第九章 异质结
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哈工大半导体物理课件第9章(精)
突变型异质结：转变区或过渡区小于等 于数个原子间距的异质结
缓变型异质结：转变区大于数个扩散长 度的异质结
2 异质结的能带图
突变异质结的研究比较成熟 异质结的能带图比同质结复杂（禁带宽
度，电子亲合能，功函数，介电常数和 晶格常数差异） 由于晶体结构和晶格常数不同，在异质 结结面上形成的界面态增加了复杂性
第9章 异质结 1 异质结的基本概念
异质结是由两种不同晶体材料形成的半导 体结
同型异质结：同种导电类型材料构成的异 质结（n-nGe-Si，p-pGe-GaAs） 反型异质结：相反导电类型材料构成的异 质结（p-nGe-GaAs）
异质结的形成条件：要有相近的晶体结构 和晶格常数。
突变型异质结和缓变型异质结
侧
的p型半导体和n型半导体中的内建电势差。
2 异质结的形成过程与同质结相似，与同 质结不同之处
（1）自建电场在界面处发生不连续 （2）能带在界面处不连续，能带在界面处的突变
形成“尖峰”和“凹口” 导带底突变
Ec 1 2
价带顶突变 Ev Eg 2 Eg1 (1 2 )
Ec Ev Eg 2 Eg1
对于晶格常数分别为a1,a2（a1<a2）两种材料 形成的异质结，两种材料界面上的键密度分别 为Ns1,Ns2，显然Ns1>Ns2，形成异质结后，晶 格常数小的材料表面出现部分未饱和键，形成 的界面态密度
Ns Ns1 Ns2
对于两种相同晶体结构材料形成的异质结，界 面态密度△Ns取决于晶格常数和晶面。
2 界面态的影响
界面态可以分为施主型界面态和受主型界面 态。施主型界面态施放电子后带上正电荷，使半 导体表面能带向下弯曲；受主型界面态施放空穴 之后带上负电荷，使半导体表面能带向上弯曲。 界面态对异质结能带的影响取决于界面态起什么 作用和起多大作用。
缓变型异质结：转变区大于数个扩散长 度的异质结
2 异质结的能带图
突变异质结的研究比较成熟 异质结的能带图比同质结复杂（禁带宽
度，电子亲合能，功函数，介电常数和 晶格常数差异） 由于晶体结构和晶格常数不同，在异质 结结面上形成的界面态增加了复杂性
第9章 异质结 1 异质结的基本概念
异质结是由两种不同晶体材料形成的半导 体结
同型异质结：同种导电类型材料构成的异 质结（n-nGe-Si，p-pGe-GaAs） 反型异质结：相反导电类型材料构成的异 质结（p-nGe-GaAs）
异质结的形成条件：要有相近的晶体结构 和晶格常数。
突变型异质结和缓变型异质结
侧
的p型半导体和n型半导体中的内建电势差。
2 异质结的形成过程与同质结相似，与同 质结不同之处
（1）自建电场在界面处发生不连续 （2）能带在界面处不连续，能带在界面处的突变
形成“尖峰”和“凹口” 导带底突变
Ec 1 2
价带顶突变 Ev Eg 2 Eg1 (1 2 )
Ec Ev Eg 2 Eg1
对于晶格常数分别为a1,a2（a1<a2）两种材料 形成的异质结，两种材料界面上的键密度分别 为Ns1,Ns2，显然Ns1>Ns2，形成异质结后，晶 格常数小的材料表面出现部分未饱和键，形成 的界面态密度
Ns Ns1 Ns2
对于两种相同晶体结构材料形成的异质结，界 面态密度△Ns取决于晶格常数和晶面。
2 界面态的影响
界面态可以分为施主型界面态和受主型界面 态。施主型界面态施放电子后带上正电荷，使半 导体表面能带向下弯曲；受主型界面态施放空穴 之后带上负电荷，使半导体表面能带向上弯曲。 界面态对异质结能带的影响取决于界面态起什么 作用和起多大作用。
第九章半导体异质结课件
概述
由于电势的不连续以及禁带宽度的不一致，使得异质结界面附近的能 带产生突变，即产生了“尖峰” 、“凹口” (或下陷)一些与同质结不同的情 况，这些将严重地影响载流子的运动，使得异质结具有一些同质结所没有
的特性。
一、不考虑界面态
1、突变反型异质结
一个P型A材料和一个n型B材料形成的异质结。 A 、B两材料在未形成异质结前的热平衡能带图如下图所示：
Ⅲ- Ⅴ族氮化物： BN、GaN、InN、AlN 等六方晶系； 3、 Ⅱ- Ⅵ族半导体： CdTe、HgTe、ZnTe、ZnSe、CdS、ZnS、 CdS 等闪锌矿； 4、 Ⅱ- Ⅵ族半导体： PbTe、SnTe等NaCl结构(离子晶体)； 5、氧化物半导体： ZnO。
三、异质结的生长技术
1.液相外延技术(LPE) 2.汽相外延技术(VPE) 3.金属有机化学汽相沉积技术(MOCVD) 4.分子束外延技术(MBE)
一、 异质PN结的高注入比特性
人们针对不同的异质结构，提出了多种异质结伏安特性的模型，如： 扩散模型、热电子发射模型、隧道模型、发射-复合模型、隧道-复合模型、 扩散-发射模型等等。
利用扩散模型可以获得异质PN结的电子电流密度Jn和空穴电流密度Jp 的表达式，将Jn和Jp取比值得到异质结的注入比。
(a1 ，a2分别为两种半导体晶体的晶格常数)
突变异质结交界面处的悬挂键密度△Ns为两种材料在交界面处的悬挂键密度 之差。即 △Ns = NS1 - NS2
二、 计入界面态的影响
以金刚石结构为例：
以(111)晶面为交界面时，其悬挂键密度为：
以(110)晶面为交界面时，其悬挂键密度为：
以(100)晶面为交界面时，其悬挂键密度为：
二、 计入界面态的影响
第九章 半导体异质结
Ec1
Ev2
Eg1
Ev1
I型
Ec2 Eg2
Ev2 Ec1
I’型
Eg1
Ev1
Ec2 Eg2
Ev2 II 型
一、异质结的分类
3. 按从一种材料向另一种材料过渡的变化程度来分：
（1）突变型异质结： 从一种半导体材料向另一种半导体材料的过渡只发生在几个原
子距离范围内。 （2）缓变型异质结： 从一种半导体材料向另一种半导体材料的过渡发生于几个扩散
