半导体异质结讲稿.ppt

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1、半导体异质结DaiXianying第一页，讲稿共四十四页哦DaiXianying第三章第三章半导体异质结半导体异质结异质结及其能带图异质结及其能带图异质结的电学特性异质结的电学特性量子阱与二维电子气量子阱与二维电子气多量子阱与超晶格多量子阱与超晶格半导体应变异质结半导体应变异质结 第二页，讲稿共四十四页哦DaiXianying3.13.1异质结及其能带图异质结及其能带图3.1.1 异质结的形成异质结的形成图图3.1 III-V族和族和II-VI族化合物族化合物半导体的禁带宽度和晶格常数半导体的禁带宽度和晶格常数 1）异质结）异质结2）异质结形成的工艺）异质结形成的工艺3）异质结的类型异质结的类

2、型4）异质结形成的关键）异质结形成的关键5）晶格失配）晶格失配第三页，讲稿共四十四页哦DaiXianying 3.1 异质结及其能带图异质结及其能带图图图3.3 晶格失配形成位错缺陷晶格失配形成位错缺陷6）单位面积的悬挂键数）单位面积的悬挂键数图图3.2（张）应变（张）应变Si示意图示意图第四页，讲稿共四十四页哦DaiXianying 3.1 异质结及其能带图异质结及其能带图图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3.1.23.1.2异质结的能带图异质结的能带图第五页，讲稿共四十四页哦DaiXianying 3.1 异质结及其能带图异质结及其能带图3.1.23.1.2异

3、质结的能带图异质结的能带图图图3.6 形成异质结之前形成异质结之前(a)和之后和之后(b)的平衡能带图的平衡能带图（以突变异质结为例）（以突变异质结为例）(a)(b)1)1)突变反型异质结能带图突变反型异质结能带图1、不考虑界面态时的能带图（理想状态）、不考虑界面态时的能带图（理想状态）第六页，讲稿共四十四页哦DaiXianying 3.1 异质结及其能带图异质结及其能带图热平衡下的能带图热平衡下的能带图（p-GaAs/N-AlGaAs）图3.8 同质pn结平衡能带图图图3.7 异质结异质结pn平衡能带图平衡能带图第七页，讲稿共四十四页哦DaiXianying 3.1 异质结及其能带图异质结及

4、其能带图热平衡下的能带图热平衡下的能带图图3.9突变反型np异质结平衡能带图第八页，讲稿共四十四页哦DaiXianying 3.1 异质结及其能带图异质结及其能带图AndersonAnderson定则（模型）：定则（模型）：异质结平衡能带的特点：异质结平衡能带的特点：能带发生弯曲能带发生弯曲 能带在界面处不连续，有突变。能带在界面处不连续，有突变。E EC C=1 1-2 2E EV V=(E=(Eg2g2-E-Eg1g1)-()-(1 1-2 2)=E Eg g-E EC C+E EVV=E Eg g异质结能带的新要点异质结能带的新要点（特征）：（特征）：图图3.10Anderson3.10

5、Anderson模型的模型的E EC C-关系关系第九页，讲稿共四十四页哦DaiXianying 3.1 异质结及其能带图异质结及其能带图3.1.23.1.2异质结的能带图异质结的能带图2)2)突变同型异质结能带图突变同型异质结能带图3.11 突变同型nn异质结平衡能带图界面处：一侧形成耗尽层，一侧形成电子（空穴）积累层界面处：一侧形成耗尽层，一侧形成电子（空穴）积累层第十页，讲稿共四十四页哦DaiXianying 3.1 异质结及其能带图异质结及其能带图3.1.23.1.2异质结的能带图异质结的能带图2)2)突变同型异质结能带图突变同型异质结能带图3.12 突变同型pp异质结平衡能带图第十一

