半导体p-n结,异质结和异质结构03_

半导体，本征半导体，非本征半导体半导体，本征半导体，非本征半导体 半导体半导体:最外层价电子填满了价带，导带没最外层价电子填满了价带，导带没有电子，有一定带隙宽度。在一定条件下使价带中的电有电子，有一定带隙宽度。在一定条件下使价带中的电子获得能量跃迁到导带中，在价带中形成空穴，在导带子获得能量跃迁到导带中，在价带中形成空穴，在导带中出现电子时，半导体导电。中出现电子时，半导体导电。本征半导体本征半导体:不掺杂的半导体。此时的费米能级不掺杂的半导体。此时的费米能级在带隙的中间。价带中的电子靠热激发或光激发直接跃在带隙的中间。价带中的电子靠热激发或光激发直接跃迁到导带，使空穴和电子的浓度相等。随着温度的升高迁到导带，使空穴和电子的浓度相等。随着温度的升高本征半导体的导电性能变大。本征半导体的导电性能变大。非本征半导体非本征半导体:是掺杂的半导体。由于在价带和导是掺杂的半导体。由于在价带和导带分别加入的空穴和自由的电子，使半导体的导电性能带分别加入的空穴和自由的电子，使半导体的导电性能发生改变。发生改变。如：五价的杂质原子（如：五价的杂质原子（P,As）掺入四价）掺入四价Si后必有一个后必有一个电子成为自由电子运动在导带中，形成电子导电类型的电子成为自由电子运动在导带中，形成电子导电类型的n型半导体。由于有较高能量的自由电子的进入导致原来型半导体。由于有较高能量的自由电子的进入导致原来在带隙中的费米能级逐渐向上移。如果在半导体中加入在带隙中的费米能级逐渐向上移。如果在半导体中加入 三价的杂质原子（三价的杂质原子（B），与硅的结合将有一个键悬空，形），与硅的结合将有一个键悬空，形成空穴，此空穴可以在价带中自由移动，形成了空穴导成空穴，此空穴可以在价带中自由移动，形成了空穴导电类型的电类型的p型半导体，由于有空穴的进入导致原来在带隙型半导体，由于有空穴的进入导致原来在带隙中的费米能级逐渐向下移。中的费米能级逐渐向下移。本征半导体载流子浓度本征半导体载流子浓度ni,p i本征半导体本征半导体:ni=pi=n=p=4.9 E15(me mh/mo）3/4 T3/2 exp(-Eg/2KT)=A T3/2 e(-Eg/2KT)是温度是温度T,禁带宽度禁带宽度Eg的函数的函数,温度越高温度越高,ni越大越大,Eg越宽越宽,ni越小越小T为为3OOK时时,Si:ni=p i=1.4 E10/cm*-3ni pi=1.96 E20/cm-3 杂质半导体杂质半导体ni,电子浓度电子浓度n,空穴浓度空穴浓度p 之间的关系之间的关系n=ni e(Ef-Ei)/kT,P=ni e(Ei-Ef)/kT,ni2=n pEi本征费米能级本征费米能级 Ef杂质费米能杂质费米能,在在n型半导体中型半导体中,np,因此因此,EfEi在在p型半导体中型半导体中,pn,因此因此,EiEfn型型p型半导体的能带结构型半导体的能带结构 EoEcEvEi,EfiEg E fnE fpEsXsWn Wpp-n结形成的内部机理施主和受主,电子和空穴(载流子,移动电荷),空间电荷(固定离子)多数载流子和少数载流子,(载流子的扩散运动,空间电荷区的形成,内建电场的建立),内建电场阻止多数载流子的进一步扩散,增强了少数载流子在反方向的漂移运动,最后达到动态平衡(热平衡,电中性),随温度变化时,平衡被破坏)几个重要参数和概念接触电位差接触电位差:由于空间电荷区存在电场,方向由N到P,因此N区电位比P区高,用V表示,称作接触电位差,它与半导体的类型(禁带宽度),杂质掺杂浓度,环境温度等密切相关,一般为0.几V到 1.