半导体异质结构

1、半导体异质结构第1页，共63页，2022年，5月20日，1点47分，星期二9.1 半导体异质结及其能带图根据半导体单晶材料的导电类型异质结反型异质结：导电类型相反同型异质结：导电类型相同反型：p-nGe-GaAs 或 (p)Ge-(n)GaAs, n-pGe-GaAs 或 (n)Ge-(p)GaAs, p-nGe-Si, p-nSi-GaAs, p-nSi-ZnS, p-nGaAs-GaP, n-pGe-GaAs 等9.1.1 半导体异质结的能带图第2页，共63页，2022年，5月20日，1点47分，星期二同型：n-nGe-GaAs 或 (n)Ge-(n)GaAs, p-pGe-GaAs 或

2、(p)Ge-(p)GaAs, n-nGe-Si, n-nSi-GaAs, n-nGaAs-ZnSe, p-pSi-GaP, p-pPbS-Ge 等禁带宽度较小的半导体材料写在前面异质结也可分为突变异质结和缓变异质结突变异质结：从一种半导体材料向另一种半 导体材料的过渡只发生于几个 原子距离范围内。第3页，共63页，2022年，5月20日，1点47分，星期二缓变异质结：从一种半导体材料向另一种半 导体材料的过渡发生在几个 扩散长度范围内。1. 不考虑界面态时的能带图电子亲和能禁带宽度功函数决定异质结的能带图第4页，共63页，2022年，5月20日，1点47分，星期二（1）突变反型异质结能带图形成

3、突变pn异质结前的平衡能带图真空能级EV2EC2EF2Eg2W2n2EVn1ECEg1EV1EC1EF1第5页，共63页，2022年，5月20日，1点47分，星期二形成异质结前p型半导体的费米能级的位置n型半导体的费米能级的位置形成异质结后，平衡时，有统一的费米能级第6页，共63页，2022年，5月20日，1点47分，星期二形成突变pn异质结后的平衡能带图x1x0 x2EV2qVD2EC第7页，共63页，2022年，5月20日，1点47分，星期二突变反型异质结平衡时 统一的费米能级 界面两边形成空间电荷区，正负（无界面态） 内建电场，在界面处不连续 空间电荷区的能带发生弯曲，不连续 两边均为耗

4、尽层能带总的弯曲量第8页，共63页，2022年，5月20日，1点47分，星期二VD 称为接触电势差（内建电势差、扩散电势）VD1: p型半导体的内建电势差VD2: n型半导体的内建电势差qVD1: p型半导体的导带底或价带顶的弯曲量qVD2: n型半导体的导带底或价带顶的弯曲量第9页，共63页，2022年，5月20日，1点47分，星期二导带底在交界面处的突变价带顶在交界面处的突变EC 导带阶EV 价带阶第10页，共63页，2022年，5月20日，1点47分，星期二np异质结的平衡能带图EVECEC1EV1EV2EC2第11页，共63页，2022年，5月20日，1点47分，星期二（2）突变同型异

5、质结能带图Eg1Eg2ECEV形成突变nn异质结前的平衡能带图第12页，共63页，2022年，5月20日，1点47分，星期二形成突变nn异质结后的平衡能带图ECqVD1EV第13页，共63页，2022年，5月20日，1点47分，星期二Eg小的n型半导体一边形成了电子的积累层，另一边形成电子的耗尽层第14页，共63页，2022年，5月20日，1点47分，星期二pp异质结平衡能带图EVEC第15页，共63页，2022年，5月20日，1点47分，星期二2. 考虑界面态时的能带图引入界面态的主要原因：形成异质结的两种半导体材料的晶格失配晶格常数 a1，a2, 且 a1 0, 且kT Jn Jp第33页

6、，共63页，2022年，5月20日，1点47分，星期二高势垒尖峰情形异质pn结（发射机制）由n区注入p区的电子电流密度由p区注入n区的电子电流密度正向偏压时第34页，共63页，2022年，5月20日，1点47分，星期二若m1*=m2*, 则总电子电流密度正向偏压时9.2.2 异质pn结的注入特性（自学）第35页，共63页，2022年，5月20日，1点47分，星期二9.3 半导体异质结量子阱结构及 其电子能态与特性9.3.1 半导体调制掺杂异质结构界面量子阱1. 界面量子阱中二维电子气的形成及电子能态调制掺杂异质结构：由宽禁带重掺杂的n型AlxGa1-xAs和不掺杂的GaAs组成的异质结。第36

7、页，共63页，2022年，5月20日，1点47分，星期二EFGaAsn+-AlxGa1-xAs调制掺杂异质结界面处能带图二维电子气在GaAs近结处形成电子的势阱E第37页，共63页，2022年，5月20日，1点47分，星期二0zV(z)调制掺杂异质结势阱区内电子势能函数第38页，共63页，2022年，5月20日，1点47分，星期二GaAs的导带底位于布里渊区中心 k = 0, 导带底附近电子的 m* 各向同性用分离变量法求解第39页，共63页，2022年，5月20日，1点47分，星期二第40页，共63页，2022年，5月20日，1点47分，星期二X-y平面内的平面波，对应的能量电子在 z 方向

