异质结的电学特性资料

异质结百科名片异质结，两种不同的半导体相接触所形成的界面区域。

按照两种材料的导电类型不同，异质结可分为同型异质结（P-p结或N-n结）和异型异质(P-n 或p-N)结，多层异质结称为异质结构。

通常形成异质结的条件是：两种半导体有相似的晶体结构、相近的原子间距和热膨胀系数。

利用界面合金、外延生长、真空淀积等技术，都可以制造异质结。

异质结常具有两种半导体各自的PN结都不能达到的优良的光电特性，使它适宜于制作超高速开关器件、太阳能电池以及半导体激光器等。

目录[隐藏][编辑本段]基本特性所谓半导体异质结构，就是将不同材料的半导体薄膜，依先后异质结次序沉积在同一基座上。

例如图2所描述的就是利用半导体异质结构所作成的雷射之基本架构。

半导体异质结构的基本特性有以下几个方面。

(1) 量子效应：因中间层的能阶较低，电子很容易掉落下来被局限在中间层，而中间层可以只有几十埃（1埃＝10-10米）的厚度，因此在如此小的空间内，电子的特性会受到量子效应的影响而改变。

例如：能阶量子化、基态能量增加、能态密度改变等，其中能态密度与能阶位置，是决定电子特性很重要的因素。

(2) 迁移率(Mobility)变大：半导体的自由电子主要是由于外加杂质的贡献，因此在一般的半导体材料中，自由电子会受到杂质的碰撞而减低其行动能力。

然而在异质结构中，可将杂质加在两边的夹层中，该杂质所贡献的电子会掉到中间层，因其有较低的能量（如图3所示）。

因此在空间上，电子与杂质是分开的，所以电子的行动就不会因杂质的碰撞而受到限制，因此其迁移率就可以大大增加，这是高速组件的基本要素。

(3)奇异的二度空间特性：因为电子被局限在中间层内，其沿夹层的方向是不能自由运动的，因此该电子只剩下二个自由度的空间，半导体异质结构因而提供了一个非常好的物理系统可用于研究低维度的物理特性。

低维度的电子特性相当不同于三维者，如电子束缚能的增加、电子与电洞复合率变大，量子霍尔效应，分数霍尔效应[1]等。

砷烯异质结砷烯异质结是由砷烯材料组成的半导体异质结，是新型电子器件研究领域的热点之一。

砷烯是一种二维晶体材料，由于其具有高电子迁移率和优异的热导率等优异特性，因此在半导体电子学、光电子学以及能源材料等领域具有广泛的应用前景。

本文将从砷烯材料的基本特性、砷烯异质结的组成及优势等方面进行详细讲述。

一、砷烯材料的基本特性砷烯是一种具有单层和多层结构的二维塑料材料，晶体结构类似于石墨烯。

其基本特性如下：1.热导率高：热导率是砷烯材料的重要特性之一，其热导率远远高于其他原子层厚度的材料。

砷烯的热导率与温度呈线性关系，远高于石墨烯和硼氮化物等其他二维材料。

2.电阻率低：砷烯是一种高导电性材料，其电阻率低于铜和银等传统导电材料。

由于其电阻率低，在微电子元器件的制造过程中，可以大量减少电子运输过程中的能量损失。

3.高电子迁移率：对于电子学设备制造，砷烯的电子迁移率非常重要，其电子迁移率高于其他二维材料，可以实现更快的电子传输速度和更高的电流密度。

二、砷烯异质结的组成及优势砷烯异质结是由两种不同结构的砷烯材料构成的，其材料的电学特性可以通过改变两个砷烯层之间的距离来调节。

砷烯异质结的组成方式多种多样，主要有以下几种组成方式：1.砷烯/石墨烯异质结：由于砷烯和石墨烯的结构相似，因此这种异质结具有良好的质量和稳定性，可以实现高效率的光电转换功能。