几V势垒高度势垒高度:在空间电荷区内电子势能为-qV,因此电子从N区到P区必须越过这个势能高度,该高度称作势垒高度势垒高度PN结的伏安结的伏安(I-V)(I-V)特性特性：I I为流过为流过PN结的电流；结的电流；Is为为PN结的反向饱和电流，与温度和材料有关的参数，结的反向饱和电流，与温度和材料有关的参数，V为外加电压；为外加电压；Vt=kT/q,为温度的电压当量（温度的电压当量（Vt=26mV.），当外加正向电压），当外加正向电压V为为正值且比正值且比Vt大几倍时大几倍时,正向电流随正向电压的增加按指数规律增大正向电流随正向电压的增加按指数规律增大,PN结为正向结为正向导通状态导通状态.外加反向电压即外加反向电压即v为负值，且为负值，且|v|比比Vt大几倍时，大几倍时，PN结只流过很小的反结只流过很小的反向饱和电流，且数值上基本不随外加电压而变，向饱和电流，且数值上基本不随外加电压而变，PN结呈反向截止状态。结呈反向截止状态。由由PN结结的的I/VI/V特性曲线特性曲线得到：得到：PN结结具具有单向导电性和非线性伏安特性有单向导电性和非线性伏安特性.PN结的正向导电性结的正向导电性 在在PN结上外加一电压结上外加一电压 ，如果，如果P型一边接正极型一边接正极 ，N型一边接负极，电流便型一边接负极，电流便从从P型一边流向型一边流向N型一边，空穴和电子都向型一边，空穴和电子都向界面运动，使空间电荷区变窄，甚至消失，界面运动，使空间电荷区变窄，甚至消失，多数载流子在电场的作用下可以顺利通过。多数载流子在电场的作用下可以顺利通过。如果如果N型一边接外加电压的正极，型一边接外加电压的正极，P型一边型一边接负极，则空穴和电子都向远离界面的方接负极，则空穴和电子都向远离界面的方向运动，使空间电荷区变宽，电流不能流向运动，使空间电荷区变宽，电流不能流过。这就是过。这就是PN结的单向导电性。结的单向导电性。PN结加反向电压时结加反向电压时,空间电荷区变宽空间电荷区变宽,电场增电场增强强,阻止了多数载流子的扩散阻止了多数载流子的扩散,而而P区和区和N区的少数载区的少数载流子电子和空穴沿反向电场运动流子电子和空穴沿反向电场运动,产生反向漏电流产生反向漏电流,由于少子是本征激发由于少子是本征激发,它决定于温度而不决定于反它决定于温度而不决定于反向电压向电压,当反向电压增大到一定程度足以把少子全当反向电压增大到一定程度足以把少子全部吸引过来时部吸引过来时,电流达到恒定电流达到恒定,称作反向饱和漏电流称作反向饱和漏电流,当反向电压再增大电流突然增大时当反向电压再增大电流突然增大时,称作称作PN结击穿。结击穿。如果外电路不能限制电流，则电流会大到将如果外电路不能限制电流，则电流会大到将PN结结烧毁烧毁.PN结加反向电压时结加反向电压时,空间电荷区中的正负电荷空间电荷区中的正负电荷构成一个电容性的器件。它的电容量随外加电压构成一个电容性的器件。它的电容量随外加电压改变改变,反向时电容减小正向时电容增大反向时电容减小正向时电容增大.PN结的反向电压特性及电容特性结的反向电压特性及电容特性 半导体同质半导体同质p-n结结,异质结的形成异质结的形成 采用不同的掺杂工艺采用不同的掺杂工艺,将将P型半导体与型半导体与N型半型半导体制作在同一块半导体上导体制作在同一块半导体上,在它们的交界面就形成空在它们的交界面就形成空间电荷区称间电荷区称PN结。结。一块单晶半导体中一块单晶半导体中 ，一部分掺有受，一部分掺有受主杂质是主杂质是P型半导体，另一部分掺有施主杂质是型半导体，另一部分掺有施主杂质是N型半型半导体时导体时 ，P 型半导体和型半导体和N型半导体的交界面附近的过型半导体的交界面附近的过渡区称渡区称PN结。结。PN结有同质结和异质结两种。用同一种半导体材结有同质结和异质结两种。