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異質結,是指半導體異質結構一般是由兩層以上不同材料所組成,它們各具不同的能帶隙。這些材料可以是GaAs之類的化合物,也可以是Si-Ge之類的半導體合金。按異質結中兩種材料導帶和價帶的對準情況可以把異質結分為Ⅰ型異質結和Ⅱ型異質結兩種,兩種異質結的能帶結構如圖1所示。

1 異質結 -異質結

 異質結
半導體異質結構一般是由兩層以上不同材料所組成,它們各具不同的能帶隙。這些材料可以是GaAs之類的化合物,也可以是Si-Ge之類的半導體合金。按異質結中兩種材料導帶和價帶的對準情況可以把異質結分為Ⅰ型異質結和Ⅱ型異質結兩種,兩種異質結的能帶結構如圖1所示。

 

異質結異質結

如圖1(a)所示,I型異質結的能帶結構是嵌套式對準的,窄帶材料的導帶底和價帶頂都位於寬頻材料的禁帶中,ΔEc和ΔEv的符號相反,GaAlAs/GaAs和InGaAsP/InP都屬於這一種。在Ⅱ型異質結中,ΔEc和ΔEv的符號相同。具體又可以分為兩種:一種如圖1(b)所示的交錯式對準,窄帶材料的導帶底位於寬頻材料的禁帶中,窄帶材料的價帶頂位於寬頻材料的價帶中。另一種如圖1(c)所示窄帶材料的導帶底和價帶頂都位於寬頻材料的價帶中[14]。

Ⅱ型異質結的基本特性是在交界面附近電子和空穴空間的分隔和在自洽量子阱中的局域化。由於在界面附近波函數的交疊,導致光學矩陣元的減少,從而使輻射壽命加長,激子束縛能減少。由於光強和外加電場會強烈影響Ⅱ型異質結的特性,使得與Ⅰ型異質結相比,Ⅱ型異質結表現出不尋常的載流子的動力學和複合特性,從而影響其電學、光學和光電特性及其器件的參數。

在Ⅰ型異質結中能級的偏差量具有不同的符號,電子和空穴是在界面的同一側(窄帶材料一側)由受熱離化而產生的。這種情況下只有一種載流子被束縛在量子阱中(n-N結構中的電子,p-P結構中的空穴)。Ⅱ型異質結能級的偏差量具有相同的符號,電子和空穴是在界面的不同側由受熱離化而產生的。兩種載流子被束縛在自洽的量子阱中,因此在Ⅰ型異質結中載流子複合發生在窄帶材料一側,Ⅱ型異質結中載流子複合主要是藉助界面的隧道而不是窄帶材料一側。

不同半導體的能隙寬度可根據使用的要求做適當調整,辦法可以是取代半導體元素(例如,用In或者

異質結異質結
Al代替Ga,用P、Sb或N代替As),也可以通過改變合金的成分。有多種方法可用於形成不同半導體層之間的突變界面,例如分子束外延法(MBE)和金屬有機化學沉積法(MOCVD)。運用這些方法在基片上會有一層一層的原子以適當的晶格常數向外生長。異質結構對科學有重大影響,是高頻晶體管和光電子器件的關鍵成分。

比起普通的晶體管來,異質結晶體管的基極是由能帶隙更小的半導體層構成,這就大大降低了電子的能量壁壘,從而大大增加了電子電流。同時空穴電流保持不變,於是放大倍數就大為增加。要減小放大倍數,只需令基極的摻雜量提高,並讓基極更薄,就可以大大降低基極電阻,從而降低RC時間常數,於是就得到了快速晶體管。

如圖1(a)所示,I型異質結的能帶結構是嵌套式對準的,窄帶材料的導帶底和價帶頂都位於寬頻材料的禁帶中,ΔEc和ΔEv的符號相反,GaAlAs/GaAs和InGaAsP/InP都屬於這一種。在Ⅱ型異質結中,ΔEc和ΔEv的符號相同。具體又可以分為兩種:一種如圖1(b)所示的交錯式對準,窄帶材料的導帶底位於寬頻材料的禁帶中,窄帶材料的價帶頂位於寬頻材料的價帶中。另一種如圖1(c)所示窄帶材料的導帶底和價帶頂都位於寬頻材料的價帶中[14]。

