半导体超晶格分布布拉格反射镜(DBR)的分子束外延生长
半导体激光器的研究进展
半导体激光器的研究进展摘要：本文主要述写了半导体激光器的发展历史和发展现状。
以及对单晶光纤激光器进行了重点描述，因其在激光医疗、激光成像、光电对抗以及人眼安全测照等领域具有重大的应用价值，近年来成为新型固体激光源研究的热点。
一、引言。
激光是20 世纪以来继原子能、电子计算机、半导体之后人类的又一重大发明。
半导体激光科学与技术以半导体激光器件为核心，涵盖研究光的受激辐射放大的规律、产生方法、器件技术、调控手段和应用技术，所需知识综合了几何光学、物理光学、半导体电子学、热力学等学科。
半导体激光历经五十余年发展，作为一个世界前沿的研究方向，伴随着国际科技进步突飞猛进的发展，也受益于各类关联技术、材料与工艺等的突破性进步。
半导体激光的进步在国际范围内受到了高度的关注和重视，不仅在基础科学领域不断研究深化，科学技术水平不断提升，而且在应用领域上不断拓展和创新，应用技术和装备层出不穷，应用水平同样取得较大幅度的提升，在世界各国的国民经济发展中，特别是信息、工业、医疗和国防等领域得到了重要应用。
本文对半导体激光器的发展历史和现状进行了综述，同时因单晶光纤激光器在激光医疗、激光成像、光电对抗以及人眼安全测照等领域具有重大的应用价值，本文也将对其做重点描述。
二、大功率半导体激光器的发展历程。
1962 年，美国科学家宣布成功研制出了第一代半导体激光器———GaAs同质结构注入型半导体激光器。
由于该结构的激光器受激发射的阈值电流密度非常高，需要5 × 104～1 ×105 A /cm2，因此它只能在液氮制冷下才能以低频脉冲状态工作。
从此开始，半导体激光器的研制与开发利用成为人们关注的焦点。
1963 年，美国的Kroemer和前苏联科学院的Alferov 提出把一个窄带隙的半导体材料夹在两个宽带隙半导体之间，构成异质结构，以期在窄带隙半导体中产生高效率的辐射复合。
随着异质结材料的生长工艺，如气相外延( VPE) 、液相外延( LPE) 等的发展，1967年，IMB 公司的Woodall 成功地利用LPE 在GaAs上生长了AlGaAs。
DBR激光器是什么
分布式布拉格反射（DBR）激光器（distributed Bragg reflector ）是指通过布拉格光栅来充当反射镜，在两段布拉格光栅之间封装一段掺杂光纤，通过泵浦中间的掺杂光纤来提供增益。
1.DBR激光器是什么
DBR(Distributed Bragg Reflector)半导体激光器是一种新型激光器，其性能类似但优于DFB 激光器。
与DFB激光器相同，我们也提供全数字化的驱动电源以及集成饱和吸收的激光头。
同时，我们也提供为客户定制可用于原子陀螺等的小型化、集成系统。
2.DBR激光器工作原理
反射相变
当光从光疏介质射向光密介质时，反射光会在界面处发生180度相变。
而从光密介质射向光疏介质时则不会发生相变。
从工程角度理解，光也是一种电磁波，光的反射与电信号在阻抗变化时的反射可以类比。
当电信号由高阻抗传输线进入低阻抗传输线时，会产生负相反射（相变180度），从低阻抗进入高阻抗时，会产生正相反射（无相变）。
光传输介质的折射率类比于电信号传输的阻抗。
薄膜干涉
光在穿过一层薄膜时，会在上下表面发生两次反射，薄膜的厚度会影响两次反射的光程差，如果控制薄膜厚度为x倍的波长，则两次反射的光程差为x，该光程差对应180度相变，而其中一次反射又会发生180相变，则两次的反射光最终同相，叠加增强，即增加了总体的反射系数。
而DBR实际就是两种折射率的介质交替叠层，光经过DBR时，每过一层都会增加一定的反射系统，最终DBR的反射系数可以达到很高的水平。
分布式布拉格反射镜结构
分布式布拉格反射镜结构简介分布式布拉格反射镜结构（Distributed Bragg Reflector, DBR）是一种用于光学器件中的重要结构。
它由多个周期性层组成，具有优异的光学性能，广泛应用于激光器、光纤通信和光电子器件等领域。
本文将详细介绍分布式布拉格反射镜结构的原理、制备方法和应用。
原理分布式布拉格反射镜结构借助布拉格散射原理实现高反射率和波长选择性。
布拉格散射是当电磁波（光波）与周期性介质相互作用时，由于介质的周期性结构会对电磁波产生散射，从而形成反射现象。
该现象是由于波长等于介质周期的倍数时，散射波的相位受到干涉增强而形成明显的峰值。
基于这个原理，分布式布拉格反射镜结构通过设计周期性层和层间折射率来实现特定波长的反射。
制备方法光子晶体法光子晶体法是一种制备分布式布拉格反射镜结构的常见方法。
该方法利用介电材料或金属导体的周期性结构，通过光子晶体的光学带隙原理实现波长的选择性反射。
制备过程包括以下步骤：1.设计布拉格反射光子晶体的周期性层和层间折射率。
2.选择适当的材料，并通过溶液法、电镀法或物理气相沉积法（PECVD）等制备周期性层。
3.利用自组装技术或纳米制备技术，在基底上形成周期性结构。
4.通过检测反射光谱，对制备的分布式布拉格反射镜结构进行表征和优化。
分子束外延法分子束外延法是另一种常用的制备分布式布拉格反射镜结构的方法。
该方法通过分子束外延技术在单晶基底上逐层生长材料，制备周期性层。
制备过程包括以下步骤：1.准备适当的基底和衬底。
2.设置分子束外延设备，并控制扩散源的温度和功率。
3.通过打开和关闭单层或多层源，逐层生长材料，形成周期性结构。
4.利用光谱仪等工具对制备的样品进行表征和优化。
应用分布式布拉格反射镜结构在光学器件中有着广泛的应用。
激光器分布式布拉格反射镜结构在激光器中作为输出镜，能够实现高反射率和波长选择性。
通过调整周期性层的厚度和折射率，可以实现对特定波长的高度选择性反射，从而提高激光器的效率和性能。
芯片dbr工艺
芯片dbr工艺芯片DBR工艺是一种常用的半导体制造工艺，用于制作光电子器件中的分布式布拉格反射器（Distributed Bragg Reflector，简称DBR）。
