半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)

1、化合物半導(dǎo)體高速集成電路第四章 半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)第4章半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)4.1半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)界面4.2半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的能帶突變4.3半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的能帶圖 4.1半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)界面半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)概念同質(zhì)結(jié)(p-n結(jié))：在同一塊單晶材料上，由于摻雜的不同形成的兩種導(dǎo)電類型不同的 區(qū)域，區(qū)域的交接面就構(gòu)成了同質(zhì)結(jié)。若形成異質(zhì)結(jié)的兩種材料都是半導(dǎo)體，則為半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)。若一方為半導(dǎo)體一方為金屬，則為金屬半導(dǎo)體接觸，這包括Schottky結(jié)和歐姆接觸。1957年，德國物理學(xué)家赫伯特克羅默指出有導(dǎo)電類型相反的兩種半導(dǎo)體材料制成異質(zhì) 結(jié)，比同質(zhì)結(jié)具有更高的注入效率。1960年，Anderson制造了世界上第一個(gè) Ge GaAs

2、異質(zhì)結(jié)。1962年，Anderson提出了異質(zhì)結(jié)的理論模型，他理想的假定兩種半導(dǎo)體材料具有相 同的晶體結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)和熱膨脹系數(shù)，基本說明了電流輸運(yùn)過程。1968年美國的貝爾實(shí)驗(yàn)室和蘇聯(lián)的約飛研究所都宣布做成了GaAs-AlxGa1-xAs雙異質(zhì)結(jié)激光器。在 70年代里，金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積( MOCVD )和分子束外延(MBE)等先 進(jìn)的材料成長(zhǎng)方法相繼出現(xiàn)，使異質(zhì)結(jié)的生長(zhǎng)日趨完善。半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)分類1. 根據(jù)半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的界面情況，可分為三種：(1) 晶格匹配的異質(zhì)結(jié)。300K時(shí)，如：Ge/GaAs(0.5658nm/0.5654nm)GaAs/AlGaAs (0.5654nm/0.565

3、7nm )、InAs/GaSb (0.6058nm/0.6095nm )(2) 晶格不匹配的異質(zhì)結(jié)(3) 合金界面異質(zhì)結(jié)2. 根據(jù)過渡空間電荷分布情況及過渡區(qū)寬度的不同：(1) 突變異質(zhì)結(jié)：在不考慮界面態(tài)的情況下，從一種半導(dǎo)體材料向另一種半導(dǎo)體材料的過渡只發(fā)生于幾個(gè)原子距離(w1卩m)范圍內(nèi)。(2) 緩變異質(zhì)結(jié)：在不考慮界面態(tài)的情況下，從一種半導(dǎo)體材料向另一種半導(dǎo)體材料 的過渡發(fā)生于幾個(gè)擴(kuò)散長(zhǎng)度范圍內(nèi)。3. 根據(jù)構(gòu)成異質(zhì)結(jié)的兩種半導(dǎo)體單晶材料的導(dǎo)電類型：(1) 反型異質(zhì)結(jié)：由導(dǎo)電類型相反的兩種半導(dǎo)體單晶材料所形成的異質(zhì)結(jié)。如( p) GaAs( n) AlGaAs(2) 同型異質(zhì)結(jié)：由導(dǎo)電類型

4、相同的兩種半導(dǎo)體單晶材料所形成的異質(zhì)結(jié)。如( n) GaAs( n) AlGaAs為了方便討論兩種不同帶隙的半導(dǎo)體相接觸所形成的異質(zhì)結(jié)在使用符號(hào)上作了一些規(guī) 定，用小寫字母n和p表示窄禁帶半導(dǎo)體的導(dǎo)電類型，用大寫字母P和N表示寬帶隙半導(dǎo)體導(dǎo)電類型。例如：p型窄帶隙半導(dǎo)體 GaAs和n型寬帶隙半導(dǎo)體 AlGaAs構(gòu)成的異質(zhì)結(jié)，p N GaAs AlGaAs , p型窄帶隙半導(dǎo)體 Ge和p型窄帶隙半導(dǎo)體 GaAs, p p Ge GaAs。 另外，n P GaAs GaP, n N Si GaP異質(zhì)結(jié)界面態(tài) 異質(zhì)結(jié)是由兩種不同的半導(dǎo)體單晶材料相接觸形成的結(jié)，這兩種材料的晶格常數(shù)是不同的，因此會(huì)產(chǎn)生

