异质结的电学特性资料
第十四结 异质结
Al0.3Ga0.7 As 和窄禁带p型GaAs组成的pn结 为例，其禁带宽度之差 E 0.37 eV ，设p区掺杂浓度 为 2 1019 cm3 ，n区掺杂浓度为 5 1017 cm3 由上式可
得
E J n N D2 4 exp 4 10 k T Jp N A1 0
则能带总的弯曲量就是真空电子能级的弯 曲量即
qVD qVD1 qVD2 EF 2 EF1
显然
VD VD1 VD 2
(9-4)
两种半导体的导带底在交界面的处突变 为（导带阶） Ec 1 2 而且 Ec Ev Eg 2 Eg 2
而价带顶的突变（价带阶）Ev Eg 2 Eg1 1 2
势垒高度为
qVD1 qVD2 EV qV EV
在热平衡时n型半导体中少数载流子空穴的浓度与p型半导 体中的空穴浓度关系
qVD EV p20 p10 exp k T 0
(9-63)
正向电压V时在n区x=x2处的空穴浓度增加为
qVD V EV qV p20 p10 exp p20 exp k T k T 0 0
异质pn结的注入特性
qDn1 q(VD EC ) qV Jn n20 exp[ ]exp 1 Ln1 k0T k0T
Jp
qDp 2 Lp 2
q(VD EV ) qV p10 exp[ ]exp 1 k0T k0T
(9-64)
从而求得空穴扩散电流密度、
qDp 2 p20 d p2 x p20 J p qDp 2 dx Lp 2 x x2 qV exp k T 1 0
异质结
异质结百科名片异质结，两种不同的半导体相接触所形成的界面区域。
按照两种材料的导电类型不同，异质结可分为同型异质结（P-p结或N-n结）和异型异质(P-n 或p-N)结，多层异质结称为异质结构。
通常形成异质结的条件是：两种半导体有相似的晶体结构、相近的原子间距和热膨胀系数。
利用界面合金、外延生长、真空淀积等技术，都可以制造异质结。
异质结常具有两种半导体各自的PN结都不能达到的优良的光电特性，使它适宜于制作超高速开关器件、太阳能电池以及半导体激光器等。
目录[隐藏][编辑本段]基本特性所谓半导体异质结构，就是将不同材料的半导体薄膜，依先后异质结次序沉积在同一基座上。
例如图2所描述的就是利用半导体异质结构所作成的雷射之基本架构。
半导体异质结构的基本特性有以下几个方面。
(1) 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，而中间层可以只有几十埃（1埃＝10-10米）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。
(2) 迁移率(Mobility)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3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增加，这是高速组件的基本要素。
(3)奇异的二度空间特性：因为电子被局限在中间层内，其沿夹层的方向是不能自由运动的，因此该电子只剩下二个自由度的空间，半导体异质结构因而提供了一个非常好的物理系统可用于研究低维度的物理特性。
低维度的电子特性相当不同于三维者，如电子束缚能的增加、电子与电洞复合率变大，量子霍尔效应，分数霍尔效应[1]等。
异质结
Dai Xianying
化合物半导体器件
3.2 异质结的电学特性
3.2.1 突变异质结的I-V特性
突变异质结I-V模型：扩散模型、发射模型、发射-复合模 型、隧道模型、隧道复合模型。 同质结I-V模型：扩散和发射模型
两种势垒尖峰： （a）低势垒尖峰负反向势垒 （b）高势垒尖峰正反向势垒
Dai Xianying
3.11 突变同型nn异质结平衡能带图
Dai Xianying
化合物半导体器件
3.1 异质结及其能带图
3.1.2 异质结的能带图
2)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
Dai Xianying
化合物半导体器件
3.1 异质结及其能带图
3.1.2 异质结的能带图
2、考虑界面态时的能带图
Dai Xianying (a)单量子阱
(b)多量子阱
(c)超晶格 化合物半导体器件
3.4 多量子阱与超晶格
多量子阱（a）和超晶格（b）中电子的波函数
Dai Xianying
化合物半导体器件
3.4 多量子阱与超晶格
3.4.1 复合超晶格
1、Ⅰ型超晶格
Dai Xianying
化合物半导体器件
3.4 多量子阱与超晶格
化合物半导体器件
3.1 异质结及其能带图
3.1.2 异质结的能带图
3、渐变异质结能带图
1）渐变的物理含义 2）渐变异质结的近似分析：能带的叠加 3）渐变能级
Dai Xianying
化合物半导体器件
3.1 异质结及其能带图
3.1.3 突变反型异质结的接触势垒差及势垒区宽度
推导过程参考刘恩科等著 《半导体物理》第9章
异质结的电学特性
（2.9）
其中，负号表示反向偏向压的电流方向与正向偏 向压的电流方向相反，反向电流与外加电压无关， 是一个恒定值，称为反向饱和电流
2. 正尖峰势垒突变pN结电流和电压特性
