3. 器件物理基础（二）：金属-半导体接触、异质结与2DEG

好，咱们接着聊。上一章我们把半导体的基本物理量捋了一遍，这一章要进入更实际的器件层面了。说白了，你做的任何一个功率器件，都离不开金属和半导体的接触。你想想看，芯片要通电，总得有个电极吧？这个电极就是金属。金属和半导体怎么搭在一起，直接决定了你的器件能不能正常工作。

3.1 金属-半导体接触：两种截然不同的性格

金属和半导体接触，根据界面势垒的不同，会表现出两种完全相反的特性：一种是让电流畅通无阻的欧姆接触，另一种是像二极管一样单向导电的肖特基接触。

3.1.1 肖特基接触：整流效应

当金属的功函数与半导体的功函数不匹配时，界面处就会形成一个势垒。这个势垒叫肖特基势垒。它的高度取决于金属和半导体的功函数差，以及界面态的影响。

我个人习惯用能带图来理解这件事。n型半导体与高功函数金属接触时，电子会从半导体流向金属，直到费米能级拉平。结果就是半导体表面形成耗尽层，能带向上弯曲。这个弯曲的高度就是势垒。

肖特基接触的电流输运机制主要是热电子发射。温度越高，越过势垒的电子越多，电流越大。这也是为什么肖特基二极管有负温度系数——温度升高，正向压降反而降低。

3.1.2 欧姆接触：低阻通路

欧姆接触的要求很简单：线性、对称、低阻。说白了就是电流正反都能流，而且压降要小到可以忽略。

实现欧姆接触的常用方法有两种：

• 重掺杂隧道效应：在接触区进行高浓度掺杂（比如n++），使耗尽层极薄，电子可以直接隧穿过去。这是SiC和GaN中最常用的方法。
• 选择低功函数金属：对于n型半导体，用功函数低于半导体电子亲和能的金属，理论上可以形成无势垒接触。但实际中受界面态影响，这种方法不太可靠。

3.2 异质结理论：两种材料碰撞的火花

异质结，就是把两种不同的半导体材料长在一起。这在宽禁带器件里太常见了——AlGaN/GaN、AlGaAs/GaAs、SiC/SiO₂（虽然严格说SiO₂不是半导体）等等。

异质结的核心是能带不连续性。两种材料的禁带宽度、电子亲和能、晶格常数都不同，在界面处能带会发生突变。这个突变分为两部分：

• 导带偏移 ΔE_C：决定了电子在界面处的势垒
• 价带偏移 ΔE_V：决定了空穴在界面处的势垒

根据两种材料的掺杂类型，异质结可以分为同型异质结（n-n或p-p）和反型异质结（n-p）。但真正让功率器件大放异彩的，是调制掺杂异质结。

3.3 二维电子气（2DEG）：异质结的馈赠

2DEG是异质结最迷人的产物。它出现在AlGaN/GaN这类异质结的界面处，电子被限制在极薄的一层（约2-3nm）内，只能在二维平面内自由运动。

为什么会形成2DEG？原因有三：

1. 极化效应：AlGaN和GaN都是纤锌矿结构，具有强自发极化和压电极化。AlGaN层的极化强度比GaN大，导致界面处出现净正极化电荷。
2. 能带弯曲：极化电荷在GaN一侧感应出大量电子，使能带向下弯曲，形成量子阱。
3. 量子限制：电子被限制在量子阱中，在垂直方向上的能量量子化，形成子带。

2DEG的浓度可以用以下公式估算：

n_s = (σ_pol / q) - (ε / (q² · d)) · (φ_B + E_F - ΔE_C)

其中：
n_s    — 2DEG面密度
σ_pol — 极化电荷面密度
d      — AlGaN势垒层厚度
φ_B    — 肖特基势垒高度
E_F    — 费米能级
ΔE_C   — 导带偏移

这个公式告诉我们：AlGaN层越厚，2DEG浓度越高。但太厚会导致晶格弛豫，反而降低浓度。我记得有一次做器件仿真，发现AlGaN厚度超过25nm后，2DEG浓度反而下降——就是因为应力释放产生了缺陷。

3.4 本章知识体系

下面这张图把本章的核心逻辑串起来了。你可以看到，从金属-半导体接触出发，到异质结，再到2DEG，是一条清晰的物理链条。

嗯，这一章的内容就到这里。金属-半导体接触是器件的基础，异质结是宽禁带器件的核心，2DEG则是实现高性能的关键。这三者环环相扣，缺一不可。下一章我们会进入更具体的器件结构——肖特基二极管和HEMT，到时候这些物理概念都会派上用场。

---

公众号:蓝海资料掘金营，微信deep3321