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第九章半导体异质结结构 PPT

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第九章半导体异质结构

第九章半导体异质结构
第九章半导体异质结构
9.1 半导体异质结及其能带图
1 半导体异质结 两种不同半导体材料接触形成的结 反型异质结：由导电类型相反的两种不同的半导体 单晶材料所形成的异质结 如p-Ge和n-GaAs 记为p-nGe-GaAs 如p-nGe-Si, n-pGe-GaAs 同型异质结：导电类型相同的两种半导体材料所形 成的异质结 如n-nGe-Si, p-p Ge-GaAs ,p-pSi-GaP 一般把禁带宽度较小的半导体材料形成突变pn异质结之前的平衡能带图
∆EC = χ1 − χ 2 ∆EV + ∆EC = E g 2 − E g1 ∆EV = E g 2 − E g1 ) − ( χ1 − χ 2 ) （ qVD = qVD1 + qVD 2 = E F 1 − E F 2 VD = VD1 + VD 2
形成突变pn异质结之后的平衡能带图
由于p区和n区的电子亲和势和禁带宽度不同， 使异质结在界面处的能带突变，∆EC和∆EV的 出现将阻碍载流子通过界面，这种对载流子的 限制作用是同质结中所没有的。
p-nGe-GaAs异质结的平衡能带图

哈工大半导体物理课件第9章(精)

哈工大半导体物理课件第9章(精)
突变型异质结：转变区或过渡区小于等 于数个原子间距的异质结
缓变型异质结：转变区大于数个扩散长 度的异质结
2 异质结的能带图
突变异质结的研究比较成熟 异质结的能带图比同质结复杂（禁带宽
度，电子亲合能，功函数，介电常数和 晶格常数差异） 由于晶体结构和晶格常数不同，在异质 结结面上形成的界面态增加了复杂性
第9章 异质结 1 异质结的基本概念
异质结是由两种不同晶体材料形成的半导 体结
同型异质结：同种导电类型材料构成的异 质结（n-nGe-Si，p-pGe-GaAs） 反型异质结：相反导电类型材料构成的异 质结（p-nGe-GaAs）
异质结的形成条件：要有相近的晶体结构 和晶格常数。
突变型异质结和缓变型异质结
侧
的p型半导体和n型半导体中的内建电势差。
2 异质结的形成过程与同质结相似，与同 质结不同之处
（1）自建电场在界面处发生不连续 （2）能带在界面处不连续，能带在界面处的突变
形成“尖峰”和“凹口” 导带底突变
Ec 1 2
价带顶突变 Ev Eg 2 Eg1 (1 2 )
Ec Ev Eg 2 Eg1
对于晶格常数分别为a1,a2（a1<a2）两种材料 形成的异质结，两种材料界面上的键密度分别 为Ns1,Ns2，显然Ns1>Ns2，形成异质结后，晶 格常数小的材料表面出现部分未饱和键，形成 的界面态密度
Ns Ns1 Ns2
对于两种相同晶体结构材料形成的异质结，界 面态密度△Ns取决于晶格常数和晶面。
2 界面态的影响
界面态可以分为施主型界面态和受主型界面 态。施主型界面态施放电子后带上正电荷，使半 导体表面能带向下弯曲；受主型界面态施放空穴 之后带上负电荷，使半导体表面能带向上弯曲。 界面态对异质结能带的影响取决于界面态起什么 作用和起多大作用。

