异质结
异质结个流程及工艺原理
异质结（Heterojunction）通常指的是两种不同半导体材料相互接触形成的结区，具有特殊的电荷传输和光电转换特性。
在太阳能电池、光电探测器、发光二极管、场效应晶体管等半导体器件中广泛应用。
以下是异质结太阳能电池的典型制作流程及工艺原理：1. **清洗与制绒**：- 清洗半导体基底，通常是单晶硅片，去除表面杂质和氧化层。
- 进行表面制绒处理，通过化学刻蚀或机械研磨方法在硅片表面形成微观金字塔结构，以增加光的吸收面积。
2. **氮化硅钝化层沉积**：- 在硅片表面沉积一层很薄的氮化硅（SiNx）钝化层，以减少表面缺陷导致的载流子复合，提高电池的开路电压和转换效率。
3. **沉积非晶硅层**：- 使用PECVD（等离子增强化学气相沉积）或其它沉积技术，在硅片正面依次沉积本征非晶硅（i-a-Si:H）层和P型非晶硅（p-a-Si:H）层，形成前结（p-i结）结构，这部分是光生载流子产生的场所。
4. **背面处理**：- 在硅片背面同样采用PECVD技术沉积一层本征非晶硅（i-a-Si:H）层和N型非晶硅（n-a-Si:H）层，形成后结（n-i结），以收集背面的光生载流子。
5. **透明导电层沉积**：- 在非晶硅层上方沉积一层透明导电氧化物（TCO），如掺铝氧化锌（AZO）或氟掺杂氧化锡（FTO），用于收集光生载流子并提供电极接触。
6. **金属电极制备**：- 在电池正面和背面分别沉积金属电极，如铝或银，作为正面欧姆接触和背面电极，用于将收集到的电流导出电池。
7. **封装与测试**：- 经过上述步骤制备好的异质结太阳能电池需要进行封装，以保护电池不受环境影响，延长使用寿命。
- 最后，进行性能测试，确保电池的各项参数（如开路电压、短路电流、填充因子、转换效率等）达到设计要求。
异质结工艺的优势在于其双面结结构可以充分利用太阳光，同时，非晶硅与单晶硅的能带结构差异，使得电子和空穴分别在两边的结区被有效分离，从而提高光电转换效率。
异质结结构基本概念
异质结结构基本概念
异质结是一种半导体器件结构，由两种或多种材料的不同能带类型组成。
在异质结结构中，通常有一个n型区和一个p型区，两个区之间有一个结界。
n型区富集了电子，p型区富集了空穴。
在结界处，电子从n型区向p型区扩散，而空穴从p型区向n型区扩散。
这样就形成了电子向空穴扩散的电流，称为结流。
异质结结构具有以下几个基本概念：
1. 正向偏置：当p型区的电压高于n型区时，就会在异质结上施加一个正向偏置电压。
在正向偏置下，电子和空穴更容易通过结界扩散，电流增加。
2. 反向偏置：当p型区的电压低于n型区时，就会在异质结上施加一个反向偏置电压。
在反向偏置下，结界处会形成一个电势垒，阻碍电子和空穴的扩散，电流减小。
3. 整流作用：由于结界的电势垒，异质结在正向偏置下可以允许电流通过，而在反向偏置下会阻止电流通过，这种性质被称为整流作用。
这使得异质结可以用作整流器件，如二极管。
4. 光电效应：异质结结构中，当光照射到结界处时，光子能量可以激发电子和空穴，从而形成电流。
这种现象被称为光电效应，使得异质结可以用作光电器件，如光电二极管。
异质结结构的具体性质和应用取决于所使用的材料和设计参数。
异质结在电子学和光电子学领域有广泛的应用，如二极管、太阳能电池、激光二极管等。
异质结形成的条件
异质结形成的条件1. 异质结的定义和基本概念异质结是指由两种或两种以上材料组成的结构，其中每种材料的特性和性质不同。
在异质结中，由于材料之间的界面形成了能带偏移和电场分布等不均匀性，导致了一系列特殊的物理现象和电学性质。
2. 异质结形成的条件2.1 材料选择形成异质结的第一个条件是选择不同特性和性质的材料。
这些材料可以是金属、半导体或绝缘体。
在选择材料时，需要考虑它们的晶体结构、能带结构、禁带宽度以及材料的化学稳定性等因素。
