第九章-半导体异质结构

第九章半导体异质结构异质结：两种不同的半导体单晶材料组成的结内容异质结的能带结构异质pn结的电流电压特性异质pn结的注入特性半导体异质结量子阱结构9.1半导体异质结及其能带图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9.1.1半导体异质结的能带图同型：n-nGe-GaAs或(n)Ge-(n)GaAs,p-pGe-GaAs或(p)Ge-(p)GaAs,n-nGe-Si,n-nSi-GaAs,n-nGaAs-ZnSe,p-pSi-GaP,p-pPbS-Ge等禁带宽度较小的半导体材料写在前面异质结也可分为突变异质结和缓变异质结突变异质结：从一种半导体材料向另一种半导体材料的过渡只发生于几个原子距离范围内。缓变异质结：从一种半导体材料向另一种半导体材料的过渡发生在几个扩散长度范围内。1.不考虑界面态时的能带图电子亲和能禁带宽度功函数}决定异质结的能带图（1）突变反型异质结能带图形成突变pn异质结前的平衡能带图真空能级EV2EC2EF2Eg2W2n2EVn1ECEg1EV1EC1EF1形成异质结前111nEEVFp型半导体的费米能级的位置n型半导体的费米能级的位置222nEECF形成异质结后，平衡时，有统一的费米能级21FFFEEE形成突变pn异质结后的平衡能带图x1x0x2EV2qVD2EC突变反型异质结平衡时统一的费米能级界面两边形成空间电荷区，正＝负内建电场，在界面处不连续空间电荷区的能带发生弯曲，不连续两边均为耗尽层能带总的弯曲量1221FFDDDEEqVqVqV21DDDVVVVD称为接触电势差（内建电势差、扩散电势）21WWVDVD1:p型半导体的内建电势差VD2:n型半导体的内建电势差qVD1:n型半导体的导带底或价带顶的弯曲量qVD2:p型半导体的导带底或价带顶的弯曲量导带底在交界面处的突变21CE价带顶在交界面处的突变2112ggVEEE12ggVcEEEEEC导带阶EV价带阶np异质结的平衡能带图EVECEC1EV1EV2EC2（2）突变同型异质结能带图Eg1Eg2ECEV形成突变nn异质结前的平衡能带图形成突变nn异质结后的平衡能带图ECqVD1EVEg小的n型半导体一边形成了电子的积累层，另一边形成耗尽层21CE2112ggVEEE12ggVcEEEEpp异质结平衡能带图EVEC2.考虑界面态时的能带图引入界面态的主要原因：形成异质结的两种半导体材料的晶格失配晶格常数a1，a2,且a1a2,则晶格失配为)/()(22112aaaa晶格失配悬挂键界面态产生悬挂键的示意图接触前接触后ECEVEFEg/32Eg/3N型P型2Eg/3Eg/3EF表面能级密度大的半导体能带图巴丁极限：具有金刚石结构的晶体的表面能级密度在1013cm-2以上时，在表面处的费米能级位于禁带宽度的约1/3处。N型半导体，悬挂键起受主作用，表面处的能带向上弯曲p型半导体，悬挂键起施主作用，表面处的能带向下弯曲悬挂键起施主作用时，计入界面态影响的异质结能带图pn异质结np异质结pp异质结悬挂键起受主作用时，计入界面态影响的异质结能带图pn异质结np异质结nn异质结9.1.2突变反型异质结的接触电势差及势垒区宽度以pn异质结为例，设p型和n型半导体中杂质均匀分布，浓度分别为NA1和ND2势垒区的总宽度21ddXDd1:势垒区负空间电荷区的宽度d2:势垒区正空间电荷区的宽度异质结的接触电势差为21DDDVVVVD1:VD在交界面p型半导体一侧的电势降VD2:VD在交界面n型半导体一侧的电势降热平衡时势垒区宽度2/1112221221212ADDADDADNNNqNVNNX接触电势差221121221212212DADADDADDADNNXNNNNXNNqV两种半导体中的势垒区宽度分别为2/12211122112DAADDNNqNVNd2/12211212122DADDANNqNVNdVD在界面两侧的电势降分别为2211221DADDDNNVNV2211112DADADNNVNV112221ADDDNNVV若在异质结上加外电压V,将上述公式中的VD,VD1,VD2分别用(VD-V),(VD1-V1)及(VD2-V2)代替即可。21VVVV1:V在界面的p型一侧的势垒区中的电压降V2:V在界面的n型一侧的势垒区中的电压降9.1.3突变反型异质结的势垒电容单位面积势垒电容和外加电压的关系2/1221121212VVNNNqNdVdQCDDADAT9.1.4突变同型异质结的若干公式9.2半导体异质pn结的电流电压特性及注入特性9.2.1突变异质pn结的电流电压特性pnEF低势垒尖峰异质pn结的电流主要由扩散机制决定高势垒尖峰由n区扩散向结处的电子，只有能量高于势垒尖峰的才能通过发射机制进入p区，异质结电流主要由电子发射机制决定低势垒尖峰情形异质pn结加正向偏压V,通过结的总电流密度1exp20221011kTqVpLDnLDqJJJppnnpnDn1和Ln1：p区少子电子的扩散系数和扩散长度Dp2和Lp2：n区少子空穴的扩散系数和扩散长度n10：p区少子浓度p20：n区少子浓度由n区注入p区的电子扩散电流密度1expexp1201kTqVkTEVqLnqDJCDnnn由p区注入n区的空穴扩散电流密度1expexp1102kTqVkTEVqLpqDJVDpppn20：n区多子浓度p10：p区多子浓度若n20和p10在同一数量级，则kTEJkTEJVpCnexp,exp对窄禁带p型和宽禁带n型的异质结EC,EV0,且kTJnJp高势垒尖峰情形异质pn结由n区注入p区的电子电流密度kTVVqmkTqnJD222/1*2202exp2由p区注入n区的电子电流密度kTVVqmkTqnJD122/1*1201exp2正向偏压时若m1*=m2*,则总电子电流密度kTqVkTqVkTqVmkTqnJJJD1222/1*2012expexpexp221VVV正向偏压时kTqVkTqVJexpexp29.3半导体异质结量子阱结构及其电子能态与特性9.3.1半导体调制掺杂异质结构界面量子阱1.界面量子阱中二维电子气的形成及电子能态调制掺杂异质结构：由宽禁带重掺杂的n型AlxGa1-xAs和不掺杂的GaAs组成的异质结。EFGaAsn+-AlxGa1-xAs调制掺杂异质结界面处能带图二维电子气在GaAs近结处形成电子的势阱E0zV(z)调制掺杂异质结势阱区内电子势能函数GaAs的导带底位于布里渊区中心k=0,导带底附近电子的m*各向同性zyxEzyxzVzyxmh,,,,)(,,22*2用分离变量法求解)(),(),,(zuyxzyxyxEyxyxmhxy,,22222*2)()()()(222*2zuEzuzVzzumhzEEEzxyykxkiyxyx2exp),(X-y平面内的平面波，对应的能量22*22yxxykkmhE电子在z方向被局限在几到几十个原子层范围的量子阱中，能量Ez量子化,,,21izEEEE调制掺杂异质结势阱中的电子在与结平行的平面内作自由电子运动，实际就是在量子阱区内准二维运动，称为二维电子气。二维电子气(2DEG)2.二维电子气的子带及态密度异质结势阱中电子的能量22*22yxixyzkkmhEEEE子带异质结势阱中电子的能量Ei分量相同时，（kx,ky)取值不同的电子能态组成的一个带。求子带中的态密度设二维电子气在x和y方向的宽度为L,则LnkLnkyyxxnx,ny取整数k与（k+dk)间的电子态数kdkLLkdkdN222/12Ei取定后kdkmhdE*22*22hmLdEdN二维电子气中单位面积单位能量间隔的子带态密度2*221hmdEdNLEDi异质结二维电子气的电子态密度iiEDED0zV(z)E1E2E3Ei在势阱中的位置0D(E)E1E2E3ED(E)与能量关系3.调制掺杂异质结构中电子的高迁移率重掺杂n型AlxGa1-xAs和不掺杂的GaAs形成异质结，其优点n型AlxGa1-xAs－电子供给区不掺杂的GaAs－电子输运区提高了电子迁移率应用于半导体微波和毫米波器件中异质结高电子迁移率晶体管9.3.2双异质结间的单量子阱结构1.导带量子阱中电子的能态在AlxGa1-xAs上异质外延极薄的GaAs,再异质外延较厚的AlxGa1-xAs。单量子阱结构的形成GaAsAlxGa1-xAsAlxGa1-xAs单量子阱结构的能带图不考虑能带弯曲0zV(z)l/2-l/2EC电子势能分布势能函数2)(20)(lZEzVlzzVC电子波函数)(),(),,(zuyxzyxykxkiyxyx2exp),()()()()(222*2zuEzuzVzzumhz电子能量22*22yxixyzkkmhEEEE量子阱中电子在平行于结面内的运动是自由的，形成了二维电子气对电子能量Ez小于势阱高度EC的束缚态2)(2)(lzBezulzAezuzz阱外阱内22lzlzDzuzCzucossin21EzEC时电子波函数在势阱区两边的势垒区有一定的穿透深度在阱内电子取分立能级E1,E2,…,Ei,…阱内总有一个束缚态势阱越深，阱内束缚态越多2.价带量子阱中的空穴能态二维空穴气（2DHG）单量子阱结构的GaAs中空穴处于价带量子阱中，在与结平行的面内形成二维空穴气。3.量子阱中的激子激子半导体中电子和空穴因库仑力相互作用而形成的电子、空穴对。体半导体材料中激子结合能小，在低温、高纯材料中才能观察到半导体量子阱中激子结合能大，在室温下能观察到器件应用中，要求选取晶格匹配的异质结构利用三元或四元合金材料调整材料的晶格常数，使两种材料的晶格常数非常接近GaAs-AlxGa1-xAs,InP-In0.52Al0.48As9.4半导体应变异质结应变异质结在一种材料衬底上外延另种晶格常数不匹配的材料时，若两种材料的晶格常数相差不太大，外延层的厚度不超过某临界值时，生长的外延层发生弹性形变，在平行于结面方向产生张应变或压缩应变，使其晶格常数改变为与衬底的晶格常数相匹配，同时在与结面垂直的方向也产生相应的应变。弛豫当外延层的厚度超过临界厚度时，则外延层的应变消失，恢复原来的晶格常数。赝晶生长应变异质结的无界面失配应变层的生长模式。赝晶生长的临界厚度随生长温度的升高而减小，随赝晶组分的不同而改变。应变异质结的应用扩展了异质结材料的种类实现材料人工改性9.5半导体超晶格半导体超晶格一种人造材料，由交替生长的两种半导体材料薄层组成的一维周期性结构，其薄层厚度的真气小于电子的平均