用同一种半导体材料制成的料制成的 PN 结叫同质结结叫同质结 ，由禁带宽度不同的两种，由禁带宽度不同的两种半导体材料制成的半导体材料制成的PN结叫异质结。结叫异质结。制造同质制造同质PN结的方法有合金法、扩散法、离子注结的方法有合金法、扩散法、离子注入法、外延生长法等。入法、外延生长法等。制造异质结通常采用外延生长法制造异质结通常采用外延生长法。PN结的应用结的应用 根据根据PN结的材料、掺杂分布、几何结构和偏置条件的不同，利用结的材料、掺杂分布、几何结构和偏置条件的不同，利用其基本特性可以制造多种功能的晶体二极管。其基本特性可以制造多种功能的晶体二极管。1.用用PN结单向导电性可以制作整流二极管、检波二极管和开关二结单向导电性可以制作整流二极管、检波二极管和开关二极管，极管，2.利用击穿特性制作稳压二极管和雪崩二极管；利用击穿特性制作稳压二极管和雪崩二极管；3.利用高掺杂利用高掺杂PN结隧道效应制作隧道二极管；结隧道效应制作隧道二极管；4.利用结电容随外电压变化效应制作变容二极管利用结电容随外电压变化效应制作变容二极管;5.将半导体的光电效应与将半导体的光电效应与PN结相结合还可以制作多种光电器件。结相结合还可以制作多种光电器件。如利用前向偏置异质结的载流子注入与复合可以制造半导体激光二极如利用前向偏置异质结的载流子注入与复合可以制造半导体激光二极管与半导体发光二极管；管与半导体发光二极管；6.利用光辐射对利用光辐射对PN结反向电流的调制作用可以制成光电探测器；结反向电流的调制作用可以制成光电探测器；7.利用光生伏特效应可制成太阳电池利用光生伏特效应可制成太阳电池;8.利用两个利用两个PN结之间的相互作用可以产生放大，振荡等多种电子结之间的相互作用可以产生放大，振荡等多种电子功能功能;PN结是构成双极型晶体管和场效应晶体管的核心，是现代微电子结是构成双极型晶体管和场效应晶体管的核心，是现代微电子技术、光电子技术的基础。技术、光电子技术的基础。半导体半导体异质结异质结基本基本概念：概念：异质结异质结就是一种半导体材料生长在另一种就是一种半导体材料生长在另一种半导体材料上所形成的接触过渡区。依照两种半导体材料上所形成的接触过渡区。依照两种材料的导电类型分同型异质结（材料的导电类型分同型异质结（P-p结或结或N-n结）结）和异型异质和异型异质(P-n或或p-N)结。结。按照两种材料晶格常按照两种材料晶格常数的失配程度，异质结可分为两类，即匹配型数的失配程度，异质结可分为两类，即匹配型异质结和失配型异质结和失配型异质结，由于异质结，由于两种异质材料具两种异质材料具有不同的物理化学参数（如电子亲和势、有不同的物理化学参数（如电子亲和势、能带能带结构结构、介电常数、晶格常数等）、介电常数、晶格常数等）,接触界面处产接触界面处产生各种物理化学属性的失配，使异质结具有许生各种物理化学属性的失配，使异质结具有许多不同于同质多不同于同质PN结的新特性。结的新特性。异质结的能带结构异质结的能带结构 半半导体异体异质结构一般是由两构一般是由两层以上不同材料所以上不同材料所组成，它成，它们各各具不同的能具不同的能带隙。隙。研究研究较多的多的是是GaAs 化合物、化合物、SiGe之之类的半的半导体合金体合金,目前按异目前按异质结中两种材料中两种材料导带和价和价带的的对准情况可以准情况可以把异把异质结分分为型异型异质结和和型异型异质结两种，两种异两种，两种异质结的能的能带结构如构如图所示。所示。半半导体异体异质结构的基本特性构的基本特性 半半导体异体异质结构，是将不同材料的半构，是将不同材料的半导体薄膜，依先后次序体薄膜，依先后次序外外延淀延淀积在同一在同一衬底上。如底上。