《半导体异质结发展概述》 异质结讲义

题目:半导体异质结的发展 及其性质的讨论

题目：半导体异质结的发展 及其性质的讨论

pn结是在一块半导体中用掺杂的办法 做成两个导电类型不同的部分。一般pn 咭的两边是用同一种材料做成的,也称 为“同质结”。广义上说,如果结两边 是用不同的材料制成,就称为“异质 洁”,但一般所说的指两种不同半导体 材料的接触构成的半导体异质结。根据 结两边的半导体材料的导电类型,异质 结可分为两类:反型异质结(pn,np) 和同型异质结(nn,pp)。另外,异质 结又可分为突变型异质结和缓变型异质 结,当前人们研究较多的是突变型异质

pn结是在一块半导体中用掺杂的办法 做成两个导电类型不同的部分。一般pn 结的两边是用同一种材料做成的，也称 为“同质结”。广义上说，如果结两边 是用不同的材料制成，就称为“异质 结”，但一般所说的指两种不同半导体 材料的接触构成的半导体异质结。根据 结两边的半导体材料的导电类型，异质 结可分为两类：反型异质结(p-n，n-p) 和同型异质结(n-n，p-p)。另外，异质 结又可分为突变型异质结和缓变型异质 结，当前人们研究较多的是突变型异质 结

主要内容: 异质结器件的发展过程□ ■异质结结构的物理性质 当前的一些研究进展

主要内容： ◼ 异质结器件的发展过程 ◼ 异质结结构的物理性质 ◼ 当前的一些研究进展

pn结是组成集成电路的主要细胞,50年代pn结晶体管的发明及其后的发 展奠定了现代电子技术和信息革命的基础 1947年12月,巴 W.H布喇頓和w肖克萊发眀点接触晶体管 1949年肖克莱提出pn结理论,也称为理想pn结的肖克莱方程 Js(eqv/kt. 1) 其中j=q(oD/Ln+pnD/L) 1957年,克罗默指出有导电类型相反的两种半导体材料制成 异质结,比同质结具有更高的注入效率 1962年, Anderson提出了异质结的理论模型,他理想的假定 两种半导体材料具有相冋的晶体结构,晶格常数和热膨胀系数,基本说明 了电流输运过程。 1968年美国的贝尔实验室和苏联的约飞研究所都宣布做成了GaAs AGa1xs双异质结激光器 在70年代里,液向外延(LPE,汽相外延(VPE),金属有机化学 气相沉积(MOVD)和分子束外延(MBE)等先进的材料成长方法相 继出现,使异质结的生长日趋完善

◼ pn结是组成集成电路的主要细胞，50年代pn结晶体管的发明及其后的发 展奠定了现代电子技术和信息革命的基础。 ◼ 1947年12月，巴丁﹐J.﹑W.H.布喇頓和W.肖克萊发明点接触晶体管。 ◼ 1949年肖克莱提出pn结理论 ，也称为理想pn结的肖克莱方程： j=js (eqv/kt-1) 其中j=q(np0Dn /Ln+pnDp /Lp ). 1957年，克罗默指出有导电类型相反的两种半导体材料制成 异质结，比同质结具有更高的注入效率。 1962年，Anderson提出了异质结的理论模型，他理想的假定 两种半导体材料具有相同的晶体结构，晶格常数和热膨胀系数，基本说明 了电流输运过程。 1968年美国的贝尔实验室和苏联的约飞研究所都宣布做成了GaAs￾AlxGa1-xAs双异质结激光器。 ◼ 在70年代里，液向外延(LPE)，汽相外延(VPE)，金属有机化学 气相沉积(MO-CVD)和分子束外延(MBE)等先进的材料成长方法相 继出现，使异质结的生长日趋完善

