GaAs化合物半导体及高速集成电路(5)

化合物半导体高速集成电路 第一章 绪论

（2）电学方法

使用电学方法测量带阶时，由于同型异质结和反型异质结的能带分布不同，因此具有不同的计算方法。

根据异质结的能带图可以推导出导带带阶和异质结势垒高度qVD、费米能级与两种材料临近的导带底或价带顶的差δ1和δ2的关系公式：

反型异质结：△EC＝qVD－Eg1＋δ2＋δ1 同型异质结：△EC＝qVD＋δ2－δ1

构成异质结的两种材料及掺杂浓度确定，根据半导体物理的知识可求出导带带阶。 （3）光电发射谱法

在GaAs衬底上生长几纳米 AlAs，使用X光照射异质结，通过测量其发射谱可得到GaAs价带顶能级Ec1与EGa3d的差E1，及E2和△EB，因而价带带阶为：

E1+ △EB－E2＝ △Ev

图 4-5 GaAs/AlA异质结能级

4.3 半导体异质结能带图

不管什么类型的异质结，在研究异质结特性的时候，异质结的能带图都起着非常重要的作用，它是分析很多物理现象的基础。

所谓能带图就是异质结界面两侧的导带最低值和价带最高极值的能量随坐标的变化。在不考虑两种半导体交界面处界面态的情况下，任何异质结的能带图都取决于形成异质结的两种半导体的电子亲和能Х，禁带宽度Eg，以及功函数φ。

反型异质结

先以p-N GaAs－AlGaAs异质结为例介绍一下异质结的能带图。先看一下两种材料形成异质结之前的能带图。

图4-6 p-N GaAs、AlGaAs能带

异质结能带图中各个量代表的物理意义：

E0：真空能级。表示电子跑出半导体进入真空中所必须具有的最低能量，对所有材料都

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是相同的。

Χ：电子亲和势。是一个电子从导带底移动到真空能级所需的能量，由材料的性质决定，和其他外界因素无关。

φ：功函数。表示将一个电子从费米能级EF处转移到真空能级所需的能量。费米能级的高度与半导体所掺杂质的类型和浓度有关。

Eg1、Eg2分别表示两种半导体材料的禁带宽度；δ1为费米能级EF1和价带顶Ev1的能量差，δ2为费米能级EF2与导带底Ec2的能量差。 由图可知：

两种半导体导带底的阶跃

△EC＝Χ1－Χ2，即相应亲和势之差 价带顶的阶跃

△EV＝Eg2－Eg1－△EC

＝ Eg2－Eg1－Χ1+Χ2

△EC、△EV由材料性质决定，与外界因素无关。

当两块不同的半导体紧密接触而形成异质结时，为使体系达到平衡，必将发生电子的转移，直至体系中各处的费米能级完全一致为止。与同质p-n结的情况一样，电子的转移会导致界面附近能带发生弯曲。先考虑理想异质结的情况，即忽略界面态的影响。 认为形成异质结的两种材料都为理想材料，作如下假设： （1）两种材料从界面倒其内部保持自己的特性 （2）只有在界面处材料才发生突变 （3）忽略界面的电偶夹层等

在零偏压下，接触界面上的费米能级要相等，发生载流子扩散运动，界面附近留下一个空间电荷区（耗尽区或者势垒区）。在热平衡下，即载流子的扩散运动和漂移运动达到平衡时，产生了一个内建电场，电势差满足： qVD=EF2-EF1;

P型空间电荷区中的扩散电位为：

qNA2

V1?xp2?1?0

其中NA为p型区掺杂浓度，xp为p型空间电荷区宽度，ε1、ε0分别为相对介电常数

和真空介电常数。

N型空间电荷区中的扩散电位为：

qND2

V2?xn2?2?0 其中ND为N型区掺杂浓度，xn为N型空间电荷区宽度，ε2、ε0分别为相对介电常数

和真空介电常数。

整个半导体满足电中性条件，势垒区内正负电荷总量相等，即： qN A x p ? qN D x n ? NAxp?NDxn 2??xV?N?N ?2?1D?n??1A?V1?2NA??2ND ?xp?热平衡下异质结的空间电荷区电容可给出为：

qNDNA?1?2C?

2??2ND??1NA?VD

形成异质结后能带图如图4-7所示：

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图 4-7 p-N GaAs－AlGaAs异质结能带图

图4-7可反映出异质结能带两个特点： （1）能带发生了弯曲

N型区在导带底和价带顶的弯曲量为qVD2，且导带底在界面处形成―尖峰‖ P型区在导带底和价带顶的弯曲量为qVD1，且价带顶在界面处形成―凹口‖ （2）能带在交界面处不连续，有一个突变 导带断续 △EC＝Χ1－Χ2

价带断续 △EV＝Eg2－Eg1－△EC＝ Eg2－Eg1－Χ1+Χ2

势垒尖峰的位置处于势垒上的什么部位将由两边材料的相对掺杂浓度来决定．有可能出现如下图所示的几种情况：

（a） （b）

（c）

（d）

图4-8 不同掺杂浓度p-N异质结能带结构示意图

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图4-8（a）当宽带掺杂比窄带少得多时，势垒主要落在宽带区；图4-8（b） p-N两边掺杂差不多时，势垒尖峰在平衡时并不露出p区的导带底。图4-8 (c)所示，窄带掺杂比宽带少得多时势垒主要降在窄带区，尖峰靠近势垒的根部。图4-8（d）所示，如果宽带隙材料为p型掺杂,窄带隙材料n型掺杂,势垒的尖峰将出现在价带上,ΔEV将对空穴起限制作用。

反型异质结的能带图远不止上述几种。可能碰到Χ1和Χ2，Φ1和φ2的各种组合的情况不下十余种。图4-9列举了四种常见的能带排列。

图4-9 常见反型异质结能带结构

同型异质结能带图：

能带总的弯曲量即为真空能级的弯曲量，图4-10（a）所示n-N型异质结能带―尖峰‖出现在导带，图4-10（b）所示p-P型同质结能带尖峰出现在价带 。

（a） （b）

图4-10 n-N型异质结能带

与反型异质结的能带图类似,同型异质结能带图也远不止上述几种。图4-11列举了四种常见的同型异质结能带排列:

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图4-11 典型同型异质结能带图

异质结界面态

异质结界面的晶格失配或其它缺陷将产生界面能级．界面

能级一般可分为两种类型：一种是类施主能级，电离后带正电；一种是类受主能级，电离后带负电。无论界面能级是类施主或是类受主型的都不影响异质结能带图的基本形状。界面能级对能带图的影响与界面态密度的大小和界面态能级的性质有关。可分为两种情况讨论 （1）界面态密度较小时

图4-12 界面态密度较小的异质结能带图

（2）界面态密度很大时

能带弯曲的方向要受界面电荷的影响。如果界面上存在着大量的类受主能级，因它们电离后带负电荷，异质结的能带图将如下图：

图4-13 界面存在大量负电荷异质结能带图

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