第九章-半导体异质结

第九章半导体异质结的组成与生长Part1第九章9.1半导体异质结的一般性质9.2半导体异质结的能带结构9.3异质PN结的注入特性9.4理想突变异质结的伏安特性9.1半导体异质结的一般性质由两种不同的半导体单晶材料形成的PN结称为异质结。1951年由Gubanov首先提出了异质结的概念；1957年克罗默得到了“导电类型相反的两种不同的半导体单晶材料制成的异质结，比同质结具有更高的注入效率。”这一重要结论。1960年IBM公司利用汽相外延生长技术成功地实现了异质结构。1969年人类制备出了第一支异质结激光二极管。(1)反型异质结(2)同型异质结由导电类型相反的两种不同的半导体单晶材料形成的异质结称为反型异质结。如：P型Ge与N型GaAs构成的异质结，记为p-nGe-GaAs或(p)Ge-(n)GaAs由导电类型相同的两种不同的半导体单晶材料形成的异质结称为同型异质结。如：n型Ge与n型GaAs所形成的结，记为n-nGe-GaAs或(n)Ge-(n)GaAs一、异质结的分类1.按两种材料导电类型的不同来分：一、异质结的分类（1）I型异质结：禁带宽度小的半导体材料的导带底和价带顶均处于宽禁带半导体材料的禁带内。（2）I’型异质结：两种半导体材料的禁带相互交错。（3）Ⅱ型异质结：两种半导体材料的禁带完全错开。2.按两种材料能带的相对位置来分：Ec1I型Ev1Ec2Ev2Eg1Eg2Ec1I’型Ev1Ec2Ev2Eg1Eg2Ec1II型Ev1Ec2Ev2Eg1Eg2一、异质结的分类（1）突变型异质结：从一种半导体材料向另一种半导体材料的过渡只发生在几个原子距离范围内。（2）缓变型异质结：从一种半导体材料向另一种半导体材料的过渡发生于几个扩散长度范围内。3.按从一种材料向另一种材料过渡的变化程度来分：二、异质结的组成1、元素半导体：Ge、Si；2、Ⅲ-Ⅴ族半导体：GaAs、AlAs、InAs、GaP、InP、GaSb、InSb、AlSb等立方系闪锌矿；Ⅲ-Ⅴ族氮化物：BN、GaN、InN、AlN等六方晶系；3、Ⅱ-Ⅵ族半导体：CdTe、HgTe、ZnTe、ZnSe、CdS、ZnS、CdS等闪锌矿；4、Ⅱ-Ⅵ族半导体：PbTe、SnTe等NaCl结构（离子晶体）；5、氧化物半导体：ZnO。三、异质结的生长技术1.液相外延技术（LPE）2.汽相外延技术（VPE）3.金属有机化学汽相沉积技术（MOCVD）4.分子束外延技术（MBE）9.2异质结的能带结构概述Exx1x2ε2ε1ε1ε2当两种半导体材料接触在一起形成异质结时，异质结两边的费米能级要趋于一致，引起电荷的流动，导致在界面附近形成空间电荷区、内建电场，由于结两边材料不同，特别是两边材料介电常数的不同，导致在异质结的界面处尽管电通量是连续的，但场强一般不连续，形成界面处电场和电势的突变。0ε1ε2V(x)x概述由于电势的不连续以及禁带宽度的不一致，使得异质结界面附近的能带产生突变，即产生了“尖峰”、“凹口”（或下陷）一些与同质结不同的情况，这些将严重地影响载流子的运动，使得异质结具有一些同质结所没有的特性。PN一、不考虑界面态1、突变反型异质结一个P型A材料和一个n型B材料形成的异质结。A、B两材料在未形成异质结前的热平衡能带图如下图所示：ABE0-真空能级x1W1ΔEcEc1Ev1EF1Eg1δ1ΔEvδ2W2x2Ec2EF2Eg2Ev2下标为1的参数为禁带宽度小的半导体材料的物理参数；下标为2的参数为禁带宽度大的半导体材料的物理参数。一、不考虑界面态形成异质结时，由于n型半导体（B材料）的费米能级高于P型半导体（A材料），因此电子从n型半导体流向P型半导体，直到两块半导体具有统一的费米能级。由于电子与空穴的流动，在n型和P型半导体的交界面附近形成空了间电荷区，产生自建电场，使电子在空间电荷区中各点的电势分布不同，即有附加电势能存在，使空间电荷区中的能带发生弯曲。