最新半导体pn结,异质结和异质结构03ppt课件.ppt

本征半导体载流子浓度本征半导体载流子浓度ni, p i本征半导体本征半导体: ni = pi = n =p = 4.9 E15 (me mh/mo）3/4 T3/2 exp(-Eg/2KT) = A T3/2 e(-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 = p i=1.4 E10/cm*-3ni pi = 1.96 E20/cm-3 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, 电场增电场增强强, 阻止了多数载流子的扩散阻止了多数载流子的扩散,而而P区和区和N区的少数区的少数载流子电子和空穴沿反向电场运动载流子电子和空穴沿反向电场运动,产生反向漏电产生反向漏电流流,由于少子是本征激发由于少子是本征激发,它决定于温度而不决定于它决定于温度而不决定于反向电压反向电压,当反向电压增大到一定程度足以把少子当反向电压增大到一定程度足以把少子全部吸引过来时全部吸引过来时,电流达到恒定电流达到恒定,称作反向饱和漏电称作反向饱和漏电流流, 当反向电压再增大电流突然增大时当反向电压再增大电流突然增大时,称作称作PN结结击穿。如果外电路不能限制电流，则电流会大到击穿。如果外电路不能限制电流，则电流会大到将将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构成一个电容性的器件。它的电容量随外加电压改变改变,反向时电容减小正向时电容增大反向时电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 半导体同质半导体同质p-n结结,异质结的形成异质结的形成 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型半型半导体制作在同一块半导体上导体制作在同一块半导体上,在它们的交界面就形成在它们的交界面就形成空间电荷区称空间电荷区称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，一部分掺有受主杂质是质是P型半导体，另一部分掺有施主杂质是型半导体，另一部分掺有施主杂质是N型半导体型半导体时时 ，P 型半导体和型半导体和N型半导体的交界面附近的过渡区型半导体的交界面附近的过渡区称称PN结。结。 PN结有同质结和异质结两种。用同一种半导体材结有同质结和异质结两种。用同一种半导体材料制成的料制成的 PN 结叫同质结结叫同质结 ，由禁带宽度不同的两种，由禁带宽度不同的两种半导体材料制成的半导体材料制成的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、离子注结的方法有合金法、扩散法、离子注入法、外延生长法等。入法、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。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。用其基本特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，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导体发光二极管；管与半导体发光二极管； 6. 利用光辐射对利用光辐射对PN结反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，振荡等多种电子结之间的相互作用可以产生放大，振荡等多种电子功能功能; 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。技术、光电子技术的基础。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。依照两种半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（材料的导电类型分同型异质结（P-p结或结或N-n结）结）和异型异质和异型异质(P-n或或p-N)结。按照两种材料晶格常结。按照两种材料晶格常数的失配程度，异质结可分为两类，即匹配型数的失配程度，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参数（如电子亲和势、有不同的物理化学参数（如电子亲和势、 能带能带结构、介电常数、晶格常数等）结构、介电常数、晶格常数等）, 接触界面处产接触界面处产生各种物理化学属性的失配，使异质结具有许生各种物理化学属性的失配，使异质结具有许多不同于同质多不同于同质PN结的新特性。结的新特性。异质结的能带结构异质结的能带结构 半导体异质结构一般是由两层以上不同材料所组成，它们半导体异质结构一般是由两层以上不同材料所组成，它们各具不同的能带隙。