半導(dǎo)體-結(jié),異質(zhì)結(jié)和異質(zhì)結(jié)構(gòu)-

1、半導(dǎo)體-結(jié),異質(zhì)結(jié)和異質(zhì)結(jié)構(gòu)_第1頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期二本征半導(dǎo)體載流子濃度ni, p i本征半導(dǎo)體: ni = pi = n =p = 4.9 E15 (me mh/mo）3/4 T3/2 exp(-Eg/2KT) = A T3/2 e(-Eg/2KT) 是溫度T,禁帶寬度Eg的函數(shù),溫度越高, ni越大, Eg越寬, ni越小T為3OOK時(shí), Si: ni = p i=1.4 E10/cm*-3ni pi = 1.96 E20/cm-3 第2頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期二雜質(zhì)半導(dǎo)體ni,電子濃度n,空穴濃度p 之間的關(guān)系n = n

2、i e(Ef-Ei)/kT,P = ni e(Ei-Ef)/kT,ni2 = n pEi本征費(fèi)米能級(jí) Ef雜質(zhì)費(fèi)米能,在n型半導(dǎo)體中,np,因此, EfEi在p型半導(dǎo)體中, pn,因此, EiEf第3頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期二n型p型半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu) EoEcEvEi , EfiEg E fnE fpEsXsWnWp第4頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期二p-n結(jié)形成的內(nèi)部機(jī)理施主和受主,電子和空穴(載流子,移動(dòng)電荷),空間電荷(固定離子)多數(shù)載流子和少數(shù)載流子,(載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng),空間電荷區(qū)的形成,內(nèi)建電場(chǎng)的建立),內(nèi)建電場(chǎng)阻止多數(shù)載流子的進(jìn)

3、一步擴(kuò)散,增強(qiáng)了少數(shù)載流子在反方向的漂移運(yùn)動(dòng),最后達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡(熱平衡,電中性),隨溫度變化時(shí),平衡被破壞)第5頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期二幾個(gè)重要參數(shù)和概念接觸電位差: 由于空間電荷區(qū)存在電場(chǎng),方向由N到P,因此N區(qū)電位比P區(qū)高,用V表示,稱作接觸電位差,它與半導(dǎo)體的類型(禁帶寬度),雜質(zhì)摻雜濃度,環(huán)境溫度等密切相關(guān),一般為0.幾V到 1.幾V勢(shì)壘高度: 在空間電荷區(qū)內(nèi)電子勢(shì)能為-qV,因此電子從N區(qū)到P區(qū)必須越過(guò)這個(gè)勢(shì)能高度,該高度稱作勢(shì)壘高度第6頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期二PN結(jié)的伏安(I-V)特性： I為流過(guò)PN結(jié)的電流；Is為P

4、N結(jié)的反向飽和電流，與溫度和材料有關(guān)的參數(shù)，V為外加電壓； Vt=kT/q,為溫度的電壓當(dāng)量（Vt=26mV.），當(dāng)外加正向電壓V為正值且比Vt大幾倍時(shí), 正向電流隨正向電壓的增加按指數(shù)規(guī)律增大,PN結(jié)為正向?qū)顟B(tài).外加反向電壓即v為負(fù)值，且|v|比Vt大幾倍時(shí)，PN結(jié)只流過(guò)很小的反向飽和電流，且數(shù)值上基本不隨外加電壓而變，PN結(jié)呈反向截止?fàn)顟B(tài)。由PN結(jié)的I/V特性曲線得到：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦院头蔷€性伏安特性. 第7頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期二PN結(jié)的正向?qū)щ娦?在PN結(jié)上外加一電壓 ，如果P型一邊接正極 ，N型一邊接負(fù)極，電流便從P型一邊流向N型一邊，空穴和電

