半导体物理学简明教程-第2版教学课件第06章-异质结(2h)2021.pptx

1、2023年7月5日星期三西安理工大学电子工程系马剑平1半导体物理学Semiconductor Physics西安理工大学电子工程系Department of electronics engineeringXian University of Technology 马剑平2023年7月5日星期三西安理工大学电子工程系马剑平2第第6章章 异质结和纳米结构异质结和纳米结构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

2、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2023年7月5日星期三西安理工大学电子工程系马剑平36.1.1 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2023年7月5日星期三西安理工大学电子工程系马剑平4一、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

3、.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。2023年7月5日星期三西安理工大学电子工程系马剑平5一些半导体对的晶格常数和晶格失配率材料材料Ge/SiGe/GaAsGaAs/AlAsGaN/6H-SiCGaN/蓝宝石蓝宝石3C-SiC/Si晶格常数晶格常数

4、(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%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=1.512nm a=0.3252nmc=0.

5、5213nm 晶格失配度(相对于GaN)方向-13.62方向3.5%方向 2.2%*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 2023年7月5日星期三西安理工大学电子工程系马剑平62、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=1.512nm a=0.3252nmc=0.5213nm

6、晶格失配度(相对于GaN)方向-13.62方向3.5%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。2023年7月5日星期三西安理工大学电子工程系马剑平72、异质结材料定位于图中同一阴影区内的一组材料

7、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 2023年7月5日星期三西安理工大学电子工程系马剑平83、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

8、。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。2023年7月5日星期三西安理工大学电子工程系马剑平9二、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

9、距离在几个原子(1m)距离之内。2023年7月5日星期三西安理工大学电子工程系马剑平101、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 2023年7月5日星期三西安理工大学电子工程系马剑平112、同型异质

10、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。2023年7月5日星期三西安理工大学电子工程系马剑平126.1.2 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2023年7月5日星期三西安理工大学电子工程系马剑平13一、

11、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。2023年7月5日星期三西安理工大学电子工程系马剑平14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

12、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。2023年7月5日星期三西安理工大学电子工程系马剑平15p-n Ge-GaAs突变反型异质结平衡能带图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。qVD=0.52Ec=0.07Ev=0.69qVD2=0.42EFx1x0 x2x1=4.13qVD1=0.12=4.06p-Gen-GaAs不同之处主要有两点：一是因为两种材料的介电常数不同

13、，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 2023年7月5日星期三西安理工大学电子工程系马剑平16突变n-p反型异质结平衡能带图EcEvW1W2qVDx1qVD2EFx1x0 x2x2EvEcW2x2W1x112EF1EF2pn2023年7月5日星期三西安理工大学电子工程系马剑平172、热平衡状态下的接触电势差和空间电荷区宽度)()()()(202022011022xxxqNxxVxxxqNxxVDA2202110 1xqNCxqNCDA0)(0)(2121

14、xxxxxVxExVxEEcEvW1W2qVD1qVD2EFx1x0 x2 NA NDd1d2)x()(2022001 110 xxCxqNxxxCxqNxVDAx2023年7月5日星期三西安理工大学电子工程系马剑平18 220220222101102122)(22)(XqNxxqNVXqNxxqNxVDDDAA)0 (2)(2 2202202011101102nADAAxxDxxqNxqNxxx DxxqNxqNxV接触电势差及势垒宽度)()()(0)(0021xVxVVxVxVD2202210122XqNXqNVDAD2/1210211)(2DAADDNNqNVNX2/1210212)(2

15、DADDANNqNVNX2/121202121)()(2DADADDADNNNqNVNNXXX2023年7月5日星期三西安理工大学电子工程系马剑平193 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)(2UVNNNqNCDDADATSDADATNqNANNdUCd0212212)(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。2023年7月5日星期三西安理工大学电子工程系

16、马剑平20二、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）2023年7月5日星期三西安理工大学电子工程系马剑平212、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

17、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(22112211kTqVkTqVNNkTqVkTqVDDDDDDnn异质结中窄禁带侧势垒高度随总势垒高度和相对杂质浓度的变化 2023年7月5日星期三西安理工大学电子工程系马剑平226.1.3 界面态对异质结能带结构的影响 一、界面态密度一、界面态密度 二、界面态的影响2023年7月5日星期三西安理工大学电子工程系马剑平23一、界面态密度一、界面态密度异质结的界面态主要来自构成材料之间的晶格失配，因为晶格失配必然在结合面上产生未饱和的悬挂键，而悬挂键会

18、引入施主或受主能级。因此，异质结界面上的悬挂键密度即是界面态密度。突变异质结界面的悬挂键密度NS可以用两种材料在界面上的键密度之差来表示.设异质结两边的材料都是正六方体型的晶格，晶格常数分别为a1和a2,将键密度粗略地理解为晶格平面上的格点密度 32221212121222)(11aaaaaaaaaaNSa=a1-a2，a=(a1+a2)/2 为平均晶格常数 2023年7月5日星期三西安理工大学电子工程系马剑平24二、界面态的影响当界面态密度较高时，界面态中的电荷虽然还不会改变结两侧能带弯曲的方向，但已能明显改变某一侧空间电荷区的宽度和势垒高度。如果高密度的界面态是类施主型，则p型半导体就会向

