异质结发展现状及原理

异质结发展现状及原理

pn结是组成集成电路的主要细胞。50年代pn结晶体管的发明和其后的发展奠定了这一划时代的技术革命的基础。pn结是在一块半导体单晶中用掺杂的办法做成两个导电类型不同的部分。一般pn结的两边是用同一种材料做成的(例如锗、硅及砷化镓等)，所以称之为“同质结”。如果把两种不同的半导体材料做成一块单晶，就称之为“异质结“。结两边的导电类型由掺杂来控制，掺杂类型相同的为“同型异质结”。掺杂类型不同的称为“异型异质结”。另外,异质结又可分为突变型异质结和缓变型异质结,当前人们研究较多的是突变型异质结。

1 异质结器件的发展过程

pn结是组成集成电路的主要细胞,50年代pn结晶体管的发明及其后的发展奠定了现代电子技术和信息革命的基础。

1947年12月,肖克莱、巴丁和布拉顿三人发明点接触晶体管。1956年三人因为发明晶体管对科学所做的杰出贡献,共同获得了科学技术界的最高荣誉——诺贝尔物理学奖。

1949年肖克莱提出pn结理论,以此研究pn结的物理性质和晶体管的放大作用,这就是著名的晶体管放大效应。由于技术条件的限制,当时未能制成pn结型晶体管,直到1950年才试制出第一个pn结型晶体管。这种晶体管成功地克服了点接触型晶体管不稳定、噪声大、信号放大倍数小的缺点。

1957年,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。

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联的约飞研究所都宣布做成了双异质结激光器。

1968年美国的贝尔实验室和RCA公司以及联的约飞研究所都宣布做成了GaAs—AlxGal—。As双异质结激光器l；人5)．他们选择了晶格失配很小的多元合金区溶体做异质结对．

在70年代里，异质结的生长工艺技术取得了十分巨大的进展．液相夕随(LPE)、气相外延(VPE)、金属有机化学气相沉积(MO—CVD)和分子束外延(MBE)等先进的材料生长方法相继出现，因而使异质结的生长日趋完善。分子束外延不

仅能生长出很完整的异质结界面，而且对异质结的组分、掺杂、各层厚度都能在原子量级的围精确控制。

2 异质结的结构、原理、

异型异质结

两块导电类型不同相同的半导体材料组成异质结称为异型异质结，有pN和Pn 两种情况，在这里只分析pN异质结。两种材料没有接触时各自的能带如图所示。接触以后由于费米能级不同而产生电荷转移，直到将费米能级拉平。这样就形成了势垒，但由于能带在界面上断续，势垒上将出现一个尖峰．如图3．2m。我们称这一模型为Anderson模型。

理想pN突变异质结的能带图

同型异质结

两块导电类型相同的半导体材料组成异质结称为同型异质结，有nN型和pP型两种。处理同型异质结的能带图要比处理异型异质结困难一些，因为在异型异质结中界面两边的势垒都可以看成为耗尽，但在同型异质结中界面两边的载流子类型相同。下图3．7是nN异质结的能带图。窄带一边是电子的积累层，自由载流子对电荷有贡献的，情况比较复杂。

nN型异质结能带图

半导体异质结的应用：

1、半导体异质结激光器

半导体异质结激光器是第一个做得最成功的并能付之实用的异质结器件。1967年利用液相外延的方法制成了单异质结半导体激光器, 实现了在室温下脉冲工作, 其阐值电流密度比同质结半导体激光器降低了一个数量级。1970年, 贝尔实验室的研究工作者又一举实现了双异质结构的半导体激光器, 使半导体激光器出现了划时代的进展—在室温下连续工作, 并使闭值电流密度又降低了一个数量级阎.。双异质结是在禁带较窄的半导体激活层(发光层)两边连接宽禁带材料形成的。

经过几十年来的研究,半导体激光器得到了惊人的发展,它的波长从红外、红光到蓝绿光，覆盖围逐渐扩大,各项性能参数也有了很大的提高,半导体激光器的制作技术经历了由扩散法到液相外延法(L PE) 、气相外延(VPE) 、分子束外延(MBE) 、MOCVD方法(金属有机化合物汽相淀积) 、化学束外延(CBE) 以及它们的各种结合型等多种工艺。其激射阈值电流由几百mA降到几十mA ，直到亚mA ，其寿命由几百到几万小时，乃至百万小时。从最初的低温(77K) 下运转发展到室温下连续工作，输出功率由几毫瓦提高到千瓦级(阵列器件) 它具有效率高、体积小、重量轻、结构简单、能将电能直接转换为激光能、功率转换效率高(已达10 %以上,最大可达50 %) 1 便于直接调制、省电等优点,因此应用领域日益扩大。

半导体激光器是成熟较早、进展较快的一类激光器,由于它的波长围宽,制作

简单、成本低、易于大量生产,并且由于体积小、重量轻、寿命长,因此,品种发展快,应用围广,目前已超过300种半导体激光器的最主要应用领域是Gb 局域网,850nm 波长的半导体激光器适用于> 1Gh/ s 局域网,1300nm -1550nm 波长的半导体激光器适用于10Gb 局域网系统[2 ]1 半导体激光器的应用围覆盖了整个光电子学领域,已成为当今光电子科学的核心技术。半导体激光器在激光测距、激光雷达、激光通信、激光模拟武器、激光警戒、激光制导跟踪、引燃引爆、自动控制、检测仪器等方面获得了广泛的应用,形成了广阔的市场。半导体激光器已成为激光产业的主要组成部分,目前已成为各国发展信息、通信、家电产业及军事装备不可缺少的重要基础器件。

