化合物半导体器件化合物半导体器件Compound Semiconductor Devices微电子学院戴显英2013.9.3Dai Xianying化合物半导体器件第三章 半导体异质结 异质结及其能带图 异质结的电学特性 量子阱与二维电子气 多量子阱与超晶格 半导体应变异质结 Dai Xianying化合物半导体器件 3.1 异质结及其能带图3.1.1 异质结的形成图3.1 III-V族和II-VI族化合物半导体的禁带宽度和晶格常数 1）异质结2）异质结形成的工艺3）异质结的类型4）异质结形成的关键5）晶格失配Dai Xianying化合物半导体器件化合物半导体器件 3.1 异质结及其能带图图3.4 半导体能带边沿图图3.5 孤立的n型和p型半导体能带图3.1.2 异质结的能带图Dai Xianying化合物半导体器件 3.1 异质结及其能带图3.1.2 异质结的能带图图3.6 形成异质结之前(a)和之后(b)的平衡能带图（以突变异质结为例）(a)(b)1)突变反型异质结能带图1、不考虑界面态时的能带图（理想状态）Dai Xianying化合物半导体器件 3.1 异质结及其能带图 热平衡下的能带图（p-GaAs/N-AlGaAs）图3.8 同质pn结平衡能带图图3.7 异质结pn平衡能带图Dai Xianying化合物半导体器件 3.1 异质结及其能带图 热平衡下的能带图图3.9突变反型np异质结平衡能带图Dai Xianying化合物半导体器件 3.1 异质结及其能带图Anderson定则（模型）： 异质结平衡能带的特点： 能带发生弯曲 能带在界面处不连续，有突变。
EC=1-2EV=(Eg2-Eg1)-(1-2) = Eg- EC+EV = Eg异质结能带的新要点（特征）： 图3.10 Anderson模型的EC- 关系Dai Xianying化合物半导体器件 3.1 异质结及其能带图3.1.2 异质结的能带图2)突变同型异质结能带图3.11 突变同型nn异质结平衡能带图界面处：一侧形成耗尽层，一侧形成电子（空穴）积累层Dai Xianying化合物半导体器件 3.1 异质结及其能带图3.1.2 异质结的能带图2)突变同型异质结能带图3.12 突变同型pp异质结平衡能带图Dai Xianying化合物半导体器件 3.1 异质结及其能带图2、考虑界面态时的能带图1）界面态2）界面态密度NS3.1.2 异质结的能带图Dai Xianying化合物半导体器件 3.1 异质结及其能带图2、考虑界面态时的能带图3）降低界面态4）界面态的类型5）巴丁极限Dai Xianying化合物半导体器件 3.1 异质结及其能带图2、考虑界面态时的能带图6）考虑界面态影响的异质结能带示意图Dai Xianying化合物半导体器件 3.1 异质结及其能带图3、渐变异质结能带图1）渐变的物理含义3.1.2 异质结的能带图2）渐变异质结的近似分析：能带的叠加3）渐变能级Dai Xianying化合物半导体器件 3.1 异质结及其能带图1、势垒区宽度XD3.1.3 突变反型异质结的接触势垒差及势垒区宽度2、接触电势差VD3、外加电压V4、np突变异质结（以pn异质结为例）与求解同质pn结相同：由求解界面两边势垒区的泊松方程，可得VD及XD推导过程参考刘恩科等著半导体物理第9章Dai Xianying化合物半导体器件第三章 半导体异质结 异质结及其能带图 异质结的电学特性 量子阱与二维电子气 多量子阱与超晶格 半导体应变异质结 Dai Xianying化合物半导体器件 3.2 异质结的电学特性3.2.1 突变异质结的I-V特性 (a) (b)图3.8 异型异质结的两种势垒示意图（a）负反向势垒；（b）正反向势垒 突变异质结I-V模型：扩散模型、发射模型、发射-复合模型、隧道模型、隧道复合模型。
两种势垒尖峰：（a）低势垒尖峰- 负反向势垒（b）高势垒尖峰- 正反向势垒同质结I-V模型：扩散和发射模型Dai Xianying化合物半导体器件 3.2 异质结的电学特性1、低势垒尖峰（负反向势垒异质结）的I-V特性2）载流子浓度3）电子扩散电流密度Jn4）空穴扩散电流密度Jp5）总电流密度J=Jn+Jp6）Jn、Jp大小对比分析1）电流模型：主要由扩散机制决定特征：势垒尖峰低于p区的ECDai Xianying化合物半导体器件2、高势垒尖峰（正反向势垒异质结）的I-V特性 3.2 异质结的电学特性3.2.1 突变异质结的I-V特性 1）电流模型：由热电子发射机制决定2）势垒高度特征：势垒尖峰高于p区的EC3）电流密度Dai Xianying化合物半导体器件3.2.2 异质pn结的注入特性 3.2 异质结的电学特性1.异质pn结的高注入比特性及其应用例如，p-GaAs（窄禁带）/n-Al0.3Ga0.7As（宽禁带），Eg=0.21eV，设p区掺杂浓度NA1=2X1019cm-3, n区掺杂浓度ND2=5X1017cm-3，则注入比发射效率同质结的BJT：基区不能太薄，频率特性不高；异质结的HBT：基区可以很薄，频率特性很高；Dai Xianying化合物半导体器件思考题 试分析高势垒尖峰异质结的反向I-V特性。