5、晶格失配，在兩種半導(dǎo)體材料的交界面處產(chǎn)生了懸掛鍵。設(shè)兩種材料的晶格常數(shù)分別為al、a2，且a1 W fit!為進(jìn)一步降低界面態(tài)密度， 有必要使其晶格匹配的更好， 這可通過人為控制晶格常數(shù)來實(shí)現(xiàn)。 對(duì)川-V族化合物半導(dǎo)體來說，其晶格常數(shù)一般地近似認(rèn)為隨組分做線性變化，因此可用三元或四元化合物半導(dǎo)體制作出晶格匹配非常完美的異質(zhì)結(jié)。另外，除了晶格失配產(chǎn)生界面態(tài)以外，由于兩種材料的熱膨脹情況不匹配，以致引起界面畸變，也可產(chǎn)生界面態(tài)。4.2半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的能帶突變則禁帶寬度不同，從而在異質(zhì)結(jié)處就存在有導(dǎo)帶的異質(zhì)結(jié)的兩邊是不同的半導(dǎo)體材料, 突變量 Ec和價(jià)帶的突變量厶Ev。 典型的異質(zhì)結(jié)能帶突變形式 EC

6、=EC1 EC20 EV=EV2 EV10 Eg=Eg1 Eg2 = EC+ EV EC=E ci Ec20 Eg= | Ec+ Ev| EC=E ci Ec20 Eg= | Ec+ Ev|圖4-2典型異質(zhì)結(jié)能帶突變能帶突變應(yīng)用:圖4-3能帶突變應(yīng)用圖4-3（ a）能帶突變可以產(chǎn)生若熱電子。在許多共振隧穿結(jié)構(gòu)中電子以比集電區(qū)費(fèi)米能級(jí)高出幾個(gè)kT的能量注入集電區(qū)，與晶格相比電子是熱”的。是彈道熱電子晶體管 （HET）和共振熱電子晶體管（RHET ）的工作基礎(chǔ)。圖4-3 （b）能帶突變是能使電子發(fā)生反射的勢(shì) 壘。阻擋電子，形成電子的積累層。圖4-3（c）能帶突變提供一定厚度和高度的勢(shì)壘，當(dāng)勢(shì)壘很薄

7、時(shí)，電子可以隧道穿透它，當(dāng)勢(shì)壘較厚時(shí)，只有那些能量比勢(shì)壘高度要大的電子才能 越過它。圖4-3（ d）能帶突變是造成一定深度和寬度的勢(shì)阱，束縛電子，但勢(shì)阱寬度小于 電子德布洛意波長(zhǎng)時(shí)，阱中的電子將處于一系列的量子化能級(jí)上。能帶突變量的實(shí)驗(yàn)測(cè)定Ec2Ecl圖4-4量子阱能級(jí)（1）光學(xué)法（光譜法）通過測(cè)量電子在勢(shì)阱中各分離能級(jí)間躍遷而產(chǎn) 生的光吸收譜和發(fā)射光譜，求出分離能級(jí)間的能量， 然后計(jì)算出能帶突變量。1974年，丁格爾（R.Dingle ） 采用GaAs/Al o.2Gao.8As異質(zhì)結(jié)，通過測(cè)紅外吸收譜給 出： Ec = 0.85 Eg。1984 年，Miller 采用 GaAs/Al 0.

8、3Ga0.7As異質(zhì)結(jié)，通過同樣方法給出： Ec =0.57 Eg。(2) 電學(xué)方法使用電學(xué)方法測(cè)量帶階時(shí)，由于同型異質(zhì)結(jié)和反型異質(zhì)結(jié)的能帶分布不同，因此具有不同的計(jì)算方法。根據(jù)異質(zhì)結(jié)的能帶圖可以推導(dǎo)出導(dǎo)帶帶階和異質(zhì)結(jié)勢(shì)壘高度qVD、費(fèi)米能級(jí)與兩種材料臨近的導(dǎo)帶底或價(jià)帶頂?shù)牟頢 1和3 2的關(guān)系公式：反型異質(zhì)結(jié)： Ec = qVD Eg1 + 3 2+ 3 1同型異質(zhì)結(jié)： Ec = qVD + 3 2 3 1構(gòu)成異質(zhì)結(jié)的兩種材料及摻雜濃度確定，根據(jù)半導(dǎo)體物理的知識(shí)可求出導(dǎo)帶帶階。(3) 光電發(fā)射譜法AEv F11L:aeb在GaAs襯底上生長(zhǎng)幾納米 AlAs ,使用X光照 射異質(zhì)結(jié)，通過測(cè)量其

