MOF/半导体异质结的构建及其光催化性能研究金属-有机框架材料(Metal-Organic Frameworks,MOFs),也表示为多孔配位聚合物(PCP),是一类由金属离子/团簇和有机配体通过配位键自组装组成周期性的、网络结构的、多孔性的固态晶体材料。这类材料由于其高孔隙率、规则和可
调的孔结构以及高比表面积等特殊的物理化学性质,已引起人们对其在选择性气体吸附分离,储氢,化学传感,多相催化,和药物输送等方面广泛的关注。
MOFs的次级结构单元是金属氧簇结构,能表现出类似半导体的行为,因此近年来其在光催化领域中引起了广大科研人员的广泛关注。其在光生电子空穴的的有效分离上具有独特的优势,但存在带隙较宽等缺陷。
因此,本论文在MOFs片和W18O49纳米线的合成基础上,设计构建了2种MOFs/半导体异质结及其复合材料,用于光催化研究。具体研究内容如下:1)在Cd-MOF纳米片合成的基础上,采用原位硫化的方法,温和条件下,制备了
CdS/Cd-MOF二元异质结构复合材料,并应用于光催化制氢。
实验结果表明,由于独特的异质结构和高效的电荷分离效率以及传输特
性,CdS/Cd-MOF纳米片在没有额外的Pt助催化剂负载的情况下,在可见光照射(λ>420nm)下,产氢速率高达4927μmol-1g-1,是纯CdS纳米粒子的25倍。同时,具有出色的稳定性和可再循环性。
反应20h后,其产氢速率没有显著下降。这种原位构建二元片状光催化剂的
方法,为设计合成先进的2D复合催化材料开辟了新的途径。
2)首先通过溶剂热法成功制备了具有高纵横比的W18049纳米线,再通过表面活性剂修饰的方法,将溶剂热法合成的W18049纳米线表面用聚乙烯吡咯烷酮(PVP)进行改性,在纳米线表面均匀生长尺寸约为20nm的金属有机框架
Uio-66(NH2),得到了结构新颖的一维W18O49@Zr-MOF
核-壳结构。此外,通过控制金属离子的量,可调控纳米线壳层(Zr-MOF)的厚度和间隙长度。
壳层Uio-66(NH2)是一种亲水的多孔材料,可以有效富集污水中的六价Cr。
的异质结可促进电子与空穴的分离,二者的协同作用,对水中的W18O49@Zr-MOF
六价Cr具有较强的富集与光催化还原降解性能。
实验结果表明,与单一组分的W18049纳米线和纯Zr-MOF相比,复合结构的W18O49@Zr-MOF
有着显著提高的光催化还原Cr(VI)的能力。这种新型的核-壳结构在污水治理,储能,药物传送等领域也存在着潜在的应用。
异质结发展现状及原理 pn结是组成集成电路的主要细胞。50年代pn结晶体管的发明和其后的发展奠定了这一划时代的技术革命的基础。pn结是在一块半导体单晶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(例如锗、硅及砷化镓等)，所以称之为“同质结”。如果把两种不同的半导体材料做成一块单晶，就称之为“异质结“。结两边的导电类型由掺杂来控制，掺杂类型相同的为“同型异质结”。掺杂类型不同的称为“异型异质结”。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。 1 异质结器件的发展过程 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,肖克莱、巴丁和布拉顿三人发明点接触晶体管。1956年三人因为发明晶体管对科学所做的杰出贡献,共同获得了科学技术界的最高荣誉——诺贝尔物理学奖。 1949年肖克莱提出pn结理论,以此研究pn结的物理性质和晶体管的放大作用,这就是著名的晶体管放大效应。由于技术条件的限制,当时未能制成pn结型晶体管,直到1950年才试制出第一个pn结型晶体管。这种晶体管成功地克服了点接触型晶体管不稳定、噪声大、信号放大倍数小的缺点。 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联的约飞研究所都宣布做成了双异质结激光器。 1968年美国的贝尔实验室和RCA公司以及联的约飞研究所都宣布做成了GaAs—AlxGal—。As双异质结激光器l；人5)．他们选择了晶格失配很小的多元合金区溶体做异质结对． 在70年代里，异质结的生长工艺技术取得了十分巨大的进展．液相夕随(LPE)、气相外延(VPE)、金属有机化学气相沉积(MO—CVD)和分子束外延(MBE)等先进的材料生长方法相继出现，因而使异质结的生长日趋完善。分子束外延不