各具不同的能带隙。研究较多的是研究较多的是GaAs 化合物、化合物、SiGe之类的之类的半导体合金半导体合金,目前按异质结中两种材料导带和价带的对准情况目前按异质结中两种材料导带和价带的对准情况可以把异质结分为可以把异质结分为型异质结和型异质结和型异质结两种，两种异质结型异质结两种，两种异质结的能带结构如图所示。的能带结构如图所示。半导体异质结构的基本特性半导体异质结构的基本特性 半导体异质结构，是将不同材料的半导体薄膜，依先后次序半导体异质结构，是将不同材料的半导体薄膜，依先后次序外延淀积在同一衬底上。如图所述的是利用半导体异质结构所作成外延淀积在同一衬底上。如图所述的是利用半导体异质结构所作成的半导体激光器的半导体激光器 基本特性：基本特性： 量子效应：量子效应： 因中间层的能阶较低，电子很容易掉落下来被局限在中间层，因中间层的能阶较低，电子很容易掉落下来被局限在中间层，而中间层可以只有几而中间层可以只有几nm的厚度，因此在如此小的空间内，电子的的厚度，因此在如此小的空间内，电子的 特性会受到量子效应的影响而改变。例如：能阶量子化、基态能量特性会受到量子效应的影响而改变。例如：能阶量子化、基态能量增加、能态密度改变等，其中能态密度与能阶位置，是决定电子特增加、能态密度改变等，其中能态密度与能阶位置，是决定电子特性很重要的因素。性很重要的因素。 迁移率迁移率(Mobility)变大：变大： 半导体的自由电子主要是由于外加杂质的贡献，因此在一般的半导体半导体的自由电子主要是由于外加杂质的贡献，因此在一般的半导体材料中，自由电子会受到杂质的碰撞而减低其行动能力。然材料中，自由电子会受到杂质的碰撞而减低其行动能力。然 而在异质结构而在异质结构中，可将杂质加在两边的夹层中，该杂质所贡献的电子会掉到中间层，因中，可将杂质加在两边的夹层中，该杂质所贡献的电子会掉到中间层，因其有较低的能量（如图所示），因此在空间上，电子与杂质是分开的，所其有较低的能量（如图所示），因此在空间上，电子与杂质是分开的，所以电子的行动就不会因杂质的碰撞而受到限制，因此其迁移率就可以大大以电子的行动就不会因杂质的碰撞而受到限制，因此其迁移率就可以大大增加，这是高速组件的基本要素。增加，这是高速组件的基本要素。 发光二极管组件发光二极管组件(light emitting devices, LED)： 因为半导体异质结构能将电子与空穴局限在中间层内，因为半导体异质结构能将电子与空穴局限在中间层内，电子与空穴的复合率因而增加，所以发光的效率较大；同时电子与空穴的复合率因而增加，所以发光的效率较大；同时改变量子井的宽度亦可以控制发光的频率，所以现今的半导改变量子井的宽度亦可以控制发光的频率，所以现今的半导体发光组件，大都是由异质结构所组成的。半导体异质结构体发光组件，大都是由异质结构所组成的。半导体异质结构发光组件，相较其它发光组件，具有高效率、省电、耐用等发光组件，相较其它发光组件，具有高效率、省电、耐用等优点，因此应用广泛。优点，因此应用广泛。激光二极管：激光二极管： 半导体半导体激光二极管的基本构造，与发光组件极为类似，激光二极管的基本构造，与发光组件极为类似，只不过激光是二极管必须考虑到受激发光与共振的条件。只不过激光是二极管必须考虑到受激发光与共振的条件。使用半导体异质结构，因电子与空穴很容易掉到中间层，使用半导体异质结构，因电子与空穴很容易掉到中间层，因此载子数目反转较易达成，这是具有受激发光的必要条因此载子数目反转较易达成，这是具有受激发光的必要条件，而且电子与空穴被局限在中间层内，其结合率较大。件，而且电子与空穴被局限在中间层内，其结合率较大。此外，两旁夹层的折射率与中间层不同，因而可以将光局此外，两旁夹层的折射率与中间层不同，因而可以将光局限在中间层，致使光不会流失，而增加激光强度，异质结限在中间层，致使光不会流失，而增加激光强度，异质结构很适合制作激光器，有很大的优点。构很适合制作激光器，有很大的优点。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关于关于Au/ZnO/Si异质结能带结构异质结能带结构4.95mWeV14.35XeV14.5SWeV25.1SWeV24.05XeV0E2cE2E2iE1cE1iE1EA unZ nOpS iF mEF nEF pE器件结构图器件结构图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 新型肖特基结新型肖特基结- -异质结异质结 紫外增强光电晶体管，半导体学报英文版刊登紫外增强光电晶体管，半导体学报英文版刊登认为论文有新意，并在重要位置（第二篇）刊登认为论文有新意，并在重要位置（第二篇）刊登 该新型光电探测器增强了该新型光电探测器增强了SiSi光电探测器在紫外（光电探测器在紫外（UVUV）波长的响应灵）波长的响应灵敏度，具有重要研究价值敏度，具有重要研究价值C-V characteristics of Au/n-ZnO SBDeVeVxWmns55. 