电子功能材料及元器件：1-4 半导体超晶格材料

1、主要内容1-4-1 超晶格及其基本性质 （一）超晶格材料 1.组分超晶格 2.掺杂超晶格 （二）超晶格的主要特性 1.载流子迁移率的提高 2.隧道效应 3.单一势阱中的电子状态 4.子能带的形成 5.超格中的电子状态 6.异质结界面中载流子的实空间跃迁 7.超晶格材料的金属化1-4-2 应变超晶格 1.晶格常数 2.禁带宽度 3.有效质量 4.应变超晶格应用的材料1-4-3 非晶态超晶格材料 1.非晶态半导体材料的优点 2.非晶态半导体材料在超晶格中的应用1-4-1 超晶格及其基本性质（一）超晶格材料超晶格定义：超晶格材料是由两种或两种以上性质不同的薄膜相互交替生长而形成的多层结构的晶体，在这

2、种超晶格材料中，由于人们可以任意改变薄膜的厚度，控制它的周期长度。一般来说，超晶格材料的周期长度比各薄膜单晶的晶格常数大几倍或更长，因而取名“超晶格” 。1970年USA的IBM公司的江崎和朱兆祥在寻找具有负微分电阻的新器件时，提出了一个全新的革命性概念“半导体超晶格”。他们试制成功GaAs-GaAlAs系超晶格，从那时起，超晶格结构的研究获得了很大的成功。 对于半导体而言，负微分电阻一般是指n型的GaAs 和 InP等双能谷半导体中由于电子转移效应（Transferred-electr on effect）而产生的一种效果电压增大、电流减小所呈现出的电阻。在负阻区，半导体中载流子浓度局部的微

3、小涨落即可引起非平衡多数载流子的大量积累而产生空间电荷，这种现象就是负微分电阻效应。 超晶格材料的超晶格周期，使得它具有一种较小的布里渊区和较窄宽度的子能带，则通过电场就可以把电子从子能带底部（正阻区）加速到能带的顶部（负阻区），则产生微分负电阻。1-4-1 超晶格及其基本性质组分超晶格：超晶格材料的一个重复单元由两种不同材料组成，其电子亲和势、禁带宽度均不相同。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。1-4-1 超晶格及其基本性质1-4-1 超晶格及其基本性质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

4、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) 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： 型异质结: 窄带材料的禁带完全落在宽带材料的禁带中，Ec和Ev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。1-4-1 超晶格及其基本性质第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材料中，这种类型的超晶格结构，适于制做激光器。1-4-1 超晶格及其基本性质型异质结（Ec和Ev的符号

5、相同），分两种：*A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。1-4-1 超晶格及其基本性质B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。 2011年10月，型超晶格摄像机，能通过调节吸收更宽波段的红外光，让人们能在黑夜中看到更加丰富多彩的景色类超晶格：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。1-4

6、-1 超晶格及其基本性质半导体 定义：材料的电阻率界于金属与绝缘材料之间的材料。这种材料在某个温度范围内随温度升高而增加电荷载流子的浓度，电阻率下降。 例如：石墨烯掺杂超晶格：若在同一半导体材料中，用交替改变掺杂类型的方法形成的超晶格称为掺杂超晶格。1-4-1 超晶格及其基本性质优点:(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。1-

7、4-1 超晶格及其基本性质 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：(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能精确地控制，以保证各层厚度的重复性；(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；(3)晶格完整性要好，失配度小，失配位错少，表面形貌要好；(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；(5)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MBE和MOVCD等。1-4-1 超晶格及其基

8、本性质 分子束外延（MBE：Molecular Beam Epitaxy ）是一种物理沉积单晶薄膜方法。在超高真空腔内，源材料通过高温蒸发、辉光放电离子化、气体裂解，电子束加热蒸发等方法，产生分子束流。入射分子束与衬底交换能量后，经表面吸附、迁移、成核、生长成1-4-1 超晶格及其基本性质膜。生长系统配有多种监控设备，可对生长过程中衬底温度，生长速度，膜厚等。进行瞬时测量分析。对表面凹凸、起伏、原子覆盖度、黏附系数、蒸发系数及表面扩散距离等生长细节进行精确监控。由于MBE 的生长环境洁净、温度低、具有精确的原位实时监测系统、晶体完整性好、组分与厚度均匀准确，是良好的光电薄膜，半导体薄膜生长工具