突破：二维半导体异质结研究获新进展 最近，中科院半导体所超晶格国家重点实验室博士生康俊，在李京波研究员、李树深院士和夏建白院士的研究团队中，与美国劳伦斯伯克利国家实验室(LBNL)汪林望博士研究组合作，在二维半导体异质结的基础研究中取得新进展。相关成果发表在2013年9月30日美国化学学会主办的《纳米快报》(NanoLetters)上。 半导体异质结是由不同半导体材料接触形成的结构。由于构成异质结的两种半导体材料拥有不同的禁带宽度、电子亲和能、介电常数、吸收系数等物理参数，异质结将表现出许多不同于单一半导体材料的性质。在传统半导体领域，以半导体异质结为核心制作的电子器件，如光电探测器、发光二极管、太阳能电池、激光器等，往往拥有比单一半导体材料制作的同类器件更加优越的性能。近年来，以二维二硫化钼(MoS2)、二硒化钼(MoSe2)为代表的新型二维半导体材料迅速成为材料科学领域的研究前沿。这类半导体的厚度仅为数个原子，并且有望成为新一代电子器件的二维平台。将不同的二维半导体层堆积起来便形成了二维半导体异质结，而这类异质结中的新奇物理现象也成为了目前国际纳米科学研究的一个焦点。 在这种背景下，半导体所与LBNL的研究小组应用第一性原理计算，研究了二维MoS2/MoSe2异质结的结构和电子性质。二维MoS2和MoSe2单层存在4.4%的晶格失配。通过对应变能和结合能的计算发现，它们之间范德瓦尔斯结合作用的强度不足以消除这一失配形成晶格匹配的异质结，而是形成一种被称为莫氏图样(MoiréPattern)的结构。在莫氏图样中，不同区域的MoS2和MoSe2的堆积方式也不同，进而导致不同区域的层间耦合作用及静电势不同，这将会对异质结的电子结构产生显著影响。为了进一步探索莫氏图样
半导体物理50本书 1、半导体激光器基础633/Q003 (日)栖原敏明著科学出版社;共立出版2002.7 2、半导体异质结物理211/Y78虞丽生编著科学出版社1990.5 3、超高速光器件9/Z043 (日)斋藤富士郎著科学出版社;共立出版2002.7 4、半导体超晶格物理214/X26夏建白，朱邦芬著上海科学技术出版社1995 5、半导体器件:物理与工艺6/S52 (美)施敏(S.M.Sze)著科学出版社1992.5 6、材料科学与技术丛书.第16卷,半导体工艺5/K035(美)R.W.卡恩等主编科学出版社1999 7、光波导理论与技术95/L325李玉权,崔敏编著人民邮电出版社2002.12 8、半导体光学性质240.3/S44沈学础著科学出版社1992.6 9、半导体硅基材料及其光波导571.2/Z43赵策洲电子工业出版社1997 10半导体器件的材料物理学基础612/C49陈治明，王建农著科学出版社1999.5 11、半导体导波光学器件理论及技术666/Z43赵策洲著国防工业出版社1998.6
12、半导体光电子学631/H74黄德修编著电子科技大学出版社1989.9 13、分子束外延和异质结构523.4/Z33 <美>张立刚，<联邦德国>克劳斯·普洛格著复旦大学出版社1988.6 14、半导体超晶格材料及其应用211.1/K24康昌鹤，杨树人编著国防工业出版社1995.12 15、现代半导体器件物理612/S498 (美)施敏主编科学出版社2001.6 16、外延生长技术523.4/Y28杨树人国防工业出版社1992.7 17、半导体激光器633/J364江剑平编著电子工业出版社2000.2 18、半导体光谱和光学性质240.3/S44(2)沈学础著科学出版社2002 19、超高速化合物半导体器件572/X54谢永桂主编宇航出版社1998.7 20、半导体器件物理612/Y75余秉才，姚杰编著中山大学出版社1989.6 21、半导体激光器原理633/D807杜宝勋著兵器工业出版社2001.6 22、电子薄膜科学524/D77 <美>杜经宁等著科学出版社1997.2 23、半导体超晶格─材料与应用211.1/H75黄和鸾，郭丽伟编著辽宁大学出版社1992.6 24、半导体激光器及其应用633/H827黄德修，刘雪峰编著国防
异质结发展概况 半导体异质结是由两种禁带宽度不同的半导体材料形成的结。两种材料禁带宽度的不同以及其他特性的不同使异质结具有一系列同质结所没有的特性，在器件设计中将实现某些同质结不能实现的功能。例如，在异质结晶体管中用宽带一侧做发射极将得到很高的注入比，因而可获得较高的放大倍数。 早在二十世纪三十年代初期，前苏联列宁格勒约飞技术物理研究所的学者们就开始了对半导体异质结的探索，到了1951年，由Gubanov首先提出了异质结的概念，并进行了一定的理论分析工作，但是由于工艺技术的困难，一直没有实际制成异质结。20世纪60年代初期，pn结晶体管取得了巨大的成功，人们开始关注对异质结的研究，对异质结的能带图、载流子在异质结中的输运过程以及异质结的光电特性等提出了各种理论模型并做了理论计算。但是由于制备工艺的原因，未能制备出非常理想的异质结，所以实验特性和理论特性未能达到一致，实验上也未能制备出功能较好的器件。在20世纪70年代里，异质结的生长工艺技术取得了十分巨大的进展。液相外延(LPE)、气相外延(VPE)、金属有机化学气相淀积(MO-CVD)和分子束外延(MBE)等先进的材料生长方法相继出现，使异质结的发展逐渐趋于完善。分子束外延技术不仅能生长出很完整的异质结界面，而且对异质结的组分、掺杂、各层厚度都能在原子量级的范围内进行精确控制。 工艺技术的进步促进了对异质结进一步深入研究，对异质结的宏观性质，如pn结特性、载流子输运过程、光电特性、能带图、结构缺陷、复合和发光等方面的问题，有了更细致的了解。这对异质结器件的原理和设计都有指导作用。在异质结器件方面，首先在异质结半导体激光器上取得了突破性进展。异质结的禁带宽度之差造成了势垒对注入载流子的限制作用和高注入比特性，都有助于实现粒子数反转分布。两种材料折射率的不同，有助于实现光波导，以减少光在谐振腔以外的损失，因而异质结激光器能在室温下实现连续工作。 1968年江崎和朱兆祥提出了超晶格的思想，自此，对异质结超晶格的研究也逐步深化。目前，已有多种异质结对做成了超晶格结构，并对他们的电学、光学及输运特性进行了广泛的理论和实验研究。近几年，对异质
