半导体材料第半导体材料第1010讲讲- -超晶超晶格格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: 249-268晶格失配不利影响的消除办法(1) )临界厚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，如果其。因此在进行异质外延生长时，如果其。因此在进行异质外延生长时，如果其。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。厚度不超过临界厚度，则外延层是完整的，没有失配位错。厚度不超过临界厚度，则外延层是完整的，没有失配位错。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，从材料的微观结构和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某性能的关系出发，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种材料种材料种材料 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，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，以能量将出现新的量子化现象，以致产生许多新的物理性质。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 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 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” ”，上海海运学，上海海运学，上海海运学，上海海运学院学报，院学报，院学报，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 E1 1和第一激发态和第一激发态和第一激发态和第一激发态E E2 2 ，在，在，在，在材料生长过程中利用掺杂型半导体使子带阱中基态上具有一定的二材料生长过程中利用掺杂型半导体使子带阱中基态上具有一定的二材料生长过程中利用掺杂型半导体使子带阱中基态上具有一定的二材料生长过程中利用掺杂型半导体使子带阱中基态上具有一定的二维电子密度，维电子密度，维电子密度，维电子密度， 当入射辐射光子能量为当入射辐射光子能量为当入射辐射光子能量为当入射辐射光子能量为hh照射到器件接收面上时，照射到器件接收面上时，照射到器件接收面上时，照射到器件接收面上时，E1E1上的电子将被光子激发到上的电子将被光子激发到上的电子将被光子激发到上的电子将被光子激发到E E2 2态，并隧穿势阱壁形成热电子，以致形成态，并隧穿势阱壁形成热电子，以致形成态，并隧穿势阱壁形成热电子，以致形成态，并隧穿势阱壁形成热电子，以致形成与入射光强度成正比的电信号。与入射光强度成正比的电信号。与入射光强度成正比的电信号。与入射光强度成正比的电信号。这种新型、快速、灵敏的红外探测器具有灵活性大、响应速度快、这种新型、快速、灵敏的红外探测器具有灵活性大、响应速度快、这种新型、快速、灵敏的红外探测器具有灵活性大、响应速度快、这种新型、快速、灵敏的红外探测器具有灵活性大、响应速度快、量子效率高、结构简明等优点。量子阱红外探测器还具有材料均匀性量子效率高、结构简明等优点。量子阱红外探测器还具有材料均匀性量子效率高、结构简明等优点。量子阱红外探测器还具有材料均匀性量子效率高、结构简明等优点。量子阱红外探测器还具有材料均匀性好稳定性好，重复性好及质高价廉等优点，其发展速度特别快。这种好稳定性好，重复性好及质高价廉等优点，其发展速度特别快。这种好稳定性好，重复性好及质高价廉等优点，其发展速度特别快。这种好稳定性好，重复性好及质高价廉等优点，其发展速度特别快。这种新型量子阱探测器的问世，大大促进了大规模集成、光学逻辑电路、新型量子阱探测器的问世，大大促进了大规模集成、光学逻辑电路、新型量子阱探测器的问世，大大促进了大规模集成、光学逻辑电路、新型量子阱探测器的问世，大大促进了大规模集成、光学逻辑电路、红外成像技术的发展量子阱红外探测器对红外物理、红外光电子学及红外成像技术的发展量子阱红外探测器对红外物理、红外光电子学及红外成像技术的发展量子阱红外探测器对红外物理、红外光电子学及红外成像技术的发展量子阱红外探测器对红外物理、红外光电子学及其应用领域带来了革命性的发展。