2015第2次课-第二章 半导体异质结的组成与生长
异质结概念
异质结概念
半导体的异质结是一种特殊的PN结,由两层以上不同的半导体材料薄膜依次沉积在同一基座上形成,这些材料具有不同的能带隙,它们可以是砷化镓之类的化合物,也可以是硅-锗之类的半导体合金。
半导体异质结构的二极管特性非常接近理想二极管。
另外,通过调节半导体各材料层的厚度和能带隙,可以改变二极管电流与电压的响应参数。
半导体异质结构对半导体技术具有重大影响,是高频晶体管和光电子器件的关键成分。
(15)半导体异质结
n0 p0 N N e
Eg kBT
异型同质PN结注入比
ND和NA —— N区和P区掺杂浓度
jn Dn Lp N D j p D p Ln N A
异型异质PN结
( E g ) N ( E g ) P k BT
异质PN结注入比
j n Dn L p N D e j p D p Ln N A
异 质 结
同质结 —— 由同种半导体材料构成N区或P区,形成的PN结
异质结 —— 两种带隙宽度不同的半导体材料生长在同一块 单晶上形成的结 同型异质结 —— 结的两边导电类型相同:NN,PP
异型异质结 —— 结的两边导电类型不相同:NP,PN
两种材料未构成异质PN结之前的能级图
两种半导体材料构成异质PN结之后的能级图
Ei
异质结的“窗口效应” 异质结的窗口效应 —— 有效地减小电子-空穴的复合率
E
异质PN结界面处导带底和价带顶不连续 —— 差值
—— 两种材料的费密能级 不同,电子从高费密能级 材料流向低费密能级材料, 形成PN结势垒 —— 形成异质结时,能 带在界面处间断,在势垒 的一侧出现尖峰,另一侧 出现峡谷
异质结的“注入比” P区的电子电流密度
N区的空穴电流密度
PN结注入比
热平衡条件 Ei源自 Ei—— 强电场将电子扫向N区 —— 强电场将空穴扫向P区
—— N区带负电 —— P区带正电
Ei
—— 上下电极 产生电压
E
异质结的“窗口效应” —— 光子能量小于宽带隙的N型层__ 过N型层,在带隙较窄的P型层被吸收 —— 同质PN结制作光电 池,缺陷引起的表面复合 和高掺杂层中载流子寿命 低等因素 —— 使得一些电子-空穴 对不能到达强电场区域 ,可以透
半导体物理异质结解析PPT课件
界面量子阱中二维电子气的势阱和状态密度
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电子的能量:
二维电子气的状态密度
k空间原胞的面积:
k空间k-k+dk圆环的面积: E-k关系: 状态密度:
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低维半导体材料及其状态密度
Bulk
QW
QD
3D
2D
0D
DD((EE))
DD((EE))
D(E)
E
• qVD = qVD1 + qVD2 = EF2 - EF1 = W1 - W2
半导体物理学
第7章 金第属4页和/半共导30体页的接触
SCNU 光电学院
4
突变反型异质结的能带特征
• n型半导体的能带弯曲量为qV2,且导带底在交界面处形成一个向
上的“尖峰”。
• p型半导体的能带弯曲量为qV1,且导带底在交界面处形成一个向
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pn结的能带图
qVD E Fn EFp
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突变反型异质结的能带图
• 形成异质结时电子从n型半导体流向p型半导体,空穴的流动方向相反。
• 达到平衡时,两块半导体具有统一的费米能级。
• 在异质结界面的两边形成空间电荷区,产生内建电场和附加电势能,使 空间电荷区中的能带发生弯曲。
EE
EE
Modification of density of states by confining carriers
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双异质结间的单量子阱结构
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双异质结间的单量子阱结构
势阱形状: 波函数分离变量: 波函数分离变量: 薛定谔方程:
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半导体异质结构讲解课件
