第八章半導(dǎo)體異質(zhì)節(jié)

第八章半導(dǎo)體異質(zhì)節(jié)第1頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月目錄第一章半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)第二章半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷第三章載流子的統(tǒng)計分布第四章半導(dǎo)體的導(dǎo)電性第五章非平衡載流子第六章pn結(jié)第七章金屬和半導(dǎo)體的接觸第八章半導(dǎo)體異質(zhì)節(jié)第九章半導(dǎo)體中的光電現(xiàn)象第十章半導(dǎo)體中的熱電形狀第十一章半導(dǎo)體中的磁-光效應(yīng)第2頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月——引言第八章半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)pn結(jié)是由導(dǎo)電性質(zhì)相反的同一種半導(dǎo)體單晶構(gòu)成，常稱為同質(zhì)結(jié)；用兩種材料完全不同的半導(dǎo)體形成的pn結(jié)，則稱為異質(zhì)結(jié)。早在1951年就提出異質(zhì)結(jié)的概念，但由于工藝的限制，一直都沒有制備成可實際應(yīng)用的異質(zhì)結(jié)；1957年，克羅默指出異質(zhì)結(jié)的注入效率遠(yuǎn)高于同質(zhì)結(jié)，人們才把目光轉(zhuǎn)移到異質(zhì)結(jié)上；1960年利用氣相外延生長成功制備了第一個異質(zhì)結(jié)，并于1969年發(fā)表了異質(zhì)結(jié)萊賽二極管的報告；此后，異質(zhì)結(jié)在微電子學(xué)、微電子工程技術(shù)方面得到日益廣泛的應(yīng)用。第3頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月——異質(zhì)結(jié)的能帶圖第八章半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)異質(zhì)結(jié)是由兩種不同的半導(dǎo)體單晶構(gòu)成，根據(jù)這兩種單晶的導(dǎo)電性質(zhì)，把異質(zhì)結(jié)分為：同型異質(zhì)結(jié):由導(dǎo)電類型相同的兩種不同的半導(dǎo)體單晶形成，比如n型的Ge和n型的GaAs形成異質(zhì)結(jié)，記為n-nGe-GaAs或(n)Ge-(n)GaAs；異型異質(zhì)結(jié):由導(dǎo)電類型相反的兩種不同的半導(dǎo)體單晶形成，比如p型的Ge和n型的GaAs形成異質(zhì)結(jié)，記為p-nGe-GaAs或(p)Ge-(n)GaAs；為方便起見，一般把禁帶寬度較窄的半導(dǎo)體寫在前邊。能帶圖在異質(zhì)結(jié)研究中起著很重要的作用。不考慮表面態(tài)時，異質(zhì)結(jié)的能帶圖取決于兩種半導(dǎo)體的禁帶寬度、電子親和能、功函數(shù)。第4頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月——異質(zhì)結(jié)的能帶圖第八章半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)不考慮界面時的能帶圖：突變反型異質(zhì)結(jié)的能帶圖p型半導(dǎo)體的費(fèi)密能級為：n型半導(dǎo)體的費(fèi)密能級為：當(dāng)兩半導(dǎo)體接觸形成異質(zhì)結(jié)后具有同一的費(fèi)密能級。此時，半導(dǎo)體處于熱平衡狀態(tài)。第5頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月——異質(zhì)結(jié)的能帶圖第八章半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)不考慮界面時的能帶圖：突變反型異質(zhì)結(jié)的能帶圖電子從n型區(qū)流到p型區(qū)，在n型區(qū)中形成正的空間電荷區(qū)；在p型區(qū)中形成負(fù)的空間電荷區(qū)；不考慮表面態(tài)，正空間電荷數(shù)=負(fù)空間電荷數(shù)，形成內(nèi)建電場；兩種半導(dǎo)體的性質(zhì)不同，其介電常數(shù)也不同，內(nèi)建電場在交界面上是不連續(xù)的；內(nèi)建電場的存在使空間電荷區(qū)各處出現(xiàn)附加電勢能，使能帶發(fā)生彎曲。第6頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月——異質(zhì)結(jié)的能帶圖第八章半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)不考慮界面時的能帶圖：突變反型異質(zhì)結(jié)的能帶圖能帶總的彎曲量由真空電子能級的彎曲量決定：接觸電勢差是由p型和n型半導(dǎo)體中的內(nèi)建電勢差或功函數(shù)來決定的能帶發(fā)生彎曲：n型半導(dǎo)體的上翹量為qVD2，且導(dǎo)帶底與界面處形成尖峰；p型半導(dǎo)體下彎為qVD1，形成凹口；能帶在界面上不連續(xù)，存在突變：第7頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月——異質(zhì)結(jié)的能帶圖第八章半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)不考慮界面時的能帶圖：突變反型異質(zhì)結(jié)的能帶圖能帶在界面上不連續(xù)，存在突變：兩種半導(dǎo)體在導(dǎo)帶底的突變量為：兩種半導(dǎo)體在價帶頂?shù)耐蛔兞繛椋呵曳謩e稱為導(dǎo)帶階和價帶階，是異質(zhì)結(jié)中很重要的物理量。第8頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月——異質(zhì)結(jié)的能帶圖第八章半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)不考慮界面時的能帶圖：突變同型異質(zhì)結(jié)的能帶圖寬禁帶的半導(dǎo)體其費(fèi)密能級較高；禁帶寬度不同的半導(dǎo)體接觸后，電子從寬禁帶區(qū)向窄禁帶區(qū)流動；結(jié)果在窄禁帶一側(cè)出現(xiàn)電子的積累層，在寬禁帶一側(cè)形成電子的耗盡層；內(nèi)建電場的產(chǎn)生，在空間電荷區(qū)出現(xiàn)附加的電勢能，使得能帶發(fā)生彎曲；這些異質(zhì)結(jié)的能帶圖是在1962年由安迪生根據(jù)肖克萊的pn結(jié)理論給出的，稱為安迪生-肖克萊模型。