量子阱和超晶格

1、量子阱和超晶格2015年11月28日半導(dǎo)體超晶格和量子阱半導(dǎo)體超晶格和量子阱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現(xiàn)象4 超晶格量子阱的光學(xué)性質(zhì)6 超晶格和量子阱器件參考書:“半導(dǎo)體超晶格物理學(xué)” 夏建白等，上?？茖W(xué)出版社，1994“半導(dǎo)體超晶格-材料與物理” 黃和鸞等, 遼寧大學(xué)出版社，1991“半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)物理” 虞麗生，科學(xué)出版社，20061 引言 1970年ibm公司江崎(esaki), 朱兆祥(tsu) ： “superlattice and negative deferential conductivity in semiconductors” ， 周期性地外延

2、生長半導(dǎo)體超晶格：微帶結(jié)構(gòu)，布里淵區(qū)大大縮小，負(fù)微分電導(dǎo)。 1971年第一個(gè)gaas/alxga1-xas人工周期結(jié)材料:“l(fā). esaki, l.l.chang. r.tsu, 12th low temp. phys. kyoto, japan p.551” 1972年觀察到負(fù)微分電導(dǎo)，輸運(yùn)的振蕩現(xiàn)象，微帶結(jié)構(gòu)。 隨后，新穎的物理現(xiàn)象被揭示，新理論被提出，與之相應(yīng)的高性能的新型器件被研究和開發(fā)。 直條影區(qū)指具有相近晶格常數(shù)但不同能隙寬度的材料 在區(qū)內(nèi)材料原則上都可組成異質(zhì)結(jié)超晶格 圖中的連線是指這些材料都可形成特定的合金低溫下具有金剛石、閃鋅礦結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體與晶格常數(shù)的關(guān)系(4.2k)超晶格:

3、esaki和tsu（江崎和朱兆祥）在1969年提出了超晶格概念，設(shè)想將兩種不同組分或不同摻雜的半導(dǎo)體超薄層a和b交替疊合生長在襯底上，使在外延生長方向形成附加的晶格周期性。 當(dāng)取垂直襯底表面方向(垂直方向)為z軸，超晶格中的電子沿z方向運(yùn)動(dòng)將受到超晶格附加的周期勢場的影響，而其xy平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)不受影響。導(dǎo)帶中電子的能量可表示為:e = e (kz) + 2/2m (kx2+ky2)在xy平面內(nèi)電子的動(dòng)能是連續(xù)的，z方向附加周期勢場使電子的能量分裂為一系列子能帶。不連續(xù)點(diǎn)的kz值滿足:kz =n/d，d為超晶格周期。ab2 超晶格和量子阱的一般描述超晶格多量子阱能帶結(jié)構(gòu)示意圖多量子阱能帶圖e2e

4、1超晶格能帶圖ecaevaecbevbegbegaeceve2e1多量子阱和超晶格的本質(zhì)差別在于勢壘的寬度：當(dāng)勢壘很寬時(shí)電子不能從一個(gè)量子阱隧穿到相鄰的量子阱，即量子阱之間沒有相互耦合，此為多量子阱的情況；當(dāng)勢壘足夠薄使得電子能從一個(gè)量子阱隧穿到相鄰的量子阱，即量子阱相互耦合，此為超晶格的情況。超晶格分類（1）組分調(diào)制超晶格（2）摻雜調(diào)制超晶格（3）應(yīng)變超晶格（4）多維超晶格（5）非晶態(tài)半導(dǎo)體的超晶格（6）半磁超晶格（7）漸變能隙超晶格(鋸齒狀)超晶格能帶結(jié)構(gòu)來源于兩種材料禁帶的變化，存在內(nèi)界面。（1）組分調(diào)制超晶格 在超晶格結(jié)構(gòu)中，如果超晶格的重復(fù)單元是由不同半導(dǎo)體材料的薄膜堆垛而成，則稱為

