半导体量子器件物理讲座第一讲异质结构和量子结构
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《半导体物理学》【ch09】 半导体异质结构 教学课件
半导体异质结及其能带图
01 半导体异质结的能带图
9. 1. 1 半导体异质结的能带图 在以上所用的符号中， 一般都把禁带宽度较小的半导体材料写在前面。 研究异质结的特性时， 异质结的能带图起着重要的作用。在不考虑两种半导体交界面处的界面态 的情况下，任何异质结的能带图都取决于形成异质结的两种半导体的电子亲和能、禁带宽度及功 函数， 但是其中的功函数是随杂质浓度的不同而变化的。 异质结也可以分为突变型异质结和缓变型异质结两种。如果从一种半导体材料向另一种半导体材 料的过渡只发生于几个原子距离范围内，则称为突变型异质结。如果发生于几个扩散长度范围内， 则称为缓变型异质结。由于对于后者的研究工作不多，了解很少，因此下面以突变型异质结为例 来讨论异质结的能带图。
集成电路科学与工程系列教材
第九章
半导体异质结构
半导体物理学
半导体异质结构
导入
第6 章讨论的pn 结是由导电类型相反的同一种半导体单晶材料组成的，通常也称为同质结，而 由两种不同的半导体单晶材料组成的结则称为异质结。虽然早在1951 年就已经提出了异质结的 概念， 并进行了一定的理论分析工作，但是由于工艺技术存在困难， 一直没有实际制成异质结。 自1957 年克罗默指出由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 更高的注入效率之后，异质结的研究才比较广泛地受到重视。
半导体异质结及其能带图
01 半导体异质结的能带图
9. 1. 1 半导体异质结的能带图
半导体异质结及其能带图
01 半导体异质结的能带图
9. 1. 1 半导体异质结的能带图 (2 ）突变同型异质结的能带图 图9-4(a）为均是n 型的两种不同的半导体材料形成m 异质结之前的平衡能带图；图9-4(b)为形成 异质结之后的平衡能带图。当这两种半导体材料紧密接触形成异质结时， 因为禁带宽度大的n 型 半导体的费米能级比禁带宽度小的n 型半导体的费米能级高，所以电子将从前者向后者流动。结 果在禁带宽度小的n 型半导体一边形成了电子的积累层，而另一边形成了耗尽层。这种情况和反 型异质结不同。对于反型异质结，两种半导体材料的交界面两边都成为耗尽层；而在同型异质结 中，一般必有一边成为积累层。式（9-4）、式（ 9-5）和式（ 9-6）在这种异质结中同样适用。 图9 5 为pp 异质结在热平衡状态时的平衡能带图，其情况与nn 异质结类似。
半导体物理与器件-课件-教学PPT-作者-裴素华-第1章-半导体材料的基本性质
简化为
J = pqv p
1.6.4 半导体的电阻率ρ
电阻率是半导体材料的一个重要参数，其值为电导率
的倒数。 1
1
ρ= =
σ nqμn + pqμ p
对于强P型和强N型半导体业有相应的简化。
从上面的公式可以看出，半导体电阻率的大小决定于 n, p, μn ,μp的具体数值，而这些参数又与温度有关， 所以电阻率灵敏的依赖于温度，这是半导体的重要 特点之一。
b) P型硅中电子和空穴 的迁移率
载流子的迁移率还要随温度而变化。
硅中载流子迁移率随温度变化的曲线 a) μn b) μp
1.6.3 半导体样品中的漂移电流密度
设一个晶体样品如图所示， 以单位面积为底，以平 均漂移速度v为长度的矩 形体积。先求出电子电 流密度，设电场E为x方 向，在电场的作用下， 电子应沿着-x方向运动。
不论半导体中的杂质激发还是本征激发，都是依靠吸收 晶格热振动能量而发生的。由于晶格的热振动能量是随 温度变化的，因而载流子的激发也要随温度而变化。
载流子激发随温度的变化 a）温度很低 b）室温临近 c）温度较高 d）温度很高
伴随着温度的升高，半导体的费米能级也相应地发 生变化
杂质半导体费米能级随温度的变化 a）N型半导体 b）P型半导体
a)随机热运动 b) 随机热运动和外加电场作用下的运动合成
随机热运动的结果是没有电荷迁移，不能形成电流。
引入两个概念：
1. 大量载流子碰撞间存在一个路程的平均值，称为平 均自由程，用λ表示，其典型值为10-5cm；
2. 两次碰撞间的平均时间称为平均自由时间，用τ表示, 约为1ps；