即 qVD qVD1 qVD2 EF 2 EF1 显然 VD VD1 VD2
由于两种材料的禁带宽度不同，能带弯曲不连续，出现了“尖峰”和 “凹口”。尖峰阻止了电子向宽带一侧的运动，这就是所谓的“载流子的限制 作用”。
一、不考虑界面态
W1
Ec1 EF Ev1
x1
凹口
Eg1
qVD1
尖峰
qVD
因为： Q2 Q1 QIS
当界面电荷QIS是受主电荷时，即与Q1相同，此时与无界面态电荷QIS时相 比较，显然Q1减小了，而Q2则增大了。
若QIS很小，得到：
Q1
1N AQIS 1NA 2ND
B1
VD
Va
1/ 2
Q2
2 NDQIS 1NA 2ND
B1
VD
Va
1/ 2
式中第一项为由界面态影响在空间电荷区产生的电荷量，第二项为不考虑界 面态时的空间电荷区电荷量。
一、不考虑界面态
形成异质结时，由于n型半导体（B材料）的费米能级高于P型半导体（A材 料），因此电子从n型半导体流向P型半导体，直到两块半导体具有统一的费米 能级。
由于电子与空穴的流动，在n型和P型半导体的交界面附近形成空了间电荷 区，产生自建电场，使电子在空间电荷区中各点的电势分布不同，即有附加电 势能存在，使空间电荷区中的能带发生弯曲。
第九章半导体异质结结构.ppt
图9.7 金刚石结构（111）面内的键数
(9-8)
同理（110）晶面，悬挂键密度为
2 4 a2 a12 N s 2 2 2 a1 a2
(9-9)
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（2）突变同型异质结的能带图
图9-4(a)均是n型的两种不同的半导体材料形成的异质结
之间的平衡能带图；（b）为形成异质结之后的平衡能带
图。当两种半导体材料紧密接触形成异质结时，由于禁带 宽度大的n型半导体的费米能级比禁带宽度小的高，所以 电子将从前者向后者流动。
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同理（110）晶面，悬挂键密度为
2 a2 a12 N s 4 2 2 a1 a2
(9-10)
应用以上公式，计算得Ge-GaAs异质结的悬挂键密度如表 9-3所示
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在热平衡条件下，异质结的接触电势差VD为
qNA1 x 2 qNA1 x1 x V1 ( x) D1 21 1 qND 2 x 2 qND 2 x2 x V2 ( x) D2 2 2 2
(9-23)
(9-24)
VD V2 ( x2 ) V1 ( x1 )
而VD在交界面p型半导体一侧的电势差为
这时两块半导体有统一的费米能级，即
EF EF1 EF 2
第九章半导体异质结结构.ppt
图9.6 产生悬挂键的示意图
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如图9.7所示
因此对于晶格常数分别为a1、
a2的两块半导体形成的异质
结，以（111）晶面为交界 面的时悬挂键密度为
N s
2 2 4 a 2 a 1 2 2 3 a1 a 2
对于反型异质结，两种半导体材料的交界面两边都成了耗
尽层；而在同型异质结中，一般必有一变成为积累层。 图9.5为pp异质结在热平衡时的能带图。其情况与nn异质 结类似。
实际上由于形成异质结的两种半导体材料的禁带宽度、电 子亲和能及功函数的不同，能带的交界面附近的变化情况 会有所不同。
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(9-5)
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而且
Ec Ev E g 2 E g 2
(9-6)
式(9-4)、式(9-5)和式(9-6)对所有突变异质结普遍适用。
下图9.2为实际的p-n-Ge-GaAs异质结的能带图
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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
第九章半导体异质结结构
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2.考虑界面态时的能带图 通常制造突变异质结时，是把一种半导体材料在和它具有 相同的或不同的晶格结构的另一种半导体材料上成长而成 。生长层的晶格结构及晶格完整程度都与这两种半导体材 料的晶格匹配情况有关。表9-2列出若干半导体异质结的 晶格失配的百分数
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当悬挂键起受主作用时，则pn、np、pp异质结的能带图 如图9-9中的（d）（e）（f）图所示。 以上讨论可知，当两种半导体的晶格常数极为接近时，晶 格间匹配较好，一般可以不 考虑界面态的影响。但是在 实际中，即使两种半导体材 料的晶格常数在室温时相同 ，但考虑它们的热膨胀系数 不同，在高温下，也将发生晶格适配从而产生悬挂键，在
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)
0
(9-20)
C1
qN A1x1
1
, C2
qND2 x2
2
因此，式（9-17）、式（9-18）为
dV1(x) qN A1(x x1)
(9-21)
dx
1
dV2 (x) qND2 (x2 x)
2.考虑界面态时的能带图 通常制造突变异质结时，是把一种半导体材料在和它具有 相同的或不同的晶格结构的另一种半导体材料上成长而成 。生长层的晶格结构及晶格完整程度都与这两种半导体材 料的晶格匹配情况有关。表9-2列出若干半导体异质结的 晶格失配的百分数
