2015第4次课 第三章 异质结的能带图(2)解析
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3.2节 异质结的能带偏移
•异质结的形成 •导带带阶和价带带阶 •带阶的计算 •实验确定 •测量的尺 影响能带偏移的因素： 1.工艺：MBE 2.异质结界面的晶向 极性表面时，界面处存在偶极矩，影响能带偏移 3. IV 和III-V , II-VI 和III-V 时界面处，原子交 换反应．形成原子偶极距．
+ （E cl） InN/AlN. 17.04 57.56 71.50 3.10eV
3.2.2 C-V 截距法测 band offset
对于一个突变异质p-n结，内建势可以通 过C-V测量求出，进而求出导带带阶
异型异质结
Ec qVD 2 2 ( Eg1 qVD1 1 ) q(VD 2 VD1 ) 2 ( Eg1 1 ) Ec qVD 2 ( Eg1 1 ) (3.33)
Ec E f N exp( ) ND c kT NC 2 Ec E f kT ln( N ) D
1
v EF Ev kT ln( N A )
N
2 m k T Nc 2
* e B
3/2
h3
NV
2 m k T 2
* h B
3/2
在理想突变异质结的界面上都存在势垒，由C-2-V直线 的截距求出导带和价带的不连续。
EbF h s EKS EbF h Ek A
3.29 3.31
Ek EKS ( s A ) 3.30
hn:Mg 靶：1253.6eV Al 靶： 1486.6 eV FA: 4eV 测出EK 就可求出某一壳层电子的结合能
可以由XPS测出
• 价带能级 • 导带能级 • 内层电子能级
X-Ray
The noise signal comes from the electrons that collide with other electrons of different layers. The collisions cause a decrease in energy of the electron and it no longer will contribute to the characteristic energy of the element.
1制样:在GaAs衬底上生长出一层厚度约为数十埃的AlAs层. 2测量:用已知波长的x光照射样品,分别由GaAs层和AlAs层中激 发出光电子,测量光电子的能量求出Ga3d和Al2p态电子的束缚能 ; 3由公式(3.2.7)式求出DEv.
2
1
2
X光光电子发射谱方法是 一种比较准确的测量能带不连续的方 法，准确度可达到0.02电子伏，它带有基本物理测量的性质。
EKS：发射出的光电子的动能 Fs：样品功函数，既克服晶体 场的作用，将电子从费米能 级转移到真空能级所需的能 量
v Eb
v h Eb EKS v F Eb Eb s F h Eb s EKS
(3.26) (3.27) (3.28)
样品架与谱仪相连 接且接地，费米能 级一致。 但样品功函数FS与 分析器材料的功函 数FA不同 Ek：谱仪测量的电子动能
（E cl） InN/AlN
AlN =（E InN E In 4d Al 2p） InN/AlN = 57.56 eV
E
InN v
-E
InN In 4d
=17.04 0.02 eV
AlN E AlN -E v Al 2p =71.50 0.04 eV
InN AlN AlN E v = （E InN -E ） （ E E v In 4d InN v Al 2p） AlN
测量原理
测量装置示意图
Energy Levels
Vacumm Level Ø, which is the work function
Fermi Level
BE
At absolute 0 Kelvin the electrons fill from the lowest energy states up. When the electrons occupy up to this level the neutral solid is in its “ground state.”
• The XPS technique could cause damage to the surface, but it is negligible.
X-Rays and the Electrons
Electron without collision
Electron with collision
Al： 1S2 2S2 2P6 3S2 3P1
1. 利用差值计算 2. 参考能级
能量的尺
E
GaAs c
GaAs v
Ec
E
AlAs c
EF
Ev
E
E
AlAs v
E
GaAs Ga 3 d
E B
E
测量能带的方法:XPS, C-V,I-V，光学方法
AlAs Al 2 p
3.2.1
X射线光电子谱法测能 带带阶
InN InN AlN AlN Ev = （ECL） + （ E -E ） （ E E InN/AlN. v In 4d InN v Al 2p） AlN
The valence band maximum VBM Ev positions were determined by linear extrapolation of the leading edges of the valence band spectra recorded on InN and AlN epilayer samples.
