第九章半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的組成與生長(zhǎng),Part1,第九章,9.1半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的一般性質(zhì),9.2半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu),9.3異質(zhì)PN結(jié)的注入特性,9.4理想突變異質(zhì)結(jié)的伏安特性,9.1半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的一般性質(zhì),由兩種不同的半導(dǎo)體單晶材料形成的PN結(jié)稱為異質(zhì)結(jié)。1951年由Gubanov首先提出了異質(zhì)結(jié)的概念；1957年克羅默得到了“導(dǎo)電類型相反的兩種不同的半導(dǎo)體單晶材料制成的異質(zhì)結(jié)，比同質(zhì)結(jié)具有更高的注入效率。”這一重要結(jié)論。1960年IBM公司利用汽相外延生長(zhǎng)技術(shù)成功地實(shí)現(xiàn)了異質(zhì)結(jié)構(gòu)。1969年人類制備出了第一支異質(zhì)結(jié)激光二極管。,(1)反型異質(zhì)結(jié),(2)同型異質(zhì)結(jié),由導(dǎo)電類型相反的兩種不同的半導(dǎo)體單晶材料形成的異質(zhì)結(jié)稱為反型異質(zhì)結(jié)。如：P型Ge與N型GaAs構(gòu)成的異質(zhì)結(jié)，記為p-nGe-GaAs或(p)Ge-(n)GaAs,由導(dǎo)電類型相同的兩種不同的半導(dǎo)體單晶材料形成的異質(zhì)結(jié)稱為同型異質(zhì)結(jié)。如：n型Ge與n型GaAs所形成的結(jié)，記為n-nGe-GaAs或(n)Ge-(n)GaAs,一、異質(zhì)結(jié)的分類,1.按兩種材料導(dǎo)電類型的不同來分：,一、異質(zhì)結(jié)的分類,（1）I型異質(zhì)結(jié)：禁帶寬度小的半導(dǎo)體材料的導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂均處于寬禁帶半導(dǎo)體材料的禁帶內(nèi)。,（2）I型異質(zhì)結(jié)：兩種半導(dǎo)體材料的禁帶相互交錯(cuò)。,（3）型異質(zhì)結(jié)：兩種半導(dǎo)體材料的禁帶完全錯(cuò)開。,2.按兩種材料能帶的相對(duì)位置來分：,一、異質(zhì)結(jié)的分類,（1）突變型異質(zhì)結(jié)：從一種半導(dǎo)體材料向另一種半導(dǎo)體材料的過渡只發(fā)生在幾個(gè)原子距離范圍內(nèi)。（2）緩變型異質(zhì)結(jié)：從一種半導(dǎo)體材料向另一種半導(dǎo)體材料的過渡發(fā)生于幾個(gè)擴(kuò)散長(zhǎng)度范圍內(nèi)。,3.按從一種材料向另一種材料過渡的變化程度來分：,二、異質(zhì)結(jié)的組成,1、元素半導(dǎo)體：Ge、Si；2、-族半導(dǎo)體：GaAs、AlAs、InAs、GaP、InP、GaSb、InSb、AlSb等立方系閃鋅礦；-族氮化物：BN、GaN、InN、AlN等六方晶系；3、-族半導(dǎo)體：CdTe、HgTe、ZnTe、ZnSe、CdS、ZnS、CdS等閃鋅礦；4、-族半導(dǎo)體：PbTe、SnTe等NaCl結(jié)構(gòu)（離子晶體）；5、氧化物半導(dǎo)體：ZnO。,三、異質(zhì)結(jié)的生長(zhǎng)技術(shù),1.液相外延技術(shù)（LPE）2.汽相外延技術(shù)（VPE）3.