半導(dǎo)體物理-8.異質(zhì)結(jié)

半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)載流子輸運(yùn)非平衡載流子p－n結(jié)金屬和半導(dǎo)體的接觸半導(dǎo)體表面與MIS結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體的光電性質(zhì)12345678

異質(zhì)結(jié)9半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計(jì)分布2本章內(nèi)容提要概念回顧異質(zhì)結(jié)及其能帶圖異質(zhì)結(jié)的電流輸運(yùn)機(jī)構(gòu)材料選擇及

工藝異質(zhì)結(jié)在器件中的應(yīng)用8

異質(zhì)結(jié)34異質(zhì)結(jié)概念（1951）理論上有更高的注入效率（1957）汽相外延生長技術(shù)的發(fā)展（1960年第一次制造成功）工藝技術(shù)結(jié)性能優(yōu)越認(rèn)真摸索生長規(guī)律和完善了制造工藝，隨后異質(zhì)結(jié)的生長技術(shù)，異質(zhì)結(jié)器件都有很大發(fā)展異質(zhì)結(jié)激光二極管問世（1969）室溫連續(xù)的砷化鎵/鋁鎵砷雙異質(zhì)結(jié)激光器研制成功（1970）之后得到廣泛應(yīng)用，推動(dòng)了光纖通信，同時(shí)也促進(jìn)了異質(zhì)結(jié)物理研究的深入開展。異質(zhì)結(jié)LED、

能電池、激光器等，比同質(zhì)5盡管目前大多數(shù)電子器件是用硅、鍺、砷化鎵等材料的同質(zhì)p-n結(jié)構(gòu)成，但是不少光電器件卻需要利用兩種不同的材料構(gòu)成的異質(zhì)界面才能更有效的工作。（Why？）由于兩種材料電子親和能和帶隙寬度、折射率、介電常數(shù)等都不同，異質(zhì)結(jié)常具有兩種半導(dǎo)體各自的p-n結(jié)都不能達(dá)到的優(yōu)良的特性（高遷移率，高輻射復(fù)合效率，量子霍爾效應(yīng)…），使它適宜于制作

速開關(guān)器件、太陽能電池以及半導(dǎo)體激光器等。68.1異質(zhì)結(jié)及其能帶圖同質(zhì)結(jié)：由導(dǎo)電類型相反的同一種半導(dǎo)體材料組成的結(jié)（如第5章

的p-n結(jié)）異質(zhì)結(jié)：由兩種不同的半導(dǎo)體材料組成（區(qū)別于金半接觸）異質(zhì)結(jié)反型異質(zhì)結(jié)：導(dǎo)電類型相反的兩種不同的半導(dǎo)體材料所形成（如n-Ge/p-GaAs）同型異質(zhì)結(jié)：導(dǎo)電類型相同的兩種不同的半導(dǎo)體材料所形成（如n-Ge/n-Si）<一般將禁帶寬度較小的半導(dǎo)體材料寫

面>7I型異質(zhì)結(jié)（Type

I）

II型異質(zhì)結(jié)（Type

II）按異質(zhì)結(jié)中兩種材料導(dǎo)帶和價(jià)帶的對準(zhǔn)情況，可劃分為：能帶結(jié)構(gòu)嵌套式對準(zhǔn)ΔEc和ΔEv的符號(hào)相反GaAlAs/GaAs和InGaAsP/InP能帶結(jié)構(gòu)交錯(cuò)式對準(zhǔn)ΔEc和ΔEv的符號(hào)相同還有一種窄帶材料的導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂都位于寬帶材料價(jià)帶中8按異質(zhì)結(jié)中兩種材料不同的導(dǎo)電類型，可劃分為：反型異質(zhì)結(jié)

同型異質(zhì)結(jié)p-nn-pn-np-p9概念回顧禁帶能級(jí)功函數(shù)電子親和能101.突變反型異質(zhì)結(jié)能帶圖（不考慮界面態(tài)）異質(zhì)結(jié)EF不一致載流子相對運(yùn)動(dòng)形成空間電荷區(qū)介電常數(shù)不同能帶彎曲不連續(xù)D

