半导体物理学第九章

1、第第9章半导体异质结构章半导体异质结构（简介）（简介）Chap9Chap9 半导体异质结构半导体异质结构 Heterojunction 同质结：（不同导电类型的）同种材料组成的P-N结。 异质结：（不同导电类型的）两种材料组成的P-N结。 1951年提出异质结的概念，由于制备材料的新技术不断出现和半导体物理的深入发展，推动了异质结的研究和发展。1960年制成激光二极管激光器异质结种类 种类： 反型异质结：导电类型相反的两种材料制成的结，如：p-n Ge-Si,p-n Ge-GaAs,p-n Si-GaAs 同型异质结：导电类型相同的两种材料制成的结，如：n-n Ge-Si,n-n Ge-GaA

2、s,n-n Si-GaAs 以上的符号，都把Eg小的材料放在前面。异质结的禁带宽度可能相同，也可能不同，我们主要讨论禁带宽度不同的情形。 异质结生长异质结生长 外延生长技术发展于外延生长技术发展于50年代末年代末60年代初。当时，年代初。当时，为了制造高频大功率器件，需要减小集电极串为了制造高频大功率器件，需要减小集电极串联电阻，又要求材料能耐高压和大电流，因此联电阻，又要求材料能耐高压和大电流，因此需要在低阻值衬底上生长一层薄的高阻外延层。需要在低阻值衬底上生长一层薄的高阻外延层。外延生长的新单晶层可在导电类型、电阻率等外延生长的新单晶层可在导电类型、电阻率等方面与衬底不同，还可以生长不同厚

3、度和不同方面与衬底不同，还可以生长不同厚度和不同要求的多层单晶，从而大大提高器件设计的灵要求的多层单晶，从而大大提高器件设计的灵活性和器件的性能。外延工艺还广泛用于集成活性和器件的性能。外延工艺还广泛用于集成电路中的电路中的PN结隔离技术和大规模集成电路中结隔离技术和大规模集成电路中改善材料质量方面。改善材料质量方面。 异质结的形成通常是通过异质外延的方法制备的。经常形成超晶格结构，在半导体激光器和高迁移率晶体管（HEMT）领域有应用。异质结的能带结构 异质结的能带结构与构成异质结材料的禁带宽度、禁带失调有关。设构成异质结材料的禁带宽度分别为Eg1Eg2。 禁带的失调可能有三种情形：1）Eg2

4、包含在Eg1之间，如Ga1-xAlxAs与GaAs ；2）Eg1与Eg2禁带相互错开，如Ga1-xInxAs（下）和GaAs1-xSbx（上）；3）二者没有共能量，如InAs（下）与GaSb（上）GaAs/AlGaAs 异质结的电子能级结构 异质结的应用1 异质结的主要应用之一是形成量子阱。它由两个异质结背对背相接形成的。 异质结的主要应用之二是形成超晶格。它由异质结交替周期生长形成。超晶格是Esaki和Tsu在1969年提出的。 Esaki等提出的超晶格有两类：1）同质调制掺杂；2）异质材料交替生长。 超晶格或多量子阱间的共振隧穿效应Multiquantum Wells (MQW)Singl

5、e quantum wellMultiquantum wellGaAsAlGaAsGaAsEg( AlGaAs)EcEvWells separated by large distance to minimize coupling of statesStructures where the barriers are thick enough to prevent any overlapping of neighboring wavefunctions are referred to as MQWStructures with thin barriers that allow for overla

6、pping of neighboring wavefunctions are referred to as superlatticestSLtMQW 异质结应用2 1异质结晶体管： 特点异质结做发射结，注入效率高， 大 0.2ev， 注入电子流3000（注入空穴流） 0.4ev， 注入电子流 （注入空穴流） 0.7ev， 注入电子流 （注入空穴流） 2异质结光电二极管（光电池）Photocell 太阳电池Solarcell 同质结光电管，要求n区很薄（以利光穿透），但薄n区难制造。/2121,gEkTgggggeEEEEE注入电子流注入空穴流gEgEgE6101610异质结应用2 3异质结发光二极管（light-emitting diode） 同质结 异质结 三个区都是重掺杂， 加正向电压， 能带如下图 1/(0.2 0.3)xaxnGaAs PGaAs PAl GAsx异质结应用2 4异质结激光器 单异质结激光