金屬有機(jī)化學(xué)汽相沉積技術(shù)（MOCVD）4.分子束外延技術(shù)（MBE）,9.2異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu),概述,當(dāng)兩種半導(dǎo)體材料接觸在一起形成異質(zhì)結(jié)時(shí)，異質(zhì)結(jié)兩邊的費(fèi)米能級(jí)要趨于一致，引起電荷的流動(dòng)，導(dǎo)致在界面附近形成空間電荷區(qū)、內(nèi)建電場(chǎng)，由于結(jié)兩邊材料不同，特別是兩邊材料介電常數(shù)的不同，導(dǎo)致在異質(zhì)結(jié)的界面處盡管電通量是連續(xù)的，但場(chǎng)強(qiáng)一般不連續(xù)，形成界面處電場(chǎng)和電勢(shì)的突變。,概述,由于電勢(shì)的不連續(xù)以及禁帶寬度的不一致，使得異質(zhì)結(jié)界面附近的能帶產(chǎn)生突變，即產(chǎn)生了“尖峰”、“凹口”（或下陷）一些與同質(zhì)結(jié)不同的情況，這些將嚴(yán)重地影響載流子的運(yùn)動(dòng)，使得異質(zhì)結(jié)具有一些同質(zhì)結(jié)所沒有的特性。,一、不考慮界面態(tài),1、突變反型異質(zhì)結(jié),一個(gè)P型A材料和一個(gè)n型B材料形成的異質(zhì)結(jié)。A、B兩材料在未形成異質(zhì)結(jié)前的熱平衡能帶圖如下圖所示：,下標(biāo)為1的參數(shù)為禁帶寬度小的半導(dǎo)體材料的物理參數(shù)；下標(biāo)為2的參數(shù)為禁帶寬度大的半導(dǎo)體材料的物理參數(shù)。,一、不考慮界面態(tài),形成異質(zhì)結(jié)時(shí)，由于n型半導(dǎo)體（B材料）的費(fèi)米能級(jí)高于P型半導(dǎo)體（A材料），因此電子從n型半導(dǎo)體流向P型半導(dǎo)體，直到兩塊半導(dǎo)體具有統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí)。由于電子與空穴的流動(dòng)，在n型和P型半導(dǎo)體的交界面附近形成空了間電荷區(qū)，產(chǎn)生自建電場(chǎng)，使電子在空間電荷區(qū)中各點(diǎn)的電勢(shì)分布不同，即有附加電勢(shì)能存在，使空間電荷區(qū)中的能帶發(fā)生彎曲。,即顯然,由于兩種材料的禁帶寬度不同，能帶彎曲不連續(xù)，出現(xiàn)了“尖峰”和“凹口”。尖峰阻止了電子向?qū)拵б粋?cè)的運(yùn)動(dòng)，這就是所謂的“載流子的限制作用”。,一、不考慮界面態(tài),一、不考慮界面態(tài),異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)與同質(zhì)結(jié)的相比有以下特點(diǎn)：,其一、能帶發(fā)生了彎曲。n型半導(dǎo)體能帶的彎曲量是qVD2，且導(dǎo)帶底在交界面處形成一個(gè)向上的“尖峰”。P型半導(dǎo)體能帶的彎曲量是qVD1，導(dǎo)帶底在交界面處形成一個(gè)向下的“凹口”；,其二、能帶在交界面處，有一個(gè)突變。即顯然Ec稱為導(dǎo)帶階，Ev稱為價(jià)帶階。,其三、尖峰的位置處于勢(shì)壘上的什么位置由兩邊材料的相對(duì)摻雜濃度決定。,其四、在半導(dǎo)體器件中關(guān)心的是少子運(yùn)動(dòng)。因?yàn)樵赑N異質(zhì)結(jié)中，Ec對(duì)P區(qū)電子向N區(qū)的運(yùn)動(dòng)起勢(shì)壘作用，而Ev則對(duì)N區(qū)空穴向P區(qū)運(yùn)動(dòng)沒有明顯的影響。