EcGaAs
EvGaAs
GaAs EGa 3d
Ec
EcAlAs
EF
Ev
EvAlAs
E B
AlAs E Al 2p
GaAs GaAs AlAs AlAs EV EB (EV EGa ) ( E E 3d V Al 2 P ) (3.32)
• △EB是GaAs和AlAs中的Ga3d和Al2p芯电子的束缚 能之差,可以用光电子谱测出,
Valence band offset of wurtzite InN/AlN heterojunction determined by photoelectron spectroscopy
C.-L. Wu,a C.-H. Shen, and S. Gwob Department of Physics, National Tsing-Hua University, Hsinchu 300, Taiwan, The valence band offset VBO at the wurtzite-type, nitrogen-polarity InN/AlN（0001）heterojunction has been determined by photoelectron spectroscopy to be 3.10±0.04 eV.
按入射光分类:
X射线: X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), electron spectroscopy for chemical analysis (ESCA).(1-2keV) ( core level electron) 紫外光: Ultravialet photoelectron spectroscopy (UPS) (<50eV) (from valence band)
原
理
采用光子作为探针的分析方法.采用x线或紫外光使放在 超高真空中的固体样品内的电子向外飞出.通过测量电 子的能量和强度就可以得到物质内固有的电子结合能.
Sampling depth: 20-100 A
X射线光电子能谱是瑞典Uppsala大学 K.Siegbahn（西格巴恩）及其同事经过近20年 的潜心研究而建立的一种分析方法。 K.Siegbahn给这种谱仪取名为化学分析电子能 谱(Electron Spectroscopy for Chemical Analysis)，简称为“ESCA”，这一称谓仍在 分析领域内广泛使用。
Three types of samples were grown on Si111 substrates for PES measurements: 1 InN/AlN heterojunctions 2 nm/100 nm in thicknesses, 2 650-nm-thick InN epilayers, 3 130-nm-thick AlN epilayers.
如果能测出电子能度分布， 可从上式求出导带边能量 从而，推出导带不连续。 x
• 1 耗尽层的电容的电压依存性（C-V特性）可以简单精确地 确定载流子浓度，所以，它和霍耳测量一样，是评价浅能级 杂质的基本方法。 • 2 为了形成耗尽层，需要采用在半导体表面真空蒸镀铝等金 属的办法形成肖特基二极管。因此，亦将C-V法称为肖特基法。 • 3 耗尽层的电容可以视为以耗尽层幅宽为间距的平板电容器。 • 4 在直流偏压下叠加一个小振幅的交流电压可以测量耗尽层 的电容。测定频率通常用1MHz 左右。 • 5 扩散电位可以由C-2-V 曲线外插求出。 • 6 考虑到相对于半导体材料的势垒高度和反应性，也可采用 金，铝以外的金属。对短时间测量即可完成的情况，也可采 用水银等液体金属或电解液等。
) ln( m* )] (3.37)
C 2 N D1 Ec qVD kT ln( N N D 2 NC 1 )
(3.38)
通过对p-n结或其它整流接 触附近的要研究的区域施加 反向偏压。通过测量耗尽层 的电容随电压的变化，可求 出自由载流子浓度。 弱整流的n-n(或p-p)
Ec
Ec EF kT ln[n( x) / NC ( x)] (3.39)
Lowest state of energy
Why Does XPS Need UHV?
• Contamination of surface
– XPS is a surface sensitive technique. • Contaminates will produce an XPS signal and lead to incorrect analysis of the surface of composition.
