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1、半导体材料,第八章 IIIV族多元合物半导体,8-1 异质结与晶格失配,根据半导体单晶材料的导电类型,异质结,反型异质结：导电类型相反,同型异质结：导电类型相同,反型：p-nGe-GaAs 或 (p)Ge-(n)GaAs, n-pGe-GaAs 或 (n)Ge-(p)GaAs,p-nGe-Si, p-nSi-GaAs, p-nSi-ZnS,p-nGaAs-GaP, n-pGe-GaAs 等,异质结：两种不同的半导体单晶材料组成的结,同型：n-nGe-GaAs 或 (n)Ge-(n)GaAs, p-pGe-GaAs 或 (p)Ge-(p)GaAs,n-nGe-Si, n-nSi-GaAs, p-
2、pSi-GaP, p-pPbS-Ge 等,理想的异质结应是突变的，但实际上一般的外延生长方法制备的异质结，常常是具有一定厚度的缓变区(过渡区)，会影响异质结的某些特性。 利用MBE，MOVPE，ALE等外延技术可以生长过渡区很窄或突变的异质结。 MOVPE反应器中气体流速快，可以迅速改变多元化合物组分和杂质浓度，从而可以使杂质分布陡峭一些，过渡层薄。 MBE生长速度低(0.1-1nm/s)，利用快门可精密地控制掺杂、组分和厚度，是一种原子级的生长技术，有利于生长多层异质结构,在器件，特别是光电器件的设计和制做中常利用异质结的以下特性：由低阻衬底和含有器件的有源区的外延层构成的同型异质结，衬底与
3、外延层的交界面在无源区，衬底只起到支撑外延层的作用。同型异质结在靠近有源区处能提供一个带隙较高的透明层，可消除复合速度很高的自由表面，而异质结界面则起到钝化作用。同型异质结也能形成限制载流子的势垒，可缩短载流子的扩散长度，从而减少了复合区宽度。异型异质结可利用改变两侧禁带宽度的相对大小来提高电子或空穴的注入效率。同型和异型异质结都能提供一个折射率阶跃，形成光波导的界面同型异质结还可以为形成金属化欧姆接触提供一个禁带宽度小 的称作“盖层”的材料层。,异质的能带突变,异质结的两边是不同的半导体材料，则禁带不同，从面在异质结处就存在导带的突变量Ec和价带的突变量Ev。这些能带突变量是表征异质结的重要
4、物理量对异质结处的应用有很重要的影响。 典型的能带突变形式 1、禁带交叉式 2、禁带错开式 3、禁带不交接,能带突变的应用,能带突变的应用是多方面的： 1、可以产生热电子 2、可形成使电子反射的势垒 3、提供一定厚度和高度的势垒，当势垒很薄时，电子可以隧穿，势垒较厚时，只有那些能量比势垒高度大的电子才能越过。 4、造成一定浓度和宽度的势阱，束缚电子于其中，当势阱宽度小于电子的de broglie波长时，阱中的电子将处于一系列量子化能级上（即量子势阱）,晶格失配,在异质外延层和衬底或相邻的两个外延层之间，如果存在晶格常数的差异，称之为晶格失配。 晶格失配率：其中：f为失配率(度)，a1和a2分别
5、为外延层材料和衬底材料的晶格常数。,晶格失配的影响,晶格失配的存在，常给器件制做和性能带来不利的影响，因此在外延时，一般都尽量限制和降低晶格失配的影响。要想使两种晶格常数不同的材料在原子尺寸范围内达到相互近似匹配，只有在晶格处于弹性应变状态，即在两种晶格交界面附件的每个原子偏离其正常位置时才能实现。当这种应变较大时，即存储在晶体中的应变能量足够大时，将通过在界面处形成位错而释放，所形成的位错称为失配位错。实验表明，在异质结外延层中，晶格失配引起的位错密度可达107-108/cm2，甚至达到1010/cm2。如果发光器件的有源区中有如此高密度的位错，其发光效率将大大降低。减少办法： (1) 临界
