1、第第9 9章章 異質(zhì)結(jié)異質(zhì)結(jié)9.1 9.1 異質(zhì)結(jié)的基本概念異質(zhì)結(jié)的基本概念l異質(zhì)結(jié)是由兩種不同晶體材料形成的半導(dǎo)體結(jié)異質(zhì)結(jié)是由兩種不同晶體材料形成的半導(dǎo)體結(jié)l同型異質(zhì)結(jié)：同種導(dǎo)電類型材料構(gòu)成的異質(zhì)結(jié)同型異質(zhì)結(jié)：同種導(dǎo)電類型材料構(gòu)成的異質(zhì)結(jié)（n-nGe-Sin-nGe-Si，p-pGe-GaAsp-pGe-GaAs） 反型異質(zhì)結(jié)：相反導(dǎo)電類型材料構(gòu)成的異質(zhì)結(jié)反型異質(zhì)結(jié)：相反導(dǎo)電類型材料構(gòu)成的異質(zhì)結(jié)（p-nGe-GaAsp-nGe-GaAs）l異質(zhì)結(jié)的形成條件：要有相近的晶體結(jié)構(gòu)和晶格異質(zhì)結(jié)的形成條件：要有相近的晶體結(jié)構(gòu)和晶格常數(shù)。常數(shù)。9.1 9.1 異質(zhì)結(jié)的基本概念異質(zhì)結(jié)的基本概念異質(zhì)結(jié)的分

2、類異質(zhì)結(jié)的分類突變型異質(zhì)結(jié)和緩變型異質(zhì)結(jié)突變型異質(zhì)結(jié)和緩變型異質(zhì)結(jié)l突變型異質(zhì)結(jié)：轉(zhuǎn)變區(qū)或過渡區(qū)小于等于數(shù)個(gè)突變型異質(zhì)結(jié)：轉(zhuǎn)變區(qū)或過渡區(qū)小于等于數(shù)個(gè)原子間距的異質(zhì)結(jié)原子間距的異質(zhì)結(jié)l緩變型異質(zhì)結(jié)：轉(zhuǎn)變區(qū)大于數(shù)個(gè)擴(kuò)散長度的異緩變型異質(zhì)結(jié)：轉(zhuǎn)變區(qū)大于數(shù)個(gè)擴(kuò)散長度的異質(zhì)結(jié)質(zhì)結(jié)9.2 9.2 異質(zhì)結(jié)的能帶圖異質(zhì)結(jié)的能帶圖l突變異質(zhì)結(jié)的研究比較成熟突變異質(zhì)結(jié)的研究比較成熟l異質(zhì)結(jié)的能帶圖比同質(zhì)結(jié)復(fù)雜（禁帶寬度，電子異質(zhì)結(jié)的能帶圖比同質(zhì)結(jié)復(fù)雜（禁帶寬度，電子親合能，功函數(shù)，介電常數(shù)和晶格常數(shù)差異）親合能，功函數(shù)，介電常數(shù)和晶格常數(shù)差異）l由于晶體結(jié)構(gòu)和晶格常數(shù)不同，在異質(zhì)結(jié)結(jié)面上由于晶體結(jié)構(gòu)和晶格常數(shù)不同

3、，在異質(zhì)結(jié)結(jié)面上形成的界面態(tài)增加了復(fù)雜性形成的界面態(tài)增加了復(fù)雜性9.2.1 9.2.1 不考慮界面態(tài)的能帶圖不考慮界面態(tài)的能帶圖l1 1 突變反型異質(zhì)結(jié)能帶圖突變反型異質(zhì)結(jié)能帶圖l能帶總的彎曲量就是真空電子能級(jí)的彎曲量，即能帶總的彎曲量就是真空電子能級(jí)的彎曲量，即 式中式中V VD D稱為接觸電勢(shì)差（或稱內(nèi)建電勢(shì)差、擴(kuò)散電稱為接觸電勢(shì)差（或稱內(nèi)建電勢(shì)差、擴(kuò)散電勢(shì)）勢(shì)）, ,它等于兩種半導(dǎo)體材料的功函數(shù)之差它等于兩種半導(dǎo)體材料的功函數(shù)之差(W(W1 1-W-W2 2) )與電子電荷比值。而與電子電荷比值。而V VD1D1,V,VD2D2分別為交界面兩側(cè)的分別為交界面兩側(cè)的p p型型半導(dǎo)體和半導(dǎo)體

4、和n n型半導(dǎo)體中的內(nèi)建電勢(shì)差。型半導(dǎo)體中的內(nèi)建電勢(shì)差。 21121WWEEqVqVqVFFDDDqWWVVVDDD21219.2.1 9.2.1 不考慮界面態(tài)的能帶圖不考慮界面態(tài)的能帶圖l2 2 異質(zhì)結(jié)的形成過程與同質(zhì)結(jié)相似，與同質(zhì)異質(zhì)結(jié)的形成過程與同質(zhì)結(jié)相似，與同質(zhì)結(jié)不同之處結(jié)不同之處（1 1）自建電場在界面處發(fā)生不連續(xù)）自建電場在界面處發(fā)生不連續(xù)（2 2）能帶在界面處不連續(xù)，能帶在界面處的突）能帶在界面處不連續(xù)，能帶在界面處的突變形成變形成“尖峰尖峰”和和“凹口凹口”導(dǎo)帶底突變導(dǎo)帶底突變價(jià)帶頂突變價(jià)帶頂突變21cE122112)(ggvcggvEEEEEEE9.2.1 9.2.1 不考慮

