半导体光电子学第二章第四章

eVD=φ1-φ2=F1-F2=e（VDp+VDN）
由泊松方程
( x) V x, t r 0
2
E ( x) dV / dx
VDp eN A1 x p / 2 1
2
VDN eN D2 x N / 2 2
2
V Dp / V DN
2 N A1 x p 1 N D2 x N
eff
内量子效率与晶格失配率成反比。
2s r 1 i (1 ) d
实际半导体光电子器件的异质结都是在某一衬底材 料上外延生长所形成的，外延层的质量取决于衬底 材料本身结晶的完美性，外延层与衬底之间的晶格 匹配、外延层的厚度以及合适的生长工艺等多种因 素。（弗伽定律）
a ABCD xyaBD x(1 y)a BC y(1 x)a AD (1 x)(1 y)a AC
p n
突变结：在交界面处，杂质浓度由NA（p型）突变为
ND（n型），具有这种杂质分布的p-n 结称为突变结。
缓变结：杂质浓度从p区到n区是逐渐变化的，通常称为缓变结
。
空间电荷区－耗尽层
空间电荷 空间电荷区 内建电场 电势差VD
N
XN XP
P
2.1 异质结及其能带图
异质结：两种禁带宽度不同的半导体材料，通
a 晶格失配率 ( a )100% 0
双异质结激光器中若两个异质结之间的距离为d， 当体内复合与界面态复合并存时，则注入载流子的有 效复合寿命可表示为
1
eff
内量子效率
2s r r 1 i (1 ) d nr
2s 1 r d nr
1
1
r
1
nr r
真空能级
能带分析
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。
x
EC F
φ
Eg EV
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
。
N
作能带图的步骤
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 ②两种材料形成异质结后应处于同一平衡系统中，因而 各自的费米能级应相同，而各自的φ、χ 仍维持原值不 变；③画出空间电荷区（由内建电势可求空间电荷区宽 度），φ值在空间电荷区以外保持各自的值不变；④真 空能级连续与带边平行（弯曲总量为两边费米能级之差， 每侧弯曲程度由费米能级与本征费米能级之差决定，由 掺杂浓度决定）；⑤而各自的χ、Eg不变。原来两种材 料导带、价带位置之间的关系在交界处不变。
第二章 异 质 结

