高等半导体物理Chapter 3 半导体超晶格物理.pdf

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1、第三章半导体超晶格物理§3.1超晶格的定义与分类§323.2超晶格的子能带§3.3应变超晶格§3.4掺杂超晶格§3.5超晶格结构的伏安特性§3.6应变硅结构器件§373.7超晶格结构的器件应用第三章半导体超晶格物理§3.1超晶格的定义与分类§323.2超晶格的子能带§3.3应变超晶格§3.4掺杂超晶格§3.5超晶格结构的伏安特性§3.6应变硅结构器件§373.7超晶格结构的器件应用§3.1超晶格的定义与分类3113.1.1超晶格结构的提出3.1.2超晶格结构的定义3.1.3超晶格结构的分类3.1.1超晶格

2、结构的提出¾1970年，日本科学家江崎和华裔科学家朱兆祥在寻找具有微分电阻的新器件时，提出了一个全新的革命性概念：半导体超晶格。他们设想，如果用两种晶格匹配很好的半导体材料A和B交替生长周期性的半导体结构，则电子沿生长轴方向的连续能带将分裂成几个子带，在波矢空间中电子沿布里渊区边缘运动，出现负阻。这种运动在实空间中表现为来回振荡，这将大大提高器件的工作能力。¾与此同时，分子束外延技术也在美国贝尔实验室和IBM公司开发成功．新思想和新技术的巧妙结合，制成了第一类晶格匹配的组分型AlGaAs/GaAsx1-x

3、超晶格，标志着半导体材料的发展开始进入人工设计的新时代．¾分子束外延是目前薄膜生长技术中最先进的技术。这种技术利用定向分子束流在单晶衬底上淀积，所以能够精确地控制薄层的厚度，其精度可以达到单原子层的程度。半导体超晶格结构的优点¾半导体中的自由电子局限在一个平面内运动，成为准二维电子气。¾电子迁移率远大于体材料。在4.2K下达到2×106cm2/Vs，在77K下达到1.2×105cm2/Vs，室温下达到9200cm2/Vs。¾可以进行能带设计。由于量子阱、超晶格是由两种不同材料组成，所以可以选择不同的材料，

4、设计具有不同禁带宽度和光学性质的量子阱和超晶格结构，制作新型的光电器件，这成为“能带剪裁工程”。¾阈值电流密度低。由半导体超晶格结构制成的半导体激光器的阈值电流密度低，大概是普通半导体激光器的三分之一，所以功耗大大降低。而且可以从材料、组分和厚度对交替生长的超晶格结构进行控制，这样就可以发射不同的光波长，满足应用时对不同波长的要求。¾因此，量子阱和超晶格在光双稳态器件、红外探测器以及共振隧道器件等方面也有许多新的应用。半导体超晶格的发展¾随着半导体生长技术的提高，材料的种类已由开始时的GaAs/AlGaA

5、s超晶格结构扩展到IAlAInAlAs/IGAInGaAs，IAInAs/GSbGaSb，CdTe/HTHgTe，FSbFeSb/SnSb等，近年来又从化合物发展到Ge，Si元素半导体，已研制出Si/Ge超晶格。利用非晶态Si、Ge、SiN和SiC等也可以制成非晶态半导体超34晶格，而且实验上已经观察到了一系列奇异的光、电现象。¾超晶格具有可由人工设计的奇异特性，对它的研究受到了各国的重视。超晶格材料被认为是21世纪新型电子器件的支柱材料。¾超晶格可以看成是载流子的准二维体系。它获得的巨大成功启发人们开展

6、对一维、零维等低维体系的探索。现在人们在量子线、量子点方面的研究方兴未艾。3.1.2超晶格结构的定义超晶格是由两种或两种以上性质不同的薄膜相互交替生长而形成的多层结构的晶体。超晶格的周期：L=L+LAB¾一般来说，它的周期长度比各层薄膜中单晶的晶格常数要大几倍以上，因而取名为“超晶格”。超晶格结构示意图超晶格结构与多量子阱结构的区别多量子阱结构超晶格结构多量子阱同样是重复相间的多层结构，它和超晶格的区别何在？如果窄带材料（势阱层）的宽度很小，可以和电子的德布罗意波长相比，而宽度材料（势垒层）的宽度很大，使

7、相邻势阱中的电子波函数不能互相耦合，则这种结构成为多量子阱结构。超晶格结构与多量子阱结构的区别¾在多量子阱结构中，每一个势阱中的电子（或空穴）在垂直于界面方向上运动的能量是不连续的，只能取一系列分立的值，而电子（或空穴）在平行于界面的方向上的运动却是自由的，因而多量子阱结构中的电子（或空穴）的动准维的运动是准二维的的动运动。¾如果多量子阱结构中的每一个周期都完全重复，那它的性质将和单量子阱完全相同。¾如果窄带材料（势阱层）的宽度很小，可以和电子的德布罗意波长相比，而宽度材料（势垒层）的宽度也很小，即势垒的

8、厚度也很小，从而使相邻势阱中的电子波函数可以互相耦合，扩展成子能带，则这种结构就是超晶格结构。¾因此，多量子阱和超晶格结构的唯一区别就是垒层的厚度的大小是否能使相邻势阱中的波函数发生耦合。3.1.3超晶格结构的分类⎧组分超晶格半导体超晶格⎨⎩掺杂超晶格⎧按能带排列类型分：TypeI,TypeII,TypeIII⎪组分超晶格⎨按材料种类分：二元超晶格和多元超晶格⎪⎩按结构维度分：一维超晶格、二维超晶格和多维超晶格3.1.3超晶格