建立了上述随机热运动的图像后，就可以比较实际地去 分析载流子在外加电场作用下的运动了。
半导体物理异质结解析PPT课件
第13页/共30页
界面量子阱中二维电子气的势阱和状态密度
第14页/共30页
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：
第15页/共30页
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
第2页/共30页
pn结的能带图
qVD E Fn EFp
第3页/共30页
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
第16页/共30页
双异质结间的单量子阱结构
第17页/共30页
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：
第18页/共30页
界面量子阱中二维电子气的势阱和状态密度
第14页/共30页
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
第3页/共30页
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
第16页/共30页
双异质结间的单量子阱结构
第17页/共30页
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
Diffusion currents components
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
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
(第一章)半导体物理ppt课件
下这些部分占满的能带中的电子将参与导电。由于绝缘
体的禁带宽度很大，电子从价带激发到导带需要很大能
量，所以通常温度下绝缘体中激发到导带去的电子很少，
导电性差；半导体禁带比较小（数量级为1eV），在通常
温度下有不少电子可以激发到导带中去，所以导电能力
比绝缘体要好。
最新课件
27
§1.3 半导体中电子（在外力下）的运动 及有效质量
§1.1半导体中的电子状态和能带
§1.1.2电子在周期场中的运动——能带论
⒉波函数
德布罗意假设:一切微观粒子都具有波粒二象性。 自由粒子的波长、频率、动量、能量有如下关系
Eh P h k
即：具有确定的动量和确定能量的自由粒子，相当 于频率为ν和波长为λ的平面波，二者之间的关系 如同光子与光波的关系一样。
书中(1-13)
最新课件
16
§1.1半导体中的电子状态和能带
§1.1.2电子在周期场中的运动——能带论
布洛赫曾经证明，满足式(1-13)的波函数一定具有 如下形式：
k(x)uk(x)eikx 书中(1-14)
式中k为波数，u k ( x是) 一个与晶格同周期的周期性函 数，即：
uk(x)uk(xna)
1.3.1半导体导带中E(k)与k 的关系
定性关系如图所示 定量关系必须找出E(k)函数带底附近E（k）与k的关 系
用泰勒级数展开可以近似求出极值附近的E(k)与k 的关系，以一维情况为例，设能带底位于k＝0，将 E(k)在E ( kk ＝) 0E 附(0 近) 按(d 泰d勒)E k k 级0k 数 展1 2(开d d 2 ，E 2k )取k 0 至k2 k项2 ，得到
K=0时能量极小，所以(ddEk)k0k ，0因而
尼曼半导体物理与器件第一章课件
广义原胞
尼曼半导体物理与器件第一章
12
1.3.2 基本的晶体结构
立方晶系基本的晶体结构：
常见的三个基本的立方结构 （1）简单立方结构（sc） （2）体心立方结构（bcc） （3）面心立方结构（fcc）
尼曼半导体物理与器件第一章
13
➢简立方结构 Simple Cubic
每个顶角有一个原子
z
➢ 体心立方结构 Body Centered Cubic
• 原胞：可以复制得到整个晶格的最小单元。
单晶晶格二维表示
•晶格、原胞的选取都不是唯一的。
尼曼半导体物理与器件第一章
11
•晶胞和晶格的关系用矢量 a 、b 、c 表示，三个矢 量可不必互相垂直，长度可以不相等，基矢长度称 为晶格常数 。
•每个等效格点可用下述矢量表示
rpaqbsc
•其中，p、q、s为整数。