6、页，讲稿共四十四页哦DaiXianying 3.1 异质结及其能带图异质结及其能带图2、考虑界面态时的能带图、考虑界面态时的能带图1 1）界面态）界面态2 2）界面态密度）界面态密度N NS S3.1.23.1.2异质结的能带图异质结的能带图第十二页，讲稿共四十四页哦DaiXianying 3.1 异质结及其能带图异质结及其能带图2、考虑界面态时的能带图、考虑界面态时的能带图3 3）降低界面态）降低界面态4 4）界面态的类型）界面态的类型5 5）巴丁极限）巴丁极限第十三页，讲稿共四十四页哦DaiXianying 3.1 异质结及其能带图异质结及其能带图2、考虑界面态时的能带图、考虑界面态时的能

7、带图6 6）考虑界面态影响的异质结能带示意图）考虑界面态影响的异质结能带示意图第十四页，讲稿共四十四页哦DaiXianying 3.1 异质结及其能带图异质结及其能带图3、渐变异质结能带图、渐变异质结能带图1 1）渐变的物理含义）渐变的物理含义3.1.23.1.2异质结的能带图异质结的能带图2 2）渐变异质结的近似分析：）渐变异质结的近似分析：能带的叠加能带的叠加3 3）渐变能级）渐变能级第十五页，讲稿共四十四页哦DaiXianying 3.1 异质结及其能带图异质结及其能带图1 1、势垒区宽度势垒区宽度XD3.1.33.1.3突变反型异质结的接触势垒差及势垒区宽度突变反型异质结的接触势垒差及

8、势垒区宽度2 2、接触电势差、接触电势差V VD D3 3、外加电压、外加电压V V4 4、npnp突变异质结突变异质结（以（以pnpn异质结为例）异质结为例）与求解同质与求解同质pn结相同：结相同：由求由求解界面两边势垒区的泊松解界面两边势垒区的泊松方程，可得方程，可得VD及及XD推导过程参考刘恩科等著推导过程参考刘恩科等著半导体物理第半导体物理第9 9章章第十六页，讲稿共四十四页哦DaiXianying第三章第三章半导体异质结半导体异质结异质结及其能带图异质结及其能带图异质结的电学特性异质结的电学特性量子阱与二维电子气量子阱与二维电子气多量子阱与超晶格多量子阱与超晶格半导体应变异质结半导体

9、应变异质结 第十七页，讲稿共四十四页哦DaiXianying 3.2 异质结的电学特性异质结的电学特性3.2.13.2.1突变异质结的突变异质结的I-VI-V特性特性(a)(b)图图3.8 异型异质结的两种势垒示意图异型异质结的两种势垒示意图（a）负反向势垒；（）负反向势垒；（b）正反向势垒）正反向势垒 突变异质结突变异质结I-VI-V模型：扩散模型、发射模型、发射模型：扩散模型、发射模型、发射-复合模型、隧道模型、复合模型、隧道模型、隧道复合模型。隧道复合模型。两种势垒尖峰：两种势垒尖峰：（a）低势垒尖峰）低势垒尖峰-负反向势垒负反向势垒（b）高势垒尖峰）高势垒尖峰-正反向势垒正反向势垒同质

10、结同质结I-VI-V模型：扩散和发射模型模型：扩散和发射模型第十八页，讲稿共四十四页哦DaiXianying 3.2 异质结的电学特性异质结的电学特性1 1、低势垒尖峰（负反向势垒异质结）的、低势垒尖峰（负反向势垒异质结）的I-VI-V特性特性2 2）载流子浓度）载流子浓度3 3）电子扩散电流密度）电子扩散电流密度JnJn4 4）空穴扩散电流密度）空穴扩散电流密度JpJp5 5）总电流密度）总电流密度J=JJ=Jn n+J+Jp p6 6）J Jn n、J Jp p大小对比分析大小对比分析1 1）电流模型：主要由扩散机制决定）电流模型：主要由扩散机制决定特征：势垒尖峰低于特征：势垒尖峰低于p

11、p区的区的E EC C第十九页，讲稿共四十四页哦DaiXianying2、高势垒尖峰（正反向势垒异质结）的、高势垒尖峰（正反向势垒异质结）的I-V特性特性 3.2 异质结的电学特性异质结的电学特性3.2.13.2.1突变异质结的突变异质结的I-VI-V特性特性 1 1）电流模型：由热电子发射机制决定）电流模型：由热电子发射机制决定2 2）势垒高度）势垒高度特征：势垒尖峰高于特征：势垒尖峰高于p p区的区的E EC C3 3）电流密度）电流密度第二十页，讲稿共四十四页哦DaiXianying3.2.23.2.2异质异质pnpn结的注入特性结的注入特性 3.2 异质结的电学特性异质结的电学特性1.

