1、第6章 異質(zhì)結(jié)和納米結(jié)構(gòu) 兩種不同半導(dǎo)體單晶材料的結(jié)合 8/5/20221第1頁，共33頁。6.1 異質(zhì)結(jié)及其能帶圖 6.1.1異質(zhì)結(jié)的構(gòu)成與類型一、異質(zhì)結(jié)的構(gòu)成異質(zhì)結(jié)由兩種不同的半導(dǎo)體單晶材料結(jié)合而成，在結(jié)合部保持晶格的連續(xù)性，因而這兩種材料至少要在結(jié)合面上具有相近的晶格結(jié)構(gòu)。 1、晶格匹配一般將組成材料的晶格常數(shù)失配度小于0.5% 的搭配稱為晶格匹配，失配度大于0.5% 時則視為晶格失配。8/5/20222第2頁，共33頁。晶格失配率定義為兩種材料晶格常數(shù)之差的絕對值a1-a2與其晶格常數(shù)的平均值a=(a1+a2)/2之比。對異質(zhì)外延，定義為襯底材料與外延層材料晶格常數(shù)之差的絕對值as-a

2、e與外延層晶格常數(shù)ae之比 表6-1 一些半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的晶格失配率材料Ge/SiGe/GaAsGaAs/AlAsGaN/6H-SiCGaN/藍寶石3C-SiC/Si晶格常數(shù)(nm)0.56575/0.543070.56575/0.565330.56533/0.566220.3189/0.30810.3189/0.2747*0.43596/0.54307a1-a2/a4.1%0.07%0.16%3.4%14.9%21.9%as-ae/ae4.0%0.07%0.16%3.39%13.9%24.6%*藍寶石的晶格常數(shù)a=0.4758nm。以藍寶石為襯底進行異質(zhì)外延時，外延物通常取代其表面層的Al原子

3、而與氧原子成鍵，因而與外延層相匹配的是氧子晶格，其晶格常數(shù)為a/。8/5/20223第3頁，共33頁。熱匹配本質(zhì)上也是指的晶格匹配，即不同溫度下的晶格匹配。熱匹配狀況不佳，異質(zhì)結(jié)中就很容易出現(xiàn)由熱失配引起的晶格缺陷。在這個問題上，制備工藝后期的降溫過程很關(guān)鍵。對于常溫失配率小而高溫失配率大的配對，冷卻過快會使高溫下生成的高密度位錯“凍結(jié)”下來，使異質(zhì)結(jié)界面在常溫下具有高密度位錯；對于常溫失配率大而高溫失配率小的配對，雖然快速冷卻可降低異質(zhì)結(jié)界面的位錯密度，但室溫下較大的晶格失配又會在外延層中產(chǎn)生很大應(yīng)力，嚴(yán)重時甚至?xí)雇庋訉影椓选?/5/20224第4頁，共33頁。2、異質(zhì)結(jié)材料依靠合金技術(shù)擴

4、大晶格匹配材料的選擇范圍 AlAs和GaAs，AlSb和GaSbCdTe和InSbGaP和Si，GaAs和Ge，GaN與6H-SiC和ZnO的晶格匹配度也相當(dāng)高 能帶結(jié)構(gòu)配對，但晶格卻很不匹配 8/5/20225第5頁，共33頁。3、應(yīng)變異質(zhì)結(jié)實驗表明，兩種材料晶格常數(shù)不是嚴(yán)重失配，以一種材料為襯底外延生長另一種材料的薄層時，只要生長層足夠薄，也可以形成高品質(zhì)的異質(zhì)結(jié)。這是應(yīng)變作用的結(jié)果。生長層中的原子按照襯底的晶格常數(shù)排列，不是按照自己固有的原子間距。稱此現(xiàn)象為異質(zhì)材料的應(yīng)變生長。生長層產(chǎn)生壓應(yīng)力或拉應(yīng)力。隨著應(yīng)變層的增厚，應(yīng)力逐漸積累到不能維持襯底晶格常數(shù)的程度，就要通過產(chǎn)生位錯等缺陷來釋

5、放，并不再維持襯底的晶格常數(shù)而按自身的晶格常數(shù)生長。因此，應(yīng)變生長層都有一個臨界厚度應(yīng)變層不但有優(yōu)質(zhì)的結(jié)晶品質(zhì)，其禁帶寬度也因為晶格常數(shù)的改變而有所變化8/5/20226第6頁，共33頁?！纠}】根據(jù)表6-1計算在Si襯底上外延Ge應(yīng)變層的臨界厚度。解：將已知條件代入式（6-1），即得 nm此厚度也就是二、三十個原子層的樣子，由此可對應(yīng)變層的厚度有個大致概念。8/5/20227第7頁，共33頁。突變異質(zhì)結(jié)異質(zhì)結(jié)分為兩類： (1)同型異質(zhì)結(jié)同型異質(zhì)結(jié)是指由導(dǎo)電類型相同的兩種不同的半導(dǎo)體單晶材料所形成的異質(zhì)結(jié)。例如二、異質(zhì)結(jié)的分類異質(zhì)結(jié)分為突變異質(zhì)結(jié)和緩變異質(zhì)結(jié)。直接鍵合/液相外延法MBE和MOC