1. 离子晶体：离子键，例如NaCl晶体等； 2. 共价晶体：共价键，例如Si、Ge以及GaAs晶体等； 3. 金属晶体：金属键，例如Li、Na、K、Be、Mg以及Fe、 Cu、Au、Ag等； 4. 分子晶体：范德华键，例如惰性元素氖、氩、氪、氙等 在低温下则形成分子晶体，HF分子之间在低温下也通过范 德华键形成分子晶体。
• 第六章 半导体中的非平衡过剩载流子
半 • 第七章 pn结
导 • 第八章 pn结二极管
体 器
• 第九章 金属半导体和半导体异质结
件 • 第十章 金属-氧化物-半导体场效应晶体管基础
基 • 第十一章 金属-氧化物-半导体场效应晶体管：概念深入
础 • 第十二章 双极晶体管
• 第十三章 结型场效应晶体管 • 第十四章 光器件
1.11（a）-（c） 1.16 1.24（Si晶格常数5.43Å）
《半导体器件物理》课件
《半导体器件物理》PPT课件
目录 Contents
• 半导体器件物理概述 • 半导体材料的基本性质 • 半导体器件的基本结构与工作原理 • 半导体器件的特性分析 • 半导体器件的制造工艺 • 半导体器件的发展趋势与展望
01
半导体器件物理概述
半导体器件物理的定义
半导体器件物理是研究半导体材料和器件中电子和空穴的行为，以及它们与外部因 素相互作用的一门学科。
可以分为隧道器件、热电子器件、异质结器 件等。
半导体器件的应用
01
通信领域
用于制造手机、卫星通信、光纤通 信等设备中的关键元件。
能源领域
用于制造太阳能电池、风力发电系 统中的传感器和控制器等。
03
02
计算机领域
用于制造计算机处理器、存储器、 集成电路等。
医疗领域
用于制造医疗设备中的检测器和治 疗仪器等。
04
02
半导体材料的基本性质
半导体材料的能带结构
总结词
能带结构是描述固体中电子状态的模 型，它决定了半导体的导电性能。
详细描述
半导体的能带结构由价带和导带组成 ，它们之间存在一个禁带。当电子从 价带跃迁到导带时，需要吸收或释放 能量，这决定了半导体的光电性能。
载流子的输运过程
总结词
载流子输运过程描述了电子和空穴在 半导体中的运动和相互作用。
•·
场效应晶体管分为N沟道 和P沟道两种类型，其结 构包括源极、漏极和栅极 。
场效应晶体管在放大、开 关、模拟电路等中应用广 泛，具有功耗低、稳定性 高等优点。
当栅极电压变化时，导电 沟道的开闭状态会相应改 变，从而控制漏极电流的 大小。
04
半导体器件的特性分析
半导体器件的I-V特性
目录 Contents
• 半导体器件物理概述 • 半导体材料的基本性质 • 半导体器件的基本结构与工作原理 • 半导体器件的特性分析 • 半导体器件的制造工艺 • 半导体器件的发展趋势与展望
01
半导体器件物理概述
半导体器件物理的定义
半导体器件物理是研究半导体材料和器件中电子和空穴的行为，以及它们与外部因 素相互作用的一门学科。
可以分为隧道器件、热电子器件、异质结器 件等。
半导体器件的应用
01
通信领域
用于制造手机、卫星通信、光纤通 信等设备中的关键元件。
能源领域
用于制造太阳能电池、风力发电系 统中的传感器和控制器等。
03
02
计算机领域
用于制造计算机处理器、存储器、 集成电路等。
医疗领域
用于制造医疗设备中的检测器和治 疗仪器等。
04
02
半导体材料的基本性质
半导体材料的能带结构
总结词
能带结构是描述固体中电子状态的模 型，它决定了半导体的导电性能。
详细描述
半导体的能带结构由价带和导带组成 ，它们之间存在一个禁带。当电子从 价带跃迁到导带时，需要吸收或释放 能量，这决定了半导体的光电性能。
载流子的输运过程
总结词
载流子输运过程描述了电子和空穴在 半导体中的运动和相互作用。
•·
场效应晶体管分为N沟道 和P沟道两种类型，其结 构包括源极、漏极和栅极 。
场效应晶体管在放大、开 关、模拟电路等中应用广 泛，具有功耗低、稳定性 高等优点。
当栅极电压变化时，导电 沟道的开闭状态会相应改 变，从而控制漏极电流的 大小。
04
半导体器件的特性分析
半导体器件的I-V特性
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
半导体物理1
-26- 2019/12/14
S信HA息R学ED院C电O子M系M微IT电ME子N专T.业S必HA修R课ED程RESOURCES. ONE SOLUTION.
