1、2021/7/261(最新整理)半导体超晶格和量子阱2021/7/262半导体超晶格和量子阱2011年11月30日2021/7/263半导体超晶格和量子阱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，20062021/7/2641 引言 1970年IBM公司江崎(Esaki),朱兆祥(Tsu)：“Superlattice and Negative
2、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。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，与之相应的高性能的新型器件被研究和开发。2021/7/265 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
3、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)2021/7/266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)+2/2m(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量分裂为一系列子能带。不连续点的kz值满足:kz=n
4、/D，D为超晶格周期。AB2 超晶格和量子阱的一般描述2021/7/267超晶格多量子阱能带结构示意图多量子阱能带图E2E1超晶格能带图EcAEvAEcBEvBEgBEgAEcEvE2E1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。2021/7/268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
5、带结构来源于两种材料禁带的变化，存在内界面。2021/7/269（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。2021/7/2610 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：型异质结:窄带材料的禁带完全落在宽带材料的禁带中，Ec和Ev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。GaAlAs/GaAs和InGaAsP/InP都属于这一种。2
6、021/7/2611型异质结（Ec和Ev的符号相同），分两种：*A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。2021/7/2612B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。2021/7/2613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。2021/7/26142021/7/2615（2）掺
7、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。2021/7/2616（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。2021/7/2617（3）应变超晶格 初期研究超晶格材料时，
8、除了A1xGa1-xAsGaAs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。SiGeSi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，可做出比一般Si器件更高速工作的电子器件。2021/7/2618（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
9、，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。2021/7/26193.1 量子限制效应(quantum confinement effect)3.2 共振隧穿效应3.3 超晶格中的微带3.4 声子限制效应3.5 二维电子气3 超晶格量子阱中的新现象2021/7/26203.1 量子限制效应(quantum confinement effect)量子阱宽度小于电子运动的Bloch波长，电子在垂直异质结结面的方向（z
