半导体表面异质结

1、半导体表面第九章第九章 异质结异质结西安电子科技大学微电子学院基本内容基本内容 9.1 异质结及其能带结构 9.2 异质结的电流输运机构 9.3 异质结在器件中的应用异质结定义 两种不同晶体结构的半导体材料接触而形成的界面区域。形成异质结的两种材料通常有不同的能隙宽度和介电常数。如p-SiGe/n-Si(一般禁带宽度较小的半导体材料放在前面)。异质结类型 按导电类型划分： 同型、 反型 按能带结构划分： 突变、缓变（以过渡区域宽度是否远大于原子间距来区分。） 9.1 9.1 异质结及其能带结构异质结及其能带结构如何制作“好的”异质结?晶格失配较小；可预计或已知的能带结构；具备合适的衬底材料；具

2、备compositional grading潜力；生长技术兼容。 Substrates (Wide band gap materials)SapphireSiCBulk GaN and quasi-bulk growthBulk AlNSiZnO, GaAs, LiGaO2, LiAlO2异质结生长技术异质结生长技术Epitaxial GrowthMOCVD MBEPALEMEMOCVDHydride VPENichia Two-Flow MOCVD Process for High Quality Epitaxial GaN对流抑制对流抑制Molecular Beam EpitaxyPuls

3、e Atomic Layer EpitaxySequentially modulated precursorsThe duration of each pulse in the unit cell is fixed, and the NH3 pulse always follows each metallorganic pulse Migration Enhanced MOCVDThe duration and waveforms of precursor pulses are optimized, and, generally speaking, the pulses overlap all

4、owing for a continuum of growth techniques （1） 如何选取半导体材料？ 带隙差异明显而晶格基本吻合（2） 异质结半导体能带结构? 安德森模型两两个问题个问题SiGe heterostructures4.2% difference in lattice constantsLayer is strained and must be grown below the critical thicknessaeasaeEpitaxial growth technology:layer by layer on a substrateImportant parame

5、ters:Lattice mismatchEpitaxial layer thicknesstcae2 ae22 aeas晶格失配产生的悬挂键 界面态：异质结界面处的电子态悬挂键(界面态)(面)密度-NS： NS= NS1- NS2键(面) 密度NS由晶格常数及晶面决定。 NS=1/晶胞中晶面面积晶面中键数 如：两种都为金刚石结构材料如：两种都为金刚石结构材料(111)晶面：晶面：(110)晶面：晶面：(100)晶面：晶面： 22212122Saaaa34N 22212122Saaaa24N 22212122Saaaa4N晶面原子晶面原子2 悬挂键悬挂键2晶面原子晶面原子4 悬挂键悬挂键4晶面

6、原子晶面原子2 悬挂键悬挂键4Bandgaps and lattice mismatch12Eg1Eg2EC1EV1Ec2Ev2Vacuum levelECEVEF1EF2a) Before contactVacuum level12Ec2Ev2EFEC1EV1ECEVb) After contactElectron Affinity Model( Anderson 1962)qVDqVD1qVD2x1x0 x221CE121212ggCggVEEEEEEWpWn_+空间电荷区p型半导体n型半导体电子流动Anderson rule说明：说明：1960年代开始研究能带补偿问题，已有多种模型。没有

7、任何一种模型可以精确预计所有异质结能带结构。Anderson rule 并未考虑表面态和电子关联效应，因此并不准确。较为准确的是Harrison Atomic-Like Orbital theory (1977, 1980, 1985)。平衡态平衡态突变反型异质结接触电势差及势垒区宽度突变反型异质结接触电势差及势垒区宽度Vacuum level12Ec2Ev2EFEC1EV1qVDqVD1qVD2x1x0 x2qWWxqNxqNVnpnnDppAD02022221xqNxqNDA将上式分别代入VD、 VD1、 VD2，有222DADADpDADDAnnpDNNxNNNNxNNqVDnApDAA