Jn = Dn dn/dx Jp = -Dp dp/dx
Drift currents components
Jn = q n mn E
Einstein relation
and Jp = q p mp E
Law of the Junction II. Mass Action Law
Shockley equation for the diode i-v characteristic
Summary
PN junction
Junction Capacitance I
Junction Capacitance II
Capacitance
Model
9.1 半导体异质结及其能带图
高势垒尖峰
低势垒尖峰情形异质pn结
加正向偏压V, 通过结的总电流密度
Dn1 qV Dp2 J J n J p q n10 p20 exp 1 L kT L p2 n1
Dn1和Ln1:p区少子电子的扩散系数和扩散长度 Dp2和Lp2:n区少子空穴的扩散系数和扩散长度 n10:p区少子浓度 p20:n区少子浓度
用分离变量法求解
2
( x, y, z ) ( x, y)u ( z )
h * x, y Exy x, y 2 2 2m x y
2 2 2
h u( z) * V ( z )u ( z ) Ez u ( z ) 2 2m z
正向偏压时
qV2 qV J exp exp kT kT
9.3 半导体异质结量子阱结构及 其电子能态与特性
半导体物理 第二章 PN结 图文
国家级精品课程——半导体器件物理与实验
第二章 PN结
引言
4-4 外延工艺:
外延是一种薄膜生长工艺,外延生长是在单晶衬底上沿晶体 原来晶向向外延伸生长一层薄膜单晶层。
外延工艺可以在一种单晶材料上生长另一种单晶材料薄膜。
外延工艺可以方便地形成不同导电类型,不同杂质浓度,杂 质分布陡峭的外延层。
外延技术:汽相外延(PVD,CVD)、液相外延(LPE)、分 子束外延(MBE)、热壁外延(HWE)、原子层外延技术。
硅平面工艺的主体
国家级精品课程——半导体器件物理与实验
第二章 PN结
引言
4-1 氧化工艺:
1957年,人们发现硅表面的二氧化硅层具有阻止杂质向硅内 扩散的作用。这一发现直接导致了氧化工艺的出现。 二氧化硅薄膜的作用: (1)对杂质扩散的掩蔽作用; (2)作为MOS器件的绝缘栅材料; (3)器件表面钝化作用; (4)集成电路中的隔离介质和绝缘介质; (5)集成电路中电容器元件的绝缘介质。 硅表面二氧化硅薄膜的生长方法: 热氧化和化学气相沉积方法。
N(x) (a)
Na
Nd xj
(b) -a(x - xj)
引言
扩 SiO2 散 结 N-Si
杂质扩散
P
N-Si
N-Si
由扩散法形成的P-N结,杂质浓度从P区到N区是
逐渐变化的,通常称之为缓变结,如图所示。设 P-N结位置在x=xj处,则结中的杂质分布可表示为: x
Na Nd (x xj), Na Nd (x xj)
Al
液体
Al
P
N-Si
N-Si
N-Si
把一小粒铝放在一块N型单晶硅片上, 加热到一定温度,形成铝硅的熔融体, 然后降低温度,熔融体开始凝固,在N 型硅片上形成含有高浓度铝的P型硅薄 层,它和N型硅衬底的交界面即为P-N 结(称之为铝硅合金结)。
异质结
耗尽层宽度分别是 2 ε pε N N DVD xp = ⋅ , e N A (ε p N A + ε N N D ) 由上面的分析,还可以得到结电容 1 2 ε p N A + ε N ND = ⋅ ⋅ VD C 2 e ε pε N N A N D j
2 ε pε N N AVD xN = ⋅ e N D (ε p N A + ε N N D )
N AND pn n ≈ k BT ln 1 2 = k BT ln 2 ni2 n1 p1 n1
即内建电势取决于两种半导体载流子浓度的比值。具体到pN结,取 决于N型半导体中的多子(电子)与p型中的少子(电子)浓度比。
§2.3 半导体异质结
根据《半导体物理》的结论,p区和N区各自的内建电势分别是 2 eN A x 2 eN N x N p , VDN = VDp = 2ε p 2ε N 若近似认为,正负电荷在耗尽层是均匀分布的,则电中性条件为
J = e⋅ X Ln1 exp − k T ⋅ exp k T − exp − k T B B B
