半导体超晶格有什么基本性质?哪位牛人可以给我解答

Question

半导体超晶格有什么基本性质?哪位牛人可以给我解答

Answer 1

由两种或两种以上组分不同,或导电类型不同的纳米级超薄层(层厚10-1～10nm)材料交替地外延生长在一起所形成的多周期结构,具有这种结构的材料是一类人工改性的新的半导体材料.
简史 超晶格的概念是美国国际商用机器(IBM)公司的江崎、朱兆祥在1969年提出的.他们认为,由于超品格的周期远大于原晶体的晶格常数,但又小于电子的德布洛依波长晶体中电子的运动受到超晶格周期势场的扰动,其运动状态会发生很大变化.半导体超晶格具有许多“天然晶体”所没有的新异的物理特性.理论上预计,原晶体的布里渊区会分裂为许多小区,相应的能带也会分裂为许多子能带,在外场作用下,电子易达到小布区边界而会呈现出负阻效应和高频振荡效应(布洛赫振荡)等.1971年美国贝尔(Bell)实验室的卓以和用分子束外延(MBE)方法生长出了第一个GaAs／AlGaAs半导体超晶格材料,1972年美国IBM公司的张立刚观测到分子束外延(MBE)GaAs／Al—GaAs超晶格的负阻效应,证实了理论预计.从此,半导体超晶格的研究引起了人们极大的兴趣和日益广泛的研究.20多年来,研究成的半导体超晶格已达数十种,涉及到Ⅲ-V、Ⅱ-Ⅵ、Ⅳ-Ⅵ族化合物、Ⅳ族元素半导体、非晶态半导体、金属、铁磁体、超导体和有机物等多种半导体超晶格体系,并用以研制成功一系列性能优越的新型半导体器件,开拓了一代新的半导体科学技术.同时,由于它在物理上提供了一个极好的能在实验上观测量子尺寸效应的理想模型,发展了“低维物理”这一凝聚态物理的前沿研究领域.
分类 半导体超晶格按其所含的组分数目可分为只含一种组分的掺杂超晶格,如n型、p型掺杂交替的GaAs材料；含两种组分的掺杂超晶格,如GaAs／AIGaAs和含两种组分以上组分的复合型超晶格,如InAs,／GaSb／AlSb.根据异质结界面处能带结构的不连续性,可分为I型超晶格(如GaAs／AlGaAs、InP／InGaAs(P))、Ⅱ型超晶格(如InAs／GaSb)和Ⅲ型超晶格(如HgTe／CdTe)三种.根据半导体晶格之间的晶格匹配情况,可以分为晶格匹配的超晶格和晶格失配的应变层超晶格(如.In(hAs／GaAs).超晶格还在向每层厚度仅几个原子层和低维度方向发展,因此还有所谓的短周期超晶格和一维超晶格、零维超晶格等新型结构.此外,还有将不同特征的超晶格组合在一起、具有更为复杂能带结构的混合型超晶格.
特点 GaAs／AlGaAs超晶格是研究得最早、应用最广、最有代表性的I型组分超晶格,其能带结构如图ɑ所示.当AlGaAs势垒层厚度增大到相邻GaAs阱中的电子态没有相互作用时,即电子和空穴都局限在单个势阱中运动,则多量子阱结构如图b所示.
掺杂超晶格的优点是不存在易产生缺陷的半导体异质结界面.应变超晶格不仅大大扩展了可用作超晶格的材料范围,并且其能带结构和物理性能随应力(可通过改变厚度和组分调节)变化.短周期超晶格可具有与其普通超晶格完全不同的物理特性.一维、零维超晶格中载流子运动维度的降低,使半导体材料的光、电性能更为优越.
制备 制备超晶格的主要超薄层半导体材料生长技术有分子束外延(MBE)、金属有机物化学气相淀积(MOCVD)和综合了MBE和MOCVD优点的化学束外延(CBE),为了获得原子级平整的异质结界面和原子层厚度的外延层,发展了原子层外延和迁移增强外延等方法.生长了Ⅲ-V族、Ⅱ-Ⅳ族、Ⅱ-Ⅵ族、Ⅳ-Ⅵ族和非晶态等多种半导体材料体系的超晶格和量子阱等微结构半导体材料,此外,还有利用磁性金属材料组合成磁性超晶格.
半导体超晶格材料所具有的一系列优异的物理特性,已被广泛用于发展各种新颖结构的半导体器件,特别是在高效率、低功耗的光电子器件和超高频、超高速器件两个方面已取得很大进展.如利用量子阱结构中载流子能态密度的台阶状分布特点研制的量子阱激光器,在阈电流密度、温度特性、调制速率、偏振特性以及波长可调整等方面都远优于普通的双异质结激光器,被公认为是理想的激光器.利用量子阱结构具有的室温激子效应、非线性光吸收特性和电场下激子峰红移的量子限制斯塔克(Stark)效应,已研制了多种结构的半导体光调制器和光双稳态器件,特别是80年代中期出现的自电光效应光学双稳态器件,具有功耗很低,易列阵化和可与量子阱激光器、调制器等进行单片集成等特点,已用它做出了世界上第一台数字式光信息处理机,被认为是光计算技术的重大突破.利用量子阱结构中电子子带间的跃迁,研制成功了可工作于8～10μm波段、探测率达1×1010cm•Hz1/2／W(77K)的远红外探测器,并做出了128×128的列阵,达到实用水平.在超高频、超高速器件方面被认为最有发展前途的高电子迁移率晶体管(HEMT)则是利用了调制掺杂(AlGaAs中掺杂、GaAs中不掺)超晶格和异质结所特有的电子迁移率增强效应.而利用应变层超晶格、异质结制作的p-HEMT还可将器件的室温跨导大大提高,利用量子阱结构的纵向输运特性还研制了一系列超高速、超高频器件,其中利用双势垒或多势垒结构的共振隧穿效应的负阻器件的研制,具有很大的吸引力.