8、被局限在几到几十个原子层范围的量子阱中，能量 Ez 量子化第41页，共63页，2022年，5月20日，1点47分，星期二调制掺杂异质结势阱中的电子在与结平行的平面(x-y)内作自由电子运动，实际就是在量子阱区内准二维运动，称为二维电子气。Exy连续，Ez量子化。二维电子气(2DEG)2. 二维电子气的子带及态密度异质结势阱中电子的能量第42页，共63页，2022年，5月20日，1点47分，星期二子带异质结势阱中电子的能量Ei 分量相同时，（kx, ky)取值不同的电子能态组成的一个带。求子带中的态密度设二维电子气在 x 和 y 方向的宽度为 L, 则nx, ny 取整数第43页，共63页，20

9、22年，5月20日，1点47分，星期二k与 （k+dk)间的电子态数Ei 取定后第44页，共63页，2022年，5月20日，1点47分，星期二二维电子气中单位面积单位能量间隔的子带态密度异质结二维电子气的电子态密度第45页，共63页，2022年，5月20日，1点47分，星期二0zV(z)E1E2E3Ei 在势阱中的位置0D(E)E1E2E3ED(E)与能量关系第46页，共63页，2022年，5月20日，1点47分，星期二3. 调制掺杂异质结构中电子的高迁移率重掺杂n型AlxGa1-xAs和不掺杂的GaAs形成异质结，其优点 n型AlxGa1-xAs电子供给区 不掺杂的GaAs电子输运区 提高了

10、电子迁移率应用于半导体微波和毫米波器件中异质结高电子迁移率晶体管第47页，共63页，2022年，5月20日，1点47分，星期二9.3.2 双异质结间的单量子阱结构1. 导带量子阱中电子的能态在AlxGa1-xAs上异质外延极薄的GaAs, 再异质外延较厚的AlxGa1-xAs。单量子阱结构的形成第48页，共63页，2022年，5月20日，1点47分，星期二GaAsAlxGa1-xAsAlxGa1-xAs单量子阱结构的能带图不考虑能带弯曲0zV(z)l /2-l /2EC电子势能分布第49页，共63页，2022年，5月20日，1点47分，星期二势能函数电子波函数第50页，共63页，2022年，5

11、月20日，1点47分，星期二电子能量量子阱中电子在平行于结面内的运动是自由的，形成了二维电子气对电子能量 Ez 小于势阱高度 EC 的束缚态阱外第51页，共63页，2022年，5月20日，1点47分，星期二阱内Ez EC 时 电子波函数在势阱区两边的势垒区有一定 的穿透深度 在阱内电子取分立能级E1 , E2 , Ei , 阱内总有一个束缚态 势阱越深，阱内束缚态越多第52页，共63页，2022年，5月20日，1点47分，星期二2. 价带量子阱中的空穴能态二维空穴气（2DHG）单量子阱结构的GaAs中空穴处于价带量子阱中，在与结平行的面内形成二维空穴气。3. 量子阱中的激子激子半导体中电子和空

12、穴因库仑力相互作用而形成的电子、空穴对。第53页，共63页，2022年，5月20日，1点47分，星期二体半导体材料中激子结合能小，在低温、高纯材料中才能观察到半导体量子阱中激子结合能大，在室温下能观察到器件应用中，要求选取晶格匹配的异质结构利用三元或四元合金材料调整材料的晶格常数，使两种材料的晶格常数非常接近GaAs-AlxGa1-xAs, InP-In0.52Al0.48As第54页，共63页，2022年，5月20日，1点47分，星期二9.4 半导体应变异质结应变异质结在一种材料衬底上外延另一种晶格常数不匹配的材料时，若晶格常数相差不太大，外延层的厚度不超过某临界值时，生长的外延层发生弹性形

13、变，在平行于结面方向产生张应变或压缩应变，使其晶格常数改变为与衬底的晶格常数相匹配，同时在与结面垂直的方向也产生相应的应变。第55页，共63页，2022年，5月20日，1点47分，星期二弛豫当外延层的厚度超过临界厚度时，则外延层的应变消失，恢复原来的晶格常数。赝晶生长应变异质结的无界面失配应变层的生长模式。赝晶生长的临界厚度随生长温度的升高而减小，随赝晶组分的不同而改变。应变异质结的应用扩展了异质结材料的种类实现材料人工改性第56页，共63页，2022年，5月20日，1点47分，星期二9.5 半导体超晶格半导体超晶格一种人造材料，由交替生长的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

14、周期小于电子的平均自由程。生长超晶格的技术MBE, MOCVD理想超晶格结构第57页，共63页，2022年，5月20日，1点47分，星期二超晶格材料III-V/III-V, IV/III-V, II-VI/II-VI, IV-VI/IV-VI化合物超晶格材料元素半导体超晶格材料IV/IV非晶态半导体超晶格材料超晶格材料的应用量子阱激光器、量子阱光电探测器、光学双稳态器件、调制掺杂场效应晶体管第58页，共63页，2022年，5月20日，1点47分，星期二超晶格材料的分类成分超晶格：周期性改变薄层的成分。掺杂超晶格：周期性改变同一成分的各薄层中 的掺杂类型。Ga1-xAlxAs/GaAsGaAs Ga1-xAlxAs第59页，共63页，202