在正向偏置时,方括号中第一项起主要作用,反向偏置时,第二项 起主要作用。所以,在正向偏置下,有
D N eV J = e ⋅ X n1 D 2 exp − DN k T L n1 B eV ⋅ exp 2 k T B
N A x p = N D xN
于是得
VDp VDN
=
ε N ND ε pNA
该式表明,内建电势主要降落在杂质浓度较低的一侧。结合以上各 式,得到内建电势分别为
§2.3 半导体异质结
VDp =
《半导体光电子学课件》下集2.1异质结及其能带图
将异质结泡在溶液中,在合适的条件下生长形成异质结材料。
异质结效应
拉克特效应
异质结的巨拉克特效应提供了 高灵敏度和高速度的光电转换。
异பைடு நூலகம்结电阻效应
由于材料性质差异带来的电阻 变化,用于电子器件中的控制 和调节。
热电效应
利用异质结在温度梯度下产生 的热电势差实现能量转换。
异质结失效机制
惯性效应
当异质结材料无法快速响应外界变化时,会产 生失效。
通过施加电场,改变异质结的 材料电位差,形成能带结构的 变化。
外界压力作用下的形 成
外界压力对异质结材料的物理 和结构性质的影响,使能带发 生变化。
掺杂作用下的形成
通过对材料进行掺杂,引入杂 质能级,改变能带结构。
异质结应用
1 光伏电池
异质结是光伏电池的关键构件,转换太阳能 为电能。
2 激光器
异质结的能带结构和电子能级分布是激光器 实现激光输出的基础。
损耗效应
由于能带结构和电子能级的变化,异质结材料 会发生能量损耗。
串扰效应
异质结中的电场和电子状态相互影响,导致器 件性能下降。
失效测试方法
通过对异质结性能的测试和分析,判断异质结 是否失效。
总结
异质结的重要性
异质结在半导体器件中起着重要的作用,广泛应用 于光电子学领域。
展望其未来的应用
随着技术的不断发展,异质结将在能源、通信和信 息等领域有更广泛的应用。
能带结构
能带简介
能带描述了材料中电子的能量分 布情况,直接影响半导体的导电 性能。
能带在异质结中的分布
异质结中的能带分布受到材料性 质差异的影响,形成能带弯曲或 偏移。
常见异质结的能带图
半导体异质结
书名:半导体异质结物理(第二版)丛书名:半导体科学与技术丛书著译者: 虞丽生科学出版社,2006年5月第二版前言第一版前言第1章序言参考文献第2章半导体异质结的组成与生长2.1 材料的一般特性2.2 异质结界面的晶格失配2.3 异质结的生长思考题参考文献第3章半导体异质结的能带图3.1 理想突变异质结的能带图3.2 异质结的能带带阶3.3 有界面态的突变异质结能带图思考题参考文献第4章半导体异质结的伏安特性和异质结晶体管4.1 异质结的注入比4.2 异质结中的超注入现象4.3 理想突变异质结的伏安特性4.4 有界面态的异质结的伏安特性4.5 伏安特性的微商研究法4.6 异质结双极晶体管4.7 GexSi(1-x)/Si异质结器件思考题参考文献第5章半导体异质结构中的二维电子气及调制掺杂器件5.1 方形势阱中粒子运动的特性5.2 异质结量子势阱中的二维电子气5.3 二维电子气的输运5.4 调制掺杂结构和场效应晶体管5.5 强磁场中的二维电子气思考题参考文献第6章半导体异质结中的非平衡载流子6.1 过剩载流子的特性6.2 异质结中的过剩载流子6.3 异质结中过剩载流子寿命的测量6.4 热载流子的一般特性6.5 研究热载流子特性的实验方法6.6 异质结中的热电子行为6.7 几种实空间转移器件思考题参考文献第7章半导体异质结激光器及光波导7.1 半导体受激光发射的基本原理7.2 半导体激光器的阈值条件7.3 增益和电流的关系,量子效率和增益因子7.4 半导体异质结激光器的横模7.5 半导体激光器增益谱的测量7.6 半导体异质结光波导思考题参考文献第8章半导体异质结的光电特性8.1 异质结的光伏特性和光电流8.2 键合异质结的光电流8.3 用光电导方法测量AlGaN/GaN异质结中Al的组分8.4 用光反射测量AlGaN及AlGaN/GaN异质结中Al的组分8.5 用光电流方法测量金属和GaN及AlGaN/GaN异质结构肖特基势垒的高度8.6 异质结光电晶体管思考题参考文献第9章氮化镓材料及其异质结特性9.1 氮化镓的基本物理特性9.2 金属和GaN及AlGaN/GaN的肖特基接触9.3 金属在AlGaN上的肖特基结势垒高度和Al组分的关系9.4 p型GaN材料的特殊情况9.5 AlGaN/GaN和InGaN/GaN的自发极化和压电极化9.6 InGaN/GaN量子阱发光管和激光器中发光均匀性和光谱特性9.7 GaN的电子器件思考题参考文献第10章半导体超晶格和多量子阱10.1 超晶格和多量子阱的一般描述10.2 超晶格的能带10.3 垂直于超晶格方向的电子输运10.4 超晶格的光谱特性10.5 超晶格和量子阱器件10.6 量子阱和超晶格的近期进展思考题参考文献部分参考答案常用物理常数表。
