半导体材料第10讲-超晶格.ppt

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1、半导体材料第八章IIIV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异质结异质结异质结异质结异质结：两种不同晶体接触处所形成的结。由两种半导体单晶联：两种不同晶体接触处所形成的结。由两种半导体单晶联：两种不同晶体接触处所形成的结。由两种半导体单晶联：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。可分为同型结起来构成。可分为同型结起来构成。可分为同型结起来构成。可分为同型(NN(NN+，PP PP+)和异型和异型和异型和异型(PN)(PN)两种两种两种两种理想的异质结应是突变的，但实际上一般

2、的外延生长方法制备的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异质结，常常是具有一定厚度的缓变区异质结，常常是具有一定厚度的缓变区异质结，常常是具有一定厚度的缓变区(过渡区过渡区过渡区过渡区)，会影响异质结，会影响异质结，会影响异质结，会影响异质结的某些特性。的某些特性。的某些特性。的某些特性。利用利用利用利用MBEMBE，MOVPEMOVPE，ALEALE等外延技术可以生长过渡区很窄或突等外延技术可以生长过渡区很窄或突等外延技术可以生

3、长过渡区很窄或突等外延技术可以生长过渡区很窄或突变的异质结。变的异质结。变的异质结。变的异质结。MOVPEMOVPE反应器中气体流速快，可以迅速改变多元化合物组分和杂质浓度，从反应器中气体流速快，可以迅速改变多元化合物组分和杂质浓度，从反应器中气体流速快，可以迅速改变多元化合物组分和杂质浓度，从反应器中气体流速快，可以迅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。而可以使杂质分布陡峭一些，过渡层薄。而可以使杂质分布陡峭一些，过渡层薄。而可以使杂质分布陡峭一些，过渡层薄。MBEMBE生长速度低生长速度低生长速度低生长速度低(0.1-1nm/s)(0.1-1nm/s)，利

4、用快门可精密地控制掺杂、组分和厚度，是，利用快门可精密地控制掺杂、组分和厚度，是，利用快门可精密地控制掺杂、组分和厚度，是，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一种原子级的生长技术，有利于生长多层异质结构一种原子级的生长技术，有利于生长多层异质结构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：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：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：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

5、的有源区的外延层构成的同型异质结，衬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。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。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。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，可消同型

6、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。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。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。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，可缩短载流子的扩散长同型异质结也能形成限制载流子的势垒，可缩短载流子的扩散长同型异质结也能形成限制载流子的势垒，可缩短载流子的扩散长同型异质结也能形成限制载流子的势垒，可缩短载流子的扩散长度，从而减少了复合区宽度。度，从而减少了复合区宽度。度，从而减少了复合区宽度。度，从而减少了复合区宽度。异型

7、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。穴的注入效率。穴的注入效率。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同型异质结还可以为形成金属化欧姆接触提供一个禁

8、带宽度小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 的的的的称作称作称作称作“盖层盖层盖层盖层”的材料层。的材料层。的材料层。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，从面在异质结的两边是不同的半导体材料，则禁带不同，从面在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异质结处就存在导带的突变量异质结处就存在导带的突变量异质结处就存在导带的突变量EcEc和价带的突变量和价带的突变量和价带的突变量和价带的突变量EvEv。这些能

9、带突变量是表征异质结的重要物理量对异质结处的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。应用有很重要的影响。应用有很重要的影响。应用有很重要的影响。一、典型的能带突变形式一、典型的能带突变形式一、典型的能带突变形式一、典型的能带突变形式1 1、禁带交叉式、禁带交叉式、禁带交叉式、禁带交叉式2 2、禁带错开式、禁带错开式、禁带错开式、禁带错开式3 3、禁带不交接、禁带不交接、禁带不交接、禁带不交接能带突变的应用能带突变的应用是多方面的：能带突变的应用是多方面的：1 1、可

10、以产生热电子、可以产生热电子2 2、可形成使电子反射的势垒、可形成使电子反射的势垒3 3、提供一定厚度和高度的势垒，当势垒很薄时，、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。垒高度大的电子才能越过。4 4、造成一定浓度和宽度的势阱，束缚电子于其中，、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当势阱宽度小于电子的de brogliede broglie波长时，阱中的波长时，阱中的电子将处于一系列量子化能级上（即量子势阱）电子将处于一系列量子化能级上（即量子势阱）晶格失配l