平衡时材料2中的电子只有克服势垒qVD2才能到达材料1形 成扩散电流，材料1中的电子只有克服势垒ΔEc-qVD1才能到 达材料2形成的扩散电流，平衡时两个扩散电流相等： D D E qVD1 qV qn20 n1 exp( D 2 ) qn10 n 2 exp( c ) （2.10） Ln1 kT Ln 2 kT
qDn1n20 qVD EC qV J exp( )[exp( ) 1] Ln1 kt kT
（2.3）
平衡时材料1中的多数载流子（空穴）p0输运到材料2转换为 少数载流子（空穴）p20所要克服的势垒为qVD+ΔEV，得：
qVD EC p20 p10 exp( ) kt
在外加电压下，空穴电流为：
Ev
1 N A1 2 N D1
(a) 负尖峰势垒
Ec Ev
ΔEc
qVp> 0 EF ΔEV
1 N A1 2 N D1
(b) 正尖峰势垒
当窄带材料的掺杂浓度比宽带材料的掺杂浓度高的 多时，势垒主要落在宽带空间电荷区，宽带界面处 的尖峰势垒高于窄带空间电荷区外的导带底，尖峰 势垒为正。
载流子在电场作用下也可以穿过尖峰势垒，形成隧道电流。
x0 x2
Ec1
qV1
qVD2
Ec(x)
qV2 Ec2
Ev1
Ev2
根据量子力学中的经典WKB（Wentzel. Kramers.Brillouin）近似法，
正向偏压下电子由材料2隧穿到材料1的概率为：
砷烯异质结
砷烯异质结砷烯异质结是由砷烯材料组成的半导体异质结，是新型电子器件研究领域的热点之一。
砷烯是一种二维晶体材料，由于其具有高电子迁移率和优异的热导率等优异特性，因此在半导体电子学、光电子学以及能源材料等领域具有广泛的应用前景。
本文将从砷烯材料的基本特性、砷烯异质结的组成及优势等方面进行详细讲述。
一、砷烯材料的基本特性砷烯是一种具有单层和多层结构的二维塑料材料，晶体结构类似于石墨烯。
其基本特性如下：1.热导率高：热导率是砷烯材料的重要特性之一，其热导率远远高于其他原子层厚度的材料。
砷烯的热导率与温度呈线性关系，远高于石墨烯和硼氮化物等其他二维材料。
2.电阻率低：砷烯是一种高导电性材料，其电阻率低于铜和银等传统导电材料。
由于其电阻率低，在微电子元器件的制造过程中，可以大量减少电子运输过程中的能量损失。
3.高电子迁移率：对于电子学设备制造，砷烯的电子迁移率非常重要，其电子迁移率高于其他二维材料，可以实现更快的电子传输速度和更高的电流密度。
二、砷烯异质结的组成及优势砷烯异质结是由两种不同结构的砷烯材料构成的，其材料的电学特性可以通过改变两个砷烯层之间的距离来调节。
砷烯异质结的组成方式多种多样，主要有以下几种组成方式：1.砷烯/石墨烯异质结：由于砷烯和石墨烯的结构相似，因此这种异质结具有良好的质量和稳定性，可以实现高效率的光电转换功能。
2.砷烯/过渡金属氧化物异质结：在这种异质结中，砷烯和过渡金属氧化物之间的界面可以实现理想的电子传输，从而实现高效率的能源转换。
3.砷烯/半导体异质结：在这种异质结中，砷烯和半导体之间的界面可以实现理想的电子传输和高效率的光电转换功能。
砷烯异质结具有如下优势：1.优异的热电性能：砷烯具有高热电系数和优异的热导率，可以应用于热电制冷和热电能量转换等领域。
2.高效率的光电转换功能：在砷烯异质结中，光电子传输速度较快，可以实现高效率的光电转换功能。
3.可调节的电学特性：通过改变砷烯异质结中两层材料之间的距离，可以实现对电学特性的精确控制和调节。
材料科学中的异质结研究
材料科学中的异质结研究异质结是材料科学中经常研究的一个重要领域。
随着现代科技的发展，我们对于异质结材料的研究和应用也变得越来越深入。
本文将简要介绍异质结的概念、分类、制备方法和应用领域。
一、异质结的概念异质结是由两种或两种以上不同的材料组成的结构，在这些材料的交界面上形成的一种特殊结构。
异质结具有独特的物理、化学和电学特性，具有广泛的应用领域，包括太阳能电池、LED、激光器、高速晶体管等。
二、异质结的分类根据材料的性质和结构，异质结可以分为以下几种：1. 纵向异质结：由两种或两种以上材料按照垂直于器件面的方向交替堆积而成。
2. 横向异质结：由两种或两种以上材料在器件面方向交替堆积而成。
3. 膜层异质结：将多种材料按照一定顺序或周期性地沉积在基板上，形成的多层结构。
4. 核－壳异质结：以一种纳米颗粒为“核”，另一种材料在其表面上沉积，形成核－壳结构。
5. 点阵异质结：两种或两种以上材料按照一定的顺序和空间排列方式交替排布而成。
三、异质结的制备方法现代材料科学中，制备异质结有各种不同的方法，包括物理方法、化学方法和生物方法等。
1. 物理方法物理方法主要包括物理沉积、分子束外延、熔冷法、物理气相沉积等方法。
这些方法具有制备高质量异质结的优点，但是成本较高，需要相对复杂的设备和条件。
2. 化学方法化学方法包括化学气相沉积、溶胶－凝胶法、溶液沉积等方法。
这些方法相对简单、灵活，成本较低，适用范围也更广。
3. 生物方法生物方法主要是利用生物学特性来制备异质结材料，包括生物矿化、生物还原和生物合成等。
这些方法能够在常温下在生物环境中制备高质量的异质结，具有很高的应用潜力。
四、异质结的应用领域异质结的应用领域非常广泛，包括能源、信息、生物医学等方面。
1. 能源随着全球对于清洁能源需求的增加，太阳能电池和LED等器件的发展越来越受到重视。
异质结材料具有很好的光、电、热性质，非常适合制备高效太阳能电池和LED等设备。
