第6章--异质结2011.

2019年11月19日星期二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2019年11月19日星期二西安理工大学电子工程系马剑平26.1.1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、异质结的分类1、反型异质结2、同型异质结2019年11月19日星期二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-ae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。2019年11月19日星期二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材料Ge/SiGe/GaAsGaAs/AlAsGaN/6H-SiCGaN/蓝宝石3C-SiC/Si晶格常数(nm)0.56575/0.543070.56575/0.565330.56533/0.566220.3189/0.30810.3189/0.2747*0.43596/0.54307a1-a2/a4.1%0.07%0.16%3.4%14.9%21.9%as-ae/ae4.0%0.07%0.16%3.39%13.9%24.6%*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3/a几种半导体材料相对于GaN的晶格失配度半导体材料GaN蓝宝石(Al2O3)SiC(6H)ZnO晶格结构六方六方六方六方晶格常数a=0.3180nmc=1.299nma=0.4758nmc=1.299nma=0.3080nmc=1.512nma=0.3252nmc=0.5213nm晶格失配度(相对于GaN)0001方向-13.620001方向3.5%0001方向2.2%2019年11月19日星期二西安理工大学电子工程系马剑平52、异质结材料几种半导体材料相对于GaN的晶格失配度半导体材料GaN蓝宝石(Al2O3)SiC(6H)ZnO晶格结构六方六方六方六方晶格常数a=0.3180nmc=1.299nma=0.4758nmc=1.299nma=0.3080nmc=1.512nma=0.3252nmc=0.5213nm晶格失配度(相对于GaN)0001方向-13.620001方向3.5%0001方向2.2%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“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。2019年11月19日星期二西安理工大学电子工程系马剑平62、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2019年11月19日星期二西安理工大学电子工程系马剑平73、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。2019年11月19日星期二西安理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(≤1µm)距离之内。2019年11月19日星期二西安理工大学电子工程系马剑平91、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-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2019年11月19日星期二西安理工大学电子工程系马剑平102、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。2019年11月19日星期二西安理工大学电子工程系马剑平116.1.2理想异质结的能带结构一、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2019年11月19日星期二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。2019年11月19日星期二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。2019年11月19日星期二西安理工大学电子工程系马剑平14p-nGe-GaAs突变反型异质结平衡能带图qVD=0.52ΔEc=0.07ΔEv=0.69qVD2=0.42EFx1x0x2x1=4.13qVD1=0.1χ2=4.06p-Gen-GaAs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2019年11月19日星期二西安理工大学电子工程系马剑平15ΔEcΔEvW1W2qVDx1qVD2EFx1x0x2x2突变n-p反型异质结平衡能带图ΔEvΔEcW2x2W1x1δ1δ2EF1EF2pn2019年11月19日星期二西安理工大学电子工程系马剑平162、热平衡状态下的接触电势差和空间电荷区宽度)()()()(202022011022xxxqNxxVxxxqNxxVDA0)(0)(2121xxxxxVxExVxEΔEcΔEvW1W2qVDχ1qVD2EFx1x0x2NANDd1d2)x()(2022001110xxCxqNxxxCxqNxVDAx22021101xqNCxqNCDA2019年11月19日星期二西安理工大学电子工程系马剑平17接触电势差及势垒宽度220220222101102122)(22)(XqNxxqNVXqNxxqNxVDDDAA)0(2)(22202202011101102nADAAxxDxxqNxqNxxxDxxqNxqNxV)()()(0)(0021xVxVVxVxVD2202210122XqNXqNVDAD2/1210211])(2[DAADDNNqNVNX2/1210212])(2[DADDANNqNVNX2/121202121])()(2[DADADDADNNNqNVNNXXX2019年11月19日星期二西安理工大学电子工程系马剑平183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2/121021]))((2[UVNNNqNCDDADATSDADATNqNANNdUCd0212212)(2)(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。2019年11月19日星期二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）2019年11月19日星期二西安理工大学电子工程系马剑平202、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:]1)[exp(1)exp(22112211kTqVkTqVNNkTqVkTqVDDDDDD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