科学出版社：《半导体材料》课程教学资源（PPT课件）第八章 异质结

异质结

异质结

pn结是在同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” 令如果结两边是用不同的材料制成,就称为 “异质结” 令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

❖ pn结是在同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” 。 ❖ 如果结两边是用不同的材料制成，就称为 “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

光输出 N-AL Ga 反型异质结 °. P- GaA 同型异质结 t fttI P-ALGal A 双异质结半导体发光二极管的结构示意图

P-AIxGa1-xAs N-AIyGa1-yAs P- GaAs 光输出 双异质结半导体发光二极管的结构示意图 反型异质结 同型异质结

理想异质结的|-V曲线 2/mA 00.40.81.2 -8

理想异质结的I-V曲线

异质结的能带结构: △E (n-AlGaAs) //I//.Hl △E ll/hm ThmT (h)

异质结的能带结构： 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

总结 相比同质结,异质结的特点 (1)异质结两侧的材料具有不同的禁带宽度 (2)由于介电常数的不同,会使界面处出现能 带的凸起和凹口,结果能带出现不连续。 冷(3)在异质结界面处存在比较复杂的界面态

总结： ❖ 相比同质结， 异质结的特点 ❖ (1)异质结两侧的材料具有不同的禁带宽度 ❖ (2)由于介电常数的不同，会使界面处出现能 带的凸起和凹口，结果能带出现不连续。 ❖ (3)在异质结界面处存在比较复杂的界面态

目前异质结制备的一些常用方法: 1分子束外延技术 令2.MO-CVD 3液相外延 4物理气相沉积法。 6. 5. sol-gel

目前异质结制备的一些常用方法： ❖ 1.分子束外延技术。 ❖ 2.MO-CVD ❖ 3.液相外延 ❖ 4.物理气相沉积法。 ❖ 5. sol-gel

目前的一些研究对象: 製意蟲告簽覆绿置晋薏锈￥) GaAs/AlGaAs/GaIn PIn GaAs/InP/InAlAs, Si/SiGe= (5)HEMT(High electron mobility transistor 把色答汽艺松镇数的使霞铁光 源,白光LED是继白炽灯和日光灯之后的 第三代电光源 主要集中在GaN基pn结研究上,例如 AlGaInN/GaN 3.GaAs或nP基半导体激光器,这主要用于通信技术。在 1.25-1.65m范围内,现在主要的异质结激光器是 GaInAsp or algaInAs/nP,而对子 GaInNAs/GaAs发 射频率已做到1521m,.用改进的 GaInNAssb/GaAs异质结 激光器发射频率达到1.49μm,发射功率为02mA/u 4制备太阳能电池,例如zno/n-Si

目前的一些研究对象： ❖ 1.制备电子器件：(1)开关器件(2)整流器件SiC基异质材料(3) 场效应晶体管(4)异质结双极晶体管(HBT)主要应用材料为 GaAs/AlGaAs/GaInP,InGaAs/InP/InAlAs,Si/SiGe等 (5)HEMT(High electron mobility transistor) ❖ 2.制备发光二极管：(1)异质结发光二极管，异质结构为 CdTe/PS，ZnS/ps等 (2)制备新型的发光设备取代传统光 源，白光LED是继白炽灯和日光灯之后的第三代电光源 ， 主要集中在GaN基pn结研究上，例如AlGaInN/GaN。 ❖ 3. GaAs或InP基半导体激光器，这主要用于通信技术。在 1.25—1.65 μm范围内，现在主要的异质结激光器是 GaInAsP or AlGaInAs/InP，而对于GaInNAs/GaAs,发 射频率已做到1.52μm, 用改进的GaInNAsSb/GaAs异质结 激光器发射频率达到1.49 μm，发射功率为0.2mA/ μm 2 。 ❖ 4.制备太阳能电池，例如ZnO/n-Si

超晶格 1970年美国IBM实 验室的江崎和朱兆祥 提出了超晶格的概念 他们设想如果用两种晶格 匹配很好的半导体材料交 替地生长周期性结构,每 层材料的厚度在100nm 以下,如图所示,则电子 沿生长方向的运动将会产 生振荡,可用于制造微波 器件.他们的这个设想两 年以后在一种分子束外延 设备上得以实现 图2-4半导体超晶格的层状结构,白圈和灰圈代表 两种材料的原子 超晶格:由两种不同材料交替生长而成的多层异质 结结构晶体不

❖ 1970年美国IBM实 超晶格 验室的江崎和朱兆祥 提出了超晶格的概念 ❖ 他们设想如果用两种晶格 匹配很好的半导体材料交 替地生长周期性结构，每 层材料的厚度在100nm 以下，如图所示，则电子 沿生长方向的运动将会产 生振荡，可用于制造微波 器件．他们的这个设想两 年以后在一种分子束外延 设备上得以实现． 超晶格：由两种不同材料交替生长而成的多层异质 结结构晶体

令超晶格的周期长度:相邻两层不同材料的厚度的和 两种材料的禁带宽度不同,能带结构出现势垒 potential barrier potential well(pit)。 假设空间中的势能处处给定了,你可以把势阱或势垒理解成特 定的空间区域 令势阱就是该空间区域的势能比附近的势能都低 令势垒就是该空间区域的势能比附近的势能都高。 基本上就是极值点附件的一小片区域。 冷窄禁带材料厚度为阱宽L 冷宽禁带材料厚度为垒宽Lg

❖ 超晶格的周期长度：相邻两层不同材料的厚度的和 ❖ 两种材料的禁带宽度不同，能带结构出现势垒potential barrier 和势阱potential well （pit） 。 ❖ 假设空间中的势能处处给定了，你可以把势阱或势垒理解成特 定的空间区域 ❖ 势阱就是该空间区域的势能比附近的势能都低 ❖ 势垒就是该空间区域的势能比附近的势能都高。 基本上就是极值点附件的一小片区域。 ❖ 窄禁带材料厚度为阱宽LW ❖ 宽禁带材料厚度为垒宽LB