19、它们转移空穴(或说施主型界面态向p型半导体转移电子)而使其界面附近的能带向下弯;同时，界面态接受空穴(即释放电子)后带上大量正电荷，就会使与其紧邻的n型半导体的能带也往下弯成为电子的积累层，而不是理想pn异质结那样的耗尽层。对高密度的施主型界面态，无论是pn、np反型异质结还是pp同型异质结，结两边的能带都是向下弯;对高密度的受主型界面态，无论是pn、np反型异质结还是nn同型异质结，结两边的能带都向上翘;高密度界面态使同型异质结两边皆成为多数载流子载流子势垒，而非理想情况下的一边势垒一边势阱；而异型异质结却在高密度界面态的作用下，从理想情况下的两边皆为多数载流子势垒变为一边势垒一边势阱 20

20、23年7月5日星期三西安理工大学电子工程系马剑平256.2 异质结特性及其应用异质结特性及其应用 6.2.1 伏安特性 一、负反向势垒和正反向势垒 二、负反向势垒pn异质结的伏安特性 三、正反向势垒pn异质结的伏安特性 6.2.2 注入特性 一、高注入比 二、超注入现象6.2.3 光伏特性 6.2.4 异质结的应用 一、高注入比晶体管 二、异质结激光器 1、GaAs单异质结激光器 2、双异质结激光器 2023年7月5日星期三西安理工大学电子工程系马剑平266.2.1 异质结的伏安特性扩散模型：认为异质结中的电流输运机构是载流子以扩散运动方式通过势垒,即耗尽层近似理论。发射模型：认为在任何温度下

21、，由于热运动，将有一部分载流子具有足够的热运动能量克服势垒,从交界面一侧以热电子发射方式通过势垒进入另一侧。发射-复合模型:认为在交界面存在许多界面态，使得以热发射方式克服了各自势垒而到达交界面处的电子和空穴迅速复合。隧道-复合模型：载流子以隧穿方式通过势垒并在交界面处电子和空穴迅速复合。异质结特殊的能带结构决定其具有区别于同质pn结的优良特性,这主要指它的高注入比特性和因禁带宽度之差形成势垒而对注入载流子的限制特性,以及因为宽窄禁带的配合使用而在光电探测和光电能量转换方面独具特色的广谱特性和窗口特性等.2023年7月5日星期三西安理工大学电子工程系马剑平27一、负反向势垒和正反向势垒根据pn

22、异质结n型宽禁带半导体导带尖峰的峰尖相对于p型窄禁带半导体导带底的高低，将电子势垒分为负反向势垒和正反向势垒两种，如图所示。pn异质结的两种电子势垒 在偏置状态下,反向势垒的正负有可能发生变化,有些负反向势垒在足够高的正向偏置电压下完全有可能变为正反向势垒,有些正反向势垒在足够高的反向偏置电压下完全有可能变为负反向势垒.对异质结伏安特性的讨论要根据势垒尖峰的特点使用不同的模型分别对正、负反向势垒这两种情况讨论。2023年7月5日星期三西安理工大学电子工程系马剑平28二、负反向势垒pn异质结的伏安特性pn异质结在正偏压下形成负反向势垒时，其正向电流主要是p型窄禁带材料注入到n区的电子扩散电流，即

23、JJn 正偏压下的负反向势垒pn异质结 1)exp(1101kTqULnqDJnnn 1)exp(2202kTqULpqDJppp 1)exp(1)exp(22021101kTqUJkTqULpqDLnqDJJJSppnnpn按照扩散电流模型建立同质pn结电流-电压方程式的相同方法，可以得到正偏压下从宽禁带一侧流过异质结的电子扩散电流和从窄禁带一侧流过异质结的空穴扩散电流密度表达式，分别为：2023年7月5日星期三西安理工大学电子工程系马剑平29三、正反向势垒pn异质结的伏安特性从n区内部扩散至势垒跟前的电子当中，只有能量高于势垒尖峰者才有可能通过热电子发射越过势垒进入p区，因而异质结电流主要

24、受热电子发射机制的限制。利用讨论肖特基势垒电流-电压关系的热电子发射模型，可以算出在正偏压下由n区向p区发射的电子电流密度和从p区向n区发射的电子电流密度:正偏压下的正反向势垒异质结 kTUVqmkTqnJD)(exp2222/12202kTUVqEmkTqnJDC)(exp2112/11101)exp()exp(exp*21222/12012kTqUkTqUkTqVmkTqnJJJD2023年7月5日星期三西安理工大学电子工程系马剑平306.2.3 光伏特性与pn同质结相比，pn异质结因为结两侧材料的禁带宽度不同而对阳光有更广的光谱响应和利用。利用异质结的宽光谱特点还可以做成由两个以上pn异

