先进半导体材料与器件Chapter2（Ⅱ）

Chapter2 半导体异质结（Ⅱ）

作者：毛茏玮 / Saint
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四． 异质结外延技术

1.外延的基本概念与特征
2.简介外延技术的基本原理
3.外延生长的方法及应用
4.总结

外延的基本概念与特征
外延（Epitaxy）：“Epi”意为“在上”，“taxis”意为“排列”；也就是说，外延是在合适的衬底上，沿衬底的晶向生长晶体。

外延生长是在的衬底上沿衬底的晶向生长晶体。同质外延–生长与衬底材料相同的单晶薄膜（Si on Si） ，异质外延–生长与衬底材料不同的单晶薄膜（GaAs on Si）。

外延技术的特点

外延是一种生长单晶薄膜的有效方法
外延需要作为种子晶体(Seed crystal)的单晶衬底；外延单晶薄膜是沿衬底某个指数晶面方向生长的；外延可分为同质外延(Homoepitaxy) 和异质外(Heteroepitaxy).

外延技术的优点

外延单晶薄膜比体单晶材料在纯度和性能上有明显的改善。
可以制造很难用其它方法制造的大面积或特殊材料的单晶薄膜。
外延工艺将材料制备和器件制造工艺统一安排，有利于提高器件的成品率和稳定性，并为研制新的电子器件提供了新的途径。

外延生长的过程
简介外延技术的基本原理
生长动力学模型:物理气相沉积PVD;热力学平衡模型:化学气相沉积CVD.

半导体材料外延生长采用的三种方法:
应变力外延生长
外延生长的三种模式:
（1）层状生长-当基体和薄膜之间的原子交互作用比薄膜内部原子交互作用强，这种模式亦可称作二维（2D）（简称F-vdM）模式。
（2）直接岛状生长，亦称三维（3D）或Volmer- Weber （简称V-W）模式。
（3）混合生长，亦称Stranski-Krastanow （简称S-K）模式。

异质结外延技术及应用

液相外延 Liquid-Phase Epitaxy (LPE)
气相外延 Vapor-Phase Epitaxial (VPE)
分子束外延 Molecular Beam Epitaxy (MBE)
金属有机气相沉淀 Metalorganic Chemical Vapor Deposition (MOCVD)

分子束外延

1.MBE系统介绍
2.MBE的原理
3.MBE的应用

分子束外延（MBE）系统
分子束外延（MBE）：在超高真空下精确控制原材料的中性分子细流即分子束强度，把分子束射入被加热 的衬底上来而进行外延生长。

MBE装置主要由预处理室（样品室）、生长室、分子束喷射源（Cell）、超高真空系统（ 各种真空泵、真空阀组成）和各种监控仪器(反射高能电子衍射仪、四极质谱仪) 、磁性操纵杆组成。

MBE的基本过程
超真空（<10-8Pa）的外延生长室系统

相对地放置加热的衬底和几各分子束源炉（组成化 合物和掺杂剂的各种元素如GaAs的Ga、As和Si、Be 等）

源炉的挡板（shutter）控制源炉的分子束（或原 子）的开启和关闭

源炉的分子（或原子）以一定的热运动速度和一定 的束流强度比例喷到加热的衬底表面

表面的相互作用（包括在表面的迁移、分解、吸附 和脱附等）并进行单晶薄膜的生长

MBE的基本原理
动力学过程控制生长:物理吸附到表面移动、发生解离、化学吸附（形成化合物）；或物理吸附、表面移动、脱附。
MBE 生长的特点
需要高真空(10-8Pa )、液氮和高纯源 可控外延材料的背景浓度
可实现低温外延
可精确控制外延材料组分
可形成平整（ Abrupt ）的界面可实时的原位监测
MBE生长是动力学过程

MBE的应用

外延出高晶体质量、高附加价值的半导体薄膜，应用在光电和通讯电子元件结构，并有助于表面科学对于薄膜外延生长的研究。

研究纳米生长技术，生长出复杂结构、特殊结晶的纳米结构，对于全球科技趋向纳米化， 提供相当大的产学价值。

金属有机化学气相淀积

1.MOCVD系统介绍
2.MOCVD的原理
3.MOCVD的应用

金属有机化学气相淀积
用氢气或氮气将金属有机物蒸汽和气态非金属 氢化物送入反应室，然后利用热来分解化合物进行的气相外延的技术。
MOCVD的原理

需要生长材料的金属有机源(precursors)首先混合，然后通过一个加热的衬底。
源分子热裂解后留下原子比如 Ga and As 原子在衬底表面。原子与衬底表面，新的结晶体形成如GaAs。

MOCVD生长的特点

不需要高真空、需要高纯的反应源和载气可形成大面积均匀薄膜
可实现高温外延
可精确控制外延材料组分
可形成平整（ Abrupt ）的界面可实时的原位监测
MOCVD生长是热力学过程

MOCVD的应用

MOCVD 是制备许多器件的关键程序
光纤通讯里的有源光器件无线通讯里的高频器件、光电子器件
高亮度LEDs（红、黄、绿，蓝还有白光） 空间用的太阳能电池

总结:

外延是非常有用的技术当生长材料有严格要求时，比如：
–高纯
–低缺陷密度
–平整(Abrupt)界面
–精确控制掺杂分布
–高重复性与一致性
–安全，操控性强
能够构成、新的清洁材料与器件结构