第九章半导体异质结课件

第九章半导体异质结课件

概述
由于电势的不连续以及禁带宽度的不一致，使得异质结界面附近的能 带产生突变，即产生了“尖峰” 、“凹口” (或下陷)一些与同质结不同的情 况，这些将严重地影响载流子的运动，使得异质结具有一些同质结所没有
的特性。
一、不考虑界面态
1、突变反型异质结
一个P型A材料和一个n型B材料形成的异质结。 A 、B两材料在未形成异质结前的热平衡能带图如下图所示：
Ⅲ- Ⅴ族氮化物： BN、GaN、InN、AlN 等六方晶系； 3、 Ⅱ- Ⅵ族半导体： CdTe、HgTe、ZnTe、ZnSe、CdS、ZnS、 CdS 等闪锌矿； 4、 Ⅱ- Ⅵ族半导体： PbTe、SnTe等NaCl结构(离子晶体)； 5、氧化物半导体： ZnO。
三、异质结的生长技术
1.液相外延技术(LPE) 2.汽相外延技术(VPE) 3.金属有机化学汽相沉积技术(MOCVD) 4.分子束外延技术(MBE)
一、 异质PN结的高注入比特性
人们针对不同的异质结构，提出了多种异质结伏安特性的模型，如： 扩散模型、热电子发射模型、隧道模型、发射-复合模型、隧道-复合模型、 扩散-发射模型等等。
利用扩散模型可以获得异质PN结的电子电流密度Jn和空穴电流密度Jp 的表达式，将Jn和Jp取比值得到异质结的注入比。
(a1 ，a2分别为两种半导体晶体的晶格常数)
突变异质结交界面处的悬挂键密度△Ns为两种材料在交界面处的悬挂键密度 之差。即 △Ns = NS1 - NS2
二、 计入界面态的影响
以金刚石结构为例：
以(111)晶面为交界面时，其悬挂键密度为：
以(110)晶面为交界面时，其悬挂键密度为：
以(100)晶面为交界面时，其悬挂键密度为：
二、 计入界面态的影响

《半导体物理学》【ch09】 半导体异质结构 教学课件

《半导体物理学》【ch09】 半导体异质结构 教学课件

半导体异质结及其能带图
01 半导体异质结的能带图
9. 1. 1 半导体异质结的能带图 在以上所用的符号中， 一般都把禁带宽度较小的半导体材料写在前面。 研究异质结的特性时， 异质结的能带图起着重要的作用。在不考虑两种半导体交界面处的界面态 的情况下，任何异质结的能带图都取决于形成异质结的两种半导体的电子亲和能、禁带宽度及功 函数， 但是其中的功函数是随杂质浓度的不同而变化的。 异质结也可以分为突变型异质结和缓变型异质结两种。如果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范围内，则称为突变型异质结。如果发生于几个扩散长度范围内， 则称为缓变型异质结。由于对于后者的研究工作不多，了解很少，因此下面以突变型异质结为例 来讨论异质结的能带图。
集成电路科学与工程系列教材
第九章
半导体异质结构
半导体物理学
半导体异质结构
导入
第6 章讨论的pn 结是由导电类型相反的同一种半导体单晶材料组成的，通常也称为同质结，而 由两种不同的半导体单晶材料组成的结则称为异质结。虽然早在1951 年就已经提出了异质结的 概念， 并进行了一定的理论分析工作，但是由于工艺技术存在困难， 一直没有实际制成异质结。 自1957 年克罗默指出由导电类型相反的两种不同的半导体单晶材料制成的异质结比同质结具有 更高的注入效率之后，异质结的研究才比较广泛地受到重视。
半导体异质结及其能带图
01 半导体异质结的能带图
9. 1. 1 半导体异质结的能带图
半导体异质结及其能带图
01 半导体异质结的能带图
9. 1. 1 半导体异质结的能带图 (2 ）突变同型异质结的能带图 图9-4(a）为均是n 型的两种不同的半导体材料形成m 异质结之前的平衡能带图；图9-4(b)为形成 异质结之后的平衡能带图。当这两种半导体材料紧密接触形成异质结时， 因为禁带宽度大的n 型 半导体的费米能级比禁带宽度小的n 型半导体的费米能级高，所以电子将从前者向后者流动。结 果在禁带宽度小的n 型半导体一边形成了电子的积累层，而另一边形成了耗尽层。这种情况和反 型异质结不同。对于反型异质结，两种半导体材料的交界面两边都成为耗尽层；而在同型异质结 中，一般必有一边成为积累层。式（9-4）、式（ 9-5）和式（ 9-6）在这种异质结中同样适用。 图9 5 为pp 异质结在热平衡状态时的平衡能带图，其情况与nn 异质结类似。

