GaAs化合物半导体及高速集成电路(4)

化合物半导体高速集成电路 第一章 绪论

加以调节。 ⑶光调制器。某些超晶格中电子空穴分别封闭在不同的超薄层中，外界信号可以改变其有效禁带宽度，进而可以改变器件发射波长，即所谓的光调节器。

⑷光双稳器件。当GaAs中存在激子时，折射率将不同，可制成光双稳器件。

本章小结

掌握超晶格的概念、特点及分类；

掌握掺杂超晶格的能带图，这类超晶格有何特点； 掌握RTD的工作原理，I－V特性 掌握RTD加不同偏压时的能带图 谐振隧穿器件特点和RTD特性

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化合物半导体高速集成电路 第一章 绪论

第4章 半导体异质结 4.1 半导体异质结界面

4.2 半导体异质结的能带突变 4.3 半导体异质结的能带图

4.1 半导体异质结界面 半导体异质结概念

同质结（p-n结）：在同一块单晶材料上，由于掺杂的不同形成的两种导电类型不同的区域，区域的交接面就构成了同质结。

若形成异质结的两种材料都是半导体，则为半导体异质结。若一方为半导体一方为金属，则为金属－半导体接触，这包括Schottky结和欧姆接触。

1957年，德国物理学家赫伯特.克罗默指出有导电类型相反的两种半导体材料制成异质结，比同质结具有更高的注入效率。1960年， Anderson制造了世界上第一个Ge－GaAs异质结。1962年，Anderson提出了异质结的理论模型，他理想的假定两种半导体材料具有相同的晶体结构，晶格常数和热膨胀系数，基本说明了电流输运过程。

1968年美国的贝尔实验室和苏联的约飞研究所都宣布做成了GaAs-AlxGa1-xAs双异质结激光器。在70年代里，金属有机物化学气相沉积（MOCVD）和分子束外延(MBE)等先进的材料成长方法相继出现，使异质结的生长日趋完善。

半导体异质结分类

1.根据半导体异质结的界面情况，可分为三种： （1）晶格匹配的异质结。300K时，如： Ge/GaAs(0.5658nm/0.5654nm)

GaAs/AlGaAs（0.5654nm/0.5657nm）、 InAs/GaSb（0.6058nm/0.6095nm） （2）晶格不匹配的异质结 （3）合金界面异质结

2.根据过渡空间电荷分布情况及过渡区宽度的不同：

（1）突变异质结：在不考虑界面态的情况下，从一种半导体材料向另一种半导体材料的过渡只发生于几个原子距离（≤1μm）范围内。

（2）缓变异质结：在不考虑界面态的情况下，从一种半导体材料向另一种半导体材料的过渡发生于几个扩散长度范围内。

3.根据构成异质结的两种半导体单晶材料的导电类型：

（1）反型异质结：由导电类型相反的两种半导体单晶材料所形成的异质结。 如（p）GaAs－（n）AlGaAs

（2）同型异质结：由导电类型相同的两种半导体单晶材料所形成的异质结。 如（n）GaAs－（n）AlGaAs

为了方便讨论两种不同带隙的半导体相接触所形成的异质结在使用符号上作了一些规定，用小写字母n和p表示窄禁带半导体的导电类型，用大写字母P和N表示宽带隙半导体导电类型。例如：p型窄带隙半导体GaAs和n型宽带隙半导体AlGaAs构成的异质结，p－N GaAs－AlGaAs， p型窄带隙半导体Ge和p型窄带隙半导体GaAs， p－p Ge－GaAs。另外，n－P GaAs－GaP， n－N Si－GaP

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异质结界面态

异质结是由两种不同的半导体单晶材料相接触形成的结，这两种材料的晶格常数是不同的，因此会产生晶格失配，在两种半导体材料的交界面处产生了悬挂键。设两种材料的晶格常数分别为a1、a2，且a1