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当悬挂键起受主作用时，则pn、np、pp异质结的能带图 如图9-9中的（d）（e）（f）图所示。 以上讨论可知，当两种半导体的晶格常数极为接近时，晶 格间匹配较好，一般可以不 考虑界面态的影响。但是在 实际中，即使两种半导体材 料的晶格常数在室温时相同 ，但考虑它们的热膨胀系数 不同，在高温下，也将发生晶格适配从而产生悬挂键，在
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)
0
(9-20)
C1
qN A1x1
1
, C2
qND2 x2
2
因此，式（9-17）、式（9-18）为
dV1(x) qN A1(x x1)
(9-21)
dx
1
dV2 (x) qND2 (x2 x)
第九章半导体异质结结构
第九章半导体异质结 结构
汇报人：XX
目录
• 异质结基本概念与特性 • 异质结制备技术与方法 • 异质结器件物理基础 • 异质结在光电器件中应用 • 异质结在微纳电子器件中应用 • 异质结性能优化与未来发展趋势
01
异质结基本概念与特性
异质结定义及分类
定义
由两种或两种以上不同半导体材料组 成的结，称为异质结。
异质结界面态与缺陷
界面态
异质结界面处存在悬挂键、界面电荷等界面态，对异质结的电学性能和稳定性 产生重要影响。
缺陷
异质结在制备过程中可能引入位错、层错等缺陷，影响异质结的晶体质量和电 学性能。
典型异质结材料及性质
Si-Ge异质结
具有高迁移率、低噪声等优点，广泛应用于高速 、高频电子器件。
GaAs-AlGaAs异质结
异质结发光二极管原理
通过异质结的能带结构和载流子限制作用，实现电子 和空穴的复合发光。
常见异质结发光二极管结构
如GaN基异质结发光二极管、量子点/有机物异质结发 光二极管等，具有高亮度、高色纯度等优点。
光电探测器中的异质结结构
异质结光电探测器原理
利用异质结的能带结构和内建电场，实现光 信号到电信号的转换。
和选择性。
MEMS器件
03
将异质结结构与MEMS技术相结合，实现微型化、集成化的生
物传感器件。
其他微纳电子器件中的异质结应用
光电探测器
利用异质结的能带结构和光电效应，实现高性能的光电转换。
太阳能电池
通过设计异质结的能级匹配和光吸收特性，提高太阳能电池的转 换效率。
热电转换器件
利用异质结的热电效应，实现热能和电能之间的转换。
04
异质结在光电器件中应用
汇报人：XX
目录
• 异质结基本概念与特性 • 异质结制备技术与方法 • 异质结器件物理基础 • 异质结在光电器件中应用 • 异质结在微纳电子器件中应用 • 异质结性能优化与未来发展趋势
01
异质结基本概念与特性
异质结定义及分类
定义
由两种或两种以上不同半导体材料组 成的结，称为异质结。
异质结界面态与缺陷
界面态
异质结界面处存在悬挂键、界面电荷等界面态，对异质结的电学性能和稳定性 产生重要影响。
缺陷
异质结在制备过程中可能引入位错、层错等缺陷，影响异质结的晶体质量和电 学性能。
典型异质结材料及性质
Si-Ge异质结
具有高迁移率、低噪声等优点，广泛应用于高速 、高频电子器件。
GaAs-AlGaAs异质结
异质结发光二极管原理
通过异质结的能带结构和载流子限制作用，实现电子 和空穴的复合发光。
常见异质结发光二极管结构
如GaN基异质结发光二极管、量子点/有机物异质结发 光二极管等，具有高亮度、高色纯度等优点。
光电探测器中的异质结结构
异质结光电探测器原理
利用异质结的能带结构和内建电场，实现光 信号到电信号的转换。
和选择性。
MEMS器件
03
将异质结结构与MEMS技术相结合，实现微型化、集成化的生
物传感器件。
其他微纳电子器件中的异质结应用
光电探测器
利用异质结的能带结构和光电效应，实现高性能的光电转换。
太阳能电池
通过设计异质结的能级匹配和光吸收特性，提高太阳能电池的转 换效率。
热电转换器件
利用异质结的热电效应，实现热能和电能之间的转换。
04
异质结在光电器件中应用
第九章 半导体异质结
显然，这些悬挂键对半导体起补偿作用。
二、计入界面态的影响
1、界面态密度较小
无论是施主态还是受主态，都不影响异质结能带的基本形状和结构。 以PN异质结为例
Ec1 Eg1 ΔEc
Ec2
设：窄带区的空间电荷为Q1
宽带区的空间电荷为Q2 界面态上电荷为QIS
Ev1 ΔEv Eg2
Ev2 x1 x0 x2
x
δ1 ΔEv
B
Eg2
Ev2
下标为1的参数为禁带宽度小的半导体材料的物理参数； 下标为2的参数为禁带宽度大的半导体材料的物理参数。
一、不考虑界面态
形成异质结时，由于n型半导体（B材料）的费米能级高于P型半导体（A材
料），因此电子从n型半导体流向P型半导体，直到两块半导体具有统一的费米 能级。
由于电子与空穴的流动，在n型和P型半导体的交界面附近形成空了间电荷
二、计入界面态的影响
以金刚石结构为例：
以（111）晶面为交界面时，其悬挂键密度为：
4 a2 a1 N S 2 2 3 a1 a2
2
2
以（110）晶面为交界面时，其悬挂键密度为：
4 a2 a1 N S 2 2 2 a1 a2
2
2
以（100）晶面为交界面时，其悬挂键密度为：
第 九 章
半导体异质结的组成与生长
第九章 Part 1 9.1 半导体异质结的一般性质 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
9.1 半导体异质结的一般性质
由两种不同的半导体单晶材料形成的PN结称为异质结。 1951年由Gubanov首先提出了异质结的概念； 1957年克罗默得到了“导电类型相反的两种不同的半导 体单晶材料制成的异质结，比同质结具有更高的注入效率。