其应用领域带来了革命性的发展。其应用领域带来了革命性的发展。其应用领域带来了革命性的发展。组分超晶格目前已设计制备出多种超晶格结构，主要有目前已设计制备出多种超晶格结构，主要有目前已设计制备出多种超晶格结构，主要有目前已设计制备出多种超晶格结构，主要有组分超晶格、掺杂组分超晶格、掺杂组分超晶格、掺杂组分超晶格、掺杂超晶格、多维超晶格超晶格、多维超晶格超晶格、多维超晶格超晶格、多维超晶格，应变超晶格应变超晶格应变超晶格应变超晶格。 如果超晶格材料的一个重复单元是由两种不同材料的薄层构如果超晶格材料的一个重复单元是由两种不同材料的薄层构如果超晶格材料的一个重复单元是由两种不同材料的薄层构如果超晶格材料的一个重复单元是由两种不同材料的薄层构成，则称为成，则称为成，则称为成，则称为组分超晶格组分超晶格组分超晶格组分超晶格。 在组分超晶格中，由于组成的材料具有不同的电子亲和势在组分超晶格中，由于组成的材料具有不同的电子亲和势在组分超晶格中，由于组成的材料具有不同的电子亲和势在组分超晶格中，由于组成的材料具有不同的电子亲和势和禁带宽度，在异质界面处发生能带不连续，根据不同材料的和禁带宽度，在异质界面处发生能带不连续，根据不同材料的和禁带宽度，在异质界面处发生能带不连续，根据不同材料的和禁带宽度，在异质界面处发生能带不连续，根据不同材料的电子亲和势的差可以确定导带的不连续能量值电子亲和势的差可以确定导带的不连续能量值电子亲和势的差可以确定导带的不连续能量值电子亲和势的差可以确定导带的不连续能量值 E Ec c，再考虑禁，再考虑禁，再考虑禁，再考虑禁带宽度，就可以确定价带不连续值带宽度，就可以确定价带不连续值带宽度，就可以确定价带不连续值带宽度，就可以确定价带不连续值 E Ev v，。这样超晶格从能带，。这样超晶格从能带，。这样超晶格从能带，。这样超晶格从能带结构上来划分可分为四种类型。结构上来划分可分为四种类型。结构上来划分可分为四种类型。结构上来划分可分为四种类型。其中第其中第其中第其中第I I种类型的超晶格的电子势阱和空穴势阱都处在同一薄层种类型的超晶格的电子势阱和空穴势阱都处在同一薄层种类型的超晶格的电子势阱和空穴势阱都处在同一薄层种类型的超晶格的电子势阱和空穴势阱都处在同一薄层材料中，这种类型的超晶格结构，适于制做激光器。材料中，这种类型的超晶格结构，适于制做激光器。材料中，这种类型的超晶格结构，适于制做激光器。材料中，这种类型的超晶格结构，适于制做激光器。 一、组分超晶格的制备一、组分超晶格的制备一、组分超晶格的制备一、组分超晶格的制备 制备组分超晶格时应满足如下的要求：制备组分超晶格时应满足如下的要求：制备组分超晶格时应满足如下的要求：制备组分超晶格时应满足如下的要求： (1) (1)组分超晶格是超薄层异质周期排列结构，因此制备时生长速率应组分超晶格是超薄层异质周期排列结构，因此制备时生长速率应组分超晶格是超薄层异质周期排列结构，因此制备时生长速率应组分超晶格是超薄层异质周期排列结构，因此制备时生长速率应能精确地控制，以保证各层厚度的重复性；能精确地控制，以保证各层厚度的重复性；能精确地控制，以保证各层厚度的重复性；能精确地控制，以保证各层厚度的重复性； (2) (2)异质界面应该平坦，粗糙度低，组分变化陡峭。这就要求生长时异质界面应该平坦，粗糙度低，组分变化陡峭。这就要求生长时异质界面应该平坦，粗糙度低，组分变化陡峭。这就要求生长时异质界面应该平坦，粗糙度低，组分变化陡峭。这就要求生长时源的变化要快，且在保证晶体质量的条件下，生长温度尽可能的低，源的变化要快，且在保证晶体质量的条件下，生长温度尽可能的低，源的变化要快，且在保证晶体质量的条件下，生长温度尽可能的低，源的变化要快，且在保证晶体质量的条件下，生长温度尽可能的低，以防止层间组分的互扩散；以防止层间组分的互扩散；以防止层间组分的互扩散；以防止层间组分的互扩散； (3) (3)晶格完整性要好，失配度小，失配位错少，表面形貌要好；晶格完整性要好，失配度小，失配位错少，表面形貌要好；晶格完整性要好，失配度小，失配位错少，表面形貌要好；晶格完整性要好，失配度小，失配位错少，表面形貌要好； (4) (4)各层化合物组分控制要精确，特别是多元化合物的组分还应均匀；各层化合物组分控制要精确，特别是多元化合物的组分还应均匀；各层化合物组分控制要精确，特别是多元化合物的组分还应均匀；各层化合物组分控制要精确，特别是多元化合物的组分还应均匀； (5) (5)如果需要掺杂，掺杂量及其均匀分布也应精确控制。