中国科学院半导体研究所

PN结是很多半导体器件的核心。在一块半导体材料中，如果一部分是N型区，一部分是P型区，在N型区和P型区交界面处就形成PN结。PN结作为半导体特有的物理现象，一直受到人们的重视。PN结最简单的性质是具有单向导电性。就是当PN结的P型区接电源正极，N型区接电源负极，PN结通过较大的电流，并且电流随着电压的增加而很快增长，称PN结处于正向。反之，如果P型区接电源负极，N型区接正极，则电流很小，而且电压增加时电流趋于饱和，称PN结处于反向。N型区和P型区是同种半导体材料（例如锗、硅、砷化镓）称之为“同质结”，“异质结”是指由两种带隙宽度不同的半导体材料长在同一块单晶上形成的结。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。由于两种材料电子亲和能和带隙宽度不同，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。最初，由于组成异质结的两种材料晶格常数不同，界面附近的晶格畸变形成大量位错和缺陷，因而不能做出性能比较好的异质结。1968年，美国贝尔实验室RCA公司和苏联约飞研究所同时宣布做成了GaAs-AlGaAs双异质结激光器。他们在之所以取得成功的主要原因之一是选择的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，同时他们还认真摸索了生长规律和完善了制造工艺，随后异质结的生长技术，异质结器件都有很大发展，同时也促进了异质结物理研究的深入开展。

按异质结中两种材料导带和价带的对准情况可以把异质结分为Ⅰ型异质结和Ⅱ型异质结两种，两种异质结的能带结构如图1所示。如图1(a)所示，I型异质结的能带结构是嵌套式对准的,窄带材料的导带底和价带顶都位于宽带材料的禁带中，ΔEc和ΔEv的符号相反，GaAlAs/GaAs和InGaAsP/InP都属于这一种。在Ⅱ型异质结中，ΔEc和ΔEv的符号相同。具体又可以分为两种:一种如图1(b)所示的交错式对准，窄带材料的导带底位于宽带材料的禁带中，窄带材料的价带顶位于宽带材料的价带中。另一种如图1(c)所示窄带材料的导带底和价带顶都位于宽带材料的价带中。Ⅱ型异质结的基本特性是在交界面附近电子和空穴空间

的分隔和在自洽量子阱中的局域化。由于在界面附近波函数的交叠，导致光学矩阵元的减少，从而使辐射寿命加长，激子束缚能减少。由于光强和外加电场会强烈影响Ⅱ型异质结的特性，使得与Ⅰ型异质结相比，Ⅱ型异质结表现出不寻常的载流子的动力学和复合特性，从而影响其电学、光学和光电特性及其器件的参数。在Ⅰ型异质结中能级的偏差量具有不同的符号，电子和空穴是在界面的同一侧（窄带材料一侧）由受热离化而产生的。这种情况下只有一种载流子被束缚在量子阱中（n-N结构中的电子，p-P结构中的空穴）。Ⅱ型异质结能级的偏差量具有相同的符号，电子和空穴是在界面的不同侧由受热离化而产生的。两种载流子被束缚在自洽的量子阱中，因此在Ⅰ型异质结中载流子复合发生在窄带材料一侧，Ⅱ型异质结中载流子复合主要是借助界面的隧道而不是窄带材料一侧。

　  不同半导体的能隙宽度可根据使用的要求做适当调整，办法可以是取代半导体元素(例如，用In或者Al代替Ga，用P、Sb或N代替As)，也可以通过改变合金的成分。有多种方法可用于形成不同半导体层之间的突变界面，例如分子束外延法(MBE)和金属有机化学沉积法(MOCVD)。运用这些方法在基片上会有一层一层的原子以适当的晶格常数向外生长。异质结构对科学有重大影响，是高频晶体管和光电子器件的关键成分。

　  （仲莉）