半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)發(fā)展概述課件

題目：半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的發(fā)展及其性質(zhì)的討論

半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)發(fā)展概述課件pn結(jié)是在一塊半導(dǎo)體中用摻雜的辦法做成兩個(gè)導(dǎo)電類型不同的部分。一般pn結(jié)的兩邊是用同一種材料做成的，也稱為“同質(zhì)結(jié)”。廣義上說，如果結(jié)兩邊是用不同的材料制成，就稱為“異質(zhì)結(jié)”，但一般所說的指兩種不同半導(dǎo)體材料的接觸構(gòu)成的半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)。根據(jù)結(jié)兩邊的半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電類型，異質(zhì)結(jié)可分為兩類：反型異質(zhì)結(jié)(p-n，n-p)和同型異質(zhì)結(jié)(n-n，p-p)。另外，異質(zhì)結(jié)又可分為突變型異質(zhì)結(jié)和緩變型異質(zhì)結(jié)，當(dāng)前人們研究較多的是突變型異質(zhì)結(jié)。pn結(jié)是在一塊半導(dǎo)體中用摻雜的辦法做成兩個(gè)導(dǎo)電類型不

主要內(nèi)容：異質(zhì)結(jié)器件的發(fā)展過程異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的物理性質(zhì)當(dāng)前的一些研究進(jìn)展

主要內(nèi)容：pn結(jié)是組成集成電路的主要細(xì)胞，50年代pn結(jié)晶體管的發(fā)明及其后的發(fā)展奠定了現(xiàn)代電子技術(shù)和信息革命的基礎(chǔ)。1947年12月，巴丁﹐J.﹑W.H.布喇頓和W.肖克萊發(fā)明點(diǎn)接觸晶體管。1949年肖克萊提出pn結(jié)理論，也稱為理想pn結(jié)的肖克萊方程：j=js(eqv/kt-1)其中j=q(np0Dn/Ln+pnDp/Lp).1957年，克羅默指出有導(dǎo)電類型相反的兩種半導(dǎo)體材料制成異質(zhì)結(jié)，比同質(zhì)結(jié)具有更高的注入效率。1962年，Anderson提出了異質(zhì)結(jié)的理論模型，他理想的假定兩種半導(dǎo)體材料具有相同的晶體結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)和熱膨脹系數(shù)，基本說明了電流輸運(yùn)過程。1968年美國的貝爾實(shí)驗(yàn)室和蘇聯(lián)的約飛研究所都宣布做成了GaAs-AlxGa1-xAs雙異質(zhì)結(jié)激光器。在70年代里，液向外延(LPE)，汽相外延(VPE)，金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MO-CVD)和分子束外延(MBE)等先進(jìn)的材料成長方法相繼出現(xiàn)，使異質(zhì)結(jié)的生長日趨完善。

