電子功能與元器件半導(dǎo)體超晶格材料

1、主要內(nèi)容1-4-1 超晶格及其基本性質(zhì) （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(yīng) 3.單一勢(shì)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(zhì)結(jié)界面中載流子的實(shí)空間躍遷 7.超晶格材料的金屬化1-4-2 應(yīng)變超晶格 1.晶格常數(shù) 2.禁帶寬度 3.有效質(zhì)量 4.應(yīng)變超晶格應(yīng)用的材料1-4-3 非晶態(tài)超晶格材料 1.非晶態(tài)半導(dǎo)體材料的優(yōu)點(diǎn) 2.非晶態(tài)半導(dǎo)體材料在超晶格中的應(yīng)用1-4-1 超晶格及其基本性質(zhì)（一）超晶格材料1970年USA的IBM公司的江崎和朱兆祥在尋找具有負(fù)微分電阻的新器件時(shí)，提出了一個(gè)全新的革命

2、性概念“半導(dǎo)體超晶格”。他們?cè)囍瞥晒aAs-GaAlAs系超晶格，從那時(shí)起，超晶格結(jié)構(gòu)的研究獲得了很大的成功。GaAsAlGaAsGaAsAlGaAsGaAs超晶格定義：超晶格材料是由兩種或兩種以上性質(zhì)不同的薄膜相互交替生長(zhǎng)并而形成的多層結(jié)構(gòu)的晶體，在這種超晶格材料中，由于人們可以任意改變薄膜的厚度，控制它的周期長(zhǎng)度。一般來(lái)說(shuō)，超晶格材料的周期長(zhǎng)度比各薄膜單晶的晶格常數(shù)大幾倍或更長(zhǎng)，因而取名“超晶格” 。超晶格概念的提出組分超晶格：超晶格材料的一個(gè)重復(fù)單元由兩種不同材料組成，其電子親和勢(shì)、禁帶寬度均不相同。摻雜超晶格：若在同一半導(dǎo)體材中，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

3、-4-1 超晶格及其基本性質(zhì)1-4-1 超晶格及其基本性質(zhì)Pn分子束外延原理示意圖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(guò)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(zhǎng)成膜。 分子束外延（MBE：Molecular Beam Epitaxy ）1-4-1 超晶格及其基本性質(zhì)多種監(jiān)控設(shè)備，可對(duì)生長(zhǎng)過(guò)程中襯底溫度，生長(zhǎng)速度，膜厚等進(jìn)行瞬時(shí)測(cè)量分析。對(duì)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(kuò)散距離等生長(zhǎng)細(xì)節(jié)進(jìn)行精確監(jiān)控。由于MBE 的生長(zhǎng)環(huán)境潔凈、溫度低、具有精確的原位實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、晶體完整

4、性好、組分與厚度均勻準(zhǔn)確，是良好的光電薄膜，半導(dǎo)體薄膜生長(zhǎng)工具。1-4-1 超晶格及其基本性質(zhì)MOCVD儀器照片金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)(MOCVD)是利用金屬有機(jī)化合物作為源物質(zhì)的一種化學(xué)氣相淀積(CVD)工藝. 著眼點(diǎn)：選擇特殊的反應(yīng)，來(lái)降低反應(yīng)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(jī)源和參與反應(yīng)的進(jìn)程氣體在一個(gè)低壓高溫的反應(yīng)室中進(jìn)行淀積，以生長(zhǎng)出具有復(fù)雜摻雜層的芯片。 MOCVD設(shè)備昂貴，配套設(shè)施以及所需原材料也昂貴無(wú)比。確實(shí)是燒錢的機(jī)器。在出現(xiàn)MOCVD之前，MBE算是最厲害的燒錢機(jī)器，以前大家都叫MBE為Money Burn Equipment?，F(xiàn)在應(yīng)

