半导体异质结_百度文库精

1、ZnO掺杂能带示意图H*0.07)0Alu401><0 0«>(1X)0 1 20)337qa 15)<1»8)N. ® l0><14>Po (0 93>Lite©Ng&0 32)第3章半导体异质结-pn结的两边是采用同一种材料，称为同质结-由两种不同的半导体单晶材料组成的结，则称为异质结N和P表示宽带半导体，n和P表示窄带半导体P型GaAsUP型AIGaAs,同型异质结P熨GaAs异型异质结3.1异质结及其能带医CdSZnSceZnJ'c2.2SGap®AIAS2.0CdSc A

2、lSbSi0750 25GaAscareOe*【nPGaShIn As InSbAlAspI AMbAs、InP*InGaAsInAs20.59.6 5 75 85 9.66.1M格常ftHA0540 560 580 600 620 64常数 o/nm一些II1V族化合物及儿种11VI族化合物的禁带宽度和晶格常数异质结的形成2,5晶格匹配越好，界面态密度越低晶格失配定义令和2分别是两种材料的品格常数(a2>ai), a为平均值三元合金的禁带宽度和品格常数川三元或四元化合物半导体來制作出晶格匹配非常完美的异质结。异质结的形成条件满足禁带宽度的要求，选择晶格失配小的材料LS晶格失配形成位错缺

3、陷46异质结的能带图 = Z«-Z2单位面积的悬挂键数目为必Ts''LS 乙S ) _ 2 - 4 )(2 + q)工EQ-才2)真空舱丁匸厂篦-J- 一生d£1-%Er I-(a) 异质结形成芝前平衡能带图S空世TV叫f% I J.丄二rT 邑丄丄匸辛工 1 &A£.备厂" 叫 礼 6(b)(b) 形成之后的平衡能带图特点：在界面处就会出现能带的弯曲，发生导带及价带的不连续异质结耗尽层宽度的计算-假设条件：在热平衡下，界面两端的费米能级相同禁带宽度Eg和电了亲和能皆非杂质浓度的函（非简并） 导带边缘的不连续和价带边缘的不连续不会

4、受杂质浓度影响 -能带的弯曲SVd （扩散电势）为两种半导体功函数之差二Na£pNa足P型半导体的受主浓度，Nd足n型半导体的施主浓度。 Nd%知与分别是n型和P型半导体的相对介电常数。©N A + ErN D2)当外加偏压时，用CVd-V）替换Vd内建电势的大部分降落在杂质浓度较低的一侧，其耗尽层宽度也较宽同质结中势垒高度Vd的计算耗尽层宽度随着结屯压的变化而变化，微分屯容C=dQ/dV,dQqE'EzN aN D2化.2(®心+2（1/C2）和V呈线性关系,可以从直线在电压轴上的截距求得势樂高度Vd->2考虑界面态时的能带图(a) pri异质(b

5、) np界质结$4(c) pp界质结(d) nn并质结渐变异质结的能带图E.、_ Jg怙v_(b)3.2异型异质结的电学特性半导体异质结的电流电压关系比同质结复杂突变异质结的伏安特性和注入特性（a）负反向势垒（b）正反向势垒-(qVp-AEJkT负反向势垒异质结的伏安特性P型半导体中少数载流了的浓度小0 «10 = «20 exp n型半导体中多数载流子的浓度加止向偏压时,P型半导体势垒区边界处的少子浓度- qV -虫EJq (齐)=g exp= ®)ex pI打丿kT必1-1 I灯丿Lni为电了扩散长度，Dni为电了扩散系数n型半导体屮少数载流子的浓度P20卩加

6、=皿ex P电子电流密度J,严畀皿exp加止向电压时pw,xp-（必一 V +占_kT_=P20 spI府丿(g% +厶耳 kfexpX总电流 J = J" + Jp = qQ/lO 1 Dp2P2QexpffVilu SLp2 J1I"丿J-空穴的电流密度,_qD沪P20好丿儿=-2Lp2为空穴扩散长度，D；为空穴扩散系数注入比：是指pn结加止向电床时，n区向P区注入的电子流与 P区向n区注入的空穴流之比 人=qPLp% 二 d、l JP qDpzLmpQO Qp2厶卄 2iPQ同质结注入比 苧决肚同质结注入比的是掺杂浓度 V /> P r: A异质结注入比:山丁能

7、带断续的存在，由左向右的空穴注入除了要 克服势樂Z外，还要克服一个附加台阶，因而空穴流Jp X exp-（g匕 + 苹,）而由右向左的电子注入只需克服势垒ocexp-(V-V；),)半 0C exp（/l& + 必 J Q exp 生J P价带断续AEv人，异质结就能产牛较大的注入比异质结是渐变时血才xp-（心厂生）_EJ Pexp-9匕+ /!£）"正反向势垒异质结的伏安特性-势阱中的电子要往右边输运，需要克服高度为zXEc-qVdi的 势垒-右边n型区导帯屮的电子要往左边输运，需要克服的势垒 咼度为qVD2-但左边的空穴要通过异质结所需越过的势垒却很高，为 qV