前言：半导体同质结


2.1异质结及其能带图
2.2异质结在半导体光电子学器件中的作用


2.3异质结中的晶格匹配
2.4 对注入激光器异质结材料的要求
2.5 异质结对载流子的限制
小结
前言：半导体同质结
p-n结：把一块p型半导体和一块n型半导体结合在
一起，在二者的交界面处就形成了所谓的p-n结。 同质结：由两种禁带宽度相同的半导体材料构成 的结。
n p 0 Dn p n 0 D p j q L Lp n qV kT e 1
真空能级 x2
EC F2
φ
2
EC
x3
Eg2 EV F3 EV
φ
3
Eg3
n
P
n
真空能级
x2 F Eg2 φ
2
x3 φ
3
Eg3
P
二、突变同型异质结
真空能级
EC F1
上面讲的是平衡结（无外界作用）的情况，当在结 两边加上正向电压 Va 后，它在结两边空间电荷区上 的压降分别为 V1 和 V2 ，这时的势垒高度就由原来的 eVD降低到e（VD-Va）=e[（VDp-V1）+（VDN-V2）]，只 要用（ VD-Va ）、（ VDp-V1 ）、（ VDN-V2 ）分别代替 VD 、 VDp、VDN，上面讲的公式仍然成立。
x1
φ
1
x2 EC F2 Eg1
φ
2
Eg2 EV
EV
N
n
N
真空能级
EC F x1 φ x2
1
n
φ
2
Eg1 EV
Eg2
J B exp(eVD1 / k BT )[exp( eV1 / k BT ) exp(eV2 / k BT )]
2.2 异质结在半导体光电子学器件中的作用
一、在半导体激光器中的作用
真空能级
x1 φ EC1
1
x2 φ Δ EC Eg1
2
EC2 F2 Eg2
F1 EV1
Δ EV
EV2
p
N
x1 φ EC1
1
N
Δ EC VDP Eg1
VD
真空能级
x2 φ
2
VDN δ2
EC2 F2
F1 δ EV1 1
VDP
p
Δ EV VDN -Xp 0 XN
Eg2 EV2
δ 1=Ev1-F1，δ 2=Ec2-F2 Δ Ec=χ 1-χ 2=Δ χ （2.1-1） Δ Ev=Ev2-Ev1 =（Eg2+χ 2）-（Eg1+χ 1）=Δ Eg-Δ χ = Δ E g- Δ E c ΔEg=ΔEc+ΔEv
Si Si Si Si
Si Si Si Si
Si Si Si Si
源自文库Si Si Si Si
复合中心：能够促进复合过程的杂质和缺陷。
晶格常数：晶体学晶胞各个边的实际长度 失配位错：两种材料晶格常数不相等，界 面处形成位错。
异质结界面上由悬挂键引起的界面态密度与半导体 结构和晶面有关，不同晶面上界面态密度不同，在具 有面心立方结构的金刚石和闪锌矿晶体中（ 100 ） （110）（111）晶面上生长的异质结中所包含悬挂键 或界面态密度分别为
1 2 N A1VD 2 1/ 2 xN [ ] e N D 2 ( 1 N A1 2 N D 2 )
1 2 N A1 N D 2 dQ d e Cj (eN A1 x p ) [ ]1 / 2 dV dVD 2 VD ( 1 N A1 2 N D 2 )
异质结的电流-电压特性
A1 exp[ (Ec eVDp ) kBT eVDN ] A2 exp[ ] kBT
J A2 exp[e(VDN V2 ) / k B T ] A1 exp[
(Ec (eVDp V1 )) k BT
]
J A2 exp(eVDN / kBT )[exp(eV2 / kBT ) exp(eV1 / kBT )]
N s (100) 4(
1 a2
2