5、子都向界面運(yùn)動(dòng)，使空間電荷區(qū)變窄，甚至消失，多數(shù)載流子在電場(chǎng)的作用下可以順利通過(guò)。如果N型一邊接外加電壓的正極，P型一邊接負(fù)極，則空穴和電子都向遠(yuǎn)離界面的方向運(yùn)動(dòng)，使空間電荷區(qū)變寬，電流不能流過(guò)。這就是PN結(jié)的單向?qū)щ娦?。?頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期二 PN結(jié)加反向電壓時(shí),空間電荷區(qū)變寬, 電場(chǎng)增強(qiáng), 阻止了多數(shù)載流子的擴(kuò)散,而P區(qū)和N區(qū)的少數(shù)載流子電子和空穴沿反向電場(chǎng)運(yùn)動(dòng),產(chǎn)生反向漏電流,由于少子是本征激發(fā),它決定于溫度而不決定于反向電壓,當(dāng)反向電壓增大到一定程度足以把少子全部吸引過(guò)來(lái)時(shí),電流達(dá)到恒定,稱作反向飽和漏電流, 當(dāng)反向電壓再增大電流突然增大時(shí),稱作P

6、N結(jié)擊穿。如果外電路不能限制電流，則電流會(huì)大到將PN結(jié)燒毀. PN結(jié)加反向電壓時(shí),空間電荷區(qū)中的正負(fù)電荷構(gòu)成一個(gè)電容性的器件。它的電容量隨外加電壓改變,反向時(shí)電容減小正向時(shí)電容增大.PN結(jié)的反向電壓特性及電容特性 第9頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期二半導(dǎo)體同質(zhì)p-n結(jié),異質(zhì)結(jié)的形成 采用不同的摻雜工藝,將P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體制作在同一塊半導(dǎo)體上,在它們的交界面就形成空間電荷區(qū)稱PN結(jié)。 一塊單晶半導(dǎo)體中 ，一部分摻有受主雜質(zhì)是P型半導(dǎo)體，另一部分摻有施主雜質(zhì)是N型半導(dǎo)體時(shí) ，P 型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體的交界面附近的過(guò)渡區(qū)稱PN結(jié)。 PN結(jié)有同質(zhì)結(jié)和異質(zhì)結(jié)兩種。用同一種半

7、導(dǎo)體材料制成的 PN 結(jié)叫同質(zhì)結(jié) ，由禁帶寬度不同的兩種半導(dǎo)體材料制成的PN結(jié)叫異質(zhì)結(jié)。 制造同質(zhì)PN結(jié)的方法有合金法、擴(kuò)散法、離子注入法、外延生長(zhǎng)法等。 制造異質(zhì)結(jié)通常采用外延生長(zhǎng)法。第10頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期二PN結(jié)的應(yīng)用 根據(jù)PN結(jié)的材料、摻雜分布、幾何結(jié)構(gòu)和偏置條件的不同，利用其基本特性可以制造多種功能的晶體二極管。 1. 用PN結(jié)單向?qū)щ娦钥梢灾谱髡鞫O管、檢波二極管和開(kāi)關(guān)二極管， 2. 利用擊穿特性制作穩(wěn)壓二極管和雪崩二極管； 3. 利用高摻雜PN結(jié)隧道效應(yīng)制作隧道二極管； 4. 利用結(jié)電容隨外電壓變化效應(yīng)制作變?nèi)荻O管; 5. 將半導(dǎo)體的光電效

8、應(yīng)與PN結(jié)相結(jié)合還可以制作多種光電器件。 如利用前向偏置異質(zhì)結(jié)的載流子注入與復(fù)合可以制造半導(dǎo)體激光二極管與半導(dǎo)體發(fā)光二極管； 6. 利用光輻射對(duì)PN結(jié)反向電流的調(diào)制作用可以制成光電探測(cè)器； 7. 利用光生伏特效應(yīng)可制成太陽(yáng)電池; 8. 利用兩個(gè)PN結(jié)之間的相互作用可以產(chǎn)生放大，振蕩等多種電子功能; PN結(jié)是構(gòu)成雙極型晶體管和場(chǎng)效應(yīng)晶體管的核心，是現(xiàn)代微電子技術(shù)、光電子技術(shù)的基礎(chǔ)。第11頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期二半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)基本概念： 異質(zhì)結(jié)就是一種半導(dǎo)體材料生長(zhǎng)在另一種半導(dǎo)體材料上所形成的接觸過(guò)渡區(qū)。依照兩種材料的導(dǎo)電類型分同型異質(zhì)結(jié)（P-p結(jié)或N-n結(jié)）和異型異