11、 l在异质外延层和衬底或相邻的两个外延层之间，在异质外延层和衬底或相邻的两个外延层之间，在异质外延层和衬底或相邻的两个外延层之间，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。如果存在晶格常数的差异，称之为晶格失配。如果存在晶格常数的差异，称之为晶格失配。如果存在晶格常数的差异，称之为晶格失配。l l晶格失配率：晶格失配率：晶格失配率：晶格失配率：l l其中：其中：其中：其中：f f为失配率为失配率为失配率为失配率(度度度度)，a a1 1和和和和a a2 2分别为外延层材料分别为外延层材料分别为外延层材料分别为外延层材料和衬底材料的晶格常数。和衬底材料的晶

12、格常数。和衬底材料的晶格常数。和衬底材料的晶格常数。晶格失配的影响 晶格失配的存在，常给器件制做和性能带来不利的影响，因此在晶格失配的存在，常给器件制做和性能带来不利的影响，因此在晶格失配的存在，常给器件制做和性能带来不利的影响，因此在晶格失配的存在，常给器件制做和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。外延时，一般都尽是限制和降低晶格失配的影响。外延时，一般都尽是限制和降低晶格失配的影响。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要想使两种晶格常

13、数不同的材料在原子尺寸范围内达到相互近似匹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。原子偏离其正常位置时才能实现。原子偏离其正常位置时才能实现。原子偏离其正常位置时才能实现。当这种应变较大时，即存储在晶体当这种应变较大时，即存储在晶体当这种应变较大时，即存储在晶体当这种应变较大时，即存储在晶体中的应变能量足够大时

14、，将通过在界面处形成位错而释放，所形成的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位错称为失配位错位错称为失配位错位错称为失配位错。实验表明，在异质结外延层中，晶格失配引起的。实验表明，在异质结外延层中，晶格失配引起的。实验表明，在异质结外延层中，晶格失配引起的。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位错密度可达位错密度可达位错密度可达10107 7-10-108 8/cm/cm2 2，甚至达到，甚至达到，甚至达到，甚至达到1

15、0101010/cm/cm2 2。如果发光器件的有源。如果发光器件的有源。如果发光器件的有源。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。区中有如此高密度的位错，其发光效率将大大降低。区中有如此高密度的位错，其发光效率将大大降低。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：减少办法：减少办法：减少办法：(1)(1)临界厚度法临界厚度法临界厚度法临界厚度法(2)(2)界面缓变法界面缓变法界面缓变法界面缓变法 (3)(3)组分突变法组分突变法组分突变法组分突变法(4)(4)生长应变超晶格生长应变超晶格生长应变超晶格生长应变超晶格晶格失配不利影响的消除办法(1)临界厚

16、度法临界厚度法临界厚度法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在异质外延生长时，应变能是随着外延层的厚度增加而增在异质外延生长时，应变能是随着外延层的厚度增加而增在异质外延生长时，应变能是随着外延层的厚度增加而增加的。通常把加的。通常把加的。通常把加的。通常把外延层即将释放应变能形成失配位错时的厚外延层即将释放应变能形成失配位错时的厚外延层即将释放应变能形成失配位错时的厚外延层即将释放应变能形成失配位错时的厚度度度度称为称为称为称为“临界厚度临界厚度临界厚度临界厚度”。因此在进行异质外延生长时，如果。因此在进行异质外延生长时，如果。因此在进行异质外延生长时，如果。因此在进

17、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，没有失配位其厚度不超过临界厚度，则外延层是完整的，没有失配位其厚度不超过临界厚度，则外延层是完整的，没有失配位其厚度不超过临界厚度，则外延层是完整的，没有失配位错。错。错。错。特点：制备的外延层无位错，但外延层厚度较小特点：制备的外延层无位错，但外延层厚度较小特点：制备的外延层无位错，但外延层厚度较小特点：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)(2)缓变法缓变法缓变法缓变法 在异质外延生长时，缓慢地改变其多元化合物在异质外延生长时，缓慢地改变其多元化合物在异质外延生长时，缓慢地改变其多元化合物在异质外延

