GaAs化合物半导体及高速集成电路(3)

化合物半导体高速集成电路 第一章 绪论

以驻波状态存在的自由电子在Z方向的能量为：Ezn?2pz*2m??q?zZn

1*2m//2(px?p2y)

势阱内平行于表面的XY方向电子运动是自由的，可用平面波描述：Ex,y?则2－DEG的全部允许态的能级为：En?Ex,y?Ezn

在量子阱结构中，2－DEG量子能级如图2-6所示，对应能量为：

Ezn?h2*28m?Lzn2,n?0,1,2... LZ为有效厚度

图2-6 GaAs/ AlGaAs系超晶格中2－DEG的量子能级

每一个量子数（n）对应于2－DEG的一个能带，称为子能带，2－DEG就处于各个子

能带中。随着 Z 方向电场的增大，量子能级的能量本征值En也将增大。2－DEG在量子化能带上基本上都分布在能量最低的两个能带E1，E2上，更高能级上电子只占总电子数的千分之几至万分之几。

本章小节

掌握GaAs材料的晶格结构及此结构特点 了解典型化合物半导体材料的能带结构 掌握二维电子气的概念

掌握存在明显二维电子气的结构及其能带图

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化合物半导体高速集成电路 第一章 绪论

第3章 半导体超晶格

3.1 半导体超晶格基本结构 3.2 超晶格的应用举例

3.1 半导体超晶格基本结构 所谓的超晶格，是由几种成分不同或掺杂不同的超薄层周期性地堆叠起来而构成地一种特殊晶体。超薄层堆叠地周期（称为超晶格地周期）要小于电子的平均自由程，各超薄层的宽度要与电子的德布罗意波长相当。其特点为在晶体原来的周期性势场之上又附加了一个可以人为控制的超晶格周期势场，是一种新型的人造晶体。

超晶格的分类

（一）复合超晶格

利用异质结构，重复单元是由组分不同的半导体薄膜形成的超晶格称为复合超晶格，又称为组分超晶格。按照能带不连续结构的特点可将这个类型超晶格分为四类：第Ⅰ类超晶格、第Ⅱ类错开超晶格、第Ⅱ类倒转型超晶格和第Ⅲ类超晶格。 （1） 第Ⅰ类超晶格(GaAs/AlGaAs)

GaAs材料的见地完全包含在AlGaAs的能隙之中，电子和空穴都位于窄带隙材料的势阱中

?Eg??Ec??Ev

?Eg＝1.247x，与Al的组分x成正比。

（2） 第Ⅱ类 —— 错开型超晶格（GaSbAs/InGaAs） 两个带隙互相错开，一个价带底在另一个价带底的下面。电子和空穴分别处于两个不同的材料中

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化合物半导体高速集成电路 第一章 绪论

?Eg?|?Ec??Ev|形成了真实空间的间接带隙半导体 （3） 第Ⅱ类 —— 倒转型超晶格（InAs/GaSb） 一个导带底下降到另一个价带底之下。电子和空穴可能并存于同一个能区中，形成电子－空穴系统

Ec1与Ec2能量相差一个Es，前者的导带与后者的价带部分重叠，从而可能发生从半导体到金属的转变

（4） 第Ⅲ类超晶格(HgTe/CdTe)

宽带隙半导体CdTe和零带隙半导体HgTe构成的超晶格。

只有当超晶格的周期小于某一定值时才具有半导体特性，否则具有半金属特性。

超晶格能隙差由最低导带子能带和价带子能带的间距决定，价带能量不连续值近似为零，导带能量不连续值近似等于两种材料能隙之差。

（二）掺杂超晶格

利用超薄层材料外延技术（MBE或MOCVD）生长具有量子尺寸效应的同一种半导体材料时，交替地改变掺杂类型的方法（即一层掺入N型杂质，一层掺入P型杂质），即可得到掺杂超晶格，又称为调制惨杂超晶格。

