《半导体物理学简明教程 教学课件 ppt 作者 陈治明 第6章 异质结2011》由会员分享，可在线阅读，更多相关《半导体物理学简明教程 教学课件 ppt 作者 陈治明 第6章 异质结2011（36页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、西安理工大学电子工程系 马剑平,1,第6章 异质结和纳米结构,6.1 异质结的构成及其能带 6.1.1 异质结的构成与类型 6.1.2 异质结的能带结构 6.1.3 界面态对异质结能带结构的影响 6.2 异质结特性及其应用 6.2.1 伏安特性 6.2.2 注入特性 6.2.3 光伏特性 6.2.4 异质结应用 6.3 半导体量子阱和超晶格 6.3.1 量子阱和超晶格的结构与分类 6.3.2 量子阱与超晶格中的电子状态 6.3.3 量子阱效应和超晶格效应,西安理工大学电子工程系 马剑平,2,6.1.1 异质结的构成与类型,一、异质结的构成 1、晶格匹配 2、异质结材料 3、应变异质结 二、异质
2、结的分类 1、反型异质结 2、同型异质结,西安理工大学电子工程系 马剑平,3,一、异质结的构成,1、晶格匹配 异质结通常由两种不同性质的半导体单晶薄层构成，但在结合面须保持晶格的连续性，因而这两种材料至少要在结合面上具有相近的晶体结构。用两种单晶材料构成异质结必须满足晶格匹配和热匹配的要求. 在异质结物理中，通常将组成材料的晶格失配率小于0.5%时的搭配称为晶格匹配，晶格失配率大于0.5%时则视为晶格失配。 一般情况下将晶格失配率定义为两种材料晶格常数之差的绝对值a1-a2与其晶格常数的平均值a=(a1+a2)/2之比。 对异质外延，则通常定义为衬底材料与外延层材料晶格常数之差的绝对值as-a
3、e与外延层晶格常数ae之比 热匹配本质上也是指的晶格匹配，即不同温度下的晶格匹配。,西安理工大学电子工程系 马剑平,4,一些半导体对的晶格常数和晶格失配率,*蓝宝石的晶格常数a=0.4758nm。以蓝宝石为衬底进行异质外延时，外延物通常取代其表面层的Al原子而与氧原子成键,因而与外延层相匹配的是氧子晶格,其晶格常数为,西安理工大学电子工程系 马剑平,5,2、异质结材料,由于异质结一般要在高温条件下制备,如果外延层与衬底的热匹配状况不佳，异质结中就很容易出现由热失配引起的晶格缺陷。在这个问题上，制备工艺后期的降温过程很关键。对于常温失配率小而高温失配率大的配对，冷却过快会使高温下生成的高密度位错
4、“冻结”下来,使异质结界面在常温下具有高密度位错；对于常温失配率大而高温失配率小的配对，虽然快速冷却可降低异质结界面的位错密度，但室温下较大的晶格失配又会在外延层中产生很大应力，严重时甚至会使外延层龟裂。,西安理工大学电子工程系 马剑平,6,2、异质结材料,定位于图中同一阴影区内的一组材料基本符合晶格匹配的要求。原则上，同一组中任意两种禁带宽度不同的材料都可以形成晶格匹配的异质结。 若全凭自然条件,能用来构成晶格匹配异质结的材料非常有限.借助于固溶体技术调整晶格常数,可以在每一组材料中增加一些固溶体成员。,一些在异质结技术中常用的半导体材料 在4.2K低温状态下的禁带宽度和晶格常数的关系,西安
5、理工大学电子工程系 马剑平,7,3、应变异质结,晶格失配会在异质结界面及其附近引入高密度的位错等电学缺陷，使异质结的性能降低。 但实验表明，如果两种材料的晶格常数不是严重失配，以一种材料为衬底外延生长另一种材料的薄层时，只要生长层足够薄，也可以形成高品质的异质结。这是应变作用的结果。 在进行晶格失配材料的异质外延初期，生长层中的原子首先会按照衬底材料的晶格常数来排列，而不是按照它们自己固有的原子间距。 随着应变层的增厚，应力逐渐积累到不能维持衬底晶格常数的程度，就要通过产生位错等缺陷来释放，并不再维持衬底的晶格常数而按自身的晶格常数生长。 因此，应变生长层都有一个临界厚度或称极限厚度。,西安理