5、該讓給MOCVD了。1-4-1 超晶格及其基本性質(zhì)（二）超晶格的主要特性1.載流子遷移率的提高超晶格中的調(diào)制摻雜在77k溫度下，電子遷移率已達(dá)到2 105cm2/Vs在4.2k溫度下，電子遷移率已達(dá)到1.5 106cm2/VsAlGaAsGaAsAlGaAsGaAs1-4-1 超晶格及其基本性質(zhì)2.隧道效應(yīng)AlGaAsGaAsAlGaAsGaAs 如果AlGaAs的膜很薄，比電子的德布羅意波長(zhǎng)小時(shí)，根據(jù)隧道效應(yīng)，電子可能穿透AlGaAs的勢(shì)壘而自由運(yùn)動(dòng)，在與兩種材料界面的方向上形成子能帶。1-4-1 超晶格及其基本性質(zhì)3.單一勢(shì)阱中的電子狀態(tài)LBLWEcEv超晶格結(jié)構(gòu)中能帶不連續(xù)Ec、Ev以及

6、勢(shì)阱寬LW、勢(shì)壘寬LBZ方向電子的薛定諤方程式為：（1-a）(1-b)1-4-1 超晶格及其基本性質(zhì)式中n為量子數(shù)，當(dāng)考慮歸一化條件時(shí)，對(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)于n=1、2、3是En和 。波函數(shù)應(yīng)滿足連續(xù)性、有限性的條件邊界條件當(dāng)勢(shì)壘高度V0（Ec)很大時(shí)， 能量本征值為（3）0V1-4-1 超晶格及其基本性質(zhì) 在與勢(shì)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。一般體單晶半導(dǎo)體中連續(xù)的電子狀態(tài)：（6）而在單一勢(shì)阱中則變?yōu)榉蛛x狀態(tài)，而且當(dāng)V0 時(shí)，如圖1-17所示那樣，可以把電子完全限制在

7、勢(shì)阱中，這種勢(shì)阱稱為量子阱，所對(duì)應(yīng)地電子稱為二維電子氣。 1-4-1 超晶格及其基本性質(zhì)4.子能帶的形成多量子阱和超晶格的區(qū)別多量子阱和超晶格都是連續(xù)周期排列的異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，區(qū)別在于勢(shì)壘的厚度和高度不同：當(dāng)勢(shì)壘厚度（寬帶隙材料的厚度）20nm和勢(shì)壘高度大于0.5eV時(shí)，那么多個(gè)阱中的電子行為如同單個(gè)阱中電子行為的總和，這種結(jié)構(gòu)材料稱為多量子阱，它適合制做低閾值，銳譜線的發(fā)光器件。如果勢(shì)壘比較薄或高度比較低，由于隧道效應(yīng)，使阱中電子隧穿勢(shì)壘的幾率變得很大，勢(shì)阱中分立的子能級(jí)就形成了具有一定寬度的子能帶，這種材料稱為超晶格，它適于制備大功率的發(fā)光器件。5.多量子阱和超晶格超晶格中電子狀態(tài)特性與阱寬

8、LW、勢(shì)壘寬LB的關(guān)系（a）單一勢(shì)阱，電子限制在勢(shì)阱中：（b）形成子能帶，電子在晶體中橫向傳播小結(jié)：超晶格量子阱的新現(xiàn)象1.量子阱的分立能級(jí)LBLWEcEvGaAs-Al0.2Ga0.8As量子阱中不同阱寬下激子吸收光譜。L表示GaAs阱寬，T=2K。隨阱寬的減少呈現(xiàn)臺(tái)階形的吸譜阱寬為400nm時(shí)階消失。2.超晶格中的微帶(miniband)體材料晶體的布里淵區(qū)的寬度是2/a，即為(/a，/a)，而超晶格的布里淵區(qū)的寬度是2/L，即為(/L，/L)布洛赫振動(dòng)布洛赫振動(dòng)（布洛赫振動(dòng)）是利用超晶格材料來(lái)實(shí)現(xiàn)在電場(chǎng)作用下的一種振動(dòng)效應(yīng)。因?yàn)槌Ц癫牧系某Ц裰芷?，使得它具有一種較小的Brilouin