半导体物理第九章1

半导体物理第九章1

N N 1 2 A1 D 2
]1/ 2
T dV 2( N N )(V V )
2 D2
1 A1
D
VD为内建电势，V为偏置电压，正偏为正值，负偏为负值
掺杂浓度越大，势垒宽度越窄，势垒电容越大
C-V特性应用：
1

2( N 1 A1

N )(V
2 D2
D
V)
(C )2
qN N
E
C
1
2
qV qV QV E E 价带顶处:
D
D1
D2
F2
F1
W W
1
2
E (E E ) ( )
v
g2
g1
1
2
V V V
D
D1
D2
突变pN异质结后的热平衡能带图特点2
qV qV QV E E
D
D1
D2
F2
F1
W W
异质结器件的发展：
1948年肖克莱提出HBT概念和获得专利；1960年 制造成功第一个异质结；1969年实现异质结半导 体激光器； 1972年IBM实现HBT器件；1980实 现HEMT器件
异质结制作技术：外延技术—液相、气相、分 子束等。
分子束外延生长
主要内容：
§9.1 异质结及其能带图 §9.2 异质结的电流输运机构 §9.3 异质结在器件中的应用
形成突变pN异质结后的热平衡能带图
VD为接触电势差或内建电势差
qV qV qV E E
D
D1
D2
F2
F1
W W
1
2
V V V

第九章 异质结

第九章 异质结
第九章 异质结
由两种或两种以上不同半导体材料 接触形成的pn结。
1、分类 （1）导电类型
①反型异质结 p-n Ge-GaAs或 （p）Ge-（n）GaAs ②同型异质结 n-n Ge-GaAs或 （n）Ge-（n）GaAs ③双异质结
（n）Ga1-xAlxAs-（p）GaAs -(n） Ga1-xAlxAs （2）过渡区 ①突变结：过渡区小于1μm

分类： （1）成分超晶格 周期性改变薄层的成分而形成的超晶格。 （2）掺杂超晶格 周期性改变同一成分的各薄层中的掺杂类型 而形成的超晶格。（NIPI晶体）
b
b
c
c
z

子能带

l
χA WA
EFB
Δ Ev
E vB
3、异质结的应用 （1）提高少子的注射效率 npn晶体管

电子注射效率
jn jn j jn j p
n型宽禁带半导体和p型窄禁带半导体构成的异质结 正向偏压 主要是注入p型半导体中的电子电流 注入n型半导体中的空穴电流可忽略
p型宽禁带半导体和n型窄禁带半导体构成的异质结
②缓变结：过渡区大于1μm
（3）能带结构的不同
半金属
AlxGa1-xAs GaAs GaAs1-xSbx InxGa1-xAs GaSb
跨立型
错开型 电子空穴 分离
InAs
破隙型

2、异质结能带图 E0
χB WB E c
B
χA
EcA EFA E vA qVDA
qVD ΔEc qVDB χB
EcA EFA E vA
提高空穴注射效率
（2）调制掺杂技术提高载流子的迁移率 n
场效应管频率特性

第九章半导体异质结结构

第九章半导体异质结 结构
汇报人：XX
目录
• 异质结基本概念与特性 • 异质结制备技术与方法 • 异质结器件物理基础 • 异质结在光电器件中应用 • 异质结在微纳电子器件中应用 • 异质结性能优化与未来发展趋势
01
异质结基本概念与特性
异质结定义及分类
定义
由两种或两种以上不同半导体材料组 成的结，称为异质结。
异质结界面态与缺陷
界面态
异质结界面处存在悬挂键、界面电荷等界面态，对异质结的电学性能和稳定性 产生重要影响。
缺陷
异质结在制备过程中可能引入位错、层错等缺陷，影响异质结的晶体质量和电 学性能。
典型异质结材料及性质
Si-Ge异质结
具有高迁移率、低噪声等优点，广泛应用于高速 、高频电子器件。
GaAs-AlGaAs异质结
异质结发光二极管原理
通过异质结的能带结构和载流子限制作用，实现电子 和空穴的复合发光。
常见异质结发光二极管结构
如GaN基异质结发光二极管、量子点/有机物异质结发 光二极管等，具有高亮度、高色纯度等优点。
光电探测器中的异质结结构
异质结光电探测器原理
利用异质结的能带结构和内建电场，实现光 信号到电信号的转换。
和选择性。
MEMS器件
03
将异质结结构与MEMS技术相结合，实现微型化、集成化的生
物传感器件。
其他微纳电子器件中的异质结应用
光电探测器
利用异质结的能带结构和光电效应，实现高性能的光电转换。
太阳能电池
通过设计异质结的能级匹配和光吸收特性，提高太阳能电池的转 换效率。
热电转换器件
利用异质结的热电效应，实现热能和电能之间的转换。
04
异质结在光电器件中应用