6、工大学电子工程系 马剑平,8,二、异质结的分类,反型异质结：由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。 同型异质结：由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。 一般都是把禁带宽度较小的半导体材料写在前面。 突变反型异质结：导电类型相反的材料变化的过度距离在几个原子(1m)距离之内。,西安理工大学电子工程系 马剑平,9,1、反型异质结,构成反型异质结的两种材料不仅能带结构不同，其导电类型也不相同。 例如由p型Ge与n型Si构成的结即为反型异质结，记为pn-Ge/Si或p-Ge/n-Si。如果Ge/Si异质结由n型Ge与p型Si构成，则记为np-Ge/Si或n-Ge/p
7、-Si。 在器件应用中常见的反型异质结有:pn-Ge/Si，pn-Si/GaAs，pn-Si/ZnS，pn-GaAs/GaP，np-Ge/GaAs，np-Si/GaP，pn-InGaN/GaN等,西安理工大学电子工程系 马剑平,10,2、同型异质结,构成同型异质结的两种材料只是能带结构不同，其导电类型相同。 例如nn-Ge/Si，nn-Si/GaAs，nn-GaAs/ZnSe，pp-Si/GaP，nn-Si/SiC等。 由于构成材料的禁带宽度相差很大，同型异质结往往也会产生较高的接触电势差，具有类似于同质pn结的单向导电性。,西安理工大学电子工程系 马剑平,11,6.1.2 理想异质结的能带结
8、构,一、突变反型异质结 1、热平衡状态下的能带结构 2、热平衡状态下的接触电势差和空间电荷区宽度 二、突变同型异质结 1、热平衡状态下的能带结构 2、同型异质结的势垒高度和势阱深度,西安理工大学电子工程系 马剑平,12,一、突变反型异质结的能带结构,异质结的能带结构取决于形成异质结的两种半导体材料的电子亲和能、禁带宽度、导电类型、掺杂浓度和界面态等多种因素，因此不能像同质结那样直接从费米能级推断其能带结构的特征。 1、热平衡状态下的能带结构 根据费米能级的高低，在形成异质结的两种材料的界面，载流子由于密度差异而扩散从而使得界面载流子的发布发生改变，能带弯曲，并在结平面的两边形成空间电荷区 。,
9、西安理工大学电子工程系 马剑平,13,突变pn异质结在形成之前和形成之后的平衡能带图,当二者紧密接触时,由于n型费米能级较高，电子从n型半导体流向p型半导体，使n型半导体表面电子密度降低，能带上翘;同时p型半导体表面的空穴密度也随之降低,能带向下弯曲,直至结两侧半导体的费米能级相等,并在结平面的两边形成空间电荷区。,西安理工大学电子工程系 马剑平,14,p-n Ge-GaAs突变反型异质结平衡能带图,结平面两边形成的空间电荷区中正、负电荷数相等，正、负空间电荷之间产生内建电场。 因为存在电场，电子在空间电荷区中各点有不同的附加电势能，即能带会弯曲，其总弯曲量仍等于二者费米能级之差。这与同质pn
10、结一样。 不同之处主要有两点：一是因为两种材料的介电常数不同，内建电场在交界面处会不连续；二是因为两种材料的禁带宽度不同，能带的弯曲会出现一些新的特征。 1）在界面处，n型宽禁带半导体的导带翘起一个“尖峰” 2）导带和价带在界面处都发生了突变,西安理工大学电子工程系 马剑平,15,Ec,Ev,W1,W2,qVD,x1,qVD2,EF,x1,x0,x2,x2,突变n-p反型异质结平衡能带图,Ev,Ec,W2,x2,W1,x1,1,2,EF1,EF2,p,n,西安理工大学电子工程系 马剑平,16,2、热平衡状态下的接触电势差和空间电荷区宽度,x1,x0,x2,NA ND,d1,d2,x,西安理工大
11、学电子工程系 马剑平,17,接触电势差及势垒宽度,西安理工大学电子工程系 马剑平,18,3 突变反型异质结的势垒电容,突变pn异质结空间电荷区中的电场分布,能带弯曲主要发生在轻掺杂一边，跟反型结的情况类似。 如果想要强化nn异质结对电子的约束作用(陷阱作用)，就要降低其势阱层的掺杂浓度；如果想要强化nn异质结对电子的阻挡作用(势垒作用)，就要提高其势阱层的掺杂浓度，使势阱变浅,势垒升高。,西安理工大学电子工程系 马剑平,19,二、突变同型异质结,1、热平衡状态下的能带结构 由于宽禁带材料比窄禁带材料的费米能级高，所以电子将从宽禁带材料流向窄禁带材料，从而使宽禁带材料靠近界面的能带向上翘，窄禁带