,一、不考慮界面態(tài),一、不考慮界面態(tài),2、突變同型異質(zhì)結(jié),n型A材料(用1表示)和n型B材料(用2表示)形成的異質(zhì)結(jié)，即nN結(jié)。A、B兩材料在未形成異質(zhì)結(jié)前的熱平衡能帶圖如下圖所示。,一、不考慮界面態(tài),這兩種半導(dǎo)體材料緊密接觸形成異質(zhì)結(jié)時(shí)，B材料的費(fèi)米能級(jí)比A材料的高，因此電子從B流向A，在兩者的界面處A材料一邊形成了電子積累層，B材料一邊則形成了耗盡層（在反型異質(zhì)結(jié)中，界面兩邊形成的都是耗盡層）。,同理：,二、計(jì)入界面態(tài)的影響,在異質(zhì)結(jié)的界面處引入界面態(tài)的原因,晶格失配的定義：當(dāng)兩種半導(dǎo)體材料形成異質(zhì)結(jié)時(shí)，在交界面處晶格常數(shù)小的半導(dǎo)體材料表面出現(xiàn)了一部分不飽和的鍵，即出現(xiàn)了不飽和的懸掛鍵。（a1，a2分別為兩種半導(dǎo)體晶體的晶格常數(shù)）突變異質(zhì)結(jié)交界面處的懸掛鍵密度Ns為兩種材料在交界面處的懸掛鍵密度之差。即Ns=NS1-NS2,主要原因：形成異質(zhì)結(jié)的兩種半導(dǎo)體材料的晶格失配，在交界面處晶格常數(shù)小的半導(dǎo)體材料中出現(xiàn)了一部分不飽和的鍵懸掛鍵。,二、計(jì)入界面態(tài)的影響,以金剛石結(jié)構(gòu)為例：以（111）晶面為交界面時(shí)，其懸掛鍵密度為：以（110）晶面為交界面時(shí)，其懸掛鍵密度為：以（100）晶面為交界面時(shí)，其懸掛鍵密度為：,二、計(jì)入界面態(tài)的影響,其他原因：由于兩種材料熱膨脹系數(shù)不同，在高溫下產(chǎn)生懸掛鍵，在交界面引入界面態(tài)；在化合物半導(dǎo)體構(gòu)成的異質(zhì)結(jié)中，化合物半導(dǎo)體中的成分元素的互擴(kuò)散也引入界面態(tài)。,對(duì)于n型半導(dǎo)體，懸掛鍵起受主作用，因此，表面處的能帶向上彎曲。對(duì)于P型半導(dǎo)體，懸掛鍵起施主作用，因此，表面處的能帶向下彎曲。顯然，這些懸掛鍵對(duì)半導(dǎo)體起補(bǔ)償作用。,界面態(tài)可分為施主態(tài)（電離后帶正電）和受主態(tài)（電離后帶負(fù)電）兩種類型。,二、計(jì)入界面態(tài)的影響,1、界面態(tài)密度較小,無論是施主態(tài)還是受主態(tài)，都不影響異質(zhì)結(jié)能帶的基本形狀和結(jié)構(gòu)。以PN異質(zhì)結(jié)為例,設(shè)：窄帶區(qū)的空間電荷為Q1寬帶區(qū)的空間電荷為Q2界面態(tài)上電荷為QIS,二、計(jì)入界面態(tài)的影響,當(dāng)有外加偏壓Va作用時(shí)，異質(zhì)結(jié)兩邊的空間電荷應(yīng)滿足：,其中：,二、計(jì)入界面態(tài)的影響,因?yàn)椋?當(dāng)界面電荷QIS是受主電荷時(shí)，即與Q1相同，此時(shí)與無界面態(tài)電荷QIS時(shí)相比較，顯然Q1減小了，而Q2則增大了。,若QIS很小，得到：,式中第一項(xiàng)為由界面態(tài)影響在空間電荷區(qū)產(chǎn)生的電荷量，第二項(xiàng)為不考慮界面態(tài)時(shí)的空間電荷區(qū)電荷量。