图4-1 异质结界面晶格匹配

在交界面处，晶格常数较小的半导体材料中出现了一部分不饱和的键，这就是悬挂键。晶格失配度定义为：

2（a2-a1）/(a1+a2) （式4-1）

表4-1 几种半导体异质结的晶格失配 异质结 Ge-Si Ge-InP Ge-GaAs Ge-GaP Ge-CdTe Ge-CdSe

异质结中的界面态主要是由于界面处的晶格失配所造成的。悬挂键的存在，是严格按周期性排列的原子所产生的周期性势场受到破坏，可能在禁带中引入允许电子具有的能量状态，即引入了界面态。异质结中的界面态是与悬挂键相对应的，可估算出界面态密度：

NS=NS1－NS2 （式4-2）

NS1、NS2分别为两种材料在交界面处的键密度。对闪锌矿结构的半导体异质结，两种晶体的价键面密度之差可求得结果如下： 11Ns?4(2?2)100界面 a 2 a 1 （式4-3）

11110界面 N s ? 2 2 ) （式4-4） 2 ( 2 ?a2a1

411111界面 N s ? ( 2 （式4-5） ? 2 )3a2a1

即使晶格匹配很好的异质结（如Ga/GaAs），也存在有1012cm-2数量级的界面态密度。

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晶格失配 4.1% 3.7% 0.08% 3.7% 13.5% 21.3％ 异质结 Si-GaAs Si-GaP InSb-GaAs GaAs-GaP GaP-AlP Si-CdS 晶格失配 4% 0.36% 13.6% 3.6% 0.01% 21.6% 化合物半导体高速集成电路 第一章 绪论

为进一步降低界面态密度，有必要使其晶格匹配的更好，这可通过人为控制晶格常数来实现。对Ⅲ－Ⅴ族化合物半导体来说，其晶格常数一般地近似认为随组分做线性变化，因此可用三元或四元化合物半导体制作出晶格匹配非常完美的异质结。另外，除了晶格失配产生界面态以外，由于两种材料的热膨胀情况不匹配，以致引起界面畸变，也可产生界面态。

4.2 半导体异质结的能带突变

异质结的两边是不同的半导体材料，则禁带宽度不同，从而在异质结处就存在有导带的突变量△EC和价带的突变量△EV。 典型的异质结能带突变形式

△EC=EC1－EC2>0 △EV=EV2－EV1>0

△Eg=Eg1－Eg2 = △EC+ △EV

△EC=EC1－EC2<0 △EV=EV2－EV1>0 △Eg= |△EC+ △EV|

△EC=EC1－EC2<0 △EV=EV2－EV1>0 △Eg= |△EC+ △EV|

图4-2 典型异质结能带突变

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能带突变应用：

图 4-3 能带突变应用

图4-3（a）能带突变可以产生若热电子。在许多共振隧穿结构中电子以比集电区费米能级高出几个kT的能量注入集电区，与晶格相比电子是―热‖的。是弹道热电子晶体管（HET）和共振热电子晶体管（RHET）的工作基础。图4-3（b）能带突变是能使电子发生反射的势垒。阻挡电子，形成电子的积累层。图4-3（c）能带突变提供一定厚度和高度的势垒，当势垒很薄时，电子可以隧道穿透它，当势垒较厚时，只有那些能量比势垒高度要大的电子才能越过它。图4-3（d）能带突变是造成一定深度和宽度的势阱，束缚电子，但势阱宽度小于电子德布洛意波长时，阱中的电子将处于一系列的量子化能级上。

能带突变量的实验测定

（1）光学法（光谱法）

通过测量电子在势阱中各分离能级间跃迁而产生的光吸收谱和发射光谱，求出分离能级间的能量，然后计算出能带突变量。1974年，丁格尔(R.Dingle）采用GaAs/Al0.2Ga0.8As异质结，通过测红外吸收谱给出：△Ec＝0.85 △Eg。1984年，Miller采用GaAs/Al0.3Ga0.7As异质结，通过同样方法给出：△Ec＝0.57 △Eg 。

图4-4 量子阱能级

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