半导体物理2013(第九章)
Ec Ev E g 2 E g1
9.2.1 不考虑界面态的能带图
3 突变同型异质结能带图
9.3 半导体超晶格
半导体超晶格是指由交替生长 两种半导体材料薄层组成的一 维周期性结构，其薄层厚度的 周期小于电子的平均自由程的 人造材料。超晶格的思想于 1968年提出，1970年在砷化镓 半导体上制成了超晶格结构， 它为实验观察量子效应提供了 良好的模型。
9.3.2 调制掺杂技术
在生长超晶格材料时，对不同的材料层进行不同 浓度的掺杂，可以改变超晶格材料的物理性质。 比如在Ga1-xAlxAs/GaAs超晶格结构中，只在Ga1xAlxAs层中进行高掺杂（如掺n型杂质硅），而把 GaAs层做成高纯的，这种掺杂方式称为调制掺杂 （MD）或选择性掺杂。
第9章 异质结
9.1 异质结的基本概念
异质结是由两种不同晶体材料形成的半导体结 同型异质结：同种导电类型材料构成的异质结 （n-nGe-Si，p-pGe-GaAs） 反型异质结：相反导电类型材料构成的异质结 （p-nGe-GaAs） 异质结的形成条件：要有相近的晶体结构和晶格 常数。
9.1
9.2.1 不考虑界面态的能带图
2 异质结的形成过程与同质结相似，与同质 结不同之处
（1）自建电场在界面处发生不连续
（2）能带在界面处不连，能带在界面处的突 变形成“尖峰”和“凹口” 导带底突变
Ec 1 2
价带顶突变 Ev E g 2 E g1 ( 1 2 )
9.3.2 调制掺杂技术
在这样的超晶格中，能带发生了变化。由于GaAs 导带底比Ga1-xAlxAs的导带底低，高掺杂的n型 Ga1-xAlxAs中的电子将转移到GaAs的导带中去， 使高纯的具有高电子浓度，于是，晶格的能带发 生弯曲。而高纯的GaAs中电离杂质散射中心很少， 在低温下晶格振动又比较微弱，于是GaAs中电子 的迁移率可以很高，这种载流子迁移率增强的特 性，对于研制高速低功耗器件很有利。
9.2.1 不考虑界面态的能带图
3 突变同型异质结能带图
9.3 半导体超晶格
半导体超晶格是指由交替生长 两种半导体材料薄层组成的一 维周期性结构，其薄层厚度的 周期小于电子的平均自由程的 人造材料。超晶格的思想于 1968年提出，1970年在砷化镓 半导体上制成了超晶格结构， 它为实验观察量子效应提供了 良好的模型。
9.3.2 调制掺杂技术
在生长超晶格材料时，对不同的材料层进行不同 浓度的掺杂，可以改变超晶格材料的物理性质。 比如在Ga1-xAlxAs/GaAs超晶格结构中，只在Ga1xAlxAs层中进行高掺杂（如掺n型杂质硅），而把 GaAs层做成高纯的，这种掺杂方式称为调制掺杂 （MD）或选择性掺杂。
第9章 异质结
9.1 异质结的基本概念
异质结是由两种不同晶体材料形成的半导体结 同型异质结：同种导电类型材料构成的异质结 （n-nGe-Si，p-pGe-GaAs） 反型异质结：相反导电类型材料构成的异质结 （p-nGe-GaAs） 异质结的形成条件：要有相近的晶体结构和晶格 常数。
9.1
9.2.1 不考虑界面态的能带图
2 异质结的形成过程与同质结相似，与同质 结不同之处
（1）自建电场在界面处发生不连续
（2）能带在界面处不连，能带在界面处的突 变形成“尖峰”和“凹口” 导带底突变
Ec 1 2
价带顶突变 Ev E g 2 E g1 ( 1 2 )
9.3.2 调制掺杂技术
在这样的超晶格中，能带发生了变化。由于GaAs 导带底比Ga1-xAlxAs的导带底低，高掺杂的n型 Ga1-xAlxAs中的电子将转移到GaAs的导带中去， 使高纯的具有高电子浓度，于是，晶格的能带发 生弯曲。而高纯的GaAs中电离杂质散射中心很少， 在低温下晶格振动又比较微弱，于是GaAs中电子 的迁移率可以很高，这种载流子迁移率增强的特 性，对于研制高速低功耗器件很有利。
第九章半导体异质结结构-PPT
VD1 V1(x0 ) V1(x1)
(9-23) (9-24) (9-25) (9-26)
而VD在交界面n型半导体一侧得电势差为
VD2 V2 (x2 ) V2 (x0 )
(9-27)
在交界面处,电势连续变化,故
VD VD1 VD2
令V1(x)=0,则VD=V2(x),并代入式(9-23)、式(9-24)中得
因此,将DD11、qDN22分A11别x12代, D入2式(V9-D23)及qN式2D(229x-2224)得
V1 ( x)
qN A1(x
21
x1 ) 2
V2
(x)
VD
qN D2 (x2
2 2
x)2
由V1(x0)=V2(x0),即得接触电势差VD为
VD (x)
qN
A1
(
x
V
x1
)
2
21
qND2 (x2
dx
2
(9-19) (9-20)
(9-21) (9-22)
对式(9-21)、式(9-22)积分得
V1 ( x)
qN A1x2
21
qN A1x1x
1
D1
V2 (x)
qN D2 x2
2 2
qN D2 x2 x
2
D2
在热平衡条件下,异质结得接触电势差VD为
VD V2 (x2 ) V1(x1)
而VD在交界面p型半导体一侧得电势差为
将上述两式代入(9-30)得
VD
q
21 2
2 N A1
ND2X D N A1 N D2
2
1N A1
N A1 X D N A1 N D2
2
第九章 半导体异质结
2、界面态密度很大
当半导体表面存在足够大的界面态时，半导体表面的状态完全由界面态电 荷决定，与功函数等没有关系。
⑴ 当表面态为施主态时：（被电子占据时呈电中性，释放电子后呈正电性）
对于n型半导体：
E
电子积累
正
在半导体表面处形成很薄的多子积累层。
电
荷
高低
二、计入界面态的影响
对于P型半导体：