为什么HBT的频率特性比BJT好？Dai Xianying化合物半导体器件 3.2 异质结的电学特性1.异质pn结的高注入比特性及其应用异质结的应用异质结双极晶体管（Heterojunctiong Bipolar Transistor，HBT），应用于微波、毫米波领域 早期的HBT：n-AlxGa1-xAs/p-GaAs作发射结；优良的HBT：n-Ga0.5In0.5P/p-GaAs作发射结，GaAs衬底； Ev=0.3eVEc=0.03eV,即空穴的势垒高， Jp小，故注入比和高；fT=100GHzSiGe HBT：n-Si/p-Si1-xGex作发射结，Si衬底；Eg,Si1-xGex随组 分x的增大而减小，且EvEc； 典型的基区组分：Si0.8Ge0.2，厚度50nm-100nm； 主要应用于通信系统及 Dai Xianying化合物半导体器件 3.2 异质结的电学特性2.异质pn结的超注入现象3.2.2 异质pn结的注入特性1）超注入现象：由宽禁带半导体注入到窄禁带半导体中的少子浓度超过了宽禁带半导体中多子浓度2）能带结构：外加足够的正向电压 使结势垒拉平，Ec2Ec13）载流子浓度： n1/n2=exp(Ec2-Ec1)/kT14）应用：半导体激光器Dai Xianying化合物半导体器件第三章 半导体异质结 异质结及其能带图 异质结的电学特性 量子阱与二维电子气 多量子阱与超晶格 半导体应变异质结 Dai Xianying化合物半导体器件 3.3 量子阱与二维电子气(a) (b)图3.11 半导体量子阱示意图量子阱：能够对电子（空穴）的运动产生某种约束，使其能量量子化的势场。
如量子力学中的一维方势阱、有限势阱二维电子气（2DEG）：势阱中的电子在与异质结界面平行的二维平面内是自由运动，而在垂直异质结界面方向上其能量是量子化的Dai Xianying化合物半导体器件 3.3 量子阱与二维电子气3.3.1 调制掺杂异质结构界面量子阱1、调制掺杂结构：异质结界面处的能带及势阱n+-AlXGa1-XAs(宽禁带）/i-GaAs（窄禁带）Dai Xianying化合物半导体器件 3.3 量子阱与二维电子气图3.12 量子阱中电子的能量 图3.13 三角形势阱的示意图2、势阱中的电子能态Dai Xianying化合物半导体器件 3.3 量子阱与二维电子气异质结2DEG的电子态密度与能量的关系3、2DEG的子带及态密度3.3.1 调制掺杂异质结构界面量子阱Dai Xianying化合物半导体器件 3.3 量子阱与二维电子气4、2DEG的高迁移率特性（1）调制掺杂结构特点（2）2DEG的特性（3）应用3.3.1 调制掺杂异质结构界面量子阱Dai Xianying化合物半导体器件 3.3 量子阱与二维电子气3.3.2 双异质结间的单量子阱结构双异质结结构： AlxGa1-xAs/GaAs /AlxGa1-xAs，要求 GaAs层足够薄；1、导带量子阱中的电子能态（1）电子在量子阱中的势能V（z）（2）求解薛定谔方程Dai Xianying化合物半导体器件 3.3 量子阱与二维电子气3.3.2 双异质结间的单量子阱结构2、价带量子阱中的空穴能态（1）二维空穴气：2DHG（2）量子阱中的空穴能态Dai Xianying化合物半导体器件第三章 半导体异质结 异质结及其能带图 异质结的电学特性 量子阱与二维电子气 多量子阱与超晶格 半导体应变异质结 Dai Xianying化合物半导体器件 3.4 多量子阱与超晶格超晶格：几种成分或掺杂类型不同的超薄层周期性地重叠， 构成一种特殊的人工晶体。
超晶格周期：重叠周期，小于电子的平均自由程,可人工控制超薄层厚度：足够薄(与电子的波长相当),使相邻势阱的电子 波函数重叠周期性势场：1)各薄层的晶格周期性势场；2）超晶格的周期 性势场a)单量子阱 (b)多量子阱 (c)超晶格Dai Xianying化合物半导体器件 3.4 多量子阱与超晶格多量子阱（a）和超晶格（b）中电子的波函数 Dai Xianying化合物半导体器件 3.4 多量子阱与超晶格3.4.1 复合超晶格1、型超晶格Dai Xianying化合物半导体器件 3.4 多量子阱与超晶格3.4.1 复合超晶格1、型超晶格Dai Xianying化合物半导体器件 3.4 多量子阱与超晶格3.4.1 复合超晶格2、 型超晶格Dai Xianying化合物半导体器件 3.4 多量子阱与超晶格3.4.2 掺杂超晶格n-GaAs/p-GaAs体系Dai Xianying化合物半导体器件第三章 半导体异质结 异质结及其能带图 异质结的电学特性 量子阱与二维电子气 多量子阱与超晶格 半导体应变异质结 Dai Xianying化合物半导体器件 3.5 半导体应变异质结3.5.1 应变异质结1、应变异质结的形成2、应用超过临界厚度后，弛豫Si1-xGex形成Dai Xianying化合物半导体器件 3.5 半导体应变异质结3.5.2 应变层材料能带的人工改性（以Si1-xGex上生长应变异质Si为例）2、晶格类型3、晶格常数4、能带结构1、应变类型5、迁移率： n、p均提高6、应用：沟道长度小于0.1m的CMOS电路Dai Xianying化合物半导体器件 3.5 半导体应变异质结Strained SiBulk Si6E240.67y(eV)42mlmtmt ml应变Si导带能带分离示意图 应变Si价带能带分离示意图 Dai Xianying化合物半导体器件第二次课堂作业 1）为什么要求异质结的晶格匹配？如何能够实现异质结的晶格匹配？ 2）若异质结的晶格不匹配，采用什么方法能够保证异质结界面处不产生缺陷（悬挂键）？ 3）应变外延层厚度与什么有关？Dai Xianying。