10、方向）的运动约束到一系列分裂的能级。设势能),(),()(2)(222222zyx Ezyx zVmmzyx WzorzWzxV 0 0 0)(有效质量方程分析（前提：势能在空间缓变，即要求阱宽远大于晶体的晶格常数）（3-2）（3-1）2021/7/2621x，y平面中的运动是有效质量为m*的自由电子运动，而z方向上的运动是在一维量子阱中的运动，通常具有量子化的束缚能。2021/7/26223.2 共振隧穿效应当外加电压使量子阱中能级与外电极费米能级或邻近阱中的电子态一致时,电子可穿过势垒到邻近阱中所对应的能级,隧穿几率几乎为1。而与相近邻阱中的能级不一致时隧穿几率为零。一维双势垒超晶格结构的
11、隧穿特性2021/7/2623实验测量的是隧穿电流与电极上外加电压的关系。当外加电压变化到量子阱中的束缚态能级与发射极电子的费米能级对齐时，电流达到极大，dI/dV=0。实验测得的（dI/dV)-V曲线上发现有两个极值dI/dV=0，说明量子阱中有两个束缚能级。张 立 纲 等 首 先 在GaAs/AlxGa1-xAs双势垒结构中观察到共振隧穿现象。2021/7/2624超晶格中的微带形成3.3 超晶格中的微带(miniband)和态密度布洛赫振荡万尼尔-斯塔克效应 超晶格势垒区较薄时，阱中量子化的孤立能级相互耦合而成微带结构。微带有载流子公有化运动。超晶格布里渊区小，带宽小，呈现一系列新现象:
12、2021/7/2625类似于电子态，声子态也有量子约束效应。声学声子，两种材料的声子谱相似，超晶格的声学声子是两种体材料声子谱的“折叠”。光学声子，两种材料的谱不同，光学振动模约束在各自材料中，声子谱分裂成系列离散的声子频率，无色散关系。3.4 声子限制效应2021/7/2626 目前,二维电子气主要以下面三个方式实现：（1）MOSFET（2）超晶格（3）液He表面MOSFET 示意图3.5 二维电子气2021/7/2627MOSFET 的电子能级结构半导体反型层三角形势阱在极低温度下,界面势阱使电子失去了沿z方向运动的自由度，被冻结在最低的量子化子能级E0上，电子波函数被局域在界面势阱的范围
13、之内。在这种情况下，电子只能沿界面作自由运动，故可视作二维电子气。2021/7/2628GaAs/AlGaAs 异质结的电子能级结构 最接近理想的二维电子系统2021/7/2629 由于GaAs/AlGaAs 是晶体匹配的材料体系。利用现代分子束外延生长技术几乎可以获得原子级平整的界面，大大减少了界面缺陷和界面粗糙度对输运性质的影响。超高真空下分子束外延生长保证了GaAs、AlGaAs本征材料的纯度可达到1013cm-3的水平。更为重要的是，施主杂质在离界面一定距离以外的AlGaAs 一侧，而电子被转移到窄能隙的GaAs 侧界面势阱内，远离产生它的电离施主，使它们感受到的库仑散射作用大大减弱，
14、极大地提高了二维电子气在低温下的迁移率。为什么说GaAs/AlGaAs 异质结是最接近理想的二维电子系统？2021/7/2630 这意味着GaAs/AlGaAs异质结已将杂质、缺陷等对二维电子系统的“干扰”降低到最低限度，这才使电子间的多体相互作用显得更为重要起来。因此，从某种意义上说，性质优异的异质结结构为整数量子Hall效应和分数量子Hall效应的发现提供了必要条件。迄今为止,GaAs/AlGaAs调制掺杂异质结能获得的电子迁移率已高达1107cm2/Vs。2021/7/26312021/7/26324 超晶格量子阱的光学性质4.1 吸收光谱实验4.2 激子光谱4.3 激子的饱和吸收4.4
15、 室温荧光特性超晶格光学性质的研究除了传统上的意义之外，超晶格的光吸收谱，荧光发射谱、激发谱、光反射谱、拉曼光谱等是研究超晶格电子结构的主要手段，特别是光谱研究所揭示的超晶格量子阱新颖的光学性质，为新器件原理提供了有效的实验依据。2021/7/26334.1 吸收光谱实验 阱宽l=400 nm，量子效应消失，对应于GaAs的本征吸收光谱；阱宽l=21 nm和14nm，量子效应显示出来，这些峰为电子从价带束缚态跃迁到导带束缚态所对应的吸收。Dingle等研究了上述量子阱中电子从价带束缚态跃迁到导带束缚态时对应的光吸收实验。2021/7/2634重、轻空穴激子重、轻空穴激子GaAs/Al0.2Ga
16、0.8As量子阱中不同阱宽下激子吸收光谱。l表示GaAs阱宽，T=2K。随阱宽的减少呈现台阶形的吸收谱，阱宽为400nm时阶消失。2021/7/26354.2 激子光谱 和体材料相比，量子阱的激子光谱有明显不同的特征：（1）在低温下量子阱的光谱中自由激子的吸收和荧光占主导地位。（2）按照简单的理论分析，轻重空穴各自形成独立的子带。（3）激子的束缚能和玻尔半径将受阱宽Lz、电子和空穴势阱的深度（Ec和Ev）的影响。（4）室温下在量子阱吸收光谱中也能看到很强的激子吸收峰。2021/7/26364.3 激子的饱和吸收 当光强比较小的时候，一般物体的光吸收系数和光强无关，称之为线性光学吸收。当光强较大