12、1.异质异质pnpn结的高注入比特性及其应用结的高注入比特性及其应用例如，例如，p-GaAsp-GaAs（窄禁带）（窄禁带）/n-Al/n-Al0.30.3GaGa0.70.7AsAs（宽禁带），（宽禁带），Eg=0.21eV=0.21eV，设，设p p区掺杂浓度区掺杂浓度N NA1A1=2X10=2X101919cmcm-3-3,n,n区掺杂浓度区掺杂浓度N ND2D2=5X10=5X101717cmcm-3-3，则，则注入比注入比发射效率发射效率同质结的同质结的BJTBJT：基区不能太薄，频率特性不高；：基区不能太薄，频率特性不高；异质结的异质结的HBTHBT：基区可以很薄，频率特性很高；

13、：基区可以很薄，频率特性很高；第二十一页，讲稿共四十四页哦DaiXianying思考题思考题试分析高势垒尖峰异质结的反向试分析高势垒尖峰异质结的反向I-VI-V特性。特性。为什么为什么HBTHBT的频率特性比的频率特性比BJTBJT好？好？第二十二页，讲稿共四十四页哦DaiXianying 3.23.2异质结的电学特性异质结的电学特性1.1.异质异质pnpn结的高注入比特性及其应用结的高注入比特性及其应用异质结的应用异质结的应用异质结双极晶体管（异质结双极晶体管（HeterojunctiongHeterojunctiongBipolarTransistorBipolarTransistor，H

14、BTHBT），应用），应用于微波、毫米波领域。于微波、毫米波领域。早期的早期的HBTHBT：n-Aln-Alx xGaGa1-x1-xAs/p-GaAsAs/p-GaAs作发射结；作发射结；优良的优良的HBTHBT：n-Gan-Ga0.50.5InIn0.50.5P/p-GaAsP/p-GaAs作发射结，作发射结，GaAsGaAs衬底；衬底；Ev=0.3eV=0.3eVEc=0.03eV,=0.03eV,即空穴的势垒高，即空穴的势垒高，JpJp小，故注入比和小，故注入比和高；高；fT=100GHz=100GHz。SiGeHBTSiGeHBT：n-Si/p-Sin-Si/p-Si1-x1-xGe

15、Gex x作发射结，作发射结，SiSi衬底；衬底；E Eg,Si1-xGexg,Si1-xGex随组随组 分分x x的增大而减小，且的增大而减小，且EvEc；典型的基区组分：典型的基区组分：SiSi0.80.8GeGe0.20.2，厚度，厚度50nm-100nm50nm-100nm；主要应用于通信系统及手机。主要应用于通信系统及手机。第二十三页，讲稿共四十四页哦DaiXianying 3.23.2异质结的电学特性异质结的电学特性2.2.异质异质pnpn结的超注入现象结的超注入现象3.2.23.2.2异质异质pnpn结的注入特性结的注入特性1 1）超注入现象：由宽禁带半导体）超注入现象：由宽禁带

16、半导体注入到窄禁带半导体中的少子浓度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。超过了宽禁带半导体中多子浓度。2 2）能带结构：外加足够的正向电压）能带结构：外加足够的正向电压使结势垒拉平，使结势垒拉平，E Ec2c2EEc1c13 3）载流子浓度：）载流子浓度：n1/n2=exp(Ec2-Ec1)/kT14 4）应用：半导体激光器）应用：半导体激光器第二十四页，讲稿共四十四页哦DaiXianying第三章第三章半导体异质结半导体异质结异质结及其能带图异质结及其能带图异质结的电学特性异质结的电学特性量子阱与二维电子气量子阱与二维电子气多量子阱与超晶格多量子阱与超晶格半导体应变异

