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1、半导体结异质结和异质结构第1页，本讲稿共32页本征半导体载流子浓度本征半导体载流子浓度ni,pi本征半导体本征半导体:ni=pi=n=p=4.9E15(memh/mo）3/4T3/2exp(-Eg/2KT)=AT3/2e(-Eg/2KT)是温度是温度T,禁带宽度禁带宽度Eg的函数的函数,温度越高温度越高,ni越大越大,Eg越宽越宽,ni越小越小T为为3OOK时时,Si:ni=pi=1.4E10/cm*-3nipi=1.96E20/cm-3第2页，本讲稿共32页杂质半导体杂质半导体ni,电子浓度电子浓度n,空穴浓度空穴浓度p之间的关系之间的关系n=nie(Ef-Ei)/kT,P=nie(Ei-E
2、f)/kT,ni2=npEi本征费米能级本征费米能级Ef杂质费米能杂质费米能,在在n型半导体中型半导体中,np,因此因此,EfEi在在p型半导体中型半导体中,pn,因此因此,EiEf第3页，本讲稿共32页n型型p型半导体的能带结构型半导体的能带结构EoEcEvEi,EfiEgEfnEfpEsXsWnWp第4页，本讲稿共32页p-n结形成的内部机理施主和受主,电子和空穴(载流子,移动电荷),空间电荷(固定离子)多数载流子和少数载流子,(载流子的扩散运动,空间电荷区的形成,内建电场的建立),内建电场阻止多数载流子的进一步扩散,增强了少数载流子在反方向的漂移运动,最后达到动态平衡(热平衡,电中性),
3、随温度变化时,平衡被破坏)第5页，本讲稿共32页几个重要参数和概念接触电位差接触电位差:由于空间电荷区存在电场,方向由N到P,因此N区电位比P区高,用V表示,称作接触电位差,它与半导体的类型(禁带宽度),杂质掺杂浓度,环境温度等密切相关,一般为0.几V到 1.几V势垒高度势垒高度:在空间电荷区内电子势能为-qV,因此电子从N区到P区必须越过这个势能高度,该高度称作势势垒高度垒高度第6页，本讲稿共32页PN结的伏安结的伏安(I-V)(I-V)特性：特性：I I为流过为流过PN结的电流；结的电流；Is为为PN结的反向饱和电流，与温度和材料有关的参数，结的反向饱和电流，与温度和材料有关的参数，V为外
4、加为外加电压；电压；Vt=kT/q,为温度的电压当量（温度的电压当量（Vt=26mV.），当外加正向电压），当外加正向电压V为正值且比为正值且比Vt大几倍时大几倍时,正向电流随正向电压的增加按指数规律增大正向电流随正向电压的增加按指数规律增大,PN结为正向导通状态结为正向导通状态.外加反向电压即外加反向电压即v为负为负值，且值，且|v|比比Vt大几倍时，大几倍时，PN结只流过很小的反向饱和电流，且数值上基本不随外加电结只流过很小的反向饱和电流，且数值上基本不随外加电压而变，压而变，PN结呈反向截止状态。由结呈反向截止状态。由PN结的结的I/VI/V特性曲线得到：特性曲线得到：PN结具有单向导电
5、性和非线结具有单向导电性和非线性伏安特性性伏安特性.第7页，本讲稿共32页PN结的正向导电性结的正向导电性 在在PN结上外加一电压结上外加一电压，如果，如果P型一边接正型一边接正极极，N型一边接负极，电流便从型一边接负极，电流便从P型一边流向型一边流向N型一边，空穴和电子都向界面运动，使空间电荷型一边，空穴和电子都向界面运动，使空间电荷区变窄，甚至消失，多数载流子在电场的作用下区变窄，甚至消失，多数载流子在电场的作用下可以顺利通过。如果可以顺利通过。如果N型一边接外加电压的正极，型一边接外加电压的正极，P型一边接负极，则空穴和电子都向远离界面型一边接负极，则空穴和电子都向远离界面的方向运动，使