用晶向指数表示；如[110]。 晶面：通过格点作的平面。一组平行的晶面是等效的，
其中任意两晶面上的格点排列是相同的，且面间距相等。 晶面用晶面指数（密勒指数）表示，如（111）， （100）……
-2- 2019/12/14
S信HA息R学ED院C电O子M系M微IT电ME子N专T.业S必HA修R课ED程RESOURCES. ONE SOLUTION.
例如：两个原子 相距很远时，如同孤立原子，
每个能级都有两个态与之相应， 是二度简并的 能级如图1-6(a)所示
-24- 2019/12/14
S信HA息R学ED院C电O子M系M微IT电ME子N专T.业S必HA修R课ED程RESOURCES. ONE SOLUTION.
§1.2半导体中的电子状态和能带
-25- 2019/12/14
S信HA息R学ED院C电O子M系M微IT电ME子N专T.业S必HA修R课ED程RESOURCES. ONE SOLUTION.
§1.2半导体中的电子状态和能带
§1.2.3半导体硅、锗晶体的能带
1、硅，锗原子的电子结构
金刚石和半导体硅、锗， 它们的原子都有四个价电子， 二个s电子，二个p电子，
号表示，每一壳层对应于确定的能量。
当原子相互接近形成晶体时，不同原子的内外各电子 壳层之间就有了一定程度的交叠，相邻原子最外壳层 交叠最多，内壳层交叠较少。
-22- 2019/12/14
S信HA息R学ED院C电O子M系M微IT电ME子N专T.业S必HA修R课ED程RESOURCES. ONE SOLUTION.
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用晶向指数表示；如[110]。 晶面：通过格点作的平面。一组平行的晶面是等效的，
其中任意两晶面上的格点排列是相同的，且面间距相等。 晶面用晶面指数（密勒指数）表示，如（111）， （100）……
-2- 2019/12/14
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例如：两个原子 相距很远时，如同孤立原子，
每个能级都有两个态与之相应， 是二度简并的 能级如图1-6(a)所示
-24- 2019/12/14
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§1.2半导体中的电子状态和能带
-25- 2019/12/14
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§1.2半导体中的电子状态和能带
§1.2.3半导体硅、锗晶体的能带
1、硅，锗原子的电子结构
金刚石和半导体硅、锗， 它们的原子都有四个价电子， 二个s电子，二个p电子，
号表示，每一壳层对应于确定的能量。
当原子相互接近形成晶体时，不同原子的内外各电子 壳层之间就有了一定程度的交叠，相邻原子最外壳层 交叠最多，内壳层交叠较少。
-22- 2019/12/14
S信HA息R学ED院C电O子M系M微IT电ME子N专T.业S必HA修R课ED程RESOURCES. ONE SOLUTION.
课件12-1+第11章+异质结构+
Fig. 11.30. (b) Schematic sample structure with two GaAs/AlxGa1−xAs quantum wells with thicknesses 3nm and 6 nm. (c) photoluminescence spectrum (T = 300 K) of the structure from part (b). A small amount of barrier luminescence appears at 1.88 eV, according to x = 0.37 (cf. Fig. 6.13c)
• 在实际半导体超晶格中，空穴色散很复杂，详见图11.20。
• 实验中在量子阱中观测到的跃迁能，对阱宽的依赖性，可见图11.21。 与理论计算符合一致。
23
24
25
3. 异质结构中的能级
• 对于无限深势阱，光学跃迁仅限于在具有相同的量子数n的、囚禁的 电子和空穴态之间发生。 • 对于有限深势阱，选择定则要宽松一些，其它的要求，例如e1->hh3， 也可以允许。 • 原因是：在块体半导体中各向同性的矩阵元，在量子阱中变得各向异 性了！ • 在子带边（平面内波矢为零），各种极化和传播方向的矩阵元是不同 的，详见下表11.2。其中，方向的定义见图11.22a。 • 量子阱中的光学选择定则，见图11.22。与块体情况（图9.8）不同.