,分析空間電荷區(qū)電荷量的變化：,二、計(jì)入界面態(tài)的影響,令L1=x0-x1,L2=x2-x0，L1、L2為P區(qū)和N區(qū)的耗盡層寬度，則Q1、Q2可改寫為：,qNAL1是計(jì)入界面態(tài)影響后空間電荷區(qū)的總電荷是界面態(tài)影響引入的電荷qNAL10是不計(jì)界面態(tài)影響時(shí)的空間電荷區(qū)總電荷,分析空間電荷區(qū)寬度的變化：,二、計(jì)入界面態(tài)的影響,L10、L20分別為不考慮界面態(tài)時(shí)P區(qū)和N區(qū)的耗盡層寬度，因此有：,則：,與QIS同號(hào)的耗盡區(qū)寬度減小了，即P區(qū)的耗盡區(qū)寬度減小了；而與QIS反號(hào)的耗盡區(qū)寬度增大了，即N區(qū)的增大了。減小與增加的量與界面態(tài)電荷量QIS，以及介電常數(shù)成正比。,二、計(jì)入界面態(tài)的影響,2、界面態(tài)密度很大,當(dāng)半導(dǎo)體表面存在足夠大的界面態(tài)時(shí)，半導(dǎo)體表面的狀態(tài)完全由界面態(tài)電荷決定，與功函數(shù)等沒有關(guān)系。,當(dāng)表面態(tài)為施主態(tài)時(shí)：（被電子占據(jù)時(shí)呈電中性，釋放電子后呈正電性）,對(duì)于n型半導(dǎo)體：,在半導(dǎo)體表面處形成很薄的多子積累層。,二、計(jì)入界面態(tài)的影響,對(duì)于P型半導(dǎo)體：,在半導(dǎo)體表面形成耗盡層，層內(nèi)電荷為電離受主。該耗盡層很厚，其厚度由摻雜濃度決定。,二、計(jì)入界面態(tài)的影響,當(dāng)表面態(tài)為受主態(tài)時(shí)：（能級(jí)空著時(shí)呈電中性，接受電子后帶負(fù)電）,對(duì)于n型半導(dǎo)體：,在半導(dǎo)體表面處形成很厚的耗盡層，層內(nèi)電荷為電離施主。厚度由摻雜濃度決定。,二、計(jì)入界面態(tài)的影響,對(duì)于P型半導(dǎo)體：,在半導(dǎo)體表面處形成很薄的多子積累層。,二、計(jì)入界面態(tài)的影響,對(duì)異質(zhì)結(jié)來說，當(dāng)界面態(tài)密度很大，且為施主態(tài)時(shí)，這些施主態(tài)電離后使界面帶正電荷，則pN(圖a)、nP(圖b)、pP(圖c)異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)如下圖所示：,二、計(jì)入界面態(tài)的影響,當(dāng)界面態(tài)密度很大，且為受主態(tài)時(shí)，這些受主態(tài)被電離后使界面帶負(fù)電荷，則pN、nP、nN異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)如下圖所示：,二、計(jì)入界面態(tài)的影響,界面態(tài)不同，在界面形成的勢(shì)壘也不同，此時(shí)界面態(tài)起決定性的作用，而界面兩側(cè)半導(dǎo)體材料的固有性質(zhì)（如功函數(shù)、電子親和能、介電常數(shù)等）對(duì)界面勢(shì)壘沒有影響，這是由于界面態(tài)上大量電荷的屏蔽作用所致。,三、突變反型異質(zhì)結(jié)的接觸電勢(shì)差,設(shè)：構(gòu)成異質(zhì)結(jié)的兩種半導(dǎo)體材料即P型和N型中的雜質(zhì)都是均勻分布的，其濃度分別為NA1和ND2，勢(shì)壘區(qū)的正、負(fù)空間電荷區(qū)的寬度分別為：d1=x0x1d2=x2x0取x=x0為交界面處坐標(biāo)。泊松方程為：,式中，、分別為P型及N型半導(dǎo)體的介電常數(shù)。,、,三、突變反型異質(zhì)結(jié)的接觸電勢(shì)差,積分并根據(jù)邊界條件可得到兩邊空間電荷區(qū)內(nèi)的電勢(shì)分布V1(x)、V2(x),1、無外加電壓時(shí),由V1(x0)=V2(x0)可得到接觸電勢(shì)差：勢(shì)壘區(qū)寬度：,在交界面兩側(cè)，兩種半導(dǎo)體勢(shì)壘區(qū)寬度分別為：,耗盡區(qū)總電荷量為：,三、突變反型異質(zhì)結(jié)的接觸電勢(shì)差,2、外加電壓V時(shí),三、突變反型異質(zhì)結(jié)的接觸電勢(shì)差,單位面積異質(zhì)結(jié)的電容為,以上各式只要將下標(biāo)1與2互換，就可用于突變NP異質(zhì)結(jié)。