第二讲 半导体异质结的外延生长讲解
Xi’an Jiaotong University WBGS
n电极
n-GaN 蓝宝石衬底
Xi’an Jiaotong University WBGS
LED、LD
Xi’an Jiaotong University WBGS
三种外延层的生长
Xi’an Jiaotong University WBGS
1 sec
Ga1-xAlxAs growth rate = 1 ML/sec Al content x = 1-01.6= 0.4
Xi’an Jiaotong University WBGS
激光器的MOCVD生长 ------高质量的多量子阱有源区
InGaN/GaN多量子阱的高倍 TEM截面像
InGaN/GaN多量子阱的XRD扫描曲线
n-GaN
n-electrode
n-GaN
GaN buffer layer
(0001) sapphire
Xi’an Jiaotong University WBGS
MOCVD
Xi’an Jiaotong University WBGS
Xi’an Jiaotong University WBGS
Xi’an Jiaotong University WBGS
第二讲:半导体异质结的外延生长
张景文 2019/7/4
Xi’an Jiaotong University WBGS
Xi’an Jiaotong University WBGS
CZ法生长硅的缺点
含氧(石英坩埚)、碳(石墨舟中的碳进入熔融硅中), 但外延层不含(含量极低)
p-electrode
SiO2
半导体物理第9章半导体异质结的组成和生长
第九章半导体异质结的组成与生长Part 1第九章9.1.1 半导体异质结的分类9.2 半导体异质结的能带结构9.3 异质PN结的注入特性9.4 理想突变异质结的伏安特性异质结的分类异质结的分类异质结的分类概述概述一、不考虑界面态一、不考虑界面态一、不考虑界面态一、不考虑界面态一、不考虑界面态一、不考虑界面态一、不考虑界面态二、计入界面态的影响二、计入界面态的影响二、计入界面态的影响其中:二、计入界面态的影响二、计入界面态的影响二、计入界面态的影响二、计入界面态的影响二、计入界面态的影响二、计入界面态的影响二、计入界面态的影响二、计入界面态的影响二、计入界面态的影响二、计入界面态的影响三、突变反型异质结的接触电势差三、突变反型异质结的接触电势差1、无外加电压时耗尽区总电荷量为:三、突变反型异质结的接触电势差、外加电压V时2、外加电压三、突变反型异质结的接触电势差四、突变同型异质结的接触电势差V四、突变同型异质结的接触电势差一、异质PN结的高注入比特性一、异质一、异质PN结的高注入比特性一、异质PN结的高注入比特性一、异质PN结的高注入比特性一、异质二、异质PN结的超注入现象二、异质PN结的超注入现象二、异质PN结的超注入现象二、异质PN结的超注入现象二、异质PN结的超注入现象一、低势垒尖峰形异质结的I-V特性一、低势垒尖峰形异质结的I-V特性一、低势垒尖峰形异质结的I-V特性表明通过异质结面的电流主要由电子电流构成,而空穴电流所占的比列很小。
半导体光电子学第2章_异质结
空间电荷 空间电荷区
当扩散的载流子数等于 漂移的载流子数时,达 到了动态平衡。这时在 分界面附近形成了稳定 的正负离子区,即p-n结, 也称为空间电荷区(space charge region),或耗散 区(depletion region)。
内建电场 电势差 在整个V半D导体中,在耗散区存在
由正离子区指向负离子区的电场, 这就使得耗散区出现电势的变化, 形成p区和n区之间的电势差V0。 n区的电势大于p区的电势。因此, 对空穴来说,n区的势能大于p区 的势能,形成了一个势垒eV0,这 使得空穴只能在p区,不能到达n 区。对电子来说,p区的势能大于 n区的势能,也形成了一个势垒 eV0,使得电子只能在n区,不能 到达p区。 整个半导体的能带结构如图所示。 这个能带图是以电子能量为参照 的。