2.2 温度和压力控制在形成异质结的过程中，温度和压力的控制非常重要。
温度控制可以影响材料的晶体生长和结晶度，从而影响异质结的质量和性能。
压力控制可以改变材料的晶格常数和晶体结构，进而影响异质结的能带偏移和界面形貌。
2.3 表面处理和界面设计在形成异质结之前，需要对材料的表面进行处理，以去除表面的氧化物、杂质和缺陷等。
表面处理可以通过机械抛光、化学腐蚀或离子束刻蚀等方法实现。
此外，还需要设计合适的界面结构和界面能级，以实现能带对齐和电荷传输等特殊的电学性质。
2.4 生长技术和工艺条件形成异质结的常用方法包括分子束外延（MBE）、金属有机化学气相沉积（MOCVD）、物理气相沉积（PVD）和化学气相沉积（CVD）等。
在选择生长技术时，需要考虑材料的熔点、挥发性和反应性等因素。
此外，还需要控制生长的温度、气氛、压力和生长速率等工艺条件，以实现异质结的质量和性能要求。
3. 异质结的应用异质结由于其特殊的电学性质和物理现象，在电子器件中得到广泛应用。
以下是一些常见的异质结应用：•二极管：异质结二极管是最简单的异质结器件，利用材料之间的能带偏移和电场分布来实现电流的单向传输。
它广泛应用于电源管理、通信、光电子和太阳能电池等领域。
•太阳能电池：太阳能电池利用异质结的光电效应将太阳能转换为电能。
其中最常见的是硅异质结太阳能电池，由p型硅和n型硅组成的异质结可以将光子能量转化为电子能量。
•激光器：激光器利用异质结的能带偏移和电子-空穴复合效应来实现光放大和激光发射。
异质结
N AND pn n ≈ k BT ln 1 2 = k BT ln 2 ni2 n1 p1 n1
即内建电势取决于两种半导体载流子浓度的比值。具体到pN结，取 决于N型半导体中的多子（电子）与p型中的少子（电子）浓度比。
§2.3 半导体异质结
根据《半导体物理》的结论，p区和N区各自的内建电势分别是 2 eN A x 2 eN N x N p , VDN = VDp = 2ε p 2ε N 若近似认为，正负电荷在耗尽层是均匀分布的，则电中性条件为
Space charge region
Vo
(f)
x
nno ni
npo
(c)
PE(x) eVo Hole PE(x)
pno
ρnet
x=0 M x
x Electron PE(x)
(g)
eNd
W 杴p Wn
x
(d)
eV 杴o
-eNa
Properties of the junction. pn
§2.3 半导体异质结
由两种性质带隙宽度不同的半导体材料通过一定的生长方法所形成一突变异质结pn1pn结的形成与能带图窄带隙的p型半导体与宽带隙的n型半导体生长一起时界面处出现了载流子的浓度差于是n中的电子向p中扩散相反p中的空穴也会向n中扩散在界面形成空间电荷内建电场e扩散迁移23半导体异质结1960年anderson用能带论分析了pn结的形成与有关问题直观而深刻并得到一些十分有用的结论称为anderson模型
3、载流子的输运 Anderson模型：零偏压时，由N向p越过势垒VDN的电子流应与从p到 N越过势垒∆Ec-VDp的电子流相等，即
∆E − eVDp eV = B2 exp − DN B1 exp − c k T k BT B D N D N B1 = e ⋅ n 2 10 , B2 = e ⋅ n1 20 Ln 2 Ln1 Ln1 = Dn1τ e1 , Ln 2 = Dn 2τ e 2
异质结原理及对应的半导体发光机制
异质结原理及对应的半导体发光机制异质结是由两种不同性质的半导体材料通过外加电场或化学方法形成的界面结构。
异质结的形成使得电子能带结构发生改变，从而产生了一些新的物理现象和电路特性。
另外，由于异质结具有能带结构的差异，使得电子在异质结区域内发生了能级间跃迁，从而产生了一系列新的现象，如半导体发光。