本文将详细介绍芯片DBR工艺的原理、制备过程以及应用领域。
一、芯片DBR工艺的原理芯片DBR工艺是利用半导体材料的能带结构和折射率的变化来实现光的反射和传播控制。
在芯片DBR结构中，通过周期性改变折射率的方式，形成了一个光波的反射结构。
这种反射结构可以选择性地反射特定波长的光，从而实现光的波长选择性传输。
芯片DBR结构一般由多个不同折射率的材料层组成，其中一半层的折射率高，另一半层的折射率低。
二、芯片DBR工艺的制备过程1. 材料准备：芯片DBR工艺需要选择合适的半导体材料，一般常用的有GaAs、InP等。
这些材料需要经过精细的制备和表征，以保证制备出高质量的DBR结构。
2. 设计DBR结构：根据需要反射的光波长和反射系数的要求，设计合适的DBR结构。
这需要考虑到材料的折射率、厚度和周期等因素。
3. 生长DBR结构：利用分子束外延（MBE）或金属有机化学气相沉积（MOCVD）等技术，在衬底上逐层生长DBR结构。
生长过程需要严格控制各层的厚度和材料组分，以确保DBR结构的性能。
4. 制备器件结构：在DBR结构上继续生长其他器件结构，例如激光器、光调制器等，形成完整的光电子器件。
5. 制备光子芯片：将多个DBR结构和其他器件结构组合在一起，制备成光子芯片。
这需要进行精确的对准和封装工艺。
三、芯片DBR工艺的应用领域芯片DBR工艺在光通信和光电子器件领域有着广泛的应用。
其中，光通信领域中的激光器和光调制器是最常见的应用。
芯片DBR结构可以用来实现激光器的波长选择性输出，提高光通信系统的传输效率和稳定性。
同时，芯片DBR结构还可以用于制作光调制器，实现光信号的调制和调制深度的控制。
芯片DBR工艺还可以应用于其他光电子器件的制备，如光检测器、光放大器等。
国内首次用分子束外延生长出短周期InAa／GaSb超晶格
世界最薄材料有望取代硅片 英国曼彻斯特大学联手德国马克斯 ・ 普朗克研究所 已研制出世界上最薄的材料， 厚度 只
有一根头发的 ２ ０万分之一 。这种 新材料 的问世有望在电子计算机和医学等领域掀起一场新 的革命 。 超薄膜片 这种膜片 由碳原子六边形连接而成，状如蜂巢，但只有一个原子那么厚。 如果层层叠加 ，需要 ２ 万层才 能达到一根头发丝的厚度 。 ０ 科学家两年前创造出这种二维碳原子膜片，但必须贴在其他材料上。 如今， 研究人员 已 经可 以利用纳米级 的金制架 台将这种膜片悬挂起来 。 根据物理理论 ， 这种材料不可能稳定存在，因为它实际上是一种二维晶体结构，而这种 结构极易受热损毁。 但二维碳原子膜片 已经证明可 以稳定存在于室温真空中。 所有其他物质 薄 到 这种膜 片 １ 倍 厚度 时 ，就会 发 生氧化 、分解 ，不 能稳 定存 在 。 Ｏ 这种膜 片 之所 以能够 稳 定存 在 ，是 因为它 并非 静止 平铺 ，而 是轻 微波 动 。波 动 为这种 结 构提供 了第三维度 ，也就提供 了聚合力 。 承载分子 这种膜片将主要应用于大幅提高计算机运算速度和研制新药物。 此外， 它
维普资讯
２０ 年 第 ５ ０７ 期
理化所成功地制备了宽度几个微米 的 Ｃ Ｓ纳米带，对纳米带的结构进行了表征 ，测量 了单 ｄ 根纳米带的光 电导性能。实验发现 ：纳米带的生长方向与其它 ⅡⅥ 族半导体纳米带不同； ． ＣＳ ｄ 单根纳米带的光谱响应、 光强度和时间响应速度 比体材料和薄膜 的响应速度快得多， 而 且纳米带的尺寸对纳米带的响应速度有明显的影响，宽度越小 ，响应速度越快；说明 Ｃ Ｓ ｄ 纳米带响应速度正比于纳米材料表面． 体积 比和单晶的完整度 ：在不同的气氛 中感光灵敏度 有 明显 不 同 。 这一研究进展表明 Ｃ Ｓ半导体纳米带在光敏器件和气体传感器等光电应用方面有广泛 பைடு நூலகம்ｄ 的前 景 。
外延基础知识
电流，这样的能带称为导带。
•
价带：由价电子能级分裂形成的能带，称为价带。（价带可能是满带，也可能是
电子未填满的能带）
•
直接带隙：导带底和价带顶位于K空间同一位置。
•
间接带隙：导带底和价带顶位于K空间不同位置。
•
同质结：组成PN结的P型区和N型区是同种材料。（如红黄光中的：GaAs上生
长GaAs,蓝绿光中：U(undope)－GaN上生长N(dope)－ GaN）
•
量子阱(QW)：通常把势垒较厚，以致于相邻电子波函数不发生交迭的周期性结
构，称为量子阱（它是超晶格的一种）。
半导体
• 分类：元素半导体：Si 、Ge
•
化合物半导体：GaAs、InP、GaN(Ⅲ-Ⅴ)、ZnSe(Ⅱ-Ⅵ) 、SiC
• 化合物半导体优点：
• 调节材料组分易形成直接带隙材料，有高的光电转换效率。（光电器件一 般选用直接带隙材料）
等。
•
尾气处理器：主要用于生长后的废气处理，使其达到无污染排放。红黄光生长
产生尾气用化学尾气处理器处理，蓝绿光生长产生的尾气用湿法尾气处理器处
理。
LED的MOCVD外延生长
• 基本反应：
•
红黄光：TMGa+AsH3 GaAs+CH4
•
TMGa+PH3 GaP+CH4
•
蓝绿光：TMGa+ NH3 GaN+CH4
到限制的作用，可明显提高发光效率。
•
生长一层P型GaP层，此层为电流扩展层，扩展层越厚，电流扩展得越好，亮
基本概念
•
能级：电子是不连续的，其值主要由主量子数N决定，每一确定能量值称为一个
【国家自然科学基金】_表现外延_基金支持热词逐年推荐_【万方软件创新助手】_20140803
2012年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42
科研热词 高速公路网络 非晶涂层 非功能需求 追踪性 载流子迁移率 载流子浓度 软件体系结构 设计决策 认知 空间结构 稳定性 稀释率 电催化 甲酸氧化 生长压力 激光熔覆 激光技术 激光快速成形 模糊概念关系 模糊概念 模糊本体 模糊 景观格局指数 显微组织 显微硬度 时空格局 拉伸力学性能 扩展类型 宝鸡市 城镇建设用地 城镇体系 商业集聚区 商业土地出让 北京 功能需求 分形维数 再结晶 光致发光 pd/ni双金属 mocvd inconel 718超合金 gan