功函数φ:将一个电子从费米能级EF处转移到真空能级所 需能量。
电子亲和势χ:一个电子从导带底转移到真空能级所需的 能量。
真空能级:真空中静止电子的能量。
功函数φ
真空能级
xφ
EC
F
电子亲和势χ
Eg
真空能级Βιβλιοθήκη EVN一、p-N异质结
作能带图的步骤是: ①以同一水平线的真空能级为参考能级,根据各自的φ、 χ、Eg值画出两种半导体材料的能带图,如图2.1-1所示
当本征半导体的两边分别掺杂不 同类型的杂质时,由于浓度差的 作用,n区的多数载流子电子和p 区的多数载流子空穴分别向p区 和n区扩散。这样在p区和n区的 分界面附近,n区由于电子扩散 到p区而留下不能移动的正离子, p区由于空穴扩散到n区而留下不 能移动的负离子。这些不能移动 的正负离子在分界面附近形成一 个电场E0,称为内置电场。内置 电场的方向是从n区指向p区,阻 碍着电子和空穴的扩散,它使n 区的少数载流子空穴和p区的少 数载流子电子分别向p区和n区作 漂移运动,
半导体异质结结构
对式(9-21)、式(9-22)积分得
V1(x)
qN A1 x 2
21
qN A1 x1 x
1
D1
V2 (x)
qND2 x2
2 2
qND2 x2 x
2
D2
在热平衡条件下,异质结的接触电势差VD为
VD V2 (x2 ) V1(x1)
而VD在交界面p型半导体一侧的电势差为
VD1 V1(x0 ) V1(x1)
(9-17) (9-18)
School of Electronic Engineering & Optoelectronic Techniques
因势垒区外是电中性的,电场集中在势垒区内,故边界条
件为
E1 ( x1 )
dV1 dx
x x1
0
(9-19)
E1(x1) 有边界条件定出
dV1 dx
x x1
School of Electronic Engineering & Optoelectronic Techniques
如果从一种半导体材料向另一种半导体材料得过渡只发生 于几个原子范围内,则称为突变型异质结。如果发生于几 个扩散长度范围内,则称为缓变形异质结。 1.不考虑界面态时的能带图 (1)突变反型异质结能带图
时,由于n型半导体的费米能级位置高,电子将从n型半导
体流向p半导体,同时空穴在与电子相反的方向流动,直
至两块半导体的费米能级相等为止。
School of Electronic Engineering & Optoelectronic Techniques
这时两块半导体有统一的费米能级,即
EF EF1 EF 2
Ns
半导体异质结
半导体异质结的 研究进展与展望
半导体异质结的制备技术 半导体异质结的性能优化 半导体异质结的应用领域 半导体异质结的未来发展趋势
半导体异质结的 研究进展:在材 料、结构、工艺 等方面取得了重 要进展
半导体异质结的 突破:在光电转 换效率、稳定性、 可靠性等方面取 得了重要突破
半导体异质结的 应用前景:在太 阳能电池、光电 探测器、LED等 领域具有广泛的 应用前景
太阳能电池:利用半导体异质结的 光电效应将太阳能转化为电能
发光二极管(LED):利用半导体 异质结的电致发光效应将电能转化 为光能
添加标题
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光电探测器:利用半导体异质结的 光电效应将光信号转化为电信号
激光器:利用半导体异质结的光电 效应产生激光束用于通信、医疗等 领域
温度传感器:用于测量温度变化 压力传感器:用于测量压力变化 湿度传感器:用于测量湿度变化 气体传感器:用于检测气体浓度变化 生物传感器:用于检测生物信号变化 光学传感器:用于检测光学信号变化
半导体异质结: 由两种或两种 以上不同性质 的半导体材料
组成的结构
异质结类型: 包括异质结、 异质结、异质
结等
异质结特点: 具有独特的电 学、光学和热
学性质
异质结应用: 广泛应用于电 子、光电子、 微电子等领域
半导体异质结的形成是通过将两种 不同的半导体材料结合在一起形成 一种新的半导体结构。
半导体异质结的形成还可以通过在 半导体材料中引入杂质来实现例如 通过掺杂、离子注入等方法。
市场需求:随着5G、物联网、人工智能等技术的发展半导体异质结市场前景广阔 技术挑战:半导体异质结技术难度大需要攻克材料、工艺、设备等多方面的难题 竞争压力:全球半导体市场竞争激烈需要不断提高技术水平和产品质量 政策支持:政府对半导体产业的支持力度加大为半导体异质结的发展提供了有利条件