6、空间电荷区变宽，电流不能流的方向运动，使空间电荷区变宽，电流不能流过。这就是过。这就是PN结的单向导电性。结的单向导电性。第8页，本讲稿共32页PN结加反向电压时结加反向电压时,空间电荷区变宽空间电荷区变宽,电场增强电场增强,阻阻止了多数载流子的扩散止了多数载流子的扩散,而而P区和区和N区的少数载流子电区的少数载流子电子和空穴沿反向电场运动子和空穴沿反向电场运动,产生反向漏电流产生反向漏电流,由于少子由于少子是本征激发是本征激发,它决定于温度而不决定于反向电压它决定于温度而不决定于反向电压,当反向当反向电压增大到一定程度足以把少子全部吸引过来时电压增大到一定程度足以把少子全部吸引过来时,电流达
7、电流达到恒定到恒定,称作反向饱和漏电流称作反向饱和漏电流,当反向电压再增大电流突然当反向电压再增大电流突然增大时增大时,称作称作PN结击穿。如果外电路不能限制电流，则结击穿。如果外电路不能限制电流，则电流会大到将电流会大到将PN结烧毁结烧毁.PN结加反向电压时结加反向电压时,空间电荷区中的正负电荷构成一空间电荷区中的正负电荷构成一个电容性的器件。它的电容量随外加电压改变个电容性的器件。它的电容量随外加电压改变,反向时电反向时电容减小正向时电容增大容减小正向时电容增大.PN结的反向电压特性及电容特性结的反向电压特性及电容特性第9页，本讲稿共32页半导体同质半导体同质p-n结结,异质结的形成异质结
8、的形成采用不同的掺杂工艺采用不同的掺杂工艺,将将P型半导体与型半导体与N型半导体制作型半导体制作在同一块半导体上在同一块半导体上,在它们的交界面就形成空间电荷区在它们的交界面就形成空间电荷区称称PN结。结。一块单晶半导体中一块单晶半导体中，一部分掺有受主杂质是，一部分掺有受主杂质是P型半导体，型半导体，另一部分掺有施主杂质是另一部分掺有施主杂质是N型半导体时型半导体时，P型半导体和型半导体和N型型半导体的交界面附近的过渡区称半导体的交界面附近的过渡区称PN结。结。PN结有同质结和异质结两种。用同一种半导体材料结有同质结和异质结两种。用同一种半导体材料制成的制成的PN结叫同质结结叫同质结，由禁带
9、宽度不同的两种半导体材料，由禁带宽度不同的两种半导体材料制成的制成的PN结叫异质结。结叫异质结。制造同质制造同质PN结的方法有合金法、扩散法、离子注入法、结的方法有合金法、扩散法、离子注入法、外延生长法等。外延生长法等。制造异质结通常采用外延生长法制造异质结通常采用外延生长法。第10页，本讲稿共32页PN结的应用结的应用根据根据PN结的材料、掺杂分布、几何结构和偏置条件的不同，利用其基本特结的材料、掺杂分布、几何结构和偏置条件的不同，利用其基本特性可以制造多种功能的晶体二极管。性可以制造多种功能的晶体二极管。1.用用PN结单向导电性可以制作整流二极管、检波二极管和开关二极管，结单向导电性可以制
10、作整流二极管、检波二极管和开关二极管，2.利用击穿特性制作稳压二极管和雪崩二极管；利用击穿特性制作稳压二极管和雪崩二极管；3.利用高掺杂利用高掺杂PN结隧道效应制作隧道二极管；结隧道效应制作隧道二极管；4.利用结电容随外电压变化效应制作变容二极管利用结电容随外电压变化效应制作变容二极管;5.将半导体的光电效应与将半导体的光电效应与PN结相结合还可以制作多种光电器件。结相结合还可以制作多种光电器件。如利如利用前向偏置异质结的载流子注入与复合可以制造半导体激光二极管与半用前向偏置异质结的载流子注入与复合可以制造半导体激光二极管与半导体发光二极管；导体发光二极管；6.利用光辐射对利用光辐射对PN结反