9金属半导体与半导体异质结 一、肖特基势垒二极管 欧姆接触：通过金属-半导体的接触实现的连接。接触电阻很低。 金属与半导体接触时，在未接触时，半导体的费米能级高于金属的费米能级，接触后，半导体的电子流向金属，使得金属的费米能级上升。之间形成势垒为肖特基势垒。 在金属与半导体接触处，场强达到最大值，由于金属中场强为零，所以在金属——半导体结的金属区中存在表面负电荷。 影响肖特基势垒高度的非理想因素：肖特基效应的影响，即势垒的镜像力降低效应。金属中的电子镜像到半导体中的空穴使得半导体的费米能级程下降曲线。附图：
电流——电压关系：金属半导体结中的电流运输机制不同于pn结的少数载流子的扩散运动决定电流，而是取决于多数载流子通过热电子发射跃迁过内建电势差形成。附肖特基势垒二极管加反偏电压时的I-V曲线：反向电流随反偏电压增大而增大是由于势垒降低的影响。 肖特基势垒二极管与Pn结二极管的比较：1.反向饱和电流密度（同上），有效开启电压低于Pn结二极管的有效开启电压。2.开关特性肖特基二极管更好。应为肖特基二极管是一个多子导电器件，加正向偏压时不会产生扩散电容。从正偏到反偏时也不存在像Pn结器件的少数载流子存储效应。 二、金属-半导体的欧姆接触
附金属分别与N型p型半导体接触的能带示意图 三、异质结：两种不同的半导体形成一个结 小结：1.当在金属与半导体之间加一个正向电压时，半导体与金属之间的势垒高度降低，电子很容易从半导体流向金属，称为热电子发射。
2.肖特基二极管的反向饱和电流比pn结的大，因此达到相同电流时，肖特基二极管所需的反偏电压要低。 10双极型晶体管 双极型晶体管有三个掺杂不同的扩散区和两个Pn结，两个结很近所以之间可以互相作用。之所以成为双极型晶体管，是应为这种器件中包含电子和空穴两种极性不同的载流子运动。 一、工作原理 附npn型和pnp型的结构图 发射区掺杂浓度最高，集电区掺杂浓度最低
摘要：本文介绍了有关异质结和半导体激光器的技术及其研究进展,首先简要介绍了异质结器件的历史发展过程,第二部分介绍了半导体激光器发展过程与应用,最终以半导体激光器为例,展望激光器和异质结技术发展方向。 关键词：异质结，激光器 Abstract: The paper is a review of technique and recent progress about heterojunction and LD. Above all the history of development progress of heterojunction were introduced .Secondly it’s about the development and application of LD. Finally take LD for example, prospected the development direction of heterojunction and LD. Key words:heterojunction, laser 引言 半导体的核心是pn结,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”。如果结两边是用不同的材料制成,就称为“异质结”。异质结相对于同质结来说有许多优良的特性，特别是在半导体激光器方面有的得天独厚的优势。 第一章异质结的发展历程 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。然而，随着无线移动通信、GPS、雷达及高速数据处理系统的飞速发展以及全球范围的军事及空间技术走向民用，对器件和电路的性能，如频率特性、噪声特性、封装面积、功耗和成本等提出了更高的要求[1]。在20 世纪60 年代初期，当pn结晶体管刚刚取得巨大成功的时候，人们就开始了对半导体异质结的研究。相对于同质结，异质结器件会有一些独特的功能：比如，在异质结晶体管中用宽带一侧做发射极会得到很高的注入比，因而可以获得较高的放大倍数。还有，如果在异质结中两种材料的过渡是渐变的，则禁带宽度的渐变就相当于存在一个等效的电场，使载流子的渡越时间减小，器件的响应速度增加等等。 但是实验上很难得到非常理想的异质结，由于组成异质结的两种材料晶格常数不同，当他们长成同一块单晶时，晶格的周期性在界面附近发生畸变，晶格畸变形成大量位错和缺陷，除了这种由材料本身固有性质决定的缺陷以外，生长工艺上的不完善还会引进更多的附加缺陷。这些界面上的位错缺陷将成为少子的复合中心。早期生长的异质结中因为界面缺陷太多，无法实现少子注入功能，因而不能做出性能良好的异质结。到了20世纪70年代,随着液相外延(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，有利于异质结物理研究的深入开展，极大地促进了异质结器件和电路的快速发展[4]。