半导体发光机制是一种将电能转化为光能的物理过程。
当电子在半导体中受到能级激发，经过能级跃迁时，由于能量守恒定律，电子俘获的能量必须以光的形式辐射出去。
半导体的发光机制和材料的结构、能量能带及载流子运动等有着密切的关系。
异质结的形成对半导体发光机制起着决定性作用。
在一些特定条件下，异质结可以形成禁带变宽的空穴二维电子气，这就造成了载流子的局域化。
当载流子转移到空穴二维电子气中时，由于能量的守恒，载流子会向低能级转移，进而辐射光。
半导体发光的基本过程有自发辐射和受激辐射两种机制。
自发辐射是指载流子在激发态下自发发射光子，这种过程源于能量守恒定律，当电子从高能级跃迁到低能级时，辐射出光子。
受激辐射是指在激发态载流子受到外界光子作用后发射光子，这种过程是由外部光子激励下的能级跃迁导致的。
异质结的能带结构对半导体发光机制有着重要作用。
在异质结内，电子和空穴在能量跃迁时可以发生非辐射性复合，此时能量以声子的形式释放，即发生瞬时蓄电作用。
当电子重新分离成电子-空穴对时，由于能量守恒定律，电子会辐射出光子，实现半导体发光。
异质结的材料选择及设计对半导体的能带结构起着决定性作用。
半导体发光机制还与材料的掺杂和杂质有关。
在半导体材料中，通过适量的不同原子掺杂，可以形成p型和n型区域。
当载流子在这两个区域之间跃迁时，夹带的能量将以光子的形式释放出来，实现了半导体的发光。
此外，半导体发光还与激子的形成有关。
激子是由一对电子和空穴以准粒子的形式存在，其能量低于电子和空穴分别处于价带和导带状态时的能量之和。
激子存在可以增强半导体的发光效果，提高其发光亮度和纯度。
异质结
异质结百科名片异质结，两种不同的半导体相接触所形成的界面区域。
按照两种材料的导电类型不同，异质结可分为同型异质结（P-p结或N-n结）和异型异质(P-n 或p-N)结，多层异质结称为异质结构。
通常形成异质结的条件是：两种半导体有相似的晶体结构、相近的原子间距和热膨胀系数。
利用界面合金、外延生长、真空淀积等技术，都可以制造异质结。
异质结常具有两种半导体各自的PN结都不能达到的优良的光电特性，使它适宜于制作超高速开关器件、太阳能电池以及半导体激光器等。
目录[隐藏][编辑本段]基本特性所谓半导体异质结构，就是将不同材料的半导体薄膜，依先后异质结次序沉积在同一基座上。
例如图2所描述的就是利用半导体异质结构所作成的雷射之基本架构。
半导体异质结构的基本特性有以下几个方面。
(1) 量子效应：因中间层的能阶较低，电子很容易掉落下来被局限在中间层，而中间层可以只有几十埃（1埃＝10-10米）的厚度，因此在如此小的空间内，电子的特性会受到量子效应的影响而改变。
例如：能阶量子化、基态能量增加、能态密度改变等，其中能态密度与能阶位置，是决定电子特性很重要的因素。
(2) 迁移率(Mobility)变大：半导体的自由电子主要是由于外加杂质的贡献，因此在一般的半导体材料中，自由电子会受到杂质的碰撞而减低其行动能力。
然而在异质结构中，可将杂质加在两边的夹层中，该杂质所贡献的电子会掉到中间层，因其有较低的能量（如图3所示）。
因此在空间上，电子与杂质是分开的，所以电子的行动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，这是高速组件的基本要素。
(3)奇异的二度空间特性：因为电子被局限在中间层内，其沿夹层的方向是不能自由运动的，因此该电子只剩下二个自由度的空间，半导体异质结构因而提供了一个非常好的物理系统可用于研究低维度的物理特性。
低维度的电子特性相当不同于三维者，如电子束缚能的增加、电子与电洞复合率变大，量子霍尔效应，分数霍尔效应[1]等。
第九章 异质结
由两种或两种以上不同半导体材料 接触形成的pn结。
1、分类 （1）导电类型