,耗盡區(qū)總電荷量為：,四、突變同型異質(zhì)結(jié)的接觸電勢(shì)差,對(duì)于突變同型異質(zhì)結(jié)（nn結(jié)），窄禁帶一側(cè)是多子積累層，而寬禁帶一側(cè)是耗盡層。,1、無外加電壓時(shí),求解泊松方程可得到：,2、有外加偏壓時(shí),只要用(VDV)、(VD1V1)、(VD2V2)代替上式中的VD、VD1、VD2即可。同理，將上式中的施主雜質(zhì)濃度改為受主雜質(zhì)濃度，即可得到用于PP結(jié)的對(duì)應(yīng)公式。,四、突變同型異質(zhì)結(jié)的接觸電勢(shì)差,9.3異質(zhì)PN結(jié)的注入特性,一、異質(zhì)PN結(jié)的高注入比特性,利用擴(kuò)散模型可以獲得異質(zhì)PN結(jié)的電子電流密度Jn和空穴電流密度Jp的表達(dá)式，將Jn和Jp取比值得到異質(zhì)結(jié)的注入比。,人們針對(duì)不同的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，提出了多種異質(zhì)結(jié)伏安特性的模型，如：擴(kuò)散模型、熱電子發(fā)射模型、隧道模型、發(fā)射-復(fù)合模型、隧道-復(fù)合模型、擴(kuò)散-發(fā)射模型等等。,穩(wěn)態(tài)情況下，p型半導(dǎo)體中注入的少子電子運(yùn)動(dòng)遵守的連續(xù)性方程為：,其通解為：,一、異質(zhì)PN結(jié)的高注入比特性,代入邊界條件，可求出常數(shù)A和B，可得到注入到p區(qū)的少子電子的分布為：,同理，可求得注入到n區(qū)的少子空穴的分布為：,由擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)可求出流過結(jié)面的電子和空穴電流：,由圖可以看出，p型半導(dǎo)體中少子濃度n10與n型半導(dǎo)體中多子濃度n20的關(guān)系為：,同理，n型半導(dǎo)體中少子空穴濃度P20與P型半導(dǎo)體中多子空穴濃度P10的關(guān)系為：,一、異質(zhì)PN結(jié)的高注入比特性,一、異質(zhì)PN結(jié)的高注入比特性,將Jn和Jp中的少子濃度分別用n區(qū)和p區(qū)的多子濃度n20和p10代入，得：,在上兩式中，若n20和p10在同一數(shù)量級(jí)，那么前面的系數(shù)也在相同的數(shù)量級(jí)，消去相同的因式后，它們所不同的是：,對(duì)于異質(zhì)結(jié)，EC和EV都是正值，故有JnJp，說明異質(zhì)結(jié)的電流主要有電子電流構(gòu)成。,一、異質(zhì)PN結(jié)的高注入比特性,在P區(qū)和N區(qū)雜質(zhì)完全電離的情況下，有n20=ND2，P10=NA1所以有：,Dn1、Dp2分別為兩種半導(dǎo)體材料中載流子的擴(kuò)散系數(shù)Lp2、Ln1分別為載流子的擴(kuò)散長(zhǎng)度,式中Dn1與Dp2，Lp2與Ln1相差不大，且都在同一數(shù)量級(jí)然而式中的則遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1的。,一、異質(zhì)PN結(jié)的高注入比特性,1、對(duì)于同質(zhì)結(jié),所以：,同樣，Dn與Dp，Lp與Ln相差不大，也都在同一數(shù)量級(jí)，因此，決定同質(zhì)結(jié)注入比的是摻雜濃度，要獲得高注入比，就要求PN結(jié)的一邊應(yīng)高摻雜，所以晶體管的發(fā)射區(qū)都是高摻雜的。