自从1969年江崎和朱兆祥提出半导体超晶格的概念以来，“能带工程”愈来愈受到人们的重视，因为通过对不同材料能带的裁剪组合，利用异质结的能带突变和具有纳米尺度低维系统(二维、一维或零维)的量子限制效应，可以制作出性能优异的微波、超高速器件、电路及光电子器件。异质结构材料和器件的研究为大幅度提高器件和电路性能开辟了一条新的道路，并已成为“能带工程”的重要内容[2]。 目前的研究主要集中在①电子器件：制备开关器件、整流器件、场效应晶体管、异质结双极晶体管(HBT)和HEMT(High electron mobility transistor)②制备新型的发光设备取代传统光源如白光LED、制备异质结发光二极管③制备异质结激光器④制备太阳能电池⑤超晶格和多量子阱器件[3]。尤其是量子阱超晶格器件由于它优异的性能成为了目前半导体器件的研究热点。
半导体材料的历史现状及研究进展(精)
半导体材料的研究进展 摘要:随着全球科技的快速发展,当今世界已经进入了信息时代,作为信息领域的命脉,光电子技术和微电子技术无疑成为了科技发展的焦点。半导体材料凭借着自身的性能特点也在迅速地扩大着它的使用领域。本文重点对半导体材料的发展历程、性能、种类和主要的半导体材料进行了讨论,并对半导体硅材料应用概况及其发展趋势作了概述。 关键词:半导体材料、性能、种类、应用概况、发展趋势 一、半导体材料的发展历程 半导体材料从发现到发展,从使用到创新,拥有这一段长久的历史。宰二十世纪初,就曾出现过点接触矿石检波器。1930年,氧化亚铜整流器制造成功并得到广泛应用,是半导体材料开始受到重视。1947年锗点接触三极管制成,成为半导体的研究成果的重大突破。50年代末,薄膜生长激素的开发和集成电路的发明,是的微电子技术得到进一步发展。60年代,砷化镓材料制成半导体激光器,固溶体半导体此阿里奥在红外线方面的研究发展,半导体材料的应用得到扩展。1969年超晶格概念的提出和超晶格量子阱的研制成功,是的半导体器件的设计与制造从杂志工程发展到能带工程,将半导体材料的研究和应用推向了一个新的领域。90年代以来随着移动通信技术的飞速发展,砷化镓和磷化烟等半导体材料成为焦点,用于制作高速高频大功率激发光电子器件等;近些年,新型半导体材料的研究得到突破,以氮化镓为代表的先进半导体材料开始体现出超强优越性,被称为IT产业的新发动机。 新型半导体材料的研究和突破,常常导致新的技术革命和新兴产业的发展.以氮化镓为代表的第三代半导体材料,是继第一代半导体材料(以硅基半导体为代表和第二代半导体材料(以砷化镓和磷化铟为代表之后,在近10年发展起来的新型宽带半导体材料.作为第一代半导体材料,硅基半导体材料及其集成电路的发展导致了微型计算机的出现和整个计算机产业的飞跃,并广泛应用于信息处理、自动控制等领域,对人类社会的发展起了极大的促进作用.硅基半导体材料虽然在微电子领域得到广泛应用,但硅材料本身间接能带结构的特点限制了其在光电子领域的应用.随着以光通
异质结 半导体异质结构一般是由两层以上不同材料所组成，它们各具不同的能带隙。这些材料可以是GaAs 之类的化合物，也可以是Si-Ge之类的半导体合金。按异质结中两种材料导带和价带的对准情况可以把异质结分为Ⅰ型异质结和Ⅱ型异质结两种，两种异质结的能带结构如图1所示。 如图1(a)所示，I型异质结的能带结构是嵌套式对准的,窄带材料的导带底和价带顶都位于宽带材料的禁带中，ΔEc和ΔEv的符号相反，GaAlAs/GaAs和InGaAsP/InP都属于这一种。在Ⅱ型异质结中，ΔEc和ΔEv的符号相同。具体又可以分为两种:一种如图1(b)所示的交错式对准，窄带材料的导带底位于宽带材料的禁带中，窄带材料的价带顶位于宽带材料的价带中。另一种如图1(c)所示窄带材料的导带底和价带顶都位于宽带材料的价带中［14］。 Ⅱ型异质结的基本特性是在交界面附近电子和空穴空间的分隔和在自洽量子阱中的局域化。由于在界面附近波函数的交叠，导致光学矩阵元的减少，从而使辐射寿命加长，激子束缚能减少。由于光强和外加电场会强烈影响Ⅱ型异质结的特性，使得与Ⅰ型异质结相比，Ⅱ型异质结表现出不寻常的载流子的动力学和复合特性，从而影响其电学、光学和光电特性及其器件的参数。 在Ⅰ型异质结中能级的偏差量具有不同的符号，电子和空穴是在界面的同一侧（窄带材料一侧）由受热离化而产生的。这种情况下只有一种载流子被束缚在量子阱中（n-N结构中的电子，p-P结构中的空穴）。Ⅱ型异质结能级的偏差量具有相同的符号，电子和空穴是在界面的不同侧由受热离化而产生的。两种载流子被束缚在自洽的量子阱中，因此在Ⅰ型异质结中载流子复合发生在窄带材料一侧，Ⅱ型异质结中载流子复合主要是借助界面的隧道而不是窄带材料一侧。 不同半导体的能隙宽度可根据使用的要求做适当调整，办法可以是取代半导体元素(例如，用In或者Al代替Ga，用P、Sb或N代替As)，也可以通过改变合金的成分。有多种方法可用于形成不同半导体层之间的突变界面，例如分子束外延法(MBE)和金属有机化学沉积法(MOCVD)。运用这些方法在基片上会有一层一层的原子以适当的晶格常数向外生长。异质结构对科学有重大影响，是高频晶体管和光电子器件的关键成分。