7
8
9
2. 异质外延生长
• 赝同构： – 原则上，可以把任意一种半导体长在另一种半导体上；但是，由 于晶格失配等原因，生长质量大多不会好。 – 即使可以生长出合适的表面，其厚度也必须小于临界厚度。 – 但有，有一些半导体组合，由于晶格失配很小，可以生长出任意 厚度的薄膜材料。
半导体器件物理_1孟庆巨PPT课件
1946年2月14日
Moore School， Univ. of Pennsylvania
18,000个电子 管组成
大小：长24m，宽6m，高2.5m 速度：5000次/sec；重量：30吨； 功率：140KW；平均无故障运行时间：7min
– 1946年第一台计算机：ENIAC – 这样的计算机能够进入办公室、车间、连
.
.
.
产业格局与产业结构
• 集成电路的生命力在于它可以大批量、低成本和高 可靠地生产出来。 – 集成电路芯片价格：101～102美元 – 生产线的投资： 109美元（8”、0.25微米） – 要想赢利：年产量～108 块
• 集成电路芯片是整机高附加值的倍增器，但不是最 终产品，如果不能在整机和系统中应用，那它就没 有价值和高附加值。
.
晶体管的发明
第一只晶体管什么时候发明的?
A. 1945 B. 1947 C. 1951 D. 1958
哪家公司发明的？
A. IBM B. Bell Lab C. TI D. Motorola
.
晶体管的发明
• 1946年1月，Bell实验室正式成立半导体研 究小组, W. Schokley，J. Bardeen、W. H.Brattain。
闸流管模型
thyristor
1958年 Esaki 隧道二极管 1973年诺 贝尔奖
1960
1957年Kroemer 异质结双极晶体管
HBT 2000年诺贝尔奖
1960年 Kahng,Atalla
增强型MOSFET
1962年 Hall, Nathan,Quist 半导体激光器
1967年
Kahng, Sze 非挥发存储 器
• 半导体：Semiconductor 内涵及外延均与微电子类似，是早期的叫法。
Moore School， Univ. of Pennsylvania
18,000个电子 管组成
大小：长24m，宽6m，高2.5m 速度：5000次/sec；重量：30吨； 功率：140KW；平均无故障运行时间：7min
– 1946年第一台计算机：ENIAC – 这样的计算机能够进入办公室、车间、连
.
.
.
产业格局与产业结构
• 集成电路的生命力在于它可以大批量、低成本和高 可靠地生产出来。 – 集成电路芯片价格：101～102美元 – 生产线的投资： 109美元（8”、0.25微米） – 要想赢利：年产量～108 块
• 集成电路芯片是整机高附加值的倍增器，但不是最 终产品，如果不能在整机和系统中应用，那它就没 有价值和高附加值。
.
晶体管的发明
第一只晶体管什么时候发明的?
A. 1945 B. 1947 C. 1951 D. 1958
哪家公司发明的？
A. IBM B. Bell Lab C. TI D. Motorola
.
晶体管的发明
• 1946年1月，Bell实验室正式成立半导体研 究小组, W. Schokley，J. Bardeen、W. H.Brattain。
闸流管模型
thyristor
1958年 Esaki 隧道二极管 1973年诺 贝尔奖
1960
1957年Kroemer 异质结双极晶体管
HBT 2000年诺贝尔奖
1960年 Kahng,Atalla
增强型MOSFET
1962年 Hall, Nathan,Quist 半导体激光器
1967年
Kahng, Sze 非挥发存储 器
• 半导体：Semiconductor 内涵及外延均与微电子类似，是早期的叫法。
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此类异质结为缓变结 .
上述概念都是针对界面而言的 .我们通常把含
有异质结的二层以上的结构称之为异质结构 .异质 结构理论是研究异质结如何构成 、能带如何变化 、电
场 、光场如何分布等的一门物理学分支 .
2.2 异质结材料
两种半导体材料组成异质结时 , 由于它们的晶 格常数 a1 和 a2 的差别 , 在异质结界面处会出现悬 键 , 悬键的存在会引起界面态 .为了减少界面态 , 要
禁带宽度不同的两种单晶材料一起构成的晶体
界面 称 为 异 质 结 , 例 如 G aAs/A l xG a1-x A s , InP/ InxG a1 -xA s1-yP y 异质结 .若异质结两边材 料的导 电类型相同 , 则称为同型异质结 , 如 n -GaAs/ N A l xG a1-xA s , p -GaA s/ P -A l xGa1-x A s .若两种 材 料的导电类型不同 , 则为异型异质结 , 如 n -GaAs/ P -Al xG a1 -xA s , p -G aAs/N -A lxG a1 -x As .在 这些 表达中 , 我们通常以小写的 n , p 表示窄带隙材料 , 以 大写的 N , P 表示宽带隙材料 .