1 a1
2
2
)
N s (110) 2 2 (
1
a2 a1 4 1 1 N s (111 ) ( 2 2) 3 a2 a1

1
2
)
由于界面态的存在会对从宽带隙向窄带隙半导体 的载流子注入与复合产生影响，使非辐射复合速率增 加，从而使内量子效率降低。
透 射 系 数 和 吸 收 系 数
光子能量
透 射 系 数 和 吸 收 系 数
光子能量
作业: 教材73页第2、3题 另：1、根据泊松方程推导教材中的（2.1-5）， （2.1-6）， （2.1-7）， 根据结电容的定义推导 （2.1-9）式。 2、什么是异质结？异质结在半导体激光器中有哪些典型作用？ 3、异质结在发光二极管（LED）中有什么作用？
2 2
N A1 x p N D 2 x N
xp N D2 N A1 xN
VDp / VDN
2 N D2 1 N A1
VD VDp VDN
1 N A1 VDp (1 ) 2 N D2
1 2 N D 2VD 2 1/ 2 xp [ ] e N A1 ( 1 N A1 2 N D 2 )
过一定的生长方法所形成的结。 半导体中是两种不同单晶半导体材料之间的晶体 界面，也可以说是由两种基本物理参数不同的半 导体单晶材料构成的晶体界面，不同的物理参数 包括Eg，功函数（φ），电子亲和势（χ），介电 常数（ε）。
同质结：由两种禁带宽度相同的半导体材料构成的
结。 由同种材料构成的结。（广义）
4、在光电二极管探测器中，是如何利用异质结的窗口效应来提高其光 谱响应范围的？
5、异性异质结的性质是由 而同性异质结的性质则是由 决定的， 决定的。
第三节 异质结中的晶格匹配
形成理想的异质结，要求两种半导体材料在晶体 结构上应尽量相近或相同，晶格常数应尽量相同，以 前的异质结都是由晶体结构相同的半导体材料构成的 （如GaAlAs/GaAs、InGaAsP/InP都是具有闪锌矿结 构），近年来由于光电子集成（OEIC-Optoelectronic Integrated Circuit）技术的迫切需要，并考虑到硅是一 种常用来制造微电子学器件且制造与加工工艺均成熟 的材料，因此在价格便宜的硅基体上MBE和MOCVD 技术生长GaAs而构成异质结的技术正不断发展。
n2 n1 n3
n
光强
4.在实际激光器的结构中，需要生长一层与前一层 掺杂类型相同但杂质浓度很高（1020/cm3）的盖帽 层（或顶层），这种同型异质结可用来减少与相继 的金属电极层之间的接触电阻，实现良好的欧姆接 触。
二、异质结在发光二极管（LED）中的作用
光信息领域中使用的LED和半导体激光器一样，也 是采用多层异质结构，其作用同样是载流子限制、 光子限制，减少内部损耗。在表面发射LED中，还 可以在靠近有源区的表面生长一个能透明的同型异 质结，它一方面用来钝化表面，减少注入有源区的 载流子与表面态复合而造成损失，提高器件稳定性， 另一方面还可以减少器件与空气界面的反射损失， 从而增加输出。
三、异质结在光电二极管探测器中的应用 作为光探测器，希望它有宽的光谱响应范围和高的光 电转换效率。在包含有异质结的光电二极管中，宽带 隙半导体成为窄带隙半导体的输入窗，利用这种窗口 效应，可以使光电二极管的光谱响应范围加宽。如图 2.2-1(a)，异质结由宽带隙Eg1和窄带隙Eg2两种半导体 组成，Eg1＞Eg2，只要入射光子能量hν＜Eg1，则光 能透过1，透射谱线如图中虚线所示。透过半导体1的 光子，如果能量满足hν＞Eg2，则它被半导体2吸收， 吸收谱线如图中实线。显然，图中阴影部分表示这种 结构的光探测器能有效工作的范围，入射光子应满足 Eg1＞hν＞Eg2。如图(b)中表示同质结的情况，可见这 种结构半导体有效吸收的光子非常有限。
a. 越过势垒的空 穴在n区内复合， b.越过势垒的空 穴与界面态复合， c. 隧穿势垒的空 穴在n区内复合， d. 隧穿势垒的空 穴与界面态复合。
界面复合速度：
s n vth N IS dE
8vth n a S ( ) 2 a0 a0
a1 a 2 a0 2
a a1 a2
由构成异质结的两种半导体材料的掺杂（或 导电）类型，可将异质结分为: 异型异质结：P-n，p-N； 同型异质结：n-N，p-P。 P，N宽带隙材料；p，n窄带隙材料。
突变结、缓变结：按照过度区空间电荷分布情况及 厚度的不同，前者有明显的空间电荷区边界，其厚 度只有几个晶格常数大小，而后者的空间电荷浓度 向体内逐渐变化，其厚度可达几个载流子扩散长度。
一般认为，构成异质结的两种不同半导体之间严格的晶格 常数匹配是获取性能良好的异质结的重要条件，否则在异 质结表面就会产生所谓的悬挂键。
悬挂键：
晶格在表面 的最外层的 每个硅原子 将有一个未 配对的电子 即有一个未 饱和键，如 图，这个键 称为悬挂键， 与之对应的 电子能级就 是表面态。
Si Si Si Si
p N
P
1. pN异型异质结处在正向电压时，异质结势垒高 度降低，N区的电子可以越过势垒和隧穿势垒而注 入窄带隙p区，这种异质结有助于载流子从宽带隙 区向窄带隙区的注入，同时该异质结在价带上的 势垒也阻碍着空穴由p区向N区的注入。 2.同型异质结pP有一个较高的势垒以阻挡注入p区 的电子漏出。 3. 由于窄带隙半导体的折射率比宽带隙高，因此 有源区两边的同型和异型异质结都能产生光波导 效应，从而限制有源区中的光子从该区向宽带隙 限制层逸出而损失掉。n1<n2>n3.
Gax In1 x Asy P 1 y
aGaInAsP xyaGaAs x(1 y)aGaP y(1 x)aInAs (1 x)(1 y)aInP
GaAs、InP和InGaAsP
临界厚度
hc a0 / 2 2a