8.3 异质结量子阱及超晶格结构

第八讲
8.3半导体异质结量子阱及超晶格结构
量子阱：能够对电子（空穴）的运动产生某种约束，使其能量量子化的势场。

如量子力学中的一维方势阱、有限势阱。

量子阱中的电子在垂直异质结界面方向上其能量是量子化的，而在与异质结界面平行的二维平面内作自由电子运动。

因此，把量子阱中的电子称为二维电子气（2DEG）。

（a）双异质结单量子阱
（a）
i-GaAs n-Al X Ga3-X As
2--DEG
E2
E F
E1
△E C
（b）调制掺杂异质结界面量子阱
E GA E GB
（一）双异质结间的单量子阱结构
双异质结结构： Al
x Ga
1-x
As/GaAs /Al
x
Ga
1-x
As，要求GaAs层足够薄。

1、导带量子阱中的电子能态
设势阱的宽度为l ，取垂直于界面的方向为z 轴，势阱中间点为原点，求解薛定谔方程，可得到如下结论：
（一）双异质结间的单量子阱结构
（1）势阱中电子沿 z 轴方向运动受限，在平行于结面的运动是自由的，形成了二维电子气；
（2）势阱中电子态的能值分裂为一些分立能级E1，E2…，E i…，对应于电子的束缚态，如图3所示；
图3 双异质结单量子阱中的能级分布
（3）E z<ΔE c 时，电子的波函数在势阱内为 z 的正弦或余弦函数,如图 4 所示；（4）不管 ΔE c 值的大小，至少有一个解存在；
（5）势阱深度 ΔE c 越大，阱内的束缚态越多；
（6）势阱中的状态密度变为台阶状分布，如图 5 所示。

图 4 束缚态能级与波函数图 5 电子态密度分布
2、价带量子阱中的空穴能态
在Al x Ga1-x As/GaAs/Al x Ga1-x As 双异质结量子阱中，空穴处于价带量子阱中，也在与结面平行的面内形成二维空穴气。

势阱中空穴态的能值分裂为一些分立能级，形成空穴的束缚态能级。

由于轻、重空穴有效质量的不同，形成轻重空穴能级混合交叉的分立束缚态能级。

如图 6 所示。

（二）调制掺杂异质结界面量子阱
1、调制掺杂异质结的能带结构：
图7 异质结界面处的能带及势阱
n +-AlGaAs 与本征GaAs 构成异质结时，电子将从n +-AlGaAs 注入到本征GaAs 中，平衡时结两边具有统一的费米能级，在异质结界面处GaAs 一侧形成了一个三角形的势阱。

施主二维电子气n +-Al x Ga 3-x As
E F GaAs
z
V (z )
（a ）异质结界面处能带图 （b ）势阱区电子势能函数
图8 异质结2DEG的电子态密度与能量的关系 2、调制掺杂异质结势阱中的电子能态
0D (E )V (z )
E
E 1E 1
E 2
E 2E 3
E 30z （b ）D (E )与能量关系
（a ）E i 在势阱中的位置示意图
3、调制掺杂异质结构中2DEG的高迁移率特性
（1）调制掺杂结构特点
在调制掺杂结构中，重掺杂的n 型AlGaAs 是电子的
供给区，而不掺杂的GaAs 则是电子的输运区，电子和散
射中心在空间上的分离，如图9所示，使得注入到GaAs
中的电子迁移率大大提高。

（2）应用
调制掺杂异质结构的高电子迁移率特
性已在半导体微波和毫米波器件中得到应
用，其典型代表就是HEMT 器件，其结构
如图10所示。

施主二维电子气n +-Al X Ga 3-X As
E F GaAs 图9 调制掺杂异质结构示意
二、多量子阱与超晶格
1、多量子阱和超晶格的能带结构
两种不同的半导体薄层周期性地重叠，若窄带材料（势阱）的厚度很小，可以和电子的德布罗意波长相比，而宽带材料（势垒）的厚度较大，称这种结构为多量子阱结构。

如图11b所示。

两种禁带宽度不同或掺杂类型不同的超薄层周期性地重叠，每层材料（势阱和势垒）的厚度都很薄，都可以和电子的德布罗意波长相比，称这种结构为超晶格结构。

如图11c所示。

(c)超晶格
(b)多量子阱
(a)单量子阱
二、多量子阱与超晶格
2、多量子阱和超晶格中电子的波函数 图12 多量子阱和超晶格结构的波函数 （b）超晶格
波函数不交迭，无相互作用，与单量
子阱相同（a）多量子阱分立的子带能级波函数交迭，量子阱 相互作用（a ）量子阱（b ）多量子阱
（c ）超晶格
1、Ⅰ型超晶格
三、超晶格的分类
GaAs/Al x Ga 1-x As 超晶格就属于 I 型超晶格，窄带GaAs 的导带底和价带顶均位于宽带Al x Ga 1-x As 的禁带中。

这种结构的电子势阱和空穴势阱都位于窄带GaAs 中。

如图13所示。

图13 组分超晶格结构的能带图
半导体超晶格分为组分超晶格和掺杂超晶格两大类。

组分超晶格又分为 I 型超晶格、 Ⅱ型超晶格和 Ⅱ型交错超晶格。

2、Ⅱ
型超晶格
In 1-x Ga x As/GaSb 1-y As y 就属于Ⅱ型超晶格，其特点是In 1-x Ga x As 材料的导带底和价带顶均分别低于GaSb 1-y As y 材料的导带底和价带顶。

电子势阱位于In 1-x Ga x As 材料中，而空穴势阱则位于GaSb 1-y As y 材料中，电子与空穴在空间上是分离的。

如图14所示。

三、超晶格的分类
InAs/GaSb 属于Ⅱ型交错超晶格，电子势阱和空穴势阱不在同一种材料中，但InAs 的导带底与GaSb 的价带顶有一部分重叠，电子在不重叠的部分仍像Ⅱ型超晶格那样形成能带，而在重叠部分则可以自由通行。

3、Ⅱ型交错超晶格
三、超晶格的分类
E c2
E c1
E v2E v1
4、掺杂超晶格
由同一种材料交替生长 n 型层、i 层和 p 型层形成的 n-i-p-i
周期性的结构称为掺杂超晶格。

其结构如图16所示。

掺杂超晶格的能带调制是由掺杂造成的空间电荷的周期性调
制引起，所以，通过改变掺杂的程度和各层的厚度，可以调节超
晶格的能带结构和其它性质。

掺杂超晶格中电子和空穴分别处于空间位置不同的势阱中，
过剩载流子的寿命将较长。

掺杂超晶格是由同一种材料形成的，不包含任何界面。

三、
超晶格的分类
图16 掺杂超晶格的能带图
四、量子阱与超晶格器件应用
1、调制掺杂器件：高电子迁移率晶体管（HEMT）、磁阻振荡器、量子霍尔器件等；
2、量子阱器件：量子阱激光器、共振隧穿二极管、双势垒共振隧穿晶体管等；
3、超晶格结构：光学双稳态器件、超晶格光电接收器、超晶格红外级联激光器、超晶格布洛赫振荡器等。

谢谢 !。