如图所述的是利用半所述的是利用半导体异体异质结构所作成的构所作成的半半导体激光器体激光器 基本特性：基本特性：量子效量子效应：因中因中间层的能的能阶较低，低，电子很容易掉落下来被局限在中子很容易掉落下来被局限在中间层，而中而中间层可以只有几可以只有几nm的厚度，因此在如此小的空的厚度，因此在如此小的空间内，内，电子的子的 特性会受到量子效特性会受到量子效应的影响而改的影响而改变。例如：能。例如：能阶量子化、基量子化、基态能量能量增加、能增加、能态密度改密度改变等，其中能等，其中能态密度与能密度与能阶位置，是决定位置，是决定电子特子特性很重要的因素。性很重要的因素。迁移率迁移率(Mobility)变大：大：半半导体的自由体的自由电子主要是由于外加子主要是由于外加杂质的的贡献，因此在一般的半献，因此在一般的半导体体材料中，自由材料中，自由电子会受到子会受到杂质的碰撞而减低其行的碰撞而减低其行动能力。然能力。然 而在异而在异质结构构中，可将中，可将杂质加在两加在两边的的夹层中，中，该杂质所所贡献的献的电子会掉到中子会掉到中间层，因其，因其有有较低的能量（如低的能量（如图所示），因此在空所示），因此在空间上，上，电子与子与杂质是分开的，所以是分开的，所以电子的行子的行动就不会因就不会因杂质的碰撞而受到限制，因此其迁移率就可以大大增加，的碰撞而受到限制，因此其迁移率就可以大大增加，这是高速是高速组件的基本要素。件的基本要素。发光光二极管二极管组件件(light emitting devices,LED)：因因为半半导体异体异质结构能将构能将电子与空穴局限在中子与空穴局限在中间层内，内，电子与空穴的复合率因而增加，所以子与空穴的复合率因而增加，所以发光的效率光的效率较大；同大；同时改改变量子井的量子井的宽度亦可以控制度亦可以控制发光的光的频率，所以率，所以现今的半今的半导体体发光光组件，大都是由异件，大都是由异质结构所构所组成的。半成的。半导体异体异质结构构发光光组件，相件，相较其它其它发光光组件，具有高效率、省件，具有高效率、省电、耐用等、耐用等优点，因此点，因此应用广泛。用广泛。激光激光二极管：二极管：半半导体体激光激光二极管的基本构造，与二极管的基本构造，与发光光组件极件极为类似，似，只不只不过激光激光是二极管必是二极管必须考考虑到受激到受激发光光与共振的条件。与共振的条件。使用半使用半导体异体异质结构，因构，因电子与空穴很容易掉到中子与空穴很容易掉到中间层，因此因此载子数目反子数目反转较易达成，易达成，这是具有受激是具有受激发光的必要条光的必要条件，而且件，而且电子与空穴被局限在中子与空穴被局限在中间层内，其内，其结合率合率较大。大。此外，两旁此外，两旁夹层的折射率与中的折射率与中间层不同，因而可以将光局不同，因而可以将光局限在中限在中间层，致使光不会流失，而增加激光，致使光不会流失，而增加激光强强度，异度，异质结构很适合制作激光器，有很大的构很适合制作激光器，有很大的优点。点。若干半导体杂质掺杂的一些考虑若干半导体杂质掺杂的一些考虑12关于关于Au/ZnO/Si异质结能带结构异质结能带结构器件结构图器件结构图Au/n-ZnO/p-SiAu/n-ZnO/p-Si新型肖特基结新型肖特基结-异质结构异质结构 紫外增强光电晶体管紫外增强光电晶体管 新新型型肖肖特特基基结结-异异质质结结 紫紫外外增增强强光光电电晶晶体体管管，半半导导体体学学报报英英文文版版刊刊登登认认为论文有新意，并在重要位置（第二篇）刊登为论文有新意，并在重要位置（第二篇）刊登 该该新新型型光光电电探探测测器器增增强强了了SiSi光光电电探探测测器器在在紫紫外外（UVUV）波波长长的的响响应应灵灵敏敏度，具有重要研究价值度，具有重要研究价值C-V