12、材料靠近界面的能带向下弯。对于n型半导体，能带下弯形成电子的积累层，能带上翘形成电子的耗尽层。 pp异质结在热平衡状态下的能带图同样是在一边形成多数载流子空穴的积累层（势阱），另一边形成多数载流子的耗尽层（势垒）,西安理工大学电子工程系 马剑平,20,2、同型异质结的势垒高度和势阱深度,对同型异质结，由电中性条件和泊松方程同样可以求出接触电势差的表达式，但这个表达式是一个超越方程。对nn结，下式决定了接触电势差VD在结两边的分配，也即势垒高度qVD2与势阱深度qVD1的比例，同时也决定了这种分配比例随能带弯曲程度的变化情况:,nn异质结中窄禁带侧势垒高度随总势垒高度和相对杂质浓度的变化,西安理
13、工大学电子工程系 马剑平,21,6.1.3 界面态对异质结能带结构的影响,一、界面态密度 二、界面态的影响,西安理工大学电子工程系 马剑平,22,一、界面态密度,异质结的界面态主要来自构成材料之间的晶格失配，因为晶格失配必然在结合面上产生未饱和的悬挂键，而悬挂键会引入施主或受主能级。因此，异质结界面上的悬挂键密度即是界面态密度。 突变异质结界面的悬挂键密度NS可以用两种材料在界面上的键密度之差来表示. 设异质结两边的材料都是正六方体型的晶格，晶格常数分别为a1和a2 ,将键密度粗略地理解为晶格平面上的格点密度,a=a1-a2，a=( a1+a2)/2 为平均晶格常数,西安理工大学电子工程系 马
14、剑平,23,二、界面态的影响,当界面态密度较高时，界面态中的电荷虽然还不会改变结两侧能带弯曲的方向，但已能明显改变某一侧空间电荷区的宽度和势垒高度。 如果高密度的界面态是类施主型，则p型半导体就会向它们转移空穴(或说施主型界面态向p型半导体转移电子)而使其界面附近的能带向下弯;同时，界面态接受空穴(即释放电子)后带上大量正电荷，就会使与其紧邻的n型半导体的能带也往下弯成为电子的积累层，而不是理想pn异质结那样的耗尽层。 对高密度的施主型界面态，无论是pn、np反型异质结还是pp同型异质结，结两边的能带都是向下弯; 对高密度的受主型界面态，无论是pn、np反型异质结还是nn同型异质结，结两边的能
15、带都向上翘; 高密度界面态使同型异质结两边皆成为多数载流子载流子势垒，而非理想情况下的一边势垒一边势阱；而异型异质结却在高密度界面态的作用下，从理想情况下的两边皆为多数载流子势垒变为一边势垒一边势阱,西安理工大学电子工程系 马剑平,24,6.2 异质结特性及其应用,6.2.1 伏安特性 一、负反向势垒和正反向势垒 二、负反向势垒pn异质结的伏安特性 三、正反向势垒pn异质结的伏安特性 6.2.2 注入特性 一、高注入比 二、超注入现象 6.2.3 光伏特性 6.2.4 异质结的应用 一、高注入比晶体管 二、异质结激光器 1、GaAs单异质结激光器 2、双异质结激光器,西安理工大学电子工程系 马
16、剑平,25,6.2.1 异质结的伏安特性,扩散模型：认为异质结中的电流输运机构是载流子以扩散运动方式通过势垒,即耗尽层近似理论。 发射模型：认为在任何温度下，由于热运动，将有一部分载流子具有足够的热运动能量克服势垒,从交界面一侧以热电子发射方式通过势垒进入另一侧。 发射-复合模型:认为在交界面存在许多界面态，使得以热发射方式克服了各自势垒而到达交界面处的电子和空穴迅速复合。 隧道-复合模型：载流子以隧穿方式通过势垒并在交界面处电子和空穴迅速复合。,异质结特殊的能带结构决定其具有区别于同质pn结的优良特性,这主要指它的高注入比特性和因禁带宽度之差形成势垒而对注入载流子的限制特性,以及因为宽窄禁带的配合使用而在光电探测和光电能量转换方面独具特色的广谱特性和窗口特性等.,西安理工大学电子工程系 马剑平,26,一、负反向势垒和正反向势垒,根据pn异质结n型宽禁带半导体导带尖峰的峰尖相对于p型窄禁带半导体导带底的高低，将电子势垒分为负反向势垒和正反向势垒两种，如图所示。
