半导体材料第10讲-超晶格1

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1、半导体材料第八章III－V族多元合物半导体四探针法原理请参考陈治明，王建农，《半导体器件的材料物理学基础》，科学出版社，1999年5月第一版，p:249-2688-1异质结异质结：两种不同晶体接触处所形成的结。由两种半导体单晶联结起来构成。可分为同型(NN+，PP+)和异型(PN)两种理想的异质结应是突变的，但实际上一般的外延生长方法制备的异质结，常常是具有一定厚度的缓变区(过渡区)，会影响异质结的某些特性。利用MBE，MOVPE，ALE等外延技术可以生长过渡区很窄或突变的异质结。MOVPE反应器中气体流速快，可以迅

2、速改变多元化合物组分和杂质浓度，从而可以使杂质分布陡峭一些，过渡层薄。MBE生长速度低(0.1-1nm/s)，利用快门可精密地控制掺杂、组分和厚度，是一种原子级的生长技术，有利于生长多层异质结构在器件，特别是光电器件的设计和制做中常利用异质结的以下特性：由低阻衬底和含有器件的有源区的外延层构成的同型异质结，衬底与外延层的交界面在无源区，衬底只起到支撑外延层的作用。同型异质结在靠近有源区处能提供一个带隙较高的透明层，可消除复合速度很高的自由表面，而异质结界面则起到钝化作用。同型异质结也能形成限制载流子的势垒，可缩短载流

3、子的扩散长度，从而减少了复合区宽度。异型异质结可利用改变两侧禁带宽度的相对大小来提高电子或空穴的注入效率。同型和异型异质结都能提供一个折射率阶跃，形成光波导的界面同型异质结还可以为形成金属化欧姆接触提供一个禁带宽度小的称作“盖层”的材料层。异质的能带突变异质结的两边是不同的半导体材料，则禁带不同，从面在异质结处就存在导带的突变量△Ec和价带的突变量△Ev。这些能带突变量是表征异质结的重要物理量对异质结处的应用有很重要的影响。一、典型的能带突变形式1、禁带交叉式2、禁带错开式3、禁带不交接能带突变的应用能带突变的应用是

4、多方面的：1、可以产生热电子2、可形成使电子反射的势垒3、提供一定厚度和高度的势垒，当势垒很薄时，电子可以隧穿，势垒较厚时，只有那些能量比势垒高度大的电子才能越过。4、造成一定浓度和宽度的势阱，束缚电子于其中，当势阱宽度小于电子的debroglie波长时，阱中的电子将处于一系列量子化能级上（即量子势阱）晶格失配在异质外延层和衬底或相邻的两个外延层之间，如果存在晶格常数的差异，称之为晶格失配。晶格失配率：其中：f为失配率(度)，a1和a2分别为外延层材料和衬底材料的晶格常数。晶格失配的影响晶格失配的存在，常给器件制做和

5、性能带来不利的影响，因此在外延时，一般都尽是限制和降低晶格失配的影响。要想使两种晶格常数不同的材料在原子尺寸范围内达到相互近似匹配，只有在晶格处于弹性应变状态，即在两种晶格交界面附件的每个原子偏离其正常位置时才能实现。当这种应变较大时，即存储在晶体中的应变能量足够大时，将通过在界面处形成位错而释放，所形成的位错称为失配位错。实验表明，在异质结外延层中，晶格失配引起的位错密度可达107-108/cm2，甚至达到1010/cm2。如果发光器件的有源区中有如此高密度的位错，其发光效率将大大降低。减少办法：(1)临界厚度法(

6、2)界面缓变法(3)组分突变法(4)生长应变超晶格晶格失配不利影响的消除办法(1)临界厚度法在异质外延生长时，应变能是随着外延层的厚度增加而增加的。通常把外延层即将释放应变能形成失配位错时的厚度称为“临界厚度”。因此在进行异质外延生长时，如果其厚度不超过临界厚度，则外延层是完整的，没有失配位错。特点：制备的外延层无位错，但外延层厚度较小晶格失配不利影响的消除办法(2)缓变法在异质外延生长时，缓慢地改变其多元化合物的组分，使晶格常数逐渐变化到要求值。即在生长一组分缓变的过渡层后再生长所要求的恒定组分层。这种方法虽然不能

7、消除失配位错，但能有效的将位错分散到比较厚的外延层中，使外延层横截面内的平均位错密度下降，从而改善那些利用外延层表面制作的器件的性能。特点：外延层厚，分散位错(3)组分突变法在液相外延生长时发现，如果是晶格失配材料生长时，外延层中的位错密度通常只是衬底1/3~1/10，这是因为许多位错有拐弯进入交界面的倾向。根据这一现象，在外延生长时，不是一次生长出厚的外延层，而是生长几个不同厚度的薄外延层，利用两层间的交界面，使部分位错拐弯，降低外延层表面的位错密度。特点：生长几层外延层，将位错转移到层界面，降低表面位错密度。需注

8、意的是：如果所生长的多层厚度较厚时，处在压应变状态(即衬底晶格常数小于外延层时)，这种方法有效。反之，处于伸张状态，不但位错密度不能降低，反而还会增加。8-5超晶格与量子阱半导体超晶格---是利用超薄层生长技术制备的一种新型的人工材料。江崎玲于奈(LeoEsaki)，朱兆祥等于1969年提出半导体超晶格的概念。江崎从实验中发现半导体的隧道现象，