characteristics of Au/n-ZnO SBDAu/n-ZnO SBDPhoto-current response with optical wavelength不同衬底不同衬底Si材料的材料的ZnO异质结异质结IV及光电特性研究及光电特性研究 采用采用PLD技技术和微和微电子平面工子平面工艺，用不同表面，用不同表面掺杂的的Si作作为衬底制底制备了了ZnO/Si异异质结，另外，另外为改改善异善异质结特性，以特性，以p-Si(p-)为衬底底尝试制制备了了ZnO（含（含Mn0.2）/Si结构、以及包含构、以及包含SiC缓冲冲层的的ZnO/SiC/Si和和ZnO（含（含Mn0.2）/SiC/Si结构。构。测试了了样品的品的XRD曲曲线，IV特性曲特性曲线和和PE（光（光电响响应）特性曲）特性曲线，研究，研究样品作品作为二极管，光探二极管，光探测器的器的性能。性能。样品制品制备第第一一组ZnO/Si异质结样品(1)(4)：准备四种不同表面掺杂的Si材料作为衬底。分别为样品(1)n-，电阻率=4.06cm。样品(2)p+，=16.8mcm。样品(3)p-，=11.126cm。样品(4)n+，=6.6mcm。工艺流程如下：清洗后将衬底氧化（温度1050，干氧10min湿氧40min干氧10min）生成SiO2外延，去除背底SiO2。干燥后光刻出圆形有源区，圆孔直径为500m。然后采用PLD技术在样品表面制备高质量ZnO薄膜。PLD工艺采用德国Lamda Physik公司的LPXKRF受激准分子激光器(excimer laser)，输出波长为248 nm，脉宽20ns，频率5Hz，功率200mj/pulse，通过透镜以45度角聚焦在靶上，靶材为高纯ZnO陶瓷靶，直径32mm。抽真空至6.2104Pa后，通入O2至20Pa，在700下轰击靶材60min，生成ZnO薄膜厚约800nm，并在有源区反刻出圆形ZnO（稍大于有源区图形）。接着表面蒸Al，Al膜厚约1m，再在有源区反刻圆形Al（稍大于ZnO图形）。最后将样品放在N2气氛中530高温下退火15min。初步测试后切片，背底固定到Al电极，引线焊接，封装。器件结构如图第二第二组掺Mn和包含SiC缓冲层的异质结样品A、B、C所用Si衬底表面掺杂为p-，电阻率为10.3111.31cm。工艺如下：SiC缓冲层，PLD参数：靶材为纯SiC，温度550，轰击时间3min，6.2104Pa真空；然后在所有样品表面一起用PLD方法生成ZnO薄膜，PLD参数：A、靶材为纯ZnO，温度550，轰击时间15min，6.2104Pa真空；B、靶材为ZnO（0.2Mn），温度550，轰击时间15min，0.13Pa氧偏压；C、靶材为ZnO（0.2Mn），温度550，轰击时间60min，0.13Pa氧偏压。（注：制备第二组样品时PLD工艺相关参数，没有特别注明的部分默认为与第一组的参数相同。）再将所有样品表面蒸金，膜厚约45nm，套刻Au和ZnO，反刻出圆形图案，圆孔直径500m。最后将样品放在N2气氛中530高温下退火15min。初步测试后切片，背底固定到Al电极，引线焊接，封装。器件结构如图第二组样品A、B器件结构 第二组样品C器件结构IV特性特性所有样品中(1)、(4)是以ZnO作为异质结的正向端，其余的则相反。这是因为PLD制成的ZnO为弱n型，而样品(1)、(4)衬底为n-Si，其他为p-Si。图中可见样品(1)、(4)具有很好的反向特性很小的反向漏电流，其他器件的反向漏电流都很大而且随反偏压增大迅速增强，反向曲线呈阻性。样品A因为SiC缓冲层的存在，具有很高的反向击穿电压。除样品B外其他样品正向曲线都很陡峭。