9、質(zhì)(P-n或p-N)結(jié)。按照兩種材料晶格常數(shù)的失配程度，異質(zhì)結(jié)可分為兩類，即匹配型異質(zhì)結(jié)和失配型異質(zhì)結(jié)，由于兩種異質(zhì)材料具有不同的物理化學(xué)參數(shù)（如電子親和勢(shì)、 能帶結(jié)構(gòu)、介電常數(shù)、晶格常數(shù)等）, 接觸界面處產(chǎn)生各種物理化學(xué)屬性的失配，使異質(zhì)結(jié)具有許多不同于同質(zhì)PN結(jié)的新特性。第12頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期二異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu) 半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)一般是由兩層以上不同材料所組成，它們各具不同的能帶隙。研究較多的是GaAs 化合物、SiGe之類的半導(dǎo)體合金,目前按異質(zhì)結(jié)中兩種材料導(dǎo)帶和價(jià)帶的對(duì)準(zhǔn)情況可以把異質(zhì)結(jié)分為型異質(zhì)結(jié)和型異質(zhì)結(jié)兩種，兩種異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)如圖所示。第13頁(yè)

10、，共32頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期二半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)的基本特性 半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)，是將不同材料的半導(dǎo)體薄膜，依先后次序外延淀積在同一襯底上。如圖所述的是利用半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)所作成的半導(dǎo)體激光器 基本特性： 量子效應(yīng)： 因中間層的能階較低，電子很容易掉落下來(lái)被局限在中間層，而中間層可以只有幾nm的厚度，因此在如此小的空間內(nèi)，電子的 特性會(huì)受到量子效應(yīng)的影響而改變。例如：能階量子化、基態(tài)能量增加、能態(tài)密度改變等，其中能態(tài)密度與能階位置，是決定電子特性很重要的因素。 第14頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期二遷移率(Mobility)變大： 半導(dǎo)體的自由電子主要是由于

11、外加雜質(zhì)的貢獻(xiàn)，因此在一般的半導(dǎo)體材料中，自由電子會(huì)受到雜質(zhì)的碰撞而減低其行動(dòng)能力。然 而在異質(zhì)結(jié)構(gòu)中，可將雜質(zhì)加在兩邊的夾層中，該雜質(zhì)所貢獻(xiàn)的電子會(huì)掉到中間層，因其有較低的能量（如圖所示），因此在空間上，電子與雜質(zhì)是分開(kāi)的，所以電子的行動(dòng)就不會(huì)因雜質(zhì)的碰撞而受到限制，因此其遷移率就可以大大增加，這是高速組件的基本要素。 第15頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期二發(fā)光二極管組件(light emitting devices, LED)： 因?yàn)榘雽?dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)能將電子與空穴局限在中間層內(nèi)，電子與空穴的復(fù)合率因而增加，所以發(fā)光的效率較大；同時(shí)改變量子井的寬度亦可以控制發(fā)光的頻率，

12、所以現(xiàn)今的半導(dǎo)體發(fā)光組件，大都是由異質(zhì)結(jié)構(gòu)所組成的。半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)光組件，相較其它發(fā)光組件，具有高效率、省電、耐用等優(yōu)點(diǎn)，因此應(yīng)用廣泛。第16頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期二激光二極管： 半導(dǎo)體激光二極管的基本構(gòu)造，與發(fā)光組件極為類似，只不過(guò)激光是二極管必須考慮到受激發(fā)光與共振的條件。使用半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)，因電子與空穴很容易掉到中間層，因此載子數(shù)目反轉(zhuǎn)較易達(dá)成，這是具有受激發(fā)光的必要條件，而且電子與空穴被局限在中間層內(nèi)，其結(jié)合率較大。此外，兩旁?shī)A層的折射率與中間層不同，因而可以將光局限在中間層，致使光不會(huì)流失，而增加激光強(qiáng)度，異質(zhì)結(jié)構(gòu)很適合制作激光器，有很大的優(yōu)點(diǎn)。第1