第九章 半导体异质结


显然，这些悬挂键对半导体起补偿作用。
二、计入界面态的影响
1、界面态密度较小
无论是施主态还是受主态，都不影响异质结能带的基本形状和结构。 以PN异质结为例
Ec1 Eg1 ΔEc
Ec2
设：窄带区的空间电荷为Q1
宽带区的空间电荷为Q2 界面态上电荷为QIS
Ev1 ΔEv Eg2
Ev2 x1 x0 x2
x
δ1 ΔEv
B
Eg2
Ev2
下标为1的参数为禁带宽度小的半导体材料的物理参数； 下标为2的参数为禁带宽度大的半导体材料的物理参数。
一、不考虑界面态
形成异质结时，由于n型半导体（B材料）的费米能级高于P型半导体（A材
料），因此电子从n型半导体流向P型半导体，直到两块半导体具有统一的费米 能级。
由于电子与空穴的流动，在n型和P型半导体的交界面附近形成空了间电荷
二、计入界面态的影响
以金刚石结构为例：
以（111）晶面为交界面时，其悬挂键密度为：
4 a2 a1 N S 2 2 3 a1 a2
2
2
以（110）晶面为交界面时，其悬挂键密度为：
4 a2 a1 N S 2 2 2 a1 a2
2
2
以（100）晶面为交界面时，其悬挂键密度为：
第 九 章
半导体异质结的组成与生长
第九章 Part 1 9.1 半导体异质结的一般性质 9.2 半导体异质结的能带结构
9.3 异质PN结的注入特性
9.4 理想突变异质结的伏安特性
9.1 半导体异质结的一般性质
由两种不同的半导体单晶材料形成的PN结称为异质结。 1951年由Gubanov首先提出了异质结的概念； 1957年克罗默得到了“导电类型相反的两种不同的半导 体单晶材料制成的异质结，比同质结具有更高的注入效率。

第9章 金属半导体和半导体异质结

➢ 电子亲q和m 能χ。eχ是q半 导体q导Vbi带 底q(与m 真s空) 能级的差qs值。
q B q(m )
3
q(m )
EF
高等半导体物理与器件
当金属与金属半导体紧密接触时，两种半体导不同材料EV的费米能级在热平
衡时应相同，此外，真空能级也必须连续。这两项要求决定了
(a) 热平衡情形下，一独立金属靠近一独立 n 型半导体的能带图
1
两种器件的输运机制不同：肖特基二极管-多数载流子通过热电
子发射跃过内建电势差，pn结二极管-少数载流子扩散运动。
J sT
AT
2
exp
eBn
kT
Js
eDp pn0 Lp
eDnnp0 Ln
• 两者间有两点重要区别：第一是反向饱和电流密度的数量级。
①肖特基二极管的理想反向饱和电流值比pn结大好几个数量级。
• 肖特基二极管电流主要取决于多数载流子流动。
2
高等半导体物理与器件
（1）性质上的特征
真空能级
em
EF
e e B0
es
Ec EF
金属
Ev 半导体
(a)热平衡情形下，一独立金属靠近一独立 n 型半导体的能带图
➢ 真空能级作为参考能级。
➢ 功函数为费米能级和真空能级之差。金属功函数m，半导体
功函数s。此处，m>s。
匹配。
18
高等半导体物理与器件
（2）能带图
• 根据带隙能量的关系，异质结有3种可能：跨骑（图 (a)）、交错（图(b)）、错层（图(c)）。
• 根据掺杂类型的不同，有4种基本类型的异质结：
– 反型异质结：掺杂类型变化，例nP结、Np结 – 同型异质结：掺杂类型相同，例nN结、pP结 – 其中，大写字母表示较宽带隙的材料