ZnOPS异质结的光学和电学性质
第27卷 第7期2006年7月半 导 体 学 报C HIN ES E J OU RNAL O F S EM ICOND U C TO RSVol.27 No.7J uly ,20063山东省自然科学基金资助项目(批准号:Y 2002A 09) 通信作者.Email :p hyzhaobo @ 2005212204收到,2006201219定稿Ζ2006中国电子学会ZnO/PS 异质结的光学和电学性质3赵 波 李清山 张 宁 陈 达 郑学刚(曲阜师范大学物理工程学院,曲阜 273165)摘要:用脉冲激光沉积的方法在多孔硅(PS )衬底上沉积ZnO 薄膜,在室温下测量了ZnO/PS 异质结的结构及光学和电学性质.X 射线衍射仪和扫描电子显微镜测量表明,制备的ZnO 薄膜具有一定的c 轴取向,但薄膜存在较多缺陷.光致发光谱显示,PS 的发光与ZnO 的发光相叠加,呈现白光发射.对异质结I 2V 特性曲线的测量表明,异质结呈现出与普通二极管不同的整流特性,其反向电流不饱和,据此提出了能带模型.关键词:白光发射;多孔硅;ZnO ;光致发光;能带模型PACC :7855;7865;8115I 中图分类号:TN 383 文献标识码:A 文章编号:025324177(2006)07212172041 引言自从多孔硅(PS )在室温下的光致发光现象[1]被发现以来,人们对PS 的制备方法、表面形态、发光机理等方面做了深入研究[2],PS 的发光也展示了硅在光学器件、光电子及显示技术等方面的应用前景.ZnO 是宽带隙半导体材料(E g =313eV ),它在表面声波器件、紫外光探测器及半导体激光器方面有重要应用[3,4].由于其宽的带隙,在可见光区是透明的,可作为太阳能电池的窗口及用作透明电极.ZnO 薄膜在大约490～550nm 有宽的深能级发射,这种与缺陷有关的发射被认为是浅施主(O 空位和Zn 填隙原子)与深受主(Zn 空位)之间的辐射跃迁[5,6]所致.由于ZnO 中有施主性质的本征缺陷(如Zn 填隙和O 空位)的存在,导致ZnO 是n 型的,低电阻率的p 型ZnO 难以制备[7].根据PS 和ZnO 发光谱的特征,将ZnO 沉积在PS 衬底上,采用多层膜发光的形式,有可能得到白光发射器件.与用荧光粉转换实现白光照明的器件相比,这种ZnO/PS 异质结器件具有结构简单的优点.A nis ha 等人[8]在PS 衬底上沉积CdS 和ZnS 得到CdS/PS 和ZnS/PS 电致发光器件,Dimova 2Mali 2novska 等人[9]用磁控溅射法将ZnO 沉积在PS 衬底上,在不同温度下研究了ZnO/PS 异质结的载流子传输机制.文献中极少有用脉冲激光沉积方法在PS 衬底上生长ZnO 薄膜,研究其结构和性质的报道.本文用脉冲激光沉积的方法在PS 上沉积ZnO 薄膜,做成多层器件,用适当的激发光,使ZnO 的深能级发光与PS 的橙红光叠加,产生白光.同时将ZnO 作为透明电极,测量了ZnO/PS 异质结的I 2V 特性曲线,以此为基础,我们提出了异质结的能带模型.2 实验使用单面抛光的p 型硅片,晶向为(100),电阻率为8～13Ω・cm.首先用电子束蒸发镀膜设备(EB 2500)在Si 片背部镀Al ,厚度为150nm ,作为电极.然后用单池阳极氧化方法制备PS.电解液由49%的H F 和乙醇以1∶1体积比组成.电流密度为17mA/cm 2,腐蚀时间为20min.氧化结束后,用去离子水冲洗,在室温下干燥.最后以PS 为衬底,利用脉冲激光沉积的方法生长ZnO 薄膜.Kr F 准分子激光器(波长为248nm ,脉宽为10ns ,德国Tulaser 公司)聚焦在ZnO 陶瓷靶材上,激光脉冲能量为250mJ ,重复频率5Hz ,聚焦在陶瓷靶材上面积为4mm 2,能量密度6J /cm 2.真空室背底真空为10-6Pa ,ZnO 沉积时充入O 2(991999%),保持压强为011Pa ,源基距是5cm ,ZnO 在500℃下生长.用BD 2500型X 射线衍射仪(XRD )测量薄膜样品的晶体结构.表面及截面形貌由J SF6100扫描电子显微镜(SEM )测量.异质结的光致发光(PL )谱由RF 25301PC 荧光分光光度计测量(日本岛津).3 结果和讨论图1是样品的XRD 图1可以看到ZnO 在半 导 体 学 报第27卷3414°附近有一个衍射峰,说明薄膜具有一定的c 轴择优取向,但衍射峰的半高宽较大(015°),这主要与衬底结构有关.由于PS 易碎,以它作衬底沉积ZnO 前,仅能用大量去离子水冲洗,然后用N 2吹干,其表面可能存在杂质,影响薄膜质量.另外,PS 粗糙的表面结构也会造成ZnO 薄膜结晶较差.图1 PS 上生长的ZnO 薄膜的XRD 图Fig.1 XRD pattern of ZnO films grown on PS sub 2strate图2(a )和(b )分别是样品的表面和截面形貌图.从图2(a )可见ZnO 薄膜的表面存在一些裂缝和空洞(如插图所示),这主要是由于PS 表面不平整所致.