第9頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月——異質(zhì)結(jié)的能帶圖第八章半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)考慮界面時的能帶圖：形成界面態(tài)的主要原因是形成異質(zhì)結(jié)的兩種半導(dǎo)體的晶格發(fā)生失配；晶格失配度：第10頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月——異質(zhì)結(jié)的能帶圖第八章半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)考慮界面時的能帶圖：晶格失配是不可避免的，在異質(zhì)結(jié)形成時，在界面處會出現(xiàn)不飽和的懸掛鍵；懸掛鍵密度是兩種半導(dǎo)體在交界面處的鍵密度之差：以金剛石為例：｛111｝是邊長為的等邊三角形面積為需要打斷的鍵：2該面的鍵密度為：2/第11頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月——異質(zhì)結(jié)的能帶圖第八章半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)考慮界面時的能帶圖：晶格失配是不可避免的，在異質(zhì)結(jié)形成時，在界面處會出現(xiàn)不飽和的懸掛鍵；該面上的懸掛鍵密度為：第12頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月——異質(zhì)結(jié)的能帶圖第八章半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)考慮界面時的能帶圖：巴丁等人的表面能級計算表明，當(dāng)具有金剛石結(jié)構(gòu)的晶體表面能級密度1013/cm2時費(fèi)密能級位于禁帶寬度的1/3處，稱為巴丁極限。對于n型半導(dǎo)體，懸掛鍵起受主作用，表面處的能帶上翹；對于p型半導(dǎo)體，懸掛鍵起施主作用，表面處的能帶下彎；第13頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月——異質(zhì)結(jié)的能帶圖第八章半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)考慮界面時的能帶圖：當(dāng)懸掛鍵起施主作用時：當(dāng)懸掛鍵起受主作用時：第14頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月——異質(zhì)結(jié)的能帶圖第八章半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)考慮界面時的能帶圖：如果兩種材料的晶格匹配很好，一般可以不考慮界面態(tài)的影響；但不同材料的熱膨脹系數(shù)不同，在不同溫度引入的懸掛鍵數(shù)目不一樣，從而產(chǎn)生界面態(tài)；化學(xué)組分的相互擴(kuò)散，也會引起界面態(tài)；所以，幾乎所有的異質(zhì)結(jié)都不能忽略界面態(tài)的影響。第15頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月——突變異質(zhì)結(jié)的I-V特性第八章半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)在界面處是不連續(xù)的，出現(xiàn)勢壘尖峰和勢阱，以及存在界面態(tài)使其I-V特性比同質(zhì)結(jié)復(fù)雜得多。常見模型有：擴(kuò)散、發(fā)射、發(fā)射-復(fù)合、隧道、隧道-復(fù)合模型。接下來以擴(kuò)散-發(fā)射模型來解釋異質(zhì)結(jié)的I-V特性。根據(jù)勢壘尖峰的高低分為：低勢壘尖峰高勢壘尖峰第16頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月——突變異質(zhì)結(jié)的I-V特性第八章半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)勢壘尖峰低于p區(qū)導(dǎo)帶底，稱為低勢壘尖峰。此時由n區(qū)擴(kuò)散到結(jié)區(qū)的電子流可以通過發(fā)射機(jī)制越過尖峰勢壘進(jìn)入p區(qū)，異質(zhì)結(jié)中的電流主要由電子的擴(kuò)散決定，可以用擴(kuò)散模型處理。勢壘尖峰高于p區(qū)導(dǎo)帶底，稱為高勢壘尖峰。如果勢壘很高，由n區(qū)擴(kuò)散到結(jié)區(qū)的電子流只有高于勢壘尖峰的電子才能通過發(fā)射機(jī)制壘進(jìn)入p區(qū)，異質(zhì)結(jié)中的電流主要由電子的發(fā)射機(jī)制決定，可以用發(fā)射模型處理。第17頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月——突變異質(zhì)結(jié)的I-V特性第八章半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)低勢壘尖峰，用擴(kuò)散模型處理，熱平衡時，電子由n區(qū)導(dǎo)帶底移動到p區(qū)導(dǎo)帶底需克服的勢壘高度為：由擴(kuò)散理論得到p區(qū)少數(shù)載流子的濃度為：n區(qū)多子(電子)濃度加一正向電壓，忽略結(jié)區(qū)載流子的產(chǎn)生與復(fù)合，則p區(qū)少子濃度為：第18頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月——突變異質(zhì)結(jié)的I-V特性第八章半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)p區(qū)少子濃度代入連續(xù)性方程：通解為：代入邊界條件求系數(shù)：p區(qū)少子濃度為：第19頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月——突變異質(zhì)結(jié)的I-V特性第八章半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)p區(qū)少子濃度為：代入擴(kuò)散方程得到擴(kuò)散電流：類似的，可以計算出由p區(qū)注入到n區(qū)的空穴電流：在正向電壓下流過pn結(jié)的總電流密度：電流隨正向電壓指數(shù)增大第20頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月——突變異質(zhì)結(jié)的I-V特性第八章半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)高勢壘尖峰需要用發(fā)射機(jī)制(熱電子發(fā)射)來處理。