6、VDnn-Ge/Si，nn-Si/GaAs，nn-GaAs/ZnSe，pp-Si/GaP，nn-Si/SiC 構(gòu)成材料的禁帶寬度相差很大，同型異質(zhì)結(jié)往往也會產(chǎn)生較高的接觸電勢差，具有類似于同質(zhì)pn結(jié)的單向?qū)щ娦?8/5/20228第8頁，共33頁。(2)反型異質(zhì)結(jié)反型異質(zhì)結(jié)是指由導(dǎo)電類型相反的兩種不同半導(dǎo)體單晶材料形成的異質(zhì)結(jié)。例如由p型Ge與n型Si構(gòu)成的結(jié)，記為pn-Ge/Si或記為p-Ge/n-Si。如果異質(zhì)結(jié)由n型Ge與p型Si形成，則記為np-Ge/Si或記為n-Ge/p-Si。應(yīng)用中常見的反型異質(zhì)結(jié)，如：pn-Ge/Si；pn-Si/GaAs；pn-Si/ZnS；pn-GaAs/G

7、aP；np-Ge/GaAs；np-Si/GaP等等。通常把窄禁帶材料的名稱寫在前面 8/5/20229第9頁，共33頁。6.1.2 理想異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu) 一、突變反型異質(zhì)結(jié)1、熱平衡狀態(tài)下的能帶結(jié)構(gòu)形成異質(zhì)結(jié)之前的平衡能帶圖示例：p型窄禁帶與n型寬禁帶，且窄禁帶完全包含在寬禁帶中符號定義：W功函數(shù) 電子親和能 費米能級至導(dǎo)帶底或價帶頂距離EC導(dǎo)帶階EV價帶階下標(biāo)“1”和“2”分別表示窄禁帶和寬禁帶材料的物理參數(shù)。 8/5/202210第10頁，共33頁。跟pn同質(zhì)結(jié)的形成過程類似，電子和空穴的轉(zhuǎn)移也在界面兩側(cè)產(chǎn)生空間電荷區(qū) 。正、負空間電荷之間形成電場，也稱為內(nèi)建電場。內(nèi)建電場使能帶彎曲，總彎

8、曲量仍是兩種材料未結(jié)合時的費米能級之差，也即兩種材料的功函數(shù)之差， 即qVD=qVD1+qVD2=EF2EF1=W1 W2從費米能級從電場跟同質(zhì)pn不同之處有兩點：一是因為兩種材料的介電常數(shù)不同，內(nèi)建電場在交界面處會不連續(xù)；二是因為兩種材料的禁帶寬度不同，能帶的彎曲會出現(xiàn)一些新的特征。 8/5/202211第11頁，共33頁。導(dǎo)帶階價帶階n型寬禁帶半導(dǎo)體的導(dǎo)帶翹起一個“尖峰”-電子勢壘qVD2-電子耗盡區(qū)，也即由電離施主構(gòu)成的空間電荷區(qū)；p型窄禁帶半導(dǎo)體的導(dǎo)帶彎下一個“凹口”，-空穴勢壘qVD1，-空穴耗盡區(qū)，也即由電離受主構(gòu)成的空間電荷區(qū)?！鞍伎凇焙汀凹夥濉钡耐瑫r存在起到了一個在窄禁帶p型層

9、表面囤積電子而阻止其向?qū)捊麕型側(cè)的運動。這就是pn異質(zhì)結(jié)的載流子限制作用 8/5/202212第12頁，共33頁。真空能級代表的是電子在真空中的最低能量，是固定不變的。異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)中只有界面上的各個能量狀態(tài)仍保持著接觸前與真空能級的相對關(guān)系。因為電子要向真空發(fā)射必須首先到達界面，所以，若界面附近的能帶發(fā)生了彎曲，界面以內(nèi)的導(dǎo)帶底與真空能級的差就不再是電子親和能，而應(yīng)該是電子親和能加上能帶的彎曲量。8/5/202213第13頁，共33頁。圖9-2 pn-Ge/GaAs異質(zhì)結(jié)平衡能帶圖 表9-1 p型Ge與n型GaAs有關(guān)參數(shù)值實例：p-Ge/n-GaAs突變異質(zhì)結(jié)8/5/202214第14