9、區(qū)和較窄寬度的子能帶，則通過(guò)電場(chǎng)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(fù)阻區(qū)），則產(chǎn)生微分負(fù)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(fù)運(yùn)動(dòng)，這就是Bloch振動(dòng)。實(shí)現(xiàn)Bloch振動(dòng)的條件是：外加電場(chǎng)E要能使電子在平均自由時(shí)間內(nèi)渡越Brilouin區(qū)，即要求（c是沿外加電場(chǎng)方向上的超晶格周期，布里淵區(qū)寬度為2/d）2/c qE/ ，即 E h / (qd)。對(duì)普通的晶體, 由于晶格周期和都比較小, 則電場(chǎng)E需要超過(guò)5107 V/m才會(huì)發(fā)生Bloch振動(dòng)。這實(shí)際上是行不通的, 因?yàn)樵?/p>

10、如此高的電場(chǎng)下半導(dǎo)體將要發(fā)生擊穿；為實(shí)現(xiàn)持續(xù)的Bloch振動(dòng)（頻率為THz范圍）,就應(yīng)該增大超晶格周期或、增大電子的平均自由時(shí)間（提高晶體完整性和降低溫度）。1-4-1 超晶格及其基本性質(zhì) 6.異質(zhì)結(jié)界面中載流子的實(shí)空間躍遷 在調(diào)制摻雜AlGaAs-GaAs異質(zhì)結(jié)中，GaAs表面的高遷移率電子，沿界面加速時(shí)，隨著能量的增加，熱電子越過(guò)界面向勢(shì)壘AlGaAs層中擴(kuò)散，這種現(xiàn)象稱為載流子的實(shí)空間躍遷。在AlGaAs區(qū)遷移率小，有效質(zhì)量高，電子的速度降低，電子冷下來(lái)，表現(xiàn)電流的降低，出現(xiàn)負(fù)阻現(xiàn)象。不同于耿氏效應(yīng)，異質(zhì)結(jié)的阱深、尺寸、摻雜都可認(rèn)為控制，因而負(fù)阻效應(yīng)可以根據(jù)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)負(fù)阻：耿氏效應(yīng)導(dǎo)帶

11、能谷之間電子轉(zhuǎn)移形成的負(fù)阻7.超晶格材料的金屬化對(duì)于半金屬化的理解：條件：1，GaSb價(jià)帶頂比InAs導(dǎo)帶底還高2，InAs、GaSb膜很薄從能量關(guān)系看：GaSb導(dǎo)帶電子更容易向能量更低的 InAs導(dǎo)帶遷移減小了與GaSb價(jià)帶空穴的復(fù)合2. InAs價(jià)帶空穴比GaSb價(jià)帶空穴能量高，易遷移，從而減小了與InAs導(dǎo)帶電子的復(fù)合3. GaSb價(jià)帶中的電子可以進(jìn)入InAs的導(dǎo)帶空間上看： InAs導(dǎo)帶電子與GaSb價(jià)帶空穴分開(kāi)的應(yīng)變超晶格 初期研究超晶格材料時(shí)，除了A1xGa1-xAsGaAs體系以外，對(duì)其他物質(zhì)形成的超晶格的研究工作不多。 原因：晶格常數(shù)相差很大，會(huì)引起薄膜之間產(chǎn)生失配位錯(cuò)而得不到