①反型异质结 p-n Ge-GaAs或 （p）Ge-（n）GaAs ②同型异质结 n-n Ge-GaAs或 （n）Ge-（n）GaAs ③双异质结
（n）Ga1-xAlxAs-（p）GaAs -(n） Ga1-xAlxAs （2）过渡区 ①突变结：过渡区小于1μm
分类： （1）成分超晶格 周期性改变薄层的成分而形成的超晶格。 （2）掺杂超晶格 周期性改变同一成分的各薄层中的掺杂类型 而形成的超晶格。（NIPI晶体）
b
b
c
c
z
子能带
l
χA WA
EFB
Δ Ev
E vB
3、异质结的应用 （1）提高少子的注射效率 npn晶体管
电子注射效率
jn jn j jn j p
n型宽禁带半导体和p型窄禁带半导体构成的异质结 正向偏压 主要是注入p型半导体中的电子电流 注入n型半导体中的空穴电流可忽略
p型宽禁带半导体和n型窄禁带半导体构成的异质结
②缓变结：过渡区大于1μm
（3）能带结构的不同
半金属
AlxGa1-xAs GaAs GaAs1-xSbx InxGa1-xAs GaSb
跨立型
错开型 电子空穴 分离
InAs
破隙型
2、异质结能带图 E0
χB WB E c
B
χA
EcA EFA E vA qVDA
qVD ΔEc qVDB χB
EcA EFA E vA
提高空穴注射效率
（2）调制掺杂技术提高载流子的迁移率 n
场效应管频率特性
异质结的分类
异质结的分类
1. 哇塞，异质结有半导体异质结呀！就像手机里的芯片，那可太重要啦！比如发光二极管里面就有这种半导体异质结呢，没有它可就亮不起来啦！
2. 嘿，还有金属-半导体异质结呢！这就好比是不同材质的东西完美结
合在一起，发挥出独特的作用呀。
像一些传感器里就会用到哦，是不是很神奇呢！
3. 哇哦，绝缘体-半导体异质结也不能少呀！这就像是给半导体穿上了
一层特殊的“外衣”。
比如说在一些特殊的电子器件里就能发现它的身影呢，酷不酷！
4. 呀，还有应变异质结呢！感觉就像是让异质结有了“新技能”。
想想看，在一些对性能要求很高的地方，不就需要这种应变异质结来助力嘛！
5. 哈哈，量子阱异质结也很厉害呢！这不就是像给异质结打造了一个特别的“小空间”嘛。
在一些高科技的领域，它可是大显身手呢！
6. 哟，超晶格异质结也来啦！它就好像是异质结的“豪华升级版”。
像是在一些先进的材料研究中，它绝对是不可或缺的哟！
7. 哇，渐变异质结可有意思啦！就如同是一个慢慢变化的“小惊喜”。
很多时候在复杂的电子结构中都能找到它呢！
我觉得异质结的分类真的好丰富好有趣呀，每一种都有它独特的魅力和用途呢！这些不同的分类让我们的科技世界变得更加丰富多彩！。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
Dai Xianying
化合物半导体器件
3.2 异质结的电学特性
3.2.1 突变异质结的I-V特性
突变异质结I-V模型：扩散模型、发射模型、发射-复合模 型、隧道模型、隧道复合模型。 同质结I-V模型：扩散和发射模型
两种势垒尖峰： （a）低势垒尖峰负反向势垒 （b）高势垒尖峰正反向势垒
Dai Xianying
3.11 突变同型nn异质结平衡能带图
Dai Xianying
化合物半导体器件
3.1 异质结及其能带图
3.1.2 异质结的能带图
2)突变同型异质结能带图
3.12 突变同型pp异质结平衡能带图
Dai Xianying
化合物半导体器件
3.1 异质结及其能带图
3.1.2 异质结的能带图
2、考虑界面态时的能带图
Dai Xianying (a)单量子阱
(b)多量子阱
(c)超晶格 化合物半导体器件
3.4 多量子阱与超晶格
多量子阱（a）和超晶格（b）中电子的波函数
Dai Xianying
化合物半导体器件
3.4 多量子阱与超晶格
3.4.1 复合超晶格
1、Ⅰ型超晶格
Dai Xianying
