電子功能材料及元器件：1-4 半導體超晶格材料

1、主要內(nèi)容1-4-1 超晶格及其基本性質 （一）超晶格材料 1.組分超晶格 2.摻雜超晶格 （二）超晶格的主要特性 1.載流子遷移率的提高 2.隧道效應 3.單一勢阱中的電子狀態(tài) 4.子能帶的形成 5.超格中的電子狀態(tài) 6.異質結界面中載流子的實空間躍遷 7.超晶格材料的金屬化1-4-2 應變超晶格 1.晶格常數(shù) 2.禁帶寬度 3.有效質量 4.應變超晶格應用的材料1-4-3 非晶態(tài)超晶格材料 1.非晶態(tài)半導體材料的優(yōu)點 2.非晶態(tài)半導體材料在超晶格中的應用1-4-1 超晶格及其基本性質（一）超晶格材料超晶格定義：超晶格材料是由兩種或兩種以上性質不同的薄膜相互交替生長而形成的多層結構的晶體，在這

2、種超晶格材料中，由于人們可以任意改變薄膜的厚度，控制它的周期長度。一般來說，超晶格材料的周期長度比各薄膜單晶的晶格常數(shù)大幾倍或更長，因而取名“超晶格” 。1970年USA的IBM公司的江崎和朱兆祥在尋找具有負微分電阻的新器件時，提出了一個全新的革命性概念“半導體超晶格”。他們試制成功GaAs-GaAlAs系超晶格，從那時起，超晶格結構的研究獲得了很大的成功。 對于半導體而言，負微分電阻一般是指n型的GaAs 和 InP等雙能谷半導體中由于電子轉移效應（Transferred-electr on effect）而產(chǎn)生的一種效果電壓增大、電流減小所呈現(xiàn)出的電阻。在負阻區(qū)，半導體中載流子濃度局部的微

3、小漲落即可引起非平衡多數(shù)載流子的大量積累而產(chǎn)生空間電荷，這種現(xiàn)象就是負微分電阻效應。 超晶格材料的超晶格周期，使得它具有一種較小的布里淵區(qū)和較窄寬度的子能帶，則通過電場就可以把電子從子能帶底部（正阻區(qū)）加速到能帶的頂部（負阻區(qū)），則產(chǎn)生微分負電阻。1-4-1 超晶格及其基本性質組分超晶格：超晶格材料的一個重復單元由兩種不同材料組成，其電子親和勢、禁帶寬度均不相同。在組分超晶格中，由于構成超晶格的材料具有不同的禁帶寬度，在異質界面處將發(fā)生能帶的不連續(xù)。1-4-1 超晶格及其基本性質1-4-1 超晶格及其基本性質直條影區(qū)指具有相近晶格常數(shù)但不同能隙寬度的材料在區(qū)內(nèi)材料原則上都可組成異質結超晶格圖中

4、的連線是指這些材料都可形成特定的合金低溫下具有金剛石、閃鋅礦結構半導體與晶格常數(shù)的關系(4.2K) 按異質結中兩種材料導帶和價帶的對準情況，江崎把異質結分為三類： 型異質結: 窄帶材料的禁帶完全落在寬帶材料的禁帶中，Ec和Ev的符號相反。不論對電子還是空穴，窄帶材料都是勢阱，寬帶材料都是勢壘，即電子和空穴被約束在同一材料中。載流子復合發(fā)生在窄帶材料一側。GaAlAs/GaAs和InGaAsP/InP都屬于這一種。1-4-1 超晶格及其基本性質第I種類型的超晶格的電子勢阱和空穴勢阱都處在同一薄層材料中，這種類型的超晶格結構，適于制做激光器。1-4-1 超晶格及其基本性質型異質結（Ec和Ev的符號

5、相同），分兩種：*A類超晶格：材料1的導帶和價帶都比材料2的低，禁帶是錯開的。材料1是電子的勢阱，材料2是空穴的勢阱。電子和空穴分別約束在兩材料中。超晶格具有間接帶隙的特點，躍遷幾率小，如GaAs/AlAs超晶格。1-4-1 超晶格及其基本性質B類超晶格：禁帶錯開更大，窄帶材料的導帶底和價帶頂都位于寬帶材料的價帶中，有金屬化現(xiàn)象，如InAs/GaSb 超晶格。 2011年10月，型超晶格攝像機，能通過調(diào)節(jié)吸收更寬波段的紅外光，讓人們能在黑夜中看到更加豐富多彩的景色類超晶格：其中一種材料具有零帶隙。組成超晶格后，由于它的電子有效質量為負，將形成界面態(tài)。典型的例子是HgTe/CdTe超晶格。1-4