pn結(jié)是組成集成電路的主要細(xì)胞，50年代pn結(jié)晶體管的發(fā)明及理想異質(zhì)結(jié)的I-V曲線理想異質(zhì)結(jié)的I-V曲線異質(zhì)結(jié)的結(jié)構(gòu)：NP空間電荷區(qū)XM空間電荷區(qū)－耗盡層XNXP空間電荷區(qū)為高阻區(qū)，因?yàn)槿鄙佥d流子異質(zhì)結(jié)的結(jié)構(gòu)：NP空間電荷區(qū)XM空間電荷區(qū)－耗盡層XNXP空異質(zhì)結(jié)的能帶圖：（不考慮界面態(tài)）異質(zhì)結(jié)的能帶圖：（不考慮界面態(tài)）理想突變反型異質(zhì)結(jié)的物理性質(zhì)：1.在零偏壓下，接觸界面上的費(fèi)米能級(jí)要相等，發(fā)生載流子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，界面附近留下一個(gè)空間電荷區(qū)（耗盡區(qū)或者勢壘區(qū)）。在熱平衡下，即載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)達(dá)到平衡時(shí)，產(chǎn)生了一個(gè)內(nèi)建電場，電勢差滿足：qVD=EF2-EF1;，勢場分布為VD1/VD2=ε1NA/ε2ND，勢壘電容CT=dQ/dT=A[]0.52.平衡時(shí)能帶的兩個(gè)特點(diǎn)：(1)能帶發(fā)生了彎曲，出現(xiàn)了尖峰和凹口(2)能呆在交界面上不連續(xù)，導(dǎo)帶底上的突變?chǔ)C=Χ1-Χ2,價(jià)帶頂?shù)耐蛔儲(chǔ)V=(Eg2-Eg1)-(Χ1-Χ2)理想突變反型異質(zhì)結(jié)的物理性質(zhì)：1.在零偏壓下，接觸界面上的費(fèi)考慮界面態(tài)時(shí)異質(zhì)結(jié)的能帶圖：1.異質(zhì)結(jié)的界面態(tài)主要來自組成成異質(zhì)結(jié)的晶格失配，定義晶格失配為2(a2-a1)/(a1+a2)。晶格失配會(huì)在交界面上產(chǎn)生懸掛建，引入界面態(tài)。界面態(tài)密度DIT會(huì)直接影響異質(zhì)結(jié)的各個(gè)物理性質(zhì)。另外，兩種材料的熱膨脹系數(shù)不同和化合物半導(dǎo)體中的成分元素的互擴(kuò)散都會(huì)引入界面態(tài)。當(dāng)兩種材料的晶格常數(shù)極為接近時(shí)，晶格匹配較好，可以不考界面態(tài)的影響；實(shí)際上都要考慮這個(gè)影響。有時(shí)候可加入少量雜質(zhì)元素改變晶格匹配效果，例如在Si1-xGex/Si異質(zhì)結(jié)中加入C原子，1%的C可以補(bǔ)償91.4%的Ge所帶來的壓應(yīng)變。2.增加了界面態(tài)能級(jí)，他們將成為載流子的非輻射復(fù)合中心。3.影響界面附近的電荷分布?？紤]界面態(tài)時(shí)異質(zhì)結(jié)的能帶圖：加偏壓時(shí)的一些物理現(xiàn)象：1.加偏壓時(shí)，結(jié)兩邊的電勢要變化VD1’=VD1-V1VD2’=VD2-V2VD’=(VD1-V1)-(VD2-V2)=VD-V2.結(jié)兩邊費(fèi)米能級(jí)間隔變?yōu)閝V；結(jié)勢壘發(fā)生變化，載流子發(fā)生重新分配，其輸運(yùn)機(jī)制根據(jù)勢壘的不同形式發(fā)生變化。加偏壓時(shí)的一些物理現(xiàn)象：1.加偏壓時(shí)，結(jié)兩邊的電勢要變化VDI-V曲線1.異質(zhì)結(jié)的J-V曲線與pn結(jié)相似，一般為非線性關(guān)系，(加正向電壓時(shí)J∞[exp(βV)-1]存在一個(gè)導(dǎo)通電壓，導(dǎo)通時(shí)以指數(shù)形式變化且與溫度關(guān)系緊密，反向電壓時(shí)J=j0

[1-exp(-βV)],這個(gè)電流也稱為反向抽取電流，存在一個(gè)反向飽和電流j0=q(nφ0Ln/гn+pn0Dp/гp),當(dāng)電壓增大到某一值Vb

時(shí)會(huì)發(fā)生擊穿現(xiàn)象,這個(gè)電壓稱為擊穿電壓I-V曲線1.異質(zhì)結(jié)的J-V曲線與pn結(jié)相似，一般為非線性關(guān)關(guān)于電流輸運(yùn)機(jī)制的幾個(gè)模型：1.擴(kuò)散模型2.熱電子發(fā)射模型3.隧道-復(fù)合模型4.熱離子發(fā)射-界面態(tài)模型關(guān)于電流輸運(yùn)機(jī)制的幾個(gè)模型：1.擴(kuò)散模型擴(kuò)散模型（Andeson模型）：最早由Anderson提出對(duì)象：(1)理想突變異質(zhì)結(jié)（邊界上突變，界面上沒有界面電子態(tài)）(2)導(dǎo)帶勢壘尖峰低于另一導(dǎo)帶底(3)忽略勢壘區(qū)載流子的產(chǎn)生和復(fù)合模型：載流子輸運(yùn)過程主要是多子由一端能夠越過勢壘的電子擴(kuò)散到另一端過程，即電流輸運(yùn)主要有擴(kuò)散理論決定。如圖1主要結(jié)論：(1)Jn=qDn1n10/Ln1[exp(qV/K0T)-1]Jp=-qDp2p20/Lp2[exp(qV/K0T)-1]

