現(xiàn)代電子材料與元器件-4

第四章

化合物半導(dǎo)體基礎(chǔ)光電工程學(xué)院微電子教學(xué)部馮世娟fengsj@4.2載流子的輸運過程3速度過沖在強(qiáng)電場作用下，半導(dǎo)體中載流子的瞬間漂移速度遠(yuǎn)超過其飽和速度值的現(xiàn)象，稱為速度過沖。

圖4.13GaAs中載流子漂移速度與電場之間的關(guān)系4.2載流子的輸運過程3速度過沖為了討論速度過沖現(xiàn)象，引入動量弛豫時間τm來表征載流子遭受散射的情況。于是載流子的運動方程可表示為若τm與E無關(guān)，則有當(dāng)t遠(yuǎn)大于τm時，vd達(dá)到最大圖4.15漂移速度vd與時間的關(guān)系4.2載流子的輸運過程3速度過沖最大的漂移速度即定態(tài)漂移速度，隨電場強(qiáng)度的增大而增大，但穩(wěn)態(tài)時漂移速度都將趨于一個飽和值，即使電場在不斷增加，這是熱電子效應(yīng)作用的必然結(jié)果。在強(qiáng)電場的作用下，電子“溫度”升高而成為熱電子，此時熱電子與晶格的散射越發(fā)頻繁，從而使得馳豫時間τm在不斷減小vd即趨于定態(tài)值4.2載流子的輸運過程3速度過沖vd的定態(tài)值由于電場強(qiáng)度越大，τm0就越小，而兩者的乘積近乎為常數(shù)，故vd與電場強(qiáng)度E的關(guān)系如圖4.16所示?？梢?，這時的結(jié)果和前面看到的實驗結(jié)果較為一致。圖4.16考慮熱電子效應(yīng)時，vd與時間的關(guān)系4.2載流子的輸運過程3速度過沖產(chǎn)生速度過沖這種瞬態(tài)效應(yīng)的實質(zhì)，可以認(rèn)為是由于在強(qiáng)電場下，電子的動量馳豫時間τm很短所造成的。τm很短就意味著當(dāng)電子進(jìn)入高電場區(qū)時，其波矢會立刻增大，也就是說，電子可立刻獲得很高的定向漂移速度；而這時如果電子的能量升高較慢(即能量弛豫時間較長)，來不及被“加熱”，則電子的平均熱運動速度仍將停留在與晶格溫度相適應(yīng)的較低數(shù)值上，從而使得電子的平均自由時間τ較長。遷移率μ=qτ/m*較高，漂移速度vd=μE很高，可以超過定態(tài)vd值，即速度過沖。發(fā)生速度過沖的條件可以歸納為以下三點原因：(1)電場很強(qiáng)；(2)τm<<τE；(3)具有有效質(zhì)量大的導(dǎo)帶衛(wèi)星能谷，其所具有的能量足夠低，以至于在穩(wěn)定態(tài)時，處于該能谷中的電子數(shù)較多。4.2載流子的輸運過程3速度過沖對于GaAs和InP等雙能谷半導(dǎo)體,能量弛豫時間τE實際上應(yīng)是載流子的能量上升時間加上載流子在谷間轉(zhuǎn)移所需要的時間。一般是有τm<<τE，則在強(qiáng)電場下電子動量(m*v)增加很快，但能量增加較慢，則這種動量很大的電子仍處于有效質(zhì)量較小的主能谷中，從而遷移率較高。漂移速度可以大大越過定態(tài)漂移速度。在這類半導(dǎo)體中，子能谷有很小的動量馳豫時間，則速度過沖效應(yīng)尤為顯著，可以說，速度過沖效應(yīng)是動量很大、而能量(或電子溫度)較低的非熱電子在強(qiáng)電場作用下的一種瞬態(tài)輸運過程中的現(xiàn)象。當(dāng)電子從低電場區(qū)進(jìn)入高電場區(qū)的開始瞬間，也會有這種瞬態(tài)現(xiàn)象。4.2載流子的輸運過程3速度過沖需要說明的是在半導(dǎo)體中，能量弛豫時間τE一般不同于動量弛豫時間τm

，因為兩者的散射機(jī)構(gòu)不同。例如高摻雜半導(dǎo)體，在較低溫度下，動量弛豫主要是通過電離雜質(zhì)散射進(jìn)行，但能量馳豫卻只能通過各種聲子散射進(jìn)行。經(jīng)過能量弛豫后，電子溫度升高而成為熱電子，則電子的平均熱運動速度增大，使平均自由時間減小，遷移率下降，從而漂移速度也下降到與電場相應(yīng)的定態(tài)值。4.2載流子的輸運過程4載流子的彈道輸運過程與速度過沖必須考慮散射作用的情形不同。器件有源區(qū)尺寸小于l的情形下，此時載流子在輸運過程中將不斷被電場加速，而不必考慮散射的影響。在2DEG的二維體系中

圖4.192DEG中的電子輸運過程4.2載流子的輸運過程4載流子的彈道輸運過程速度過沖和彈道輸運都是載流子的瞬態(tài)輸運過程。在速度過沖的初始階段，總包含有彈道輸運過程。在圖4.13中曲線的起始階段，漂移速度隨時間線性增大，這表明載流子被電場自由加速，這正是彈道輸運過程。此后漂移速度呈現(xiàn)出超過定態(tài)漂移速度的極大值，這才是速度過沖效應(yīng)。彈道輸運速度過沖4.2載流子的輸運過程4載流子的彈道輸運過程穩(wěn)態(tài)時，有彈道輸運

