异质结有几种？类型分类与界面载流子输运原理解析

说明：本文华算科技主要介绍异质结的基本含义、界面附近的电子态与电流，以及光生载流子的转移、束缚和分离。

质结的基本含义与接触区域

在半导体物理中，异质结通常指两种不同半导体接触形成的结。例如，GaAs与Al_xGa_1−xAs相接，后者的一部分Ga位置由Al占据，两侧的化学组成和电子能带随之不同。接触处的原子排列、化学键与电荷分布决定了电子怎样从一侧进入另一侧；由这些材料组成的多层、核壳或拼接体系，通常称为异质结构。

p型半导体以空穴导电为主，n型半导体以电子导电为主；同一块硅中的p区和n区形成同质p–n结。两种半导体可以组成p–n异质结，也可以组成n–n或p–p异质结。少量施主、受主掺杂改变载流子浓度，与通过合金组分改变半导体材料种类有不同含义。

图1中的GaAs纳米线都包含p、i、n区，i表示近本征区。轴向结构沿长度方向排列这些区域，径向结构沿半径方向排列。将p区材料由GaAs换为AlGaAs后，AlGaAs/GaAs接触处新增了异质界面，原来的p–i–n掺杂设计仍然存在。异质结可嵌在复杂器件内部，无需把整根纳米线都称作一个结。

外延界面通过化学键连接相邻晶体，二维半导体也可通过范德华接触形成层间异质结。界面可以是平面，也可以包围纳米线的核心；仅有两种粉末共存时，接触点的面积和分布可能很不均匀。若两相之间隔着较厚绝缘层，载流子转移将受到该层厚度和势垒的限制，实际结构需包含这段绝缘区域。

GaAs/In_xGa_1−xAs纳米线中，截面元素图把含In的外壳与GaAs核心区分开，局部高分辨TEM则检查两侧晶格怎样相接。界面附近可以保持连续晶格，但核心和外壳仍有不同成分；晶格常数差还可使两侧产生应变。增加壳层厚度或改变In含量，会改变核心所受应变，进而影响其带隙。

理想突变异质结把成分变化限制在很窄的区域；发生互扩散时，合金组分会随位置连续变化，形成渐变接触。原子接触面的宽度与电荷受影响区域的宽度可以相差很大。前者由化学组成过渡决定，后者还受掺杂浓度、介电屏蔽和邻近电极影响，在较厚半导体中可延伸到接触面两侧。

界面怎样改变载流子的分布和电流？

两种半导体接触后，电子分布通过界面转移与局部成键重新调整。热平衡时，整个连通体系具有统一的费米能级E_F，即电子的电化学势相同。p–n异质结中，载流子扩散可使结附近留下带电的离化杂质，产生空间电荷和内建电场；漂移与扩散相互抵消时，宏观净电流为零。n–n接触则可能形成一侧积累、另一侧耗尽的分布。

沿空间位置绘制导带底E_C和价带顶E_V，可以区分界面两侧的带边偏移与材料内部的能带弯曲。前者比较不同材料相邻处的能量，后者描述带边随局域电势逐渐变化。扫描隧穿谱测量微分电导dI/dV，在适当的隧穿条件下反映局域电子态；跨越WSe₂单层与双层接触处采谱，可直接追踪电子态随位置的变化。

这个WSe₂体系的化学组成相同，层数改变了带隙和电子态，属于厚度诱导的电子异质结。双层一侧的带边在约10 nm范围内上移约0.15 eV，接触处第13、14条谱线还出现额外界面态。单层价带在K点的隧穿信号很弱，强峰主要对应Γ点；把强峰位置当作价带顶，会误判单层一侧的能带偏移。

常用的Type-I、Type-II、Type-III名称取自带边排列：Type-I中一侧带隙嵌在另一侧带隙内；Type-II中最低导带态和最高价带态主要分属两侧；Type-III中一侧导带底低于另一侧价带顶，出现断隙排列。这些名称描述电子态的能量次序，结附近的载流子浓度还由费米能级位置、掺杂和外加电压决定。