半导体光电子学第2章异质结
半导体光电子学第2章异质结半导体光电子学是研究半导体材料光电特性及其应用的学科。
其作为现代光电子技术的基础,为光通信、光传感、光信息处理等领域的发展提供了坚实的支持。
在半导体光电子学的学习过程中,我们需要了解异质结的概念、特性及应用。
本章将对异质结进行详细阐述。
1. 异质结的概念异质结是由两种或更多种不同半导体材料相接而形成的结构。
其中,相邻两种材料的晶格常数和禁带宽度不同,导致在结面上形成电子和空穴的能带弯曲。
这种能带弯曲会导致电子和空穴的能级重组,形成“内建电场”。
异质结的概念是实现光电转换、能带调控和电子输运等重要功能的基础。
2. 异质结的特性异质结具有多种特性,下面将对其中几个重要特性进行介绍。
2.1 能带偏移由于异质结两侧材料的禁带宽度不同,电子和空穴在结面上的能带位置会发生偏移。
这种偏移可以通过外加电场和局域界面态等方式进一步调控,从而实现电子和能带的控制和调节。
2.2 冯特效应冯特效应是指异质结中带电粒子受到界面内建电场的作用,导致能带弯曲。
这种弯曲会在异质结区域形成空间电荷区,从而产生高电场效应。
冯特效应不仅可以用于增强材料的光电转换效率,还可以用于光电探测和激光调制等应用中。
2.3 谐振隧穿效应当异质结中的能带弯曲达到一定程度时,电子和空穴可以发生隧穿穿过禁带区,形成谐振隧穿效应。
该效应可以用于制备高速、低噪声的光电二极管和光电输运器件。
3. 异质结的应用异质结由于其独特的特性,被广泛应用于光电子学领域。
3.1 光电转换器件异质结被用于制备光电二极管、光电导等转换器件,用于将光信号转换为电信号或将电信号转换为光信号。
这些器件在光通信、光传感、光信息处理等领域起到重要作用。
3.2 光电检测器基于异质结的光电检测器具有高灵敏度、快速响应和宽波段等特点。
它们可以用于光电通信中的光信号接收、光传感中的光信号检测以及光学成像等领域。
3.3 光电调制器异质结可以通过冯特效应实现光的调制。
光电调制器可以用于光通信中的信号调制、光学成像中的图像增强和光信息处理中的信号调节等应用。
《半导体光电子学课件》下集2.1 异质结及其能带图
Ec1
F
Ev1
x1
VD VDP VDN
E g1 E g 2
1
VDP
Ec
VDN
Ec 2
Ev
x1 x2
1 2
x1 E g1 x2 E g 2
Ev 2
xp
xn
④ p-n结 p- n: n型和p型样占接触在一起p- n结。 n区电子向p区扩散→n区剩下电离施主,形成带 正电荷区。 p区孔穴向n区扩散→p区剩下电离受主,形成带 负电荷区。 加正向偏压 v f 时,外加电场与内建电场方 向相反,空间电荷相应减少,势垒区宽度减少, 扩散运动超过了漂移运动 qvD q(vD v f ) , 载流子扩散运动超过了漂移运动→成为正向电流。
x1 x2
x1
Ec1
Ev1
E g1
1
Ec
-
+
1 2
x1 E g1 x2 E g 2
1
Ev
2
+ +Biblioteka Ec 2FEv
Ev 2
形成结后能带
三.缓变异质结
1.能带不连续性小时,尖峰、尖谷淡化 2.在外加电场作用下,缓变结与突变结有相同的性 质, Ev 和 Eg有一定的关系 Ec 、
Ev ( Eg 2 x2 ) ( Eg1 x1 )
E g x E g E c
二.突变同型异质结
nN , pP 1.同型异质结由多数载流子相互扩散形成空间电荷区 2.同型异质结性质由多数载流子决定 3.同型异质结材料费米能级有差别 → 扩散 4. Eg: X: 不同, 能带不同 Φ: F:
→n 区电子进入p区成为p区非平衡少数载流子。 →非平衡少数载流子的电注入。 扩散过程中与多子相遇而不断复合→一个扩散长度 后复合完毕。
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外延生长所需材料: 1. 镓(Ga )源:三甲基镓【TMGa =Ga(CH3)3 】 2. 铟(In )源:三甲基铟【TMIn =In(CH3)3 】 3. 氮(N) 源:蓝氨( NH3 ) 4. p 型掺杂源:二茂基镁【Cp2Mg=Mg(C5H5)2 】 5. n 型掺杂源:硅烷(SiH4) 6. 载气:高纯度的 氢气(H2)