科研热词 跨河城市 演化 机制 铁电电容器 透明导电薄膜 超晶格 西宁市 薄膜 空间形态 电阻率 热壁化学气相沉积 溶胶凝胶 温度 江苏省开发区 拉曼光谱 岛状生长 对策 城市空间形态 城市 土地集约利用 土地资源管理 土地市场发育 光致发光 ybco sicge sic inas/gasb ba-tfa
2008年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33
科研热词 集约度增长指数 铁磁性 都市连绵区 遥感影像 迁移率 脉冲激光沉积 策略选择 稀磁半导体 科技术语 磁性薄膜 石家庄市 电阻随机存取存储器 电脉冲诱发电阻转变 电子浓度 居里温度 定义缺陷 外延式战略 城市规划 城市群 城市组群 城市地理 城市土地利用增长 分子束外延 内涵式战略 优势比较 中医诊断学 中医症状名 xrd xanes n型gan mnxsi1-x la0.67 sr0.33 mno3 gamnn薄膜
7.8 半导体超晶格
图7.8.5 横向超晶格器件
7.8.4 二维电子气的能态密度与量子霍尔效应 １. 二维电子气能态密度 如前所述，超晶格半导体附加的周期性引 起电子能谱的附加量子化，即在 z 方向形成一 系列量子能级 E1 ( z), E2 ( z), ，由式（7.8.1）可知， 由于[ 2 /(2m* )](k x2 k y2 ) 形成准连续谱，则相应 z 方 向的每一个能级 E ( z) ，电子的二维运动形成一 个子能带。子能带的态密度可由第4章的方法 求得，只不过这里是二维问题。由在 k// (kx , ky ) 空 间Ｋ标度下单位体积的态密度为1/(2π)2 可知， 以 k k k 为半径的 k// 空间圆内所包含的允许 的 k// 的数目为 :
图 7.8.3 超晶格中E-k 关系
图 7.8.4 在周期性晶体场中外加直流 电场以后电子的行为
由此可见，由于在超晶格晶体中引入了附加的一维 周期势场，其中电子的能量将呈现新的量子化现象， 原来晶格周期势场中的能带分裂成一系列子能带。
7.8.3 超晶格的负阻效应及其应用
这种附加量子化效应使得超晶格晶体产生了许许 多多新的物理现象和物理性质，如量子霍尔效应、 负阻效应等。下面简单介绍负阻效应极其应用。 研究表明，当在不同的温度下测量超晶格晶体的 电阻时，将会发现样品的电阻随外加电压变化而变 化。当外加电压增加到某一阀值时，微分电阻的数 值将会发生突变，在某些温度下会出现负阻现象。 过了突变值以后，随着外加电压的增加，电阻的数 值会出现忽大忽小的变化。电阻的这种异常变化是 块状 GaAs、AlAs 的单晶样品所没有的。关于超晶格 晶体的负阻效应可作如下的定性讨论。 图７.８.４给出了电子在直流电场中受到加速作 用以后运动的情况。假定无外电场时，电子处于Ａ
半导体超晶格材料及其应用
半导体超晶格材料及其应用引言：半导体超晶格材料是一种由多个不同材料交替堆叠而成的晶格结构，具有独特的物理和化学性质。
它们在电子学、光电子学和能源领域等多个应用中具有巨大的潜力。
本文将介绍半导体超晶格材料的基本概念和制备方法，并重点探讨其在光电子器件和能源转换领域的应用。
一、半导体超晶格材料的基本概念半导体超晶格材料是由两种或更多种不同晶格常数的半导体材料交替堆叠而成的复合材料。
由于晶格常数的不匹配，材料界面形成了一系列的晶格失调和应变区域。
这些晶格失调和应变区域对电子结构和输运性质产生了显著影响，从而使半导体超晶格材料具有特殊的性质。
二、半导体超晶格材料的制备方法主要有两种方法用于制备半导体超晶格材料：一是分子束外延（MBE）方法，二是金属有机化学气相沉积（MOCVD）方法。
这些方法可以通过精确控制材料的堆叠顺序和厚度来实现半导体超晶格材料的制备。
三、半导体超晶格材料在光电子器件中的应用1. 光电二极管：半导体超晶格材料的能带结构和电子输运性质可通过调控晶格常数和材料组分来实现。
这使得半导体超晶格材料在光电二极管中具有优异的性能，如高效率和高速度。
因此，半导体超晶格材料被广泛应用于高速光通信和激光器等领域。
2. 太阳能电池：半导体超晶格材料的晶格失调和应变区域对电子结构和光吸收特性的调控具有重要意义。
通过合理设计半导体超晶格材料的结构和组分，可以实现更高的光电转换效率和更宽的光谱响应范围，从而提高太阳能电池的性能。
3. 光电导体：半导体超晶格材料的能带对称性和输运性质的调控使其成为优秀的光电导体。
半导体超晶格材料在光电导体领域的应用包括光电传感器、光电调制器和光电晶体管等。
四、半导体超晶格材料在能源转换中的应用1. 热电材料：半导体超晶格材料的晶格失调和应变区域对热电性能的调控具有重要意义。
通过设计合适的结构和组分，可以实现更高的热电转换效率，从而将热能转化为电能。
2. 催化剂：半导体超晶格材料的界面和晶格缺陷可提供更多的活性位点，从而提高催化剂的活性和稳定性。
分子束外延
分子束外延〔英文名称；Molecular Beam Epitaxy〕1、定义：分子束外延是一种新的晶体生长技术，简记为MBE。
其方法是将半导体衬底放置在超高真空腔体中，和将需要生长的单晶物质按元素的不同分别放在喷射炉中〔也在腔体内〕。
由分别加热到相应温度形成蒸汽，经小孔准直后形成分子束或原子束直接喷射到上述衬底上，同时控制分子束对衬底的扫描，就可以生长出极薄的〔可薄至单原子层水平〕单晶体和几种物质交替的超晶格结构。
2、研究对象：分子束外延主要研究的是不同结构或不同材料的晶体和超晶格的生长。
3、MBE的一般结构：目前最典型的MBE系统是由进样室、预备分析室、和外延生长室串连而成。
进样室：进样室用于换取样品，是整个设备和外界联系的通道，也可同时放入多个衬底片。
预备分析室：对衬底片进行除气处理，对样品进行外表成分、电子结构和杂质污染等分析。
通常在这个真空室配置AES、SIMIS、XPS、UPS等分析仪器。
