半導(dǎo)體物理2013(第九章)

第9章異質(zhì)結(jié)

9.1

異質(zhì)結(jié)的基本概念異質(zhì)結(jié)是由兩種不同晶體材料形成的半導(dǎo)體結(jié)同型異質(zhì)結(jié)：同種導(dǎo)電類型材料構(gòu)成的異質(zhì)結(jié)（n-nGe-Si，p-pGe-GaAs）反型異質(zhì)結(jié)：相反導(dǎo)電類型材料構(gòu)成的異質(zhì)結(jié)（p-nGe-GaAs）異質(zhì)結(jié)的形成條件：要有相近的晶體結(jié)構(gòu)和晶格常數(shù)。9.1異質(zhì)結(jié)的基本概念異質(zhì)結(jié)的分類——突變型異質(zhì)結(jié)和緩變型異質(zhì)結(jié)突變型異質(zhì)結(jié)：轉(zhuǎn)變區(qū)或過渡區(qū)小于等于數(shù)個原子間距的異質(zhì)結(jié)緩變型異質(zhì)結(jié)：轉(zhuǎn)變區(qū)大于數(shù)個擴散長度的異質(zhì)結(jié)9.2

異質(zhì)結(jié)的能帶圖突變異質(zhì)結(jié)的研究比較成熟異質(zhì)結(jié)的能帶圖比同質(zhì)結(jié)復(fù)雜（禁帶寬度，電子親合能，功函數(shù)，介電常數(shù)和晶格常數(shù)差異）由于晶體結(jié)構(gòu)和晶格常數(shù)不同，在異質(zhì)結(jié)結(jié)面上形成的界面態(tài)增加了復(fù)雜性9.2.1

不考慮界面態(tài)的能帶圖1突變反型異質(zhì)結(jié)能帶圖能帶總的彎曲量就是真空電子能級的彎曲量，即式中VD稱為接觸電勢差（或稱內(nèi)建電勢差、擴散電勢）,它等于兩種半導(dǎo)體材料的功函數(shù)之差(W1-W2)與電子電荷比值。而VD1,VD2分別為交界面兩側(cè)的p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體中的內(nèi)建電勢差。

9.2.1

不考慮界面態(tài)的能帶圖2異質(zhì)結(jié)的形成過程與同質(zhì)結(jié)相似，與同質(zhì)結(jié)不同之處（1）自建電場在界面處發(fā)生不連續(xù)（2）能帶在界面處不連續(xù)，能帶在界面處的突變形成“尖峰”和“凹口”導(dǎo)帶底突變價帶頂突變9.2.1

不考慮界面態(tài)的能帶圖3突變同型異質(zhì)結(jié)能帶圖

9.2.1

不考慮界面態(tài)的能帶圖9.3

半導(dǎo)體超晶格半導(dǎo)體超晶格是指由交替生長兩種半導(dǎo)體材料薄層組成的一維周期性結(jié)構(gòu)，其薄層厚度的周期小于電子的平均自由程的人造材料。超晶格的思想于1968年提出，1970年在砷化鎵半導(dǎo)體上制成了超晶格結(jié)構(gòu)，它為實驗觀察量子效應(yīng)提供了良好的模型。理想超晶格結(jié)構(gòu)示意圖9.3

半導(dǎo)體超晶格目前生長超晶格材料的最佳技術(shù)是分子束外延技術(shù)（MBE），可以控制到單原子層的生長。此外，金屬有機化合物汽相淀積（MOCVD）技術(shù)也常用來生長超晶格材料。超晶格分為兩類：成分超晶格和摻雜超晶格。成分超晶格：由不同的半導(dǎo)體材料交替生長而成，如Ga1-xAlxAs/GaAs材料；摻雜超晶格：由導(dǎo)電類型不同的同種半導(dǎo)體材料交替生長而成，如NIPI材料。9.3.1

半導(dǎo)體超晶格的能帶圖由于超晶格往往由不同的半導(dǎo)體材料交替生長而成，不同半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)有一定的差異，所以形成的超晶格材料的能帶呈現(xiàn)規(guī)律的變化。下圖為Ga1-xAlxAs/GaAs晶體的能帶示意圖。9.3.1

半導(dǎo)體超晶格的能帶圖b和c分別代表了兩種不同半導(dǎo)體的薄層厚度，超晶格的總周期l=b+c根據(jù)超晶格兩種材料的能帶匹配情況，可以把超晶格分為三類，如下圖所示：9.3.2

調(diào)制摻雜技術(shù)在生長超晶格材料時，對不同的材料層進行不同濃度的摻雜，可以改變超晶格材料的物理性質(zhì)。比如在Ga1-xAlxAs/GaAs超晶格結(jié)構(gòu)中，只在Ga1-xAlxAs層中進行高摻雜（如摻n型雜質(zhì)硅），而把GaAs層做成高純的，這種摻雜方式稱為調(diào)制摻雜（MD）或選擇性摻雜。9.3.2

調(diào)制摻雜技術(shù)在這樣的超晶格中，能帶發(fā)生了變化。由于GaAs導(dǎo)帶底比Ga1-xAlxAs的導(dǎo)帶底低，高摻雜的n型Ga1-xAlxAs中的電子將轉(zhuǎn)移到GaAs的導(dǎo)帶中去，使高純的具有高電子濃度，于是，晶格的能帶發(fā)生彎曲。而高純