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1、半导体异质结构第1页，本讲稿共63页9.1 半导体异质结及其能带图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根据半导体单晶材料的导电类型异质结异质结反型异质结：导电类型相反反型异质结：导电类型相反同型异质结：导电类型相同同型异质结：导电类型相同反型反型：p-nGe-GaAs 或或(p)Ge-(n)GaAs,n-pGe-GaAs 或或(n)Ge-(p)GaAs,p-nGe-Si,p-nSi-GaAs,p-nSi-ZnS,p-nGaAs-GaP,n-pGe-GaAs 等等9.1.1 半导体异质结的能带图半导体异质结的能带图第2页，本讲稿共63页同型同型：n-nGe-GaAs 或或(n)Ge
2、-(n)GaAs,p-pGe-GaAs 或或(p)Ge-(p)GaAs,n-nGe-Si,n-nSi-GaAs,n-nGaAs-ZnSe,p-pSi-GaP,p-pPbS-Ge 等等禁带宽度较小的半导体材料写在前面禁带宽度较小的半导体材料写在前面异质结也可分为异质结也可分为突变异质结突变异质结和和缓变异质结缓变异质结突变异质结突变异质结：从一种半导体材料向另一种半：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导体材料的过渡只发生于几个 原子距离范围内。原子距离范围内。第3页，本讲稿共63页缓变异质结缓变异质结：从一种半导体材料向另一种半：从一种半导体材料向另一种半 导体材料的过渡发生
3、在几个导体材料的过渡发生在几个 扩散长度范围内。扩散长度范围内。1.不考虑界面态时的能带图不考虑界面态时的能带图电子亲和能电子亲和能禁带宽度禁带宽度功函数功函数决定异质结的能带图决定异质结的能带图第4页，本讲稿共63页（1）突变反型异质结能带图）突变反型异质结能带图形成突变形成突变pn异质结前的平衡能带图异质结前的平衡能带图真空能级真空能级EV2EC2EF2Eg2W2n2 EVn1 ECEg1EV1EC1EF1第5页，本讲稿共63页形成异质结前形成异质结前p型半导体的费米能级的位置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，有统一的费米能级形
4、成异质结后，平衡时，有统一的费米能级第6页，本讲稿共63页形成突变形成突变pn异质结后的平衡能带图异质结后的平衡能带图x1x0 x2 EV 2qVD2 EC第7页，本讲稿共63页突变反型异质结平衡时突变反型异质结平衡时 统一的费米能级统一的费米能级 界面两边形成空间电荷区，正负界面两边形成空间电荷区，正负（无界面态）（无界面态）内建电场，在界面处不连续内建电场，在界面处不连续 空间电荷区的能带发生弯曲，不连续空间电荷区的能带发生弯曲，不连续 两边均为耗尽层两边均为耗尽层能带总的弯曲量能带总的弯曲量第8页，本讲稿共63页VD 称为接触电势差（内建电势差、扩散电势）称为接触电势差（内建电势差、扩散
5、电势）VD1:p型半导体的内建电势差型半导体的内建电势差VD2:n型半导体的内建电势差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型半导体的导带底或价带顶的弯曲量第9页，本讲稿共63页导带底在交界面处的突变导带底在交界面处的突变价带顶在交界面处的突变价带顶在交界面处的突变 EC 导带阶导带阶 EV 价带阶价带阶第10页，本讲稿共63页np异质结的平衡能带图异质结的平衡能带图 EV ECEC1EV1EV2EC2第11页，本讲稿共63页（2）突变同型异质结能带图）突变同型异质结能带图Eg1Eg2 EC
6、EV形成突变形成突变nn异质结前的平衡能带图异质结前的平衡能带图第12页，本讲稿共63页形成突变形成突变nn异质结后的平衡能带图异质结后的平衡能带图 ECqVD1 EV第13页，本讲稿共63页Eg小的小的n型半导体一边形成了型半导体一边形成了电子的积累层电子的积累层，另一边形成另一边形成电子的耗尽层电子的耗尽层第14页，本讲稿共63页pp异质结平衡能带图异质结平衡能带图 EV EC第15页，本讲稿共63页2.考虑界面态时的能带图考虑界面态时的能带图引入界面态的主要原因：引入界面态的主要原因：形成异质结的两种半导体材料的形成异质结的两种半导体材料的晶格失配晶格失配晶格常数晶格常数 a1，a2,且