五．量子阱与二维电子气

1.二维电子气(2DEG)的形成(Two-Dimensional Electron Gas)
2.二维电子气的能态
3.二维电子气的态密度
4.二维电子气的输运

1.二维电子气的形成
量子阱能够对电子的运动产生某种约束并使其能量量子化的势场，即称为量子阱。

二维电子气指在两个方向上可以*运动，而在第三个方向上的运动受到限制的电子群。
2.二维电子气的能态

调制掺杂异质结界面导带边示意图
在异质界面，如Si/SiO2 界 面 ， GaAs/AlGaAs界面附近的势阱通常都是类三角势阱。这是半导体电子器件问题中最常见的情形之一。

电子在势阱中的波函数和能量本征值应满足薛定谔方程,势模型对应的波函数为Airy函数，由此势模型可得诸能级位置,电子在界面三角势阱的状态是量子化的，z方向上能量的本征值为:

以上讨论电子在一维势阱中的运动时，忽略了电子在x，y平面。如果在考虑平行于界面的平面内运动，2DEG的总能量E=Ez+Ex,y


对应于各个分立的能值Ez即，形成一系列的色散关系相同的准二维子带如图，称为子能带； 2DEG就处于各个子能带中。

3.二维电子气的态密度
二维能带的等能线在k空间是一个圆：
那么二维电子气的能态密度可以表示为：

几种异质界面 2DEGs的性质
4.电场下二维电子气的输运

二维电子气的散射
电离杂质散射、晶格散射、界面粗糙度散射、合金无序散射。

散射的本质是晶体的周期势场因附加势场而受到了破坏，最终表现为载流子在速度和方向上发生了改变。附加势场往往来自于杂质原子、缺陷、 晶格原子振动等。

Si/SiO2界面2DEG的散射

由于Si/SiO2界面十分粗糙，载流子要经受强烈的表面粗糙散射。除表面粗糙散射之外，电子也会受到晶格散射和电离杂质（库仑中心）的散射。

表面粗糙散射的强弱依赖于波函数z向（在垂直界面的空间）扩展，沟道愈窄，波函数z向扩展愈窄，表面粗糙散射的影响愈大。

由于表面粗糙散射的相对重要性以及它对反型载流子面密度Ninv的依赖，可以用Ninv电与迁移率在各种温度下的关系来展 现几种主要散射机制的作用。

在Ninv很大，表面粗糙散射起支配作用（对温度不敏感）：迁移率在高温趋于一致；

在中等Ninv下，表面粗糙的作用相对减弱，晶格散射起作用
（对温度敏感） ：迁移率随温度升高而降低；

在更小的Ninv下，温度升高迁移率升高：电离杂质散射相关。

总结：

低温下，电离杂质散射、界面粗糙度散射室温下，晶格散射
低Ninv下，电离杂质散射、晶格散射

调制掺杂异质结构和远程库仑势散射

结构特点：
只在势垒材料中作施主掺杂， 沟道中的导电电子来自势垒 材料中的施主，而留下一耗尽层。
优点：
由于沟道中电子和其母体在空间上的分离，其所受到的电离杂质散射大大减弱，迁移率可以得到显著提高 。

六．多量子阱与超晶格

1.多量子阱与超晶格的基本概念
2.超晶格的能带结构
3.超晶格的微带输运

半导体超晶格的基本概念
超晶格-Superlattices(SL)
它是一种人造晶格；由几种成分或掺杂不同的半导体薄层材料做成周期性的多层结构而形成的一种特殊晶体；各薄层的厚度与电子的de Broglie波长相当
半导体超晶格的意义：

*将原子级的量子效应扩展到纳米级
*能够实现人工剪裁能带结构的晶体

半导体超晶格的分类：

能带的相对位置（组分超晶格）：I型超晶格、II型超晶格、 III型超晶格
应变超晶格、掺杂超晶格、低维超晶格

生长在同一块单晶上的大量重复相间的组分不同的薄层， 每层的厚度很小，都可以和电子的德布罗意波长相比。

掺杂超晶格：
由材料相同但掺杂类型不同的大量重复相间的薄层生长在同一块单晶上所形成。

总结：
半导体超晶格与多量子阱的区别：相邻势阱中的电子互相耦合

量子阱发生耦合的条件是：超晶格的周期d应小于相干涉长度

超晶格可以看成由周期性排列的、通过隧道效应耦合的大量的量子阱构成

半导体超晶格的能带结构——垂直于表面方向Ez～kz关系
类似于在晶体的周期势场中电子能带的形成，超晶格的周期势也使原来的由有效质量描述的抛物型E～kz关系断裂为许多子能带，也称微带。
超晶格特点：超晶格微带、布里渊区变窄(a/d)、能带折叠

半导体超晶格能带特点

（1）允带为小能带
（2）在 kz=nπ/d处出现禁带（n等于正负1，正负2…）
（3）势阱深度u和超晶格周期d决定允带和禁带宽度。

超晶格的微带输运

布洛赫(Bloch)振荡

布洛赫曾经预言，当电子在加有电场的周期性晶体中运动时，在倒格子空间中达到布立渊(Brillouin)区的边缘，经受布拉格反射， 形成频率为W=aqE/ħ的周期性运动，这就是所谓的布洛赫振荡。

给晶体加上一个静电场ε， 固体中的电子就会被加速， 在完整周期结构中由于不存在散射，电子在k空间的运动可表示为

电子从简约布里渊区的一端移出，又会从简约布里渊区的另外一端进来。电子在k空间中每穿过简约布里渊区一次，就马上重复原来的运动，这个过程就叫做Bloch振荡