半导体物理异质结解析PPT课件

第13页/共30页
界面量子阱中二维电子气的势阱和状态密度
第14页/共30页
电子的能量：
二维电子气的状态密度
k空间原胞的面积：
k空间k-k+dk圆环的面积： E-k关系： 状态密度：
第15页/共30页
低维半导体材料及其状态密度
Bulk
QW
QD
3D
2D
0D
DD((EE))
DD((EE))
D(E)
E
• qVD = qVD1 + qVD2 = EF2 - EF1 = W1 - W2
半导体物理学
第7章 金第属4页和/半共导30体页的接触
SCNU 光电学院
4
突变反型异质结的能带特征
• n型半导体的能带弯曲量为qV2，且导带底在交界面处形成一个向
上的“尖峰”。
• p型半导体的能带弯曲量为qV1，且导带底在交界面处形成一个向
第2页/共30页
pn结的能带图
qVD E Fn EFp
第3页/共30页
突变反型异质结的能带图
• 形成异质结时电子从n型半导体流向p型半导体，空穴的流动方向相反。
• 达到平衡时，两块半导体具有统一的费米能级。
• 在异质结界面的两边形成空间电荷区，产生内建电场和附加电势能，使 空间电荷区中的能带发生弯曲。
EE
EE
Modification of density of states by confining carriers
第16页/共30页
双异质结间的单量子阱结构
第17页/共30页
双异质结间的单量子阱结构
势阱形状： 波函数分离变量： 波函数分离变量： 薛定谔方程：
第18页/共30页
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Ns
4
2

a22 a12 a12a22

(9-9)
同理（110）晶面，悬挂键密度为
Ns
4

a22 a12 a12a22

(9-10)
应用以上公式，计算得Ge-GaAs异质结的悬挂键密度如表
9-3所示
根据表面能级理论计算求得，当金刚石结构的晶体表面能 级密度在1013cm-2以上时，在表面处的费米能级位于禁带 宽度的1/3处，如图9-8所示。 对于n型半导体，悬挂键起受主作用， 因此表面能级向上弯曲。对于p型半 导体悬挂键起施主作用，因此表面 能级向下弯曲。对与异质结来说， 当悬挂键起施主作用时，则pn、np 、pp异质结的能带图如9-9中的（a）、（b）、（c）所示
从图中看到有两块半导体材料的交界面即附近的能带可反 应出两个特点：1.能带发生了弯曲。2.能带再交界面处不 连续，有一个突变。
两种半导体的导带底在交界面的处突变Ec为
Ec 1 2
(9-4)
而价带顶的突变Ev 为
Ev Eg2 Eg1 1 2
(9-5)
第九章 半导体异质结结构
以前讨论的pn结，是由导电类型相反的同一种半导体单晶 体材料组成的，通常也称为同质结。而两种不同的半导体 材料组成的结，则称为异质结。
本章主要讨论半导体异质结的能带结构、异质pn结的电流 电压特性与注入特性及各种半导体量子阱结构及其电子能 态，并简单介绍一些应用。
§9.1 半导体异质结结构及其能带图
9.1.1 半导体异质结的能带图 根据两种半导体单晶材料的导电类型，异质结又分为以下 两类： 1.反型异质结，指有导电类型相反的两种不同的半导体单 晶材料所形成的异质结 2.同型异质结，指有导电类型相同的两种不同的半导体单 晶材料所形成的异质结。 异质结也可以分为突变型异质结和缓变形异质结两种。
实际上由于形成异质结的两种半导体材料的禁带宽度、电 子亲和能及功函数的不同，能带的交界面附近的变化情况 会有所不同。
2.考虑界面态时的能带图 通常制造突变异质结时，是把一种半导体材料在和它具有 相同的或不同的晶格结构的另一种半导体材料上成长而成 。生长层的晶格结构及晶格完整程度都与这两种半导体材 料的晶格匹配情况有关。表9-2列出若干半导体异质结的 晶格失配的百分数
，也称为内建电场，因为电场存在，电子在空间电荷区中
各点有附加电势能，是空间电荷区中的能带发生弯曲。由
于EF2比EF1高，则能带总的弯曲量就是真空电子能级的弯 曲量即
qVD qVD1 qVD2 EF 2 EF1
(9-3)
显然 VD VD1 VD2
处于热平衡状态的pn异质结的能带图如图9.1（b）所示。
在异质结中，晶格失配是不可避免的由于晶格失配，在两
种半导体材料的交界面处产生了悬挂键，引入了表面态。
图9.6表示产生悬挂键的示意图。突变异质结的交界面处
的悬挂键密度Ns 为两种半导体材料在交界面处的键密度
之差。即 N s N s1 N s2

