半导体物理

从能量的角度：费米能级是化学势，定义为系统增加一个电子引起自由能的变化。热平衡时由于吉布斯函数取极值，那多元系的化学势必须相同，也就是说费米能级相同。

从电子填充的角度：由于电子能级填充满足费米狄拉克分布，那么大于0K情况下填充概率为0.5时的能量就是费米能级。这是半导体中常用考虑的角度。

接触时由于电子能量的差异，电子会从费米能级高的地方流向费米能级低的地方。那么，费米能级低的地方由于负电势-V的存在，整体能量上升U=(-e)(-V)=eV，直到费米能级平齐，此时接触电势差V等于功函数之差。

当接触时费米能级对齐，半导体的结区能带弯曲。能带弯曲同样可以有两种理解方式：

从能量的角度：

从电子填充的角度：假设电子从半导体跑向金属表面，半导体表面电荷减少导致费米能级会更接近于价带。也就是说导带和价带会往上弯曲。

从能量的角度：正电荷分布于半导体表面，建立一个从半导体体内到界面的电场，因此表面电势相对于体内更低，能带向上弯曲。

半导体能带理论 分析半导体能带理论，必须从能级，能带，禁带，价带，导带开始。因此分析如下： 能级（Enegy Level）：在孤立原子中，原子核外的电子按照一定的壳层排列，每一壳层容纳一定数量的电子。每个壳层上的电子具有分立的能量值，也就是电子按能级分布。为简明起见，在表示能量高低的图上，用一条条高低不同的水平线表示电子的能级，此图称为电子能级图。能带（Enegy Band）：晶体中大量的原子集合在一起，而且原子之间距离很近，以硅为例，每立方厘米的体积内有5×1022个原子，原子之间的最短距离为0.235nm。致使离原子核较远的壳层发生交叠，壳层交叠使电子不再局限于某个原子上，有可能转移到相邻原子的相似壳层上去，也可能从相邻原子运动到更远的原子壳层上去，这种现象称为电子的共有化。从而使本来处于同一能量状态的电子产生微小的能量差异，与此相对应的能级扩展为能带。 禁带（Forbidden Band）：允许被电子占据的能带称为允许带，允许带之间的范围是不允许电子占据的，此范围称为禁带。原子壳层中的内层允许带总是被电子先占满，然后再占据能量更高的外面一层的允许带。被电子占满的允许带称为满带，每一个能级上都没有电子的能带称为空带。 价带（Valence Band）：原子中最外层的电子称为价电子，与价电带。 导带（Conduction Band）：价带以上能量最低的允许带称为导带。 导带的底能级表示为Ec，价带的顶能级表示为Ev，Ec与Ev之间的能量间隔称为禁带Eg。 半导体的导电作用是通过带电粒子的运动（形成电流）来实现的，这种电流的载体称为载流子。半导体中的载流子是带负电的电子和带正电的空穴。对于不同的材料，禁带宽度不同，导带中电子的数目也不同，从而有不同的导电性。例如，绝缘材料SiO2的Eg约为5.2eV，导带中电子极少，所以导电性不好，电阻率大于1012Ω·cm。半导体Si的Eg约为1.1eV，导带中有一定数目的电子，从而有一定的导电性，电阻率为10-3—1012Ω·cm。金属的导带与价带有一定程度的重合，Eg=0，价电子可以在金属中自由运动，所以导电性好，电阻率为10-6—10-3Ω·cm。

导读：本文总结了二维材料/宽禁带材料异质结构的制备方法和能带对齐理论；介绍了铁电极化场和压电应力效应在二维/铁电异质结构中的应用；列举了二维/宽禁带半导体异质结构在探测器、场效应晶体管、光催化和气体传感器领域的研究进展；最后，总结了二维/宽禁带材料异质结构目前存在的问题，并展望了其未来发展方向。

综述背景

综述简介

北京邮电大学吴真平副教授，香港理工大学郝建华教授等以“Hybrid heterostructures and devices based on two-dimensional layers and wide bandgap materials”为题在《Materials Today Nano》发表了邀请综述文章。

论文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2588842020300213

该综述首先介绍了2D/WBG材料异质结构的制备方法，并详细探讨了2D/WBG异质结构的能带对齐理论。接下来，文章系统回顾了铁电极化场和压电应力效应在2D/铁电异质结构中的应用，并列举了2D/宽禁带半导体异质结构在探测器、场效应晶体管、光催化和气体传感器领域的研究进展，最后探讨了目前该领域的研究进展和存在研究难点，并对未来的研究方向提出了见解。

