

10、ress, vol 3, p121004, 2010“Super-junction” devices that use both 2DHGs and 2DEGs, which could lead to ultra-low-loss power devices2DHG carrier density of 1.1 x 1013/cm2, and a hole mobility of 16 cm2/V-s Both 2DHGs and 2DEGs22 InAlGaN quaternary barrier boosts 2DEGsCurrent-gainandpower-gain cut-off

11、frequencies23RT Mobility comparison p-i-n异质结以前的研究：p-GaN/i- InGaN/n-GaN太阳能电 池24问题：使用p-i-n结构的考虑？25(3)隧穿诱导偶极层如果异质结中 两种半导体的晶格常数不同晶格常数不同，界面处存在悬挂键悬挂键； 价带顶能量差较大价带顶能量差较大，在界面处将产生电偶极层电偶极层，如GaAs/Ge异质结。26GaAs和Ge的晶格常数分别为0.5653 nm和0.5646 nm，可认为几乎匹配； 因此，影响GaAs/Ge异质结能带图的因素可能与价带顶能量差有关。此 时，载流子将发生变化并最终改变能带结构。如果不考虑上述两种

12、差异，GaAs/Ge异质结的EAM模型预测的电中性导 带和价带差如下：27使用EAM预测的能带偏移(Ec=0.07 eV，Ev=0.83 eV)实际测量的能带偏移(Ec=0.27 eV，Ev=0.49 eV)先分析价带不连续引起的偶极层对上述能带偏移的影响。 偶极层的影响以Np为例，假设晶格匹配假设晶格匹配，于 是根据EAM得到的接触平衡能 带图为：28价带不连续引起偶极层价带不连续引起偶极层29 由于半导体B的价带存在和半 导体A禁带中能量相同的电子， 因此根据隧穿机制，B中价带 电子将穿透一段很短的距离(很很 薄薄，1nm数量级数量级)进入A形成负 的空间电荷。此时，亦在B中 存在数量相等

13、的正的空间电荷 (电离杂质)。 价带不连续引起隧穿，导致电 荷在界面处分离，从而产生了 电偶极层电偶极层。 偶极层对能带图的影响为EAM预测的能带边位置，为考 虑偶极层影响后的能带变化。偶极层 被放大，即能带被拉伸。 偶极层的存在使B表面附 近的能带边下移，而使A 上移。问题：如何说明这一 现象？ 价带顶不连续Ev越大， 偶极层效应越明显，使用 EAM预测的误差也越大。 对同质结， Ev=0，不会 产生隧穿引入的偶极层。 能带弯曲趋势发生了变化能带弯曲趋势发生了变化。30实则引入了电场，那电场大小几何？根据两者的能带图可以看出，引入偶极层和EAM预测的Ec的总变化为 0.27+0.07=0.3

14、4 eV，即导致的能带弯曲量为0.34 eV，因此dxdE qEc1假设总的偶极层厚度约为1 nm。31 由于偶极层厚度非常小(1 nm数量级)，远小于耗尽区宽度，因 此在考虑偶极层存在的能带图时，往往不画出实际偶极层的厚 度，而是通过真空能级的不连续性表明偶极层的存在。 同时，能带图也附加了偶极层效应引起的导带和价带不连续。32(4)表面/界面影响a)表面态Si的表面悬挂键(dangling bonds)： 一个未成键的电子和一个空的态一个未成键的电子和一个空的态33问题：表面态的面密度与表面原子的 面密度相当，其大小可能与什么有关？ 如何减少Si表面态密度？钝化 氢原子：原子态氢很难获得，

15、在Si 表面容易移动以及容易扩散(直径 小)使得钝化不稳定； 二氧化硅：比氢稳定，有时使用 氢或氘(比氢重，不易移动)添加到 SiO2，使钝化更有效。34表面需进行功能化或活化 碳纳米结构的惰性表面3536 石墨烯和GaN半导体的混合结构b, AFM of graphene ；c, AlN/graphene； d, GaN/AlN/graphene37接触前 表面态一般在禁带中引入局域化能级，且能量分布较宽； 表面态费米能级与体内费米能级不在同一位置不在同一位置。接触后(以n型半导体为例) 电子发生移动，表面产生静电荷QSS，与体内的电离施主建立热平衡 后产生垂直于表面的静电场静电场，能带向上弯曲； 在半导体表面存在表面势qVs，形成少子势阱少子势阱，即空穴势阱即空穴势阱，而电子 被表面态俘获。 表面态密度和表面势对很多器件特性产生很大影响，需控制表面态。 方法的设计富有想象和创造性。 表面悬挂键能量b) 晶格失配引起的悬挂键Si和Ge的晶格常数失配度 为4.1%，也会引起悬挂键 (密度高达10