電子被加熱到它們的最終的漂移能量Ef，此時有Ef>Ei。如果動量弛豫時間τm是能量E的單調(diào)遞減函數(shù)，則有vd>vf，速度過沖現(xiàn)象就產(chǎn)生了。

4.3二維電子氣1二維電子氣1971年，Esaki和Tsu首先發(fā)現(xiàn)了超晶格和調(diào)制摻雜的半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)中的二維效應(yīng)。

GaAs/AlGaAs異質(zhì)結(jié)中的2DEG

寬禁帶半導(dǎo)體材料與窄禁帶半導(dǎo)體材料形成異質(zhì)結(jié)，在界面處產(chǎn)生會發(fā)生強(qiáng)烈的能帶彎曲，在窄帶半導(dǎo)體一側(cè)形成電子的勢阱。如果寬禁帶半導(dǎo)體摻有施主雜質(zhì)，則施主雜質(zhì)中的電子將穿過界面勢壘，被捕獲在界面勢阱中，如果這個勢阱區(qū)很薄，則勢阱中的電子呈現(xiàn)二維體系待征。

4.3二維電子氣1二維電子氣圖4.21GaAs/AlGaAs超晶格中2DEG示意圖

半導(dǎo)體超晶格，例如GaAs/AlGaAs系統(tǒng)，如果其中GaAs層較薄(＜20nm)，而A1GaAs層較厚，則電子基本上被封閉在禁帶較窄的GaAs層內(nèi)，成為2-DEG，如圖4.21所示。這時GaAs層中的2-DEG不存在電離雜質(zhì)，具有很高的電子遷移率。4.3二維電子氣1二維電子氣二維電子氣的存在，使有關(guān)的材料和器件具有很多獨特的性能，如高的電子遷移率、良好的光學(xué)性能、二維體系的電導(dǎo)特性等。低溫下，二維電子氣的電子遷移率主要受雜質(zhì)散射限制；在一定溫度下，聲子散射起重要作用。此外，還有界面粗糙散射、子帶間散射、壓電散射、中性雜質(zhì)散射等都影響2DEG系統(tǒng)的遷移率。在改善制備工藝時，考慮上述有關(guān)因素的影響，將有利于遷移率的進(jìn)一步提高。

4.3二維電子氣2二維電子氣的能量狀態(tài)考慮半導(dǎo)體表面反型層中的2-DEG

處于表面反型層中的電子如同被封閉于勢阱中的自由電子一樣，電子的德布羅意波波長比勢阱的寬度要大，在垂直于表面方向上的能量將發(fā)生量子化，即在垂直表面方向的運動喪失了自由度，只存在有在表面內(nèi)兩個方向的自由度。4.4半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)2熱平衡時理想異質(zhì)結(jié)的能帶圖以p-GaAs／n-A1GaAs異質(zhì)結(jié)為例

熱平衡時，有p-n異質(zhì)結(jié)的能帶反映出以下特點：(1)n區(qū)一側(cè)出現(xiàn)尖峰，p區(qū)一側(cè)出現(xiàn)凹口；(2)能帶在交界面處不連續(xù)，存在能帶突變；4.4半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)2熱平衡時理想異質(zhì)結(jié)的能帶圖n-GaAs／p-A1GaAs異質(zhì)結(jié)4.4半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)2熱平衡時理想異質(zhì)結(jié)的能帶圖n-GaAs／n-A1GaAs異質(zhì)結(jié)寬帶的費米能級比窄帶的費米能級高，所以電子從寬帶一側(cè)流向窄帶一側(cè)，從而在窄帶一側(cè)形成電子積累，而寬帶一側(cè)形成電子耗盡，其能帶彎曲與pn型類似。4.4半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)2熱平衡時理想異質(zhì)結(jié)的能帶圖p-GaAs／p-A1GaAs異質(zhì)結(jié)其能帶彎曲與np型類似。異質(zhì)結(jié)的能帶反映出以下特點：

(1)能帶在交界面處存在能帶突變；(2)在界面附近可能有電子勢壘（向上的尖峰）；(3)也可能存在電子勢阱（向下的尖峰），即空穴勢壘。4.5半導(dǎo)體超晶格2組分半導(dǎo)體超晶格半導(dǎo)體超晶格按其結(jié)構(gòu)形式大致可以分為兩種：組分超晶格（復(fù)合超晶格）和摻雜超晶格。組分超晶格：組成超晶格的兩種材料不同，即多個超薄異質(zhì)結(jié)組成。組分超晶格又分為兩類：第I類組分超晶格（跨立型異質(zhì)結(jié)）和第II類組分超晶格（交叉型異質(zhì)結(jié)）。

摻雜超晶格：同種材料由于摻入不同導(dǎo)電類型的雜質(zhì)而形成，即多個超薄pn結(jié)組成。4.5半導(dǎo)體超晶格4應(yīng)變超晶格利用晶格失配材料交替生長而成的超晶格。(1)結(jié)構(gòu)類型失配(2)晶格常數(shù)失配(3)熱膨脹系數(shù)失配目前研究較多的是Ge/Si應(yīng)變層超晶格，我們將以此為例說明應(yīng)變超晶格的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及應(yīng)用。

4.5半導(dǎo)體超晶格4應(yīng)變超晶格Si層摻雜成p型，