图1、常见二维材料、宽禁带半导体和铁电体的能带示意图。

图2、（a）BP-ZnO异质结示意图。（b）化学气相沉积法制备MoSe2工艺示意图。（c）GaN衬底和第3相MoSe2薄膜的照片。（d）单层MoS2/单层WSe2/GaN（上）和少层MoS2/GaN（下）的AFM图像。（e）蓝宝石衬底上生长的晶圆级MoS2薄膜的光学图像和横截面TEM图像。（f）MoS2/GaN（0001）的横截面TEM图像。

图3、（a）2D/WBG-vdW异质结构的原子结构和各种能带排列示意图：（b）欧姆接触，（c）肖特基接触，（d）I型跨骑，（e）II型交错，（f）III型错层。

图4、用PBE（左下区域）和HSE06（右上区域）计算的vdW异质结构能带排列表。绿色、红色和蓝色分别表示I型、II型和III型异质结构类型。两个彩色方框表示两种不同类型的机会相等。

图5、基于二维材料和铁电材料的异质结构。（a）石墨烯的输运性质。插图显示了石墨烯/PZT异质结构的示意图。（b）石墨烯在空气和真空中的输运特性。（c）基于MoS2和BTO的FTJ的I-V特性。（d）随电压变化的电阻开/关比。

图6、基于二维材料和压电PMN-PT的异质结构。（a）石墨烯/MoS2/PMN-PT异质结构示意图。（b）压电双轴应变在0 0.2%范围内调谐的MoS2的PL谱。（c）WSe2/PMN-PT异质结构示意图。（d）在PMN-PT上施加电场从 20-20kv/cm调谐的SPE的微PL谱。（e）PMN-PT上 20和20kv/cm电场调谐的SPE的微PL光谱。

图7、光电探测器。石墨烯/Ga2O3肖特基结光电探测器的结构图（a），在不同光强下的光响应（b）和光谱选择特性（c）。自组装石墨烯/GaN异质结探测器示意图（d），在360 nm光照条件下测量的I-V曲线（e）和光谱选择特性（f）。WS2/GaN光电探测器示意图（g）,器件的响应度和比探测率与光强度的函数关系（h）和紫外成像结果（i）。

图8、场效应晶体管。Ga2O3/WSe2结场效应晶体管示意图（a），器件的传输和跨导特性（b），器件的击穿电压可达144 V（c）。垂直Ga2O3/石墨烯势垒晶体管开关器件示意图（d），器件的关态击穿电压（e），器件击穿电场与其他报道的功率器件的比较（f）。E/D双型石墨烯/Ga2O3 MESFET示意图（g），直接耦合场效应晶体管逻辑逆变器（h），逻辑逆变器的电压传输特性（i）。

图9、气体传感器。MoS2/GaN气体传感器示意图（a）,反向偏压下氢气氛围下器件的能带图变化（b），不同温度下器件对氢气浓度测试的灵敏度（c）。rGO/AlGaN/GaN气体传感器原理图（d），在正偏压条件下，器件在NO2、NH3和SO2气氛中的能带图变化示意图（e），传感器气体浓度依赖响应曲线（f）。

图10、杂化异质结构中二维材料的形态。（a）GaN上MoSe2层的SEM图像。（b）GaN外延晶体上MoS2单层三角形的扫描电镜。GaN/AlGaN/GaN上生长的MoS2的TEM图像亮场（c），暗场（d），和选区电子衍射（SAED）图（e）。

结论与展望

综上，本综述系统讨论了2D/WBG异质结构的制备、能带结构设计和相关应用。虽然2D/WBG混合vdW异质结构在电子、光电子器件领域已经展现出优异的性能，但仍存在许多挑战和机遇。

1、目前研究的2D材料和WBG材料种类仍很少，以石墨烯为主，仍需要 探索 其他2D材料在本领域的应用。

2、铁电、压电材料目前仍只用于提供极化和应力来调控2D材料的物理特性，其耦合效应尚未完全理解。

3、制备获得高质量晶圆尺寸的2D/WBG混合异质结构是实现器件产业化的最大技术瓶颈。

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