17、质结半导体应变异质结 第二十五页，讲稿共四十四页哦DaiXianying3.33.3量子阱与二维电子气量子阱与二维电子气(a)(b)图图3.11 半导体量子阱示意图半导体量子阱示意图量子阱：量子阱：能够对电子（空穴）的运动产生某种约束，使其能量能够对电子（空穴）的运动产生某种约束，使其能量量子化的势场。如量子力学中的一维方势阱、有限势阱。量子化的势场。如量子力学中的一维方势阱、有限势阱。二维电子气（二维电子气（2DEG2DEG）：）：势阱中的电子在与异质结界面平行的二势阱中的电子在与异质结界面平行的二维平面内是自由运动，而在垂直异质结界面方向上其能量是量维平面内是自由运动，而在垂直异质结界面方

18、向上其能量是量子化的。子化的。第二十六页，讲稿共四十四页哦DaiXianying3.33.3量子阱与二维电子气量子阱与二维电子气3.3.13.3.1调制掺杂异质结构界面量子阱调制掺杂异质结构界面量子阱1 1、调制掺杂结构：、调制掺杂结构：异质结界面处的能带及势阱异质结界面处的能带及势阱n n+-Al-AlX XGaGa1-X1-XAs(As(宽禁带）宽禁带）/i-GaAs/i-GaAs（窄禁带）（窄禁带）第二十七页，讲稿共四十四页哦DaiXianying 3.33.3量子阱与二维电子气量子阱与二维电子气图图3.12 量子阱中电子的能量量子阱中电子的能量 图图3.13 三角形势阱的示意图三角形势

19、阱的示意图2 2、势阱中的电子能态、势阱中的电子能态第二十八页，讲稿共四十四页哦DaiXianying3.33.3量子阱与二维电子气量子阱与二维电子气异质结异质结2DEG2DEG的电子态密度与能量的关系的电子态密度与能量的关系3 3、2DEG2DEG的子带及态密度的子带及态密度3.3.13.3.1调制掺杂异质结构界面量子阱调制掺杂异质结构界面量子阱第二十九页，讲稿共四十四页哦DaiXianying3.33.3量子阱与二维电子气量子阱与二维电子气4 4、2DEG2DEG的高迁移率特性的高迁移率特性（1 1）调制掺杂结构特点）调制掺杂结构特点（2 2）2DEG2DEG的特性的特性（3 3）应用）应

20、用3.3.13.3.1调制掺杂异质结构界面量子阱调制掺杂异质结构界面量子阱第三十页，讲稿共四十四页哦DaiXianying3.33.3量子阱与二维电子气量子阱与二维电子气3.3.23.3.2双异质结间的单量子阱结构双异质结间的单量子阱结构双异质结结构：双异质结结构：AlAlx xGaGa1-x1-xAs/GaAs/AlAs/GaAs/Alx xGaGa1-x1-xAsAs，要求，要求GaAsGaAs层足够薄；层足够薄；1 1、导带量子阱中的电子能态、导带量子阱中的电子能态（1 1）电子在量子阱中的势能）电子在量子阱中的势能V V（z z）（2 2）求解薛定谔方程）求解薛定谔方程第三十一页，讲稿

21、共四十四页哦DaiXianying3.33.3量子阱与二维电子气量子阱与二维电子气3.3.23.3.2双异质结间的单量子阱结构双异质结间的单量子阱结构2 2、价带量子阱中的空穴能态、价带量子阱中的空穴能态（1 1）二维空穴气：）二维空穴气：2DHG2DHG（2 2）量子阱中的空穴能态）量子阱中的空穴能态第三十二页，讲稿共四十四页哦DaiXianying第三章第三章半导体异质结半导体异质结异质结及其能带图异质结及其能带图异质结的电学特性异质结的电学特性量子阱与二维电子气量子阱与二维电子气多量子阱与超晶格多量子阱与超晶格半导体应变异质结半导体应变异质结 第三十三页，讲稿共四十四页哦DaiXiany