18、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。即在生的组分，使晶格常数逐渐变化到要求值。即在生的组分，使晶格常数逐渐变化到要求值。即在生的组分，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长一组分缓变的过渡层后再生长所要求的恒定组长一组分缓变的过渡层后再生长所要求的恒定组长一组分缓变的过渡层后再生长所要求的恒定组分层。这种方法虽然不能消除失配位错，但能有分层。这种方法虽然不能消除失配位错，但能有分层。这种方法虽然不能消除失配位错，但能有分层。这种方法虽然不能消除失配位错，但能有效的将位错分散到比较厚的外延层中，使外延层效的将位错分散到比较厚的

19、外延层中，使外延层效的将位错分散到比较厚的外延层中，使外延层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，从而改善那些利横截面内的平均位错密度下降，从而改善那些利横截面内的平均位错密度下降，从而改善那些利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。用外延层表面制作的器件的性能。用外延层表面制作的器件的性能。用外延层表面制作的器件的性能。特点：外延层厚，分散位错特点：外延层厚，分散位错特点：外延层厚，分散位错特点：外延层厚，分散位错(3)(3)组分突变法组分突变法组分突变法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，外延层中在液相

20、外延生长时发现，如果是晶格失配材料生长时，外延层中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的位错密度通常只是衬底的位错密度通常只是衬底的位错密度通常只是衬底1/31/101/31/10，这是因为许多位错有拐弯进入交，这是因为许多位错有拐弯进入交，这是因为许多位错有拐弯进入交，这是因为许多位错有拐弯进入交界面的倾向。界面的倾向。界面的倾向。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，而根据这一现象，在外延生长时，不是一次生长出

21、厚的外延层，而根据这一现象，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。拐弯，降低外延层表面的位错密度。拐弯，降低外延层表面的位错密度。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，降低表面位错密度特点：生长几层外延层，将位错转移到层界面，降低

22、表面位错密度特点：生长几层外延层，将位错转移到层界面，降低表面位错密度。需注意的是：如果所生长的多层厚度较厚时，处在压应变状态需注意的是：如果所生长的多层厚度较厚时，处在压应变状态需注意的是：如果所生长的多层厚度较厚时，处在压应变状态需注意的是：如果所生长的多层厚度较厚时，处在压应变状态(即即即即衬底晶格常数小于外延层时衬底晶格常数小于外延层时衬底晶格常数小于外延层时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，这种方法有效。反之，处于伸张状态，这种方法有效。反之，处于伸张状态，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。不但位错密度不能降低，反而还会

23、增加。不但位错密度不能降低，反而还会增加。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半导体超晶格半导体超晶格半导体超晶格-是利用超薄层生长技术制备的一种新型的人工材料。是利用超薄层生长技术制备的一种新型的人工材料。是利用超薄层生长技术制备的一种新型的人工材料。是利用超薄层生长技术制备的一种新型的人工材料。江崎玲于奈江崎玲于奈江崎玲于奈江崎玲于奈(Leo Esaki)(Leo Esaki)，朱兆祥等于，朱兆祥等于，朱兆祥等于，朱兆祥等于19691969年提出半导体超晶格的概年提出半导体超晶格的概年提出半导体超晶格的概年提出半导体超晶格的概念。念。念。念。江崎从实验中发

24、现半导体的隧道现象，并提出超晶格的概念，与约瑟江崎从实验中发现半导体的隧道现象，并提出超晶格的概念，与约瑟江崎从实验中发现半导体的隧道现象，并提出超晶格的概念，与约瑟江崎从实验中发现半导体的隧道现象，并提出超晶格的概念，与约瑟夫森一起分享了夫森一起分享了夫森一起分享了夫森一起分享了19731973年的诺贝尔物理学奖年的诺贝尔物理学奖年的诺贝尔物理学奖年的诺贝尔物理学奖(约瑟夫森理论上预言了通约瑟夫森理论上预言了通约瑟夫森理论上预言了通约瑟夫森理论上预言了通过隧道阻挡层的超电流的性质。过隧道阻挡层的超电流的性质。过隧道阻挡层的超电流的性质。过隧道阻挡层的超电流的性质。)由于半导体超晶格具有很多体