样品B正反向曲线都不理想且具有较高的开启电压。第一组样品的IV曲线第二组样品的IV曲线光生伏特效光生伏特效应 采用HITACHI M850荧光分光光度计产生入射光测量异质结零偏压下光谱响应特性，其准确有效的波长范围200600nm，准确度0.2nm，各波长出射功率均为6.5W。用Yokogama 3036 X/Y recorder记录异质结两端的光生电压随入射波长的变化。对比曲比曲线易知，第一易知，第一组三种三种样品的光生品的光生电压强强度从大到小依次是度从大到小依次是(2)、(1)、(3)，其中，其中p-Si(p+)衬底的底的样品品(2)光光电响响应明明显比比较强强；n-Si(n-)衬底的底的样品品(1)光光电响响应强强度略高于度略高于p-Si(p-)衬底的底的样品品(3)，但，但还需考需考虑制制备工工艺粗糙粗糙带来的来的误差（切片大小不均匀，差（切片大小不均匀，压焊电极极时对金属膜的影响，分金属膜的影响，分别制制备的的ZnO存在的差异等）；第二存在的差异等）；第二组样品品A的响的响应远强强于于样品品B，应该是是样品品B中中ZnO的非晶的非晶态导致迁移率降低的致迁移率降低的缘故。第二故。第二组光光电响响应强强度度远高于第一高于第一组，是由于表面金属膜厚差异太大。是由于表面金属膜厚差异太大。容易容易发现，相比其他几种，相比其他几种样品，品，样品品(1)的的PE曲曲线有明有明显的差的差别，最，最强强峰在峰在417nm，在，在261nm有峰的存在，有峰的存在，323nm峰被加峰被加强强，468nm峰被抑制，峰被抑制，在波在波长大于大于470nm的区域仍然有的区域仍然有强强而且平而且平缓的光生的光生电压；而其他几种；而其他几种样品品的的PE曲曲线图形比形比较一致，最一致，最强强峰在峰在470nm左右，左右，对470nm之后光的响之后光的响应随着波随着波长的增大而迅速减弱，但的增大而迅速减弱，但还存在几个很小的峰。存在几个很小的峰。图中中样品品(1)所用所用衬底的是底的是n-Si，其他的都是，其他的都是p-Si，PE曲曲线的差异的差异产生生应当与当与这有关，但具有关，但具体原因体原因还有待有待进一步考一步考证。从。从图中可以很明中可以很明显地看到，地看到，样品品(1)在增在增强强了了对紫外光探紫外光探测性能的同性能的同时，保持了，保持了对可可见光的灵敏度，更适合作光的灵敏度，更适合作为大波段区大波段区间的光探的光探测器。器。后面四条曲后面四条曲线从从450nm到到600nm区区间的的图形非常一致。但相形非常一致。但相对于于样品品(2)、(3)，在，在样品品A、B中中360nm、470nm峰被抑制，峰被抑制，420nm峰被加峰被加强强，观察到察到了了325nm峰的存在，峰的存在，这些特征跟些特征跟图(1)相似。可知添加相似。可知添加SiC缓冲冲层进一步弱化一步弱化了了p-Si(p-)的的掺杂特性，使得特性，使得ZnO/p-Si异异质结光光电谱呈呈现出一些出一些ZnO/n-Si异异质结光光电谱的特征。的特征。采用采用Au/n-ZnO/p-SiC 肖特基肖特基/异质结的异质结的UV光电探测器的研究光电探测器的研究 新型结构的新型结构的Au/n-ZnO/p-SiC紫外探测器内部结构剖面紫外探测器内部结构剖面图，在图，在p-SiC衬底上外延生长衬底上外延生长n-ZnO作为异质结构，再电子作为异质结构，再电子束蒸发束蒸发Au作肖特基结构作肖特基结构,紫外探测灵敏度是紫外探测灵敏度是SBD结构的结构的5倍倍不同偏压下的紫外光电响应曲线200-400nm，光电响应灵敏度随偏压的升高，在12V左右，有非常平坦的响应半导体光电探测器的若干结构类型半导体光电探测器的若干结构类型