2 异质结构
2.1 异质结构概念 在本系列讲座中 , 如果没有特别指出 , 我们提及
物理
的材料均为单晶材料 , 非晶 、多晶的半导体材料将不 在讨论之列 .由禁带宽度相同 、导电类型不同或虽导
电类型相同但掺杂浓度不同的单晶材料组成的晶体
界面称为同质结 , 例如 n 型 GaAs 同 p 型 GaAs 的界 面为 n -GaAs/ p -GaAs 同质结 .
Δa a
半导体量子器件是建立在两大技术进展的基础 上的 :一是纳米量级的超薄层外延生长 , 另一是纳米 量级的超微细加工 , 包括纳米量级的电子束曝光 、干 法刻蚀以及原子级的显微观测等等 .图 1 示出了半
＊ 国 家 自 然 科 学 基 金 (批 准 号 :69896260 - 06 , 69990540 , 69746001 , 69787004)资助项目 , 国家“ 八六 三” 高技 术计划(批 准号 :863 -307 -06 -05)资助项目 2000 -01 -19 收到初稿 , 2000 -08 -11 修回
· 170 ·
学 、光学 、光电子学功能 . 从材料的角度看 , 60 和 70 年代 , 人们利用 Si 只
能制作电学器件 .随着加工精度由 0.1μm ※10nm ※ 1nm 的推进 , Si 集成电路依次出现了 VLST(甚大规 模集成电路)※U LSI(超大规模集成电路)※XLSL (极大规 模集成电路).在这一发展过程中 , Si 基器 件已不再只限于电子器件了 , 1990 年前后 , 多孔硅 发光的 出现把 Si 基 材料 与器 件推 向了 光 电子 领 域[ 5] , Si 基发 光二极管 、探测器 、光 波导回器 、光波 导开关 、复用/ 解复用器等 研制成功 , 因此 , Si 和化 合物半导体发生了交叉 .
在异质结界面附近 , 如果两种材料的组分 、掺杂
浓度都发生突变 , 其厚度仅为若干原子间距 , 有明显
的空间电荷边界 , 则这类异质结为突变结 .相反 , 如
果异质结附近的组分 、掺杂发生渐变 , 有一组分或掺
杂浓度的过渡层 , 其厚度为几倍电子的扩散长度或 空穴的扩散长度 , 其空间电荷也逐渐向体内变化 , 则
求两种材料的晶格常数尽量地接近 , 以便能够晶格
匹配 .晶格失配度为两种材料的晶格常数之差同它
们的平均晶格常数之比 :
晶格失配
=
Δa a
=
2
|a 1 -a2 a1 +a 2
|.
(1)
为了减少界面态 , 降低在这些缺陷的陷阱或非 辐射复合中心的不利作用 , 实验和理论分析都表明 ,
晶格失配应当满足
· 169 ·
导体量子器件的发展趋势 .可以看出 , 量子器件的发 展是随着外延生长和微细加工的精度的进展而逐渐 推进的 .1960 年前后 , 最早由 H .K roemer[ 1] 和 Zh .I . Alferou 等提出异质结构的概念 , 直到 20 世纪 60 年 代后 期 才 采 用 液 相 外 延 的 方 法 生 长 出 GaAs/ AlGaAs异质结 , 1969 年制成了第一支室温下连续工 作的双异质结(DH)激光器[ 2] .70 年代 , 人们可以外 延或 刻 蚀 的 精 度 为 0.1μm 量 级 异 质 结 构 , 至 1980 年前后 , 已经研制出多种电子 、光电子器件 , 诸 如分 布 反 馈 (DF B)激 光 器 、异 质 结 双 极 晶 体 管 (HBT )等等 .