22、ing 3.4 多量子阱与超晶格多量子阱与超晶格超晶格：几种成分或掺杂类型不同的超薄层周期性地重叠，超晶格：几种成分或掺杂类型不同的超薄层周期性地重叠，构成一种特殊的人工晶体。构成一种特殊的人工晶体。超晶格周期：重叠周期，小于电子的平均自由程超晶格周期：重叠周期，小于电子的平均自由程,可人工控制可人工控制超薄层厚度：足够薄超薄层厚度：足够薄(与电子的波长相当与电子的波长相当),),使相邻势阱的电子使相邻势阱的电子波函数重叠。波函数重叠。周期性势场：周期性势场：1)1)各薄层的晶格周期性势场；各薄层的晶格周期性势场；2 2）超晶格的周期）超晶格的周期性势场。性势场。(a)(a)单量子阱单量子阱(

23、b)(b)多量子阱多量子阱(c)(c)超晶格超晶格第三十四页，讲稿共四十四页哦DaiXianying 3.43.4多量多量子阱与超晶格子阱与超晶格多量子阱（多量子阱（a）和超晶格（）和超晶格（b）中电子的波函数）中电子的波函数 第三十五页，讲稿共四十四页哦DaiXianying 3.4 多量子阱与超晶格多量子阱与超晶格3.4.13.4.1复合超晶格复合超晶格1 1、型超晶格型超晶格第三十六页，讲稿共四十四页哦DaiXianying 3.4 多量子阱与超晶格多量子阱与超晶格3.4.13.4.1复合超晶格复合超晶格1 1、型超晶格型超晶格第三十七页，讲稿共四十四页哦DaiXianying 3.4

24、多量子阱与超晶格多量子阱与超晶格3.4.13.4.1复合超晶格复合超晶格2 2、型超晶格型超晶格第三十八页，讲稿共四十四页哦DaiXianying 3.4 多量子阱与超晶格多量子阱与超晶格3.4.23.4.2掺杂超晶格掺杂超晶格n-GaAs/p-GaAsn-GaAs/p-GaAs体系体系第三十九页，讲稿共四十四页哦DaiXianying第三章第三章半导体异质结半导体异质结异质结及其能带图异质结及其能带图异质结的电学特性异质结的电学特性量子阱与二维电子气量子阱与二维电子气多量子阱与超晶格多量子阱与超晶格半导体应变异质结半导体应变异质结 第四十页，讲稿共四十四页哦DaiXianying 3.5 半

25、导体应变异质结半导体应变异质结3.5.13.5.1应变异质结应变异质结1 1、应变异质结的形成、应变异质结的形成2 2、应用、应用超过临界厚度后，弛豫超过临界厚度后，弛豫Si1-xGexSi1-xGex形成形成第四十一页，讲稿共四十四页哦DaiXianying 3.5 半导体应变异质结半导体应变异质结3.5.23.5.2应变层材料能带的人工改性应变层材料能带的人工改性（以（以SiSi1-x1-xGeGex x上生长应变异质上生长应变异质SiSi为例）为例）2 2、晶格类型、晶格类型3 3、晶格常数、晶格常数4 4、能带结构、能带结构1 1、应变类型、应变类型5 5、迁移率：、迁移率：n、p均提

26、高均提高6 6、应用：、应用：沟道长度小于沟道长度小于0.10.1m的的CMOS电路电路第四十二页，讲稿共四十四页哦DaiXianying 3.5 半导体应变异质结半导体应变异质结Strained SiBulk Si6E240.67y(eV)42mlmtmt ml应变应变SiSi导带能带分离示意图导带能带分离示意图 应变应变SiSi价带能带分离示意图价带能带分离示意图 第四十三页，讲稿共四十四页哦DaiXianying第二次课堂作业1）为什么要求异质结的晶格匹配？如何能）为什么要求异质结的晶格匹配？如何能够实现异质结的晶格匹配？够实现异质结的晶格匹配？2）若异质结的晶格不匹配，采用什么方法）若异质结的晶格不匹配，采用什么方法能够保证异质结界面处不产生缺陷（悬挂能够保证异质结界面处不产生缺陷（悬挂键）？键）？3）应变外延层厚度与什么有关？）应变外延层厚度与什么有关？第四十四页，讲稿共四十四页哦