11、向电流的调制作用可以制成光电探测器；结反向电流的调制作用可以制成光电探测器；7.利用光生伏特效应可制成太阳电池利用光生伏特效应可制成太阳电池;8.利用两个利用两个PN结之间的相互作用可以产生放大，振荡等多种电子功能结之间的相互作用可以产生放大，振荡等多种电子功能;PN结是构成双极型晶体管和场效应晶体管的核心，是现代微电子技术、结是构成双极型晶体管和场效应晶体管的核心，是现代微电子技术、光电子技术的基础。光电子技术的基础。第11页，本讲稿共32页半导体异质结半导体异质结基本概念：基本概念：异质结就是一种半导体材料生长在另一种半异质结就是一种半导体材料生长在另一种半导体材料上所形成的接触过渡区。依
12、照两种材料导体材料上所形成的接触过渡区。依照两种材料的导电类型分同型异质结（的导电类型分同型异质结（P-p结或结或N-n结）和异型结）和异型异质异质(P-n或或p-N)结。按照两种材料晶格常数的失配结。按照两种材料晶格常数的失配程度，异质结可分为两类，即匹配型异质结和失配程度，异质结可分为两类，即匹配型异质结和失配型异质结，由于两种异质材料具有不同的物理化学型异质结，由于两种异质材料具有不同的物理化学参数（如电子亲和势、参数（如电子亲和势、能带结构、介电常数、晶能带结构、介电常数、晶格常数等）格常数等）,接触界面处产生各种物理化学属性的接触界面处产生各种物理化学属性的失配，使异质结具有许多不同
13、于同质失配，使异质结具有许多不同于同质PN结的新特性。结的新特性。第12页，本讲稿共32页异质结的能带结构异质结的能带结构 半半导导体异体异质结质结构一般是由两构一般是由两层层以上不同材料所以上不同材料所组组成，它成，它们们各具各具不同的能不同的能带带隙。研究隙。研究较较多的是多的是GaAs 化合物、化合物、SiGe之之类类的半的半导导体合体合金金,目前按异目前按异质结质结中两种材料中两种材料导带导带和价和价带带的的对对准情况可以把异准情况可以把异质结质结分分为为型异型异质结质结和和型异型异质结质结两种，两种异两种，两种异质结质结的能的能带结带结构如构如图图所示。所示。第13页，本讲稿共32页
14、半半导导体异体异质结质结构的基本特性构的基本特性 半半导导体异体异质结质结构，是将不同材料的半构，是将不同材料的半导导体薄膜，依先后次序外延淀体薄膜，依先后次序外延淀积积在同一在同一衬衬底上。如底上。如图图所述的是利用半所述的是利用半导导体异体异质结质结构所作成的半构所作成的半导导体激体激光器光器 基本特性：基本特性：量子效量子效应应：因中因中间层间层的能的能阶较阶较低，低，电电子很容易掉落下来被局限在中子很容易掉落下来被局限在中间层间层，而中，而中间间层层可以只有几可以只有几nm的厚度，因此在如此小的空的厚度，因此在如此小的空间间内，内，电电子的子的 特性会受到量子效特性会受到量子效应应的影
15、响而改的影响而改变变。例如：能。例如：能阶阶量子化、基量子化、基态态能量增加、能能量增加、能态态密度改密度改变变等，其中等，其中能能态态密度与能密度与能阶阶位置，是决定位置，是决定电电子特性很重要的因素。子特性很重要的因素。第14页，本讲稿共32页迁移率迁移率(Mobility)变变大：大：半半导导体的自由体的自由电电子主要是由于外加子主要是由于外加杂质杂质的的贡贡献，因此在一般的半献，因此在一般的半导导体材料中，自由体材料中，自由电电子会受到子会受到杂质杂质的碰撞而减低其行的碰撞而减低其行动动能力。然能力。然 而在异而在异质结质结构中，可将构中，可将杂质杂质加在两加在两边边的的夹层夹层中，中