0)35. 495. 4(1Au/n-ZnO SBDPhoto-current response with optical wavelength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技术和微电子平面工艺，用不同表面技术和微电子平面工艺，用不同表面掺杂的掺杂的Si作为衬底制备了作为衬底制备了ZnO/Si异质结，另外为改异质结，另外为改善异质结特性，以善异质结特性，以p-Si(p-)为衬底尝试制备了为衬底尝试制备了ZnO（含含Mn0.2）/Si结构、以及包含结构、以及包含SiC缓冲层的缓冲层的ZnO/SiC/Si和和ZnO（含（含Mn0.2）/SiC/Si结构。测试结构。测试了样品的了样品的XRD曲线，曲线，IV特性曲线和特性曲线和PE（光电响（光电响应）特性曲线，研究样品作为二极管，光探测器的应）特性曲线，研究样品作为二极管，光探测器的性能。性能。样品制备样品制备第第一组一组ZnO/Si异质结样品(1)(4)：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。器件结构如图第二组第二组掺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SiC，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曲线光生伏特效应光生伏特效应 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。对比曲线易知，第一组三种样品的光生电压强度从大到小依次是对比曲线易知，第一组三种样品的光生电压强度从大到小依次是(2)、(1)、(3)，其中，其中p-Si(p+)衬底的样品衬底的样品(2)光电响应明显比较强；光电响应明显比较强；n-Si(n-)衬底的衬底的样品样品(1)光电响应强度略高于光电响应强度略高于p-Si(p-)衬底的样品衬底的样品(3)，但还需考虑制备工艺，但还需考虑制备工艺粗糙带来的误差（切片大小不均匀，压焊电极时对金属膜的影响，分别制粗糙带来的误差（切片大小不均匀，压焊电极时对金属膜的影响，分别制备的备的ZnO存在的差异等）；第二组样品存在的差异等）；第二组样品A的响应远强于样品的响应远强于样品B，应该是样品，应该是样品B中中ZnO的非晶态导致迁移率降低的缘故。第二组光电响应强度远高于第的非晶态导致迁移率降低的缘故。第二组光电响应强度远高于第一组，是由于表面金属膜厚差异太大。一组，是由于表面金属膜厚差异太大。容易发现，相比其他几种样品，样品容易发现，相比其他几种样品，样品(1)的的PE曲线有明显的差别，最曲线有明显的差别，最强峰在强峰在417nm，在，在261nm有峰的存在，有峰的存在，323nm峰被加强，峰被加强，468nm峰被抑制峰被抑制，在波长大于，在波长大于470nm的区域仍然有强而且平缓的光生电压；而其他几种样的区域仍然有强而且平缓的光生电压；而其他几种样品的品的PE曲线图形比较一致，最强峰在曲线图形比较一致，最强峰在470nm左右，对左右，对470nm之后光的响之后光的响应随着波长的增大而迅速减弱，但还存在几个很小的峰。图中样品应随着波长的增大而迅速减弱，但还存在几个很小的峰。图中样品(1)所用所用衬底的是衬底的是n-Si，其他的都是，其他的都是p-Si，PE曲线的差异产生应当与这有关，但曲线的差异产生应当与这有关，但具体原因还有待进一步考证。从图中可以很明显地看到，样品具体原因还有待进一步考证。从图中可以很明显地看到，样品(1)在增强了在增强了对紫外光探测性能的同时，保持了对可见光的灵敏度，更适合作为大波段对紫外光探测性能的同时，保持了对可见光的灵敏度，更适合作为大波段区间的光探测器。区间的光探测器。后面四条曲线从后面四条曲线从450nm到到600nm区间的图形非常一致。但相对于样品区间的图形非常一致。但相对于样品(2)、(3)，在样品，在样品A、B中中360nm、470nm峰被抑制，峰被抑制，420nm峰被加强，观察到峰被加强，观察到了了325nm峰的存在，这些特征跟图峰的存在，这些特征跟图(1)相似。可知添加相似。可知添加SiC缓冲层进一步弱缓冲层进一步弱化了化了p-Si(p-)的掺杂特性，使得的掺杂特性，使得ZnO/p-Si异质结光电谱呈现出一些异质结光电谱呈现出一些ZnO/n-Si异质结光电谱的特征。异质结光电谱的特征。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紫外探测器内部结构剖面图，在图，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，再电子作为异质结构，再电子束蒸发束蒸发Au作肖特基结构作肖特基结构,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33 结束语结束语