13、7頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期二若干半導(dǎo)體雜質(zhì)摻雜的一些考慮12第18頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期二關(guān)于Au/ZnO/Si異質(zhì)結(jié)能帶結(jié)構(gòu)第19頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期二器件結(jié)構(gòu)圖第20頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期二Au/n-ZnO/p-Si新型肖特基結(jié)-異質(zhì)結(jié)構(gòu) 紫外增強(qiáng)光電晶體管 新型肖特基結(jié)-異質(zhì)結(jié) 紫外增強(qiáng)光電晶體管，半導(dǎo)體學(xué)報(bào)英文版刊登認(rèn)為論文有新意，并在重要位置（第二篇）刊登 該新型光電探測(cè)器增強(qiáng)了Si光電探測(cè)器在紫外（UV）波長(zhǎng)的響應(yīng)靈敏度，具有重要研究?jī)r(jià)值第21頁(yè)，共32頁(yè)

14、，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期二C-V characteristics of Au/n-ZnO SBDAu/n-ZnO SBD第22頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期二Photo-current response with optical wavelength第23頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期二不同襯底Si材料的ZnO異質(zhì)結(jié)IV及光電特性研究 采用PLD技術(shù)和微電子平面工藝，用不同表面摻雜的Si作為襯底制備了ZnO/Si異質(zhì)結(jié)，另外為改善異質(zhì)結(jié)特性，以p-Si(p-)為襯底嘗試制備了ZnO（含Mn0.2）/Si結(jié)構(gòu)、以及包含SiC緩沖層

15、的ZnO/SiC/Si和ZnO（含Mn0.2）/SiC/Si結(jié)構(gòu)。測(cè)試了樣品的XRD曲線，IV特性曲線和PE（光電響應(yīng)）特性曲線，研究樣品作為二極管，光探測(cè)器的性能。第24頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期二樣品制備第一組ZnO/Si異質(zhì)結(jié)樣品(1)(4)：準(zhǔn)備四種不同表面摻雜的Si材料作為襯底。分別為樣品(1)n-，電阻率=4.06cm。樣品(2)p+，=16.8mcm。樣品(3)p-，=11.126cm。樣品(4)n+，=6.6mcm。工藝流程如下：清洗后將襯底氧化（溫度1050，干氧10min濕氧40min干氧10min）生成SiO2外延，去除背底SiO2。干燥后光刻

16、出圓形有源區(qū)，圓孔直徑為500m。然后采用PLD技術(shù)在樣品表面制備高質(zhì)量ZnO薄膜。PLD工藝采用德國(guó)Lamda Physik公司的LPXKRF受激準(zhǔn)分子激光器(excimer laser)，輸出波長(zhǎng)為248 nm，脈寬20ns，頻率5Hz，功率200mj/pulse，通過(guò)透鏡以45度角聚焦在靶上，靶材為高純ZnO陶瓷靶，直徑32mm。抽真空至6.2104Pa后，通入O2至20Pa，在700下轟擊靶材60min，生成ZnO薄膜厚約800nm，并在有源區(qū)反刻出圓形ZnO（稍大于有源區(qū)圖形）。接著表面蒸Al，Al膜厚約1m，再在有源區(qū)反刻圓形Al（稍大于ZnO圖形）。最后將樣品放在N2氣氛中530

