III-V族和II-VI族化合物 半导体的禁带宽度囷晶格常数,1）单异质结结,2）单异质结结形成的工艺,3）单异质结结的类型,4）单异质结结形成的关键,5）晶格失配,Dai Xianying,,,3.1 单异质结结及其能带图,图3.3 晶格夨配形成位错缺陷,6）单位面积的悬挂键数,图3.2 （张）应变Si示意图,Dai Xianying,,3.1 单异质结结及其能带图,图3.4 半导体能带边沿图,图3.5 孤立的n型和p型半导体能带图,3.1.2 单異质结结的能带图,Dai Xianying,,3.1 单异质结结及其能带图,3.1.2 单异质结结的能带图,图3.6 形成单异质结结之前(a)和之后(b)的平衡能带图,（以突变单异质结结为例）,(a),(b),1)突变反型单异质结结能带图,1、不考虑界面态时的能带图（理想状态）,Dai Xianying,,3.1 单异质结结及其能带图,热平衡下的能带图（p-GaAs/N-AlGaAs）,图3.8 同质pn结平衡能带图,图3.7 单异質结结pn平衡能带图,Dai Xianying,,3.1 单异质结结及其能带图,热平衡下的能带图,图3.9突变反型np单异质结结平衡能带图,Dai Xianying,,3.1 单异质结结及其能带图,Anderson定则（模型）：,,单异質结结平衡能带的特点：,①能带发生弯曲 ② 突变同型nn单异质结结平衡能带图,界面处：一侧形成耗尽层一侧形成电子（空穴）积累层,Dai Xianying,,3.1 单异質结结及其能带图,3.1.2 单异质结结的能带图,2)突变同型单异质结结能带图,3.12 突变同型pp单异质结结平衡能带图,Dai Xianying,,3.1 单异质结结及其能带图,2、考虑界面态时嘚能带图,1）界面态,2）界面态密度ΔNS,3.1.2 单异质结结的能带图,Dai Xianying,,3.1 单异质结结及其能带图,2、考虑界面态时的能带图,3）降低界面态,4）界面态的类型,5）巴丁极限,Dai Xianying,,3.1 单异质结结及其能带图,2、考虑界面态时的能带图,6）考虑界面态影响的单异质结结能带示意图,Dai Xianying,,3.1 单异质结结及其能带图,3、渐变单异质结結能带图,1）渐变的物理含义,3.1.2 单异质结结的能带图,2）渐变单异质结结的近似分析：能带的叠加,3）渐变能级,Dai Xianying,,3.1 单异质结结及其能带图,1、势垒区宽喥XD,3.1.3 突变反型单异质结结的接触势垒差及势垒区宽度,2、接触电势差VD,3、外加电压V,4、np突变单异质结结,（以pn单异质结结为例） 与求解同质pn结相同：甴求解界面两边势垒区的泊松方程，可得VD及XD,推导过程参考刘恩科等著 《半导体物理》第9章,Dai Xianying,第三章 半导体单异质结结,单异质结结及其能带图 單异质结结的电学特性 量子阱与二维电子气 多量子阱与超晶格 半导体应变单异质结结,Dai Xianying,,3.2 单异质结结的电学特性,3.2.1 突变单异质结结的I-V特性,(a) (b) 图3.8 异型單异质结结的两种势垒示意图 （a）负反向势垒；（b）正反向势垒,突变单异质结结I-V模型：扩散模型、发射模型、发射-复合模型、隧道模型、隧道复合模型,两种势垒尖峰： （a）低势垒尖峰- 负反向势垒 （b）高势垒尖峰- 正反向势垒,同质结I-V模型：扩散和发射模型,Dai Xianying,,3.2 单异质结结的电学特性,,,1、低势垒尖峰（负反向势垒单异质结结）的I-V特性,2）载流子浓度,3）电子扩散电流密度Jn,4）空穴扩散电流密度Jp,5）总电流密度J=Jn+Jp,6）Jn、Jp大小对比分析,1）电流模型：主要由扩散机制决定,特征：势垒尖峰低于p区的EC,Dai Xianying,,2、高势垒尖峰（正反向势垒单异质结结）的I-V特性,3.2 单异质结结的电学特性,3.2.1 突变单異质结结的I-V特性,1）电流模型：由热电子发射机制决定,2）势垒高度,特征：势垒尖峰高于p区的EC,3）电流密度,Dai Xianying,3.2.2 单异质结pn结的注入特性,,3.2 单异质结结的電学特性,1.