如果需要掺杂，掺杂量及其均匀分布也应精确控制。如果需要掺杂，掺杂量及其均匀分布也应精确控制。如果需要掺杂，掺杂量及其均匀分布也应精确控制。 从上述的要求来看，目前可用来制备超晶格的方法主要是从上述的要求来看，目前可用来制备超晶格的方法主要是从上述的要求来看，目前可用来制备超晶格的方法主要是从上述的要求来看，目前可用来制备超晶格的方法主要是MBEMBE、MOVPEMOVPE、CBECBE和和和和ALEALE等。等。等。等。MOVPEMOVPE法生长法生长法生长法生长GalnAsGalnAsInPInP组分超晶格组分超晶格组分超晶格组分超晶格 GaInAs GaInAslnPlnP超晶格可用常压、低压超晶格可用常压、低压超晶格可用常压、低压超晶格可用常压、低压MOVPEMOVPE两种方法生长，但生两种方法生长，但生两种方法生长，但生两种方法生长，但生长时为了获得陡峭的异质结界面，要求生长室内保持气流为无涡流的长时为了获得陡峭的异质结界面，要求生长室内保持气流为无涡流的长时为了获得陡峭的异质结界面，要求生长室内保持气流为无涡流的长时为了获得陡峭的异质结界面，要求生长室内保持气流为无涡流的层状，输入的反应物要精确地控制流量和快速变换，绝大多数使用带层状，输入的反应物要精确地控制流量和快速变换，绝大多数使用带层状，输入的反应物要精确地控制流量和快速变换，绝大多数使用带层状，输入的反应物要精确地控制流量和快速变换，绝大多数使用带有压力平衡，无死区的排空一生长开关的系统。采用低压系统有利于有压力平衡，无死区的排空一生长开关的系统。采用低压系统有利于有压力平衡，无死区的排空一生长开关的系统。采用低压系统有利于有压力平衡，无死区的排空一生长开关的系统。采用低压系统有利于消除反应室内的热对流，降低生长温度，提高气流速度，实现快速切消除反应室内的热对流，降低生长温度，提高气流速度，实现快速切消除反应室内的热对流，降低生长温度，提高气流速度，实现快速切消除反应室内的热对流，降低生长温度，提高气流速度，实现快速切换和减少寄生反应等。因此，生长超晶格、量子阱结构多使用换和减少寄生反应等。因此，生长超晶格、量子阱结构多使用换和减少寄生反应等。因此，生长超晶格、量子阱结构多使用换和减少寄生反应等。因此，生长超晶格、量子阱结构多使用LP-LP-MOVPEMOVPE系统。此外，为了保持切换时源流量的平稳，还采用多管路系统。此外，为了保持切换时源流量的平稳，还采用多管路系统。此外，为了保持切换时源流量的平稳，还采用多管路系统。此外，为了保持切换时源流量的平稳，还采用多管路系统，即采用二条管路输运同一种源进入生长室。系统，即采用二条管路输运同一种源进入生长室。系统，即采用二条管路输运同一种源进入生长室。系统，即采用二条管路输运同一种源进入生长室。 生长生长生长生长GalnAsGalnAsInPInP超晶格通常使用超晶格通常使用超晶格通常使用超晶格通常使用TMGTMG、TEGTEG、TMInTMIn、TEInTEIn为为为为IIIIII族源，族源，族源，族源，PHPH3 3和和和和AsHAsH3 3为为为为V V族源，族源，族源，族源，TMInTMIn为固体，使用时重现性较差，但可为固体，使用时重现性较差，但可为固体，使用时重现性较差，但可为固体，使用时重现性较差，但可以采用一些方法以采用一些方法以采用一些方法以采用一些方法( (如使用两个源瓶等如使用两个源瓶等如使用两个源瓶等如使用两个源瓶等) )加以改进，加以改进，加以改进，加以改进，TEInTEIn虽然是液体，但虽然是液体，但虽然是液体，但虽然是液体，但它极易与它极易与它极易与它极易与PH3PH3发生寄生反应，且分解温度低不易控制发生寄生反应，且分解温度低不易控制发生寄生反应，且分解温度低不易控制发生寄生反应，且分解温度低不易控制CaInAsCaInAs的组分的组分的组分的组分均匀性，因此使用得比较少均匀性，因此使用得比较少均匀性，因此使用得比较少均匀性，因此使用得比较少, , 多数使用多数使用多数使用多数使用TMGTMG和和和和TMInTMIn或或或或TEGTEG与与与与TMInTMIn为为为为IIIIII族源。