17、高溫下退火15min。初步測(cè)試后切片，背底固定到Al電極，引線焊接，封裝。器件結(jié)構(gòu)如圖第25頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期二第二組摻Mn和包含SiC緩沖層的異質(zhì)結(jié)樣品A、B、C所用Si襯底表面摻雜為p-，電阻率為10.3111.31cm。工藝如下：SiC緩沖層，PLD參數(shù)：靶材為純SiC，溫度550，轟擊時(shí)間3min，6.2104Pa真空；然后在所有樣品表面一起用PLD方法生成ZnO薄膜，PLD參數(shù)：A、靶材為純ZnO，溫度550，轟擊時(shí)間15min，6.2104Pa真空；B、靶材為ZnO（0.2Mn），溫度550，轟擊時(shí)間15min，0.13Pa氧偏壓；C、靶材為Zn

18、O（0.2Mn），溫度550，轟擊時(shí)間60min，0.13Pa氧偏壓。（注：制備第二組樣品時(shí)PLD工藝相關(guān)參數(shù)，沒(méi)有特別注明的部分默認(rèn)為與第一組的參數(shù)相同。）再將所有樣品表面蒸金，膜厚約45nm，套刻Au和ZnO，反刻出圓形圖案，圓孔直徑500m。最后將樣品放在N2氣氛中530高溫下退火15min。初步測(cè)試后切片，背底固定到Al電極，引線焊接，封裝。器件結(jié)構(gòu)如圖第二組樣品A、B器件結(jié)構(gòu) 第二組樣品C器件結(jié)構(gòu)第26頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期二IV特性所有樣品中(1)、(4) 是以ZnO作為異質(zhì)結(jié)的正向端，其余的則相反。這是因?yàn)镻LD制成的ZnO為弱n型，而樣品(1)、

19、(4)襯底為n-Si，其他為p-Si。圖中可見(jiàn)樣品(1)、(4)具有很好的反向特性很小的反向漏電流，其他器件的反向漏電流都很大而且隨反偏壓增大迅速增強(qiáng)，反向曲線呈阻性。樣品A因?yàn)镾iC緩沖層的存在，具有很高的反向擊穿電壓。除樣品B外其他樣品正向曲線都很陡峭。樣品B正反向曲線都不理想且具有較高的開(kāi)啟電壓。第一組樣品的IV曲線第二組樣品的IV曲線第27頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期二光生伏特效應(yīng) 采用HITACHI M850熒光分光光度計(jì)產(chǎn)生入射光測(cè)量異質(zhì)結(jié)零偏壓下光譜響應(yīng)特性，其準(zhǔn)確有效的波長(zhǎng)范圍200600nm，準(zhǔn)確度0.2nm，各波長(zhǎng)出射功率均為6.5W。用Yokog

20、ama 3036 X/Y recorder記錄異質(zhì)結(jié)兩端的光生電壓隨入射波長(zhǎng)的變化。第28頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期二對(duì)比曲線易知，第一組三種樣品的光生電壓強(qiáng)度從大到小依次是(2)、(1)、(3)，其中p-Si(p+)襯底的樣品(2)光電響應(yīng)明顯比較強(qiáng)；n-Si(n-)襯底的樣品(1)光電響應(yīng)強(qiáng)度略高于p-Si(p-)襯底的樣品(3)，但還需考慮制備工藝粗糙帶來(lái)的誤差（切片大小不均勻，壓焊電極時(shí)對(duì)金屬膜的影響，分別制備的ZnO存在的差異等）；第二組樣品A的響應(yīng)遠(yuǎn)強(qiáng)于樣品B，應(yīng)該是樣品B中ZnO的非晶態(tài)導(dǎo)致遷移率降低的緣故。第二組光電響應(yīng)強(qiáng)度遠(yuǎn)高于第一組，是由于表面金屬膜厚差異太大。容易發(fā)現(xiàn)，相比其他幾種樣品，樣品(1)的PE曲線有明顯的差別，最強(qiáng)峰在417nm，在261nm有峰的存在，323nm峰被加強(qiáng)，468nm峰被抑制，在波長(zhǎng)大于470nm的區(qū)域仍然有強(qiáng)而且平緩