外延生长室：是MBE系统中最重要的一个真空工作室，用于样品的分子束外延生长。
配置有分子束源、样品架、电离记、高能电子衍射仪和四极质谱仪等部件。
监测分子束流有以下几种：●〔1〕石英晶体常用于监测束流，束流屏蔽和冷却适当，可得满意结果。
但噪音影响稳定性。
几个 m后，石英晶体便失去了线性。
调换频繁，主系统经常充气，这不利于工作。
●〔2〕小型离子表，测分子束流压，而不是测分子束流通量。
由于系统部件上的淀积而使其偏离标准。
●〔3〕低能电子束，横穿分子束，利用所探测物种的电子激发荧光。
原子被激发并很快衰退到基态产生UV荧光，光学聚焦后荧光密度正比于束流密度。
可做硅源的反馈控制。
不足之处：切断电子束，大部分红外荧光和背景辐射也会使信噪比恶化到不稳定的程度。
它只测原子类，不能测分子类物质。
生长室结构：➢分子束外延中的分子〔原子〕运动速率非常之高，源分子〔原子〕由束源发出到衬底外表的时间极其短暂，一般是毫秒量级，一旦将分子束切断，几乎是在同时，生长外表上源的供给就停止了，生长也及时停止。
dbr膜层结构
dbr膜层结构概述：dbr膜层结构，全称为Distributed Bragg Reflector，是一种分布式布拉格反射镜结构，常用于光学器件中的反射镜和滤波器。
它由一系列交替堆叠的高折射率和低折射率材料组成，通过周期性的折射率变化，实现对特定波长光的高反射和其它波长光的低反射。
结构与原理：dbr膜层结构的基本组成由多层高折射率和低折射率材料交替堆叠而成。
高折射率材料层的折射率要远大于低折射率材料层，这样才能产生明显的折射率差异。
两种材料的厚度也要保持在特定的比例，以保证光波在多层膜结构中的干涉和反射。
当入射光照射到dbr膜层结构上时，根据布拉格定律，只有特定波长的光会被完全反射。
这是因为在dbr膜层结构中，特定波长的光在不同材料层之间多次反射，并且干涉效应使得反射光相长相消。
其他波长的光由于没有满足布拉格条件，会继续穿过膜层结构或被部分反射。
应用：dbr膜层结构由于其优异的光学性能和设计灵活性，被广泛应用于各种光学器件中。
1. 光学反射镜：dbr膜层结构可以用于制作高反射率的光学反射镜。
通过调整材料的折射率和膜层的周期，可以实现在特定波长范围内的高反射效果。
这种高反射率的反射镜在激光器、光纤通信系统等领域有着广泛的应用。
2. 光学滤波器：利用dbr膜层结构的波长选择性反射特性，可以制作出高效的光学滤波器。
通过调整膜层的设计参数，可以实现对特定波长的滤波效果，使其透过或反射其他波长的光。
这种滤波器在光谱分析、光学传感器等领域有着广泛的应用。
3. 光学增透膜：dbr膜层结构还可以用于制作光学增透膜，即在特定波长范围内提高光的透过率。
通过调整膜层的设计参数，可以实现对特定波长的增透效果，使其透过率显著提高。
这种增透膜在太阳能电池、光学显示器等领域有着广泛的应用。
4. 激光器谐振腔：dbr膜层结构可以用于激光器的谐振腔设计。
在激光器的谐振腔中，dbr膜层结构作为反射镜，实现对激光的反射和放大。
通过调整膜层的设计参数，可以实现激光器在特定波长范围内的单模振荡和高功率输出。
分子束外延技术
分子束外延技术英文名称；Molecular Beam Epitaxy[定义]分子束外延是一种新的晶体生长技术，简记为MBE。
其方法是将半导体衬底放置在超高真空腔体中，和将需要生长的单晶物质按元素的不同分别放在喷射炉中（也在腔体内）。
由分别加热到相应温度的各元素喷射出的分子流能在上述衬底上生长出极薄的（可薄至单原子层水平）单晶体和几种物质交替的超晶格结构。
分子束外延主要研究的是不同结构或不同材料的晶体和超晶格的生长。
该法生长温度低，能严格控制外延层的层厚组分和掺杂浓度，但系统复杂，生长速度慢，生长面积也受到一定限制。
分子束外延是50年代用真空蒸发技术制备半导体薄膜材料发展而来的。
随着超高真空技术的发展而日趋完善，由于分子束外延技术的发展开拓了一系列崭新的超晶格器件，扩展了半导体科学的新领域，进一步说明了半导体材料的发展对半导体物理和半导体器件的影响。
分子束外延的优点就是能够制备超薄层的半导体材料；外延材料表面形貌好，而且面积较大均匀性较好；可以制成不同掺杂剂或不同成份的多层结构；外延生长的温度较低，有利于提高外延层的纯度和完整性；利用各种元素的粘附系数的差别，可制成化学配比较好的化合物半导体薄膜。
[相关技术]晶体生长技术；化学束外延；半导体材料技术[技术难点]分子束外延作为已经成熟的技术早已应用到了微波器件和光电器件的制作中。
但由于分子束外延设备昂贵而且真空度要求很高，所以要获得超高真空以及避免蒸发器中的杂质污染需要大量的液氮，因而提高了日常维持的费用。
MBE能对半导体异质结进行选择掺杂，大大扩展了掺杂半导体所能达到的性能和现象的范围。
调制掺杂技术使结构设计更灵活。
但同样对与控制、平滑度、稳定性和纯度有关的晶体生长参数提出了严格的要求，如何控制晶体生长参数是应解决的技术问题之一。
MEE技术自1986年问世以来有了较大的发展，但在生长III-V族化合物超薄层时，常规MBE技术存在两个问题：1.生长异质结时，由于大量的原子台阶，其界面呈原子级粗糙，因而导致器件的性能恶化;2.由于生长温度高而不能形成边缘陡峭的杂质分布，导致杂质原子的再分布（尤其是p型杂质）。
9.4 半导体超晶格
两种材料的禁带宽度之差为 Eg Eg2 Eg1 1.247x
bc Ec
GaAs Ga1-xAlxAs
Ev 图9-28 Ga1-xAlxAs/GaAs的能带图
其中波函数 x, y, z满足
(x, y, z) ei(kx xky y)U (z)
(9-85) (9-86)
其中U(z)代表与z有关的波函数，满足：
2
2m
d 2U (z) dz 2
V (z)U (z)
EzU (z)
（9-87）
垂直于z方向的xy平面内：电子波函数为平面波。kx、ky分别为 电子在x、y方向上的波矢，相应的能量Exy为连续谱。