族源。族源。族源。由于由于由于由于GaGa1-x1-xInAsInAs与衬底与衬底与衬底与衬底InPInP在在在在x=0.53x=0.53时两者晶格匹配，偏离这一点都将时两者晶格匹配，偏离这一点都将时两者晶格匹配，偏离这一点都将时两者晶格匹配，偏离这一点都将 产生失配，偏离越大，失配越大。产生失配，偏离越大，失配越大。产生失配，偏离越大，失配越大。产生失配，偏离越大，失配越大。x0.53x0.53时产生压缩应变，时产生压缩应变，时产生压缩应变，时产生压缩应变，x0.53x0.53时时f0产生压缩应变；产生压缩应变；x0.53时时f0.53x0.53，则，则，则，则InGaAsInGaAs外延层的晶格常数比外延层的晶格常数比外延层的晶格常数比外延层的晶格常数比InPInP衬底的大，处衬底的大，处衬底的大，处衬底的大，处于正失配状态下是压应变。这时，在弹性范围内，于正失配状态下是压应变。这时，在弹性范围内，于正失配状态下是压应变。这时，在弹性范围内，于正失配状态下是压应变。这时，在弹性范围内，InGaAsInGaAs生长层的晶格发生四方畸变，在水平方向晶格常生长层的晶格发生四方畸变，在水平方向晶格常生长层的晶格发生四方畸变，在水平方向晶格常生长层的晶格发生四方畸变，在水平方向晶格常数被压缩与数被压缩与数被压缩与数被压缩与InPInP晶格常数相同，产生压应变。晶格常数相同，产生压应变。晶格常数相同，产生压应变。晶格常数相同，产生压应变。 与此同时在垂直方向的晶格常数被拉伸变大产生张应与此同时在垂直方向的晶格常数被拉伸变大产生张应与此同时在垂直方向的晶格常数被拉伸变大产生张应与此同时在垂直方向的晶格常数被拉伸变大产生张应变。反之，变。反之，变。反之，变。反之，00.5300.53，则相反，外延层的晶格常数比，则相反，外延层的晶格常数比，则相反，外延层的晶格常数比，则相反，外延层的晶格常数比InPInP衬衬衬衬底小，处于负失配状态下是张应变。底小，处于负失配状态下是张应变。底小，处于负失配状态下是张应变。底小，处于负失配状态下是张应变。 应变效应可以改变量子阱结构的能带结构。对于应变量子阱中的应变，应变效应可以改变量子阱结构的能带结构。对于应变量子阱中的应变，应变效应可以改变量子阱结构的能带结构。对于应变量子阱中的应变，应变效应可以改变量子阱结构的能带结构。对于应变量子阱中的应变，可以分解为在可以分解为在可以分解为在可以分解为在z z轴方向上的单轴应变和纯静水压应变。轴方向上的单轴应变和纯静水压应变。轴方向上的单轴应变和纯静水压应变。轴方向上的单轴应变和纯静水压应变。纯静水压应变纯静水压应变纯静水压应变纯静水压应变均匀地改变材料的结构，对能带只能引起禁带宽度的变均匀地改变材料的结构，对能带只能引起禁带宽度的变均匀地改变材料的结构，对能带只能引起禁带宽度的变均匀地改变材料的结构，对能带只能引起禁带宽度的变| |化，而单轴应变将使带边原来简并的能级分裂，并使能带的形状改变。化，而单轴应变将使带边原来简并的能级分裂，并使能带的形状改变。化，而单轴应变将使带边原来简并的能级分裂，并使能带的形状改变。化，而单轴应变将使带边原来简并的能级分裂，并使能带的形状改变。如在量子阱如在量子阱如在量子阱如在量子阱- -垒交界面方向受到双轴压应力，则在生长方向受到单轴伸垒交界面方向受到双轴压应力，则在生长方向受到单轴伸垒交界面方向受到双轴压应力，则在生长方向受到单轴伸垒交界面方向受到双轴压应力，则在生长方向受到单轴伸张应力，该材料在生长方向单轴伸张应力作用下；价带顶重空穴能级张应力，该材料在生长方向单轴伸张应力作用下；价带顶重空穴能级张应力，该材料在生长方向单轴伸张应力作用下；价带顶重空穴能级张应力，该材料在生长方向单轴伸张应力作用下；价带顶重空穴能级上升，轻空穴能级下降，重空穴能级曲率变大，轻空穴曲率变小。上升，轻空穴能级下降，重空穴能级曲率变大，轻空穴曲率变小。上升，轻空穴能级下降，重空穴能级曲率变大，轻空穴曲率变小。上升，轻空穴能级下降，重空穴能级曲率变大，轻空穴曲率变小。 