10、頁，共33頁。圖9-3np異質(zhì)結(jié)的平衡能帶圖n型窄禁帶材料與p型寬禁帶材料構(gòu)成np突變異質(zhì)結(jié)，情況與上述類似，課后自行討論。 8/5/202215第15頁，共33頁。積分一次 再積分一次 在平衡pn結(jié)的勢壘區(qū)中，電勢分布具有拋物線形式. 2、熱平衡狀態(tài)下的接觸電勢差和空間電荷區(qū)寬度 8/5/202216第16頁，共33頁。2、熱平衡狀態(tài)下的接觸電勢差和空間電荷區(qū)寬度 qVD= qVD1+qVD2=W1-W2 結(jié)兩邊的空間電荷區(qū)寬度 8/5/202217第17頁，共33頁。Exx2x1x0E1,maxE2,max12結(jié)兩邊雜質(zhì)分布是均勻的，電場結(jié)兩邊線性變化，其最大值出現(xiàn)在異質(zhì)結(jié)界面上。12，結(jié)

11、兩邊的電場會在界面上不連續(xù)，即p型側(cè)和n型側(cè)的最大電場強度不相等。介電常數(shù)較大的一邊，其最大電場強度較低 EEmx8/5/202218第18頁，共33頁。同質(zhì)pn突變結(jié)的勢壘電容單位面積勢壘區(qū)內(nèi)的總電量按定義得單位面積勢壘電容（勢壘比電容）表達式這一結(jié)果與平行板電容器公式在形式完全一樣 對p+n結(jié)或n+p結(jié)，只需將NB替換為輕摻雜側(cè)的雜質(zhì)濃度8/5/202219第19頁，共33頁。3、勢壘電容CT=ACTS 1/CT2與外加電壓U呈線性變化關(guān)系。用C-V測試儀測出一個突變pn異質(zhì)結(jié)的勢壘電容CT在不同外加電壓U下的值，作出1/CT2對U的函數(shù)圖，該圖形應(yīng)為一直線。將該直線延長到與電壓軸相交，即

12、可由交點的坐標(biāo)定出該異質(zhì)結(jié)的接觸電勢差VD。此外，由1/CT2U直線的斜率 算出另一種材料（外延層）的未知雜質(zhì)濃度 8/5/202220第20頁，共33頁。二、突變同型異質(zhì)結(jié) 1、熱平衡狀態(tài)下的能帶結(jié)構(gòu)兩種材料同為n型的突變同型異質(zhì)結(jié)因電子從費米能級高的寬禁帶一邊向窄禁帶一邊轉(zhuǎn)移而在窄禁帶一邊形成電子積累層（勢阱） ，在寬禁帶一邊形成耗盡層（勢壘） 。而在反型異質(zhì)結(jié)中兩邊都成為耗盡層。圖9-4nn異質(zhì)結(jié)的平衡能帶圖 8/5/202221第21頁，共33頁。同型異質(zhì)結(jié)中的導(dǎo)帶階和價帶階與反型異質(zhì)結(jié)相同 導(dǎo)帶階價帶階注意pp同型異質(zhì)結(jié)與np反型異質(zhì)結(jié)的尖峰和凹口在價帶。勢阱究竟會出現(xiàn)在哪邊 8/5

13、/202222第22頁，共33頁。2、同型異質(zhì)結(jié)的勢壘高度和勢阱深度電中性條件和泊松方程同樣可以求出接觸電勢差的表達式 決定了qVD2與qVD1的比例，同時也決定了這種分配比例隨能帶彎曲程度的變化情況 VD的變化隨摻雜濃度、異質(zhì)結(jié)材料搭配、偏置電壓U的改變而改變 偏置狀態(tài)，只是要將式中的VD改為（VD-U），VD1改為（VD1-U1），VD2改為（VD2-U2）。U1+U2=U 對nn結(jié)，寬禁帶一側(cè)加正電壓相當(dāng)于反向偏置，外加電壓記為-U，能帶的總彎曲量為q(VD+U)，窄禁帶一邊的勢阱深度為（VD1+U1），寬禁帶一邊的勢壘高度則為（VD2+U2）。8/5/202223第23頁，共33頁。勢