图9-29中的虚线表示近自由电子的抛物线型能带，而实线所 代表的超晶格能带明显地为非抛物线型。
超晶格结构的负阻现象：如果沿z方向加一电场，则子带中的电
子可以无碰撞的达到微小布里渊区的边界，Ez~kz关系曲线的曲
率由正变负，因而电子的有效质量
m
h2
2E k 2
1
由正变负，
其导电特性将会出现负阻现象。
Ez En
n 1, 2,3,...
势阱无限深时：
En
2
2m*
n
c
2
电子的总能量E：
（9-88）
2
E
En
Exy
En
2m
(k
2 x
k
2 y
)
（9-89）
（9-89）式中，对应于一个En值，Exy可取任意正值，这时，总
能量可以取En至∞的任意正值，相当于能级En展宽成为能带，称
半导体超晶格和量子阱
（3-2）
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
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。
EcA EgA EcB EvB EvA E2 E1 EgB E2 E1
∆Ec
∆Ev
多量子阱能带图
超晶格能带图
超晶格分类
（1）组分调制超晶格 （2）掺杂调制超晶格 （3）应变超晶格 （4）多维超晶格 （5）非晶态半导体的超晶格 （6）半磁超晶格 （7）渐变能隙超晶格(锯齿状)
超晶格能带结构来源于两种材料禁带的变化，存在内界面。
GaAs/Al0.2Ga0.8As量子阱中不同阱宽下激子吸收光谱。l表示 GaAs阱宽，T=2K。随阱宽的减少呈现台阶形的吸收谱，阱宽 为400nm时阶消失。
4.2 激子光谱
和体材料相比，量子阱的激子光谱有明显不同的特征： （1）在低温下量子阱的光谱中自由激子的吸收和荧光占主 导地位。 （2）按照简单的理论分析，轻重空穴各自形成独立的子带。 （3）激子的束缚能和玻尔半径将受阱宽Lz、电子和空穴势阱 的深度（∆Ec和∆Ev）的影响。 （4）室温下在量子阱吸收光谱中也能看到很强的激子吸收 峰。
半导体超晶格和量子阱
2010年11月28日
半导体超晶格和量子阱
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参考书: “半导体超晶格物理学” 夏建白等，上海科学出版社，1994 “半导体超晶格-材料与物理” 黄和鸾等, 辽宁大学出版社，1991 “半导体异质结物理” 虞丽生，科学出版社，2006
分子束外延技术(MBE)的原理及其制备先进材料的研究进展
分子束外延技术(MBE)的原理及其制备先进材料的研究进展分子束外延技术（MBE）的原理及其制备先进材料的研究进展XX（XXXX大学材料学院，西安710000）摘要：分子束外延(MBE)是50年代用真空蒸发技术制备半导体薄膜材料发展而来的,是为了满足在电子器件工艺中越来越高的要求.MBE是一个动力学过程，而不是一个热力学过程.与其它外延薄膜生长技术相比，MBE具有许多特点,如生长速率低、衬底温度较低等.在超薄层材料外延生长技术方面，MBE的问世使原子、分子数量级厚度的外延生长得以实现，开拓了能带工程这一新的半导体领域.半导体材料科学的发展对于半导体物理学和信息科学起着积极的推动作用.MBE是制备新型器件较为有用的方法，但是有其缺点.未来的发展趋势是结合其他生长技术不断改进MBE，如MBE与VPE并用、气态源分子束外延(GSMBE)、激光分子束外延（LaserMBE）等.关键词：分子束外延；薄膜；生长技术；半导体The principle of Molecular Beam Epitaxy (MBE) and the research progress in the preparation of advanced materialsXX(Department of Materials,XXX,Xian 710000) Abstract:Molecular Beam Epitaxy was developed for the preparation of semiconductor thin film materials by vacuum evaporation technique in the 50's，which aims to meet the requirements of the electronic devices in the process of higher and higher.MBE is a dynamic process, not a thermodynamic process.MBE has many characteristics when comparing with other epitaxial thin film growth techniques , such as low growth rate, low substrate temperature and so on. The advent of MBE let the thickness of order of magnitude of atomic, molecular of epitaxial growth be achieved in ultrathin layer epitaxial growth technique, that has opened up Band Engineering,a new field of semiconductors.The development of semiconductor materials science plays an active role in the development of semiconductor physics and information science.MBE is a more useful way to prepare new devices, but there are shortcomings.In the future,the development trend is to continuous improving MBE with the combination of other growth techniques, such as combining MBE with VPE,Gas Source Molecular Beam Epitaxy,Laser Molecular Beam Epitaxy etc.Key words: Molecular Beam Epitaxy;thin film;growth techniques;semiconductor1 前言分子束外延(MBE)是一项外延薄膜生长技术，在超高真空的条件下，通过把由热蒸发产生的原子或分子束射到被加热的清洁的衬底上而生成薄膜.