,由于,一、異質(zhì)PN結(jié)的高注入比特性,2、對(duì)于異質(zhì)結(jié),上式中的E是指數(shù)項(xiàng)，是決定注入比的關(guān)鍵，即使ND2EC1故有n1n2,室溫下，k0T的數(shù)值很小，只要EC2-EC1的數(shù)值比k0T大一倍，n1就比n2幾乎大一個(gè)數(shù)量級(jí)。一般情況下，Ec1遠(yuǎn)低于Ec2，從而就保證了n1n2，實(shí)現(xiàn)超注入。,二、異質(zhì)PN結(jié)的超注入現(xiàn)象,超注入現(xiàn)象是異質(zhì)結(jié)特有的另一重要特性。這一特性已在器件開發(fā)中廣泛應(yīng)用，如在半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)激光器的設(shè)計(jì)中，利用異質(zhì)結(jié)的超注入特性，可使窄禁帶區(qū)的注入少子濃度達(dá)到108cm-3以上，保證了實(shí)現(xiàn)異質(zhì)結(jié)激光器所要求的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的必備條件。,9.4理想突變異質(zhì)結(jié)的伏安特性,一、低勢(shì)壘尖峰形異質(zhì)結(jié)的I-V特性,低勢(shì)壘尖峰形異質(zhì)結(jié)：勢(shì)壘尖峰頂?shù)陀赑型區(qū)導(dǎo)帶底。其能帶結(jié)構(gòu)如圖所示：由n區(qū)擴(kuò)散向結(jié)處的電子流可以越過尖峰勢(shì)壘進(jìn)入P區(qū)，這樣該異質(zhì)pn結(jié)的電流主要由擴(kuò)散機(jī)制決定，可以利用擴(kuò)散模型來處理。,一、低勢(shì)壘尖峰形異質(zhì)結(jié)的I-V特性,施加一正向偏壓V時(shí)，通過該異質(zhì)結(jié)的電流密度為：,式中：Dn1、Ln1分別為窄禁帶半導(dǎo)體中電子的擴(kuò)散系數(shù)和擴(kuò)散長(zhǎng)度；Dp2、Lp2分別為寬禁帶半導(dǎo)體中空穴的擴(kuò)散系數(shù)和擴(kuò)散長(zhǎng)度n10和p20分別為窄禁帶半導(dǎo)體（p型）和寬禁帶半導(dǎo)體（n型）的平衡少子濃度。上式表明，在正向偏壓下，異質(zhì)pn結(jié)的電流隨電壓按指數(shù)規(guī)律增加。,一、低勢(shì)壘尖峰形異質(zhì)結(jié)的I-V特性,式中的Jn、Jp也可用n區(qū)、p區(qū)多子濃度n20、p10表示：,對(duì)于由窄禁帶P型半導(dǎo)體和寬禁帶n型半導(dǎo)體形成的異質(zhì)pn結(jié)，其Ec和Ev都是正值，且比室溫時(shí)的k0T大得多，固有JnJp。,表明通過異質(zhì)結(jié)面的電流主要由電子電流構(gòu)成，而空穴電流所占的比列很小。,二、高勢(shì)壘尖峰形異質(zhì)結(jié)的I-V特性,高勢(shì)壘尖峰形異質(zhì)pn結(jié)：n區(qū)的勢(shì)壘尖峰頂較P區(qū)導(dǎo)帶底高得多。其能帶結(jié)構(gòu)如圖所示：n區(qū)的勢(shì)壘尖峰頂較P區(qū)導(dǎo)帶底高得多，那么n區(qū)擴(kuò)散向結(jié)面處的電子，只有能量高于勢(shì)壘尖峰的才能通過發(fā)射機(jī)制進(jìn)入P區(qū)，可以采用熱電子發(fā)射模型來處理。,二、高勢(shì)壘尖峰形異質(zhì)結(jié)的I-V特性,施加正偏壓時(shí)，通過該異質(zhì)pn結(jié)的總電流密度為:,式中J1為P區(qū)注