化合物半导体器件
3.4 多量子阱与超晶格
化合物半导体器件
3.1 异质结及其能带图
3.1.2 异质结的能带图
3、渐变异质结能带图
1）渐变的物理含义 2）渐变异质结的近似分析：能带的叠加 3）渐变能级
Dai Xianying
化合物半导体器件
3.1 异质结及其能带图
3.1.3 突变反型异质结的接触势垒差及势垒区宽度
推导过程参考刘恩科等著 《半导体物理》第9章
（以pn异质结为例）
与求解同质pn结相同：由 求解界面两边势垒区的泊 松方程，可得VD及XD
1、势垒区宽度XD 2、接触电势差VD 3、外加电压V 4、np突变异质结
Dai Xianying
化合物半导体器件
第三章 半导体异质结
• • • • • 异质结及其能带图 异质结的电学特性 量子阱与二维电子气 多量子阱与超晶格 半导体应变异质结
（以突变异质结为例）
1、不考虑界面态时的能带图（理想状态）
1)突变反型异质结能带图
(a)
(b)
Dai Xianying图3.6 形成异质结之前(a)和之后(b)的平衡能带图 化合物半导体器件
3.1 异质结及其能带图
• 热平衡下的能带图（p-GaAs/N-AlGaAs）
图3.7 异质结pn平衡能带图
3.3.1 调制掺杂异质结构界面量子阱
4、2DEG的高迁移率特性
（1）调制掺杂结构特点 （2）2DEG的特性 （3）应用
Dai Xianying
化合物半导体器件
3.3 量子阱与二维电子气
3.3.2 双异质结间的单量子阱结构
双异质结结构： AlxGa1-xAs/GaAs /AlxGa1-xAs，要求 GaAs层足够薄；
1）异质结
2）异质结形成的工艺 3）异质结的类型 4）异质结形成的关键 5）晶格失配
图3.1 III-V族和II-VI族化合物 半导体的禁带宽度和晶格常数
化合物半导体器件
3.1 异质结及其能带图
6）单位面积的悬挂键数
1 LS LS a2 a1 a2 a1 N ss 2 2 2 LS a1 a2 a12 a2
Dai Xianying
图3.8 同质pn结平衡能带图
化合物半导体器件
3.1 异质结及其能带图
• 热平衡下的能带图
图3.9突变反型np异质结平衡能带图
Dai Xianying
化合物半导体器件
3.1 异质结及其能带图
异质结平衡能带的特点： ①能带发生弯曲 ② 能带在界面处不连续，有突变。
Anderson定则（模型）：
Dai Xianying
化合物半导体器件
3.2 异质结的电学特性
3.2.1 突变异质结的I-V特性
2、高势垒尖峰（正反向势垒异质结）的I-V特性
特征：势垒尖峰高于p区的EC 1）电流模型：由热电子发射机制决定
2）势垒高度
3）电流密度
Dai Xianying
化合物半导体器件
3.2 异质结的电学特性
3.2 异质结的电学特性
3.2.2 异质pn结的注入特性
2.异质pn结的超注入现象
1）超注入现象：由宽禁带半导体 注入到窄禁带半导体中的少子浓度 超过了宽禁带半导体中多子浓度。 2）能带结构：外加足够的正向电压 使结势垒拉平，Ec2>Ec1 3）载流子浓度： n1/n2=exp(Ec2-Ec1)/kT>1
1、导带量子阱中的电子能态
（1）电子在量子阱中的势能V（z） （2）求解薛定谔方程
Dai Xianying
化合物半导体器件
3.3 量子阱与二维电子气
3.3.2 双异质结间的单量子阱结构
2、价带量子阱中的空穴能态
（1）二维空穴气：2DHG （2）量子阱中的空穴能态
Dai Xianying
化合物半导体器件
3.5 半导体应变异质结
3.5.2 应变层材料能带的人工改性
（以Si1-xGex上生长应变异质Si为例）
1、应变类型 2、晶格类型 3、晶格常数 4、能带结构 5、迁移率： μn、μp均提高 6、应用：沟道长度小于0.1μm的CMOS电路