25、材料不具备的特性和广阔的应用前景，由于半导体超晶格具有很多体材料不具备的特性和广阔的应用前景，由于半导体超晶格具有很多体材料不具备的特性和广阔的应用前景，由于半导体超晶格具有很多体材料不具备的特性和广阔的应用前景，深受人们的重视。深受人们的重视。深受人们的重视。深受人们的重视。3030多年来，在超晶格物理、材料制备、特性检测与多年来，在超晶格物理、材料制备、特性检测与多年来，在超晶格物理、材料制备、特性检测与多年来，在超晶格物理、材料制备、特性检测与分析及在器件制做方面的应用等都发展得十分迅速，取得了惊人的成分析及在器件制做方面的应用等都发展得十分迅速，取得了惊人的成分析及在器件制做方面的应用

26、等都发展得十分迅速，取得了惊人的成分析及在器件制做方面的应用等都发展得十分迅速，取得了惊人的成果，成为当今半导体科学最活跃的领域之一，果，成为当今半导体科学最活跃的领域之一，果，成为当今半导体科学最活跃的领域之一，果，成为当今半导体科学最活跃的领域之一，超晶格概念的提出的意义超晶格概念的提出的意义超晶格概念的提出的意义超晶格概念的提出的意义 首先首先首先首先-超晶格材料的发明开创了材料科学的新纪元半导体能带工超晶格材料的发明开创了材料科学的新纪元半导体能带工超晶格材料的发明开创了材料科学的新纪元半导体能带工超晶格材料的发明开创了材料科学的新纪元半导体能带工程的思想后来逐渐发展成材料科学领域广为

27、人知的程的思想后来逐渐发展成材料科学领域广为人知的程的思想后来逐渐发展成材料科学领域广为人知的程的思想后来逐渐发展成材料科学领域广为人知的“分子设计方法分子设计方法分子设计方法分子设计方法”现在人们设计某种新材料，而只需利用计算机，从材料的微观结构现在人们设计某种新材料，而只需利用计算机，从材料的微观结构现在人们设计某种新材料，而只需利用计算机，从材料的微观结构现在人们设计某种新材料，而只需利用计算机，从材料的微观结构和性能的关系出发，用设计分子结构的方法，来算出具有特定性能的和性能的关系出发，用设计分子结构的方法，来算出具有特定性能的和性能的关系出发，用设计分子结构的方法，来算出具有特定性能

28、的和性能的关系出发，用设计分子结构的方法，来算出具有特定性能的某种材料某种材料某种材料某种材料 以前人们一直认为只有晶格匹配的二种材料才能粘合到一起，后来以前人们一直认为只有晶格匹配的二种材料才能粘合到一起，后来以前人们一直认为只有晶格匹配的二种材料才能粘合到一起，后来以前人们一直认为只有晶格匹配的二种材料才能粘合到一起，后来人们才发现，借助于材料的应变，晶格不匹配的二种材料同样可以有人们才发现，借助于材料的应变，晶格不匹配的二种材料同样可以有人们才发现，借助于材料的应变，晶格不匹配的二种材料同样可以有人们才发现，借助于材料的应变，晶格不匹配的二种材料同样可以有效结合。这就是应变超晶格的概念效

29、结合。这就是应变超晶格的概念效结合。这就是应变超晶格的概念效结合。这就是应变超晶格的概念 除此之外，超晶格的概念不仅在半导体，而且在别的领域也产生除此之外，超晶格的概念不仅在半导体，而且在别的领域也产生除此之外，超晶格的概念不仅在半导体，而且在别的领域也产生除此之外，超晶格的概念不仅在半导体，而且在别的领域也产生了深远的影响在后来出现的金属超晶格，磁多层膜等概念中都可以了深远的影响在后来出现的金属超晶格，磁多层膜等概念中都可以了深远的影响在后来出现的金属超晶格，磁多层膜等概念中都可以了深远的影响在后来出现的金属超晶格，磁多层膜等概念中都可以找到半导体超晶格的影子半导体超晶格的研究还使低维系统的