加在p區(qū)和n區(qū)的電壓為V1、V2n區(qū)熱電子平均速度為：單位時間內(nèi)n區(qū)電子單位面積勢壘的電子數(shù)：只有能量超過勢壘高度的電子可以進(jìn)入p區(qū)，產(chǎn)生的電流為：從p區(qū)越過勢壘進(jìn)入n區(qū)的電子流密度為：第21頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月——突變異質(zhì)結(jié)的I-V特性第八章半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)總電流密度為：從發(fā)射模型可以得出：發(fā)射電流隨正向電壓的增大而指數(shù)增大。注意：上式不能用于反向電壓情況，因為電子流從p區(qū)注入n區(qū)，反向電流濃度由p區(qū)的少子濃度決定。第22頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月——異質(zhì)結(jié)的注入第八章半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)n區(qū)、p區(qū)的多子濃度為：異質(zhì)結(jié)中電子、空穴的比：雜質(zhì)濃度異質(zhì)結(jié)與pn結(jié)的主要差異是存在高的注入比第23頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月——量子阱第八章半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)利用分子束外沿可以制備由寬禁帶重?fù)诫s的n型AlxGa1-xAs與純GaAs的異質(zhì)結(jié)；重?fù)诫s下AlxGa1-xAs的費(fèi)米面離導(dǎo)帶底很近，遠(yuǎn)高于GaAs的費(fèi)米面；形成異質(zhì)結(jié)后，電子從注入GaAs中，在結(jié)區(qū)能形成空間電荷區(qū)；在空間電荷區(qū)內(nèi)形成的內(nèi)建電場使結(jié)區(qū)的能帶發(fā)生彎曲，在GaAs一側(cè)形成勢阱，在AlxGa1-xAs一側(cè)形成尖峰勢壘；接下來討論陷入勢阱中電子的能態(tài)：第24頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月——量子阱第八章半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)GaAs的能帶在BZ中心處的有效質(zhì)量是各向同性的，電子在勢阱中的運(yùn)動滿足薛定諤方程：由于勢能是z的函數(shù)，將波函數(shù)分離變量第25頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月——量子阱第八章半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)勢阱中的電子在xy平面自由運(yùn)動，稱為二維電子氣（2DEG）電子在z方向被局限在幾個原子層的范圍內(nèi)對應(yīng)的能量是量子化的，是一些分立的能級。第26頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月——量子阱第八章半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)勢阱中二維電子氣的態(tài)密度異質(zhì)結(jié)勢阱中電子的能量為：根據(jù)Bloch波的周期性確定二維倒易格子：平移L倒易平面格子的點(diǎn)密度：ρ=1/kxky在dk厚的圓環(huán)內(nèi)電子態(tài)數(shù)目為：dN=ρ(2πkdk)第27頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月——量子阱第八章半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)勢阱中二維電子氣的態(tài)密度異質(zhì)結(jié)勢阱內(nèi)的態(tài)密度是與能量無關(guān)的常數(shù)，且所有子帶都具有相同的態(tài)密度。異質(zhì)結(jié)總電子態(tài)密度為：第28頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月——量子阱第八章半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)由重?fù)诫sn型AlxGa1-xAs與純GaAs組成的調(diào)制摻雜結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)電子供給區(qū)為重?fù)诫s的n型AlxGa1-xAs；電子輸運(yùn)過程發(fā)生在純GaAs中；兩功能區(qū)空間上的分離，消除了電子輸運(yùn)過程中所受的電離雜質(zhì)散射作用，從而大大提高了電子遷移率。具有高電子遷移率的的異質(zhì)結(jié)在半導(dǎo)體微波和毫米波器件中得到廣泛應(yīng)用。第29頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月——超晶格第八章半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)1968年江崎、朱兆祥提出了半導(dǎo)體超晶格的概念；1970年首次利用分子束外沿法制備了超晶格；相繼研制了III-V/III-V,IV/III-V,II-VI/II-VI,IV-VI/IV-VI化合物超晶格；并已應(yīng)用于量子阱激光器、量子阱光