这种类型超晶格可看成时由许多超薄p-n结串联构成的，因此也称为p-n结超晶格。因为超晶格周期比空间电荷区的宽度小得多，故所有p-n结势垒区都是耗尽的。

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化合物半导体高速集成电路 第一章 绪论

带边结构近似呈正弦型，N型掺杂层施主原子提供电子，P型掺杂层受主原子束缚电子，这种电子电荷在空间的分布产生一系列的抛物线形势阱。

掺杂超晶格中，电离杂质的空间电荷场在层的序列反向上变化，产生周期性的能带平行调制，使得电子和空穴分别处在不同的空间，形成一种典型的真实空间的间接能隙半导体，适当选择层的厚度和掺杂浓度可达到电子和空穴的完全分离。

电子由费米能级高的n区流向p区，空穴由p区流向n区，p区能带相对n区能带上移，形成统一的费米能级EF，能带弯曲量为qVD，其中VD为空间电荷势

有效禁带宽度：

Eg*=Eg-2qVD+EC1+|EV1|

其中EC1、EV1分别为导带和价带的基态能级，改变层厚和掺杂浓度都可改变Eg*。

图3-1 GaAs掺杂超晶格能带示意图

掺杂超晶格特点：

①掺杂超晶格的有效禁带宽度Eg*与掺杂浓度有关，通过改变掺杂浓度可改变改变Eg*。高掺杂浓度下有可能Eg*=0，即将转变为半金属。②掺杂超晶格中的电子和空穴处在不同导电型号的薄层内，非平衡载流子的复合寿命特别长。若要复合，只有通过热激发越过一定高度的势垒，或通过隧道效应穿透一定厚度的势垒，才能发生复合。③外界作用，如光照，可以改变Eg*和复合载流子寿命。因为光照产生了电子和空穴，将在局部形成一个与p-n结势垒电场方向相反的附加电场，使p-n结势垒高度降低，可通过改变附加电场控制势垒高度。

3.2 超晶格应用举例

（一）谐振隧道二极管（ Resonant Tunneling Diode ，RTD ）

共振隧穿器件是利用量子共振隧穿效应而构成的一种新型高速器件，包括两端的共振隧穿二极管（RTD）和三端的共振隧穿三极管（RTT）。共振隧穿器件最典型的结构是一个双势垒—量子阱系统，其中势垒由宽带隙材料构成（宽度为1.4～5nm），势阱由窄带系材料构成（宽度为3.0 ～ 7.0nm）。

典型GaAs和AlGaAs交替生长构成的双势垒结构能带结构见图3-2。中间GaAs为阱区，阱两侧的宽带隙AlGaAs是势垒区，其两端为重掺杂的GaAs层。简并化重掺杂半导体中，n形半导体费米能级进入导带。当势阱宽度足够窄时，阱中形

图3-2 RTD能带结构 成二维量子化能级E0、E1、E2…。

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化合物半导体高速集成电路 第一章 绪论

图3-3 RTD负阻特性

图 3-4 RTD双稳态电路特性

谐振隧穿器件特点

⑴高频、高速工作。由于隧穿机制是一种高速物理机制，RTD本征电容小，器件有源区很短，决定了它具有非常快的速度和非常高的工作效率。

⑵低工作电压和低功耗。通常RTD的工作电压在0.5V左右，工作电流为mA量级。

⑶负阻、双稳和自锁特性。负阻是RTD和RTT的基本特性。由负阻特性进而导致双稳和自锁特性。这些特性是构成RTD和RTT模拟电路和数字电路的基础。

⑷多种逻辑功能和用少量器件完成一定逻辑功能的特性。例如构成一个异或（XOR）门，用TTL需33个器件，用CMOS需16个器件，而用RTD只需4个器件。

（二）其他光电器件和发光器件

⑴多量子阱（MQW）激光器。MQW发光波长可以通过控制GaAs薄层的厚度来加以调节，阈值电流与温度的关系小，效率高。 ⑵远红外发光器件。使用超晶格材料制作的量子级联激光器的发射波长可以从几微米的中红外波段一直连续扩展到几十微米的远红外波段。同时波长可以通过控制各GaAs层的厚度来

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