8、Di+qVD2AEy-这种异质结几乎不存在整流特性界面态的影响如果考虑界面态，载流了将通过界面态发生复合，复合电流为(E、mexp-1kT )kT)J 0C expE泊代表界面态的能级深度，V是外加电压异质结的超注入现象超注入现象:指在异质结中由宽带半导体注入到窄带半导体屮的少数载流子浓度可以超过宽带半导体屮多数载流子浓度«*««£加正向电压后fKjp-GaAs-N-AIGSi.As异质结 当杲质结上施加的正向电压足够大时，p区电r为少数载流f,其准费米能级随电了浓度的上升很快，结两边的电子准费米能级可达一致。 由于P区导带底比N区导带底更接近费米能级，

9、故P区导带的电了浓度高于N区以m和门2分别表示P区和N区的电子浓度E"和Ec2分别表示P区和N区的导带底能值Nel和Nc2分别表示两种半导体导带底有效态密度/?, = Nc exp一（仗厂d）kT心=Ng exp-（耳2-5“kTNciNc2L a exp5V山J-Eei<Ee2,故实现激光器所要求的粒子数反转条件3.3量子阱与二维电子气量子阱：在量子力学中，能够对电子的运动产生某种约束并 使其能暈量子化的势场二维电子气(2DEG) ： 般是指在两个方向上可以白III运动, 而在第三个方向上的运动受到限制的屯了群。图3"半导体fi子阱示意图对处于无限深方势阱中的料子，

10、假定势阱的宽度为Lz，求解 薛肚iv方程，则波函数的解为wa、” Z)=屮g y)做Z)在Z 方向 ±0（z） = 4 sin（z）（/ =刃? / 厶;n = 土1, ±2, ±3）满足边界条件的波函数(z=0及z=Q处恒为零)的能量Ez是暈子化的，y爺ZE)加；为Z方向的有效质最；n为量了数，能最本征值与量子数n的平方成止叱 £=E. + £(x,y)=力? 沪+伙：+ 代)G = 1,2,3 )2加丄L2加加；吃分别为垂直于和平行于Z方向的有效质量图3.13三角形势阱的示意图MOS结构反型层、金属一半 导休接触，以及界质结界面二维电子气的

11、态密度态密度：单位能暈间隔内允许存在的状态数在三维情况下，态密度和能量呈抛物线关系，通过k空间來求 能暈空间的状态密度，设势阱平面在X, y方向的长度分別为Lx利Ly, 每个状态所占的而积为_（2兀）2二维电子气只需要把三维求解中的体积转化为二维的而积S =k空间的等能曲线是一个圆，对于圆环状而积对应的状态数等于 In-kdk /s = 厶厶单位实空间屮对应的状态数为 kdkllTT«位面积«位面积倒空间中的而积元2DEG中电子的状态密度与能量的关系Eg3.4多量子阱与超晶格(C)超晶格Eg(a)(b)半导体重子阱多虽了阱A丿左厚度dA远小/B层厚度dB”势垒层的厚度dB必

12、须足够大，以保证一个势阱屮的 电子不能穿透势垒层进入另一个势阱超昴格中电子的运动就不仅要受材料晶格周期势的堀响，同时受到一个沿薄层 生长方向Z展开的人工附加周期势场的加响，周期+多量子阱和超晶格中电子的波函数由于两种构成材料的禁带宽度不同，当窄禁带材料的厚度 小丁电了的徳布罗意波长时，这种材料即成为载流子的势阱量子阱效应一、fi子约束效应:量子阱中电子的能级间距与阱宽的平方成反比，对丁由 夹在宽禁带材料之间的窄禁带材料薄层构成的虽r阱，当薄层狭窄到 足以使电了状态量了化二、共振隧穿效应:当入射电子的能量与中间量子阱中的分立能级一致时, 英隧穿槪率可接近于1,而能疑不一致时，其隧穿概率则儿乎为零

13、三. 声子约束效应:在童了阱或超晶格中，声子态也右类似丁电子态的量（约束效应四.微带效应:超晶格小各量子阱Z问的势垒较薄，各量子阱中的朿缚能 级互和耦合，形成微带蓝光InGaN/GaN多层量子阱LED结构Active LayerP electrodeHW)m»Ntype (；aN: Si 3-4pniSubstrateSiipphire or SiZnMgO/ZnOZnON electrodTrans parent electrode5-p eriod IngGaojN/GaN SLs (2.5nin/4.0nm)GaN buffer layer: 30nm多层量子阱LED结构50n

14、m3.a-Yn lOnmVALENCE BANDlOOnm(a)SODrm(200)400)2040608020(衍射角yc)彳06020(衍射角)/()W W n(PXUKb <7879801L-J© I周期性波长U = E (Lj-UA / 2 (sin 0,一sin02)式中入为所使用的X 射线波长；L为反射级数； e表示衍射角L=0对应丁布拉格 (Bragg )反射峰，若在较 低角度的第一条伴线取为 L= -1.则在较高角度的第 -条伴线即収L=+l。上图超晶格的调制 波长为13nm.而下图超晶 格的调制波长为1 Inmo随 着调制波长的增加，伴线变 得越靠近Bragg峰。超晶格的能带结构示意图A9 岳 N3 isdCONDUCTION BANDVALENCe BAND氏(b) j "3""曾1 075e>/a|c« 0 240 eVb.CONDUCTION BAN