半导体物理学第九章
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P AlxGa1 x As / P GaAs / n AlxGa1x As / n GaAs
•
异质结
异质结
衬底
异质结应用2
• 3．异质结发光二极管（light-emitting diode）
n GaAs / P GaAs / P Alx Ga1 x As( x 0.2 ~ 0.3)
• 同质结 异质结 • 三个区都是重掺杂， • 加正向电压， • 能带如下图
wenku.baidu.com
异质结应用2
• 4．异质结激光器 • ① 单异质结激光器（三层结构） • P AlxGa1x As / P GaAs / n GaAs • 异质结 同质结 • ② 双异质结激光器（四层结构）
tSL
异质结应用2
• 1．异质结晶体管： • 特点异质结做发射结，注入效率高， 大
注入电子流 Eg / kT e Eg Eg 2 Eg1 , Eg 2 Eg1 注入空穴流
• •
Eg ＝0.2ev， 注入电子流＝3000（注入空穴流）
• Eg ＝0.4ev， 注入电子流＝ 106 （注入空穴流） 16 • Eg ＝0.7ev， 注入电子流＝ 10 （注入空穴流） • 2．异质结光电二极管（光电池）Photocell 太阳电 池Solarcell • 同质结光电管，要求n区很薄（以利光穿透），但薄n 区难制造。
GaAs/AlGaAs 异质结的电子能级结构
异质结的应用1
• 异质结的主要应用之一是形成量子阱。 它由两个异质结背对背相接形成的。 • 异质结的主要应用之二是形成超晶格。 它由异质结交替周期生长形成。超晶格 是Esaki和Tsu在1969年提出的。 • Esaki等提出的超晶格有两类：1）同质 调制掺杂；2）异质材料交替生长。 • 超晶格或多量子阱间的共振隧穿效应
第9章半导体异质结构 （简介）
Chap9 半导体异质结构
Heterojunction • 同质结：（不同导电类型的）同种材料组成的P-N 结。 • 异质结：（不同导电类型的）两种材料组成的P-N 结。
• 1951年提出异质结的概念，由于制备材料的新技 术不断出现和半导体物理的深入发展，推动了异 质结的研究和发展。1960年制成激光二极管激光 器
Multiquantum Wells (MQW)
AlGaAs GaAs Single quantum well Multiquantum well
…
ΔEc
Eg( AlGaAs)
…
GaAs
ΔEv
Wells separated by large distance to minimize … of states… coupling
异质结生长
• 外延生长技术发展于50年代末60年代初。当时， 为了制造高频大功率器件，需要减小集电极串 联电阻，又要求材料能耐高压和大电流，因此 需要在低阻值衬底上生长一层薄的高阻外延层。 外延生长的新单晶层可在导电类型、电阻率等 方面与衬底不同，还可以生长不同厚度和不同 要求的多层单晶，从而大大提高器件设计的灵 活性和器件的性能。外延工艺还广泛用于集成 电路中的PN结隔离技术和大规模集成电路中 改善材料质量方面。 • 异质结的形成通常是通过异质外延的方法制备 的。经常形成超晶格结构，在半导体激光器和 高迁移率晶体管（HEMT）领域有应用。
异质结种类
• 种类： • ①反型异质结：导电类型相反的两种材料 制成的结，如：p-n Ge-Si,p-n GeGaAs,p-n Si-GaAs • ②同型异质结：导电类型相同的两种材料 制成的结，如：n-n Ge-Si,n-n GeGaAs,n-n Si-GaAs • 以上的符号，都把Eg小的材料放在前面。 异质结的禁带宽度可能相同，也可能不同， 我们主要讨论禁带宽度不同的情形。
异质结的能带结构
• 异质结的能带结构与构成异质结材料的禁带宽度、 禁带失调有关。设构成异质结材料的禁带宽度分 别为Eg1>Eg2。 • 禁带的失调可能有三种情形： 1）Eg2包含在Eg1之间，如Ga1-xAlxAs与GaAs ； 2）Eg1与Eg2禁带相互错开，如Ga1-xInxAs（下） 和GaAs1-xSbx（上）； 3）二者没有共能量，如InAs（下）与GaSb（上）
Structures where the barriers are thick enough to prevent any overlapping of neighboring wavefunctions are referred to as MQW
tMQ
W
Structures with thin barriers that allow for overlapping of neighboring wavefunctions are referred to as superlattices