2.砷烯/过渡金属氧化物异质结：在这种异质结中，砷烯和过渡金属氧化物之间的界面可以实现理想的电子传输，从而实现高效率的能源转换。

3.砷烯/半导体异质结：在这种异质结中，砷烯和半导体之间的界面可以实现理想的电子传输和高效率的光电转换功能。

砷烯异质结具有如下优势：1.优异的热电性能：砷烯具有高热电系数和优异的热导率，可以应用于热电制冷和热电能量转换等领域。

2.高效率的光电转换功能：在砷烯异质结中，光电子传输速度较快，可以实现高效率的光电转换功能。

3.可调节的电学特性：通过改变砷烯异质结中两层材料之间的距离，可以实现对电学特性的精确控制和调节。

材料科学中的异质结研究异质结是材料科学中经常研究的一个重要领域。

随着现代科技的发展，我们对于异质结材料的研究和应用也变得越来越深入。

本文将简要介绍异质结的概念、分类、制备方法和应用领域。

一、异质结的概念异质结是由两种或两种以上不同的材料组成的结构，在这些材料的交界面上形成的一种特殊结构。

异质结具有独特的物理、化学和电学特性，具有广泛的应用领域，包括太阳能电池、LED、激光器、高速晶体管等。

二、异质结的分类根据材料的性质和结构，异质结可以分为以下几种：1. 纵向异质结：由两种或两种以上材料按照垂直于器件面的方向交替堆积而成。

2. 横向异质结：由两种或两种以上材料在器件面方向交替堆积而成。

3. 膜层异质结：将多种材料按照一定顺序或周期性地沉积在基板上，形成的多层结构。

4. 核－壳异质结：以一种纳米颗粒为“核”，另一种材料在其表面上沉积，形成核－壳结构。

5. 点阵异质结：两种或两种以上材料按照一定的顺序和空间排列方式交替排布而成。

三、异质结的制备方法现代材料科学中，制备异质结有各种不同的方法，包括物理方法、化学方法和生物方法等。

1. 物理方法物理方法主要包括物理沉积、分子束外延、熔冷法、物理气相沉积等方法。

这些方法具有制备高质量异质结的优点，但是成本较高，需要相对复杂的设备和条件。

2. 化学方法化学方法包括化学气相沉积、溶胶－凝胶法、溶液沉积等方法。

这些方法相对简单、灵活，成本较低，适用范围也更广。

3. 生物方法生物方法主要是利用生物学特性来制备异质结材料，包括生物矿化、生物还原和生物合成等。

这些方法能够在常温下在生物环境中制备高质量的异质结，具有很高的应用潜力。

四、异质结的应用领域异质结的应用领域非常广泛，包括能源、信息、生物医学等方面。

1. 能源随着全球对于清洁能源需求的增加，太阳能电池和LED等器件的发展越来越受到重视。

异质结材料具有很好的光、电、热性质，非常适合制备高效太阳能电池和LED等设备。

第27卷　第7期2006年7月半　导　体　学　报C HIN ES E J OU RNAL O F S EM ICOND U C TO RSVol.27　No.7J uly ,20063山东省自然科学基金资助项目(批准号:Y 2002A 09) 通信作者.Email :p hyzhaobo @ 2005212204收到,2006201219定稿Ζ2006中国电子学会ZnO/PS 异质结的光学和电学性质3赵　波 李清山　张　宁　陈　达　郑学刚(曲阜师范大学物理工程学院,曲阜　273165)摘要:用脉冲激光沉积的方法在多孔硅(PS )衬底上沉积ZnO 薄膜,在室温下测量了ZnO/PS 异质结的结构及光学和电学性质.X 射线衍射仪和扫描电子显微镜测量表明,制备的ZnO 薄膜具有一定的c 轴取向,但薄膜存在较多缺陷.光致发光谱显示,PS 的发光与ZnO 的发光相叠加,呈现白光发射.对异质结I 2V 特性曲线的测量表明,异质结呈现出与普通二极管不同的整流特性,其反向电流不饱和,据此提出了能带模型.关键词:白光发射;多孔硅;ZnO ;光致发光;能带模型PACC :7855;7865;8115I 中图分类号:TN 383 文献标识码:A 文章编号:025324177(2006)07212172041　引言自从多孔硅(PS )在室温下的光致发光现象[1]被发现以来,人们对PS 的制备方法、表面形态、发光机理等方面做了深入研究[2],PS 的发光也展示了硅在光学器件、光电子及显示技术等方面的应用前景.ZnO 是宽带隙半导体材料(E g =313eV ),它在表面声波器件、紫外光探测器及半导体激光器方面有重要应用[3,4].由于其宽的带隙,在可见光区是透明的,可作为太阳能电池的窗口及用作透明电极.ZnO 薄膜在大约490～550nm 有宽的深能级发射,这种与缺陷有关的发射被认为是浅施主(O 空位和Zn 填隙原子)与深受主(Zn 空位)之间的辐射跃迁[5,6]所致.由于ZnO 中有施主性质的本征缺陷(如Zn 填隙和O 空位)的存在,导致ZnO 是n 型的,低电阻率的p 型ZnO 难以制备[7].根据PS 和ZnO 发光谱的特征,将ZnO 沉积在PS 衬底上,采用多层膜发光的形式,有可能得到白光发射器件.