17、的时候，吸收系数可能随着光强的增加而减小，出现了光吸收的饱和现象，称之为非线性吸收。GaAs/AlGaAs多量子阱中的激子饱和吸收2021/7/26374.4 室温荧光特性由于量子限域作用：电子-空穴的复合发光效率显著提高 电子-空穴易形成激子 发光蓝移应用：利用MQW结构，可制备波长可调（尤其是蓝光或紫外波长）和高效发光的LED和LD2021/7/2638GaAs/Ga0.67Al0.33As多量子阱室温下的PL光谱GaN多量子阱蓝色发光二极管结构示意图e-lhe-hh2021/7/26395 超晶格和量子阱器件5.1 量子阱激光器5.2 光学双稳态器件5.3 量子阱超晶格光电接收器2021
18、/7/26405.1 量子阱激光器具有量子阱结构的量子阱半导体激光器与双异质结半导体激光器(DH)相比，具有阈值电流密度低、量子效应好、温度特性好、输出功率大、动态特性好、寿命长、激射波长可以更短等等优点。目前，量子阱已成为人们公认的半导体激光器发展的根本动力。5.1.1 量子阱激光器发展历程 5.1.2 直腔面发射LD5.1.3 新型的量子阱激光器 5.1.4 主要应用与研究进展 2021/7/26415.1.1 量子阱激光器发展历程 1976年，人们用GaInAsP/InP实现了长波长激光器。对于激光腔结构，Kogelnik和Shank提出了分布反馈结构，它能以单片形式形成谐振腔。Naka
19、mura用实验证明了用光泵浦的GaAs材料形成的分布反馈激光器(DBR)。Suematsu提出了用于光通信的动态单模激光概念，并用整体激光器验证了这种想法。1977年，人们提出了所谓的面发射激光器，并于1979年做出了第一个器件。目前，垂直腔面发射激光器(VECSEL)已用于千兆位以太网的高速网络。自从Nakamura实现了GaInN/GaN蓝光激光器，可见光半导体激光器在光盘系统中得到了广泛应用。1994年，一种具有全新机理的波长可变、可调谐的量子级联激光器研制成功，且最近，在此又基础上提出了微带超晶格红外激光器。2021/7/26425.1.2 直腔面发射LD（VECSEL-vertica
20、l cavity surface emitting laser）：量子阱结构出现以后才成为可能。根据光输出方向与结平面的关系，LD可分为：（1）边发射LD（Edge Emitting LD）：光平行与异质结界面输出。普通LD都属于这一类型。（2）垂直腔面发射LD（VECSEL-vertical cavity surface emitting laser）:光垂直于结平面的方向输出。VECSEL由东京工业大学Iga教授提出，但只有在量子阱结构出现以后才成为可能。2021/7/2643（1）边发射LD 光反馈由材料解理面形成的反射镜提供，光在有源层长度方向得到放大，平行与异质结界面输出。端面发射的
21、常规半导体激光器 2021/7/2644（2）垂直腔面发射LD（VECSEL）2021/7/2645 由于VECSEL的特殊结构，使得它与边发射激光器相比有很多优点：谐振腔是通过单片生长多层介质膜形成从而避免了边发射激光器解理腔由于解理本身的机械损伤、表面氧化和玷污等引起激光器性能退化。因为谐振腔是由多层介质膜组成，可望有高的光损伤阈值；可以做成二维面阵，能够大规模集成，适宜于信息处理；因为VECSEL的腔长很短，所以纵膜间距很大，以实现动态单纵模工作；可以实现极底阈值电流工作。2021/7/26465.1.3 新型的量子阱激光器（1）低维超晶格量子线、量子点激光器：量子阱结构中，电子只受到一
22、维的限制，在结平面内仍维持二维的自由运动。如果对电子进行二维或三维的限制，就得到一维量子线和零维量子点结构。（2）量子级联激光器（Quantum Cascade Laser）：由数组量子阱结构串联在一起构成的新型量子阱激光器。（3）微带超晶格红外激光器：掺杂的超晶格有源区和掺杂的载流子注入区交替构成级联，在超晶格的第一激发态之能带和基态子能带之间产生受激辐射，即光跃迁发生在强烈耦合的超晶格的微能带之间。2021/7/2647（1）低维超晶格量子线、量子点激光器（E）EEE（E）（E）这种更窄的态密度分布带来更高的微分增益，将使得半导体激光器的特性进一步提高，如阈值电流降低，光谱线宽、调制速率、
23、温度特性等可以进一步改善。态密度分布（量子阱、量子线、量子点）2021/7/2648（2）量子级联激光器从电子跃迁的方式上可分为斜跃迁和垂直跃迁两种。斜跃迁量子阱级联激光器能带结构示意图及P-I特性垂直跃迁量子阱级联激光器部分导带图2021/7/26495.1.4 主要应用与研究进展（1）VECSEL（2）可见光半导体激光器：红光半导体激光器和蓝绿光激光器（3）光纤通讯中半导体激光器及大功率半导体激光器2021/7/2650（1）VECSEL VECSEL能够大面积集成为线性或二位列阵（左图），因此可以用于并行数据传输系统，被认为是fiber to home装置的合适光源。可见光VECSEL激