在半导体表面形成耗尽 层，层内电荷为电离受主。 该耗尽层很厚，其厚度由掺 杂浓度决定。
(c)
二、计入界面态的影响
界面态不同，在界面形成的势垒也不同，此时 界面态起决定性的作用，而界面两侧半导体材料的 固有性质（如功函数、电子亲和能、介电常数等） 对界面势垒没有影响，这是由于界面态上大量电荷 的屏蔽作用所致。
三、突变反型异质结的接触电势差
设：构成异质结的两种半导体材料即P型和N型中的杂质都是均匀分布的，其
第九章
半导体异质结的组成与生长
第九章 Part 1
9.1 半导体异质结的一般性质 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
9.1 半导体异质结的一般性质
由两种不同的半导体单晶材料形成的PN结称为异质结。
1951年由Gubanov首先提出了异质结的概念；
B1
VD Va
1/2
式中第一项为由界面态影响在空间电荷区产生的电荷量，第二项为不考虑界 面态时的空间电荷区电荷量。
二、计入界面态的影响
分析空间电荷区宽度的变化：
令L1=x0-x1, L2=x2-x0，L1、L2为P区和N区的耗尽层宽度，
则 Q1、Q2可改写为：
qNAL1 qNDL2
1NAQIS 1NA 2ND
当半导体表面存在足够大的界面态时，半导体表面的状态完全由界面态电 荷决定，与功函数等没有关系。
⑴ 当表面态为施主态时：（被电子占据时呈电中性，释放电子后呈正电性）
对于n型半导体：
E
电子积累
正
在半导体表面处形成很薄的多子积累层。
电
荷
高低
二、计入界面态的影响
对于P型半导体：
在半导体表面形成耗尽 层，层内电荷为电离受主。 该耗尽层很厚，其厚度由掺 杂浓度决定。
(c)
二、计入界面态的影响
界面态不同，在界面形成的势垒也不同，此时 界面态起决定性的作用，而界面两侧半导体材料的 固有性质（如功函数、电子亲和能、介电常数等） 对界面势垒没有影响，这是由于界面态上大量电荷 的屏蔽作用所致。
三、突变反型异质结的接触电势差
设：构成异质结的两种半导体材料即P型和N型中的杂质都是均匀分布的，其
第九章
半导体异质结的组成与生长
第九章 Part 1
9.1 半导体异质结的一般性质 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
9.1 半导体异质结的一般性质
由两种不同的半导体单晶材料形成的PN结称为异质结。
1951年由Gubanov首先提出了异质结的概念；
B1
VD Va
1/2
式中第一项为由界面态影响在空间电荷区产生的电荷量，第二项为不考虑界 面态时的空间电荷区电荷量。
二、计入界面态的影响
分析空间电荷区宽度的变化：
令L1=x0-x1, L2=x2-x0，L1、L2为P区和N区的耗尽层宽度，
则 Q1、Q2可改写为：
qNAL1 qNDL2
1NAQIS 1NA 2ND
9.1 异质结及其能带图
qND2
2
x0 x x2
2、突变反型异质结的接触电势差及势垒区宽度
平衡异质结接触电势差和势垒宽度
VD
q
21
2
2
N
A1
ND2 XD NA1 ND2
2
1ND2
NA1 X D NA1 ND2
2
1
XD
212 (N A1 qN A1 ND2 ( 2
N
N
D2
D2
) 2 VD
1 N A1
EC EV Eg 2 Eg1
图9-2 实际的p-nGe-GaAs异质结的平衡能带图
1、异质结的能带图（不考虑界面态） 图9-3突变n-p异质结的平衡能带图
1、异质结的能带图（不考虑界面态）
同型异质结的能带图（不考虑界面态）
积耗 累尽
（a）
（b） 图9-4 n-n异质结的平衡能带图
1、异质结的能带图（不考虑界面态）
真空电子能级的弯曲量。
qVD
➢ 在结区，p型半导体一边形 成空穴阻挡层，n型半导体 一边形成电子阻挡层。
图9-1
1、异质结的能带图（不考虑界面态）
➢ 交界面附近的能带的两个特点
（1）能带发生弯曲。n型半导体的导带弯曲量qVD2，而且
导带底在交界面处形成向上的“尖峰”。p型半导体的导带
底和价带顶的弯曲量qVD1，而且导带底在交界面处形成以向
图9-9 计入界面态影响时异质结的能带示意图
2、突变反型异质结的接触电势差及势垒区宽度
方法类似于第六、七章中讨论 过的：突变耗尽近似方法。
从泊松方程出发，进行两次积 分，并利用一定的边界条件， 获得接触电势差与势垒区宽度。
d 2V1 x qNA1
第九章异质结
第九章异质结两种不同的半导体材料结合在一起，组成的结称为异质结。
异质结与同质结的区别：由于成结的两种半导体材料具有不同的禁带宽度，而出现特殊的结区能带结构和特性。
内容：异质结能带结构；异质结的主要应用。
1一、异质结分类A.按导电类型分1.反型异质结(p)Ge-(n)GaAs，(p)Ge-(n)Si，(p)Si-(n)GaAs，(p)Si-(n)ZnS等；2.同型异质结(n)Ge-(n)GaAs，(p)Ge-(p)GaAs，(n)Ge-(n)Si，(n)Si-(n)GaAs等；通常将禁带宽度小的材料写前面；B.按界面过渡情况分1.突变异质结（过渡发生于几个原子距离）2.缓变异质结（过渡发生于几个扩散长度）23C.