与用荧光粉转换实现白光照明的器件相比,这种ZnO/PS 异质结器件具有结构简单的优点.A nis ha 等人[8]在PS 衬底上沉积CdS 和ZnS 得到CdS/PS 和ZnS/PS 电致发光器件,Dimova 2Mali 2novska 等人[9]用磁控溅射法将ZnO 沉积在PS 衬底上,在不同温度下研究了ZnO/PS 异质结的载流子传输机制.文献中极少有用脉冲激光沉积方法在PS 衬底上生长ZnO 薄膜,研究其结构和性质的报道.本文用脉冲激光沉积的方法在PS 上沉积ZnO 薄膜,做成多层器件,用适当的激发光,使ZnO 的深能级发光与PS 的橙红光叠加,产生白光.同时将ZnO 作为透明电极,测量了ZnO/PS 异质结的I 2V 特性曲线,以此为基础,我们提出了异质结的能带模型.2　实验使用单面抛光的p 型硅片,晶向为(100),电阻率为8～13Ω・cm.首先用电子束蒸发镀膜设备(EB 2500)在Si 片背部镀Al ,厚度为150nm ,作为电极.然后用单池阳极氧化方法制备PS.电解液由49%的H F 和乙醇以1∶1体积比组成.电流密度为17mA/cm 2,腐蚀时间为20min.氧化结束后,用去离子水冲洗,在室温下干燥.最后以PS 为衬底,利用脉冲激光沉积的方法生长ZnO 薄膜.Kr F 准分子激光器(波长为248nm ,脉宽为10ns ,德国Tulaser 公司)聚焦在ZnO 陶瓷靶材上,激光脉冲能量为250mJ ,重复频率5Hz ,聚焦在陶瓷靶材上面积为4mm 2,能量密度6J /cm 2.真空室背底真空为10-6Pa ,ZnO 沉积时充入O 2(991999%),保持压强为011Pa ,源基距是5cm ,ZnO 在500℃下生长.用BD 2500型X 射线衍射仪(XRD )测量薄膜样品的晶体结构.表面及截面形貌由J SF6100扫描电子显微镜(SEM )测量.异质结的光致发光(PL )谱由RF 25301PC 荧光分光光度计测量(日本岛津).3　结果和讨论图1是样品的XRD 图1可以看到ZnO 在半　导　体　学　报第27卷3414°附近有一个衍射峰,说明薄膜具有一定的c 轴择优取向,但衍射峰的半高宽较大(015°),这主要与衬底结构有关.由于PS 易碎,以它作衬底沉积ZnO 前,仅能用大量去离子水冲洗,然后用N 2吹干,其表面可能存在杂质,影响薄膜质量.另外,PS 粗糙的表面结构也会造成ZnO 薄膜结晶较差.图1　PS 上生长的ZnO 薄膜的XRD 图Fig.1　XRD pattern of ZnO films grown on PS sub 2strate图2(a )和(b )分别是样品的表面和截面形貌图.从图2(a )可见ZnO 薄膜的表面存在一些裂缝和空洞(如插图所示),这主要是由于PS 表面不平整所致.由样品的截面图可知,PS 的厚度大约为2μm,图2　(a )ZnO 薄膜的表面SEM 图像,插图显示薄膜的裂缝;(b )ZnO/PS 异质结的截面SEM 图像,插图是界面处的放大图Fig.2　SEM images of the sample (a )Surface mor 2phology of ZnO films Inset figure shows the cracks in the films ;(b )Cross 2sectional images of ZnO/PS Inset figure shows a higher magnification image.孔的结构不规则,靠近上表面处呈现海绵状.ZnO 厚度大约100nm ,图2(b )插图显示,在PS 的有些地方,ZnO 可以进入PS 孔中,这些ZnO 的“钉子”增加了ZnO 和PS 的附着性[10].在室温下测量样品的PL 谱,激发波长为320nm ,如图3所示.新制备的PS 的发光峰在610nm ,表面沉积ZnO 之后,PS 的发光峰发生变化,这是由于在制备ZnO 的过程中,真空室内通入O 2,PS 的表面被氧化,形成了Si 2O 2Zn 界面层[11,12].ZnO/PS 的PL 谱在495nm 处出现发光峰,可以归结为ZnO 的深能级发射.ZnO 的发光与PS 的橙红光叠加在一起,ZnO/PS 在可见光区有很强的光致发光.图3　PS 和ZnO/PS 的PL 谱Fig.3　Photoluminescence spectra of the prepared PSand the ZnO/PS heterostructure图4是ZnO/PS 异质结的I 2V 特性曲线,可以看出它与普通的p 2n 结二极管特性不同,其反向电流不饱和.二极管的理想因子定义为[8]n =q k T ×5V 5l n J(1)其中　q 是电子电荷;J 是电流密度;V 是偏压;k 是波耳兹曼常数;T 为绝对温度.理想因子表示实际二极管与理想二极管的偏差,我们得到的理想因子为95(T =300K ,2～4V ),n 值较大是因为ZnO 和PS图4　ZnO/PS 异质结的I 2V 特性曲线Fig.4　I 2V characteristic of heterojunction of ZnO/PS8121第7期赵　波等:　ZnO/PS 异质结的光学和电学性质晶格失配较大,因而陷阱态密度较大[8],同时PS 的表面粗糙,也会导致n 值较大.