半导体物理学[第九章异质结]课程复习

第九章异质结

9．1 理论概要与重点分析

(1)由两种不同的半导体材料形成的结，称为异质结。异质结是同质结的引申和发展，而同质结是异质结的特殊情况。异质结分为同型异质结(如n-nGe—GaAs，p—pGe-Si，等)和反型异质结(如p—nGe—GaAs，p—nGe—Si等)。另外，根据结处两种材料原子过渡的陡、缓情况，可分为突变和缓变异质结。

通常形成异质结的两种材料沿界面有相近的结构，因而界面仍保持晶格连续。

(2)研究异质结的特性时，异质结的能带图起着重要作用。在不考虑界面态的情况下，任何异质结能带图都取决于两侧半导体材料的电子亲和能、禁带宽度、功函数(随掺杂类型及浓度而异)三个因素。然而平衡异质结内具有统一费米能级仍然是画能带图的重要依据。

由于禁带宽度和电子亲和能不同，两种半导体的E

c 、E

v

，在交界面处出现不

连续而发生突变，其突变量：

由于晶格失配，必然在界面处存在悬挂键而引入界面态，晶格失配越严重，悬挂

键密度越高，界面态密度越大。

不同晶面相接触形成异质结其悬挂键密度是不同的，经推算，几个主要面形

成异质结后的悬挂键密度△N

s

分别为

如果界面态的密度很大(1013／cm2以上)，表面处的费米能级在表面价带以上禁带宽度的1/3处。对n型半导体，界面态起受主作用，界面态接受体内电子，界面带负电，半导体表面带正电，使能带上弯。对p型半导体，界面态起施主作用，界面态向体内施放电子，界面带正电，半导体表面带负电，使能带下弯。总之高界面态的存在，使异质结的能带图与理想情况相比有较大的变化。

(4)因为异质结在结处能带不连续，存在势垒尖峰和势阱，而且还有不同程度的界面态和缺陷，使异质结的电流传输问题比同质结要复杂得多。不存在一种在多数情况下起主导作用的电流传输机制，根据结的实际情况发展了多种电流传输模型。这些模型是：扩散模型、发射模型、发射复合模型、隧道一复合模型等。分别或联合使用这些模型计算的结果，可使不同异质结的伏安特性有较好的解释。

(5)异质结的调制掺杂和量子阱结构。如果在异质结宽禁带一边重掺杂，窄禁带一边不掺杂，就构成调制掺杂结构。设宽禁带重掺杂一边为n型，其费米能级远高于窄禁带，因而电子从重掺杂一边注入到不掺杂的一边，使电子的输运在不掺杂一边进行。这样使提供载流子的材料与输运载流子的材料在空间上分开，大大减少了载流子输运时受电离杂质的散射作用，使迁移率大为提高，这就是迁移率的增强效应。用此原理可制成异质结高迁移率晶格管。

实际上在调制掺杂结构中，宽禁带重掺杂一边的载流子注入到不掺杂一边的过程中，两边的费米能级逐渐趋于相等，最后达到平衡，在结处形成空问电荷区，其电场使能带发生弯曲，在窄禁带半导体近结处形成电子势阱。窄禁带半导体中获得的高密度电子仅存在于很薄的近似三角形的势阱中。在平行于结面方向，是

一种准二维运动，称它为二维电子气。其电子能量

随着外延极薄层材料技术的发展，可在宽禁带半导体材料上异质外延薄层窄禁带半导体材料，然后再异质外延宽禁带半导体材料，形成双异质结单量子阱结

构。由于导带有导带价△E

c ，价带有价带阶△E

v

存在，形成近似方形的导带、价

带量子阱，在导带势阱中形成平行于结面的二维电子气；在价带中形成平行结面的二维空穴气。它们在势阱中的能量及状态密度与调制掺杂异质结界面量子阱中的情况类似。但由于价带顶有轻、重空穴带之分，且E(k)关系为非抛物线型，所以显得更为复杂。

(6)匹配异质结材料的发展。组成异质结的两种半导体材料的晶格失配较大时，界面处的位错、缺陷太多，不能形成良好的异质结，所以做异质结两种材料的选取非常苛刻。

元素和二元化合物半导体中找出失配小于0．1％的极少。利用三元、四元合金材料来调控其晶格常数，可使两种材料的晶格常数非常接近，可获得更多的匹配异质结。

为开辟更大范围的匹配异质结，在一种材料衬底上，外延另一种不太匹配的材料，只要外延层厚度不超过某一临界值，生长的外延层可发生弹性形变，平行于结面方向的晶格产生张应变或压缩应变，使其晶格常数与衬底相匹配。这种异质结称为应变异质结。异质结无界面失配应变层的生长模式称为赝晶生长。

由于赝晶层的应变使材料的能带结构发生变化，引起电子和空穴在能带中分

布发生变化从而使迁移率发生变化。例如在n+-Si

0.8Ge

0.2

-Si结构的Si应变层中，

室温下测得迁移率为2830cm2／(V·s)比无应变Si的电子迁移率增大近一倍。

(7)半导体超晶格。用交替生长两种半导体材料薄层，组成的一维周期结构，其薄层厚度的周期小于电子的平均自由程(可以是晶格常数的2～20倍)，且整个结构保持晶格的连续性的人工材料，称为半导体超晶格。

超晶格分为成分超晶格和掺杂超晶格两类。前者为不同薄层材料的交替生长，后者是相同材料薄层周期性地改变其掺杂类型。

对成分超晶格，一种薄层的厚度为b，另一种为c，则其周期ι=b+c。由于两种材料的禁带宽度不同，在超晶格方向形成以z为周期的势阱(或势垒)。在超

晶格平面内电子为准二维运动，在超晶格方向上，经理论推导证明，其E

z ～k

z

关系在

如果z方向加电场，子能带中的电子可以从能带底运动到能带顶，有效质量由正变负，其导电特性出现负阻现象。同样利用调制掺杂的办法，电子从高掺杂宽禁带半导体注入不掺杂窄禁带半导体中，达到提高电子迁移率的目的。