按能带相对位置分4不存在界面态时的理想情况两种半导体材料E F 不同电荷流动界面附近形成空间电荷区内建电场能带弯曲对于异质结，边界处电位移连续，但是电场不相同（两种材料具有不同的介电常数），能带发生突变可以存在尖峰或下陷，从而影响载流子的输运对于同质结，电场连续，能带连续二、能带图56同质pn 结电场分布：00()()()(0)()()()(0)A p p r D n n r qN x x dV x E x x x dx qN x x dV x E x x x dx εεεε+⎫=−=−−<<⎪⎪⎬−⎪=−=<<⎪⎭max 0/A pD nr r r qN x qN x E Q εεεεεε=−=−=−7同质pn 结电势分布：22002200()()(0)()()(0)A p A pp r r D n D nD n r r qN x x qN xx V x x x qN x x qN xx V x V x x εεεεεεεε⎫+=+−<<⎪⎪⎬−⎪=−+<<⎪⎭V (x )-x p x nxV D22()2A p D n D r q N x N x V εε+=接触电势差8n －Ge 与p －GaAs 突变反型异质结接触电子由Ge 一侧向GaAs 一侧流动，空穴由GaAs 一侧向Ge 一侧流动W mW s9异质结及其能带图电子耗尽空穴耗尽10异质结：接触后,界面能带图的特征12F F F E E E ==界面两侧：界面处：,c vE E ΔΔ接触前后不变，故出现能带突变1221D D D F F qV qV qVE E =+=−D V 为接触电势差122112()()c v g g E E E E χχχχΔ=−Δ=−−−注：上述关系对于所有突变异质结均适用，也可作为画能带图的依据11n －Ge 与n －GaAs 突变同型异质结接触12异质结及其能带图突变同型异质结13p －n141.界面态来源－－晶格失配晶格常数不同，分别为a 1、a 2，设a 2>a 1,晶格失配因子＝三、界面态对异质结的影响21122()a a a a −+晶格失配产生悬挂键，从而引入界面态，晶格常数小的出现不饱和键－－悬挂键理论值：悬挂键密度1012/cm 22.表面态影响p 型半导体，施主表面态起作用，表面带正电，为保证电中性，能带下弯，电离受主提供负电荷n 型半导体，受主表面态起作用，表面带负电，为保证电中性，能带上弯，电离施主提供正电荷表9-2四、主要应用HEMT(高电子迁移率晶体管)HBT（异质结晶体管）光电器件：激光器；发光二极管（LED）；光电探测器;传感器；15单异质结激光器1617双异质结激光器18半导体超晶格交替生长两种半导体薄层组成的一维周期性结构，其薄层厚度小于电子的平均自由程的人造材料。
第09章_异质结
Q:单位面积上的空间电荷
( x0 x1 ) N D 2 ( x2 x0 ) N A1
突变反型异质结交界面两边的泊松方程:
d 2V1 ( x) qN A1 2 dx 1 d 2V2 ( x) qN D 2 dx 2 2 ( x1 x x0 ) ( x0 x x2 )
No.27
三、突变反型异质结的接触电势差及势垒区宽度 以突变p-n异质结为例，求接触电势差及势垒区宽度
假设： 设p型和n型半导体中的杂质都是 均匀分布的，其浓度分别为NA1 和ND2 。 势垒区的正负空间电荷区的宽度 分别为 ( x0 x1 ) d1 , ( x2 x0 ) d 2 取x＝x0为交界面 势垒区中的电荷密度:
qN A1 ( x x1 ) 2 V1 ( x) 2 1 qN D 2 ( x2 x) V2 ( x) VD 2 2
2
No.32
V1 ( x0 ) V2 ( x0 )
qN A1 ( x0 x1 ) 2 qN D 2 ( x2 x0 ) 2 VD 2 1 2 2 qN A1 ( x0 x1 ) 2 VD1 2 1 VD 2 qN D 2 ( x2 x0 ) 2 2 2
No.20
对（111）晶面，单个原子提供的键数为1
No.21
No.22
（100）晶面面积： a 2
1 面内原子数： 4 1 2 4
单个原子提供的键数：2
4 Ns 2 2 / a 2 a
2
(a a ) N s 4[ 2 2 ] a1 a2
2 2 2 1
No.23
1
2 1 2 N A1VD d 2 ( x2 x0 ) [ ]2 qN D 2 ( 1 N A1 2 N D 2 )
( x0 x1 ) N D 2 ( x2 x0 ) N A1
突变反型异质结交界面两边的泊松方程:
d 2V1 ( x) qN A1 2 dx 1 d 2V2 ( x) qN D 2 dx 2 2 ( x1 x x0 ) ( x0 x x2 )
No.27
三、突变反型异质结的接触电势差及势垒区宽度 以突变p-n异质结为例，求接触电势差及势垒区宽度
假设： 设p型和n型半导体中的杂质都是 均匀分布的，其浓度分别为NA1 和ND2 。 势垒区的正负空间电荷区的宽度 分别为 ( x0 x1 ) d1 , ( x2 x0 ) d 2 取x＝x0为交界面 势垒区中的电荷密度:
qN A1 ( x x1 ) 2 V1 ( x) 2 1 qN D 2 ( x2 x) V2 ( x) VD 2 2
2
No.32
V1 ( x0 ) V2 ( x0 )
qN A1 ( x0 x1 ) 2 qN D 2 ( x2 x0 ) 2 VD 2 1 2 2 qN A1 ( x0 x1 ) 2 VD1 2 1 VD 2 qN D 2 ( x2 x0 ) 2 2 2
No.20
对（111）晶面，单个原子提供的键数为1
No.21
No.22
（100）晶面面积： a 2
1 面内原子数： 4 1 2 4
单个原子提供的键数：2
4 Ns 2 2 / a 2 a
2
(a a ) N s 4[ 2 2 ] a1 a2
2 2 2 1
No.23
1
2 1 2 N A1VD d 2 ( x2 x0 ) [ ]2 qN D 2 ( 1 N A1 2 N D 2 )
第九章 异质结
半导体物理
SEMICONDUCTOR PHYSICS
School of Microelectronics
第九章 异质结
9.1 异质结及其能带结构
1。异质结的能带图 根据两种半导体单晶材料所形成的异质结，分为 以下两类 （1）反型异质结：由导电类型相反的两种不同 半导体单晶材料构成的异质结。如p型Ge与n型 GaAs，记为p-nGe-GaAs或(p)Ge-(n)GeAs
突变反型异质结的接触电势差和势垒区宽度