16、，该杂质该杂质所所贡贡献的献的电电子会掉到中子会掉到中间层间层，因其有，因其有较较低的能量（如低的能量（如图图所示），因此在空所示），因此在空间间上，上，电电子子与与杂质杂质是分开的，所以是分开的，所以电电子的行子的行动动就不会因就不会因杂质杂质的碰撞而受到限制，因此其迁移率就可以大的碰撞而受到限制，因此其迁移率就可以大大增加，大增加，这这是高速是高速组组件的基本要素。件的基本要素。第15页，本讲稿共32页发发光二极管光二极管组组件件(light emitting devices,LED)：因因为为半半导导体异体异质结质结构能将构能将电电子与空穴局限在中子与空穴局限在中间层间层内，内，电电子与
17、空穴的复合率因而增加，所以子与空穴的复合率因而增加，所以发发光的效率光的效率较较大；同大；同时时改改变变量子井的量子井的宽宽度亦可以控制度亦可以控制发发光的光的频频率，所以率，所以现现今的半今的半导导体体发发光光组组件，大都是由异件，大都是由异质结质结构所构所组组成的。半成的。半导导体异体异质结质结构构发发光光组组件，件，相相较较其它其它发发光光组组件，具有高效率、省件，具有高效率、省电电、耐用等、耐用等优优点，因此点，因此应应用广泛。用广泛。第16页，本讲稿共32页激光二极管：激光二极管：半半导导体激光二极管的基本构造，与体激光二极管的基本构造，与发发光光组组件极件极为类为类似，只不似，只不
18、过过激光是二极管必激光是二极管必须须考考虑虑到受激到受激发发光与共振的条件。使用半光与共振的条件。使用半导导体异体异质结质结构，因构，因电电子与空穴很容易掉到中子与空穴很容易掉到中间层间层，因此，因此载载子数目子数目反反转较转较易达成，易达成，这这是具有受激是具有受激发发光的必要条件，而且光的必要条件，而且电电子与空子与空穴被局限在中穴被局限在中间层间层内，其内，其结结合率合率较较大。此外，两旁大。此外，两旁夹层夹层的折射的折射率与中率与中间层间层不同，因而可以将光局限在中不同，因而可以将光局限在中间层间层，致使光不会流，致使光不会流失，而增加激光失，而增加激光强强度，异度，异质结质结构很适合
19、制作激光器，有很大的构很适合制作激光器，有很大的优优点。点。第17页，本讲稿共32页若干半导体杂质掺杂的一些考虑若干半导体杂质掺杂的一些考虑12第18页，本讲稿共32页关于关于Au/ZnO/Si异质结能带结构异质结能带结构第19页，本讲稿共32页器件结构图器件结构图第20页，本讲稿共32页Au/n-ZnO/p-SiAu/n-ZnO/p-Si新型肖特基结新型肖特基结-异质结构异质结构 紫外增强光电晶体管紫外增强光电晶体管 新新型型肖肖特特基基结结-异异质质结结 紫紫外外增增强强光光电电晶晶体体管管，半半导导体体学学报报英英文文版版刊刊登登认认为为论文有新意，并在重要位置（第二篇）刊登论文有新意，
20、并在重要位置（第二篇）刊登 该该新新型型光光电电探探测测器器增增强强了了SiSi光光电电探探测测器器在在紫紫外外（UVUV）波波长长的的响响应应灵灵敏敏度度，具具有重要研究价值有重要研究价值第21页，本讲稿共32页C-V characteristics of Au/n-ZnO SBDAu/n-ZnO SBD第22页，本讲稿共32页Photo-currentresponsewithopticalwavelength第23页，本讲稿共32页不同衬底不同衬底Si材料的材料的ZnO异质结异质结IV及光电特性研究及光电特性研究 采用采用PLD技技术术和微和微电电子平面工子平面工艺艺，用不同表面，用不同表