• The pressure of the vacuum system is < 10-9 Torr
• Removing contamination
– To remove the contamination the sample surface is bombarded with argon ions (Ar+ = 3KeV). – heat and oxygen can be used to remove hydrocarbons
N 2 Ec EF kT ln( N )
C2 D2
(3.34) (3.35) (3.36)
N 1 Ec EF kT ln( N )
C1 D1
2 1 kT ln(
NC 2 N D1 N D 2 NC 1 N D1 ND 2
)
3 2
* m2 1
2 1 kT [ln(
耗尽层近似方法
C
dQ qAN (W ) dW (3.40) dV dV dC ( A dW ), dW A dC dV dV C 2 dV W 2 dV
Hale Waihona Puke Baidu
C A W
(3.41)
C qAN (W ) dW dV (3.42) (3.43)
h3
1 C2
2( 1 N A1 2 N D 2 ) q1 2 N A1 N D 2
(VD V )
C-2
-
p n
+ 0 VD V
Ec qVD 2 (Eg1 1 )
(3.33)
3.2.3 耗尽层法测 band offset
同型异质结
Ec 1 qVD1 qVD 2 2 Ec qVD 2 1
•异质结的形成 •导带带阶和价带带阶 •带阶的计算 •实验确定 •测量的尺 影响能带偏移的因素： 1.工艺：MBE 2.异质结界面的晶向 极性表面时，界面处存在偶极矩，影响能带偏移 3. IV 和III-V , II-VI 和III-V 时界面处，原子交 换反应．形成原子偶极距．
+ （E cl） InN/AlN. 17.04 57.56 71.50 3.10eV
3.2.2 C-V 截距法测 band offset
对于一个突变异质p-n结，内建势可以通 过C-V测量求出，进而求出导带带阶
异型异质结
Ec qVD 2 2 ( Eg1 qVD1 1 ) q(VD 2 VD1 ) 2 ( Eg1 1 ) Ec qVD 2 ( Eg1 1 ) (3.33)
Ec E f N exp( ) ND c kT NC 2 Ec E f kT ln( N ) D
1
v EF Ev kT ln( N A )
N
2 m k T Nc 2
* e B
3/2
h3
NV
2 m k T 2
* h B
3/2
在理想突变异质结的界面上都存在势垒，由C-2-V直线 的截距求出导带和价带的不连续。
EbF h s EKS EbF h Ek A
3.29 3.31
Ek EKS ( s A ) 3.30
hn:Mg 靶：1253.6eV Al 靶： 1486.6 eV FA: 4eV 测出EK 就可求出某一壳层电子的结合能
可以由XPS测出
• 价带能级 • 导带能级 • 内层电子能级
X-Ray
The noise signal comes from the electrons that collide with other electrons of different layers. The collisions cause a decrease in energy of the electron and it no longer will contribute to the characteristic energy of the element.
1制样:在GaAs衬底上生长出一层厚度约为数十埃的AlAs层. 2测量:用已知波长的x光照射样品,分别由GaAs层和AlAs层中激 发出光电子,测量光电子的能量求出Ga3d和Al2p态电子的束缚能 ; 3由公式(3.2.7)式求出DEv.
2
1
2
X光光电子发射谱方法是 一种比较准确的测量能带不连续的方 法，准确度可达到0.02电子伏，它带有基本物理测量的性质。
EKS：发射出的光电子的动能 Fs：样品功函数，既克服晶体 场的作用，将电子从费米能 级转移到真空能级所需的能 量
v Eb
v h Eb EKS v F Eb Eb s F h Eb s EKS
(3.26) (3.27) (3.28)
样品架与谱仪相连 接且接地，费米能 级一致。 但样品功函数FS与 分析器材料的功函 数FA不同 Ek：谱仪测量的电子动能
（E cl） InN/AlN
AlN =（E InN E In 4d Al 2p） InN/AlN = 57.56 eV
E
InN v
-E
InN In 4d
=17.04 0.02 eV
AlN E AlN -E v Al 2p =71.50 0.04 eV
InN AlN AlN E v = （E InN -E ） （ E E v In 4d InN v Al 2p） AlN
测量原理
测量装置示意图
Energy Levels
Vacumm Level Ø, which is the work function
Fermi Level
BE
At absolute 0 Kelvin the electrons fill from the lowest energy states up. When the electrons occupy up to this level the neutral solid is in its “ground state.”
• The XPS technique could cause damage to the surface, but it is negligible.
X-Rays and the Electrons
Electron without collision
Electron with collision
Al： 1S2 2S2 2P6 3S2 3P1
1. 利用差值计算 2. 参考能级
能量的尺
E
GaAs c
GaAs v
Ec
E
AlAs c
EF
Ev
E
E
AlAs v
E
GaAs Ga 3 d
E B
E
测量能带的方法:XPS, C-V,I-V，光学方法
AlAs Al 2 p
3.2.1
X射线光电子谱法测能 带带阶
InN InN AlN AlN Ev = （ECL） + （ E -E ） （ E E InN/AlN. v In 4d InN v Al 2p） AlN
The valence band maximum VBM Ev positions were determined by linear extrapolation of the leading edges of the valence band spectra recorded on InN and AlN epilayer samples.