25、质结叠加在一起的叠层电池，按材料禁带宽度由宽到窄的顺序从外向内串叠在一起，分别吸收短波光和长波光，从而达到充分利用太阳光谱的目的。设计单晶叠层电池的关键是两个串联电池的结合部。串联使两个pn结之间的np结成为一个反向结，它会阻挡光生载流子的运动，并产生反向电压，降低光生电动势。异质结的光谱响应主要集中在与Eg1和 Eg2相当的光子能量之间的范围，在此范围之外的光谱响应很小。这就是异质结的“窗口效应”，窗口大小由两种材料的禁带宽度之差决定。III-V族叠层电池结构 2023年7月5日星期三西安理工大学电子工程系马剑平316.2.4 异质结的应用由于构成异质结的两种半导体在禁带宽度、介电常数、折射

26、率和吸收系数等物理参数上有所不同，异质结将表现出许多不同于同质结的性质。因此，利用异质结制作电子元器件受到高度重视。实践效果表明，利用异质结制作的晶体管、激光器、LED、光电探测器和应变传感器等，比用同质结制作的同类元件性能优越得多。就半导体激光器而言，应用异质结的优势在于可以用宽禁带材料禁锢注入载流子以提高注入效率和增益，同时也发挥其窗口作用而减少激光损耗。此外，异质结材料折射率的差异也可利用来增强反射而实现对辐射光的禁锢，使阈值电流降低。2023年7月5日星期三西安理工大学电子工程系马剑平321 单异质结激光器GaAs的特点:n型和p型的禁带宽度不同,p型为1.4eV,n型为1.42eV;

27、折射率不同,p型GaAs的折射率约为3.60,略大于n型GaAs的折射率3.59.AlxGa1-x As的特点:铝镓砷比砷化镓具有较宽的禁带和较小的折射率,并且禁带宽度和折射率都随混晶比x变化,Eg的变化规律为1.424+1.27x;折射率随 Al组分的增加而减小,最大值3.55亦小于GaAs GaAs单异质结激光器于1969年问世，是用液相外延法在n-GaAs衬底上外延生长p-AlGaAs制成的。在进行AlGaAs液相外延的同时，熔体中的p型掺杂剂Zn通过原子扩散进入n-GaAs衬底的表面，通过杂质补偿形成GaAs同质pn结，构成p-AlGaAs/p-GaAs/n-GaAs的三层结构，分别称

28、为限制层、有源层和注入层。2023年7月5日星期三西安理工大学电子工程系马剑平331 单异质结激光器p+-AlxGa1-xAsp-GaAsn-GaAsEg=1.55，n=3.55Eg=1.40，n=3.60Eg=1.42，n=3.592023年7月5日星期三西安理工大学电子工程系马剑平342 双异质结(DH)激光器Eg=1.55，n=3.55Eg=1.40，n=3.60Eg=1.42，n=3.59p+-AlxGa1-xAsp-GaAsn-AlxGa1-xAsn-GaAsEg=1.55，n=3.55n-AlGaAs 起注入层的作用,在正偏压下向有源层p-GaAs注入额外电子;p-AlGaAs限制

29、层因禁带较宽而形成电子势垒,将注入电子限制在有源层内,使其电子密度增高,提高激光器的增益。同时,n-A1GaAs与p-GaAs之间的空穴势垒还可避免有源区的空穴反注入对电子注入效率的影响2023年7月5日星期三西安理工大学电子工程系马剑平356.3 半导体量子阱和超晶格 量子阱和超晶格都是利用禁带宽度不同的两种材料构成“背靠背”异质结，形成类似于双异质结那样的载流子势阱，对载流子的运动形成低维约束，使其能量状态产生新的量子化。如果用两种晶格常数非常匹配但禁带宽度不同的材料A和B，以薄层的形式周期性地交替生长在一起，则其中的电子沿薄层生长方向z的连续能带将会分裂为一些子能带。在量子力学中，能够对

30、电子的运动产生某种约束并使其能量量子化的势场，被称为量子阱。用两种禁带宽度不同的材料A和B构成两个距离很近的背靠背异质结B/A/B,若材料A是窄禁带半导体,且其导带底低于材料B的导带底，则当其厚度，亦即这两个背靠背异质结的距离小于电子的平均自由程(约100nm）时，电子即被约束在材料A中，形成以材料B为电子势垒、材料A为电子势阱的量子阱。若材料A还在价带顶上高于材料B，则该结构同时也是以材料B为空穴势垒、材料A为空穴势阱的量子阱。2023年7月5日星期三西安理工大学电子工程系马剑平366.4.1 半导体量子阱半导体量子阱(a)、多量子阱(b)及超晶格(c)结构示意图 2023年7月5日星期三西安理工大学电子工程系马剑平3737西安理工大学电子工程系马剑平6.4.2 半导体超晶格半导体超晶格是指由交替生长两种半导体材料薄层组成的一维周期性结构，而其薄层厚度的周期小于电子的平均自由程的人造材料。分为成分超晶格和掺杂超晶格。前者周期性改变薄层的成分；后者周期性改变同一成分的各薄层中的掺杂类型。