第二章半导体异质结构物理§2.1 半导体异质结构的能带排列 §2.2 半导体异质结构的伏安特性 §2.3 半导体异质结构的电子器件
第二章半导体异质结构物理§2.1 半导体异质结构的能带排列 §2.2 半导体异质结构的伏安特性 §2.3 半导体异质结构的电子器件
§2.1 半导体异质结构的能带排列2.1.1半导体异质结构的发展简史211 2.1.2半导体异质结构的晶格失配2.1.3半导体异质结构的能带排列
瑞典皇家科学院2000年10月10日宣布，将本年度诺贝尔物理学奖授予给阿尔费罗夫(Zhores I. Alferov)、()(y) 克勒默(Herbert Kroemer)和基尔比(Jack S. Kilby)三人，以表彰他们为现代信息技术，特别是他们发明的高速晶体管、激光二极管和集成电路芯片所作出的奠基性晶体管激光二极管和集成电路芯片所作出的奠基性的贡献。基尔比是由于发明并发展了集成电路技术而获奖，阿尔费罗夫和克勒默则是由于他们在半导体异获奖阿尔费夫 质结及其在电子和光电子学中的应用方面的突出贡献而获奖。
?1957年，克勒默就预言异质结构有着比同质结大的注入效率，同时对异质结在太阳能电池中的应用也提出了许多有益的构想。 1963年前后，苏联学者阿尔费罗夫和美国的克勒默独立地提出基于双?年前后苏联学者阿尔费罗夫和美国的克勒默独立地提出基于双异质结构激光器的概念。阿尔费罗夫利用双注入获得高密度的载流子注入和反转粒子数密度的可行性。 ?1970年，阿尔费罗夫小组和美国贝尔实验室的哈亚斯(I. Hayashi)和潘(M B Panish) 尼斯(M. B. Panish)等发表了激动人心的以异质结为基础的半导体激光器室温连续激射，这也是半导体激光器的第二个里程碑。 其后美国、苏联、英国、日本以及巴西、波兰和中国在内的许多大学?其后美国苏联英国日本以及巴西波兰和中国在内的许多大学和研究所都开展了异质结和III-V族化合物电子和光电子器件的研究热潮 潮。
1异质结的理想能带结构 先不考虑界面态的影响来讨论异质结的理想能带图。 (1)异质结的形成 当两种不同导电类型的不同半导体材料构成异质结时，由于半导体的能带结构包括费米能级以及载流予浓度的不同，在不同半导体之间会发生载流子的扩散、转移，直到费米能级拉平，这样就形成了势垒。此时的异质结处于热平衡状态，如图1．2所示(n型的禁带宽度比p型的大)。与此同时，在两种半导体材料交界面的两边形成了空间电荷区(即势垒区或耗尽区)。n型半导体一边为正空间电荷区，p型半导体一边为负空间电荷区，由于不考虑界面态，所以在势垒区中正空间电荷数等于负空间电荷数。正、负空间电荷问产生电场，也称为内建电场，方向n—p，使结区的能带发生弯曲。 由于组成异质结的两种半导体材料的介电常数不同，各自禁带宽度不同，因而内建电场在交界面是不连续的，导带和价带在界面处不连续，界面两边的导带出现明显的“尖峰”和“尖谷”，价带出现断续，如图1．2所示。这是异质结与同质结明显不同之处。 （2）不同导电类型和禁带宽度构成的异质结 由两种半导体材料(导电类型和禁带宽度不同)构成的异质结，其能带结构有四种不同的类型(图1．3)。 在异质结器件中我们首先关心的是少子的运动。因为在这种“p窄n宽”的异质结中图l.3(a)，导带底在交界面处的突变△Ee对P区中的电子向n区的运动起势垒的作用，所以对电子的输运影响较大。而价带虽然也有一个断续，但它对n区中的空穴向p区运动没有明显的影响，～般情况下可以不加考虑。 反之，对于“p宽n窄”的异质结[图1．3(d)]，情况正好相反，界面两边的价带出现明显的“尖峰”和“尖谷”，
所以对空穴的输运影响较大。导带出现断续，但它对p区的电子向n区运动也没有明显的影响。同型异质结也同样存在“尖峰”和“尖谷”[图1．3(b)、(c)]。异质结内尖峰的存在阻止了电子的输运，这就是所谓的“载流予的限制作用”。 （3）各自掺杂浓度来决定尖峰在势垒区中的位置 尖峰的位置处于势垒上的什么位置将由两边材料的相对掺杂浓度来决定。可能出现几种情况(图1．4示)：（a）当宽带掺杂比窄带少得多时，势垒主要落在宽带区，尖峰靠近势垒的项部；(b)两边掺杂差不多时，势垒尖峰在平衡时并不露出P区的导带底，但在有正向外加电压时有可能影晌载流子的输运；(c)窄带掺杂比宽带少得多时势垒主要降在窄带区，尖峰靠近势垒的根部。
《异质结原理与器件》 期末论文 题目异质结理论与半导体激光器的发展现状与趋势 班级光信息1102 姓名杨星 学号 20112827 完成日期 2013年12月9日 成绩
摘要：本文介绍了有关异质结和半导体激光器的技术及其研究进展,首先简要介绍了异质结器件的历史发展过程,第二部分介绍了半导体激光器发展过程与应用,最终以半导体激光器为例,展望激光器和异质结技术发展方向。 关键词：异质结，激光器 引言： 半导体的核心是pn结,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”。如果结两边是用不同的材料制成,就称为“异质结”。异质结相对于同质结来说有许多优良的特性，特别是在半导体激光器方面有的得天独厚的优势。 一、异质结的发展历程 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。然而，随着无线移动通信、GPS、雷达及高速数据处理系统的飞速发展以及全球范围的军事及空间技术走向民用，对器件和电路的性能，如频率特性、噪声特性、封装面积、功耗和成本等提出了更高的要求[1]。在20 世纪60 年代初期，当pn结晶体管刚刚取得巨大成功的时候，人们就开始了对半导体异质结的研究。相对于同质结，异质结器件会有一些独特的功能：比如，在异质结晶体管中用宽带一侧做发射极会得到很高的