9、。1-4-1 超晶格及其基本性质MOCVD仪器照片金属有机化学气相沉积系统(MOCVD)是利用金属有机化合物作为源物质的一种化学气相淀积(CVD)工艺. 着眼点：选择特殊的反应，来降低反应温度。 原料：金属的烷基，芳基，氢基，乙酰丙酮基衍生物。它是利用金属有机源和参与反应的进程气体在一个低压高温的反应室中进行淀积，以生长出具有复杂掺杂层的芯片。 MOCVD设备昂贵，配套设施以及所需原材料也昂贵无比。确实是烧钱的机器。在出现MOCVD之前，MBE算是最厉害的烧钱机器，以前大家都叫MBE为Money Burn Equipment。现在应该让给MOCVD了。1-4-1 超晶格及其基本性质1.单一势阱

10、中的电子状态(量子限制效应)超晶格结构中能带不连续Ec、Ev以及势阱宽LW、势垒宽LBZ方向电子的薛定谔方程式为：（原点势阱中心）（1-a）(1-b)LBLWEcEvZ方向GaAsAlGaAs（二）超晶格的主要特性1-4-1 超晶格及其基本性质 在1-b式中，当Ec足够大时，根据波函数应满足的连续性和有限性条件，只有当=0时，1-b式才成立，所以有 =0 （2）这个是解1-a式时需要用到的边界条件。 当势垒高度V0（Ec)很大时（V0 ），1-a式的能量本证值为（3）式中n为量子数，当考虑归一化条件时，对应这种状态的波函数具有如下形式：（4）图1-17中给出了对应于n=1、2、3是En和 。1

11、-4-1 超晶格及其基本性质 在与势阱垂直面（xy面）中的电子行为与自由电子一样，其总能量E可表示为（5）式中kx、ky为xy面内的波矢的x、y成分。 综上所述，一般体单晶半导体中连续的电子状态：（6）而在单一势阱中则变为分离状态，而且当V0 时，如图1-17所示那样，可以把电子完全限制在势阱中，这种势阱称为量子阱。 2022/7/141、量子阱 量子阱是指由2种不同的半导体材料相间排列形成的、具有明显量子限制效应的电子或空穴的势阱。量子肼的最基本特征是，由于量子阱宽度(只有当阱宽尺度足够小时才能形成量子阱)的限制，导致载流子波函数在一维方向上的局域化。 2、多量子阱 在由2种不同半导体材料薄

12、层交替生长形成的多层结构中，如果势垒层足够厚，以致相邻势阱之间载流子波函数之间耦合很小，则多层结构将形成许多分离的量子阱，称为多量子阱。 3、超晶格（耦合的多量子阱） 如果势垒层很薄，相邻阱之间的耦合很强，原来在各量子阱中分立的能级将扩展成能带(微带)，能带的宽度和位置与势阱的深度、宽度及势垒的厚度有关，这样的多层结构称为超晶格。具有超晶格特点的结构有时称为耦合的多量子阱。 1-4-1 超晶格及其基本性质2.隧道效应 如果AlGaAs的膜很薄，比电子的德布罗意波长小时，根据隧道效应，电子可能穿透AlGaAs的势垒而自由运动。这样，在与两种材料界面的方向上形成子能带。一维双势垒超晶格结构的隧穿特

13、性 当外加电压使量子阱中能级与外电极费米能级或邻近阱中的电子态一致时,电子可穿过势垒到邻近阱中所对应的能级,隧穿几率几乎为1。而与相近邻阱中的能级不一致时隧穿几率为零。1-4-1 超晶格及其基本性质3.子能带的形成1-4-1 超晶格及其基本性质超晶格中电子状态特性与阱宽LW、势垒宽LB的关系（a）单一势阱，电子限制在势阱中：（b）形成子能带，电子在晶体中横向传播（a）（b）1-4-1 超晶格及其基本性质4.载流子迁移率的提高(最接近理想的二维电子系统)超晶格中的调制掺杂在77k温度下，电子迁移率已达到2 105cm2/Vs在4.2k温度下，电子迁移率已达到1.5 106cm2/VsAlGaAs

