半导体异质结

异质结异质结半导体异质结构一般是由两层以上不同材料所组成，它们各具不同的能带隙。这些材料可以是GaAs之类的化合物，也可以是Si-Ge之类的半导体合金。按异质结中两种材料导带和价带的对准情况可以把异质结分为Ⅰ型异质结和Ⅱ型异质结两种，两种异质结的能带结构如图1所示。如图1(a)所示，I型异质结的能带结构是嵌套式对准的,窄带材料的导带底和价带顶都位于宽带材料的禁带中，ΔEc和ΔEv的符号相反，GaAlAs/GaAs和InGaAsP/InP都属于这一种。在Ⅱ型异质结中，ΔEc和ΔEv的符号相同。具体又可以分为两种:一种如图1(b)所示的交错式对准，窄带材料的导带底位于宽带材料的禁带中，窄带材料的价带顶位于宽带材料的价带中。另一种如图1(c)所示窄带材料的导带底和价带顶都位于宽带材料的价带中［14］。Ⅱ型异质结的基本特性是在交界面附近电子和空穴空间的分隔和在自洽量子阱中的局域化。由于在界面附近波函数的交叠，导致光学矩阵元的减少，从而使辐射寿命加长，激子束缚能减少。由于光强和外加电场会强烈影响Ⅱ型异质结的特性，使得与Ⅰ型异质结相比，Ⅱ型异质结表现出不寻常的载流子的动力学和复合特性，从而影响其电学、光学和光电特性及其器件的参数。在Ⅰ型异质结中能级的偏差量具有不同的符号，电子和空穴是在界面的同一侧（窄带材料一侧）由受热离化而产生的。这种情况下只有一种载流子被束缚在量子阱中（n-N结构中的电子，p-P结构中的空穴）。Ⅱ型异质结能级的偏差量具有相同的符号，电子和空穴是在界面的不同侧由受热离化而产生的。两种载流子被束缚在自洽的量子阱中，因此在Ⅰ型异质结中载流子复合发生在窄带材料一侧，Ⅱ型异质结中载流子复合主要是借助界面的隧道而不是窄带材料一侧。不同半导体的能隙宽度可根据使用的要求做适当调整，办法可以是取代半导体元素(例如，用In或者Al代替Ga，用P、Sb或N代替As)，也可以通过改变合金的成分。有多种方法可用于形成不同半导体层之间的突变界面，例如分子束外延法(MBE)和金属有机化学沉积法(MOCVD)。运用这些方法在基片上会有一层一层的原子以适当的晶格常数向外生长。异质结构对科学有重大影响，是高频晶体管和光电子器件的关键成分。比起普通的晶体管来，异质结晶体管的基极是由能带隙更小的半导体层构成，这就大大降低了电子的能量壁垒，从而大大增加了电子电流。同时空穴电流保持不变，于是放大倍数就大为增加。要减小放大倍数，只需令基极的掺杂量提高，并让基极更薄，就可以大大降低基极电阻，从而降低RC时间常数，于是就得到了快速晶体管。半导体异质结构的基本特性所谓半导体异质结构，就是将不同材料的半导体薄膜，依先后次序沈积在同一基座上。例如图2所描述的就是利用半导体异质结构所作成的雷射之基本架构。半导体异质结构的基本特性有以下几个方面。(1)量子效应：因中间层的能阶较低，电子很容易掉落下来被局限在中间层，而中间层可以只有几十埃（1埃＝10-10米）的厚度，因此在如此小的空间内，电子的特性会受到量子效应的影响而改变。例如：能阶量子化、基态能量增加、能态密度改变等，其中能态密度与能阶位置，是决定电子特性很重要的因素。(2)迁移率(Mobility)变大：半导体的自由电子主要是由于外加杂质的贡献，因此在一般的半导体材料中，自由电子会受到杂质的碰撞而减低其行动能力。然而在异质结构中，可将杂质加在两边的夹层中，该杂质所贡献的电子会掉到中间层，因其有较低的能量（如图3所示）。因此在空间上，电子与杂质是分开的，所以电子的行动就不会因杂质的碰撞而受到限制，因此其迁移率就可以大大增加，这是高速组件的基本要素。(3)奇异的二度空间特性：因为电子被局限在中间层内，其沿夹层的方向是不能自由运动的，因此该电子只剩下二个自由度的空间，半导体异质结构因而提供了一个非常好的物理系统可用于研究低维度的物理特性。低维度的电子特性相当不同于三维者，如电子束缚能的增加、电子与电洞复合率变大，量子霍尔效应，分数霍尔效应等。科学家利用低维度的特性，已经已作出各式各样的组件，其中就包含有光纤通讯中的高速光电组件，而量子与分数霍尔效应分别获得诺贝尔物理奖。