Ⅱ型異質結的基本特性是在交界面附近電子和空穴空間的分隔和在自洽量子阱中的局域化。由於在界面附近波函數的交疊,導致光學矩陣元的減少,從而使輻射壽命加長,激子束縛能減少。由於光強和外加電場會強烈影響Ⅱ型異質結的特性,使得與Ⅰ型異質結相比,Ⅱ型異質結表現出不尋常的載流子的動力學和複合特性,從而影響其電學、光學和光電特性及其器件的參數。

在Ⅰ型異質結中能級的偏差量具有不同的符號,電子和空穴是在界面的同一側(窄帶材料一側)由受熱離化而產生的。這種情況下只有一種載流子被束縛在量子阱中(n-N結構中的電子,p-P結構中的空穴)。Ⅱ型異質

異質結異質結
結能級的偏差量具有相同的符號,電子和空穴是在界面的不同側由受熱離化而產生的。兩種載流子被束縛在自洽的量子阱中,因此在Ⅰ型異質結中載流子複合發生在窄帶材料一側,Ⅱ型異質結中載流子複合主要是藉助界面的隧道而不是窄帶材料一側。

不同半導體的能隙寬度可根據使用的要求做適當調整,辦法可以是取代半導體元素(例如,用In或者Al代替Ga,用P、Sb或N代替As),也可以通過改變合金的成分。有多種方法可用於形成不同半導體層之間的突變界面,例如分子束外延法(MBE)和金屬有機化學沉積法(MOCVD)。運用這些方法在基片上會有一層一層的原子以適當的晶格常數向外生長。異質結構對科學有重大影響,是高頻晶體管和光電子器件的關鍵成分。

比起普通的晶體管來,異質結晶體管的基極是由能帶隙更小的半導體層構成,這就大大降低了電子的能量壁壘,從而大大增加了電子電流。同時空穴電流保持不變,於是放大倍數就大為增加。要減小放大倍數,只需令基極的摻雜量提高,並讓基極更薄,就可以大大降低基極電阻,從而降低RC時間常數,於是就得到了快速晶體管。

2 異質結 -半導體異質結構的基本特性

所謂半導體異質結構,就是將不同材料的半導體薄膜,依先後次序沈積在同一基座上。例如圖2所描述的就是利用半導體異質結構所作成的雷射之基本架構。半導體異質結構的基本特性有以下幾個方面。

(1) 量子效應:因中間層的能階較低,電子很容易掉落下來被局限在中間層,而中間層可以只有幾十埃(1埃=10-10米)的厚度,因此在如此小的空間內,電子的特性會受到量子效應的影響而改變。例如:能階量子化、基態能量增加、能態密度改變等,其中能態密度與能階位置,是決定電子特性很重要的因素。

(2) 遷移率(Mobility)變大:半導體的自由電子主要是由於外加雜質的貢獻,因此在一般的半導體材料中,自由電子會受到雜質的碰撞而減低其行動能力。然而在異質結構中,可將雜質加在兩邊的夾層中,該雜質所貢獻的電子會掉到中間層,因其有較低的能量(如圖3所示)。因此在空間上,電子與雜質是分開的,所以電子的行動就不會因雜質的碰撞而受到限制,因此其遷移率就可以大大增加,這是高速組件的基本要素。

(3)奇異的二度空間特性:因為電子被局限在中間層內,其沿夾層的方向是不能自由運動的,因此該電子只剩下二個自由度的空間,半導體異質結構因而提供了一個非常好的物理系統可用於研究低維度的物理特性。低維度的電子特性相當不同於三維者,如電子束縛能的增加、電子與電洞複合率變大,量子霍爾效應,分數霍爾效應等。科學家利用低維度的特性,已經已作出各式各樣的組件,其中就包含有光纖通訊中的高速光電組件,而量子與分數霍爾效應分別獲得諾貝爾物理獎。