注入比，因而可以获得较高的放大倍数。还有，如果在异质结中两种材料的过渡是渐变的，则禁带宽度的渐变就相当于存在一个等效的电场，使载流子的渡越时间减小，器件的响应速度增加等等。 但是实验上很难得到非常理想的异质结，由于组成异质结的两种材料晶格常数不同，当他们长成同一块单晶时，晶格的周期性在界面附近发生畸变，晶格畸变形成大量位错和缺陷，除了这种由材料本身固有性质决定的缺陷以外，生长工艺上的不完善还会引进更多的附加缺陷。这些界面上的位错缺陷将成为少子的复合中心。早期生长的异质结中因为界面缺陷太多，无法实现少子注入功能，因而不能做出性能良好的异质结。到了20世纪70年代,随着液相外延(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，有利于异质结物理研究的深入开展，极大地促进了异质结器件和电路的快速发展[4]。自从1969年江崎和朱兆祥提出半导体超晶格的概念以来，“能带工程”愈来愈受到人们的重视，因为通过对不同材料能带的裁剪组合，利用异质结的能带突变和具有纳米尺度低维系统(二维、一维或零维)的量子限制效应，可以制作出性能优异的微波、超高速器件、电路及光电子器件。异质结构材料和器件的研究为大幅度提高器件和电路性能开辟了一条新的道路，并已成为“能带工程”的重要内容[2]。 目前的研究主要集中在①电子器件：制备开关器件、整流器件、场效应晶体管、异质结双极晶体管(HBT)和HEMT(High electron mobility transistor)②制备新型的发光设备取代传统光源如白光
1.太阳能电池在光学设计优化中主要采取的措施。 A.在电池表面镀上减反射膜； B.增加电池厚度以提高吸收； C.表面制绒； D.通过表面制绒与光陷阱的结合来增加电池中的光径长度； 2.名词解释: 弗伦克尔缺陷：弗伦克尔缺陷是指原子离开其平衡位置而进入附近的间隙位置，在原来的位置上留下空位所形成的缺陷。其特点是填隙原子与空位总是成对出现。 光生伏特效应 反型异质结光谱响应的窗口效应：对于反型异质结，光从宽带隙材料表面入射并且垂直结平面。高能量的光子被宽带隙材料吸收，低能量的光子穿过宽带材料并且在界面附近被窄带材料吸收。 自发辐射：在高能级E2的电子是不稳定的，即使没有外界的作用，也会自动地跃迁到低能级E1上与空穴复合，释放的能量转换为光子辐射出去 受激辐射：在高能级E2的电子，受到入射光的作用，被迫跃迁到低能级E1上与穴复合，释放的能量产生光辐射 反向饱和电流：在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关 相干光：频率、相位、偏振态和传播方向与入射光相同 非相千光：其频率和方向分布在一定范围内，相位和偏振态是混乱的 2.PN异质结可能存在的几种主要的电流输运机构。 A.扩散（发射）模型； B.简单隧道模型； C.界面复合模型； D.隧道复合模型； E.界面—隧道复合模型； 4.电子跃迁的基本方式。 A.带间跃迁 B.经由杂质或缺陷的跃迁 C.热载流子的带间跃迁 5.突变反型异质结的扩散模型要满足的四个条件。 A.突变耗尽条件：电势集中在空间电荷区，注入的少数载流子在空间电荷区之外是纯扩散运动； B.波尔兹曼边界条件：载流子分布在空间电荷区之外满足波尔兹曼统计分布； C.小注入条件：注入的少数载流子浓度比平衡多数载流子浓度小得多； D.忽略载流子在空间电荷区的产生和复合。 6、半导体激光器的工作原理 向半导体PN 结注入电流，实现离子数反转分布，产生受激辐射，再利用谐振腔的正反馈，实现光放大而产生激光振荡。 半导体发光二极管的工作原理 给发光二极管加上正向电压后，从P区到N 区的空穴和N区注入到P区的电子，在PN结附近数微米分别与N区的电子和P区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。 太阳能电池的工作原理：
2008年博士生入学“半导体异质结物理”试题（闭卷） 导师：王占国 1、举例说明什么是同质外延，什么是异质外延，什么是应变异质外延？画出理想的同质和异质PN 结的能带示意图，比较其不同，其中异质PN 结的N 区为宽带隙半导体材料。 （20分） 2、下图中显示的是InP 衬底上生长一层InAlAs 外延层的样品的X 射线双晶衍射(004)曲线。横坐标(2θ)是衍射射线与入射射线的夹角，纵坐标是衍射射线强度。（晶格常数：InP －5.8688?，InAs －6.0584?，AlAs －5.6612?；(004)衍射公式：2?d ?sin(θ)=4λ ） （20分） (1)请说明两个主峰的来源（分别对应于哪一层）； (2)根据两个主峰的峰位数据和有关晶格常数的数值，计算InAlAs 层中In 、Al 的相对组分含量； (3)试分析众多小峰的来源，由此能得到样品的哪些结构信息及相应的数值？ I n t e n s i t y 2θ (deg) 3、考虑半导体导带底附近的电子在Z 方向上的运动受到宽度为a 的无限深势阱的限制，而在XY 平面内可以自由运动， (1) 试分析电子本征能量分布的特点；(2) 求出电子的状态密度g(E)，并用图形表示出来；(3) 当电子在X 、Y 和Z 方向上的运动都受到限制时，它的本