21、面掺杂掺杂的的Si作作为衬为衬底制底制备备了了ZnO/Si异异质结质结，另外，另外为为改善异改善异质结质结特特性，以性，以p-Si(p-)为衬为衬底底尝试尝试制制备备了了ZnO（含（含Mn0.2）/Si结结构、以及包含构、以及包含SiC缓缓冲冲层层的的ZnO/SiC/Si和和ZnO（含（含Mn0.2）/SiC/Si结结构。构。测试测试了了样样品的品的XRD曲曲线线，IV特性曲特性曲线线和和PE（光（光电电响响应应）特性曲）特性曲线线，研究，研究样样品作品作为为二极管，二极管，光探光探测测器的性能。器的性能。第24页，本讲稿共32页样样品制品制备备第一第一组组ZnO/Si异质结样品(1)(4)：
22、准备四种不同表面掺杂的Si材料作为衬底。分别为样品(1)n-，电阻率=4.06cm。样品(2)p+，=16.8mcm。样品(3)p-，=11.126cm。样品(4)n+，=6.6mcm。工艺流程如下：清洗后将衬底氧化（温度1050，干氧10min湿氧40min干氧10min）生成SiO2外延，去除背底SiO2。干燥后光刻出圆形有源区，圆孔直径为500m。然后采用PLD技术在样品表面制备高质量ZnO薄膜。PLD工艺采用德国Lamda Physik公司的LPXKRF受激准分子激光器(excimer laser)，输出波长为248 nm，脉宽20ns，频率5Hz，功率200mj/pulse，通过透镜
23、以45度角聚焦在靶上，靶材为高纯ZnO陶瓷靶，直径32mm。抽真空至6.2104Pa后，通入O2至20Pa，在700下轰击靶材60min，生成ZnO薄膜厚约800nm，并在有源区反刻出圆形ZnO（稍大于有源区图形）。接着表面蒸Al，Al膜厚约1m，再在有源区反刻圆形Al（稍大于ZnO图形）。最后将样品放在N2气氛中530高温下退火15min。初步测试后切片，背底固定到Al电极，引线焊接，封装。器件结构如图第25页，本讲稿共32页第二第二组组掺Mn和包含SiC缓冲层的异质结样品A、B、C所用Si衬底表面掺杂为p-，电阻率为10.3111.31cm。工艺如下：SiC缓冲层，PLD参数：靶材为纯Si
24、C，温度550，轰击时间3min，6.2104Pa真空；然后在所有样品表面一起用PLD方法生成ZnO薄膜，PLD参数：A、靶材为纯ZnO，温度550，轰击时间15min，6.2104Pa真空；B、靶材为ZnO（0.2Mn），温度550，轰击时间15min，0.13Pa氧偏压；C、靶材为ZnO（0.2Mn），温度550，轰击时间60min，0.13Pa氧偏压。（注：制备第二组样品时PLD工艺相关参数，没有特别注明的部分默认为与第一组的参数相同。）再将所有样品表面蒸金，膜厚约45nm，套刻Au和ZnO，反刻出圆形图案，圆孔直径500m。最后将样品放在N2气氛中530高温下退火15min。初步测试后
25、切片，背底固定到Al电极，引线焊接，封装。器件结构如图第二组样品A、B器件结构 第二组样品C器件结构第26页，本讲稿共32页IV特性特性所有样品中(1)、(4)是以ZnO作为异质结的正向端，其余的则相反。这是因为PLD制成的ZnO为弱n型，而样品(1)、(4)衬底为n-Si，其他为p-Si。图中可见样品(1)、(4)具有很好的反向特性很小的反向漏电流，其他器件的反向漏电流都很大而且随反偏压增大迅速增强，反向曲线呈阻性。样品A因为SiC缓冲层的存在，具有很高的反向击穿电压。除样品B外其他样品正向曲线都很陡峭。样品B正反向曲线都不理想且具有较高的开启电压。第一组样品的IV曲线第二组样品的IV曲线第