2D

1DqV

qV

qV

W1

W2價(jià)帶頂突變：Ev

(Eg

2

Eg1

)－（1－2）Ec

Ev

Eg

2

Eg1導(dǎo)帶底突變：Ec

1

2內(nèi)建電場在交界面處不連續(xù)p-n異質(zhì)結(jié)11思考1：n-p異質(zhì)結(jié)???對于反型異質(zhì)結(jié)，兩種界面材料的交界面兩邊都是耗盡層。Eg1Eg2EcEvW1W2x2x1真空能級(jí)x1x2EcEvqVDqVD2qVD1真空能級(jí)122.突變同型異質(zhì)結(jié)能帶圖（不考慮界面態(tài)）耗盡層：禁帶寬度大的n型半導(dǎo)體一邊Ec

Ev

Eg

2

Eg

1積累層：禁帶寬度小的n型半導(dǎo)體一邊導(dǎo)帶底突變：Ec

1

2價(jià)帶頂突變：Ev

(Eg

2

Eg

1

)－（1－

2）能級(jí)不一致電子流動(dòng)n-n異質(zhì)結(jié)界面處能帶彎曲不連續(xù)13思考2：p-p異質(zhì)結(jié)???qVD2EcqVD1Ev1415研究異質(zhì)結(jié)的特性時(shí)，異質(zhì)結(jié)的能帶圖起著重要的作用。不考慮兩種半導(dǎo)體交界面處的界面態(tài)的情況下，任何異質(zhì)結(jié)的能帶圖都取決于形成異質(zhì)結(jié)的兩種半導(dǎo)體的電子親和能、禁帶寬度以及功函數(shù)。其中，電子親和能和禁帶寬度取決于材料體系本身，而功函數(shù)可隨摻雜濃度不同而變化。實(shí)際異質(zhì)結(jié)構(gòu)中，晶格失配使交界面處產(chǎn)生了懸掛鍵，引入了界面態(tài)，平衡能帶圖如何變化？8.2異質(zhì)結(jié)的電流輸運(yùn)機(jī)構(gòu)（了解）模型1.突變反型異質(zhì)結(jié)的電流輸運(yùn)結(jié)構(gòu)擴(kuò)散模型

:

載流子以擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)方式通過勢壘，與普通p-n結(jié)類似發(fā)射模型:

部分熱運(yùn)動(dòng)載流子具有足夠的熱運(yùn)動(dòng)能量克服勢壘16發(fā)射－復(fù)合模型：熱發(fā)射的電子和空穴通過界面態(tài)進(jìn)行復(fù)合隧道模型：隧道效應(yīng)隧道－復(fù)合模型：考慮了復(fù)合作用2.突變同型異質(zhì)結(jié)的電流輸運(yùn)結(jié)構(gòu)2.突變同型異質(zhì)結(jié)的電流輸運(yùn)結(jié)構(gòu)①表面能級(jí)密度在1013cm-2以下，有擴(kuò)散模型、發(fā)射模型、隧道模型，其結(jié)果與反型異質(zhì)結(jié)類似。②表面能級(jí)密度在1013cm-2以上，提出雙肖特基二極管模型。雙肖特基二極管模型8.3異質(zhì)結(jié)在器件中的應(yīng)用

應(yīng)用：激光器、發(fā)光二極管、光電探測器、

能光伏電池等LED

燈泡LED

燈條18半導(dǎo)體的

電子主要是由于外加雜質(zhì)的貢獻(xiàn)，因此在一般的半導(dǎo)體材料中，

電子會(huì)受到雜質(zhì)的碰撞而減低其行動(dòng)能力。然而在某些異質(zhì)結(jié)構(gòu)中，寬帶區(qū)的電子向窄帶區(qū)移動(dòng)時(shí)，界面窄帶一邊，即高摻雜的寬帶區(qū)中雜質(zhì)所貢獻(xiàn)的電子會(huì)掉到中間勢阱層，稱為二維電子氣，這種異質(zhì)結(jié)就稱為調(diào)制摻雜異質(zhì)結(jié)（MODHJ）。因此在空間上，電子與雜質(zhì)是分開的，所以電子的行動(dòng)就不會(huì)因雜質(zhì)的碰撞而受到限制，因此其遷移率就可以大大增加，這是高速組件的基本要素（高載流子濃度、高遷移率）調(diào)制摻雜異質(zhì)結(jié)中的二維電子氣除了具有非常高的遷移率以外，還具有一種獨(dú)特的性質(zhì)就是，即使在極低溫度下都不會(huì)“凍結(jié)”——不會(huì)復(fù)合