EcGaAs
EvGaAs
GaAs EGa 3d
Ec
EcAlAs
EF
Ev
EvAlAs
E B
AlAs E Al 2p
GaAs GaAs AlAs AlAs EV EB (EV EGa ) ( E E 3d V Al 2 P ) (3.32)
• △EB是GaAs和AlAs中的Ga3d和Al2p芯电子的束缚 能之差,可以用光电子谱测出,
Valence band offset of wurtzite InN/AlN heterojunction determined by photoelectron spectroscopy
C.-L. Wu,a C.-H. Shen, and S. Gwob Department of Physics, National Tsing-Hua University, Hsinchu 300, Taiwan, The valence band offset VBO at the wurtzite-type, nitrogen-polarity InN/AlN（0001）heterojunction has been determined by photoelectron spectroscopy to be 3.10±0.04 eV.
按入射光分类:
X射线: X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), electron spectroscopy for chemical analysis (ESCA).(1-2keV) ( core level electron) 紫外光: Ultravialet photoelectron spectroscopy (UPS) (<50eV) (from valence band)
原
理
采用光子作为探针的分析方法.采用x线或紫外光使放在 超高真空中的固体样品内的电子向外飞出.通过测量电 子的能量和强度就可以得到物质内固有的电子结合能.
Sampling depth: 20-100 A
X射线光电子能谱是瑞典Uppsala大学 K.Siegbahn（西格巴恩）及其同事经过近20年 的潜心研究而建立的一种分析方法。 K.Siegbahn给这种谱仪取名为化学分析电子能 谱(Electron Spectroscopy for Chemical Analysis)，简称为“ESCA”，这一称谓仍在 分析领域内广泛使用。
Three types of samples were grown on Si111 substrates for PES measurements: 1 InN/AlN heterojunctions 2 nm/100 nm in thicknesses, 2 650-nm-thick InN epilayers, 3 130-nm-thick AlN epilayers.
如果能测出电子能度分布， 可从上式求出导带边能量 从而，推出导带不连续。 x
• 1 耗尽层的电容的电压依存性（C-V特性）可以简单精确地 确定载流子浓度，所以，它和霍耳测量一样，是评价浅能级 杂质的基本方法。 • 2 为了形成耗尽层，需要采用在半导体表面真空蒸镀铝等金 属的办法形成肖特基二极管。因此，亦将C-V法称为肖特基法。 • 3 耗尽层的电容可以视为以耗尽层幅宽为间距的平板电容器。 • 4 在直流偏压下叠加一个小振幅的交流电压可以测量耗尽层 的电容。测定频率通常用1MHz 左右。 • 5 扩散电位可以由C-2-V 曲线外插求出。 • 6 考虑到相对于半导体材料的势垒高度和反应性，也可采用 金，铝以外的金属。对短时间测量即可完成的情况，也可采 用水银等液体金属或电解液等。
) ln( m* )] (3.37)
C 2 N D1 Ec qVD kT ln( N N D 2 NC 1 )
(3.38)
通过对p-n结或其它整流接 触附近的要研究的区域施加 反向偏压。通过测量耗尽层 的电容随电压的变化，可求 出自由载流子浓度。 弱整流的n-n(或p-p)
Ec
Ec EF kT ln[n( x) / NC ( x)] (3.39)
Lowest state of energy
Why Does XPS Need UHV?
• Contamination of surface
– XPS is a surface sensitive technique. • Contaminates will produce an XPS signal and lead to incorrect analysis of the surface of composition.
• The pressure of the vacuum system is < 10-9 Torr
• Removing contamination
– To remove the contamination the sample surface is bombarded with argon ions (Ar+ = 3KeV). – heat and oxygen can be used to remove hydrocarbons
N 2 Ec EF kT ln( N )
C2 D2
(3.34) (3.35) (3.36)
N 1 Ec EF kT ln( N )
C1 D1
2 1 kT ln(
NC 2 N D1 N D 2 NC 1 N D1 ND 2
)
3 2
* m2 1
2 1 kT [ln(
耗尽层近似方法
C
dQ qAN (W ) dW (3.40) dV dV dC ( A dW ), dW A dC dV dV C 2 dV W 2 dV
Hale Waihona Puke Baidu
C A W
(3.41)
C qAN (W ) dW dV (3.42) (3.43)
h3
1 C2
2( 1 N A1 2 N D 2 ) q1 2 N A1 N D 2
(VD V )
C-2
-
p n
+ 0 VD V
Ec qVD 2 (Eg1 1 )
(3.33)
3.2.3 耗尽层法测 band offset
同型异质结
Ec 1 qVD1 qVD 2 2 Ec qVD 2 1