26、27页，本讲稿共32页光生伏特效光生伏特效应应 采用HITACHI M850荧光分光光度计产生入射光测量异质结零偏压下光谱响应特性，其准确有效的波长范围200600nm，准确度0.2nm，各波长出射功率均为6.5W。用Yokogama 3036 X/Y recorder记录异质结两端的光生电压随入射波长的变化。第28页，本讲稿共32页对对比曲比曲线线易知，第一易知，第一组组三种三种样样品的光生品的光生电压电压强强度从大到小依次是度从大到小依次是(2)、(1)、(3)，其中，其中p-Si(p+)衬衬底的底的样样品品(2)光光电电响响应应明明显显比比较较强强；n-Si(n-)衬衬底的底的样样品品(
27、1)光光电电响响应应强强度略高于度略高于p-Si(p-)衬衬底的底的样样品品(3)，但，但还还需考需考虑虑制制备备工工艺艺粗糙粗糙带带来的来的误误差（切片大小不均匀，差（切片大小不均匀，压焊电压焊电极极时对时对金属膜的影响，分金属膜的影响，分别别制制备备的的ZnO存在的差异等）；第二存在的差异等）；第二组样组样品品A的的响响应远应远强强于于样样品品B，应该应该是是样样品品B中中ZnO的非晶的非晶态导态导致迁移率降低的致迁移率降低的缘缘故。第二故。第二组组光光电电响响应应强强度度远远高于第一高于第一组组，是由于表面金属膜厚差异太大。，是由于表面金属膜厚差异太大。容易容易发现发现，相比其他几种，相
28、比其他几种样样品，品，样样品品(1)的的PE曲曲线线有明有明显显的差的差别别，最，最强强峰峰在在417nm，在，在261nm有峰的存在，有峰的存在，323nm峰被加峰被加强强，468nm峰被抑制，在波峰被抑制，在波长长大于大于470nm的区域仍然有的区域仍然有强强而且平而且平缓缓的光生的光生电压电压；而其他几种；而其他几种样样品的品的PE曲曲线图线图形比形比较较一致，一致，最最强强峰在峰在470nm左右，左右，对对470nm之后光的响之后光的响应应随着波随着波长长的增大而迅速减弱，但的增大而迅速减弱，但还还存在几个存在几个很小的峰。很小的峰。图图中中样样品品(1)所用所用衬衬底的是底的是n-S
29、i，其他的都是，其他的都是p-Si，PE曲曲线线的差异的差异产产生生应应当当与与这这有关，但具体原因有关，但具体原因还还有待有待进进一步考一步考证证。从。从图图中可以很明中可以很明显显地看到，地看到，样样品品(1)在增在增强强了了对对紫外光探紫外光探测测性能的同性能的同时时，保持了，保持了对对可可见见光的灵敏度，更适合作光的灵敏度，更适合作为为大波段区大波段区间间的光探的光探测测器。器。后面四条曲后面四条曲线线从从450nm到到600nm区区间间的的图图形非常一致。但相形非常一致。但相对对于于样样品品(2)、(3)，在，在样样品品A、B中中360nm、470nm峰被抑制，峰被抑制，420nm峰
30、被加峰被加强强，观观察到了察到了325nm峰的存在，峰的存在，这这些特征跟些特征跟图图(1)相似。可知添加相似。可知添加SiC缓缓冲冲层进层进一步弱化了一步弱化了p-Si(p-)的的掺杂掺杂特性，使得特性，使得ZnO/p-Si异异质结质结光光电谱电谱呈呈现现出一些出一些ZnO/n-Si异异质结质结光光电谱电谱的特征。的特征。第29页，本讲稿共32页采用采用Au/n-ZnO/p-SiC 肖特基肖特基/异质结的异质结的UV光电探测器的研究光电探测器的研究新型结构的新型结构的Au/n-ZnO/p-SiC紫外探测器内部结构剖面图，在紫外探测器内部结构剖面图，在p-SiC衬底上外延生长衬底上外延生长n-ZnO作为异质结构，再电子束蒸发作为异质结构，再电子束蒸发Au作作肖特基结构肖特基结构,紫外探测灵敏度是紫外探测灵敏度是SBD结构的结构的5倍倍第30页，本讲稿共32页不同偏压下的紫外光电响应曲线200-400nm，光电响应灵敏度随偏压的升高，在12V左右，有非常平坦的响应第31页，本讲稿共32页半导体光电探测器的若干结构类型半导体光电探测器的若干结构类型第32页，本讲稿共32页