征能量和状态密度发生什么改变？（20分） 4、什么是半导体中的过剩载流子，它们是如何产生的？在外场撤消后，在半导 体异质结中过剩载流子可能通过哪几种复合机制恢复到平衡状态？可以通过哪些实验手段可以研究过剩载流子的特性？任举一个例子说明。（20分） 5、下述二题任选一题（20分） （1）简述宽带隙半导体材料氮化镓（GaN）和AlGaN/GaN异质结的物理特性及其可能的器件应用。 （2）半导体超晶格和多量子阱结构的差别是什么？超晶格的子带宽度与势垒厚度有关系吗，为什么？半导体超晶格和多量子阱结构各有哪 些主要的器件应用？
第4章半导体异质结 4.1 半导体异质结界面 4.2 半导体异质结的能带突变 4.3 半导体异质结的能带图 4.1 半导体异质结界面 半导体异质结概念 同质结（p-n结）：在同一块单晶材料上，由于掺杂的不同形成的两种导电类型不同的区域，区域的交接面就构成了同质结。 若形成异质结的两种材料都是半导体，则为半导体异质结。若一方为半导体一方为金属，则为金属－半导体接触，这包括Schottky结和欧姆接触。 1957年，德国物理学家赫伯特.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。1960年，Anderson制造了世界上第一个Ge－GaAs异质结。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，金属有机物化学气相沉积（MOCVD）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。 半导体异质结分类 1.根据半导体异质结的界面情况，可分为三种： （1）晶格匹配的异质结。300K时，如： Ge/GaAs(0.5658nm/0.5654nm) GaAs/AlGaAs（0.5654nm/0.5657nm）、 InAs/GaSb（0.6058nm/0.6095nm） （2）晶格不匹配的异质结 （3）合金界面异质结 2.根据过渡空间电荷分布情况及过渡区宽度的不同： （1）突变异质结：在不考虑界面态的情况下，从一种半导体材料向另一种半导体材料的过渡只发生于几个原子距离（≤1μm）范围内。 （2）缓变异质结：在不考虑界面态的情况下，从一种半导体材料向另一种半导体材料的过渡发生于几个扩散长度范围内。 3.根据构成异质结的两种半导体单晶材料的导电类型： （1）反型异质结：由导电类型相反的两种半导体单晶材料所形成的异质结。 如（p）GaAs－（n）AlGaAs （2）同型异质结：由导电类型相同的两种半导体单晶材料所形成的异质结。 如（n）GaAs－（n）AlGaAs 为了方便讨论两种不同带隙的半导体相接触所形成的异质结在使用符号上作了一些规定，用小写字母n和p表示窄禁带半导体的导电类型，用大写字母P和N表示宽带隙半导体导电类型。例如：p型窄带隙半导体GaAs和n型宽带隙半导体AlGaAs构成的异质结，p －N GaAs－AlGaAs，p型窄带隙半导体Ge和p型窄带隙半导体GaAs，p－p Ge－GaAs。另外，n－P GaAs－GaP，n－N Si－GaP
第一章 固体晶格结构 1．如图是金刚石结构晶胞，若a 是其晶格常数，则其原子密度是 。 2．所有晶体都有的一类缺陷是：原子的热振动，另外晶体中常的缺陷有点缺陷、线缺陷。 3．半导体的电阻率为10-3～109Ωcm 。 4．什么是晶体？晶体主要分几类？ 5．什么是掺杂？常用的掺杂方法有哪些？ 答：为了改变导电性而向半导体材料中加入杂质的技术称为掺杂。常用的掺杂方法有扩散和离子注入。 6．什么是替位杂质？什么是填隙杂质？ 7．什么是晶格？什么是原胞、晶胞？ 第二章 量子力学初步 1．量子力学的三个基本原理是三个基本原理能量量子化原理、波粒二相性原理、不确定原理。 2．什么是概率密度函数？ 3．描述原子中的电子的四个量子数是： 、 、 、 。 第三章 固体量子理论初步 1．能带的基本概念 ? 能带（energy band ）包括允带和禁带。 ? 允带（allowed band ）：允许电子能量存在的能量范围。 ? 禁带（forbidden band ）：不允许电子存在的能量范围。 ? 允带又分为空带、满带、导带、价带。 ? 空带（empty band ）：不被电子占据的允带。 ? 满带（filled band ）：允带中的能量状态（能级）均被电子占据。 导带：有电子能够参与导电的能带，但半导体材料价电子形成的高能级能带通常称为导带。 