这种技术的发展是为了满足在电子器件工艺中越来越高的要求，即对掺杂分布可以精确控制的趋薄层平面结构的要求.利用分子束外延技术，可以重复地生长厚度只有5埃米(Å)的超薄外延层，而且外延层之间的分界面可以精确地控制生长.分子束外延是50年代用真空蒸发技术制备半导体薄膜材料发展而来的.随着超高真空技术的发展而日趋完善，由于分子束外延技术的发展开拓了一系列崭新的超晶格器件，扩展了半导体科学的新领域，进一步说明了半导体材料的发展对半导体物理和半导体器件的影响.分子束外延的优点就是能够制备超薄层的半导体材料；外延材料表面形貌好，而且面积较大均匀性较好；可以制成不同掺杂剂或不同成份的多层结构；在生长室中的四极质谱仪和一个高能量电子衍射系统，在薄膜先长过程中对分子束流量、室中残余气体和表面晶体结构进行监视.在分析室清洁的超高真空环境中可选择利用化学分析电子光谱探测、俄歇电子探测、扫描俄歇电子探测、次级离子质谱测定法、紫外光谱测定法和电子二次退吸等技术对己制成的薄膜进行透彻的检定.如果选择一种微处理器进行控制可实现薄膜生长过程的自动化.反射高能电子衍射仪（Reflection High—Energe Electron Diffraction ，RHEED）是十分重要的设备.高能电子枪发射电子束以1~3°掠射到基片表面后，经表面晶格衍射在荧光屏上产生的衍射条纹可以直接反映薄膜的结晶性和表面形貌，衍射强度随表面的粗糙度发生变化，振荡反映了薄膜的层状外延生长和外延生长的单胞层数.在分子束外延中[1]，反射式高能电子衍射仪是最常用的原位分析和监控仪器，它是原位监测外延表面分子结构和粗糙度的有效手段.利用RHEED强度振荡，可以精确地计算出单原子层的生长时间，从而很好的控制生长速度.通过RHEED图像，对于原子级平整的表面，还可以确定晶体表面的重构情况.2.2MBE技术特点MBE是一个动力学过程，即将入射的中性粒子（原子或分子）一个一个地堆积在衬底上进行生长，而不是一个热力学过程，所以它可以生长按照普通热平衡生长方法难以生长的薄膜.分子束外延生长是在加热的衬底上进行，在生长过程中发生了下列表面动力学过程.第一步，构成薄膜的原子或者分子被沉积并吸附在衬底表面.第二步，吸附分子在表面迁移、分解.第三步，原子被融合到衬底或者外延层的晶格中.第四步，没有融入晶格的原子或者其它基团重新热脱附离开表面.与其它外延薄膜生长技术相比，MBE具有许多特点，系统总结如下.其一，生长速率低，大约1μm/h，相当于每秒生长一个单原子层，因此有利于实现精确控制厚度、结构与成分和形成陡峭异质结等，特别适于生长超晶格材料和外延薄膜材料.但是，极低的生长速率也限制了MBE的生产效率，同时考虑到昂贵的设备，使其无法进行大规模生产.其二，衬底温度较低，因此降低了界面上热膨胀引入的晶格失配效应和衬底杂质对外延层的自掺杂扩散影响.其三，受衬底材料的影响较大，要求外延材料与衬底材料的晶格结构和原子间距相互匹配，晶格失配率要≤7%.其四，能独立控制各蒸发源的蒸发和喷射速度，从而能制备合金薄膜.其五，MBE制膜并不以蒸发温度为控制参数，而以系统中的四极质谱仪、原子吸收光谱等现代仪器时时监测分子束的种类和强度，从而严格控制生长过程与生长速率.另一方面，复杂的设备也增大了生产成本.其六，在各加热炉和衬底之间分别插有单个的活门,可以精确控制薄膜的生长过程.通过对活门动作的适当安排, 可以使各射束分别在规定的时间间隔内通过或关断.最后，单个束源炉中必须使用高纯度原料.3 MBE工艺制备先进材料介绍在超薄层材料外延生长技术方面，MBE的问世使原子、分子数量级厚度的外延生长得以实现，开拓了能带工程这一新的半导体领域.半导体材料科学的发展对于半导体物理学和信息科学起着积极的推动作用.它是微电子技术，光电子技术，超导电子技术及真空电子技术的基础.3.1 MBE工艺制备GaNAs基超晶格太阳能电池理论计算表明[2]，对于GaInP/ GaAs/ Ge 三结电池来说，当在GaAs 电池与Ge 电池之间再增加一个带隙在1 eV左右的子电池将会进一步提高多结太阳能电池的效率.而且，随着电池结数的增加，结电池的短路电流密度相应减小，对材料质量的要求随之减弱.因此，尽管提升GaInAs 材料的质量很困难，但是由于四元合金Ga1-x In x N y As1 - y带隙可调控至1 eV 且能与GaAs 或Ge 衬底实现晶格匹配(当x≈3y)，仍然成为研究多结太阳能电池的热门材料.2011年4 月，美国solar junction 公司报道了在947 个太阳下，转换效率高达44% 的以1 eV 带隙GaInNAs为子电池的高效三结GaInP/GaAs/GaInNAs电池，为当时世界上效率最高的聚光光伏电池.接着该公司与英国IQE公司合作，在大尺寸衬底上制备的GaInNAs 基多结太阳电池转换效率可达44. 1%，前景非常可观.然而，众多研究发现，In和N 共存于GaInNAs 中会导致成分起伏和应变，并导致In团簇的产生以及与N元素有关的本征点缺陷等，这些问题的存在使得高质量的GaInNAs基电池很难得到.一种解决方法是利用In和N空间分离的GaNAs/ InGaAs超晶格或多量子阱替代四元合金GaInNAs材料，这就必须借助于MBE设备技术.