1221DDDFFqVqVqVEE即显然12DDDVVV由于两种材料的禁带宽度不同，能带弯曲不连续，出现了“尖峰”和“凹口”。尖峰阻止了电子向宽带一侧的运动，这就是所谓的“载流子的限制作用”。一、不考虑界面态凹口尖峰Ec1Ev1EFW1x1Eg1qVD1x1x0x2ΔEvqVD2qVDW2x2Ec2EFEv2Eg2ΔEc一、不考虑界面态异质结的能带结构与同质结的相比有以下特点：其一、能带发生了弯曲。n型半导体能带的弯曲量是qVD2，且导带底在交界面处形成一个向上的“尖峰”。P型半导体能带的弯曲量是qVD1，导带底在交界面处形成一个向下的“凹口”；其二、能带在交界面处，有一个突变。即显然△Ec称为导带阶，△Ev称为价带阶。12cExx1221()()vggEEExx21CvggEEEE其三、尖峰的位置处于势垒上的什么位置由两边材料的相对掺杂浓度决定。其四、在半导体器件中关心的是少子运动。因为在PN异质结中，△Ec对P区电子向N区的运动起势垒作用，而△Ev则对N区空穴向P区运动没有明显的影响。一、不考虑界面态PNPNPN重掺杂轻掺杂两边差不多重掺杂轻掺杂一、不考虑界面态2、突变同型异质结n型A材料(用1表示)和n型B材料(用2表示)形成的异质结，即nN结。A、B两材料在未形成异质结前的热平衡能带图如下图所示。ABEc1Ev1EF1x1W1Eg1ΔEcΔEvx2W2Ec2EF2Ev2Eg2一、不考虑界面态这两种半导体材料紧密接触形成异质结时，B材料的费米能级比A材料的高，因此电子从B流向A，在两者的界面处A材料一边形成了电子积累层，B材料一边则形成了耗尽层（在反型异质结中，界面两边形成的都是耗尽层）。21CvggEEEE同理：ABΔEcqVDqVD1d1d2ΔEvqVD2二、计入界面态的影响在异质结的界面处引入界面态的原因晶格失配的定义：当两种半导体材料形成异质结时，在交界面处晶格常数小的半导体材料表面出现了一部分不饱和的键，即出现了不饱和的悬挂键。（a1，a2分别为两种半导体晶体的晶格常数）突变异质结交界面处的悬挂键密度△Ns为两种材料在交界面处的悬挂键密度之差。即△Ns=NS1-NS2主要原因：形成异质结的两种半导体材料的晶格失配，在交界面处晶格常数小的半导体材料中出现了一部分不饱和的键——悬挂键。%10021212aaaa二、计入界面态的影响2221212234aaaaNS222121224aaaaNS以金刚石结构为例：以（111）晶面为交界面时，其悬挂键密度为：以（110）晶面为交界面时，其悬挂键密度为：以（100）晶面为交界面时，其悬挂键密度为：2221212224aaaaNS二、计入界面态的影响其他原因：由于两种材料热膨胀系数不同，在高温下产生悬挂键，在交界面引入界面态；在化合物半导体构成的异质结中，化合物半导体中的成分元素的互扩散也引入界面态。对于n型半导体，悬挂键起受主作用，因此，表面处的能带向上弯曲。对于P型半导体，悬挂键起施主作用，因此，表面处的能带向下弯曲。显然，这些悬挂键对半导体起补偿作用。界面态可分为施主态（电离后带正电）和受主态（电离后带负电）两种类型。二、计入界面态的影响1、界面态密度较小无论是施主态还是受主态，都不影响异质结能带的基本形状和结构。以PN异质结为例xEc1Ev1Eg1ΔEcΔEvx1x0x2Eg2Ec2Ev2设：窄带区的空间电荷为Q1宽带区的空间电荷为Q2界面态上电荷为QIS二、计入界面态的影响当有外加偏压Va作用时，异质结两边的空间电荷应满足：1/22111212AISDaISADNQQBVVBQNN1/22221212DISDaISADNQQBVVBQNN其中：1/2121122ADADqNNBNN21212()ADBqNN二、计入界面态的影响因为：21ISQQQ当界面电荷QIS是受主电荷时，即与Q1相同，此时与无界面态电荷QIS时相比较，显然Q1减小了，而Q2则增大了。