由样品的截面图可知,PS 的厚度大约为2μm,图2 (a )ZnO 薄膜的表面SEM 图像,插图显示薄膜的裂缝;(b )ZnO/PS 异质结的截面SEM 图像,插图是界面处的放大图Fig.2 SEM images of the sample (a )Surface mor 2phology of ZnO films Inset figure shows the cracks in the films ;(b )Cross 2sectional images of ZnO/PS Inset figure shows a higher magnification image.孔的结构不规则,靠近上表面处呈现海绵状.ZnO 厚度大约100nm ,图2(b )插图显示,在PS 的有些地方,ZnO 可以进入PS 孔中,这些ZnO 的“钉子”增加了ZnO 和PS 的附着性[10].在室温下测量样品的PL 谱,激发波长为320nm ,如图3所示.新制备的PS 的发光峰在610nm ,表面沉积ZnO 之后,PS 的发光峰发生变化,这是由于在制备ZnO 的过程中,真空室内通入O 2,PS 的表面被氧化,形成了Si 2O 2Zn 界面层[11,12].ZnO/PS 的PL 谱在495nm 处出现发光峰,可以归结为ZnO 的深能级发射.ZnO 的发光与PS 的橙红光叠加在一起,ZnO/PS 在可见光区有很强的光致发光.图3 PS 和ZnO/PS 的PL 谱Fig.3 Photoluminescence spectra of the prepared PSand the ZnO/PS heterostructure图4是ZnO/PS 异质结的I 2V 特性曲线,可以看出它与普通的p 2n 结二极管特性不同,其反向电流不饱和.二极管的理想因子定义为[8]n =q k T ×5V 5l n J(1)其中 q 是电子电荷;J 是电流密度;V 是偏压;k 是波耳兹曼常数;T 为绝对温度.理想因子表示实际二极管与理想二极管的偏差,我们得到的理想因子为95(T =300K ,2～4V ),n 值较大是因为ZnO 和PS图4 ZnO/PS 异质结的I 2V 特性曲线Fig.4 I 2V characteristic of heterojunction of ZnO/PS8121第7期赵 波等: ZnO/PS 异质结的光学和电学性质晶格失配较大,因而陷阱态密度较大[8],同时PS 的表面粗糙,也会导致n 值较大.根据测得的I 2V 特性曲线,我们提出了图5所示的ZnO/PS 异质结能带模型.其中χZnO =4120e V ,χPS =3169eV 分别是ZnO 和PS 的电子亲和能[9],ZnO 和PS 的的带隙分别是E ZnO =313eV ,E PS =210e V [9].在ZnO 与PS 的界面处,ZnO 的势垒尖峰高于PS 的导带底,形成正反向势垒[13],并且存在界面态.载流子以隧道效应的方式通过各自的势垒.当异质结加正向电压时(Al 接正极),势垒高度减小,电子必须隧穿过势垒尖峰,到达p 区.正向电流可表示为[13]J ∝eβV(2)曲线拟合得β=0117.当异质结加反向偏压时,PS 一边的势垒升高,使n 区导带底比p 区的价带顶还低,此时J ∝Vm(3)曲线拟合出m =7129.图5 ZnO/PS 异质结的平衡能带图Fig.5 Energy band diagram under zero bias for ZnO/PS/p 2Si heterostructure4 结论用脉冲激光沉积的方法,在PS 衬底上生长ZnO 薄膜,由于PS 粗糙的表面结构,ZnO 薄膜出现裂缝和空洞,但是具有一定的c 轴取向.在合适的激发光下,ZnO 的蓝绿发光与PS 的橙红光叠加起来,使得ZnO /PS 发射白光.依据异质结的I 2V特性曲线,提出了基于载流子隧道效应的能带模型.参考文献[1] Canham L T.Silicon quantum wire array fabrication by elec 2trochemical and chemical dissolution of wafers.Appl Phys Lett ,1990,57(10):1046[2] Liao Liangsheng ,Bao Ximao ,Min Naiben 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Xuegang(Depart ment of Physics,Qu f u N ormal Universit y,Quf u 273165,China)Abstract:The op tical a nd elect rical p roperties of ZnO/p orous Si(PS)heterost ructure are studied.The PS sample is f or med by t he a nodization of a single2crystal Si waf er.ZnO films are t he n dep osited on t he PS subst rate by p ulsed laser dep osition. White light f or med by combining t he red e mission f rom t he PS layers wit h t he blue2gree n emission f rom t he ZnO films is ob2 tained.Due t