北京科技大学的科研团队进行了如下实验：外延生长使用Veeco公司生产的Gen20A全固态MBE系统.GaN0. 03As0. 97/In0. 09 Ga0. 91 As超晶格的生长都是在半绝缘GaAs衬底的(001)面上进行的，Si和Be分别作为GaAs 的n 型和p 型掺杂源.生长之前，需在生长室内对GaAs 衬底进行高温( ~ 600 ℃)脱氧处理10 min；然后，将GaAs衬底温度从600 ℃降为580 ℃，生长300nm厚度的GaAs 缓冲层以获得更好的外延生长表面；最后，将生长温度降至480℃，进行GaNAs/InGaAs超晶格的生长和后续电池中10周期数的GaNAs/ InGaAs 超晶格有源区的生长.GaNAs/InGaAs超晶格中阱层和垒层厚度相同，总厚度为0. 2μm.在总厚度不变的条件下，周期厚度在6 ~30 nm之间变化.在RTP-1300退火炉中对样品进行了不同温度和时间的热处理，PL测量是由633 nm Ar+激光器作为激发源完成的.生长结束后，按照标准Ⅲ-Ⅴ太阳电池制备技术进行器件制备.正电极和背电极分别采用Ti/Pt/Au和AuGe/Ni/ Au金属做欧姆接触.电池面积为2. 5 mm×2.5 mm，没有镀减反膜，没有刻蚀GaAs接触层.外延材料的结构表征使用高分辨XRD测量，器件的电学测试由Keithkey2440 太阳模拟器(AM1. 5G)完成，电池的聚光特性利用连续太阳模拟器在1 ~110个太阳下进行测量.周期厚度为20nm时，所制备的超晶格电池的短路电流密度达到10.23mA/cm2，大大高于一些已报道的GaInNAs电池.3.2 MBE工艺制备高发光性能InN光通讯波段的高性能硅基光电子器件的制备不仅是光通信技术发展的需要[3]，也是实现硅基光电集成的需要.虽然硅材料的制备和应用技术已经非常成熟，但由于硅材料是间接带隙半导体，其发光效率较低，因此通过在硅衬底上异质外延高发光性能的Ⅲ-V族半导体材料的方法来获得所需的光性能是一个很好的选择.在所有氮化物半导体中，InN具有最高的饱和电子漂移速度、最小的电子有效质量及最高的电子迁移率，并且InN材料特性受温度的影响非常小，这些独特的优势使其在电子器件及光电子器件方面有巨大的应用潜力.自从2001~02年实验证明InN 室温下的禁带宽度约为0.6~0.7eV而不是以前认定的1.9eV以来[4]，InN的研究成为国际上氮化物研究的重要方向. 0.7eV左右的禁带宽度对应的发光波长刚好位于石英光纤的通讯窗口，使其特别适合于制备用于红外通信的高性能LEDs及LDs.因此，在Si衬底上外延制备高质量的InN 材料非常有利于其在光电集成技术中的应用.虽然硅基InN材料在性能和应用方面有种种优势，但是目前研究进展并不顺利.一方面，六方InN材料沿a轴方向与Si(111)衬底仍存在约8％的晶格失配，外延过程中会引入大量的缺陷；另一方面，InN材料具有较低的分解温度和较高的氮平衡蒸气压从而导致高质量的InN材料很难制备.利用MBE技术通过低温外延InN或高温外延AlN作为缓冲层是提高InN材料质量的有效途径.但是，在外延的初始阶段，Si衬底都不可避免地会与活性N原子反应生成无定形的Si x N y 材料，从而导致在Si衬底上外延的InN或AlN 材料质量下降.因此，在外延前对si衬底进行预处理以抑制Si x N y的形成非常必要.本文采用MBE方法在外延低温InN缓冲层前，通过在Si 衬底上沉积不同厚度的In插入层再进行InN材料的外延生长，研究了不同厚度的In插入层对InN晶体质量及光学特性的影响.为此，吉林大学的研究团队设计了如下实验方案：InN材料的外延采用德国CREATEC公司的RF-MBE系统进行(本底真空度为3 x108Pa).活性氮由5N高纯氮气经纯化器、射频离化后提供，铟束流采用束源炉加热6N高纯铟提供.在Si(111)衬底上外延制备了一组InN样品，编号为A、B、C、D.首先，分别使用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗衬底5 min.烘干后的衬底导入生长室中900℃热处理1 h，然后沉积厚度分别为0，0.1，0.5，l nm的In插入层，在400℃下生长30 nm厚的InN缓冲层，最后提高温度至475℃生长170 nm厚的InN外延层.对外延制备的InN样品分别采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、吸收光谱以及x射线光电子能谱(XPS)等进行测试分析.实验结论表明：样品C的c轴晶格常数为0.5702nm，与c的理论值(0.5703nm)最为接近，表明样品中应力得到了有效的释放；在没有In 插入层的样品中，Si衬底表面会与活性N原子反应形成无定形的Si x N y材料，从而降低后续外延InN材料的晶体质量.0.5nm厚的In插入层较为合适，能够有效地抑制衬底表面Si x N y 材料的形成；在Si衬底上预沉积合适厚度的In插入层有助于提高外延InN样品的晶体质量及光学特性.图3 制备InN样品的XRD谱3.3 MBE工艺制备拓扑绝缘体薄膜微器件近年来，拓扑绝缘体因其独特的电子结构和性质成为凝聚态物理研究的热点领域[5].三维拓扑绝缘体具有绝缘型的体能带和受时间反演对称性保护的金属型表面态，这种表面态在动量空间具有狄拉克型的色散关系，并且在狄拉克点之外的地方是自旋非简并的，这种独特的拓扑表面态有可能导致多种新奇的量子现象，如表面量子霍尔效应、激子凝聚现象、量子反常霍尔效应等.三维拓扑绝缘体己经在很多材料中被预言或发现，其中Bi2Se3家族的化合物(Bi2Se3，Bi2Te3和Sb2Te3)因为其简单的表面态结构、较大的体能隙、较易制备等优点成为目前研究最多的一类三维拓扑绝缘体材料.拓扑绝缘体很多独特的输运性质需要在微米尺度甚至亚微米尺度的结构中才能观测到.因此，必须将其加工成微器件.