第四章 半导体异质结.doc

第4章 半导体异质结 4.1 半导体异质结界面 4.2 半导体异质结的能带突变 4.3 半导体异质结的能带图 4.1 半导体异质结界面 半导体异质结概念 同质结（p-n结）：在同一块单晶材料上，由于掺杂的不同形成的两种导电类型不同的区域，区域的交接面就构成了同质结。 若形成异质结的两种材料都是半导体，则为半导体异质结。若一方为半导体一方为金属，则为金属－半导体接触，这包括Schottky结和欧姆接触。 1957年，德国物理学家赫伯特.克罗默指出有导电类型相反的两种半导体材料制成异质结，比同质结具有更高的注入效率。1960年， Anderson制造了世界上第一个Ge－GaAs异质结。1962年，Anderson提出了异质结的理论模型，他理想的假定两种半导体材料具有相同的晶体结构，晶格常数和热膨胀系数，基本说明了电流输运过程。 1968年美国的贝尔实验室和苏联的约飞研究所都宣布做成了GaAs-AlxGa1-xAs双异质结激光器。在70年代里，金属有机物化学气相沉积（MOCVD）和分子束外延(MBE)等先进的材料成长方法相继出现，使异质结的生长日趋完善。 半导体异质结分类 1.根据半导体异质结的界面情况，可分为三种： （1）晶格匹配的异质结。300K时，如： Ge/GaAs(0.5658nm/0.5654nm) GaAs/AlGaAs（0.5654nm/0.5657nm）、 InAs/GaSb（0.6058nm/0.6095nm） （2）晶格不匹配的异质结 （3）合金界面异质结 2.根据过渡空间电荷分布情况及过渡区宽度的不同： （1）突变异质结：在不考虑界面态的情况下，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（≤1μm）范围内。 （2）缓变异质结：在不考虑界面态的情况下，从一种半导体材料向另一种半导体材料的过渡发生于几个扩散长度范围内。 3.根据构成异质结的两种半导体单晶材料的导电类型： （1）反型异质结：由导电类型相反的两种半导体单晶材料所形成的异质结。 如（p）GaAs－（n）AlGaAs （2）同型异质结：由导电类型相同的两种半导体单晶材料所形成的异质结。 如（n）GaAs－（n）AlGaAs 为了方便讨论两种不同带隙的半导体相接触所形成的异质结在使用符号上作了一些规定，用小写字母n和p表示窄禁带半导体的导电类型，用大写字母P和N表示宽带隙半导体导电类型。例如：p型窄带隙半导体GaAs和n型宽带隙半导体AlGaAs构成的异质结，p－N GaAs－AlGaAs， p型窄带隙半导体Ge和p型窄带隙半导体GaAs， p－p Ge－GaAs。另外，n－P GaAs－GaP， n－N Si－GaP 异质结界面态 异质结是由两种不同的半导体单晶材料相接触形成的结，这两种材料的晶格常数是不同的，因此会产生晶格失配，在两种半导体材料的交界面处产生了悬挂键。设两种材料的晶格常数分别为a1、a2，且a1a2,则产生的悬挂键如下图： 图4-1 异质结界面晶格匹配 在交界面处，晶格常数较小的半导体材料中出现了一部分不饱和的键，这就是悬挂键。晶格失配度定义为： 2（a2-a1）/(a1+a2) （式4-1） 表4-1 几种半导体异质结的晶格失配 异质结 晶格失配 异质结 晶格失配 Ge-Si 4.1% Si-GaAs 4% Ge-InP 3.7% Si-GaP 0.36% Ge-GaAs 0.08% InSb-GaAs 13.6% Ge-GaP 3.7% GaAs-GaP 3.6% Ge-CdTe 13.5% GaP-AlP 0.01% Ge-CdSe 21.3％ Si-CdS 21.6% 异质结中的界面态主要是由于界面处的晶格失配所造成的。悬挂键的存在，是严格按周期性排列的原子所产生的周期性势场受到破坏，可能在禁带中引入允许电子具有的能量状态，即引入了界面态。异质结中的界面态是与悬挂键相对应的，可估算出界面态密度： NS=NS1－NS2 （式4-2） NS1、NS2分别为两种材料在交界面处的键密度。对闪锌矿结构的半导体异质结，两种晶体的价键面密度之差可求得结果如下： 100界面 （式4-3） 110界面 （式4-4） 111界面