(4)人造材料工程學:半導體異質結構之中間層或是兩旁的夾層,可因需要不同而改變。例如以砷化鎵來說,鎵可以被鋁或銦取代,而砷可以用磷、銻、或氮取代,所設計出來的材料特性因而變化多端,因此有人造材料工程學的名詞出現。最近科學家將錳原子取代鎵,而發現具有鐵磁性的現象,引起很大的重視,因為日後的半導體組件,有可能因此而利用電子自旋的特性。此外,在半導體異質結構中,如果鄰近兩層的原子間距不相同,原子的排列會被迫與下層相同,那麼原子間就會有應力存在,該應力會改變電子的能帶結構與行為。現在該應力的大小已可由長晶技術控制,因此科學家又多了一個可調變半導體材料的因素,產生更多新穎的組件,例如硅鍺異質結構高速晶體管。

3 異質結 -半導體異質結構的應用

(1)發光組件(light emitting devices, LED):
因為半導體異質結構能將電子與電洞局限在中間層內,電子與電洞的複合率因而增加,所以發光的效率較大;同時改變數子井的寬度亦可以控制發光的頻率,所以現今的半導體發光組件,大都是由異質結構所組成的。半導體異質結構發光組件,相較其它發光組件,具有高效率、省電、耐用等優點,因此廣泛應用於剎車燈、交通號誌燈、戶外展示燈等。值得一提的是在1993年,日本的科學家研發出藍色光的半導體組件,使得光的三原色紅、綠、藍,皆可用半導體製作,因此各種顏色都可用半導體發光組件得到,難怪大家預測家庭用的燈炮、日光燈,即將被半導體發光組件所取代。

(2)雷射二極體:
半導體雷射二極體的基本構造,與上述的發光組件極為類似,只不過是雷射二極體必須考慮到受激發光(stimulated emission)與共振的條件。使用半導體異質結構,因電子與電洞很容易掉到中間層,因此載子數目反轉(population inversion)較易達成,這是具有受激發光的必要條件,而且電子與電洞因被局限在中間層內,其結合率較大。此外,兩旁夾層的折射率與中間層不同,因而可以將光局限在中間層,致使光不會流失,而增加雷射強度,是故利異質結構製作雷射,有很大的優點。第一個室溫且連續發射的半導體異質結構雷射,是在1970年由阿法洛夫領導的研究群所製作出來的,而克拉姆則在1963年發展了有關半導體異質結構雷射的原理。半導體雷射二極體的應用範圍亦相當廣泛,如雷射唱盤(如圖4所示),高速光纖通訊、激光印表機、雷射筆等。

(3)異質結構雙極晶體管:(heterojunction bipolar transistor, HBT) 在半導體異質結構中,中間層有較低的能帶,因此電子很容易就由旁邊的夾層注入,是故在晶體管中由射極經過基極到集極的電流,就可以大為提高,晶體管的放大倍率也為之增加;同時基極的厚度可以減小,其摻雜濃度可以增加,因而反應速率變大,所以異質結構得以製作快速晶體管。利用半導體異質結構作成晶體管的建議與其特性分析,是由克接拉姆在1957提出的。半導體異質結構雙極晶體管因具有快速、高放大倍率的優點,因而廣泛應用於人造衛星通訊或是行動電話等。

(4)高速電子遷移率晶體管(high electron mobility transistor, HEMT)
高速電子遷移率晶體管,就是利用半導體異質結構中雜質與電子在空間能被分隔的優點,因此電子得以有很高的遷移率。在此結構中,改變閘極(gate)的電壓,就可以控制由源極(source)到泄極(drain)的電流,而達到放大的目的。因該組件具有很高的嚮應頻率(600GHz)且低雜訊的優點,因此廣泛應用於無限與太空通訊(如圖5所示),以及天文觀測。

 

異質結異質結

(5)其它應用:
半導體異質結構除了用於上述組件外,亦大量使用於其它光電組件,如光偵測器、太陽電池、標準電阻或是光電調製器...等。又因為長晶技術的進展,單層原子厚度的薄膜已能控制,因此半導體異質結構提供了高質量的低維度系統,讓科學家能滿足探求低維度現象的要求。除了在二度空間觀測到量子與分數量子霍爾效應外,科學家已進一步在探求異質結構中的一維與零維的電子行為,預期將來還會陸續有新奇的現象被發掘,也會有更多新穎的異質結構組件出現。

4 異質結 -參考資料

http://baike.eccn.com/eewiki/index.php/%E5%BC%82%E8%B4%A8%E7%BB%93

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