7、且 a1 0,且且kT Jn Jp第33页，本讲稿共63页高势垒尖峰情形异质高势垒尖峰情形异质pn结结（发射机制）（发射机制）由由n区注入区注入p区的电子电流密度区的电子电流密度由由p区注入区注入n区的电子电流密度区的电子电流密度正向偏压时正向偏压时第34页，本讲稿共63页若若m1*=m2*,则总电子电流密度则总电子电流密度正向偏压时正向偏压时9.2.2 异质异质pn结的注入特性（自学）结的注入特性（自学）第35页，本讲稿共63页9.3 半导体异质结量子阱结构及半导体异质结量子阱结构及 其电子能态与特性其电子能态与特性9.3.1 半导体调制掺杂异质结构界面量子阱半导体调制掺杂异质结构界面量子阱
8、1.界面量子阱中二维电子气的形成及电子能态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调制掺杂异质结构：由宽禁带重掺杂的由宽禁带重掺杂的n型型AlxGa1-xAs和不掺杂的和不掺杂的GaAs组成的异质结。组成的异质结。第36页，本讲稿共63页EFGaAsn+-AlxGa1-xAs调制掺杂异质结界面处能带图调制掺杂异质结界面处能带图二维电子气二维电子气在在GaAs近结处近结处形成电子的势阱形成电子的势阱E第37页，本讲稿共63页0zV(z)调制掺杂异质结势阱区内电子势能函数调制掺杂异质结势阱区内电子势能函数第38页，本讲稿共63页GaAs的导带底位于布里渊区中心的导带底位于布里渊区中心
9、 k=0,导带底附近电子的导带底附近电子的 m*各向同性各向同性用分离变量法求解用分离变量法求解第39页，本讲稿共63页第40页，本讲稿共63页X-y平面内的平面波，对应的能量平面内的平面波，对应的能量电子在电子在 z 方向被局限在几到几十个原子层范方向被局限在几到几十个原子层范围的量子阱中，能量围的量子阱中，能量 Ez 量子化量子化第41页，本讲稿共63页调制掺杂异质结势阱中的电子在与结平行的调制掺杂异质结势阱中的电子在与结平行的平面平面(x-y)内作自由电子运动，实际就是在量子阱区内作自由电子运动，实际就是在量子阱区内准二维运动，称为二维电子气。内准二维运动，称为二维电子气。Exy连续，连
10、续，Ez量量子化子化。二维电子气二维电子气(2DEG)2.二维电子气的子带及态密度二维电子气的子带及态密度异质结势阱中电子的能量异质结势阱中电子的能量第42页，本讲稿共63页3.调制掺杂异质结构中电子的高迁移率调制掺杂异质结构中电子的高迁移率重掺杂重掺杂n型型AlxGa1-xAs和不掺杂的和不掺杂的GaAs形成异质结，其优点形成异质结，其优点 n型型AlxGa1-xAs电子供给区电子供给区 不掺杂的不掺杂的GaAs电子输运区电子输运区 提高了电子迁移率提高了电子迁移率应用于半导体微波和毫米波器件中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异质结高电子迁移率晶体管第47页，本讲稿共6
11、3页9.3.2 双异质结间的单量子阱结构双异质结间的单量子阱结构1.导带量子阱中电子的能态导带量子阱中电子的能态在在AlxGa1-xAs上异质外延极薄的上异质外延极薄的GaAs,再异质外延较厚的再异质外延较厚的AlxGa1-xAs。单量子阱结构的形成单量子阱结构的形成第48页，本讲稿共63页GaAsAlxGa1-xAsAlxGa1-xAs单量子阱结构的能带图单量子阱结构的能带图不考虑能带弯曲不考虑能带弯曲0zV(z)l/2-l/2 EC电子势能分布电子势能分布第49页，本讲稿共63页势能函数势能函数电子波函数电子波函数第50页，本讲稿共63页电子能量电子能量量子阱中电子在平行于结面内的运动是自
12、由的，量子阱中电子在平行于结面内的运动是自由的，形成了二维电子气形成了二维电子气对电子能量对电子能量 Ez 小于势阱高度小于势阱高度 EC 的束缚态的束缚态阱外阱外第51页，本讲稿共63页阱内阱内Ez EC 时时 电子波函数在势阱区两边的势垒区有一定电子波函数在势阱区两边的势垒区有一定 的穿透深度的穿透深度 在阱内电子取分立能级在阱内电子取分立能级E1,E2,Ei,阱内总有一个束缚态阱内总有一个束缚态 势阱越深，阱内束缚态越多势阱越深，阱内束缚态越多第52页，本讲稿共63页2.价带量子阱中的空穴能态价带量子阱中的空穴能态二维空穴气（二维空穴气（2DHG）单量子阱结构的单量子阱结构的GaAs中空