14、阱深度隨能帶總彎曲量的增加而變化 ND1ND2時，勢阱所占比例小，但它會隨著窄禁帶材料相對摻雜濃度的降低而增大。這說明，能帶彎曲主要發(fā)生在輕摻雜一邊nn異質(zhì)結(jié)對電子陷阱作用，就要降低其勢阱層的摻雜濃度；對電子勢壘作用，就要提高其勢阱層的摻雜濃度，使勢阱變淺，勢壘升高。1ND12ND2且勢阱深度q(VD1+U1)kT的情況下，能帶彎曲集中在寬禁帶材料一側(cè)勢壘增高，這時的nn結(jié)猶如一個肖特基接觸 8/5/202224第24頁，共33頁。6.1.3、界面態(tài)對異質(zhì)結(jié)能帶結(jié)構(gòu)的影響 1)晶格失配定義：兩種材料的晶格常數(shù)之差與其平均晶格常數(shù)之比。 幾種半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的晶格失配異質(zhì)結(jié)中界面態(tài)主要源于構(gòu)成材料之

15、間的晶格失配 8/5/202225第25頁，共33頁。2) 界面態(tài)密度突變異質(zhì)結(jié)的界面態(tài)密度即界面上的懸掛鍵密度NS定義為兩種材料在交界面處的鍵密度之差。即 NS1和NS2由構(gòu)成材料的晶格常數(shù)及界面的晶向決定 表9-3 不同異質(zhì)結(jié)和不同晶向界面的懸掛鍵密度異質(zhì)結(jié)晶格常數(shù)(nm)懸掛鍵密度(cm-2)Ge/GaAs0.56575/0.56531(111)面 1.21012(110)面1.41012(100)面2.01012Ge/Si0.56575/0.54307(111)面 6.21013(110)面7.51013(100)面1.110148/5/202226第26頁，共33頁。舉例：計算由同為

16、金剛石型結(jié)構(gòu)的兩塊半導(dǎo)體構(gòu)成的異質(zhì)結(jié)的懸掛鍵密度，其界面為(111)晶面。 (111)晶面為正三角形，面積是(3a2)/2，a為晶格常數(shù)。包含在這個面中的鍵數(shù)為2，所以晶面(111)的鍵密度是4/(3a2)。 8/5/202227第27頁，共33頁。對晶格常數(shù)分別為a1和a2（a1a2)的兩塊半導(dǎo)體形成的異質(zhì)結(jié)，其懸掛鍵密度對(111)面為 金剛石晶胞中的(110)晶面為邊長分別為a和2 a的矩形，所含原子數(shù)為2（四個1/4頂角原子和兩個1/2面心原子），但（110）面是雙鍵相連的面，因而鍵密度為4/(2 a2) 8/5/202228第28頁，共33頁。對 (100)晶面為(100)晶面為邊長

17、a的正方形，所含原子數(shù)也為2（一個面心原子和四個1/4頂角原子），也是雙鍵相連，因而鍵密度為4/a2 上列公式也適合于閃鋅礦結(jié)構(gòu) 低密度的界面態(tài)，無論其性質(zhì)如何，都不會對異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)帶來實質(zhì)性的影響。但密度較高時，界面態(tài)中的電荷雖不會改變結(jié)兩側(cè)能帶彎曲的方向，但已明顯改變某一側(cè)空間電荷區(qū)的寬度和勢壘高度。當(dāng)有高密度的界面態(tài)存在于結(jié)合面上時，理想狀態(tài)下因費米能級差應(yīng)該從高費米能級側(cè)轉(zhuǎn)移到低費米能級側(cè)的電子就會被界面態(tài)所截收，能帶彎曲主要受界面態(tài)的控制，彎曲程度甚至方向都有可能被界面電荷所改變 8/5/202229第29頁，共33頁。與前面兩章討論的情況相似，當(dāng)金剛石結(jié)構(gòu)晶體的表面態(tài)密度達到1

18、1013m-2以上時，整個系統(tǒng)的費米能級即被“釘扎”在位于EV之上約1/3禁帶寬度的表面費米能級處。對于n型半導(dǎo)體，懸掛鍵起受主作用，n型半導(dǎo)體就會向它們轉(zhuǎn)移電子而使其靠近界面的能帶向上翹 ；對于p型半導(dǎo)體，懸掛鍵起施主作用，p型半導(dǎo)體就會向它們轉(zhuǎn)移空穴而使其界面附近的能帶向下彎。8/5/202230第30頁，共33頁。高密度界面態(tài)使異質(zhì)結(jié)界面兩側(cè)的能帶情況發(fā)生變化pn結(jié)pp結(jié)np結(jié)（a）類施主型界面態(tài)pn結(jié)nn結(jié)np結(jié)（b）類受主型界面態(tài)圖6-6 高密度界面態(tài)影響下的異質(zhì)結(jié)能帶圖界面態(tài)接受空穴（即釋放電子）后帶上大量正電荷，就會使與其緊鄰的n型半導(dǎo)體的能帶也往下彎成為電子的積累層，而不是理想pn異質(zhì)結(jié)那樣的耗盡層 8/5/202231第31頁，共33頁。對高密度的施主