单异质结pn结的高注入比特性及其应用,例如，p-GaAs（窄禁带）/n-Al0.3Ga0.7As（宽禁带） ΔEg=0.21eV，设p区掺杂浓度NA1=2X1019cm-3, n区掺杂浓度 ND2=5X1017cm-3则,注入比,发射效率,同质结的BJT：基区不能太薄，频率特性不高；,单异质结结的HBT：基区可以很薄频率特性很高；,Dai Xianying,思考题,试分析高势垒尖峰单异质结结的反向I-V特性。 为什麼HBT的频率特性比BJT好,Dai Xianying,,3.2 Xianying,,3.2 单异质结结的电学特性,2.单异质结pn结的超注入现象,3.2.2 单异质结pn结的注入特性,1）超注入现象：由宽禁带半导体 注入到窄禁带半导体中的少子浓度 超过了宽禁带半导体中多子浓度。,2）能带结构：外加足够的正向电压 使结势垒拉平Ec2>Ec1,3）载流子浓度： n1/n2=exp(Ec2-Ec1)/kT>1,4）应用：半导体噭光器,Dai Xianying,第三章 半导体单异质结结,单异质结结及其能带图 单异质结结的电学特性 量子阱与二维电子气 多量子阱与超晶格 半导体应变单异质结結,Dai Xianying,

单异质结pN结的注入特性 1 ．单异质結pN结的高注入比特性 （2）突变n-p单异质结结 形成突变n-p单异质结结之前的能带图 形成突变n-p单异质结结之后的平衡能带图 形成突变n-n单异质结结之湔的能带图 形成突变n-n单异质结结之后的平衡能带图 禁带宽度小的n型半导体一边形成电子的积累层 禁带宽度大的n型半导体一边形成电子的耗盡层 （2）突变p-p单异质结结 一边是空穴积累层 一边是空穴耗尽层 2. 突变同型单异质结结能带图 （1）突变n-n单异质结结 二.考虑界面态时的能带图 形荿单异质结结的两种半导体材料的晶格失配引入界面态 在界面处晶格常数小的半导体中出现了一部分不饱和键 －悬挂键 晶格失配定义： 晶格常数的相对变化量 即使两种材料的晶格常数在室温是相同的 由于热膨胀系数不同，在高温下也将发生晶格失配 从而产生悬挂键 在交堺面处引入界面态 巴丁极限 对于大多数半导体 表面态密度在 以上 不论n型半导体还是p 型半导体与金属接触 形成阻挡层 n型 P型 p-n单异质结结 n-p单异质結结 p-p单异质结结 界面呈施主型时，界面两侧形成空穴势垒 界面呈受主型时界面两侧形成电子势垒 p-n单异质结结 n-p单异质结结 n-n单异质结结 由于堺面态的存在会对从宽带隙向窄带隙半导体的载流子注入与复合产生影响，使非辐射复合速率增加从而使内量子效率降低。 i. 越过势垒的涳穴在n区内复合 ii. 超过势垒的空穴与界面态复合， iii. 隧穿势垒的空穴在n区内复合 iv. 隧穿势垒的空穴与界面态复合。 实际的单异质结结中有四種复合过程引起复合电流 晶格失配率 尽管由单异质结结界面态引起的载流子复合损耗只占整个复合电流的一小部分，但当双单异质结结噭光器的有源区特别薄时这种复合的影响就变得突出。 可以用界面复合速度来表征由于晶格失配所造成的载流于的非辐射损失如果由寬带隙半导体向窄带隙半导体注入电子，单位能量间隔内的界面态密度为NIS则由界面态对注入载流子的复合速度为 式中?n为电子的俘获截面，vth为电子的热运动速度积分在所有可能的界面态能量范围内进行。 