9、發(fā)射譜可得到 GaAs價(jià)帶頂能 級(jí)Ec1與EGa3d的差E1,及E2和厶EB，因而價(jià)帶 帶階為：E1+ Eb E2 = Ev圖4-5 GaAs/AIA異質(zhì)結(jié)能級(jí)4.3半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)能帶圖不管什么類型的異質(zhì)結(jié)，在研究異質(zhì)結(jié)特性的時(shí)候，異質(zhì)結(jié)的能帶圖都起著非常重要的 作用，它是分析很多物理現(xiàn)象的基礎(chǔ)。所謂能帶圖就是異質(zhì)結(jié)界面兩側(cè)的導(dǎo)帶最低值和價(jià)帶最高極值的能量隨坐標(biāo)的變化。在 不考慮兩種半導(dǎo)體交界面處界面態(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 X,禁帶寬度Eg,以及功函數(shù)。反型異質(zhì)結(jié)先以p-N GaAs AIGaAs異質(zhì)結(jié)為例介紹一下異質(zhì)結(jié)的能帶圖。先看一下兩種材料

10、形成 異質(zhì)結(jié)之前的能帶圖。圖 4-6 p-N GaAs、AlGaAs 能帶異質(zhì)結(jié)能帶圖中各個(gè)量代表的物理意義:EO:真空能級(jí)。表示電子跑出半導(dǎo)體進(jìn)入真空中所必須具有的最低能量，對(duì)所有材料都 第7頁共11頁化合物半導(dǎo)體高速集成電路第四章 半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)是相同的。X:電子親和勢(shì)。是一個(gè)電子從導(dǎo)帶底移動(dòng)到真空能級(jí)所需的能量，由材料的性質(zhì)決定，和其他外界因素?zé)o關(guān)。0：功函數(shù)。表示將一個(gè)電子從費(fèi)米能級(jí)Ef處轉(zhuǎn)移到真空能級(jí)所需的能量。費(fèi)米能級(jí)的高度與半導(dǎo)體所摻雜質(zhì)的類型和濃度有關(guān)。Eg1、Eg2分別表示兩種半導(dǎo)體材料的禁帶寬度；S 1為費(fèi)米能級(jí)Efi和價(jià)帶頂Ev1的能量差，S 2為費(fèi)米能級(jí)EF2與導(dǎo)帶底Ec

11、2的能量差。由圖可知：兩種半導(dǎo)體導(dǎo)帶底的階躍 EC = X 1 -X 2,即相應(yīng)親和勢(shì)之差價(jià)帶頂?shù)碾A躍 EV = Eg2- Eg1A EC=Eg2 Eg1 X 1+ X 2 EC、 EV由材料性質(zhì)決定，與外界因素?zé)o關(guān)。當(dāng)兩塊不同的半導(dǎo)體緊密接觸而形成異質(zhì)結(jié)時(shí)，為使體系達(dá)到平衡，必將發(fā)生電子的轉(zhuǎn)移，直至體系中各處的費(fèi)米能級(jí)完全一致為止。與同質(zhì)p-n結(jié)的情況一樣，電子的轉(zhuǎn)移會(huì)導(dǎo)致界面附近能帶發(fā)生彎曲。先考慮理想異質(zhì)結(jié)的情況，即忽略界面態(tài)的影響。 認(rèn)為形成異質(zhì)結(jié)的兩種材料都為理想材料，作如下假設(shè)：(1)兩種材料從界面倒其內(nèi)部保持自己的特性(2 )只有在界面處材料才發(fā)生突變(3 )忽略界面的電偶夾層等