(4)人造材料工程学：半导体异质结构之中间层或是两旁的夹层，可因需要不同而改变。例如以砷化镓来说，镓可以被铝或铟取代，而砷可以用磷、锑、或氮取代，所设计出来的材料特性因而变化多端，因此有人造材料工程学的名词出现。最近科学家将锰原子取代镓，而发现具有铁磁性的现象，引起很大的重视，因为日后的半导体组件，有可能因此而利用电子自旋的特性。此外，在半导体异质结构中，如果邻近两层的原子间距不相同，原子的排列会被迫与下层相同，那么原子间就会有应力存在，该应力会改变电子的能带结构与行为。现在该应力的大小已可由长晶技术控制，因此科学家又多了一个可调变半导体材料的因素，产生更多新颖的组件，例如硅锗异质结构高速晶体管。半导体异质结构的应用(1)发光组件(lightemittingdevices,LED)：因为半导体异质结构能将电子与电洞局限在中间层内，电子与电洞的复合率因而增加，所以发光的效率较大；同时改变量子井的宽度亦可以控制发光的频率，所以现今的半导体发光组件，大都是由异质结构所组成的。半导体异质结构发光组件，相较其它发光组件，具有高效率、省电、耐用等优点，因此广泛应用于剎车灯、交通号志灯、户外展示灯等。值得一提的是在1993年，日本的科学家研发出蓝色光的半导体组件，使得光的三原色红、绿、蓝，皆可用半导体制作，因此各种颜色都可用半导体发光组件得到，难怪大家预测家庭用的灯炮、日光灯，即将被半导体发光组件所取代。(2)雷射二极管：半导体雷射二极管的基本构造，与上述的发光组件极为类似，只不过是雷射二极管必须考虑到受激发光(stimulatedemission)与共振的条件。使用半导体异质结构，因电子与电洞很容易掉到中间层，因此载子数目反转(populationinversion)较易达成，这是具有受激发光的必要条件，而且电子与电洞因被局限在中间层内，其结合率较大。此外，两旁夹层的折射率与中间层不同，因而可以将光局限在中间层，致使光不会流失，而增加雷射强度，是故利异质结构制作雷射，有很大的优点。第一个室温且连续发射的半导体异质结构雷射，是在1970年由阿法洛夫领导的研究群所制作出来的，而克拉姆则在1963年发展了有关半导体异质结构雷射的原理。半导体雷射二极管的应用范围亦相当广泛，如雷射唱盘（如图4所示），高速光纤通讯、激光打印机、雷射笔等。(3)异质结构双极晶体管：(heterojunctionbipolartransistor,HBT)在半导体异质结构中，中间层有较低的能带，因此电子很容易就由旁边的夹层注入，是故在晶体管中由射极经过基极到集极的电流，就可以大为提高，晶体管的放大倍率也为之增加；同时基极的厚度可以减小，其掺杂浓度可以增加，因而反应速率变大，所以异质结构得以制作快速晶体管。利用半导体异质结构作成晶体管的建议与其特性分析，是由克接拉姆在1957提出的。半导体异质结构双极晶体管因具有快速、高放大倍率的优点，因而广泛应用于人造卫星通讯或是行动电话等。(4)高速电子迁移率晶体管(highelectronmobilitytransistor,HEMT)高速电子迁移率晶体管，就是利用半导体异质结构中杂质与电子在空间能被分隔的优点，因此电子得以有很高的迁移率。在此结构中，改变闸极(gate)的电压，就可以控制由源极(source)到泄极(drain)的电流，而达到放大的目的。因该组件具有很高的向应频率(600GHz)且低噪声的优点，因此广泛应用于无限与太空通讯（如图5所示），以及天文观测。(5)其它应用：半导体异质结构除了用于上述组件外，亦大量使用于其它光电组件，如光侦测器、太阳电池、标准电阻或是光电调制器等。又因为长晶技术的进展，单层原子厚度的薄膜已能控制，因此半导体异质结构提供了高质量的低维度系统，让科学家能满足探求低维度现象的要求。除了在二度空间观测到量子与分数量子霍尔效应外，科学家已进一步在探求异质结构中的一维与零维的电子行为，预期将来还会陆续有新奇的现象被发掘，也会有更多新颖的异质结构组件出现。