(1)The transport of reactants through the boundary layer to the substrate, (2)The adsorption of reactants at the substrate, (3)The atomic and/or molecular surface diffusion and chemical reactions, (4)The incorporation of GaAs into the lattice, (5)The transport of by-products away from the substmple reaction: Ga(CH3)3 + AsH3
(Trimethal gallium gas) (Arsene gas)
3CH4
(Methane gas)
+
GaAs
(on the substrate)
The reaction occurs in a sealed container (reactor)
1 2
2 2 a2 a1 2 2 a1 a2
)
(
2 2 a2 a1 2 2 a1 a2
)
lh
1 2
2a
3 2
2a
3a 2 2
可以看出,在(111)面上, 异质结界面态密度最小。然而 实际的器件结构中,由于 (110)面易于解理这一性质, 常常利用它来作光学谐振腔面。 相应地,与其垂直的(100) 常被用来作外延生长的异质结 界面。因而,其界面态密度相 对于其它晶面要高一些。
晶体生长过程是物质从其它相转变为结晶相的过程
晶体是在物相转变的情况下形成的。 物相有三种〃即气相、液相和固相。 由气相、液相固相时形成晶体〃 固相之间也可以直接产生转变。 液相生长:液体固体
气相生长:气体固体
材料外延生长技术
Deposition of a layer on a substrate which matches the crystalline order of the substrate Homoepitaxy Growth of a layer of the same material as the substrate Si on Si Heteroepitaxy Growth of a layer of a different material than the substrate GaAs on Si
Si RHEED 像
生长模式
Self
Assembed structures
High-resolution TEM image of AlN/sapphire interface grown by MOCVD.The large Lattice mismatch between sapphire and AlN induces a dislocated interface with the thickness on The order of 1mL,after which the AlN epilayer assumes its ownl attice parameter.
2d sin=n
arcsin(/2d)
=arcsin(1.5443/5.189)=17.31 234.62 deg
1 4 (h 2 hk k 2 ) l 2 2 2 d (hkl) 3a0 c0
例
6半导体合金材料
把两种半导体A和B混合成合金时, (1)混合材料的晶体结构。 (2)原子在合金材料内的分布状况。设x为材料A的量,形 成AxB1-x时,有以下几种情况: # 两种材料分布在材料的不同区域,形成分凝相。 在每个合金点上,A原子占据的概率为x,B原子占据的概率 为(1-x).形成随机合金材料。 A原子和B原子按一定规则形成周期结构,形成超晶格。 在三元合金情况下,如GaAlAs, GaAlN, InGaN. 禁带宽度随组分.
第四节 分子束外延法(MBE)
分子束外延生长法〃是在对生长条件严 格控制的超高真空下完成单晶薄膜生长 的〃是真空蒸镀方法的进一步发展。其 晶体生长过程是在非热平衡条件下完成〃 仅受基片的动力学制约。这是与在近热 平衡状态下进行的液相外延生长的根本 区别。
Molecular Beam Epitaxy**
a a
( 2.2.1)
晶格匹配:异质结的两种材料的 晶格常数要尽可能匹配。 为什么要晶格匹配: 1 悬挂键 2 界面态 3 由界面态引 起的非辐射复 合。
悬挂键密度等于交界处键密度之差.