。這就為低溫電子學(xué)的研究與發(fā)展提供了器件基礎(chǔ)。1.二維電子氣（2DEG）寬帶，高摻雜窄帶，本征同型n-n19特點(diǎn)（寬禁帶、低折射）2.單異質(zhì)結(jié)激光器（1969）20特點(diǎn)：AlGaAs具有較寬的禁帶寬度，形成較高的勢壘， 注入電子的繼續(xù)擴(kuò)散，增加了p-GaAs層電子濃度，提高了增益。寬禁帶的p型AlGaAs對來自p型GaAs的發(fā)光吸收系數(shù)小，損耗?。浩涞偷恼凵渎剩拗屏斯庾舆M(jìn)入AlGaAs區(qū)，減少了周圍非受激區(qū)對光的吸收。因此具有閾值低、效率高的特點(diǎn)。213.雙異質(zhì)結(jié)激光器（1970）載流子與光波的同時(shí)限制降低閾值電流！22量子阱結(jié)構(gòu)多量子阱（MQW）在由2種不同半導(dǎo)體材料薄層交替生長形成的多層結(jié)構(gòu)中，如果勢壘層足夠厚，以致相鄰勢阱之間載流子波函數(shù)之間耦合很小，則多層結(jié)構(gòu)將形成許多分離的量子阱，稱為多量子阱（MQW）。量子阱（QW）：x方向分立能級(jí)yz平面連續(xù)能級(jí)足夠小的阱寬的限制，導(dǎo)致載流子波函數(shù)在一維方向上的局域化，量子阱中因?yàn)橛性磳拥暮穸葍H在電子平均，阱壁具有很強(qiáng)的限制作用，使得載流子只在與阱壁平行的平面內(nèi)具有二維度，在垂直方向，使得導(dǎo)帶和價(jià)帶成子帶。23HUST半導(dǎo)體超晶格光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)器件、調(diào)制摻雜場效應(yīng)晶體管...技術(shù)：分子束外延（MBE）、金屬有機(jī)化合物汽相淀積（MOCVD）定義：指由交替生長兩種半導(dǎo)體材料薄層組成的一維周期性結(jié)構(gòu)，而其薄層厚度的周期小于電子的平均

程的人造材料。量子阱激光器、量子阱光電探測器、應(yīng)用：成分超晶格：分立能級(jí)展寬為小子帶；能級(jí)在x方向連續(xù)（還有一種摻雜超晶格）異質(zhì)結(jié)材料選擇及工藝分子束外延（MBE）、金屬有機(jī)化合物汽相淀積（MOCVD）工藝：具有不同帶隙的材料晶格要盡量匹配；

相似晶體結(jié)構(gòu)；相似熱膨脹系數(shù)25經(jīng)典作者：（美）：電子工業(yè)著本書是微電子技術(shù)領(lǐng)域的基礎(chǔ)。全書涵蓋了量子力學(xué)、固體物理、半導(dǎo)體材料物理及半導(dǎo)體器件物理等內(nèi)容，共分為三部分，十五章。第一部分是半導(dǎo)體材料屬性，包括固體晶格結(jié)構(gòu)、量子力學(xué)、固體量子理論、平衡態(tài)半導(dǎo)體、輸運(yùn)現(xiàn)象、半導(dǎo)體中的非平衡過剩載流子；第二部分是半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)，主要pn結(jié)、pn結(jié)二極管、金屬半導(dǎo)體和半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)、金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管、

雙極晶體管、結(jié)型場效應(yīng)晶體管；第三部分是專業(yè)

半導(dǎo)體器件，主要介紹光器件、半導(dǎo)體微波和功率器件等。書中既講述了半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)，也分析討

論了小尺寸器件物理問題，具有一定的深度和廣度。全書內(nèi)容豐富、概念清楚、講解深入淺出、理論分析透徹。另外，全書各章難點(diǎn)之后均列有例題、自測題，每章末尾均安排有復(fù)習(xí)要點(diǎn)、重要術(shù)語解釋及知識(shí)點(diǎn)。全書各章末列有習(xí)題和參考文獻(xiàn)，書后附有部分習(xí)題的答案。26本書全面而系統(tǒng)地闡述了電子材料與器件的