2、异质结光电探测器

光电探测器是一类接收光信号并进行光电转换的特种器件, 是光接收机的关键。现代任何光电系统中, 都包含光波的产生、传输、放大、探测等功能, 所以光电探测器是光电系统中不可缺少的重要器件。在现代众多的精密分析、测量和诊断仪器中，人们称信号检测元件—光电探测器是这类仪器的“心脏”由导电类型相同的同一种半导体单晶材料组成的P—N结，通常称为同质结而由导电类型不同的半导体单晶材料组成的P—N结，则称为异质结。由于形成异质结的两种半导体单晶材料的禁带宽度、介电常数、折射率、吸收系数等物理参数均不同, 异质结会表现出不同于同质结的性质。实际表明, 利用异质结制作的激光器、电致发光二极管、光电探测器、应变传感器等,比用同质结制作的同类元件的性能优越。近年来, 异质结光电探测器在研制和应用方面已经取得了很大的进展。

目前光纤通信中普遍使用的光电探测器有三种：PIN光电二极管、雪崩光电二极管和半导体一金属一半导体光电二极管。它们各具特色, 性能各异一般用于表达光电探测器灵敏度的主要参数有两个量子效应和响应度。

PIN光电二极管由一个P—N结构成, 具有台面和平面两种器件结构。它们的主要特点为结构简单、制作容易, 并具有相当好的光电响应、低噪声、宽频带等特性。它在工作时没有增益, 因而没有放大的作用。即使如此，它至今依然是光纤通信等应用系统中占主要地位的探测器件, 常常与场效应晶体管或异质结双极晶体管一起组合构成混合式的光电集成电路—光波接收模块。

霄崩光电二极管（APD）与PIN光电二极管的区别是在吸收区的i层和n+层之间,

插入了薄薄p的型层, 变为n+pip的结构这一新加入的p型层就是一雪崩区。雪崩光电二极管是在高反向偏压条件下工作的。在高反向偏压下激发的电子—空穴对在电压下加速，并与晶格原子碰撞产生新的电子—空穴对，造成电流急剧增加，最后产生雪崩现象。这种利用雪崩现象的结光电二极管叫做雪崩光电二极管。这种二极管具有部增益和能将探测到的光电流进行放大的作用, 这种放大作用可以增加接收机的灵敏度。目前, 光纤通信中常用的雪崩光电二极管有两种类型：保护环形GAPD和拉通型RAPD。保护环形GAPD由于采用具有防止结边缘被击穿的保护环, 耗尽区较窄所以实际应用中用得较多的是拉通型RAPD。

半导体光电探测器由于体积小、重量轻、响应速度快、灵敏度高、易于与其它半导体器件集成, 已经成为光源的最理想探测器它可以广泛应用于光通信、信号处理、传感系统和测量系统。在研制高性能光电二极管的过程中, 异质结构起了关键作用这是因为采用异质结构可以改善带宽, 增大响应度, 降低暗电流。在今后一段时间, 高速率、宽带响应、高效率、高灵敏度仍是半导体光电探测器的主要发展趋势。

3、异质结在太阳能电池中的应用

自1954 年第一块单晶硅同质PN 结太阳能电池的诞生至今，硅基太阳能电池经历了两个阶段:以晶体硅和多晶硅为代表的第一代太阳能电池和以非晶硅薄膜为代表的第二代太阳能电池。然而，传统的基于同质PN 结技术的硅基太阳能电池突显出成本高、效率低、对环境污染严重等问题。各种新概念及其技术的引入成为解决上述问题的途径，构成了第三代太阳能电池的雏形。其中异质结及其技术就是解决上述问题的关键技术，成为硅基太阳能电池最重要的发展方向之一，也是实现第三代太阳能电池构想的支撑技术之一。

异质结具有如下优点: ( 1)有利于宽谱带吸收，从而提高效率. 通过与晶体硅禁带宽度不同的材料构成异质结太阳能电池，可展宽对太的吸收谱。从而实现宽谱带吸收目的。（2)增加建电场, 提高注入效率。与同质结相比，异质结具有更大的建电场，使注入结两侧的非平衡少子电流增加，从而增加开路电压和短路电流。( 3)减小原料硅消耗，降低成本。异质结的发展使薄膜技术应运而生，从而能够将电池生长在低成本的玻璃、瓷甚至柔性衬底上。

异质结及其技术在新型硅基太阳能电池领域被广泛应用，成为研究的热点。

将异质结应用到晶体硅和薄膜硅太阳能电池中，能有效地增加对不能被硅材料吸收波段的太的吸收，提高硅基太阳能电池的转换效率。然而，由于异质结的引入带来的晶体硅电池的性能稳定性、工艺兼容性问题，以及薄膜硅电池的异质结界面问题仍有待解决，进一步的工艺改进和新材料、新结构的剪切与设计成为可能的解决方案，从而推动异质结及其技术与新型硅基太阳能电池更广泛的融合，并最终实现产业化。