接上外电路后，源、漏电极之间的偏压会改变载流子注入和界面附近的势垒。InSe/黑磷（BP）器件中，背栅电压V_BG改变两种材料的载流子浓度；漏极电压V_D改变电流方向及注入条件。图4同时包含两端Au/Ti接触，正、负偏压下的电流曲线形状不同，参与输运的区域已超出InSe/BP接触面。

当已占据价带态与另一侧可接收电子的导带态在能量上重叠，且势垒足够薄时，可以发生带间隧穿。InSe/BP器件在特定负偏压、栅压区间出现反向整流；改变栅压后，整流方向又可改变。Au/Ti与两种半导体的接触电阻并不相同，也参与决定电流大小。曲线中的峰谷随栅压变化，描述的是微分跨导，不能误称为对漏极电压的微分电阻。

DFT中的原子投影态密度和电子波函数可检查带隙内的态集中在界面原子还是延伸到两侧晶体，局域配位不饱和和轨道杂化都可能产生额外电子态。小尺寸周期模型通常描述原子尺度接触；器件中的耗尽区和电极注入还涉及长距离电势分布。隧穿谱能隙与常规DFT本征值能隙也可能有差异，涉及交换关联近似、基底屏蔽及隧穿矩阵元。

光生电子和空穴怎样转化为光电流？

半导体吸光后，价带中的电子跃迁到高能态，并留下空穴。在Type-II异质结中，电子和空穴可分别转移到不同材料，但分居两侧的电子与空穴仍可通过库仑吸引形成层间激子。激子束缚能表示把这对电子、空穴分离成自由载流子所需的能量；原子级薄层中的介电屏蔽较弱，层间距离很小时，电子与空穴的吸引仍可显著。

MoSe₂/WS₂的第一性原理模型中，层投影能带与激发态电子、空穴分布提供不同描述。图5的能带标出电子态主要属于哪种材料，下方等值面分别标出准电子和准空穴的位置。同一异质结构可以支持层内激子、层间激子及含层间杂化成分的激发态；激发态能量需计算电子与空穴的相互作用。

这类计算通过含时密度泛函理论（TDDFT）求激发态，静态能带图本身没有载流子的时间演化。从某种初始激发出发，态间耦合、晶格振动和电子—空穴相互作用会影响转移速率。若只跟踪一个电子所在层的变化，电子与空穴成对转移造成的能量传递就可能与净电荷转移混淆。

在另一种MoS₂/WS₂异质结中，超快光谱用不同能量的探测光区分激发后的状态。图6的中红外信号主要响应自由载流子和弱束缚电子—空穴对；探测光能量改变了测量所敏感的粒子状态。同一试样的0.36 eV中红外信号与1.55 eV近红外信号，出现明显不同的衰减时间。

在这组测量条件下，中红外信号的大部分在约800 fs内衰减，近红外信号持续时间较长。实验解释为跨层转移先产生带有多余能量的层间热激子，随后能量耗散，形成束缚较强的层间激子。后者对低能中红外光的响应减弱，信号便快速降低；电子、空穴仍可保留在较长寿命的激子中。

有机给体/受体异质结也能形成界面电荷转移激子。聚合物P3TEA与非富勒烯受体SF-PDI₂的共混体系中，额外光脉冲促使束缚电荷进一步分离，增强局域电场并产生电吸收响应。改变额外脉冲到达时间，可追踪仍能发生这种响应的电荷转移态；其信号在约800 ps时依然存在。

P3TEA:SF-PDI₂在降温后出现更强的束缚电荷转移激子信号，与其解离需要热激活的解释一致。长时间信号还包含自由电子、空穴再次相遇形成的电荷转移态。器件工作时，电极抽取与解离、复合竞争：载流子若在到达电极前重新复合，将减少输出电流；温度改变解离速率，也会改变可收集电荷的数量。