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（2）同型异质结：由导电类型相同的两种不同半导体单晶
材料构成的异质结。如p型Ge与p型GaAs，记为p-pGeGaAs或(p)Ge-(p)GeAs
一般将禁带宽度小的半导体材料放在前面 Nhomakorabea质结的能带图起重要作用，不计交接面处的界面态情况
下，任何异质结都取决于形成异质结的两种材料的电子亲
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和能、禁带宽度积功函数。但功函数是随杂质浓度而改变 的。
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异质结分为突变和缓变型两种。如果过渡区只有
几个原子（小于1um）可看成突变结。如果发生 于几个扩撒长度内则为缓变结
不计界面态，考虑突变结情况异质结的能带图为
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SEMICONDUCTOR PHYSICS
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第九章 异质结
9.1 异质结及其能带结构
1。异质结的能带图 根据两种半导体单晶材料所形成的异质结，分为 以下两类 （1）反型异质结：由导电类型相反的两种不同 半导体单晶材料构成的异质结。如p型Ge与n型 GaAs，记为p-nGe-GaAs或(p)Ge-(n)GeAs
突变反型异质结的接触电势差和势垒区宽度
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（2）同型异质结：由导电类型相同的两种不同半导体单晶
材料构成的异质结。如p型Ge与p型GaAs，记为p-pGeGaAs或(p)Ge-(p)GeAs
一般将禁带宽度小的半导体材料放在前面 Nhomakorabea质结的能带图起重要作用，不计交接面处的界面态情况
下，任何异质结都取决于形成异质结的两种材料的电子亲
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和能、禁带宽度积功函数。但功函数是随杂质浓度而改变 的。
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异质结分为突变和缓变型两种。如果过渡区只有
几个原子（小于1um）可看成突变结。如果发生 于几个扩撒长度内则为缓变结
不计界面态，考虑突变结情况异质结的能带图为
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半导体物理2010(第九章)
9.2.1 不考虑界面态的能带图
2 异质结的形成过程与同质结相似，与同质 结不同之处
（1）自建电场在界面处发生不连续
（2）能带在界面处不连续，能带在界面处的突 变形成“尖峰”和“凹口” 导带底突变
Ec 1 2
价带顶突变 Ev E g 2 E g1 ( 1 2 )
第9章 异质结
9.1 异质结的基本概念
异质结是由两种不同晶体材料形成的半导体结 同型异质结：同种导电类型材料构成的异质结 （n-nGe-Si，p-pGe-GaAs） 反型异质结：相反导电类型材料构成的异质结 （p-nGe-GaAs） 异质结的形成条件：要有相近的晶体结构和晶 格常数。
9.1
异质结的基本概念
9.2.2 考虑界面态的能带图
2 界面态的影响 界面态可以分为施主型界面态和受主型界面 态。施主型界面态施放电子后带上正电荷，使半 导体表面能带向下弯曲；受主型界面态施放空穴 之后带上负电荷，使半导体表面能带向上弯曲。 界面态对异质结能带的影响取决于界面态起什么 作用和起多大作用。
9.2.2 考虑界面态的能带图
9.2.1 不考虑界面态的能带图
1 突变反型异质结能带图
9.2.1 不考虑界面态的能带图
能带总的弯曲量就是真空电子能级的弯曲量，即
qVD qVD1 qVD EF 2 EF1 W1 W2
VD VD1 VD 2 W1 W2 q
式中VD称为接触电势差（或称内建电势差、扩散电 势）,它等于两种半导体材料的功函数之差(W1-W2) 与电子电荷比值。而VD1,VD2分别为交界面两侧的p型 半导体和n型半导体中的内建电势差。
第九章 异质结
χA WA
EFB
Δ Ev
E vB
3、异质结的应用 （1）提高少子的注射效率 npn晶体管
电子注射效率
jn jn j jn j p
n型宽禁带半导体和p型窄禁带半导体构成的异质结 正向偏压 主要是注入p型半导体中的电子电流 注入n型半导体中的空穴电流可忽略
p型宽禁带半导体和n型窄禁带半导体构成的异质结
②缓变结：过渡区大于1μm
（3）能带结构的不同
半金属
AlxGa1-xAs GaAs GaAs1-xSbx InxGa1-xAs GaSb
跨立型
错开型 电子空穴 分离
InAs
破隙型
2、异质结能带图 E0
χB WB E c
B
χA
EcA EFA E vA qVDA
qVD ΔEc qVDB χB
EcA EFA E vA
第九章 异质结
由两种或两种以上不同半导体材料 接触形成的pn结。
1、分类 （1）导电类型
①反型异质结 p-n Ge-GaAs或 （p）Ge-（n）GaAs ②同型异质结 n-n Ge-GaAs或 （n）Ge-（n）GaAs ③双异质结
（n）Ga1-xAlxAs-（p）GaAs -(n） Ga1-xAlxAs （2）过渡区 ①突变结：过渡区小于1μm
提高空穴注射效率
（2）调制掺杂技术提高载流子的迁移率 n
场效应管频率特性
+ห้องสมุดไป่ตู้
调制掺杂
（3）窗口效应
Eg2 hv Eg1 Eg1<hv<Eg2