12、在零偏壓下，接觸界面上的費(fèi)米能級(jí)要相等，發(fā)生載流子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)， 界面附近留下一個(gè)空間電荷區(qū)(耗盡區(qū)或者勢(shì)壘區(qū))。在熱平衡下，即載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)達(dá)到平衡 時(shí)，產(chǎn)生了一個(gè)內(nèi)建電場(chǎng)，電勢(shì)差滿足：qVD=EF2-EF1；P型空間電荷區(qū)中的擴(kuò)散電位為： qNA2 ；1 ；0其中Na為p型區(qū)摻雜濃度，xp為p型空間電荷區(qū)寬度, 1、 0分別為相對(duì)介電常數(shù)和真空介電常數(shù)。N型空間電荷區(qū)中的擴(kuò)散電位為:V2嚴(yán)x22 -2 0圖4-8不同摻雜濃度p-N異質(zhì)結(jié)能帶結(jié)構(gòu)示意圖第11頁共11頁 2、 0分別為相對(duì)介電常數(shù)其中Nd為N型區(qū)摻雜濃度，xn為N型空間電荷區(qū)寬度, 和真空介電常數(shù)。整個(gè)半導(dǎo)體滿足電中性

13、條件，勢(shì)壘區(qū)內(nèi)正負(fù)電荷總量相等，即:qNAXp 二qNDXn= NaXp 二 NDXnV2 Z Nd xn i 禺 Na= =| =V1N A Ixp 丿 2 Nd2 W2N D1NaVd熱平衡下異質(zhì)結(jié)的空間電荷區(qū)電容可給出為：圖4-7可反映出異質(zhì)結(jié)能帶兩個(gè)特點(diǎn)：(1 )能帶發(fā)生了彎曲N型區(qū)在導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂?shù)膹澢繛閝VD2，且導(dǎo)帶底在界面處形成尖峰P型區(qū)在導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂?shù)膹澢繛閝VDi，且價(jià)帶頂在界面處形成凹口(2 )能帶在交界面處不連續(xù)，有一個(gè)突變導(dǎo)帶斷續(xù) EC = X 1- X 2價(jià)帶斷續(xù) Ev = Eg2 Eg1 - EC = Eg2- Egl - X 1+ X 2勢(shì)壘尖峰的位置處于

14、勢(shì)壘上的什么部位將由兩邊材料的相對(duì)摻雜濃度來決定.有可能出現(xiàn)如下圖所示的幾種情況:化合物半導(dǎo)體高速集成電路第四章 半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)圖4-8 (a)當(dāng)寬帶摻雜比窄帶少得多時(shí)，勢(shì)壘主要落在寬帶區(qū)；圖4-8 ( b) p-N兩邊摻雜差不多時(shí)，勢(shì)壘尖峰在平衡時(shí)并不露出p區(qū)的導(dǎo)帶底。圖4-8 (c)所示，窄帶摻雜比寬帶少得多時(shí)勢(shì)壘主要降在窄帶區(qū)，尖峰靠近勢(shì)壘的根部。圖4-8(d)所示，如果寬帶隙材料為p型摻雜，窄帶隙材料n型摻雜，勢(shì)壘的尖峰將出現(xiàn)在價(jià)帶上， Ev將對(duì)空穴起限制作用。反型異質(zhì)結(jié)的能帶圖遠(yuǎn)不止上述幾種。可能碰到X1和X2,1和$ 2的各種組合的情況不下十余種。圖 4-9列舉了四種常見的能帶排列。

15、Jti11#. 曲Jti +E*i jri+riSi/t圖4-11典型同型異質(zhì)結(jié)能帶圖異質(zhì)結(jié)界面態(tài)異質(zhì)結(jié)界面的晶格失配或其它缺陷將產(chǎn)生界面能級(jí)界面能級(jí)一般可分為兩種類型：一種是類施主能級(jí)，電離后帶正電；一種是類受主能級(jí)，電離后帶負(fù)電。無論界面能級(jí)是類施主或是類受主型的都不影響異質(zhì)結(jié)能帶圖的基本形狀。界面能級(jí)對(duì)能帶圖的影響與界面態(tài)密度的大小和界面態(tài)能級(jí)的性質(zhì)有關(guān)?？煞譃閮煞N情況討論(1)界面態(tài)密度較小時(shí)圖4-12界面態(tài)密度較小的異質(zhì)結(jié)能帶圖(2)界面態(tài)密度很大時(shí)能帶彎曲的方向要受界面電荷的影響。如果界面上存在著大量的類受主能級(jí)，因它們電離后帶負(fù)電荷，異質(zhì)結(jié)的能帶圖將如下圖：如果界面上存在著大量的

