量子阱和超晶格介绍.pptVIP

量子阱和超晶格;半导体超晶格和量子阱;§1 引言  1970年IBM公司江崎(Esaki), 朱兆祥(Tsu) ： “Superlattice and Negative Deferential Conductivity in Semiconductors” ， 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, 12th Low Temp. Phys. Kyoto, Japan P.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;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。 ;超晶格多量子阱能带结构示意图;超晶格分类;（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/GaAs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。;;;（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。;（2）掺杂调制超晶格;（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：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 一维超晶格与体单晶比较具有许多不同的性质，这些特点来源于它把电子和空穴限制在二维平面内而产生量子力学效应。进一步发展这种思想，把载流子再限制在低维空间中，可能会出现更多的新的光电特性。用MBE法生长多量子阱结构或单量子阱结构，通过光刻技术和化学腐蚀制成量子线、量子点。;3.1 量子限制效应(quantum confinement effect) 3.2 共振隧穿效应 3.3 超晶格中的微带 3.4 声子限制效应 3.5 二维电子气 ;3.1 量子限制效应(quantum confinement effect) 量子阱宽度小于电子运动的Bloch波长，电子在垂直异质结结面的方向（z方向）的运动约束到一系列分裂的能级。 设势能;x，y平面中的运动是有效质量为m* 的自由电子运动，而z方向上的运动是在一维量子阱中的运动，通常具有量子化的束缚能。;3.2 共振隧穿效应;实验测量的是隧穿电流与电极上外加电压的关系。当外加电压变化到量子阱中的束缚态能级与发射极电子的费米能级对齐时，电流达到极大，dI/dV=0。实验测得的（dI/dV)-V曲线上发现有两个极值dI/dV=0，说明量子阱中有两个束缚能级。;超晶格中的微带形成;类似于电子态，声子态也有量子约束效应。 ; ;MOSFET 的电子能级结构;GaAs/AlGaAs 异质结的电子能级结构 ; 由于GaAs/ AlGaAs 是晶体匹配的材料体系。利用现代分子束外延生长技术几乎可以获得原子级平整的界面，大大减少了界面缺陷和界面粗糙度对输