价带:由价电子形成的能带，但半导体材料价电子形成的低能级能带通常称为价带。 2．什么是漂移电流？ 漂移电流：漂移是指电子在电场的作用下的定向运动，电子的定向运动所产生的电流。 3．什么是电子的有效质量？ 晶格中运动的电子，在外力和内力作用下有： Ｆ总＝Ｆ外＋Ｆ内=ma, m 是粒子静止的质量。 Ｆ外=m*n a, m*n 称为电子的有效质量。 4．位于能带底的电子，其有效质量为正，位于能带顶电子，其有效质量为负。 5．在室温T=300K ， Si 的禁带宽度：Eg=1.12eV Ge 的禁带宽度：Eg=0.67eV GaAs 的禁带宽度：Eg=1.43eV Eg 具有负温度系数，即T 越大，Eg 越小； Eg 反应了，在相同温度下，Eg 越大，电子跃迁到导带的能力越弱。 6．在热平衡状态下，晶体中的电子在不同能量的量子态上统计分布几率是一定 的，电子遵循费米统计律，电子的费米分布函数是： 费米能级E F 和温度、半导体材料的导电类型、杂质的含量有关。处于热平衡状态的系统有统一的费米能级。 因此，在温度不很高时，能量大于费米能级的量子态基本没有被电子占据，而能量小于费米能级的量子态基本上为电子所占据；而电子占据费米能级的几率在各种温度下总是１/2. 费米能级标志了电子填充能级的水平，比E F 高的量子态，基本为空，而比E F 底的量子态基本上全被电子所占满.这样费米能级 E F 就成为量子态是否被电子占据的分界线： 1) 能量高于费米能级的量子态基本是空的； 2) 能量低于费米能级的量子态基本是满的； ) ex p(11 )(0T k E E E f F -+=
半导体物理与器件基础 知识 -CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN
9金属半导体与半导体异质结 一、肖特基势垒二极管 欧姆接触：通过金属-半导体的接触实现的连接。接触电阻很低。 金属与半导体接触时，在未接触时，半导体的费米能级高于金属的费米能级，接触后，半导体的电子流向金属，使得金属的费米能级上升。之间形成势垒为肖特基势垒。 在金属与半导体接触处，场强达到最大值，由于金属中场强为零，所以在金属——半导体结的金属区中存在表面负电荷。 影响肖特基势垒高度的非理想因素：肖特基效应的影响，即势垒的镜像力降低效应。金属中的电子镜像到半导体中的空穴使得半导体的费米能级程下降曲线。附图：
电流——电压关系：金属半导体结中的电流运输机制不同于pn结的少数载流子的扩散运动决定电流，而是取决于多数载流子通过热电子发射跃迁过内建电势差形成。附肖特基势垒二极管加反偏电压时的I-V曲线：反向电流随反偏电压增大而增大是由于势垒降低的影响。 肖特基势垒二极管与Pn结二极管的比较：1.反向饱和电流密度（同上），有效开启电压低于Pn结二极管的有效开启电压。2.开关特性肖特基二极管更好。应为肖特基二极管是一个多子导电器件，加正向偏压时不会产生扩散电容。从正偏到反偏时也不存在像Pn结器件的少数载流子存储效应。 二、金属-半导体的欧姆接触
附金属分别与N型p型半导体接触的能带示意图 三、异质结：两种不同的半导体形成一个结 小结：1.当在金属与半导体之间加一个正向电压时，半导体与金属之间的势垒高度降低，电子很容易从半导体流向金属，称为热电子发射。
异质结原理及对应的半导体发光机制 摘要本文以能带理论为基础，从P型半导体和N型半导体开始介绍了同质PN结的形成。但是同质PN结中电子带间跃迁产生的光子在很大程度上会被导电区再吸收，使光引出效率降低。于是引入了异质PN结，介绍了单异质PN结和双异质PN结的形成过程及异质PN结的发光机制。 关键词能带理论异质结发光机制 由于LED光源具有高效节能、环保、长寿以及体积小、发热度低、控制方便等特点，LED照明产业得到了快速的发展。LED发光效率是衡量LED性能的一项重要指标。LED发光效率=内量子效率芯片的出光效率。而LED的核心元件PN结决定了LED的内量子效率。因此研究发展具有高内量子效率的PN结对发展LED产业具有重要意义。相比于同质PN结，异质PN结具有更高的内量子效率。 1. 同质PN结 在一片本征半导体的两侧各掺以施主型（高价）和受主型（低 价）杂质，就构成一个P-N结。这时P型半导体一侧空穴的浓度较 大，而N型半导体一侧电子的浓度较大，因此N型中的电子向P型区扩散，P型中的电子向N型区扩散，结果在交界面两侧出现正负电荷的积累，在P型一边是负电，N型一边是正电。这些电荷在交界处形成一电偶层即P-N结，其厚度约为10-7 m。在P-N结内部形成存在着由N型指向P型的电场，起到阻碍电子和空穴继续扩散的作用，最后达到动态平衡。此时，因P-N结中存在电场，两半导体间存在着一定的电势差U0，电势自N型向P型递减。由于电势差U0 的存在，在分析半导体的能带结构时，必须把由该电势差引起的附加电子静电势能-e U0 考虑进去。因为P-N结中，P型一侧积累了较多的负电荷，N 型一侧积累了较多的正电荷，所以P型导带中的电子要比N型导带中的电子有较大的能量，这能量的差值为e U0 。如果原来两半导体的能带如Figure1（a）所示，则在P-N结处，能带发生弯曲，如 Figure1（b）所示。