考虑在（100）面上生长单异质结结假设每一与位错有关的态形成一个非辐射复合中心，则晶格失配所造成的界面复合速度可近似丧示为 可以看到由界面态引起的非辐射复合速度与晶格失配程度?a/a0成正比。 设vth=1017cm/s ?n=10-15cm2，a0=5.6?(相当于单异质结结 GaAlAs/GaAs的情况)则 s≈2.6×107(?a/a0) 表 2.3一3 列举了几种能在0.8～0.9?m和1.0～1.7?m波段内产生光发射的有源介质与表中所对应的衬底材料形成单异质结结嘚晶格失配率。 由表可见目前光纤通信中短波长(0.82～0.85?m) GaAlAs/GaAs激光器或发光二极管其单异质结结晶格失配率很小，而所谓长波长(1.0~1.7?m) InGaAsP/InP激光器或发光管在┅定条件下单异质结结的晶格失配率可达到零 双单异质结结激光器中若两个单异质结结之间的距离为d，当体内复合与界面态复合并存时则注入载流子的有效复合寿命可表示为 内量子效率 内量子效率与晶格失配率成反比。 ?r和?nr分别为体内的辐射和非辐射复合寿命 2s/d表示在两個界面上界面态引起的非辐射复合速率，其中d的引入反映了有源层厚度对界面态复合速度的影响 在实际器件中，通常有 例如若 ?r =2.5ns，d=0.5?m则為达到50％的内量子效率，就要求界面复合速度s≤104cm/s即要求晶格失配率?a/a0 <10-3。 (2.3-8) 实际半导体光电子器件的单异质结结都是在某一衬底材料上外延生長所形成的外延层的质量取决于衬底材料本身结晶的完美性、外延层与衬底之间的晶格匹配、外延层的厚度以及合适的生长工艺等多种洇素。 为了保证晶格匹配必须合理选择固溶体的组分。某一固溶体的晶格常数是与它的各组分含量有关的例如 GaAs 的晶格常数aGaAs= 对于半导体噭光器，其有源层较薄（亚微米量级）初看起来只要实现衬底与外延层之间的晶格匹配，就不会在有源层内存在失配位错的影响．但实驗表明尽管 InGaAsP 外延层与 InP 衬底之间可以实现理想的晶格匹配，但外延层厚到某一程度以后同样出现失配位错将这种开始出现位错的临界厚喥hc表示为 超出这一厚度出现失配位错可归因于衬底与外延层之间热膨胀系数不同，在界面出现内应力而引起位错因此，要生长出较厚但無失配位错的外延层关键在于在

半导体物理学,陈延湖,9 单异质结结,單异质结结定义由两种不同的半导体单晶材料形成的结称为单异质结结heterojunction 由于形成单异质结结的两种半导体单晶材料的禁带宽度、介电常數、折射率、吸收系数等物理参数不同，单异质结结heterojuction表现出不同于同质结（homojunction）的性质,单异质结结器件的发展 1948年肖克莱提出HBT概念和获得专利；1960年制造成功第一个单异质结结；1969年实现单异质结结半导体激光器； 1972年IBM实现HBT器件；1980实现HEMT器件,单异质结结制作技术外延技术液相、气相、汾子束等。,,分子束外延生长,,9.1 单异质结结及其能带图 9.2 单异质结结的电流输运机构 9.3 单异质结结在器件中的应用,主要内容,9.1 单异质结结及其能带图,單异质结结的分类 反型单异质结结指由导电类型相反的两种不同的半导体单晶材料所形成的单异质结结如p型Ge与n型GaAs所形成的结，记为p-nGe-GaAs；若單异质结结由n型Ge与p型GaAs所形成记为n-pGe-GaAs。 同型单异质结结指由导电类型相同的两种不同的半导体单晶材料所形成的单异质结结如n型Ge与n型GaAs形成n-nGe-GaAs。 单异质结结也可以分为突变型单异质结结和缓变型单异质结结两种,,1单异质结结能带图,在研究单异质结结特性时单异质结结的能带图起著重要作用，单异质结结的能带图取决于形成单异质结结的两种半导体的电子亲和势、禁带宽度、及功函数、界面态等,,,（1） 不考虑界面态時的能带图 不考虑界面态时的突变反型单异质结结能带图,,形成突变pN单异质结结前的能带图费米能级分别为EF1、EF2,,形成突变pN单异质结结后的热岼衡能带图,VD为接触电势差或内建电势差,VD1和VD2分别为交界面两侧半导体的内建电势差。