16、類受主能級(jí),因它們電離后帶正電荷， 異質(zhì)結(jié)的能帶圖將如下圖:觸枷1淑也圖4-14界面存在大量正電荷異質(zhì)結(jié)能帶圖4.4半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的伏安特性在p-n異質(zhì)結(jié)中既有電子勢(shì)壘， 也有電子勢(shì)阱，但勢(shì)壘高度和勢(shì)阱深度的大小不一樣時(shí)，異質(zhì)結(jié)的導(dǎo)電機(jī)理將有所不同，所以我們把這種異質(zhì)結(jié)區(qū)分為兩種情況：負(fù)反向勢(shì)壘和正反向勢(shì)壘。以p N型異質(zhì)結(jié)為例，如圖 4-15(a) 在交界面處禁帶寬度大的半導(dǎo)體的勢(shì)壘尖峰”低于異質(zhì)結(jié)勢(shì)壘區(qū)外的禁帶寬度小的半導(dǎo)體材料的導(dǎo)帶底，稱圖中的一qVB= qVDn qVD + Ec為負(fù)反向勢(shì)壘(b) 在交界面處禁帶寬度大的半導(dǎo)體的勢(shì)壘尖峰”高于異質(zhì)結(jié)勢(shì)壘區(qū)外的禁帶寬度小的半導(dǎo)體材料的導(dǎo)帶底

17、，稱圖中的qVB= qV Dn qVD + Ec為正反向勢(shì)壘圖4-15兩類半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)能帶圖不考慮界面態(tài)情況下：負(fù)反向勢(shì)壘p-N異質(zhì)結(jié)伏安特性：空穴運(yùn)動(dòng)時(shí)遇到較高勢(shì)壘 (為qVD+ Ev ),電子遇到勢(shì)壘高度較低 (為qVD EC ), 通過勢(shì)壘的電流主要是電子電流，空穴電流可以忽略。電流密度J與外加電壓V的關(guān)系為： qVD Ec qVJ =q門.0(中歸koT (ekoT -1)其中nn0為n型半導(dǎo)體多數(shù)載流子濃度，Dn和t n分別是電子的擴(kuò)散系數(shù)和壽命正反向勢(shì)壘p-N異質(zhì)結(jié)伏安特性：三角形勢(shì)壘中存在大量的 2 DEG ,往右輸運(yùn)遇到勢(shì)壘高度為qVB，需考慮其對(duì)電流的貢獻(xiàn)?？昭ㄟ\(yùn)動(dòng)時(shí)遇到較高

18、勢(shì)壘(為qVDp+qVDn EV ),電子遇到勢(shì)壘高度較低(為qVDn)。通過勢(shì)壘的電流主要是方向相反的兩個(gè)電子電流，電流密度J與外加電壓V關(guān)系為：化合物半導(dǎo)體高速集成電路第四章 半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)qVDnqVnqVPDnk0Tk0To_k0TJ 二 qnno】（）e （e -e ）綜上，總結(jié)正反向勢(shì)壘、負(fù)反向勢(shì)壘導(dǎo)電特性如圖4-16所示:圖4-16異質(zhì)結(jié)導(dǎo)電特性（實(shí)線為負(fù)反向勢(shì)壘，虛線為正反向勢(shì)壘）由圖可知，在不考慮界面態(tài)情況下，負(fù)反向勢(shì)壘p-N異質(zhì)結(jié)和p-n結(jié)類似，具有很好的整流特性（單向?qū)щ娦裕?；在正反向?shì)壘時(shí)幾乎不存在有整流特性，正向和反向電流隨外加 電壓按指數(shù)函數(shù)關(guān)系增大同型異質(zhì)結(jié)的伏安特性與反型異質(zhì)結(jié)類似，同型異質(zhì)結(jié)具有指數(shù)式的伏安特性。需注意以下幾點(diǎn)：（1） 通過異質(zhì)結(jié)的電流主要是多數(shù)載流子電流。對(duì)n-n結(jié)，對(duì)電流有貢獻(xiàn)的是右邊導(dǎo)帶