根据测得的I 2V 特性曲线,我们提出了图5所示的ZnO/PS 异质结能带模型.其中χZnO =4120e V ,χPS =3169eV 分别是ZnO 和PS 的电子亲和能[9],ZnO 和PS 的的带隙分别是E ZnO =313eV ,E PS =210e V [9].在ZnO 与PS 的界面处,ZnO 的势垒尖峰高于PS 的导带底,形成正反向势垒[13],并且存在界面态.载流子以隧道效应的方式通过各自的势垒.当异质结加正向电压时(Al 接正极),势垒高度减小,电子必须隧穿过势垒尖峰,到达p 区.正向电流可表示为[13]J ∝eβV(2)曲线拟合得β=0117.当异质结加反向偏压时,PS 一边的势垒升高,使n 区导带底比p 区的价带顶还低,此时J ∝Vm(3)曲线拟合出m =7129.图5　ZnO/PS 异质结的平衡能带图Fig.5　Energy band diagram under zero bias for ZnO/PS/p 2Si heterostructure4　结论用脉冲激光沉积的方法,在PS 衬底上生长ZnO 薄膜,由于PS 粗糙的表面结构,ZnO 薄膜出现裂缝和空洞,但是具有一定的c 轴取向.在合适的激发光下,ZnO 的蓝绿发光与PS 的橙红光叠加起来,使得ZnO /PS 发射白光.依据异质结的I 2V特性曲线,提出了基于载流子隧道效应的能带模型.参考文献[1]　Canham L T.Silicon quantum wire array fabrication by elec 2trochemical and chemical dissolution of wafers.Appl Phys Lett ,1990,57(10):1046[2]　Liao Liangsheng ,Bao Ximao ,Min Naiben 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Xuegang(Depart ment of Physics,Qu f u N ormal Universit y,Quf u　273165,China)Abstract:The op tical a nd elect rical p roperties of ZnO/p orous Si(PS)heterost ructure are studied.The PS sample is f or med by t he a nodization of a single2crystal Si waf er.ZnO films are t he n dep osited on t he PS subst rate by p ulsed laser dep osition. White light f or med by combining t he red e mission f rom t he PS layers wit h t he blue2gree n emission f rom t he ZnO films is ob2 tained.Due t o t he roughness of t he PS surf ace,some cracks app ear in t he ZnO films,w hich can be see n f rom t he S EM spec2 t ra.The I2V characteristics of t he ZnO/PS heterost ructure are diff erent f rom t hose of t he common diode,w hose reverse cur2 rent is not saturated.Based on t he I2V characteristics,a n energy ba nd diagra m is p rop osed.K ey w ords:w hite light emission;p orous silicon;ZnO;p hot oluminesce nce;e nergy ba nd diagra mPACC:7855;7865;8115IArticle ID:025324177(2006)07212172043Project supp orted by t he Natural Science Foundation of Sha ndong Province(No.Y2002A09)Corresp onding aut hor.Email:p hyzhaobo@　Received4Dece mber2005,revised ma nuscrip t received19J a nuary2006Ζ2006Chinese Institute of Elect ronics。