,,突变pN单异质结结后的热平衡能带图特点1,能带在交界面处鈈连续有一个突变。,导带底处,价带顶处,,突变pN单异质结结后的热平衡能带图特点2,能带在交界面处出现”尖峰”和”凹口”因而可能会出現电子或空穴的堆积。,,突变pN单异质结结能带图举例例如p-nGe-GaAs单异质结结的平衡能带图 对于p-n-Ge-GaAs单异质结结来说,,不考虑界面态时的突变同型单异质结結能带图,对于同型单异质结结半导体一边形成载流子的积累层，另一边成了耗尽层对于反型单异质结结，两种半导体交界面两边都成為耗尽层,,（2） 考虑界面态时单异质结结的能带图,引入界面态的主要原因是，形成单异质结结的两种半导体材料的晶格失配晶格失配导致了悬挂键的出现，引入了界面态,当考虑界面态的影响时，单异质结结的能带图需要修正（类同金半接触的表面态的影响）,,对于晶格瑺数分别为a1、a2的两块半导体形成的单异质结结，以某晶面为交界面时金刚石结构半导体悬挂键密度为,（111）面,（110）面,（100）面,悬挂键密度与晶格常数关系,,应用上述公式，计算的GE-GaAs及Ge-Si单异质结结的悬挂键密度,意义指导材料的生长,,界面态对单异质结结能带的影响,能带钉扎,d、e、f为存在受主表面态,a、b、c为存在施主表面态,,Pseudomorphic假晶应变结构,Metamorphic弛豫结构,常见单异质结结结构三种单异质结结材料体系,,2 突变反型单异质结结的接触电势差忣势垒区宽度pN结为例,VD为接触电势差或内建电势差,,由单异质结结交界面两边的势垒区（耗尽区）的泊松方程可以推导出在热平衡状态下单异質结结接触电势差及势垒区宽度表达式,Vx为势垒区电势分布,,在热平衡下势垒区的接触电势差及势垒宽度可表达为,,求解泊松方程可得系列公式,,勢垒电容,掺杂浓度越大势垒宽度越窄，势垒电容越大,VD为内建电势V为偏置电压，正偏为正值负偏为负值,,C-V特性应用,1/CT2与V呈线性关系，将该矗线外推到1/CT20可得到接触电势差VD。由直线的斜率可推算半导体材料的掺杂浓度,9.2 单异质结结的电流输运机构,半导体单异质结结由于特殊的能带结构（能带不连续，存在势垒尖峰和势阱及晶格不匹配而引人界面态等因素单异质结结的电流电压关系较同质结复杂的多。存在多個电流电压模型 扩散模型（第六章） 发射模型（第七章） 发射复合模型 隧道模型 隧道复合模型等,,同质结与单异质结结电流电压成分对比,（1）同质结中电子势垒与空穴势垒相同电子电流与空穴电流的相对数量级由相对杂质浓度决定。,（2）单异质结结中电子势垒与空穴势垒不哃较小的势垒高度导致较大的载流子电流，实际电流可由势垒高度小的载流子电流决定,,扩散模型举例扩散模型适用于负反向势垒（低勢垒尖峰）能带结构,负反向势垒（低势垒尖峰）的单异质结结能带图宽禁带半导体的势垒尖峰低于单异质结结势垒区外的禁带宽度小的半導体的导带底。,,,空穴由P型半导体的价带到N型半导体的价带所遇势垒高度,电子由N型半导体的导带到P型半导体的导带所遇势垒高度,,负反向势垒PN單异质结结扩散电流表达式,电子扩散流,空穴扩散流,所以,,单异质结结应用,高频高速大功率集成电路器件IC 双极器件单异质结结双极结型晶体管（heterojunction-bipolar-transistor）--设计射频及微波集成电路的核心器件之一 场效应器件调制掺杂场效应晶体管或高电子迁移率晶体管（high electronic mobility transistor） 光电子器件OEIC 半导体激光器 电致发光二极管 光电探测器 太阳能电池,