N s N s1 N s 2
Nss
1 LS
LS 2 a1
LS 2 a2
( 2.2.2)
2 2 a2 a1 2 2 a1 a2 1 )( a2 a1 ) ( a2 aa 2 2 a 1 2
(2.2.3)
L
S
( 110 )面 :
4 2
(
2 2 a2 a1 2 2 a1 a2
) =2.83 ( a a
=4
2 2 a2 a1 2 2 1 2
)
( 100 )面 : 4(
面积
2 装置
3 MBE生长
(1)表面净化 加温 GaAs 573 oC
离子照射 H原子照射。
4 薄膜生长及生长机理
吸附系数 吸附 脱附
MBE growth mechanism *
MBE growth mechanism **
5高能电子衍射
Reflection High Energy Electron Diffraction
金属有机物化学气相沉积
MOCVD 金属有机物化学气相 沉积(Metalorganic Chemical Vaporphase Deposition) 也称为MOVPE(金属有机物气 相外延Metalorganic Vapor Phase Epitaxy)。 它是在60年代末由Manasevit提 出。已成为介观物理、半导体材 料和器件的研究以及生产领域最 重要的外延技术之一。 在GaAs、InP和GaN材料系的应 用中,由它制备的材料和器件性 能达到或超过了其它任何晶体外 延技术的水平。与其它外延技术 相比,MOCVD具有反应室简单, 材料纯度高,生长界面陡,操作 容易,应用范围广,可用于大规 模生产等优点.
第二章 半导体异质结的组成与生长
问题?
1. 2.
立方晶与六方晶的区别与联系 维达定理
3.
4.
半导体合金材料(用途)
MOCVD
5.
6. 7.
MBE
自组织生长
RHEED
内容
第一节 材料的一般特性
第二节 异质结界面的晶格失配 第三节金属有机物化学气相外延生长
第四节分子束外延法(MBE)
第一节 材料的一般特性
MOCVD设备可分为四个系统: (1)载气和源供应系统, (2)反应室和控制系统, (3)尾气处理系统和 (4)安全保障系统。 MOCVD所用的源有气体源和需要用 载气携带的固、液体源; 控制系统又分为压强、流量和温度三 个控制分系统,分别控制反应室的压 强,载气及气体源的流量和反应室的 温度等; 尾气处理系统由裂解炉和喷淋塔组成, 用于分解和吸收尾气中的有毒物质, 减少污染; 安全系统包括压强、有毒气体和可燃 气体报警装置以及应急反应装置,用 于保证系统和操作人员的安全。
包含在这个面中的键数为2.
( 111 )面 N s N s1 N s 2
4 3 4 3 4 2 3a1
2 a2
2
4 2 3a2
2 a1
( )
1 2 a1 1 2 a2
4 3
( a 2a 2 a 2a 2 )
1 1 2
(
2 2 a2 a1 2 2 a1 a2
)
=2.31
b InGaN AlGaN InGaN 3.2 (strained) 0.25 (strained) 3.8 (unstrained)
适用范围 X<0.20 X<0.25 X<0.20
Jpn.J.Appl.Phys.V36(1996),pp.L177-179
Vegard定律 a合金 xaA (1 x)aB ( 2.1.5) a合金:混晶的晶格常数 a A:材料A的晶格常数 a B:材料B的晶格常数
1 晶格结构
(1)晶格结构 立方晶 六方晶 晶格常数:Si:5.43A, Ge:5.658A GaAs:5.56A, GaN: c=5.189Å,a=3.192Å
2 立六方结构
1双原子层堆积 2 偶极层
3 六方晶GaN的极性
N-Face Ga-Face
两个面具有不同的表面结构、组 成和化学特性, 1. 薄膜生长、掺杂和所含缺陷 也有着极大的影响 2. 氧氢的吸附 3. 化学腐蚀特性也恰恰相反, 4. 氧、铝等杂质则更易于进入 氮面的氮化稼薄 5. 镁的引入会导致薄膜极性的 变化。
Epitaxial growth:
直拉法是生长元素和III-V族化合物半导体体单晶的 主要方法。 该法是在盛有熔硅或锗的坩埚内〃引入籽晶作为非均 匀晶核〃然后控制温度场〃将籽晶旋转并缓慢向上提 拉〃晶体便在籽晶下按籽晶的方向长大。