o t he roughness of t he PS surf ace,some cracks app ear in t he ZnO films,w hich can be see n f rom t he S EM spec2 t ra.The I2V characteristics of t he ZnO/PS heterost ructure are diff erent f rom t hose of t he common diode,w hose reverse cur2 rent is not saturated.Based on t he I2V characteristics,a n energy ba nd diagra m is p rop osed.K ey w ords:w hite light emission;p orous silicon;ZnO;p hot oluminesce nce;e nergy ba nd diagra mPACC:7855;7865;8115IArticle ID:025324177(2006)07212172043Project supp orted by t he Natural Science Foundation of Sha ndong Province(No.Y2002A09)Corresp onding aut hor.Email:p hyzhaobo@ Received4Dece mber2005,revised ma nuscrip t received19J a nuary2006Ζ2006Chinese Institute of Elect ronics。
双钙钛矿La2NiMnO6／Si薄膜异质结的电学特性研究
Ａｂｔａ ｔ Ｌ ２ ｉ ｎ ６ ｈｎｆｍｓ ｅｅｐｅ ａｅ ｙｐ ｌ ｄ ｌ ｅ ｅ ｏｉｏ Ｐ Ｄ）ｏ ｅＳ １ ０ ｕ ｓ ａ ． ｓ ｃ ａＮ Ｍ Ｏ ｉ ｉ ｒ ｒｐｒｄｂ ｕｓ ｓｒ ｐ ｓｉｎ（ Ｌ ｒ ｔ ｌ ｗ ｅ ａ ｄ ｔ ｎｔ ｉ（ ０ ）ｓｂｔ ｔ ｈ ｒｅ Ｔ ｅｃ ａａｔｒ ｔ ｓｏ ｅｃ ｒ ｎ —ｖｌ ｇ （ ｈ ｈ ｒｃ ｉ ｉ ｆ ｕｒ ｔ ｏ ａｅ Ｉ—Ｖ）ａ ｄ ｔｅｃｐ ｃ ａ ｃ ｅ ｓｃ ｔ ｈ ｅ ｔ ｎ ａａ ｉ ｎ ｅ—ｖｌ ｇ Ｃ—Ｖ）ｏ ｅＬ ２ ｉ Ｏ ｉ ｈ ｔ ｏ ａｅ（ ｔ ｆｔ ａＮ Ｍｎ ６ ｈｎ ｈ ｔ
１１ Ｌ２ ｉ Ｏ ． ａＮＭｎ ６多晶靶 材的 制 备 按 Ｌ ：ｉＭｎ＝ （ ） （ ） １的化 学 计 量 ａＮ： ２一 ： １＋ ：
而 降 低 ） 如 ： ａＭ Ｒ Ｏ ， ａ ｏ ｅ ６ Ｂ ２ ｉｅ ６ ， Ｂ２ ｎ ｅ ６ Ｂ ２ Ｒ Ｏ ， ａ Ｒ Ｏ ； Ｃ Ｎ
Ｃａ ｅ Ｏ６ Ｃａ ｒ Ｏ６ Ｓ ２ ｒ ０６ Ｃ ２ ｒ ｅ ， ２ Ｒｅ ， Ｆ ２ Ｍｏ ， ｒ Ｃ Ｍｏ ； ａ Ｒ Ｏ６ Ｃ Ｃ
比， 电子天平依次称取适量的分析纯的六水硝酸镧 用 ［ ａ Ｎ ，・６ ２ 、 水 硝 酸 镍 ［ ｉ Ｎ ３ ・ Ｌ （ Ｏ） Ｈ ０］ 六 Ｎ （Ｏ） ６２ 、 Ｈ ０］浓度为 ５ ％ ０ 硝酸锰溶 液 ［ ｎ Ｎ ３ 。将 Ｍ （ Ｏ ）］
双 钙 钛 矿 Ｌ ２ ｉ Ｏ ／ ｉ 膜 异 质 结 的 ａ Ｎ Ｍｎ ６ ．
李小兵 秦
赛 刘冬梅 朱 明
（ 南大 学物 理 系 ， 东 江苏 南京 ２０ ９ ） １０ ６
摘 要 通过激光脉 冲沉积 法 （ Ｌ 在 ｓ 衬底 上沉 积 了双钙钛 矿结 构 Ｌ ２ ｉ Ｏ （ Ｎ Ｐ Ｄ） ｉ ａＮＭｎ ６ Ｌ ＭＯ） 薄膜 。用 Ｈ ４ ８ Ａ Ｌ Ｒ Ｐ ２４ Ｃ
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 =
异质结的电学特性课件
REPORT
CATALOG
DATE
ANALYSIS
SUMMAR Y
05
异质结的未来展望
提高光电转换效率
01
02
03
优化材料组合
通过精心选择和优化不同 材料之间的组合，以实现 更高的光电转换效率。
界面工程
优化异质结的界面结构， 减少界面损耗，提高光生 载流子的分离效率和传输 效率。
脉冲激光沉积法
总结词
高沉积速率、高生产效率、大面积成膜
详细描述
脉冲激光沉积法是一种利用高能脉冲激光将靶材加热至熔融状态，并在衬底上快速冷却形成异质结的 方法。该方法具有高沉积速率、高生产效率、大面积成膜等优点，但生长出的异质结质量略低于分子 束外延法和液相外延法。
REPORT
CATALOG
DATE
分子束外延法是一种在单晶衬底上生长单层或数层相同晶体取向的薄膜材料的方 法。它能够精确控制薄膜的厚度和组分，生长出的异质结具有高精度、高纯度、 高单晶质量等优点。
液相外延法
总结词
设备简单、操作方便、成本低
详细描述
液相外延法是一种在液态溶剂中通过控制温度和浓度等条件，使原材料在衬底上结晶形成异质结的方法。该方法 设备简单、操作方便、成本低，但生长出的异质结质量相对较低。
异质结具有不同的能带间隙，这决定 了其光电转换效率。能带间隙越大， 吸收光的能量范围越广，但同时也会 增加激子结合能，降低开路电压。
界面态
异质结的界面态会影响载流子的传输 和复合过程，从而影响其电学特性。 界面态密度越高，载流子传输受到的 散射越强，导致迁移率降低。