13、穴处于价带量子阱中，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。在与结平行的面内形成二维空穴气。3.量子阱中的激子量子阱中的激子激子激子半导体中电子和空穴因库仑力相互作用而形半导体中电子和空穴因库仑力相互作用而形成的电子、空穴对。成的电子、空穴对。第53页，本讲稿共63页体半导体材料中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半导体量子阱中激子结合能大，在室温下能观察到激子结合能大，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
14、，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使两种材料的晶格常数非常接近GaAs-AlxGa1-xAs,InP-In0.52Al0.48As第54页，本讲稿共63页9.4 半导体应变异质结半导体应变异质结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变，在平行于结临界值时，生长的外延层发生弹性形变，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面方向产生张应变或压缩应变
15、，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。也产生相应的应变。第55页，本讲稿共63页弛豫弛豫当外延层的厚度超过临界厚度时，则外延层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。的应变消失，恢复原来的晶格常数。赝晶生长赝晶生长应变异质结的无界面失配应变层的生长模式。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，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。随赝晶组分的不同而改变。应变异质结的应用应变异质结的应用 扩展了异质结材料的
16、种类扩展了异质结材料的种类 实现材料人工改性实现材料人工改性第56页，本讲稿共63页9.5 半导体超晶格半导体超晶格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，其薄层厚度的周期小于薄层组成的一维周期性结构，其薄层厚度的周期小于电子的平均自由程。电子的平均自由程。生长超晶格的技术生长超晶格的技术MBE,MOCVD理想超晶格结构理想超晶格结构第57页，本讲稿共63页超晶格材料超晶格材料III-V/III-V,IV/III-V,II-VI/II-VI,IV-VI/IV-VI 化合物超晶格材料化合物超晶格材料 元素半
17、导体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非晶态半导体超晶格材料超晶格材料的应用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态器件、调制掺杂场效应晶体管第58页，本讲稿共63页超晶格材料的分类超晶格材料的分类成分超晶格成分超晶格：周期性改变薄层的成分。：周期性改变薄层的成分。掺杂超晶格掺杂超晶格：周期性改变同一成分的各薄层中：周期性改变同一成分的各薄层中 的掺杂类型。的掺杂类型。Ga1-xAlxAs/GaAsGaAs Ga1-xAlxAs第59页，本讲稿共63页Ga1-xAlxAs/GaAs 能带图能带图bc EC EVGaAsGa1-xAlxAszZ方向周期性势场为方向周期性势场为第60页，本讲稿共63页n 为整数为整数超晶格中电子运动的方程超晶格中电子运动的方程第61页，本讲稿共63页第62页，本讲稿共63页结课了了!Thank you!Thank you!第63页，本讲稿共63页