如果在应变量子阱结构的垒层中引入与阱层相反类型的应如果在应变量子阱结构的垒层中引入与阱层相反类型的应如果在应变量子阱结构的垒层中引入与阱层相反类型的应如果在应变量子阱结构的垒层中引入与阱层相反类型的应变，使其阱宽与其应变大小的乘积的绝对值等于垒宽与其变，使其阱宽与其应变大小的乘积的绝对值等于垒宽与其变，使其阱宽与其应变大小的乘积的绝对值等于垒宽与其变，使其阱宽与其应变大小的乘积的绝对值等于垒宽与其应变大小的乘积的绝对值，从而应变量子阱的每个周期的应变大小的乘积的绝对值，从而应变量子阱的每个周期的应变大小的乘积的绝对值，从而应变量子阱的每个周期的应变大小的乘积的绝对值，从而应变量子阱的每个周期的净应变为零，这种结构就是应变补偿量子阱。也可以制成净应变为零，这种结构就是应变补偿量子阱。也可以制成净应变为零，这种结构就是应变补偿量子阱。也可以制成净应变为零，这种结构就是应变补偿量子阱。也可以制成其他类型的应变补偿结构。其他类型的应变补偿结构。其他类型的应变补偿结构。其他类型的应变补偿结构。带结构工程也给材料带来很多有用的特性，例如，由于应变的引入，使通常的量子阱结构激光器的能带结构发生变化，更加接近理想的半导体激光器的能带结构，使应变量子阱结构半导体激光器的性能比一般量子阱结构的性能又有提高。特别是利用张应变和应变补偿量子阱结构可以制作出偏振不灵敏的激光放大器。带偏移工程由两种材料组成的量子阱，超晶格的导带和由两种材料组成的量子阱，超晶格的导带和价带具有不连续的特性也称价带具有不连续的特性也称带偏移特性带偏移特性。其大小。其大小是是由组成它的两种材料的电子亲和势决定由组成它的两种材料的电子亲和势决定的。的。材料的电子亲和势指的是材料的电子亲和势指的是使材料中的自由电子逸使材料中的自由电子逸出该材料时应赋予的能量出该材料时应赋予的能量。-V-V族化合物半导体族化合物半导体材料组成元素的电子亲和势相差较大，所以它们材料组成元素的电子亲和势相差较大，所以它们的电子亲和势的差异也较大。的电子亲和势的差异也较大。例如例如GaAIAsGaAIAs的电子亲和势比的电子亲和势比GaAsGaAs的大，它们形的大，它们形成异质结后，导带偏移：成异质结后，导带偏移： Ec = XEc = XGa0.7AI0.3AsGa0.7AI0.3As X XGaAsGaAs = 0.243 eV = 0.243 eV 价带的偏移可由下式得到：价带的偏移可由下式得到： Ev = Ev = EgEg一一 Ec = 0.131 eVEc = 0.131 eV 式中，式中，EgEg为构成异质结的两种材料的带隙差。为构成异质结的两种材料的带隙差。 导带和价带的带偏移是形成量子阱必备的条件之一，但导带和价带的带偏移是形成量子阱必备的条件之一，但是有些半导体材料，它们是有些半导体材料，它们 的电子亲和势相差不大，有些宽的电子亲和势相差不大，有些宽带隙材料的电子亲和势比窄带隙材料的亲和势小。在这种带隙材料的电子亲和势比窄带隙材料的亲和势小。在这种结构材料中，量子阱只对价带中空穴有作用而对注入导带结构材料中，量子阱只对价带中空穴有作用而对注入导带的电子，则几乎没有阱的束缚作用，因此不能充分发挥量的电子，则几乎没有阱的束缚作用，因此不能充分发挥量子阱作用。子阱作用。 运用带偏移工程运用带偏移工程j j可指导我们选择制作量子阱的材料，可指导我们选择制作量子阱的材料，调制量子阱的阱深调制量子阱的阱深( (垒高垒高) )，实现人工结构的改性，实现人工结构的改性 优化量优化量子阱器件结构，改善器件特性。子阱器件结构，改善器件特性。 能带工程的内容非常丰富，它的建立运甩和完善为光能带工程的内容非常丰富，它的建立运甩和完善为光电器件特别是光集成和光电集成回路发展奠定了基础电器件特别是光集成和光电集成回路发展奠定了基础量子尺寸效应量子尺寸效应量子尺寸效应量子尺寸效应 是指当粒子尺寸下降到某一数值时，是指当粒子尺寸下降到某一数值时，是指当粒子尺寸下降到某一数值时，是指当粒子尺寸下降到某一数值时，费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级或者能隙变宽的现象或者能隙变宽的现象或者能隙变宽的现象或者能隙变宽的现象在静止的流体中只有各向同性的正应力，一般是压力，称为“静水压”。在弹性体上加以静水压时，其体积V将发生变化V，体应变体定义为体积的相对变化： 体V/V 在弹性限度内正应力与体应变体成正比