异质结的载流子分布
热平衡状态
在热平衡状态下，异质结中的载流子分布遵循玻尔兹曼分布。载流子浓度随能 级高低而变化，高能级处的载流子浓度较低能级处低。
第八章_异质结
异质结
• pn结是在同一块半导体中用掺杂的办法做成 两个导电类型不同的部分。一般pn结的两边 是用同一种材料做成的，也称为“同质结” 。 • 如果结两边是用不同的材料制成，就称为“ 异质结” • 根据结两边的半导体材料的导电类型，异质 结可分为两类：反型异质结(p-n，n-p)和同 型异质结(n-n，p-p)。另外，异质结又可分 为突变型异质结和缓变型异质结，当前人们 研究较多的是突变型异质结。
• 窄禁带材料厚度为阱宽LW • 宽禁带材料厚度为垒宽LB
量子阱
• 量子阱是指由2种不同的半导体材料相间排列形成的、具有 明显量子限制效应的电子或空穴的势阱。 • 量子阱的最基本特征是，由于量子阱宽度(只有当阱宽尺度 足够小时才能形成量子阱)的限制，导致载流子波函数在一 维方向上的局域化。在由2种不同半导体材料薄层交替生长 形成的多层结构中，如果势垒层足够厚，以致相邻势阱之间 载流子渡函数之间耦合很小，则多层结构将形成许多分离的 量子阱，称为多量子阱。 • 如果势垒层很薄，相邻阱之间的耦合很强，原来在各量子阱 中分立的能级将扩展成能带(微带)，能带的宽度和位置与势 阱的深度、宽度及势垒的厚度有关，这样的多层结构称为超 晶格。具有超晶格特点的结构有时称为耦合的多量子阱。
超晶格
• 1970年美国IBM实验 室的江崎和朱兆祥提 出了超晶格的概念
• 他们设想如果用两种晶 格匹配很好的半导体材 料交替地生长周期性结 构，每层材料的厚度在 100nm以下，如图所示， 则电子沿生长方向的运 动将会产生振荡，可用 于制造微波器件．他们 的这个设想两年以后在 一种分子束外延设备上 得以实现．
目前异质结制备的一些常用方法：
• • • • •
1.分子束外延技术。 2.MO-CVD 3.液相外延 4.物理气相沉积法。 5. sol-gel
异质结太阳能电池特点
异质结太阳能电池特点1.高效转换：异质结太阳能电池能够将太阳能光子转化为电子，并通过电场分离正负电荷，从而产生电流。
由于异质结的能带结构能够提供良好的带隙匹配和电子井的形成，使得电子与空穴能够高效地产生、收集和转移，从而提高了电池的转换效率。
目前，异质结太阳能电池的光电转换效率已经超过了26%，发展潜力巨大。
2.宽波长响应：异质结太阳能电池的特殊能带结构使其具有宽波长响应的特点。
传统的硅太阳能电池只能吸收能量较大的蓝光和紫外光，对于红光和红外光的利用效率较低。
而异质结太阳能电池可以通过调节半导体材料的带隙宽度和能带结构，使其在更宽的波长范围内吸收并转化太阳能，从而提高了电池的全谱响应和能量利用效率。
3.低温效应：异质结太阳能电池的工作原理使其在低温下的性能较好。
由于异质结具有良好的载流子选择性，能够更好地分离电子和空穴，减少复合损失。
与传统太阳能电池相比，异质结太阳能电池在低温环境下的光电转换效率更高，因此更适合应用在寒冷地区或高海拔地区。
4.快速响应和高可靠性：由于异质结的响应速度较快，异质结太阳能电池可以快速地响应外部光源的变化，具有较高的动态稳定性和可靠性。
这意味着异质结太阳能电池可以在短时间内适应光照变化，并提供稳定的输出电能。
这对于应用在复杂的气候环境或可变光照条件下的太阳能电池系统来说是非常重要的。
5.尺寸小巧和灵活性：由于使用半导体材料作为基底，异质结太阳能电池可以制备成非常薄的结构，非常适合作为柔性电池使用。
这也使得其在一些特殊应用中更具优势，比如应用于形状复杂的表面，或整合到其他设备中。
总之，异质结太阳能电池具有高效转换、宽波长响应、低温效应、快速响应和高可靠性、尺寸小巧和灵活性等特点。
这些特点使得异质结太阳能电池在太阳能领域具有广阔的应用前景，并且有望成为未来太阳能电池技术的主流。
第八章 异质结
量子阱
• 量子阱是指由2种不同的半导体材料相间排列形成的、具有 量子阱是指由2种不同的半导体材料相间排列形成的、 指由 明显量子限制效应的电子或空穴的势阱。 明显量子限制效应的电子或空穴的势阱。 • 量子阱的最基本特征是，由于量子阱宽度(只有当阱宽尺度 量子阱的最基本特征是，由于量子阱宽度( 足够小时才能形成量子阱)的限制，导致载流子波函数在一 足够小时才能形成量子阱)的限制，导致载流子波函数在一 维方向上的局域化。在由2 维方向上的局域化。在由2种不同半导体材料薄层交替生长 形成的多层结构中，如果势垒层足够厚， 形成的多层结构中，如果势垒层足够厚，以致相邻势阱之间 载流子渡函数之间耦合很小， 载流子渡函数之间耦合很小，则多层结构将形成许多分离的 量子阱，称为多量子阱 多量子阱。 量子阱，称为多量子阱。 • 如果势垒层很薄，相邻阱之间的耦合很强，原来在各量子阱 如果势垒层很薄，相邻阱之间的耦合很强， 中分立的能级将扩展成能带(微带) 中分立的能级将扩展成能带(微带)，能带的宽度和位置与势 阱的深度、宽度及势垒的厚度有关，这样的多层结构称为超 阱的深度、宽度及势垒的厚度有关，这样的多层结构称为超 晶格。具有超晶格特点的结构有时称为耦合的多量子阱。 晶格。具有超晶格特点的结构有时称为耦合的多量子阱。
光输出 N-AIyGa1-yAs P- GaAs