30、研制找到半导体超晶格的影子半导体超晶格的研究还使低维系统的研制找到半导体超晶格的影子半导体超晶格的研究还使低维系统的研制找到半导体超晶格的影子半导体超晶格的研究还使低维系统的研制兴旺发达起来，使原来只是在量子力学课本中假想的低维体系，在实兴旺发达起来，使原来只是在量子力学课本中假想的低维体系，在实兴旺发达起来，使原来只是在量子力学课本中假想的低维体系，在实兴旺发达起来，使原来只是在量子力学课本中假想的低维体系，在实验室里被真真切切地制造出来。验室里被真真切切地制造出来。验室里被真真切切地制造出来。验室里被真真切切地制造出来。在应用方面半导体超晶格材料也取得了令人瞩目的成就例如，用在应用方面半导

31、体超晶格材料也取得了令人瞩目的成就例如，用在应用方面半导体超晶格材料也取得了令人瞩目的成就例如，用在应用方面半导体超晶格材料也取得了令人瞩目的成就例如，用超晶格材料制成的性能优异的激光器等超晶格材料制成的性能优异的激光器等超晶格材料制成的性能优异的激光器等超晶格材料制成的性能优异的激光器等超晶格超晶格是一种新型结构的半导体化合物，超晶格是一种新型结构的半导体化合物，它是它是由两种极薄的不同材料的半导体单晶由两种极薄的不同材料的半导体单晶薄膜周期性地交替生长的多层异质结构薄膜周期性地交替生长的多层异质结构，每层薄膜一般含几个以至几十个原子层。每层薄膜一般含几个以至几十个原子层。由于这种特殊结构，

32、半导体超晶格中的电由于这种特殊结构，半导体超晶格中的电子子(或空穴或空穴)能量将出现新的量子化现象，能量将出现新的量子化现象，以致产生许多新的物理性质。以致产生许多新的物理性质。两种晶格非常匹配但禁带宽度不同的材料两种晶格非常匹配但禁带宽度不同的材料两种晶格非常匹配但禁带宽度不同的材料两种晶格非常匹配但禁带宽度不同的材料A A和和和和B B，以薄层的形式周期性交替生长在一起，则其中电以薄层的形式周期性交替生长在一起，则其中电以薄层的形式周期性交替生长在一起，则其中电以薄层的形式周期性交替生长在一起，则其中电子沿薄层生长方向子沿薄层生长方向子沿薄层生长方向子沿薄层生长方向Z Z的连续能带将会分裂

33、成一些子的连续能带将会分裂成一些子的连续能带将会分裂成一些子的连续能带将会分裂成一些子能带，由连续能带分裂而成的第能带，由连续能带分裂而成的第能带，由连续能带分裂而成的第能带，由连续能带分裂而成的第n n个子能带的个子能带的个子能带的个子能带的E(k)E(k)关系可表示为：关系可表示为：关系可表示为：关系可表示为：E(k)=EE(k)=En0n0 2t 2tn ncoskdcoskd k k是电子沿是电子沿是电子沿是电子沿Z Z方向的波矢，限制在布里渊区（方向的波矢，限制在布里渊区（方向的波矢，限制在布里渊区（方向的波矢，限制在布里渊区（-/d,/d)-/d,/d)之中，之中，之中，之中，d

34、d是两个薄层的总厚度，即超晶格的重复周期，或称超晶格常数是两个薄层的总厚度，即超晶格的重复周期，或称超晶格常数是两个薄层的总厚度，即超晶格的重复周期，或称超晶格常数是两个薄层的总厚度，即超晶格的重复周期，或称超晶格常数。t tn n是能带宽度的量度，是能带宽度的量度，是能带宽度的量度，是能带宽度的量度，2t2tn n即为该子能宽度。即为该子能宽度。即为该子能宽度。即为该子能宽度。GaAs和和AlAs交替叠合而成的半导体超晶格交替叠合而成的半导体超晶格半导体超晶格与多量子阱 相邻两层不同材料的厚度的和称为相邻两层不同材料的厚度的和称为相邻两层不同材料的厚度的和称为相邻两层不同材料的厚度的和称为超

35、晶格的周期长度超晶格的周期长度超晶格的周期长度超晶格的周期长度，一般来说这个周期长度比各层单晶的晶格常数大几倍或更一般来说这个周期长度比各层单晶的晶格常数大几倍或更一般来说这个周期长度比各层单晶的晶格常数大几倍或更一般来说这个周期长度比各层单晶的晶格常数大几倍或更长，因此这种结构获得了长，因此这种结构获得了长，因此这种结构获得了长，因此这种结构获得了“超晶格超晶格超晶格超晶格”的名称。的名称。的名称。的名称。由于这两种材料的禁带宽度不同，则其能带结构出现由于这两种材料的禁带宽度不同，则其能带结构出现由于这两种材料的禁带宽度不同，则其能带结构出现由于这两种材料的禁带宽度不同，则其能带结构出现了势