5、界面態(tài)的能帶圖不考慮界面態(tài)的能帶圖l3 3 突變同型異質(zhì)結(jié)能帶圖突變同型異質(zhì)結(jié)能帶圖 9.2.1 9.2.1 不考慮界面態(tài)的能帶圖不考慮界面態(tài)的能帶圖9.3 9.3 半導(dǎo)體超晶格半導(dǎo)體超晶格l半導(dǎo)體超晶格是指由交替生長半導(dǎo)體超晶格是指由交替生長兩種半導(dǎo)體材料薄層組成的一兩種半導(dǎo)體材料薄層組成的一維周期性結(jié)構(gòu)，其薄層厚度的維周期性結(jié)構(gòu)，其薄層厚度的周期小于電子的平均自由程的周期小于電子的平均自由程的人造材料人造材料。超晶格的思想于。超晶格的思想于1968年提出，年提出，1970年在砷化鎵年在砷化鎵半導(dǎo)體上制成了超晶格結(jié)構(gòu)，半導(dǎo)體上制成了超晶格結(jié)構(gòu)，它為實(shí)驗(yàn)觀察量子效應(yīng)提供了它為實(shí)驗(yàn)觀察量子效應(yīng)提

6、供了良好的模型。良好的模型。理想超晶格結(jié)構(gòu)示意圖理想超晶格結(jié)構(gòu)示意圖9.3 9.3 半導(dǎo)體超晶格半導(dǎo)體超晶格l目前生長超晶格材料的最佳技術(shù)是分子束外延目前生長超晶格材料的最佳技術(shù)是分子束外延技術(shù)（技術(shù)（MBE），可以控制到單原子層的生長。），可以控制到單原子層的生長。此外，金屬有機(jī)化合物汽相淀積（此外，金屬有機(jī)化合物汽相淀積（MOCVD）技）技術(shù)也常用來生長超晶格材料。術(shù)也常用來生長超晶格材料。l超晶格分為兩類：超晶格分為兩類：成分超晶格成分超晶格和和摻雜超晶格摻雜超晶格。 成分超晶格：由不同的半導(dǎo)體材料交替生長成分超晶格：由不同的半導(dǎo)體材料交替生長而成，如而成，如Ga1-xAlxAs/GaA

7、s材料；材料； 摻雜超晶格：由導(dǎo)電類型不同的同種半導(dǎo)體摻雜超晶格：由導(dǎo)電類型不同的同種半導(dǎo)體材料交替生長而成，如材料交替生長而成，如NIPI材料。材料。9.3.1 9.3.1 半導(dǎo)體超晶格的能帶圖半導(dǎo)體超晶格的能帶圖l由于超晶格往往由不同的半導(dǎo)體材料交替生長由于超晶格往往由不同的半導(dǎo)體材料交替生長而成，不同半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)有一定的差異，而成，不同半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)有一定的差異，所以形成的超晶格材料的能帶呈現(xiàn)規(guī)律的變化。所以形成的超晶格材料的能帶呈現(xiàn)規(guī)律的變化。l下圖為下圖為Ga1-xAlxAs/GaAs晶體的能帶示意圖。晶體的能帶示意圖。9.3.1 9.3.1 半導(dǎo)體超晶格的能帶圖半導(dǎo)體超晶格的

8、能帶圖lb和和c分別代表了兩種不同半導(dǎo)體的薄層厚度，超分別代表了兩種不同半導(dǎo)體的薄層厚度，超晶格的總周期晶格的總周期 l=b+cl根據(jù)超晶格兩種材料的能帶匹配情況，可以把超根據(jù)超晶格兩種材料的能帶匹配情況，可以把超晶格分為三類，如下圖所示：晶格分為三類，如下圖所示：9.3.2 9.3.2 調(diào)制摻雜技術(shù)調(diào)制摻雜技術(shù)l在生長超晶格材料時(shí)，對(duì)不同的材料層進(jìn)行不同在生長超晶格材料時(shí)，對(duì)不同的材料層進(jìn)行不同濃度的摻雜，可以改變超晶格材料的物理性質(zhì)。濃度的摻雜，可以改變超晶格材料的物理性質(zhì)。比如在比如在Ga1-xAlxAs/GaAs超晶格結(jié)構(gòu)中，只在超晶格結(jié)構(gòu)中，只在Ga1-xAlxAs層中進(jìn)行高摻雜（如

9、摻層中進(jìn)行高摻雜（如摻n型雜質(zhì)硅），而把型雜質(zhì)硅），而把GaAs層做成高純的，這種摻雜方式稱為層做成高純的，這種摻雜方式稱為調(diào)制摻雜調(diào)制摻雜（MD）或選擇性摻雜）或選擇性摻雜。9.3.2 9.3.2 調(diào)制摻雜技術(shù)調(diào)制摻雜技術(shù)l在這樣的超晶格中，能帶發(fā)生了變化。由于在這樣的超晶格中，能帶發(fā)生了變化。由于GaAs導(dǎo)帶底比導(dǎo)帶底比Ga1-xAlxAs的導(dǎo)帶底低，高摻雜的的導(dǎo)帶底低，高摻雜的n型型Ga1-xAlxAs中的電子將轉(zhuǎn)移到中的電子將轉(zhuǎn)移到GaAs的導(dǎo)帶中去，的導(dǎo)帶中去，使高純的具有高電子濃度，于是，晶格的能帶發(fā)使高純的具有高電子濃度，于是，晶格的能帶發(fā)生彎曲。而高純的生彎曲。而高純的GaAs