反型异质结 同型异质结
P-AIxGa1-xAs
双异质结半导体发光二极管的结构示： 异质结的能带结构：
空间电荷区－ 空间电荷区－耗尽层
N
XN
空间电荷区XM 空间电荷区
XP
P
空间电荷区为高阻区， 空间电荷区为高阻区，因为缺 少载流子
• 1.制备电子器件：(1)开关器件(2)整流器件SiC基异质材料 1.制备电子器件：(1)开关器件(2)整流器件SiC基异质材料 制备电子器件 开关器件(2)整流器件SiC (3)场效应晶体管(4)异质结双极晶体管(HBT)主要应用材料 场效应晶体管(4)异质结双极晶体管(HBT) (3)场效应晶体管(4)异质结双极晶体管(HBT)主要应用材料 GaAs/AlGaAs/GaInP,InGaAs/InP/InAlAs,Si/SiGe等 为GaAs/AlGaAs/GaInP,InGaAs/InP/InAlAs,Si/SiGe等 (5)HEMT(High (5)HEMT(High electron mobility transistor) • 2.制备发光二极管：(1)异质结发光二极管，异质结构为 2.制备发光二极管 (1)异质结发光二极管 制备发光二极管： 异质结发光二极管， CdTe/PS，ZnS/ps等 (2)制备新型的发光设备取代传统光源 CdTe/PS，ZnS/ps等 (2)制备新型的发光设备取代传统光源 白光LED LED是继白炽灯和日光灯之后的第三代电光源 ，白光LED是继白炽灯和日光灯之后的第三代电光源 ，主 要集中在GaN pn结研究上 例如AlGaInN/GaN GaN基 结研究上， AlGaInN/GaN。 要集中在GaN基pn结研究上，例如AlGaInN/GaN。 • 3. GaAs或InP基半导体激光器，这主要用于通信技术。在 GaAs或InP基半导体激光器，这主要用于通信技术。 基半导体激光器 1.25—1.65 μm范围内 范围内， 1.25 1.65 μm范围内，现在主要的异质结激光器是 AlGaInAs/InP 而对于GaInNAs/GaAs, /InP， GaInNAs/GaAs,发射频率 GaInAsP or AlGaInAs/InP，而对于GaInNAs/GaAs,发射频率 已做到1.52μm, 用改进的GaInNAsSb/GaAs异质结激光器发 1.52μm GaInNAsSb/GaAs 已做到1.52μm, 用改进的GaInNAsSb/GaAs异质结激光器发 射频率达到1.49 μm，发射功率为0.2mA 0.2mA/ 射频率达到1.49 μm，发射功率为0.2mA/ μm 2。 • 4.制备太阳能电池，例如ZnO/n-Si 4.制备太阳能电池 例如ZnO/n 制备太阳能电池， ZnO/n-
异质结
热离子发射-界面态模型
1.界面态模型：最早由Tersoff提出。界面上产生界面能级，分为两类： 类施主能级和类受主能级。 2.根据界面态模型得到的一些结果(1) 界面总电荷态密度 QIT=QITL+QITR=-q2DIT(φSL+Vp-EBL/q+V) (2)根据电中性条件 QSC+QIT=0 →φSL, φSR=φ(V,DIT),函数形式如图所示。界面态密度会 影响表面势φSL 和φSR 3.电流输运：(1)电流密度J= JE+JH =AE*T2exp(-qVN/kT)exp(qφSR/kt)+AH*T2exp(-qVp/kt)exp[(-q φSL+Δ EV)/kT],界面态密度要影 响I-V曲线；(2)电导G=dJ/dV=GE+GH 。(3) 二极管理想因子 N=β /(dlnJ/dV)(4）总电容C为CL与CR的串联结果。 4.串联电阻的影响：异质结的串联电阻会有分压作用，结果流经pn结 的电压变为V-JR，上面的结论中的V都要用V-JR代替。可以看到，高压 下串联电阻影响较大，会掩盖I-V的非线性关系。 以上结果与Ge-GaAs,Ge-AlGeAs等一些异质结的结果一致。
题目：半导体异质结的发展 及其性质的讨论
pn结是在一块半导体中用掺杂的办法 做成两个导电类型不同的部分。一般pn 结的两边是用同一种材料做成的，也称 为“同质结”。广义上说，如果结两边 是用不同的材料制成，就称为“异质 结”，但一般所说的指两种不同半导体 材料的接触构成的半导体异质结。根据 结两边的半导体材料的导电类型，异质 结可分为两类：反型异质结(p-n，n-p) 和同型异质结(n-n，p-p)。另外，异质 结又可分为突变型异质结和缓变型异质 结，当前人们研究较多的是突变型异质 结。
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，
n-n异质结结构原理
n-n异质结结构原理
n-n异质结是由两种不同类型的半导体材料组成的，其中一种是n型半导体，另一种也是n型半导体。
在这两种半导体材料之间，存在一个势垒，这个势垒会随着外加电压的变化而变化。
当外加电压为正向偏置时，n型半导体的电子将从高能级向低能级运动，同时n型半导体的空穴也从高能级向低能级运动。
这样，载流子将在势垒区域内运动，形成电流。
相反，当外加电压为反向偏置时，载流子将被阻挡在势垒区域之外，无法形成电流。
n-n异质结的能带结构也会影响其电学特性。
由于不同半导体材料的能带结构存在差异，因此在异质结中，能带的弯曲和耦合效应将对载流子的行为产生影响。