24、光器可用于光信号存贮系统,以提高存贮密度。Hudgings J A(美国,加利弗尼亚大学)演示了一种采用带有内腔量子阱吸收器的VECSEL的新型集成光盘读出头。（右图）另外VECSEL在未来的光互连领域有巨大的发展潜力。2021/7/2651（2）可见光半导体激光器 红光半导体激光器主要应用在光信息存储、条形码识别、激光打印、医学方面，而蓝绿激光在海洋探测中发挥作用。蓝光激光器材料有（1）-化合物半导体ZnSe：Sony公司在1998年实现了514nm，室温下连续工作400h。（2）族氮化物（GaN、AlN、InN）：有可能在420-370nm波段内成为实用化激光器材料。2021/7/2652
25、日本日亚（Nichia）公司1997年实现了410nm连续工作10000h的GaN基蓝光LD InGaN 多量子阱激光器的结构图2021/7/2653（3）光纤通讯中半导体激光器及大功率半导体激光器 应变量子阱材料半导体光放大器（SLA）具有宽且平的增益谱，易集成，低损耗，体积小，价格便宜等优点，最重要的应用是波长转换器，实现灵活的波长路由。此外，还希望用其作为光传输系统中1310nm窗口的功率放大器，线路放大器和前置放大器以及利用SLA中的非线性来作啁啾补偿和色散补偿。大功率半导体激光器主要用于泵浦固体激光器（DPSSL）、泵浦光纤放大器及生物学、医学等。2021/7/26545.2 光学双
26、稳态器件 光学双稳态器件可能成为全光逻辑和计算机中的关键元件。发展半导体光学双稳态器件的目标是小型化、快速、低功率和高温工作。利用纯GaAs体材料做的光学双稳态器件室温下工作时要求光脉冲高达10kW，而利用超晶格和量子阱结构的激子饱和吸收做的光学双稳态器件要求的输入功率仅在100mW以下。D.A.B.Miller等人提出了一种新型的混合的光学双稳态开关器件，它可在更小的光功率下工作，称为自光效应器件（SEED）。2021/7/2655自光电效应器件结构2021/7/2656自光电效应器件的外接线路图改变外电路电压和电阻可以使开关的启动功率和开关时间在较大范围内变动。2021/7/26575.3
27、 量子阱超晶格光电接收器量子阱或超晶格的导带或价带中的子能带之间及子能带和连续态之间的跃迁可以利用来做成量子阱红外光电接收器（QWIP）。量子阱红外光电接收器的能带图2021/7/2658GaN和ZnO量子阱的应用发光二极管（LED）激光器（LD）2021/7/2659ZnO量子阱的激光发射领域的研究进展1998年，Tang等报道了生长在蓝宝石（0001）上的ZnO外延层室温下产生的激光发射，产生激光的阈值仅为24 kW/cm2。（图1）2000年，Ohtomo等报道了生长在晶格匹配ScAlMgO4衬底上的ZnO/Zn1-xMgxO超晶格高于室温（373 K）的受激发射，所需的阈值泵浦能量极低
28、（11 kW/cm2）。2007年，Ryu等研制出ZnO/ZnBeO薄膜型激光二极管，首次报道了ZnO MQWs的紫外电注入激光发射。最近，Sadofev等报道了ZnCdO/(Zn,Mg)O量子阱结构在光泵浦下的室温激光行为。（图2）图1图22021/7/2660ZnO/ZnBeO量子阱LEDRyu等首次报道了采用混合束沉积（HBD）技术生长出以ZnO/ZnBeO MQW作为有源层的ZnO LED。2021/7/2661ZnO/ZnMgO 量子阱LED2021/7/2662GaN性能与应用应用 信号灯 汽车前照灯 固体光源 高容量存储器 激光打印 液晶显示屏等2021/7/2663LED的研究
29、进展由于量子阱结构的加入，实现了蓝紫光、蓝光、绿光和黄光LED2021/7/2664GaN量子阱研究进展1996年又成功研制了电注入条件下蓝宝石衬底的InGaN多量子阱结构蓝光LD，实现了直到当时为止最短波长的半导体。两年后，该小组在GaN衬底上生长了寿命达到104小时以上，峰值波长为410nm，输出功率为smw的InGaN/GaN/AIGaN蓝紫光多量子阱LD。1999年初，日亚公司宣布开始商用化生产输出功率为smw，峰值波长为400nm的蓝紫光LD，并在2001年开始批量生产以作为下一代DVD光盘的光源。1995年，Nakamura带领日亚研究小组采用InGaN/AlGaN单量子结构，通过改变InGaN中In的组分含量实现了蓝紫光、蓝光、绿光和黄光LED。最近，采用InAlGaN四元合金多量子阱，提高了GaN LED深紫外发光效率。结构右图所示。2021/7/2665