36、阱和势垒。称窄禁带材料厚度为了势阱和势垒。称窄禁带材料厚度为了势阱和势垒。称窄禁带材料厚度为了势阱和势垒。称窄禁带材料厚度为阱宽阱宽阱宽阱宽L Lww，宽禁带材料，宽禁带材料，宽禁带材料，宽禁带材料厚度为厚度为厚度为厚度为垒宽垒宽垒宽垒宽L LB B，而，而，而，而L Lww+L+LB B就是周期长度。当这两种薄层材就是周期长度。当这两种薄层材就是周期长度。当这两种薄层材就是周期长度。当这两种薄层材料的厚度和周期长度小于电子平均自由程时，整个电子系料的厚度和周期长度小于电子平均自由程时，整个电子系料的厚度和周期长度小于电子平均自由程时，整个电子系料的厚度和周期长度小于电子平均自由程时，整个电子

37、系统进入了量子领域，产生统进入了量子领域，产生统进入了量子领域，产生统进入了量子领域，产生量子尺寸效应量子尺寸效应量子尺寸效应量子尺寸效应。这时夹在两个垒层间的阱就是这时夹在两个垒层间的阱就是这时夹在两个垒层间的阱就是这时夹在两个垒层间的阱就是量子阱量子阱量子阱量子阱。用两种禁带宽度不同的材料用两种禁带宽度不同的材料用两种禁带宽度不同的材料用两种禁带宽度不同的材料A A和和和和B B构成两个距离很近的背靠构成两个距离很近的背靠构成两个距离很近的背靠构成两个距离很近的背靠背的异质结，背的异质结，背的异质结，背的异质结，A/B/AA/B/A，若材料，若材料，若材料，若材料B B是窄禁带半导体，且其

38、导带是窄禁带半导体，且其导带是窄禁带半导体，且其导带是窄禁带半导体，且其导带底低于材料底低于材料底低于材料底低于材料A A的导带底，则当其厚度，亦即这两个背靠背的导带底，则当其厚度，亦即这两个背靠背的导带底，则当其厚度，亦即这两个背靠背的导带底，则当其厚度，亦即这两个背靠背的异质结的距离小于电子的平均自由程（约的异质结的距离小于电子的平均自由程（约的异质结的距离小于电子的平均自由程（约的异质结的距离小于电子的平均自由程（约100nm100nm），电），电），电），电子即被约束在材料子即被约束在材料子即被约束在材料子即被约束在材料B B中，形成以材料中，形成以材料中，形成以材料中，形成以材料A

39、A为电子势垒，为电子势垒，为电子势垒，为电子势垒，B B为电为电为电为电子势阱的量子阱。子势阱的量子阱。子势阱的量子阱。子势阱的量子阱。若材料若材料若材料若材料B B的价带顶也高于的价带顶也高于的价带顶也高于的价带顶也高于A A的价带顶，则该结构同时也是的价带顶，则该结构同时也是的价带顶，则该结构同时也是的价带顶，则该结构同时也是材料材料材料材料A A为空穴势垒，为空穴势垒，为空穴势垒，为空穴势垒，B B为空穴势阱的量子阱为空穴势阱的量子阱为空穴势阱的量子阱为空穴势阱的量子阱EgzEv1 Ev2 Ec2 Ec1图2由于两种材料的禁带宽度不由于两种材料的禁带宽度不同而引起的沿薄层交替生长方向同而

40、引起的沿薄层交替生长方向（z方向）的附加周期势分布中方向）的附加周期势分布中的势阱称为的势阱称为量子阱量子阱。量子阱中电子与块状晶体中量子阱中电子与块状晶体中电子具有完全不同的性质，即表电子具有完全不同的性质，即表现出量子尺寸效应，量子阱阱壁现出量子尺寸效应，量子阱阱壁能起到有效的限制作用，使阱中能起到有效的限制作用，使阱中的载流子失去了垂直于阱壁方向的载流子失去了垂直于阱壁方向（z方向）的自由度，只在平行方向）的自由度，只在平行于阱壁平面（于阱壁平面（xy面）内有两个面）内有两个自由度，故常称此量子系统为自由度，故常称此量子系统为二二维电子气维电子气。对电子和空穴的运动来说，对电子和空穴的运