光电池
（4）异质结激光器 粒子数占据反转： 导带中存在有大量电子， 价带中存在有大量空穴。
第09章_异质结
No.29
积分一次后有：
dV1 ( x) qN A1 x C1 ( x1 x x0 ) dx 1 dV2 ( x) qN x D 2 C2 dx 2 ( x0 x x2 )
C1、C2是积分常数，由边界条件决定 边界条件：
dV1 E1 ( x1 ) dx dV2 E 2 ( x2 ) dx
概念回顾： 半导体表面和MIS结构 表面态 理想表面 表面电场效应 理想MIS结构 空间电荷层及表面势 表面空间电荷层的电场、电势和电容 MIS结构的电容—电压特性 理想MIS结构的电容—电压特性 硅-二氧化硅系统的性质 表面电导及迁移率 表面电场对p-n结特性的影响
No.1
第九章 异质结 （ Heterojunction）
1
2 1 2 N A1VD d 2 ( x2 x0 ) [ ]2 qN D 2 ( 1 N A1 2 N D 2 )
1
qN A1 ( x0 x1 ) 2 2 N D 2VD VD1 2 1 1 N A1 2 N D 2 VD 2 qN D 2 ( x2 x0 ) 2 1 N A1VD 2 2 1 N A1 2 N D 2
0
x x1
0
x x2
在交界面处的电场并不连续，但电位移连续：
1 E1 ( x0 ) 2 E2 ( x0 )
No.30
C1
qN A1 x1
1
, C2
qN D 2 x2
2
dV1 ( x) qN A1 ( x x1 ) 1 dx dV2 ( x) qN D 2 ( x2 x) dx 2
qN A1 ( x x1 ) 2 V1 ( x) 2 1 qN D 2 ( x2 x) V2 ( x) VD 2 2
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第九章 异质结
由两种或两种以上不同半导体材料 接触形成的pn结。
1、分类 （1）导电类型
①反型异质结 p-n Ge-GaAs或 （p）Ge-（n）GaAs ②同型异质结 n-n Ge-GaAs或 （n）Ge-（n）GaAs ③双异质结
（n）Ga1-xAlxAs-（p）GaAs -(n） Ga1-xAlxAs （2）过渡区 ①突变结：过渡区小于1μm
分类： （1）成分超晶格 周期性改变薄层的成分而形成的超晶格。 （2）掺杂超晶格 周期性改变同一成分的各薄层中的掺杂类型 而形成的超晶格。（NIPI晶体）
b
b
c
c
z
子能带
l
χA WA
EFB
Δ Ev
E vB
3、异质结的应用 （1）提高少子的注射效率 npn晶体管
电子注射效率
jn jn j jn j p
n型宽禁带半导体和p型窄禁带半导体构成的异质结 正向偏压 主要是注入p型半导体中的电子电流 注入n型半导体中的空穴电流可忽略
p型宽禁带半导体和n型窄禁带半导体构成的异质结
②缓变结：过渡区大于1μm
（3）能带结构的不同
半金属
AlxGa1-xAs GaAs GaAs1-xSbx InxGa1-xAs GaSb
跨立型
错开型 电子空穴 分离
InAs
破隙型
2、异质结能带图 E0
χB WB E c
B
χA
EcA EFA E vA qVDA
qVD ΔEc qVDB χB
EcA EFA E vA
提高空穴注射效率
（2）调制掺杂技术提高载流子的迁移率 n
场效应管频率特性
+
调制掺杂
（3）窗口效应
Eg2 hv Eg1 Eg1<hv<Eg2
光电池
（4）异质结激光器 粒子数占据反转： 导带中存在有大量电子， 价带中存在有
a1 a2
p233
5、半导体超晶格 由交替生长两种半导体材料薄层组成的一 维周期性结构，其薄层厚度的周期小于电 子的平均自由程的人造材料。 制备方法： 分子束外延（MBE）-单原子的生长 金属有机化合物汽相淀积（MOVCD）
由两种或两种以上不同半导体材料 接触形成的pn结。
1、分类 （1）导电类型
①反型异质结 p-n Ge-GaAs或 （p）Ge-（n）GaAs ②同型异质结 n-n Ge-GaAs或 （n）Ge-（n）GaAs ③双异质结
（n）Ga1-xAlxAs-（p）GaAs -(n） Ga1-xAlxAs （2）过渡区 ①突变结：过渡区小于1μm
分类： （1）成分超晶格 周期性改变薄层的成分而形成的超晶格。 （2）掺杂超晶格 周期性改变同一成分的各薄层中的掺杂类型 而形成的超晶格。（NIPI晶体）
b
b
c
c
z
子能带
l
χA WA
EFB
Δ Ev
E vB
3、异质结的应用 （1）提高少子的注射效率 npn晶体管
电子注射效率
jn jn j jn j p
n型宽禁带半导体和p型窄禁带半导体构成的异质结 正向偏压 主要是注入p型半导体中的电子电流 注入n型半导体中的空穴电流可忽略
p型宽禁带半导体和n型窄禁带半导体构成的异质结
②缓变结：过渡区大于1μm
（3）能带结构的不同
半金属
AlxGa1-xAs GaAs GaAs1-xSbx InxGa1-xAs GaSb
跨立型
错开型 电子空穴 分离
InAs
破隙型
2、异质结能带图 E0
χB WB E c
B
χA
EcA EFA E vA qVDA
qVD ΔEc qVDB χB
EcA EFA E vA
提高空穴注射效率
（2）调制掺杂技术提高载流子的迁移率 n
场效应管频率特性
+
调制掺杂
（3）窗口效应
Eg2 hv Eg1 Eg1<hv<Eg2
光电池
（4）异质结激光器 粒子数占据反转： 导带中存在有大量电子， 价带中存在有
a1 a2
p233
5、半导体超晶格 由交替生长两种半导体材料薄层组成的一 维周期性结构，其薄层厚度的周期小于电 子的平均自由程的人造材料。 制备方法： 分子束外延（MBE）-单原子的生长 金属有机化合物汽相淀积（MOVCD）