半導體物理2013(第九章)

第9章異質結

9.1

異質結的基本概念異質結是由兩種不同晶體材料形成的半導體結同型異質結：同種導電類型材料構成的異質結（n-nGe-Si，p-pGe-GaAs）反型異質結：相反導電類型材料構成的異質結（p-nGe-GaAs）異質結的形成條件：要有相近的晶體結構和晶格常數。9.1異質結的基本概念異質結的分類——突變型異質結和緩變型異質結突變型異質結：轉變區或過渡區小于等于數個原子間距的異質結緩變型異質結：轉變區大于數個擴散長度的異質結9.2

異質結的能帶圖突變異質結的研究比較成熟異質結的能帶圖比同質結復雜（禁帶寬度，電子親合能，功函數，介電常數和晶格常數差異）由于晶體結構和晶格常數不同，在異質結結面上形成的界面態增加了復雜性9.2.1

不考慮界面態的能帶圖1突變反型異質結能帶圖能帶總的彎曲量就是真空電子能級的彎曲量，即式中VD稱為接觸電勢差（或稱內建電勢差、擴散電勢）,它等于兩種半導體材料的功函數之差(W1-W2)與電子電荷比值。而VD1,VD2分別為交界面兩側的p型半導體和n型半導體中的內建電勢差。

9.2.1

不考慮界面態的能帶圖2異質結的形成過程與同質結相似，與同質結不同之處（1）自建電場在界面處發生不連續（2）能帶在界面處不連續，能帶在界面處的突變形成“尖峰”和“凹口”導帶底突變價帶頂突變9.2.1

不考慮界面態的能帶圖3突變同型異質結能帶圖

9.2.1

不考慮界面態的能帶圖9.3

半導體超晶格半導體超晶格是指由交替生長兩種半導體材料薄層組成的一維周期性結構，其薄層厚度的周期小于電子的平均自由程的人造材料。超晶格的思想于1968年提出，1970年在砷化鎵半導體上制成了超晶格結構，它為實驗觀察量子效應提供了良好的模型。理想超晶格結構示意圖9.3

半導體超晶格目前生長超晶格材料的最佳技術是分子束外延技術（MBE），可以控制到單原子層的生長。此外，金屬有機化合物汽相淀積（MOCVD）技術也常用來生長超晶格材料。超晶格分為兩類：成分超晶格和摻雜超晶格。成分超晶格：由不同的半導體材料交替生長而成，如Ga1-xAlxAs/GaAs材料；摻雜超晶格：由導電類型不同的同種半導體材料交替生長而成，如NIPI材料。9.3.1

半導體超晶格的能帶圖由于超晶格往往由不同的半導體材料交替生長而成，不同半導體的能帶結構有一定的差異，所以形成的超晶格材料的能帶呈現規律的變化。下圖為Ga1-xAlxAs/GaAs晶體的能帶示意圖。9.3.1

半導體超晶格的能帶圖b和c分別代表了兩種不同半導體的薄層厚度，超晶格的總周期l=b+c根據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：9.3.2

調制摻雜技術在生長超晶格材料時，對不同的材料層進行不同濃度的摻雜，可以改變超晶格材料的物理性質。比如在Ga1-xAlxAs/GaAs超晶格結構中，只在Ga1-xAlxAs層中進行高摻雜（如摻n型雜質硅），而把GaAs層做成高純的，這種摻雜方式稱為調制摻雜（MD）或選擇性摻雜。9.3.2

調制摻雜技術在這樣的超晶格中，能帶發生了變化。由于GaAs導帶底比Ga1-xAlxAs的導帶底低，高摻雜的n型Ga1-xAlxAs中的電子將轉移到GaAs的導帶中去，使高純的具有高電子濃度，于是，晶格的能帶發生彎曲。而高純