量子阱和超晶格精选课件
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周期性。
当取垂直衬底表面方向(垂直方向)为Z轴，超晶格中的电子沿 z方向运动将受到超晶格附加的周期势场的影响，而其xy平面 内的运动不受影响。导带中电子的能量可表示为:
E = E (kz) + ħ2/2m (kx2+ky2)
在xy平面内电子的动能是连续的，
z方向附加周期势场使电子的能
A
量分裂为一系列子能带。
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12
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13
Hale Waihona Puke Baidu
（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。
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。
EcA
E2
EgA EgB EcB
E1
EvB EvA
多量子阱能带图
∆Ec ∆Ev
精选ppt
E2 E1
超晶格能带图
6
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。
• 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
量子阱和超晶格
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2015年11月28日
1
半导体超晶格和量子阱
§1 引言 §2 超晶格和量子阱的一般描述 §3 超晶格量子阱中的新现象 §4 超晶格量子阱的光学性质 §6 超晶格和量子阱器件
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
可做出比一般Si器件更高速工作的电子器件。
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16
（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。
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14
（2）掺杂调制超晶格
利用电离杂质中心产生的静电势在晶体中形成周期性变化
的势，例如n-i-n-i结构超晶格。
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15
（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，
GaAlAs/GaAs和InGaAsP/InP都属于这一种。
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9
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。
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2
§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。
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10
ⅡB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。
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11
Ⅲ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。
B
不连续点的kz值满足:
kz =±n/D，D为超晶格周期精。选ppt
5
超晶格多量子阱能带结构示意图
多量子阱和超晶格的本质差别在于势垒的宽度：当势垒 很宽时电子不能从一个量子阱隧穿到相邻的量子阱，即 量子阱之间没有相互耦合，此为多量子阱的情况；当势 垒足够薄使得电子能从一个量子阱隧穿到相邻的量子阱， 即量子阱相互耦合，此为超晶格的情况。
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7
（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。
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8
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。
性能的新型器件被研究和开发。
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3
• 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
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)
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4
§2 超晶格和量子阱的一般描述
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
当取垂直衬底表面方向(垂直方向)为Z轴，超晶格中的电子沿 z方向运动将受到超晶格附加的周期势场的影响，而其xy平面 内的运动不受影响。导带中电子的能量可表示为:
E = E (kz) + ħ2/2m (kx2+ky2)
在xy平面内电子的动能是连续的，
z方向附加周期势场使电子的能
A
量分裂为一系列子能带。
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13
Hale Waihona Puke Baidu
（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。
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。
EcA
E2
EgA EgB EcB
E1
EvB EvA
多量子阱能带图
∆Ec ∆Ev
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E2 E1
超晶格能带图
6
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。
• 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
量子阱和超晶格
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2015年11月28日
1
半导体超晶格和量子阱
§1 引言 §2 超晶格和量子阱的一般描述 §3 超晶格量子阱中的新现象 §4 超晶格量子阱的光学性质 §6 超晶格和量子阱器件
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
可做出比一般Si器件更高速工作的电子器件。
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16
（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。
精选ppt
14
（2）掺杂调制超晶格
利用电离杂质中心产生的静电势在晶体中形成周期性变化
的势，例如n-i-n-i结构超晶格。
精选ppt
15
（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，
GaAlAs/GaAs和InGaAsP/InP都属于这一种。
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9
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。
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2
§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。
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10
ⅡB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。
精选ppt
11
Ⅲ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。
B
不连续点的kz值满足:
kz =±n/D，D为超晶格周期精。选ppt
5
超晶格多量子阱能带结构示意图
多量子阱和超晶格的本质差别在于势垒的宽度：当势垒 很宽时电子不能从一个量子阱隧穿到相邻的量子阱，即 量子阱之间没有相互耦合，此为多量子阱的情况；当势 垒足够薄使得电子能从一个量子阱隧穿到相邻的量子阱， 即量子阱相互耦合，此为超晶格的情况。
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7
（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。
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8
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。
性能的新型器件被研究和开发。
精选ppt
3
• 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
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)
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§2 超晶格和量子阱的一般描述
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