12、良好質(zhì)量的超晶格材料。解決方法：當(dāng)多層薄膜的厚度十分薄時(shí)，在晶體生長(zhǎng)時(shí)反而不容易產(chǎn)生位錯(cuò)。即，在彈性形變限度之內(nèi)的超薄膜中，晶格本身發(fā)生應(yīng)變而阻止缺陷的產(chǎn)生。因此，巧妙地利用這種性質(zhì)，可制備出晶格常數(shù)相差較大的兩種材料所形成的應(yīng)變超晶格。當(dāng)異質(zhì)結(jié)構(gòu)中每層的厚度足夠薄時(shí)，且晶格失配率不大于79時(shí)，則界面上應(yīng)力可以把兩側(cè)晶格連在一起而不產(chǎn)生晶格失配位錯(cuò)，此時(shí)晶格完全處在彈性應(yīng)變狀態(tài)。SiGeSi是典型應(yīng)變超晶格材料，隨著能帶結(jié)構(gòu)的變化，載流子的有效質(zhì)量可能變小，可提高載流子的遷移率，可做出比一般Si器件更高速工作的電子器件。1-4-2 應(yīng)變超晶格1-4-2 應(yīng)變超晶格1.晶格常數(shù)利用同一種材料生長(zhǎng)

13、薄膜晶體時(shí)，可以利用改變膜的厚度來(lái)控制新的晶格常數(shù)及禁帶寬度。應(yīng)變超晶格（h1、h2為各層厚度）1-4-2 應(yīng)變超晶格2.禁帶寬度受應(yīng)變的影響，不僅應(yīng)變超晶格材料的能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，同時(shí)原成分材料的禁帶寬度也要發(fā)生變化。 能帶折疊效應(yīng)：間接躍遷直接躍遷1-4-2 應(yīng)變超晶格3.有效質(zhì)量 在一般超晶格中，由于量子效應(yīng)價(jià)帶中的重空穴和輕空穴能帶的簡(jiǎn)并度被消除。 能帶折疊效應(yīng)，能帶結(jié)構(gòu)和載流子的有效質(zhì)量發(fā)生變化 應(yīng)力時(shí)，能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生變化而導(dǎo)致有效質(zhì)量變化。 在應(yīng)變超晶格中，根據(jù)其周期結(jié)構(gòu)的研究有可能控制載流子的有效質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)：對(duì)電導(dǎo)有貢獻(xiàn)的是輕空穴1-4-2 應(yīng)變超晶格 4.應(yīng)變超晶格應(yīng)用的材料Si

14、-Ge系 利用能帶折疊效應(yīng)制備直接躍遷材料。-族 InAs-GaAs系 InGaAs-GaAs系 InAs-InSb系 GaSb-AlSb系 GaAsP-InGaAs系-族 CdTe-HgCdTe系 ZnS ZnSe ZnTe1-4-3 非晶態(tài)超晶格材料1.非晶態(tài)半導(dǎo)體材料的優(yōu)點(diǎn)非晶態(tài)半導(dǎo)體是一種共價(jià)網(wǎng)絡(luò)，但原子不是周期排列，其中每個(gè)原子與周圍的4個(gè)原子仍然保持共價(jià)鍵的關(guān)系，類似于晶體，保持幾個(gè)晶格常數(shù)內(nèi)的短程有序，長(zhǎng)程無(wú)序。制備簡(jiǎn)單，成本低，可以制成大面積薄膜，1-4-3 非晶體超晶格材料2.非晶態(tài)半導(dǎo)體材料在超晶格中的應(yīng)用1.在超晶格結(jié)構(gòu)中應(yīng)用非晶態(tài)的理由是為了改善其結(jié)構(gòu)的柔軟性。2.在非晶態(tài)的情況下，由于結(jié)構(gòu)的自由度大，晶格不匹配得到緩和。3.由于容易改變非晶態(tài)材料本身的物理性質(zhì),使器件設(shè)計(jì)上的自由度更大.4.在較低溫度上生長(zhǎng)以及容易形成大面積.1-4-3 非晶體超晶格材料超晶格材料的應(yīng)用導(dǎo)體超晶格結(jié)構(gòu)不僅給材料物理帶來(lái)了新面貌，促進(jìn)了新一代半導(dǎo)體器件的產(chǎn)生，可制備高電子遷