8、DnDnApDDnDpNNVNVNNVNVApDnDnDpNNqVqV能带弯曲与掺杂浓度反比，掺杂浓度高一侧能带弯曲量小，反之则大。212)()(2DnApDADDAnpnpDNNNqNVNNxxx)(2)(10DnApADDnppNNqNVNxxx)(2)(02DnApDDAnpnNNqNVNxxx非平衡态非平衡态突变反型异质结接触电势差及势垒区宽度突变反型异质结接触电势差及势垒区宽度若外加偏压为V，窄带与宽带区压降分别为V1与V2，那么只要将上述试中VD用(VD-V)代替， VD1与VD2分别用(VD1-V1)、 (VD2-V2)代替即可。V、V1、V2大于零表示正偏，反之反偏。突变反型异

9、质结势垒电容突变反型异质结势垒电容2102102DnApDDAnpDApANNVVNqNxxqNxxqNxqNQ2122112121)( 2VVNNNqNdVdQCDDADAT单位面积势垒电容2T)C(1VD(VD-V) 9.2 异质结电流输运机构异质结电流输运机构电子势垒:(qVDEC)空穴势垒:(qVD+EV)负反向势垒负反向势垒Vacuum levelEc2Ev2EFEC1EV1qVD-x10 x2ECEV尖峰低于Ec1平衡态时：加V正向电压后：TkEqVnnBCDexp2010TkEVVqnxxnBCDexp2011TkqVpxxpBexp2022TkEqVppBVDexp1020稳态

10、情况下，p型半导体中注入的少数载流子运动的连续性方程为： 0112121nnnxndxxndD 112101exp1expexpnCDLxxKTqVKTEqVnnxn101nn 1exp1expexp10211KTqVLnqDKTqVKTEqVLnqDdxxdnqDJnnCDnnnnxx类似地，对于空穴少子电流： 02022pppxpdxxpdD 1exp202KTqVLpqDdxxdpqDJppppxx 202pp1exp1exp101020KTqVLnqDKTqVLnqDLpqDJJJnnnnppnp忽略空穴少子电流发射模型: 认为在任何温度下，由于热运动，将有一部分载流子具有足够的热运动

11、能量克服势垒，从交界面一侧以热电子发射方式通过势垒而进入另一侧。发射-复合模型：认为在交界面处存在着晶格被强烈扰乱的一薄层，它产生许多界面态，使得以热发射方式克服了各自的势垒而达到交界面处的电子和空穴迅速复合。隧道-复合模型：在交界面处存在界面态，既考虑到隧道效应又考虑到复合作用。隧道模型：不考虑复合作用，载流子都以隧道效应方式通过势垒。Heterojunction p-N diodeInjection efficiency1exp10KTqVLnqDJnnn1exp20KTqVLpqDJpppTkEEJJJIEBggpnn12exp 实际表明： 利用异质结制作的激光器，电致发光两极管，光电探

12、测器，应变传感器等，比用同质结制作的同类元件的性能优越。 9.3 异质结在器件中的应用异质结在器件中的应用u直接利用异质结隧道势垒的隧道效应：在多结太阳能电池中 ，隧道结形成连续的pn结之间的连接。 它们的功能作为欧姆在中间的半导体装置的电接触 。共振隧道二极管。隧道势垒A)Below resonanceB)At resonanceC)Beyond resonance负阻效应u隧穿系数随能量迅速增大。热电子晶体管: 在热电子晶体管中作为电子注入控制的“调节器”：在热电子晶体管的基区两侧各有一个势垒与发射区和集电区相连,势垒的作用是把冷电子束缚在它们各自的区域内，从发射区注入到基区的热电子具有足

13、够大的能量穿过集电区的势垒，几乎与集电极电压无关，因此这种器件具有很高的输出阻抗。Nature Materials 10,198201(2011)u 利用Ec和 Ev形成。u双异质结或三层材料。u 中间层半导体具有最低的 Ec (电子势阱) 或最高的Ev (空穴势阱)。Straddling (Type I)Staggered (Type II)EcEvEcEvCarriersheld in differentlocations量子阱在二维系统中局限载流子。载流子在一维方向上的运动受限。能量离散形成子带。 因为势垒高度b有限，隧道效应。要求Lx小于电子的平均自由程和de Broglie波长。LxbLxb x( )sinixLxEi22i22m* Lx2h2 m*E量子阱光吸收量子阱光发射 Quantum Cascade Laser Parallel conduction paths (FET) Buffer Layers (LEDs)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，而其薄层厚度的周期小于电子的平均自由程的人造材料。特点：能级连续；分立能带展宽形成子带；其过程与原子