异质结的特性及其在微电子、光电子器件中的应用探析

所谓异质结，是指结的两边用不同种材料制成。根据结两边材料的导电类型进行分类，异质结又分为①反型异质结，如nP结、pN结，是指由导电类型相反的两种不同半导体材料所形成的异质结；②同型异质结，如nN结、pP结，是指由导电类型相同的两种不同半导体材料所形成的异质结。注意，此时大写字母表示材料具有较宽的带隙，且一般都将禁带宽度较小的半导体材料写在前面。但是不管哪种类型的异质结，形成异质结的两种材料的晶格常数必须匹配才能达到很好的效果。图7.9所示为半导体常用材料带隙与晶格常数图。由图可见，Ge与GaAs晶格匹配良好，由n型Ge与n型GaAs所形成的结即为同型异质结，记为（n）Ge-（n）GaAs；由n型Ge与p型GaAs接触所形成的结即为反型异质结，记为（n）Ge-（p）GaAs。AlGaAs与GaAs晶格匹配良好，如果由p型AlGaAs与p型GaAs形成异质结，则记为（p）AlGaAs-（p）GaAs；由n型AlGaAs与p型GaAs形成异质结，则记为（n）AlGaAs-（p）GaAs^[2]。

在众多半导体微电子、光电子器件中，异质结有着许多独特的作用，如具有更高的注入效率、增强载流子的收集等。在研究异质结的特性时，异质结的能带图起到了非常重要的作用。

由于异质结中材料带隙不同，会出现能带的不连续。如果pN型异质结中p型半导体材料的带隙比N型半导体材料的带隙窄，会在异质结界面价带顶部形成空穴的低阻抗路径，增强空穴的输运；相应地，在异质结界面导带底部形成电子的势垒，削弱电子的输运。这样必然导致载流子在异质结界面复合加剧。

图7.9 半导体常用材料带隙与晶格常数图

同样，如果nP型异质结中n型半导体材料的带隙比P型半导体材料的带隙窄，会在异质结界面导带底部形成电子的低阻抗路径，增强电子的输运；相应地，在异质结界面价带顶部形成空穴的势垒，削弱空穴的输运。这样必然导致载流子在异质结界面复合加剧。图7.10所示为pN和nP型异质结能带结构示意图。

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图7.10 pN和nP型异质结能带结构示意图

a）pN型异质结 b）nP型异质结

在砷化镓太阳电池的制备中，若在常规np型电池的前表面制备一层宽带隙重掺杂（n⁺）的窗口层，构成一个前表面高低结n⁺n，它对降低表面复合速度以及改善电池对短波长光子的吸收均有很好的作用^[17]。图7.11所示为具有AlGaAs窗口层结构的GaAs太阳电池能带结构示意图。

图7.11 具有AlGaAs窗口层结构的GaAs太阳电池能带结构示意图