理想异质结的Iv曲线 2/mA 0040.81.2 4

理想异质结的I-V曲线

异质结的结构: 空间电荷区-耗尽层 ⊕⊕⊕ d 8888 d 4⊕⊕⊕ P 空间电荷区XM 空间电荷区为高阻区,因为缺 少载流子

异质结的结构： N P 空间电荷区XM 空间电荷区－耗尽层 XN XP 空间电荷区为高阻区，因为缺 少载流子

异质结的能带图:(不考虑界 面态) △E (n-AlGaAs) //I//.Hl △E ThmT WHITINIIIIIIMI/

异质结的能带图：（不考虑界 面态）

理想突变反型异质结的物理性质: 1.在零偏压下,接触界面上的费米能级要相等,发生 载流子扩散运动,界面附近留下一个空间电荷区(耗 尽区或者势垒区)。在热平衡下,即载流子的扩散运 动和漂移运动达到平衡时,产生了一个内建电场,电 势差满足:qV。=EF2-EF1 势场分布为VDVB2=ENAE2Nb,势垒电容 CT=dQ/dT=A[ 0.5 2.平衡时能带的两个特点:(1)能带发生了弯曲,出 现了尖峰和凹口(2)能呆在交界面上不连续,导带底 上的突变△Ec=X1X2,价带顶的突变△E=(E2Ea1)

理想突变反型异质结的物理性质： ◼ 1.在零偏压下，接触界面上的费米能级要相等，发生 载流子扩散运动，界面附近留下一个空间电荷区（耗 尽区或者势垒区）。在热平衡下，即载流子的扩散运 动和漂移运动达到平衡时，产生了一个内建电场，电 势差满足：qVD=EF2-EF1;， 势场分布为VD1/VD2=ε1NA /ε2ND， 势垒电容 CT=dQ/dT=A[ ] 0.5 ◼ 2.平衡时能带的两个特点：(1)能带发生了弯曲，出 现了尖峰和凹口(2)能呆在交界面上不连续，导带底 上的突变ΔEC =Χ1-Χ2,价带顶的突变ΔEV=(Eg2-Eg1)- (Χ1-Χ2) /2( ) 1 2 A1 ND2 1 NA1 2 ND2   qN  +

考虑界面态时异质结的能带图: 质结的界面态主要来自组成成异质结的 晶格失配,定义晶格失配为 产生悬排建,引次界面。界面态密度Dm 会直接影响异质结的各个物理性质。另外 两 料的热膨胀系数不同和化合物半导体 中的成分元素的互扩散都会引入界面态。 两种材料的晶格常数极为接近时,晶格匹配 界面态的影响;实际上都要 考虑这个影响。有时候可加入少量杂质元素 改变晶格匹配效果,例如在S1GeS异质结 中加入C原子,1%的C可以补德91.49的Ge 所带来的压应变 a)p-n异质结 ■2.增加了界面态能级,他们将成为载流子的 非辐射复合 ■3影响界面附近的电荷分布

考虑界面态时异质结的能带图： ◼ 1.异质结的界面态主要来自组成成异质结的 晶格失配，定义晶格失配为 ◼ 2(a2 -a1 )/(a1+a2 ) 。晶格失配会在交界面 上产生悬挂建，引入界面态。界面态密度DIT 会直接影响异质结的各个物理性质。另外， 两种材料的热膨胀系数不同和化合物半导体 中的成分元素的互扩散都会引入界面态。当 两种材料的晶格常数极为接近时，晶格匹配 较好，可以不考界面态的影响；实际上都要 考虑这个影响。有时候可加入少量杂质元素 改变晶格匹配效果，例如在Si1-xGex /Si异质结 中加入C原子，1%的C 可以补偿91.4% 的Ge 所带来的压应变。 ◼ 2.增加了界面态能级，他们将成为载流子的 非辐射复合中心。 ◼ 3.影响界面附近的电荷分布

加偏压时的一些物理现象: 1加偏压时,结两边的 电势要变化Vi=Vor ΔE Vp=(VD1-V1)-(VD2 2结两边费米能级间隔变 为qV;结势垒发生变 化,载流子发生重新分 配,其输运机制根据势 垒的不同形式发生变化

加偏压时的一些物理现象： ◼ 1.加偏压时，结两边的 电势要变化VD1 ’ =VD1- V1 VD2 ’ =VD2-V2 VD ’ =(VD1-V1 )-(VD2- V2 )=VD-V 2.结两边费米能级间隔变 为qV；结势垒发生变 化，载流子发生重新分 配，其输运机制根据势 垒的不同形式发生变化