6、-1 超晶格及其基本性質半導體 定義：材料的電阻率界于金屬與絕緣材料之間的材料。這種材料在某個溫度范圍內(nèi)隨溫度升高而增加電荷載流子的濃度，電阻率下降。 例如：石墨烯摻雜超晶格：若在同一半導體材料中，用交替改變摻雜類型的方法形成的超晶格稱為摻雜超晶格。1-4-1 超晶格及其基本性質優(yōu)點:(1)任何一種半導體材料只要很好控制摻雜類型都可以做成超晶格。(2)多層結構的完整性非常好，由于摻雜量一般較小，所以雜質引起的晶格畸變也較小。因此，摻雜超晶格中沒有像組分超晶格那樣明顯的異質界面。(3) 摻雜超晶格的有效能隙可以具有從零到未調(diào)制的基體材料能量隙之間的任何值，取決于對各分層厚度和摻雜濃度的選擇。1-

7、4-1 超晶格及其基本性質 一、組分超晶格的制備 制備組分超晶格時應滿足如下的要求：(1)組分超晶格是超薄層異質周期排列結構，因此制備時生長速率應能精確地控制，以保證各層厚度的重復性；(2)異質界面應該平坦，粗糙度低，組分變化陡峭。這就要求生長時源的變化要快，且在保證晶體質量的條件下，生長溫度盡可能的低，以防止層間組分的互擴散；(3)晶格完整性要好，失配度小，失配位錯少，表面形貌要好；(4)各層化合物組分控制要精確，特別是多元化合物的組分還應均勻；(5)如果需要摻雜，摻雜量及其均勻分布也應精確控制。從上述的要求來看，目前可用來制備超晶格的方法主要是MBE和MOVCD等。1-4-1 超晶格及其基

8、本性質 分子束外延（MBE：Molecular Beam Epitaxy ）是一種物理沉積單晶薄膜方法。在超高真空腔內(nèi)，源材料通過高溫蒸發(fā)、輝光放電離子化、氣體裂解，電子束加熱蒸發(fā)等方法，產(chǎn)生分子束流。入射分子束與襯底交換能量后，經(jīng)表面吸附、遷移、成核、生長成1-4-1 超晶格及其基本性質膜。生長系統(tǒng)配有多種監(jiān)控設備，可對生長過程中襯底溫度，生長速度，膜厚等。進行瞬時測量分析。對表面凹凸、起伏、原子覆蓋度、黏附系數(shù)、蒸發(fā)系數(shù)及表面擴散距離等生長細節(jié)進行精確監(jiān)控。由于MBE 的生長環(huán)境潔凈、溫度低、具有精確的原位實時監(jiān)測系統(tǒng)、晶體完整性好、組分與厚度均勻準確，是良好的光電薄膜，半導體薄膜生長工具

9、。1-4-1 超晶格及其基本性質MOCVD儀器照片金屬有機化學氣相沉積系統(tǒng)(MOCVD)是利用金屬有機化合物作為源物質的一種化學氣相淀積(CVD)工藝. 著眼點：選擇特殊的反應，來降低反應溫度。 原料：金屬的烷基，芳基，氫基，乙酰丙酮基衍生物。它是利用金屬有機源和參與反應的進程氣體在一個低壓高溫的反應室中進行淀積，以生長出具有復雜摻雜層的芯片。 MOCVD設備昂貴，配套設施以及所需原材料也昂貴無比。確實是燒錢的機器。在出現(xiàn)MOCVD之前，MBE算是最厲害的燒錢機器，以前大家都叫MBE為Money Burn Equipment?，F(xiàn)在應該讓給MOCVD了。1-4-1 超晶格及其基本性質1.單一勢阱