6、厚度法(2)界面缓变法 (3) 组分突变法 (4) 生长应变超晶格,晶格失配不利影响的消除办法,(1)临界厚度法 在异质外延生长时，应变能是随着外延层的厚度增加而增加的。通常把外延层即将释放应变能形成失配位错时的厚度称为“临界厚度”。因此在进行异质外延生长时，如果其厚度不超过临界厚度，则外延层是完整的，没有失配位错。 特点：制备的外延层无位错，但外延层厚度较小,晶格失配不利影响的消除办法,(2) 缓变法在异质外延生长时，缓慢地改变其多元化合物的组分，使晶格常数逐渐变化到要求值。即在生长一组分缓变的过渡层后再生长所要求的恒定组分层。这种方法虽然不能消除失配位错，但能有效的将位错分散到比较厚的外延
7、层中，使外延层横截面内的平均位错密度下降，从而改善那些利用外延层表面制作的器件的性能。 特点：外延层厚，分散位错,(3) 组分突变法在液相外延生长时发现，如果是晶格失配材料生长时，外延层中的位错密度通常只是衬底1/31/10，这是因为许多位错有拐弯进入交界面的倾向。根据这一现象，在外延生长时，不是一次生长出厚的外延层，而是生长几个不同厚度的薄外延层，利用两层间的交界面，使部分位错拐弯，降低外延层表面的位错密度。 特点：生长几层外延层，将位错转移到层界面，降低表面位错密度。 需注意的是：如果所生长的多层厚度较厚时，处在压应变状态(即衬底晶格常数小于外延层时)，这种方法有效。反之，处于伸张状态，不
8、但位错密度不能降低，反而还会增加。,8-5 超晶格与量子阱,半导体超晶格-是利用超薄层生长技术制备的一种新型的人工材料。 江崎玲于奈(Leo Esaki)，朱兆祥等于1969年提出半导体超晶格的概念。江崎从实验中发现半导体的隧道现象，并提出超晶格的概念，与约瑟夫森一起分享了1973年的诺贝尔物理学奖(约瑟夫森理论上预言了通过隧道阻挡层的超电流的性质。) 由于半导体超晶格具有很多体材料不具备的特性和广阔的应用前景，深受人们的重视。30多年来，在超晶格物理、材料制备、特性检测与分析及在器件制做方面的应用等都发展得十分迅速，取得了惊人的成果，成为当今半导体科学最活跃的领域之一。,超晶格,超晶格是一种
9、新型结构的半导体化合物，它是由两种极薄的不同材料的半导体单晶薄膜周期性地交替生长的多层异质结构，每层薄膜一般含几个以至几十个原子层。 由于这种特殊结构，半导体超晶格中的电子(或空穴)能量将出现新的量子化现象，以致产生许多新的物理性质。,半导体超晶格与多量子阱,相邻两层不同材料的厚度的和称为超晶格的周期长度，一般来说这个周期长度比各层单晶的晶格常数大几倍或更长，因此这种结构获得了“超晶格”的名称。由于这两种材料的禁带宽度不同，则其能带结构出现了势阱和势垒。称窄禁带材料厚度为阱宽Lw，宽禁带材料厚度为垒宽LB，而Lw+LB就是周期长度。当这两种薄层材料的厚度和周期长度小于电子平均自由程时，整个电子
10、系统进入了量子领域，产生量子尺寸效应。 这时夹在两个垒层间的阱就是量子阱。,用两种禁带宽度不同的材料A和B构成两个距离很近的背靠背的异质结，A/B/A，若材料B是窄禁带半导体，且其导带底低于材料A的导带底，则当其厚度，亦即这两个背靠背的异质结的距离小于电子的平均自由程（约100nm），电子即被约束在材料B中，形成以材料A为电子势垒，B为电子势阱的量子阱。若材料B的价带顶也高于A的价带顶，则该结构同时也是材料A为空穴势垒，B为空穴势阱的量子阱,由于两种材料的禁带宽度不同而引起的沿薄层交替生长方向（z方向）的附加周期势分布中的势阱称为量子阱。量子阱中电子与块状晶体中电子具有完全不同的性质，即表现出
11、量子尺寸效应，量子阱阱壁能起到有效的限制作用，使阱中的载流子失去了垂直于阱壁方向（z方向）的自由度，只在平行于阱壁平面（xy面）内有两个自由度，故常称此量子系统为二维电子气。,GaAs和AlAs交替叠合而成的半导体超晶格,多量子阱和超晶格的区别,多量子阱和超晶格都是连续周期排列的异质结构材料，区别在于势垒的厚度和高度不同： 当势垒厚度（宽带隙材料的厚度）20nm和势垒高度大于0.5eV时，那么多个阱中的电子行为如同单个阱中电子行为的总和，这种结构材料称为多量子阱，它适合制做低阈值，锐谱线的发光器件。 如果势垒比较薄或高度比较低，由于隧道效应，使阱中电子隧穿势垒的几率变得很大，势阱中分立的子能级
