第九章 异质结

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。

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

Ec1
Ev2
Eg1
Ev1
I型
Ec2 Eg2
Ev2 Ec1
I’型
Eg1
Ev1
Ec2 Eg2
Ev2 II 型
一、异质结的分类
3. 按从一种材料向另一种材料过渡的变化程度来分：
（1）突变型异质结： 从一种半导体材料向另一种半导体材料的过渡只发生在几个原
子距离范围内。 （2）缓变型异质结： 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
即 qVD qVD1 qVD2 EF 2 EF1 显然 VD VD1 VD2
由于两种材料的禁带宽度不同，能带弯曲不连续，出现了“尖峰”和 “凹口”。尖峰阻止了电子向宽带一侧的运动，这就是所谓的“载流子的限制 作用”。
一、不考虑界面态
W1
Ec1 EF Ev1
x1
凹口
Eg1
qVD1
尖峰
qVD
因为： Q2 Q1 QIS
当界面电荷QIS是受主电荷时，即与Q1相同，此时与无界面态电荷QIS时相 比较，显然Q1减小了，而Q2则增大了。
若QIS很小，得到：
Q1
1N AQIS 1NA 2ND
B1
VD
Va
1/ 2
Q2
2 NDQIS 1NA 2ND
B1
VD
Va
1/ 2
式中第一项为由界面态影响在空间电荷区产生的电荷量，第二项为不考虑界 面态时的空间电荷区电荷量。
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 区，产生自建电场，使电子在空间电荷区中各点的电势分布不同，即有附加电 势能存在，使空间电荷区中的能带发生弯曲。

图9.7 金刚石结构（111）面内的键数


(9-8)
同理（110）晶面，悬挂键密度为
2 4 a2 a12 N s 2 2 2 a1 a2


(9-9)
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（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。
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同理（110）晶面，悬挂键密度为
2 a2 a12 N s 4 2 2 a1 a2


(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
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在热平衡条件下，异质结的接触电势差VD为
qNA1 x 2 qNA1 x1 x V1 ( x) D1 21 1 qND 2 x 2 qND 2 x2 x V2 ( x) D2 2 2 2
(9-23)
(9-24)
VD V2 ( x2 ) V1 ( x1 )
而VD在交界面p型半导体一侧的电势差为
这时两块半导体有统一的费米能级，即
EF EF1 EF 2

图9.6 产生悬挂键的示意图
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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 面的时悬挂键密度为
N s
2 2 4 a 2 a 1 2 2 3 a1 a 2
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。

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。
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(9-5)
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而且
Ec Ev E g 2 E g 2
(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
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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

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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
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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
对式（9-21）、式（9-22）积分得
V1(x)
qN A1 x 2
21
qN A1 x1 x
1
D1
V2 (x)
qND2 x2
2 2
qND2 x2 x
2
D2
在热平衡条件下，异质结的接触电势差VD为
VD V2 (x2 ) V1(x1)
而VD在交界面p型半导体一侧的电势差为
VD1 V1(x0 ) V1(x1)
0
(9-20)
C1
qN A1x1
1
, C2
qND2 x2
2
因此，式（9-17）、式（9-18）为
dV1(x) qN A1(x x1)
(9-21)
dx
1
dV2 (x) qND2 (x2 x)

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

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。

Ec Ev E g 2 E g1
9.2.1 不考虑界面态的能带图

3 突变同型异质结能带图
9.3 半导体超晶格
半导体超晶格是指由交替生长 两种半导体材料薄层组成的一 维周期性结构，其薄层厚度的 周期小于电子的平均自由程的 人造材料。超晶格的思想于 1968年提出，1970年在砷化镓 半导体上制成了超晶格结构， 它为实验观察量子效应提供了 良好的模型。


9.3.2 调制掺杂技术

在生长超晶格材料时，对不同的材料层进行不同 浓度的掺杂，可以改变超晶格材料的物理性质。 比如在Ga1-xAlxAs/GaAs超晶格结构中，只在Ga1xAlxAs层中进行高掺杂（如掺n型杂质硅），而把 GaAs层做成高纯的，这种掺杂方式称为调制掺杂 （MD）或选择性掺杂。
第9章 异质结
9.1 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。
9.1
9.2.1 不考虑界面态的能带图
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，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 E g 2 E g1 ( 1 2 )
9.3.2 调制掺杂技术

在这样的超晶格中，能带发生了变化。由于GaAs 导带底比Ga1-xAlxAs的导带底低，高掺杂的n型 Ga1-xAlxAs中的电子将转移到GaAs的导带中去， 使高纯的具有高电子浓度，于是，晶格的能带发 生弯曲。而高纯的GaAs中电离杂质散射中心很少， 在低温下晶格振动又比较微弱，于是GaAs中电子 的迁移率可以很高，这种载流子迁移率增强的特 性，对于研制高速低功耗器件很有利。

VD1 V1(x0 ) V1(x1)
(9-23) (9-24) (9-25) (9-26)
而VD在交界面n型半导体一侧得电势差为
VD2 V2 (x2 ) V2 (x0 )
(9-27)
在交界面处,电势连续变化,故
VD VD1 VD2
令V1(x)=0,则VD=V2(x),并代入式(9-23)、式(9-24)中得
因此,将DD11、qDN22分A11别x12代, D入2式(V9-D23)及qN式2D(229x-2224)得
V1 ( x)
qN A1(x
21
x1 ) 2
V2
(x)
VD
qN D2 (x2
2 2
x)2
由V1(x0)=V2(x0),即得接触电势差VD为
VD (x)
qN
A1
(
x
V
x1
)
2
21
qND2 (x2
dx
2
(9-19) (9-20)
(9-21) (9-22)
对式(9-21)、式(9-22)积分得
V1 ( x)
qN A1x2
21
qN A1x1x
1
D1
V2 (x)
qN D2 x2
2 2
qN D2 x2 x
2
D2
在热平衡条件下,异质结得接触电势差VD为
VD V2 (x2 ) V1(x1)
而VD在交界面p型半导体一侧得电势差为
将上述两式代入(9-30)得
VD
q
21 2
2 N A1
ND2X D N A1 N D2
2
1N A1
N A1 X D N A1 N D2
2