Dai Xianying
化合物半导体器件
3.5 半导体应变异质结
• • • • • 异质结及其能带图 异质结的电学特性 量子阱与二维电子气 多量子阱与超晶格 半导体应变异质结
Dai Xianying
化合物半导体器件
3.5 半导体应变异质结
3.5.1 应变异质结
1、应变异质结的形成
2、应用
超过临界厚度后，弛豫Si1-xGex形成
Dai Xianying
化合物半导体器件
Dai Xianying
化合物半导体器件
(a) (b) 图3.8 异型异质结的两种势垒示意图 （a）负反向势垒；（b）正反向势垒
化合物半导体器件
3.2 异质结的电学特性
1、低势垒尖峰（负反向势垒异质结）的I-V特性
特征：势垒尖峰低于p区的EC
1）电流模型：主要由扩散机制决定
2）载流子浓度
3）电子扩散电流密度Jn 4）空穴扩散电流密度Jp 5）总电流密度J=Jn+Jp 6）Jn、Jp大小对比分析
4）应用：半导体激光器
Dai Xianying
化合物半导体器件
第三章 半导体异质结
• • • • • 异质结及其能带图 异质结的电学特性 量子阱与二维电子气 多量子阱与超晶格 半导体应变异质结
Dai Xianying
化合物半导体器件
3.3 量子阱与二维电子气
量子阱：能够对电子（空穴）的运动产生某种约束，使其能 量量子化的势场。如量子力学中的一维方势阱、有限势阱。 二维电子气（2DEG）：势阱中的电子在与异质结界面平行的 二维平面内是自由运动，而在垂直异质结界面方向上其能量 是量子化的。
2、势阱中的电子能态
图3.12 量子阱中电子的能量
Dai Xianying
图3.13 三角形势阱的示意图
化合物半导体器件
3.3 量子阱与二维电子气
3.3.1 调制掺杂异质结构界面量子阱
3、2DEG的子带及态密度
Dai Xianying
异质结2DEG的电子态密度与能量的关系
化合物半导体器件
3.3 量子阱与二维电子气
①ΔEC=χ1-χ2 ②ΔEV=(Eg2-Eg1)-(χ1-χ2) = ΔEg- Δχ ③ΔEC+ΔEV = ΔEg
异质结能带的新要点 （特征）：
Dai Xianying
图3.10 Anderson模型的ΔEC- Δχ关系
化合物半导体器件
3.1 异质结及其能带图
3.1.2 异质结的能带图
2)突变同型异质结能带图 界面处：一侧形成耗尽层，一侧形成电子（空穴）积累层
图3.3 晶格失配形成位错缺陷 图3.2 （张）应变Si示意图
Dai Xianying
化合物半导体器件
3.1 异质结及其能带图
3.1.2 异质结的能带图
图3.4 半导体能带边沿图
Dai Xianying
图3.5 孤立的n型和p型半导体能带图
化合物半导体器件
3.1 异质结及其能带图
3.1.2 异质结的能带图
1）界面态 2）界面态密度ΔNS
Dai Xianying
化合物半导体器件
3.1 异质结及其能带图
2、考虑界面态时的能带图
3）降低界面态 4）界面态的类型 5）巴丁极限
Dai Xianying
化合物半导体器件
3.1 异质结及其能带图
2、考虑界面态时的能带图
6）考虑面态影响的异质结能带示意图
Dai Xianying
Jn 0.99 Jn J p
同质结的BJT：基区不能太薄，频率特性不高；
Dai Xianying
异质结的HBT：基区可以很薄，频率特性很高；
化合物半导体器件
思考题
• 试分析高势垒尖峰异质结的反向I-V特性。 • 为什么HBT的频率特性比BJT好？
Dai Xianying
化合物半导体器件
(a)
Dai Xianying
(b) 图3.11 半导体量子阱示意图
化合物半导体器件
3.3 量子阱与二维电子气
3.3.1 调制掺杂异质结构界面量子阱
1、调制掺杂结构： n+-AlXGa1-XAs(宽禁带）/i-GaAs（窄禁带）
Dai Xianying