1、第第9章半導體異質結構章半導體異質結構（簡介）（簡介）Chap9Chap9 半導體異質結構半導體異質結構 Heterojunction 同質結：（不同導電類型的）同種材料組成的P-N結。 異質結：（不同導電類型的）兩種材料組成的P-N結。 1951年提出異質結的概念，由于制備材料的新技術不斷出現和半導體物理的深入發展，推動了異質結的研究和發展。1960年制成激光二極管激光器異質結種類 種類： 反型異質結：導電類型相反的兩種材料制成的結，如：p-n Ge-Si,p-n Ge-GaAs,p-n Si-GaAs 同型異質結：導電類型相同的兩種材料制成的結，如：n-n Ge-Si,n-n Ge-GaA

2、s,n-n Si-GaAs 以上的符號，都把Eg小的材料放在前面。異質結的禁帶寬度可能相同，也可能不同，我們主要討論禁帶寬度不同的情形。 異質結生長異質結生長 外延生長技術發展于外延生長技術發展于50年代末年代末60年代初。當時，年代初。當時，為了制造高頻大功率器件，需要減小集電極串為了制造高頻大功率器件，需要減小集電極串聯電阻，又要求材料能耐高壓和大電流，因此聯電阻，又要求材料能耐高壓和大電流，因此需要在低阻值襯底上生長一層薄的高阻外延層。需要在低阻值襯底上生長一層薄的高阻外延層。外延生長的新單晶層可在導電類型、電阻率等外延生長的新單晶層可在導電類型、電阻率等方面與襯底不同，還可以生長不同厚

3、度和不同方面與襯底不同，還可以生長不同厚度和不同要求的多層單晶，從而大大提高器件設計的靈要求的多層單晶，從而大大提高器件設計的靈活性和器件的性能。外延工藝還廣泛用于集成活性和器件的性能。外延工藝還廣泛用于集成電路中的電路中的PN結隔離技術和大規模集成電路中結隔離技術和大規模集成電路中改善材料質量方面。改善材料質量方面。 異質結的形成通常是通過異質外延的方法制備的。經常形成超晶格結構，在半導體激光器和高遷移率晶體管（HEMT）領域有應用。異質結的能帶結構 異質結的能帶結構與構成異質結材料的禁帶寬度、禁帶失調有關。設構成異質結材料的禁帶寬度分別為Eg1Eg2。 禁帶的失調可能有三種情形：1）Eg2

4、包含在Eg1之間，如Ga1-xAlxAs與GaAs ；2）Eg1與Eg2禁帶相互錯開，如Ga1-xInxAs（下）和GaAs1-xSbx（上）；3）二者沒有共能量，如InAs（下）與GaSb（上）GaAs/AlGaAs 異質結的電子能級結構 異質結的應用1 異質結的主要應用之一是形成量子阱。它由兩個異質結背對背相接形成的。 異質結的主要應用之二是形成超晶格。它由異質結交替周期生長形成。超晶格是Esaki和Tsu在1969年提出的。 Esaki等提出的超晶格有兩類：1）同質調制摻雜；2）異質材料交替生長。 超晶格或多量子阱間的共振隧穿效應Multiquantum Wells (MQW)Singl

5、e quantum wellMultiquantum wellGaAsAlGaAsGaAsEg( AlGaAs)EcEvWells separated by large distance to minimize coupling of statesStructures where the barriers are thick enough to prevent any overlapping of neighboring wavefunctions are referred to as MQWStructures with thin barriers that allow for overla

6、pping of neighboring wavefunctions are referred to as superlatticestSLtMQW 異質結應用2 1異質結晶體管： 特點異質結做發射結，注入效率高， 大 0.2ev， 注入電子流3000（注入空穴流） 0.4ev， 注入電子流 （注入空穴流） 0.7ev， 注入電子流 （注入空穴流） 2異質結光電二極管（光電池）Photocell 太陽電池Solarcell 同質結光電管，要求n區很薄（以利光穿透），但薄n區難制造。/2121,gEkTgggggeEEEEE注入電子流注入空穴流gEgEgE6101610異質結應用2 3異質結發光二極管（light-emitting diode） 同質結 異質結 三個區都是重摻雜， 加正向電壓， 能帶如下圖 1/(0.2 0.3)xaxnGaAs PGaAs PAl GAsx異質結應用2 4異質結激光器 單異質結激光