但是，传统的制备工艺一般需要对其进行紫外光刻或电子束刻蚀，这样就可能显著改变载流子浓度和迁移率，从而影响各种量子效应的观测.为了避免传统制备工艺的缺陷，中科院物理研究所的科研团队借助MBE设计了新工艺:将STO衬底利用紫外光预先刻蚀出一个具有Hall bar器件形状、高度为几十纳米的凸平台.用这些凸平台为模板，利用MBE直接生长出具有Hall bar形状的拓扑绝缘体（Bi x Sb1-x）2Te3薄膜.图4 MBE制备拓扑绝缘体原理示意图4 MBE工艺的发展趋势分子束外延法是制备新型器件较为有用的方法，但是有其缺点，例如V A族元素的交叉污染、蒸气压极低或极高的物质均难进行正常的分子束外延.于是人们结合其他生长技术不断改进MBE.MBE与VPE并用:就是在分子束外延时难挥发或易挥发的元素的分子源用化合物来代替.在淀积过程中有化学反应产生，此时生长速度可以大大增加.MBE与离子束并用:把某些分子离子化，则离子束可以加速和偏转，并可进行扫描，同时也可以增加吸着系数，有利于掺杂过程.气态源分子束外延(GSMBE):也称化学束外延(CBE），外延过程中能精确地控制气体，兼有MBE和MOCVD两项技术的优点.信息工程材料国家重点实验室的研究团队采用气态源分子束外延技术在InP(100)衬底上生长了InAsP/InGaAsP应变补偿量子阱为有源层和InP/InGaAsP分布布拉格反射镜(DBR)为上、下腔镜的垂直腔面发射激光器(VCSEL)结构.通过湿法刻蚀和聚酰亚胺隔离工艺制作出了1．3μmVCSEL，器件在室温下可连续单模激射，阈值电流约为4mA[6].LaserMBE（激光分子束外延）:是80年代末发展起来的一种新型固态薄膜沉积技术，我国也于90年代中期研制出了自己的L-MBE.它集普通脉冲激光沉积（Pulsed Laser Deposition，PLD）和传统分子束外延的优点于一体.激光光分子束外延基本过程是，将一束强脉冲紫外激光束聚焦，通过石英窗口进入生长室入射到靶上，使靶面局部瞬间加热蒸发，随之产生含有靶材成份的等离子体羽辉，羽辉中的物质到达与靶相对的衬底表面淀积成膜，并以原子层或原胞层的精度实时控制膜层外延生长.交替改换靶材，重复上述过程，则可在同一衬底上周期性的淀积多膜层或超晶格.中科院物理研究所和北京凝聚态物理国家实验室采用激光分子束外延技术[7]，成功地在Si衬底上外延生长TiN薄膜，XRD，AFM 和霍尔效应测量结果均表明，我们在Si衬底上外延生长出高质量的TiN薄膜.进一步在TiN/Si 衬底上外延生长SrTiO，薄膜，证明在Si上外延的TiN薄膜不仅具有很好的热稳定性，而且可以作为缓冲层或底电极外延生长其他的薄膜材料及多层结构.参考文献:[1] 罗子江，周勋，杨再荣，等.InGaAs/GaAs异质薄膜的MBE生长研究[J].功能材料，2011年第5期（42）卷：846~849.[2] 郑新和，夏宇，王瑾，等.GaNAs基超晶格太阳电池的分子束外延生长与器件特性[N].发光学报，2015年8月（Vol.36 No.8）.[3] 蔡旭浦，李万程，高福斌，等.In插入层对硅衬底外延InN晶体质量和光学特性的影响[N].发光学报，2014年1月（Vol.35 No.1）.[4] 王新强，刘世韬，郑显通，等.高电子迁移率InN的分子束外延生长及其掺杂研究[A].第17届全国化合物半导体、微波器件和光电器件学术会议论文集[C].开封：2012.[5] 韦庞，李康，冯硝，等.在预刻蚀的衬底上通过分子束外延直接生长出拓扑绝缘体薄膜的微器件[N].Acta Phys Sinica，Vo1.63，No.2(2014).[6] 刘成，吴惠桢，劳燕锋，等.气态源分子束外延1.3μmVCSEL器件结构[N].功能材料与器件学报，2005年6月（Vol.11 No.2）.[7] 何萌，刘国珍，仇杰，等.用激光分子束外延在Si衬底上外延生长高质量的TiN薄膜[N]. Acta Phys Sinica，Vo1.57，No.2(2008).。
雪崩光电探测器
雪崩光电探测器雪崩光电探测器光电探测器是将光信号转变为电信号的器件，雪崩光电探测器采用的即是雪崩光电二极管(APD)，能够具有更大的响应度。
APD将主要应用于长距离或接收光功率受到其它限制而较小的光纤通信系统。
目前很多光器件专家对APD的前景十分看好，认为APD的研究对于增强相关领域的国际竞争力，是十分必要的。
雪崩光电探测器的材料1)SiSi材料技术是一种成熟技术，广泛应用于微电子领域，但并不适合制备目前光通信领域普遍接受的1.31mm,1.55mm波长范围的器件。
2)GeGe APD虽然光谱响应适合光纤传输低损耗、低色散的要求，但在制备工艺中存在很大的困难。
而且，Ge的电子和空穴的离化率比率（）接近1，因此很难制备出高性能的APD器件。
3)In0.53Ga0.47As/InP选择In0.53Ga0.47As作为APD的光吸收层，InP作为倍增层，是一种比较有效的方法[2]。
In0.53Ga0.47As材料的吸收峰值在1.65mm, 在1.31mm,1.55mm 波长有约为104cm-1高吸收系数，是目前光探测器吸收层首选材料。
In0.53Ga0.47As光电二极管比起Ge光电二极管，有如下优点：（1）In0.53Ga0.47As是直接带隙半导体，吸收系数高；（2）In0.53Ga0.47As介电常数比Ge小，要得到与Ge光电二极管相同的量子效率和电容，可以减少In0.53Ga0.47As耗尽层的厚度，因此可以预期In0.53Ga0.47As/InP光二极管具有高的效应和响应；（3）电子和空穴的离化率比率（）不是1，也就是说In0.53Ga0.47As/InP APD噪声较低；（4）In0.53Ga0.47As与InP晶格完全匹配，用MOCVD方法在InP 衬底上可以生长出高质量的In0.53Ga0.47As外延层，可以显着的降低通过p-n结的暗电流。
（5）In0.53Ga0.47As/InP异质结构外延技术，很容易在吸收区生长较高带隙的窗口层，由此可以消除表面复合对量子效率的影响。