注入比：Jn/Jp=(Dn1ND2Lp2/Dp2NA1Ln1)exp(ΔE/kT)∞ND2/NA1*exp(ΔE/Kt),在寬緊帶和窄禁帶材料組成的異質(zhì)結(jié)中可以實(shí)現(xiàn)高注入。(2)如果用多數(shù)載流子濃度代替，那么得到Jn∞exp(qΔEc/K0T),Jp∞exp(-qΔEv/K0T),可以看出由于勢壘高度的不同一般只有一種載流子其主要作用，這里是Je起主要作用。擴(kuò)散模型（Andeson模型）：最早由Anderson提出半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)發(fā)展概述課件熱電子發(fā)射模型：對(duì)于高勢壘尖峰情況（圖2），通過異質(zhì)結(jié)的電流主要是由發(fā)射機(jī)制控制的，它的J-V曲線與擴(kuò)散模型相似。熱電子發(fā)射模型：對(duì)于高勢壘尖峰情況（圖2），通過異質(zhì)結(jié)的電流隧道-復(fù)合模型：模型：如圖(1)在交界面存在界面態(tài)(2)載流子的流動(dòng)過程包括：隧道電子流，復(fù)合的電子流和空穴流，越過勢壘的空穴擴(kuò)散流和發(fā)射流等。主要結(jié)論：(1)J=Jp+Jr,D=Aexp(aV)+Bexp(qV/mkT),在高電壓區(qū)，Jp起主要作用，lnJ-V直線的斜率與溫度T無關(guān)；在低電壓區(qū)，Jr,D起主要作用，溫度影響lnJ-V直線的斜率。(2).這個(gè)結(jié)果如很多實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象一致。如圖隧道-復(fù)合模型：模型：如圖(1)在交界面存在界面態(tài)(2)載流熱離子發(fā)射-界面態(tài)模型1.界面態(tài)模型：最早由Tersoff提出。界面上產(chǎn)生界面能級(jí)，分為兩類：類施主能級(jí)和類受主能級(jí)。2.根據(jù)界面態(tài)模型得到的一些結(jié)果(1)界面總電荷態(tài)密度QIT=QITL+QITR=-q2DIT(φSL+Vp-EBL/q+V)(2)根據(jù)電中性條件QSC+QIT=0→φSL,φSR=φ(V,DIT),函數(shù)形式如圖所示。界面態(tài)密度會(huì)影響表面勢φSL

和φSR3.電流輸運(yùn)：(1)電流密度J=JE+JH=AE*T2exp(-qVN/kT)exp(-qφSR/kt)+AH*T2exp(-qVp/kt)exp[(-qφSL+ΔEV)/kT],界面態(tài)密度要影響I-V曲線；(2)電導(dǎo)G=dJ/dV=GE+GH

。(3)二極管理想因子N=β/(dlnJ/dV)(4）總電容C為CL與CR的串聯(lián)結(jié)果。4.串聯(lián)電阻的影響：異質(zhì)結(jié)的串聯(lián)電阻會(huì)有分壓作用，結(jié)果流經(jīng)pn結(jié)的電壓變?yōu)閂-JR，上面的結(jié)論中的V都要用V-JR代替。可以看到，高壓下串聯(lián)電阻影響較大，會(huì)掩蓋I-V的非線性關(guān)系。以上結(jié)果與Ge-GaAs,Ge-AlGeAs等一些異質(zhì)結(jié)的結(jié)果一致。熱離子發(fā)射-界面態(tài)模型1.界面態(tài)模型：最早由Tersoff提半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)發(fā)展概述課件半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)發(fā)展概述課件理想因子：理想因子：異質(zhì)結(jié)的一些特性：1.高注入比。高注入比可以用來提高晶體管的頻率特性，利用這種性質(zhì)制成的HBT有廣泛的應(yīng)用，例如雷達(dá)，無線通訊(GaAs-HBT放大器)等。2.超注入現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。3.窗口效應(yīng)，可以提高光生伏特效率。4.高頻特性異質(zhì)結(jié)的一些特性：1.高注入比。高注入比可以用來提高晶體管的總結(jié)：相比同質(zhì)結(jié)，(1)異質(zhì)結(jié)兩側(cè)的材料具有不同的禁帶寬度(2)由于介電常數(shù)的不同，會(huì)使界面處出現(xiàn)能帶的凸起和凹口，結(jié)果能帶出現(xiàn)不連續(xù)。(3)在異質(zhì)結(jié)界面處存在比較復(fù)雜的界面態(tài)。

總結(jié)：相比同質(zhì)結(jié)，(1)異質(zhì)結(jié)兩側(cè)的材料具有不同的禁帶寬度目前異質(zhì)結(jié)制備的一些常用方法：1.分子束外延技術(shù)。2.MO-CVD3.液相外延4.化學(xué)池沉積。5.物理氣相沉積法。6.輔助化學(xué)法7.sol-gel目前異質(zhì)結(jié)制備的一些常用方法：1.分子束外延技術(shù)。目前的一些研究對(duì)象：1.制備電子器件：(1)開關(guān)器件(2)整流器件SiC基異質(zhì)材料(3)場效應(yīng)晶體管(4)異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(HBT)主要應(yīng)用材料為GaAs/AlGaAs/GaInP,InGaAs/InP/InAlAs,Si/SiGe等(5)HEMT(Highelectronmobilitytransistor)2.制備發(fā)光二極管：(1)異質(zhì)結(jié)發(fā)光二極管，異質(zhì)結(jié)構(gòu)為CdTe/PS，ZnS/ps等(2)制備新型的發(fā)光設(shè)備取代傳統(tǒng)光源，白光LED是繼白熾燈和日光燈之后的第三代電光源

，主要集中在GaN基pn結(jié)研究上，例如AlGaInN/GaN。

3.