10、中的電子狀態(tài)(量子限制效應)超晶格結構中能帶不連續(xù)Ec、Ev以及勢阱寬LW、勢壘寬LBZ方向電子的薛定諤方程式為：（原點勢阱中心）（1-a）(1-b)LBLWEcEvZ方向GaAsAlGaAs（二）超晶格的主要特性1-4-1 超晶格及其基本性質 在1-b式中，當Ec足夠大時，根據(jù)波函數(shù)應滿足的連續(xù)性和有限性條件，只有當=0時，1-b式才成立，所以有 =0 （2）這個是解1-a式時需要用到的邊界條件。 當勢壘高度V0（Ec)很大時（V0 ），1-a式的能量本證值為（3）式中n為量子數(shù)，當考慮歸一化條件時，對應這種狀態(tài)的波函數(shù)具有如下形式：（4）圖1-17中給出了對應于n=1、2、3是En和 。1

11、-4-1 超晶格及其基本性質 在與勢阱垂直面（xy面）中的電子行為與自由電子一樣，其總能量E可表示為（5）式中kx、ky為xy面內(nèi)的波矢的x、y成分。 綜上所述，一般體單晶半導體中連續(xù)的電子狀態(tài)：（6）而在單一勢阱中則變?yōu)榉蛛x狀態(tài)，而且當V0 時，如圖1-17所示那樣，可以把電子完全限制在勢阱中，這種勢阱稱為量子阱。 2022/7/141、量子阱 量子阱是指由2種不同的半導體材料相間排列形成的、具有明顯量子限制效應的電子或空穴的勢阱。量子肼的最基本特征是，由于量子阱寬度(只有當阱寬尺度足夠小時才能形成量子阱)的限制，導致載流子波函數(shù)在一維方向上的局域化。 2、多量子阱 在由2種不同半導體材料薄

12、層交替生長形成的多層結構中，如果勢壘層足夠厚，以致相鄰勢阱之間載流子波函數(shù)之間耦合很小，則多層結構將形成許多分離的量子阱，稱為多量子阱。 3、超晶格（耦合的多量子阱） 如果勢壘層很薄，相鄰阱之間的耦合很強，原來在各量子阱中分立的能級將擴展成能帶(微帶)，能帶的寬度和位置與勢阱的深度、寬度及勢壘的厚度有關，這樣的多層結構稱為超晶格。具有超晶格特點的結構有時稱為耦合的多量子阱。 1-4-1 超晶格及其基本性質2.隧道效應 如果AlGaAs的膜很薄，比電子的德布羅意波長小時，根據(jù)隧道效應，電子可能穿透AlGaAs的勢壘而自由運動。這樣，在與兩種材料界面的方向上形成子能帶。一維雙勢壘超晶格結構的隧穿特

13、性 當外加電壓使量子阱中能級與外電極費米能級或鄰近阱中的電子態(tài)一致時,電子可穿過勢壘到鄰近阱中所對應的能級,隧穿幾率幾乎為1。而與相近鄰阱中的能級不一致時隧穿幾率為零。1-4-1 超晶格及其基本性質3.子能帶的形成1-4-1 超晶格及其基本性質超晶格中電子狀態(tài)特性與阱寬LW、勢壘寬LB的關系（a）單一勢阱，電子限制在勢阱中：（b）形成子能帶，電子在晶體中橫向傳播（a）（b）1-4-1 超晶格及其基本性質4.載流子遷移率的提高(最接近理想的二維電子系統(tǒng))超晶格中的調(diào)制摻雜在77k溫度下，電子遷移率已達到2 105cm2/Vs在4.2k溫度下，電子遷移率已達到1.5 106cm2/VsAlGaAs

14、GaAsAlGaAsGaAs迄今為止, GaAs/AlGaAs調(diào)制摻雜異質結能獲得的電子遷移率已高達1107cm2/ Vs 。1-4-1 超晶格及其基本性質 由于GaAs/ AlGaAs 是晶格匹配的材料體系。利用現(xiàn)代分子束外延生長技術幾乎可以獲得原子級平整的界面，大大減少了界面缺陷和界面粗糙度對輸運性質的影響。 超高真空下分子束外延生長保證了GaAs、AlGaAs本征材料的純度可達到1013cm-3的水平。 更為重要的是，施主雜質在離界面一定距離以外的AlGaAs 一側，而電子被轉移到窄能隙的GaAs 側界面勢阱內(nèi)，遠離產(chǎn)生它的電離施主，使它們感受到的庫侖散射作用大大減弱，極大地提高了二維電

