半导体超晶格和多量子阱.ppt

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1、第9章半导体超晶格和多量子阱10.1超晶格和多量子阱的一般描述10.2超晶格的能带10.3垂直于超晶格方向的电子输运10.4超晶格的光谱特性10.5超晶格和量子阱器件10.6量子阱和超晶格的近期发展110.1超晶格和多量子阱的一般描述超晶格:Esaki和Tsu（江崎和朱兆祥）在1969年提出了超晶格概念，设想将两种不同组分或不同掺杂的半导体超薄层A和B交替叠合生长在衬底上，使在外延生长方向形成附加的晶格周期性。当取垂直衬底表面方向(垂直方向)为Z轴，超晶格中的电子沿z方向运动将受到超晶格附加的周期势场的影响，而其xy平面内的运动不受影响。AB在xy平面内电子的动能是连续的，z方向附加周期势

2、场使电子的能量分裂为一系列子能带。210.1超晶格和多量子阱的一般描述超晶格多量子阱能带结构示意图多量子阱能带图E2E1超晶格能带图EcAEvAEcBEvBEgBEgA∆Ec∆EvE2E1多量子阱和超晶格的本质差别在于势垒的宽度：当势垒很宽时电子不能从一个量子阱隧穿到相邻的量子阱，即量子阱之间没有相互耦合，此为多量子阱的情况；当势垒足够薄使得电子能从一个量子阱隧穿到相邻的量子阱，即量子阱相互耦合，原来在多量子阱中分立的能量En扩展成能带，此为超晶格的情况。310.1超晶格和多量子阱的一般描述（1）组分调制超晶格在超晶格结构中，如果超晶格的重复单元是由不同半导体材料的薄膜堆垛而成，则称为组分

3、超晶格。在组分超晶格中，由于构成超晶格的材料具有不同的禁带宽度，在异质界面处将发生能带的不连续。410.1超晶格和多量子阱的一般描述按异质结中两种材料导带和价带的对准情况，异质结分为两类：Ⅰ型异质结:窄带材料的禁带完全落在宽带材料的禁带中，ΔEc和ΔEv的符号相反。不论对电子还是空穴，窄带材料都是势阱，宽带材料都是势垒，即电子和空穴被约束在同一材料中。载流子复合发生在窄带材料一侧。GaAlAs/GaAs和InGaAsP/InP都属于这一种。510.1超晶格和多量子阱的一般描述Ⅱ型异质结（ΔEc和ΔEv的符号相同），分两种：*ⅡA类超晶格：材料1的导带和价带都比材料2的低，禁带是错开的。材料

4、1是电子的势阱，材料2是空穴的势阱。电子和空穴分别约束在两材料中,如GaAs/AlAs超晶格。610.1超晶格和多量子阱的一般描述ⅡB类超晶格：禁带错开更大，窄带材料的导带底和价带顶都位于宽带材料的价带中，有金属化现象，如InAs/GaSb超晶格。710.1超晶格和多量子阱的一般描述（2）掺杂调制超晶格在同一种半导体中，用交替地改变掺杂类型的方法做成的新型人造周期性半导体结构的材料。810.2超晶格的能带10.2.1GaAs-AlxGa1-xAs超晶格10.2.2InAs-GaSb超晶格10.2.3HgTe-CdTe超晶格10.2.4应变层超晶格10.2.5掺杂超晶格910.2.1GaAs

5、-AlxGa1-xAs超晶格对界面是突变异质结的GaAs-AlxGa1-xAs超晶格的导带和价带都是一系列的方形势阱。假设势垒和势阱的宽度相同，均为d。当势垒宽度d逐渐变小时，能级从高到低依次扩展成能带。这种情形和原子组成晶体的过程相似。1010.2.1GaAs-AlxGa1-xAs超晶格能量和波矢的关系将如图10.7所示。由于超晶格在z方向上的周期a是单晶周期a的n倍，所以它在z方向的第一布里渊区比单晶的缩小了n倍。超晶格的能带可以看成是原来GaAs能带的折叠而成的，由于势垒的作用形成了分立的能带。1110.2.1GaAs-AlxGa1-xAs超晶格在超晶格中电子的态密度和能量的关系既不

6、同于三维晶体中的抛物形，也不同于二维电子气的台阶状。在两个台阶相衔接的地方不是突变而是缓变过渡，如图10.8所示。缓变说明垂直于结方向上的电子能量不再是分立的能级，而扩展成能带了。1210.2.2InAs-GaSb超晶格II型超晶格，如图10.12所示。GaSb价带中的电子可以进人InAs的导带，在边界上形成能带的弯曲。界面两边积累的电子和空穴在界面上将形成较强的偶极层(图10.12)。1310.2.2InAs-GaSb超晶格Sai-Halas:等人计算出了InAs-GaSb超晶格的子带结构，如图10.13所示图。图中E1，E2是电子的子带，HH1-HH4是重空穴的子带，LH1和LH2则是

7、轻空穴的子带。14Si和Ge价带顶位于布里渊区中心k＝0处，并且价带是简并的（若一个能级与一种以上的状态相对应，则称之为简并能级，属于同一能级的不同状态的数目称为该能级的简并度）。由于能带简并，Si和Ge分别具有有效质量不同的两种空穴，有效质量较大的称为重空穴，有效质量较小的称为轻空穴。对Si和Ge性质起作用的主要是重空穴和轻空穴。1510.2.2InAs-GaSb超晶格计算表明，超晶格的子带结构和超晶格的周期有很大的关