41、动来说，对电子和空穴的运动来说，对电子和空穴的运动来说，GaAsGaAs和和和和AlAsAlAs材料构成超晶格最重要的特材料构成超晶格最重要的特材料构成超晶格最重要的特材料构成超晶格最重要的特点是能带在点是能带在点是能带在点是能带在a a、b b界面的突变。图中界面的突变。图中界面的突变。图中界面的突变。图中a a代表宽禁带隙的材料，代表宽禁带隙的材料，代表宽禁带隙的材料，代表宽禁带隙的材料，a a层中的电层中的电层中的电层中的电子和空穴将进入两边的子和空穴将进入两边的子和空穴将进入两边的子和空穴将进入两边的b b层，能量将处于层，能量将处于层，能量将处于层，能量将处于b b材料的禁带隙内，只

42、要材料的禁带隙内，只要材料的禁带隙内，只要材料的禁带隙内，只要b b层层层层不是十分薄它们将基本被反射回去。换言之，电子和空穴将被限制不是十分薄它们将基本被反射回去。换言之，电子和空穴将被限制不是十分薄它们将基本被反射回去。换言之，电子和空穴将被限制不是十分薄它们将基本被反射回去。换言之，电子和空穴将被限制在在在在b b层内，好像落入陷阱，这种限制电子和空穴的特殊能带结构被形层内，好像落入陷阱，这种限制电子和空穴的特殊能带结构被形层内，好像落入陷阱，这种限制电子和空穴的特殊能带结构被形层内，好像落入陷阱，这种限制电子和空穴的特殊能带结构被形象地称为象地称为象地称为象地称为“量子阱量子阱量子阱量

43、子阱”。超晶格则是包含了许多个这样的量子阱，且阱之间能够相互作用，形超晶格则是包含了许多个这样的量子阱，且阱之间能够相互作用，形超晶格则是包含了许多个这样的量子阱，且阱之间能够相互作用，形超晶格则是包含了许多个这样的量子阱，且阱之间能够相互作用，形成小能带。成小能带。成小能带。成小能带。多量子阱和超晶格的区别多量子阱和超晶格的区别多量子阱和超晶格都是连续周期排列的异质结构材料，区别多量子阱和超晶格都是连续周期排列的异质结构材料，区别多量子阱和超晶格都是连续周期排列的异质结构材料，区别多量子阱和超晶格都是连续周期排列的异质结构材料，区别在于势垒在于势垒在于势垒在于势垒的厚度和高度的厚度和高度的厚

44、度和高度的厚度和高度不同：不同：不同：不同：当当当当势垒厚度（宽带隙材料的厚度）势垒厚度（宽带隙材料的厚度）势垒厚度（宽带隙材料的厚度）势垒厚度（宽带隙材料的厚度）20nm20nm和势垒高度大于和势垒高度大于和势垒高度大于和势垒高度大于0.5eV0.5eV时，时，时，时，那么多个阱中的电子行为如同单个阱中电子行为的总和，这种结构材那么多个阱中的电子行为如同单个阱中电子行为的总和，这种结构材那么多个阱中的电子行为如同单个阱中电子行为的总和，这种结构材那么多个阱中的电子行为如同单个阱中电子行为的总和，这种结构材料称为料称为料称为料称为多量子阱多量子阱多量子阱多量子阱，它适合制做低阈值，锐谱线的发光

45、器件。，它适合制做低阈值，锐谱线的发光器件。，它适合制做低阈值，锐谱线的发光器件。，它适合制做低阈值，锐谱线的发光器件。如果如果如果如果势垒比较薄或高度比较低势垒比较薄或高度比较低势垒比较薄或高度比较低势垒比较薄或高度比较低，由于隧道效应，使阱中电子隧穿势垒，由于隧道效应，使阱中电子隧穿势垒，由于隧道效应，使阱中电子隧穿势垒，由于隧道效应，使阱中电子隧穿势垒的几率变得很大，势阱中分立的子能级就形成了具有一定宽度的子能的几率变得很大，势阱中分立的子能级就形成了具有一定宽度的子能的几率变得很大，势阱中分立的子能级就形成了具有一定宽度的子能的几率变得很大，势阱中分立的子能级就形成了具有一定宽度的子能