•
异质结
异质结
衬底
异质结应用2
• 3．异质结发光二极管（light-emitting diode）
n GaAs / P GaAs / P Alx Ga1 x As( x 0.2 ~ 0.3)
• 同质结 异质结 • 三个区都是重掺杂， • 加正向电压， • 能带如下图
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异质结应用2
• 4．异质结激光器 • ① 单异质结激光器（三层结构） • P AlxGa1x As / P GaAs / n GaAs • 异质结 同质结 • ② 双异质结激光器（四层结构）
tSL
异质结应用2
• 1．异质结晶体管： • 特点异质结做发射结，注入效率高， 大
注入电子流 Eg / kT e Eg Eg 2 Eg1 , Eg 2 Eg1 注入空穴流
• •
Eg ＝0.2ev， 注入电子流＝3000（注入空穴流）
• Eg ＝0.4ev， 注入电子流＝ 106 （注入空穴流） 16 • Eg ＝0.7ev， 注入电子流＝ 10 （注入空穴流） • 2．异质结光电二极管（光电池）Photocell 太阳电 池Solarcell • 同质结光电管，要求n区很薄（以利光穿透），但薄n 区难制造。
GaAs/AlGaAs 异质结的电子能级结构
异质结的应用1
• 异质结的主要应用之一是形成量子阱。 它由两个异质结背对背相接形成的。 • 异质结的主要应用之二是形成超晶格。 它由异质结交替周期生长形成。超晶格 是Esaki和Tsu在1969年提出的。 • Esaki等提出的超晶格有两类：1）同质 调制掺杂；2）异质材料交替生长。 • 超晶格或多量子阱间的共振隧穿效应
第9章半导体异质结构 （简介）
Chap9 半导体异质结构
Heterojunction • 同质结：（不同导电类型的）同种材料组成的P-N 结。 • 异质结：（不同导电类型的）两种材料组成的P-N 结。
• 1951年提出异质结的概念，由于制备材料的新技 术不断出现和半导体物理的深入发展，推动了异 质结的研究和发展。1960年制成激光二极管激光 器
Multiquantum Wells (MQW)
AlGaAs GaAs Single quantum well Multiquantum well
…
ΔEc
Eg( AlGaAs)
…
GaAs
ΔEv
Wells separated by large distance to minimize … of states… coupling
异质结生长
• 外延生长技术发展于50年代末60年代初。当时， 为了制造高频大功率器件，需要减小集电极串 联电阻，又要求材料能耐高压和大电流，因此 需要在低阻值衬底上生长一层薄的高阻外延层。 外延生长的新单晶层可在导电类型、电阻率等 方面与衬底不同，还可以生长不同厚度和不同 要求的多层单晶，从而大大提高器件设计的灵 活性和器件的性能。外延工艺还广泛用于集成 电路中的PN结隔离技术和大规模集成电路中 改善材料质量方面。 • 异质结的形成通常是通过异质外延的方法制备 的。经常形成超晶格结构，在半导体激光器和 高迁移率晶体管（HEMT）领域有应用。
异质结种类
• 种类： • ①反型异质结：导电类型相反的两种材料 制成的结，如：p-n Ge-Si,p-n GeGaAs,p-n Si-GaAs • ②同型异质结：导电类型相同的两种材料 制成的结，如：n-n Ge-Si,n-n GeGaAs,n-n Si-GaAs • 以上的符号，都把Eg小的材料放在前面。 异质结的禁带宽度可能相同，也可能不同， 我们主要讨论禁带宽度不同的情形。
异质结的能带结构
• 异质结的能带结构与构成异质结材料的禁带宽度、 禁带失调有关。设构成异质结材料的禁带宽度分 别为Eg1>Eg2。 • 禁带的失调可能有三种情形： 1）Eg2包含在Eg1之间，如Ga1-xAlxAs与GaAs ； 2）Eg1与Eg2禁带相互错开，如Ga1-xInxAs（下） 和GaAs1-xSbx（上）； 3）二者没有共能量，如InAs（下）与GaSb（上）
Structures where the barriers are thick enough to prevent any overlapping of neighboring wavefunctions are referred to as MQW
tMQ
W
Structures with thin barriers that allow for overlapping of neighboring wavefunctions are referred to as superlattices