若QIS很小，得到：1/2111121/222112AISDaADDISDaADNQQBVVNNNQQBVVNN式中第一项为由界面态影响在空间电荷区产生的电荷量，第二项为不考虑界面态时的空间电荷区电荷量。分析空间电荷区电荷量的变化：二、计入界面态的影响令L1=x0-x1,L2=x2-x0，L1、L2为P区和N区的耗尽层宽度，则Q1、Q2可改写为：111012222012AISAAADDISDDADNQqNLqNLNNNQqNLqNLNNqNAL1是计入界面态影响后空间电荷区的总电荷是界面态影响引入的电荷qNAL10是不计界面态影响时的空间电荷区总电荷112AISADNQNN分析空间电荷区宽度的变化：二、计入界面态的影响L10、L20分别为不考虑界面态时P区和N区的耗尽层宽度，因此有：22021101LLLL则：与QIS同号的耗尽区宽度减小了，即P区的耗尽区宽度减小了；而与QIS反号的耗尽区宽度增大了，即N区的增大了。减小与增加的量与界面态电荷量QIS，以及介电常数成正比。DAISDAISNNqQLLNNqQLL212202211101二、计入界面态的影响2、界面态密度很大当半导体表面存在足够大的界面态时，半导体表面的状态完全由界面态电荷决定，与功函数等没有关系。⑴当表面态为施主态时：（被电子占据时呈电中性，释放电子后呈正电性）对于n型半导体：在半导体表面处形成很薄的多子积累层。电子积累高低正电荷E二、计入界面态的影响对于P型半导体：高低正电荷电离受主E在半导体表面形成耗尽层，层内电荷为电离受主。该耗尽层很厚，其厚度由掺杂浓度决定。二、计入界面态的影响⑵当表面态为受主态时：（能级空着时呈电中性，接受电子后带负电）负电荷低高耗尽层，电离施主EE对于n型半导体：在半导体表面处形成很厚的耗尽层，层内电荷为电离施主。厚度由掺杂浓度决定。二、计入界面态的影响对于P型半导体：高低负电荷空穴积累EE在半导体表面处形成很薄的多子积累层。二、计入界面态的影响对异质结来说，当界面态密度很大，且为施主态时，这些施主态电离后使界面带正电荷，则pN(图a)、nP(图b)、pP(图c)异质结的能带结构如下图所示：耗尽层P+N积累层Ec1Ev1Ec2Ev2EFN(+)PEc1Ev1Ec2Ev2EF(a)(b)积累层耗尽层P(+)PEc1Ev1Ec2Ev2EF(c)耗尽层耗尽层二、计入界面态的影响当界面态密度很大，且为受主态时，这些受主态被电离后使界面带负电荷，则pN、nP、nN异质结的能带结构如下图所示：多子积累耗尽P(-)N(a)多子积累耗尽N(-)P(b)耗尽N(-)N(c)耗尽二、计入界面态的影响界面态不同，在界面形成的势垒也不同，此时界面态起决定性的作用，而界面两侧半导体材料的固有性质（如功函数、电子亲和能、介电常数等）对界面势垒没有影响，这是由于界面态上大量电荷的屏蔽作用所致。三、突变反型异质结的接触电势差设：构成异质结的两种半导体材料即P型和N型中的杂质都是均匀分布的，其浓度分别为NA1和ND2，势垒区的正、负空间电荷区的宽度分别为：d1=x0—x1d2=x2—x0取x=x0为交界面处坐标。泊松方程为：21122222112200()()()()ADdVxqNdxdVxqNdxxxxxxxEc1Ev1EFqVD1x1x0x2ΔEvqVD2qVDEc2EFEv2ΔEcqVD1qVD2式中，、分别为P型及N型半导体的介电常数。12、三、突变反型异质结的接触电势差积分并根据边界条件可得到两边空间电荷区内的电势分布V1(x)、V2(x)1、无外加电压时由V1(x0)=V2(x0)可得到接触电势差：势垒区宽度：22221112(()22)DADqNqNVxxxx212