15、子氣在低溫下的遷移率。 這意味著GaAs/AlGaAs異質結已將雜質、缺陷等對二維電子系統(tǒng)的“干擾”降低到最低限度，這才使電子間的多體相互作用顯得更為重要起來。為什么說GaAs/AlGaAs 異質結是最接近理想的二維電子系統(tǒng)？性質優(yōu)異的異質結結構為整數(shù)量子Hall效應和分數(shù)量子Hall效應的發(fā)現(xiàn)提供了必要條件。克勞斯馮克利青1985年諾貝爾物理學獎崔琦1998年諾貝爾物理學獎1-4-1 超晶格及其基本性質 5.異質結界面中載流子的實空間躍遷6.超晶格材料的金屬化 在調(diào)制摻雜AlGaAs-GaAs異質結中，GaAs表面的高遷移率電子，沿界面加速時，隨著能量的增加，熱電子越過界面向勢壘AlGaAs

16、層中擴散，這種現(xiàn)象稱為載流子的實空間躍遷?？邕^勢壘對于半金屬化的理解：條件：1，GaSb價帶頂比InAs導帶底還高2，InAs、GaSb膜很薄從能量關系看：1. GaSb導帶電子更容易向能量更低的InAs導帶遷移減小了與GaSb價帶空穴的復合2. InAs價帶空穴比GaSb價帶空穴能量高，易遷移，從而減小了與InAs導帶電子的復合空間上看：InAs導帶電子與GaSb價帶空穴分開的布洛赫振動（布洛赫振動）是利用超晶格材料來實現(xiàn)在電場作用下的一種振動效應。因為超晶格材料的超晶格周期，使得它具有一種較小的Brilouin區(qū)和較窄寬度的子能帶，則通過電場就可以把電子從子能帶底部（正阻區(qū)）加速到能帶的頂

17、部（負阻區(qū)），則產(chǎn)生微分負電阻。假若電子群被加速到能帶頂端后, 不遭受散射, 而繼續(xù)被加速的話, 則電子在Brilouin區(qū)邊緣將發(fā)生Bragg反射，從而產(chǎn)生周期性的往復運動，這就是Bloch振動。實現(xiàn)Bloch振動的條件是：外加電場E要能使電子在平均自由時間內(nèi)渡越Brilouin區(qū)，即要求（c是沿外加電場方向上的超晶格周期，布里淵區(qū)寬度為2/c）2/c qE/ ，即 E h / (qc)。對普通的晶體, 由于晶格周期和都比較小, 則電場E需要超過5107 V/m才會發(fā)生Bloch振動。這實際上是行不通的, 因為在如此高的電場下半導體將要發(fā)生擊穿；為實現(xiàn)持續(xù)的Bloch振動（頻率為THz范圍）

18、,就應該增大超晶格周期或(和)增大電子的平均自由時間（提高晶體完整性和降低溫度）。1-4-2 應變超晶格 當兩種不同材料構成超晶格時，若兩種材料晶格常數(shù)相差較大時，會在界面處產(chǎn)生缺陷，得不到好的超晶格材料。但是，當多層薄膜厚度十分薄時，晶體生長時會產(chǎn)生很少的缺陷，即是在彈性形變限度內(nèi)，晶格本身的應變使缺陷消除，可制備好的超晶格材料應變超晶格材料。1.晶格常數(shù)利用同一種材料生長薄膜晶體時，可以利用改變膜的厚度比來控制新的晶格常數(shù)。1-4-2 應變超晶格2.禁帶寬度 受應變的影響，不僅應變超晶格材料的能帶結構發(fā)生變化，同時原成分材料的禁帶寬度也要發(fā)生變化。 能帶折疊效應： 間接躍遷直接躍遷1-4-2 應變超晶格3.有效質量 在一般超晶格中，由于量子效應價帶中的重空穴和輕空穴能帶的簡并度被消除。 能帶折疊效應，能帶結構和載流子的有效質量發(fā)生變化 應力時，能帶結構發(fā)生變化而導致有效質量變化。 在應變超晶格中，根據(jù)其周期結構的研究有可能控制載流子的有效質量。實驗：對電導有貢獻的是輕空穴1-4-2 應變超晶格 4.應變超晶格應用的材料Si-Ge系