2015第12课-第10章半导体超晶格和多量子阱.

问题？什么是超晶格超晶格与多量子阱的区别与联系。超晶格的种类应变层超晶格负阻效应搀杂超晶格第10章半导体超晶格和多量子阱10.1引言（10.1.1）超晶格概念（10.1.2）超晶格结构的定义（10.1.3）超晶格的种类10.2超晶格的能带10.3应变层超晶格10.4负阻效应10.6搀杂超晶格10.7超晶格的评价1969年，江崎玲放奈(LEsaki)和朱兆样在固体能带理论基础上，设想将两种不同组分或不同掺杂的半导体超薄层(每层厚等于或小于10nm)交替叠合生长在衬底上，使沿生长方向形成附加的人造晶格周期性，由于这个周期比天然材料的晶格常数大许多倍，所以称为超晶格。与此同时，分子束外延技术也在美国贝尔实验室和IBM公司开发成功．新思想和新技术的巧妙结合，制成了第一类晶格匹配的组分型AlxGa1-xAs/GaAs超晶格，标志着半导体材料的发展开始进入人工设计的新时代．（10.1.1）超晶格概念10.1引言超晶格概念的提出，在物理学上有两大突破：1把量子物理的的研究范围拓展到更大的尺寸。70年代发现的超晶格量子阱是在介质周期性薄层（10nm)内出现量子化的电子运动规律。为后来的光电子技术发展提供了新的物理基础。2第一次设计晶体结构并制造周期性晶体。10.1.2超晶格结构的定义由周期性交替生长的两种不同半导体材料A、B构成，整个结构保持晶格的连续性。由于两种材料的导带边和价带边的能量不同，在两种材料的交界处带边出现不连续。abGaAsAlAs周期d＝a＋bz生长方向人工晶格a、b通常为晶格常数的2－20倍超晶格与多量子阱分立的子带能级波函数不交迭，无相互作用，与单量子阱相同波函数交迭，量子阱相互作用超晶格势垒区薄的多量子阱构成超晶格的两种材料有不同的禁带宽度，按它们的能带差异分为I型超晶格Ⅱ型超晶格。一组分超晶格半导体超晶格主要分为组分超晶格和掺杂超晶格两大类。10.1.3超晶格的种类TypeI如GaAs/AlxGa1-xAs超晶格就属于I型超晶格，窄带组分(GaAs，带宽Egl)的导带底和价带顶均位于宽带组分(AlxGa1-xAs，Eg2)的禁带中。这种结构的电子势阱和空穴势阱都位于窄带材料中。GaxIn1-xAs/GaAsxSb1-x属于Ⅱ型超晶格，结构中形成的电子势阱和空穴势阱不在同一种材料中，因而电子和空穴在空间上是分离的。TypeII二掺杂超晶格掺杂超晶格是在同一块半导体用交替改变掺杂类型的方法而构成的半导体超晶格。可以把掺杂超晶格看成是大量pn结的重复，其周期比空间电荷区的宽度小得多，因而全部pn结都是耗尽的，并且p型区和n型区内的总电荷数要达到平衡。和组分超晶格不同，它的能带弯曲是由势能引起的，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。超晶格的能带结构载流子沿薄层生长方向z的连续能带会分裂成一系列子带。这些能带可以通过选择不同的半导体材料、不同的材料厚度a和b，而人为地改变。人造材料能带工程其中载流子的运动在平行于界面的平面内不受影响在垂直于界面的平面内受材料晶格周期势的影响受沿z向的人工附加周期势的影响10.2超晶格的能带能带的宽度记作E，数量级为E～eV。若N-1023,则能带中两能级的间距约10-23eV。晶体能带的形成xv1晶体的势能曲线N个原子有规则的沿x轴方向排列。孤立原子的势场是：V(x)对于周期性的晶格结构V(x)vo-b0a2220[]()()2*00()0{zzVzEzmzcVzVbz在阱中：简化周期势场klbakababcos)(coscos)(cossin)(sin222022*2()zzmEVEhh222m*=()cosHEkl-l+1H(E)E允许带禁带ABCDEFGH-π/1E（k）0π/1k}允带}允带}允带自由电子无限深势阱时22()10.1)wnLmEh（对于超晶格周期势2220[]()()10.2)2*00()0(10.3){zzVzEzmzcVzVbz（在阱中：h121212121212121-b0a222sinhsincoshcoscos(10.4)()cos(10.5)zzbcbckzlFEkl022*2()zzmEVEhh222m*=l=b+c波函数交迭，相互作用后，势阱中分立的能级展宽成能带（微带）|cosKl|1„energybands“-subbandstructureinsidethe„ordinary“bands超晶格微带的形成a4anlkz()na正常晶体z方向由决定的布里渊区，被分割为由()nl所决定的超晶格材料的许多微小的布里渊区布里渊区折叠设晶体的晶格常数为a,m=l/a,布里渊区缩小为体材料的1/m,原来的体材料的能带分成m个子能带。处间断10.3应变层超晶格应变的概念实验发现，只要失配度不是很大，超晶格每层的厚度不是很大，则两种材料会发生弹性形变。以在平行方向上达到一统一的平衡晶格常数a//,并仍保持晶体良好的结构性质。这种超晶格称为应变层超晶格。1应变层超晶格概念1112221122//(10.6)aGhaGhGhGha式中，ai，Gi，hi分别为原材料的晶格常数、刚性系数、薄层厚度；f为晶格失配度，由f值的正、负可知应变超晶格属于压缩应变和伸张应变超晶格。应变对能带产生的两个效应（1）体积变化引起价带和导带的整体移动。（2）重轻空穴带发生分裂。2应变层超晶格的临界厚度力学平衡模型(10.7)能量平衡模型（10.8)3应变超晶格（量子阱）应用10.4负阻效应电子可能到达布里渊区边界，而此处能带有极大值，电子在极大值附近的有效质量为负，出现电子漂移速度随电场E的进一步增加而下降的现象。21212(10.9)(10.10)()(10.11)zzzEzkzdkzdtEdVzdtdkVeFeFhhh电子在没有电场加速是聚集在kz=0,如果没有散射，电场将电子加速到小布里渊区边/d处时是负的。相当于实空间的加速方向与电场反方向，此时将出现负阻。实际上，电子将散射回到kz=0处。设平均的散射时间为t,只有当电场足够强，在t时间内已经把kz=0加速到kz=/d2122()zzEdk(10.12)deFh11adeffggo,0,0EE-V(10.15)CvEEADDANNN,ddd22o0V(4q/)Nd/4(10.13)10.5掺杂超晶格由搀杂周期性变化的同一种材料形成的。周期性交替的p型和n型搀杂。使势垒出现空间调制。假设搀杂相等且厚度相等。势阱深度V0为：垂直于层的方向上电子的子带能量近似为12*12(42/)()(10.14)eEnhNqmnV0Eg,0CE,0vE掺杂超晶格的特点1任何半导体材料都可以作为搀杂超晶个的基材。2无明显异质界面，晶体结构的完整性好。3有效带隙可调。掺杂超晶格的优点：10.6超晶格的评价XRD测量•SPSLsweregrownbyGSMBEwithammoniaon0001sapphiresubstrates.•Thetypicalstructureconsistsof40nmthickbufferlayerofAlN,•followedbya100nmthickAl0.4Ga0.6Nlayer•andtheSPSLcontaining400pairsofAlN/AlxGa1−xN0.07x0.9.TEM测量