(9-7)
下面计算具有金刚石型结构的两块半导体所形成的异质结
图9.1 形成突变pn异质结之前和之后的平均能带图
如从图中可见，在形成异质结之前，p型半导体的费米能
级EF1的位置为
EF1 Ev1 1
(9-1)
而n型的半导体的费米能级EF2的位置为
EF 2 Ec2 2
(9-2)
当这两块导电类型相反的半导体材料紧密接触形成异质结
时，由于n型半导体的费米能级位置高，电子将从n型半导
当悬挂键起受主作用时，则pn、np、pp异质结的能带图 如图9-9中的（d）（e）（f）图所示。 以上讨论可知，当两种半导体的晶格常数极为接近时，晶 格间匹配较好，一般可以不 考虑界面态的影响。但是在 实际中，即使两种半导体材 料的晶格常数在室温时相同 ，但考虑它们的热膨胀系数 不同，在高温下，也将发生晶格适配从而产生悬挂键，在
（2）突变同型异质结的能带图 图9-4(a)均是n型的两种不同的半导体材料形成的异质结 之间的平衡能带图；（b）为形成异质结之后的平衡能带 图。当两种半导体材料紧密接触形成异质结时，由于禁带 宽度大的n型半导体的费米能级比禁带宽度小的高，所以 电子将从前者向后者流动。
对于反型异质结，两种半导体材料的交界面两边都成了耗 尽层；而在同型异质结中，一般必有一变成为积累层。 图9.5为pp异质结在热平衡时的能带图。其情况与nn异质 结类似。
体流向p半导体，同时空穴在与电子相反的方向流动，直
至两块半导体的费米能级相等为止。
这时两块半导体有统一的费米能级，即
EF EF1 EF 2
因而异质结处于热平衡状态。两块半导体材料交界面的两
端形成了空间电荷区。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。正负空间电荷间产生电场
而且 Ec Ev Eg2 Eg2
(9-6)
式(9-4)、式(9-5)和式(9-6)对所有突变异质结普遍适用。
下图9.2为实际的p-n-Ge-GaAs异质结的能带图
图9.2 p-n-Ge-GaAs异质结的能带图
表9-1为实验测定的p型Ge与n型GaAs的有关常数值。 图9-3为突变np异质结能带图，其情况与pn异质结类似。
如果从一种半导体材料向另一种半导体材料得过渡只发生 于几个原子范围内，则称为突变型异质结。如果发生于几 个扩散长度范围内，则称为缓变形异质结。 1.不考虑界面态时的能带图 （1）突变反型异质结能带图
如图表示两种不同的半导体材料没有形成异质结前的热平 衡能带图。有下标“1”者为禁带宽度小的半导体材料的 物理参数，有下标“2”者为禁带宽度大的半导体材料的 物理参数。
的悬挂键密度
图9.6 产生悬挂键的示意图
如图9.7所示
因此对于晶格常数分别为a1、 a2的两块半导体形成的异质 结，以（111）晶面为交界 图9.7 金刚石结构（111）面内的键数
面的时悬挂键密度为
Ns
4
3

a22 a12 a12a22

(9-8)
同理（110）晶面，悬挂键密度为