46、带，这种材料称为超晶格，它适于制备大功率的发光器件。带，这种材料称为超晶格，它适于制备大功率的发光器件。带，这种材料称为超晶格，它适于制备大功率的发光器件。带，这种材料称为超晶格，它适于制备大功率的发光器件。在超晶格量子阱中由于电子沿量子阱生长方向的运动受到约束在超晶格量子阱中由于电子沿量子阱生长方向的运动受到约束在超晶格量子阱中由于电子沿量子阱生长方向的运动受到约束在超晶格量子阱中由于电子沿量子阱生长方向的运动受到约束则会形成一系列离散量子能级；另一方面，在沿量子阱界面的平面内则会形成一系列离散量子能级；另一方面，在沿量子阱界面的平面内则会形成一系列离散量子能级；另一方面，在沿量子阱界面的平

47、面内则会形成一系列离散量子能级；另一方面，在沿量子阱界面的平面内电子仍是自由运动的，其运动为准二维的。电子仍是自由运动的，其运动为准二维的。电子仍是自由运动的，其运动为准二维的。电子仍是自由运动的，其运动为准二维的。二维与三维的态密度有本质的差别三维运动的态密度与二维与三维的态密度有本质的差别三维运动的态密度与二维与三维的态密度有本质的差别三维运动的态密度与二维与三维的态密度有本质的差别三维运动的态密度与E E1/21/2(E(E 是能量是能量是能量是能量)成正比，二维运动的态密度是常数。成正比，二维运动的态密度是常数。成正比，二维运动的态密度是常数。成正比，二维运动的态密度是常数。对于对于对

48、于对于GaAsGaAsAlAsAlAs界面由于能带的不连续性，再加上电离杂质的界面由于能带的不连续性，再加上电离杂质的界面由于能带的不连续性，再加上电离杂质的界面由于能带的不连续性，再加上电离杂质的空间电荷效应，在空间电荷效应，在空间电荷效应，在空间电荷效应，在GaAsGaAs层靠近界面处会形成电子的量子阱，杂质电层靠近界面处会形成电子的量子阱，杂质电层靠近界面处会形成电子的量子阱，杂质电层靠近界面处会形成电子的量子阱，杂质电子在阱中形成二维电子气。子在阱中形成二维电子气。子在阱中形成二维电子气。子在阱中形成二维电子气。超晶格量子阱的一些重要现象和性质即可用二维电子气的态密度超晶格量子阱的一些

49、重要现象和性质即可用二维电子气的态密度超晶格量子阱的一些重要现象和性质即可用二维电子气的态密度超晶格量子阱的一些重要现象和性质即可用二维电子气的态密度来描述。来描述。来描述。来描述。通过对二维电子气的态密度的计算，发现二维电子气的态通过对二维电子气的态密度的计算，发现二维电子气的态通过对二维电子气的态密度的计算，发现二维电子气的态通过对二维电子气的态密度的计算，发现二维电子气的态密度与能级无关。正是这种特性，给超晶格带来了许多方面的应用。密度与能级无关。正是这种特性，给超晶格带来了许多方面的应用。密度与能级无关。正是这种特性，给超晶格带来了许多方面的应用。密度与能级无关。正是这种特性，给超晶格

50、带来了许多方面的应用。可参考：阎明，可参考：阎明，可参考：阎明，可参考：阎明，”半导体超晶格及其量子阱的原理半导体超晶格及其量子阱的原理半导体超晶格及其量子阱的原理半导体超晶格及其量子阱的原理”，上海海运，上海海运，上海海运，上海海运学院学报，学院学报，学院学报，学院学报，V0l_21 NoV0l_21 No1 Mar1 Mar20002000，p=102-107p=102-107量子阱的应用量子阱红外探测器量子阱红外探测器量子阱红外探测器量子阱红外探测器阱材料的子带中有两个子能带，即基态阱材料的子带中有两个子能带，即基态阱材料的子带中有两个子能带，即基态阱材料的子带中有两个子能带，即基态E