量子阱和超晶格说课材料.ppt

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1、量子阱和超晶格§1引言1970年IBM公司江崎(Esaki),朱兆祥(Tsu)：“SuperlatticeandNegativeDeferentialConductivityinSemiconductors”，周期性地外延生长半导体超晶格：微带结构，布里渊区大大缩小，负微分电导。1971年第一个GaAs/AlxGa1-xAs人工周期结材料:“L.Esaki,L.L.Chang.R.Tsu,12thLowTemp.Phys.Kyoto,JapanP.551”1972年观察到负微分电导，输运的振荡现象，微带结构。随后，新颖的物理现象被揭示，新理论被提出，与之相应的高性能的新型器件被研究

2、和开发。直条影区指具有相近晶格常数但不同能隙宽度的材料在区内材料原则上都可组成异质结超晶格图中的连线是指这些材料都可形成特定的合金低温下具有金刚石、闪锌矿结构半导体与晶格常数的关系(4.2K)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。导带中电子的能量可表示为:E=E(kz)+ħ2/2m(kx2+ky2)在xy平面内电子的

3、动能是连续的，z方向附加周期势场使电子的能量分裂为一系列子能带。不连续点的kz值满足:kz=±n/D，D为超晶格周期。AB§2超晶格和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，此为超晶格的情况。超晶格分类（1）组分调制超晶格（2）掺杂调制超晶格（3）应变超晶格（4）多维超晶格（5）非

4、晶态半导体的超晶格（6）半磁超晶格（7）渐变能隙超晶格(锯齿状)超晶格能带结构来源于两种材料禁带的变化，存在内界面。（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。按异质结中两种材料导带和价带的对准情况，江崎把异质结分为三类：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/GaA

5、s和InGaAsP/InP都属于这一种。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。超晶格具有间接带隙的特点，跃迁几率小，如GaAs/AlAs超晶格。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。Ⅲ类超晶格：其中一种材料具有零带隙。组成超晶格后，由于它的电子有效质量为负，将形成界面态。典型的例子是HgTe/CdTe超晶格。（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

6、型的方法做成的新型人造周期性半导体结构的材料。优点:(1)任何一种半导体材料只要很好控制掺杂类型都可以做成超晶格。(2)多层结构的完整性非常好，由于掺杂量一般较小，所以杂质引起的晶格畸变也较小。因此，掺杂超晶格中没有像组分超晶格那样明显的异质界面。(3)掺杂超晶格的有效能隙可以具有从零到未调制的基体材料能量隙之间的任何值，取决于对各分层厚度和掺杂浓度的选择。（2）掺杂调制超晶格利用电离杂质中心产生的静电势在晶体中形成周期性变化的势，例如n-i-n-i结构超晶格。（3）应变超晶格初期研究超晶格材料时，除了A1xGa1-xAs／GaAs体系以外，对其他物质形成的超晶格的研究工作不多。原因

7、：晶格常数相差很大，会引起薄膜之间产生失配位错而得不到良好质量的超晶格材料。解决方法：当多层薄膜的厚度十分薄时，在晶体生长时反而不容易产生位错。即，在弹性形变限度之内的超薄膜中，晶格本身发生应变而阻止缺陷的产生。因此，巧妙地利用这种性质，可制备出晶格常数相差较大的两种材料所形成的应变超晶格。SiGe／Si是典型应变超晶格材料，随着能带结构的变化，载流子的有效质量可能变小，可提高载流子的迁移率，可做出比一般Si器件更高速工作的电子器件。（4）多维超晶格一维超