HETEROSTRUCTURES AND QUANTUM STRUCTURES
Байду номын сангаас
YU Jin-Zhong WANG Xing-Hua
(Institute of S emiconductor s , Chinese Academy of S ciences , Beijing 100083 , China)
AlGaAs, InGaAsP , InGaAlP , InGaAsN 等 多 种 Ⅲ -Ⅴ族以及 T iSnHg 等 Ⅱ -Ⅵ 族化学物半导体 , 既是很好的电子器件材料 , 更是光电子器件的主角 . 它们的异质结双极晶体管(HBT)、激 光器 、探 测器 等可以说是五光十色了 , 其精度越来越高 , 其组分越 来越精细 , 其性能越来越好 .不但它们自身可制成各 种光电器件 , 而且在 Si 衬底上可外延生长 AlGaAs , GaP , SiGe , SiGeC , Z nS 等各 种异质材料 , 于是取 长 补短 、相辅相成 , 出现了 Ⅵ 族 、Ⅲ -Ⅴ族 、Ⅱ -Ⅵ 族相 互渗透的新局面 .如果它们的工艺进一步完善 , 必将 出现性能更好的第四代光电集成电路 .
进入 90 年代之后 , 外延生长已可达 1nm 量级 , 人们甚至实现了单原子层外延(ALE), 生长的结构 可以更精细更复杂了 .至于超微细加工 , 电子束曝光 的精度可达到 0.01nm 以下 , 日本 NEC 公司近期报 道的电子束 步长精度已 高达 0.0012nm[ 3] , 真是 超 过了 10 多年前人们的想象 .随着工艺技术的这种进 步 , 量子霍尔器件 、单电子器件 、多波长阵列激光器 等一一研制成功 .例如 在同一芯片上 , 同时制 作出 40 支波长 不同的单模分 布反馈激光器 , 波长覆 盖 1.527 至 1.593μm[ 4] , 相 临 器 件 的波 长 间 隔 约 为 1.6nm , 可谓十分精确了 .因此可以认为 , 第 三代光 电集成电路已成功问世 , 它们具有更 多 、更好 的电
图 1 半导体量子器件的发展趋势
伴随着这些器件的研制成功 , 第一代光电集成 电路出现了 , 例如在同一芯片上将光电探测器(P D) 同场效应晶体管(F ET)集成在一起 .80 年代末 , 外 延和微细加工的精度又提高了一个数量级, 达 10nm , 因此量子阱(QW)激光器等新型量子器件登 场了 , 其工作电流仅为毫安 、甚至亚毫安量级 , 这同 一支小小的晶体管的工作电流相差无几了 .于是 , 第 二代光电集成电路(OEIC)应运而生 , 它集成了多波 长激光器 、光波导回路 、探测器 、场效应晶体管 、光放 大器等等 , 具有更多的光电功能 .
Abstract With the advances in ultra-thin film epitaxial growth and micro-fab rication , many semiconductor quantum devices have been developed .Based on quantum theory , the new field of quantum electronics and quantum optoelect ronics h as evolved , devoted to studies of the principle , st ructure and applications of semiconductor quantum devices .The time is now ripe to introduce a series of lectu res on “ The Physics of Semiconductor Quantum Devices” .As the first lecture , semiconductor heterost ructures and quantum structures , including their energy band st ructures and state density p rofiles , will be presented . Key words quantum devices , heterostructu res , quantum structu res
讲 座
半导体量子器件物理讲座 第一讲 异质结构和量子结构 ＊
余金中 王杏华
(中国科学院半导体研究所 北京 100083)
摘 要 随着半导体材料超薄层外延生长和 微细加 工技术 的进展 , 人们 已研制 成功多 种多样的 半导体 量子器 件 . 以量 子理论为基础 , 以半导体量子器件为研究对象 , 形成了一门 新的学科 ——— 半 导体量子电 子学和量 子光电子学 .文 章着重介绍半导体异质结构和量子结构 , 包括其 能带结构 、态密度分布等性质 . 关键词 量子器件 , 异质结构 , 量子结构
我们撰写的“半导体量子器件物理” 系列讲座 , 由基础知识 、量子结构的电子器件和量子结构的光 电子器件三部分组成 .第一部分即本讲 , 介绍量子器 件的由来 、异质结构和量子结构 ;第二部分着重介绍 异质结晶体管等电子器件 , 说明量子结构带来的高 增益 、高频率等特性 ;第三部分着重介绍半导体激光 器等光电器件的进展 , 包括分布反馈激光器 、量子阱 激光器等器件的结构与特性 , 并对光电子学发展趋 势作些说明 .