能带弯曲会导致载流子的散射和反射，从而影响材料的导电性能。
此外，n-n异质结还具有较高的载流子迁移率。
由于n 型半导体和p型半导体的载流子浓度不同，形成了电场，这个电场会加速载流子的迁移速度，从而提高了器件的电流传输能力。
因此，n-n异质结常被用于高频器件和功率放大器等应用中。
半导体器件物理异质结的基本特性和应用chapter 6
第六章异质结物理及器件同质结由同种材料构成的结Shockley建立了同质结成结理论.广义异质结：任何不同种类材料构成的接触.半导体异质结：两种不同半导体材料接触构成半导体异质结有:Ge-Si; Ge-AsGa; GaAs-AlGaAs; -Si/Si…..根据界面之间组分变化情况不同可分为突变异质结和缓变异质结。
按导电类型不同可分为同型异质结和异型异质结（P型GaAs上形成n型Al x Ga1-x As）以下以最典型的的半导体异型突变异质结为例来讨论其能带及电流输运问题。
总的来说由于H－J由两种不同材料构成，在其界面将形成奇特的势垒和界面态。
因此其电学性质、光学性质与同质结不同。
主要用途是制造异质结光电池、发光管、激光器、HBT、HEMT等。
HBT的速度可达到微波领域。
近年来GaAs/Si 异质结得到了重视。
因它具有优点：（1）Si上生长GaAs可解决Si IC与GaAs器件或集成光路相容问题，可提高Si IC的运算速度，及产生光信号的能力。
（2）从GaAs IC来看，用Si作衬底，成本低，热导率大，其他性能等均优于GaAs。
因此汇集了Si和Ⅲ-Ⅴ族的优点。
主要困难为：①非极性半导体上生长极性半导体会产生反相畴。
②晶格失配（4％）导致GaAs外延层中产生了高密度位错。
③两者热胀系数差别大（59％）。
（缺陷引起大的复合和隧穿电流）。
会在外延层中产生应变，限制了膜的生长厚度和质量。
主要原因：外延时，Ga及As原子均与Si原子成键，形成GaSi，SiAs。
但Si－As键更强些；在外延时As原子首先与Si原子反应生成Si－AS化合物，其后由于Si与Ga的互扩散，在界面也形成一定数量的GaSi 化合物，最终形成SiAS及GaSi构成的界面层Ga x As1－x Si（x：0.1－0.6），而GaSi的键长（0.253nm）与SiAs键长（0.228nm）导致晶格畸变。
此外，Ge－Si异质结近来也受到重视。
异质结的电学特性课件
异质结的表征方法
扫描电子显微镜（SEM）
用于观察异质结的表面形貌、微观结构等信 息。
X射线衍射（XRD）
用于分析异质结的晶体结构、相组成等信息。
透射电子显微镜（TEM）
用于观察异质结的内部结构、晶体取向等信 息。
原子力显微镜（AFM）
用于测量异质结的表面粗糙度、几何形状等 信息。
异质结的质量控制与优化
新一代光电器件
利用异质结的光电效应，开发新一代的光电器件，为信息处理和通 信技术的发展提供新的技术支持。
新能源利用
利用异质结的太阳能效应，提高太阳能电池的转换效率，为新能源 利用的发展提供新的技术支持。
THANKS
感谢观看
这种特性在制造高速电子器件如放大器、振荡器等具有重要应用价值。
PART 04
异质结在电子器件中的应 用
太阳能电池中的应用
01 02
提高光电转换效率
异质结结构能够有效地提高太阳能电池的光电转换效率，通过减小反射 损失、增加吸收长度、提高载流子分离和收集效率等方式，实现更高的 光电转换效率。
优化能带结构
PART 03
异质结的电学特性
异质结的电流-电压特性
异质结的电流-电压特性表现出了非线性、不对称性和整流特性。 在正向偏压下，异质结的电流随着电压的增加而增加，表现出良好的导电性能。
在反向偏压下，异质结的电流随着电压的增加而迅速降低，表现出良好的绝缘性能。
异质结的整流特性
整流特性是指异质结在正向和反 向偏压下的电流差异。
当正向偏压施加到异质结时，电 流能够顺畅地通过，而当反向偏
压施加时，电流被显著抑制。
这种特性使得异质结在制造电子 器件如二极管、晶体管等具有重
石墨烯异质结
石墨烯异质结
石墨烯异质结是指由两种或多种不同的石墨烯材料组成的结构。
这种结构具有独特的电学、光学和热学性质，因此在纳米电子学、光电子学和热电学等领域具有广泛的应用前景。
石墨烯异质结的制备方法有很多种，其中最常见的是机械剥离法和化学气相沉积法。
机械剥离法是指通过机械剥离的方式将石墨烯层剥离出来，然后将不同的石墨烯层堆叠在一起形成异质结。
化学气相沉积法则是通过在基底上沉积不同的石墨烯层来制备异质结。
石墨烯异质结的电学性质是其最为重要的特点之一。
由于不同的石墨烯层之间存在着不同的电子结构和能带结构，因此在异质结中会出现一些特殊的电学现象，如电子隧穿效应、量子阱效应和磁隧穿效应等。
这些现象可以被用来制备高性能的纳米电子器件，如晶体管、逻辑门和存储器等。
除了电学性质外，石墨烯异质结还具有优异的光学和热学性质。
由于不同的石墨烯层之间存在着不同的光学吸收和发射特性，因此可以通过调节异质结的结构来实现光学器件的设计和制备。
同时，石墨烯异质结还具有优异的热导率和热电性能，可以被用来制备高性能的热电材料和热管理器件。
石墨烯异质结是一种具有广泛应用前景的新型材料结构。
通过调节异质结的结构和性质，可以实现对其电学、光学和热学性质的精确
控制，从而为纳米电子学、光电子学和热电学等领域的发展提供了新的思路和方法。