12、就形成了具有一定宽度的子能带，这种材料称为超晶格，它适于制备大功率的发光器件。,量子阱的应用,量子阱红外探测器阱材料的子带中有两个子能带，即基态E1和第一激发态E2 ，在材料生长过程中利用掺杂型半导体使子带阱中基态上具有一定的二维电子密度， 当入射辐射光子能量为h照射到器件接收面上时，E1上的电子将被光子激发到E2态，并隧穿势阱壁形成热电子，以致形成与入射光强度成正比的电信号。这种新型、快速、灵敏的红外探测器具有灵活性大、响应速度快、量子效率高、结构简明等优点。量子阱红外探测器还具有材料均匀性好稳定性好，重复性好及质高价廉等优点，其发展速度特别快。这种新型量子阱探测器的问世，大大促进了大规模集
13、成、光学逻辑电路、红外成像技术的发展量子阱红外探测器对红外物理、红外光电子学及其应用领域带来了革命性的发展。,组分超晶格,目前已设计制备出多种超晶格结构，主要有组分超晶格、掺杂超晶格、多维超晶格，应变超晶格。如果超晶格材料的一个重复单元是由两种不同材料的薄层构成，则称为组分超晶格。在组分超晶格中，由于组成的材料具有不同的电子亲和势和禁带宽度，在异质界面处发生能带不连续，根据不同材料的电子亲和势的差可以确定导带的不连续能量值Ec，再考虑禁带宽度，就可以确定价带不连续值Ev，。这样超晶格从能带结构上来划分可分为三种类型。,按异质结中两种材料导带和价带的对准情况，江崎把异质结分为三类： 型异质结:
14、窄带材料的禁带完全落在宽带材料的禁带中，Ec和Ev的符号相反。不论对电子还是空穴，窄带材料都是势阱，宽带材料都是势垒，即电子和空穴被约束在同一材料中。载流子复合发生在窄带材料一侧。 GaAlAs/GaAs和InGaAsP/InP都属于这一种。,型异质结（Ec和Ev的符号相同），分两种： *A类超晶格：材料1的导带和价带都比材料2的低，禁带是错开的。材料1是电子的势阱，材料2是空穴的势阱。电子和空穴分别约束在两材料中。超晶格具有间接带隙的特点，跃迁几率小，如GaAs/AlAs超晶格。,B类超晶格：禁带错开更大,窄带材料的导带底和价带顶都位于宽带材料的价带中，有金属化现象，如InAs/GaSb 超
15、晶格。,类超晶格：其中一种材料具有零带隙。组成超晶格后，由于它的电子有效质量为负，将形成界面态。 典型的例子是HgTe/CdTe超晶格。,一、组分超晶格的制备 制备组分超晶格时应满足如下的要求：(1)组分超晶格是超薄层异质周期排列结构，因此制备时生长速率应能精确地控制，以保证各层厚度的重复性；(2)异质界面应该平坦，粗糙度低，组分变化陡峭。这就要求生长时源的变化要快，且在保证晶体质量的条件下，生长温度尽可能的低，以防止层间组分的互扩散；(3)晶格完整性要好，失配度小，失配位错少，表面形貌要好；(4)各层化合物组分控制要精确，特别是多元化合物的组分还应均匀；(5)如果需要掺杂，掺杂量及其均匀分布
16、也应精确控制。从上述的要求来看，目前可用来制备超晶格的方法主要是MBE、MOVPE、CBE和ALE等。,1. 分子束外延技术MBE,Molecular beam epitaxy,2. 金属有机化合物汽相沉积技术（MOCVD),Matal organic compound chemical vapor deposition,生长GaInAsInP超晶格的程序,(1)装入衬底后系统抽真空，通H2并恒压在1104Pa，(2)升温至300，通PH3保护InP衬底不分解。(3)继续升温至650 ，在继续通PH3的条件下，处理InP衬底约10min。(4)降温至625630 ，通TMIn并调整PH3流量，在InP衬底上生长一层InP缓冲层。(5) 按预先试验获得条件交替生长GalnAs层和InP层，在两层交换生长时，可以采用中断生长工艺，直到生长到预计的阱层、垒层数为止。(6)最后一般生长一层约02m的InP盖层。 (7)在继续通PH3的条件降温至300，停止通PH3，直到降至室温，停止通H2，通高纯N2并调整反应室气压为常压，开炉取片。,