14、GaAsAlGaAsGaAs迄今为止, GaAs/AlGaAs调制掺杂异质结能获得的电子迁移率已高达1107cm2/ Vs 。1-4-1 超晶格及其基本性质 由于GaAs/ AlGaAs 是晶格匹配的材料体系。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运性质的影响。 超高真空下分子束外延生长保证了GaAs、AlGaAs本征材料的纯度可达到1013cm-3的水平。 更为重要的是，施主杂质在离界面一定距离以外的AlGaAs 一侧，而电子被转移到窄能隙的GaAs 侧界面势阱内，远离产生它的电离施主，使它们感受到的库仑散射作用大大减弱，极大地提高了二维电

15、子气在低温下的迁移率。 这意味着GaAs/AlGaAs异质结已将杂质、缺陷等对二维电子系统的“干扰”降低到最低限度，这才使电子间的多体相互作用显得更为重要起来。为什么说GaAs/AlGaAs 异质结是最接近理想的二维电子系统？性质优异的异质结结构为整数量子Hall效应和分数量子Hall效应的发现提供了必要条件。克劳斯冯克利青1985年诺贝尔物理学奖崔琦1998年诺贝尔物理学奖1-4-1 超晶格及其基本性质 5.异质结界面中载流子的实空间跃迁6.超晶格材料的金属化 在调制掺杂AlGaAs-GaAs异质结中，GaAs表面的高迁移率电子，沿界面加速时，随着能量的增加，热电子越过界面向势垒AlGaAs

16、层中扩散，这种现象称为载流子的实空间跃迁。跨过势垒对于半金属化的理解：条件：1，GaSb价带顶比InAs导带底还高2，InAs、GaSb膜很薄从能量关系看：1. GaSb导带电子更容易向能量更低的InAs导带迁移减小了与GaSb价带空穴的复合2. InAs价带空穴比GaSb价带空穴能量高，易迁移，从而减小了与InAs导带电子的复合空间上看：InAs导带电子与GaSb价带空穴分开的布洛赫振动（布洛赫振动）是利用超晶格材料来实现在电场作用下的一种振动效应。因为超晶格材料的超晶格周期，使得它具有一种较小的Brilouin区和较窄宽度的子能带，则通过电场就可以把电子从子能带底部（正阻区）加速到能带的顶

17、部（负阻区），则产生微分负电阻。假若电子群被加速到能带顶端后, 不遭受散射, 而继续被加速的话, 则电子在Brilouin区边缘将发生Bragg反射，从而产生周期性的往复运动，这就是Bloch振动。实现Bloch振动的条件是：外加电场E要能使电子在平均自由时间内渡越Brilouin区，即要求（c是沿外加电场方向上的超晶格周期，布里渊区宽度为2/c）2/c qE/ ，即 E h / (qc)。对普通的晶体, 由于晶格周期和都比较小, 则电场E需要超过5107 V/m才会发生Bloch振动。这实际上是行不通的, 因为在如此高的电场下半导体将要发生击穿；为实现持续的Bloch振动（频率为THz范围）

18、,就应该增大超晶格周期或(和)增大电子的平均自由时间（提高晶体完整性和降低温度）。1-4-2 应变超晶格 当两种不同材料构成超晶格时，若两种材料晶格常数相差较大时，会在界面处产生缺陷，得不到好的超晶格材料。但是，当多层薄膜厚度十分薄时，晶体生长时会产生很少的缺陷，即是在弹性形变限度内，晶格本身的应变使缺陷消除，可制备好的超晶格材料应变超晶格材料。1.晶格常数利用同一种材料生长薄膜晶体时，可以利用改变膜的厚度比来控制新的晶格常数。1-4-2 应变超晶格2.禁带宽度 受应变的影响，不仅应变超晶格材料的能带结构发生变化，同时原成分材料的禁带宽度也要发生变化。 能带折叠效应： 间接跃迁直接跃迁1-4-2 应变超晶格3.有效质量 在一般超晶格中，由于量子效应价带中的重空穴和轻空穴能带的简并度被消除。 能带折叠效应，能带结构和载流子的有效质量发生变化 应力时，能带结构发生变化而导致有效质量变化。 在应变超晶格中，根据其周期结构的研究有可能控制载流子的有效质量。实验：对电导有贡献的是轻空穴1-4-2 应变超晶格 4.应变超晶格应用的材料Si-Ge系