5、組分超晶格。在組分超晶格中，由于構(gòu)成超晶格的材料具有不同的禁帶寬度，在異質(zhì)界面處將發(fā)生能帶的不連續(xù)。 按異質(zhì)結(jié)中兩種材料導(dǎo)帶和價(jià)帶的對準(zhǔn)情況，江崎把異質(zhì)結(jié)分為三類： 型異質(zhì)結(jié): 窄帶材料的禁帶完全落在寬帶材料的禁帶中，ec和ev的符號(hào)相反。不論對電子還是空穴，窄帶材料都是勢阱，寬帶材料都是勢壘，即電子和空穴被約束在同一材料中。載流子復(fù)合發(fā)生在窄帶材料一側(cè)。gaalas/gaas和ingaasp/inp都屬于這一種。型異質(zhì)結(jié)（ec和ev的符號(hào)相同），分兩種：*a類超晶格：材料1的導(dǎo)帶和價(jià)帶都比材料2的低，禁帶是錯(cuò)開的。材料1是電子的勢阱，材料2是空穴的勢阱。電子和空穴分別約束在兩材料中。超晶格具

6、有間接帶隙的特點(diǎn)，躍遷幾率小，如gaas/alas超晶格。b類超晶格：禁帶錯(cuò)開更大，窄帶材料的導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂都位于寬帶材料的價(jià)帶中，有金屬化現(xiàn)象，如inas/gasb 超晶格。類超晶格：其中一種材料具有零帶隙。組成超晶格后，由于它的電子有效質(zhì)量為負(fù)，將形成界面態(tài)。典型的例子是hgte/cdte超晶格。（2）摻雜調(diào)制超晶格 在同一種半導(dǎo)體中，用交替地改變摻雜類型的方法做成的新型人造周期性半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的材料。優(yōu)點(diǎn):(1)任何一種半導(dǎo)體材料只要很好控制摻雜類型都可以做成超晶格。(2)多層結(jié)構(gòu)的完整性非常好，由于摻雜量一般較小，所以雜質(zhì)引起的晶格畸變也較小。因此，摻雜超晶格中沒有像組分超晶格那樣明顯的異

7、質(zhì)界面。(3) 摻雜超晶格的有效能隙可以具有從零到未調(diào)制的基體材料能量隙之間的任何值，取決于對各分層厚度和摻雜濃度的選擇。（2）摻雜調(diào)制超晶格利用電離雜質(zhì)中心產(chǎn)生的靜電勢在晶體中形成周期性變化的勢，例如n-i-n-i結(jié)構(gòu)超晶格。（3）應(yīng)變超晶格 初期研究超晶格材料時(shí)，除了a1xga1-xasgaas體系以外，對其他物質(zhì)形成的超晶格的研究工作不多。原因：晶格常數(shù)相差很大，會(huì)引起薄膜之間產(chǎn)生失配位錯(cuò)而得不到良好質(zhì)量的超晶格材料。解決方法：當(dāng)多層薄膜的厚度十分薄時(shí)，在晶體生長時(shí)反而不容易產(chǎn)生位錯(cuò)。即，在彈性形變限度之內(nèi)的超薄膜中，晶格本身發(fā)生應(yīng)變而阻止缺陷的產(chǎn)生。因此，巧妙地利用這種性質(zhì)，可制備出晶

8、格常數(shù)相差較大的兩種材料所形成的應(yīng)變超晶格。 sigesi是典型應(yīng)變超晶格材料，隨著能帶結(jié)構(gòu)的變化，載流子的有效質(zhì)量可能變小，可提高載流子的遷移率，可做出比一般si器件更高速工作的電子器件。（4）多維超晶格 一維超晶格與體單晶比較具有許多不同的性質(zhì)，這些特點(diǎn)來源于它把電子和空穴限制在二維平面內(nèi)而產(chǎn)生量子力學(xué)效應(yīng)。進(jìn)一步發(fā)展這種思想，把載流子再限制在低維空間中，可能會(huì)出現(xiàn)更多的新的光電特性。用mbe法生長多量子阱結(jié)構(gòu)或單量子阱結(jié)構(gòu)，通過光刻技術(shù)和化學(xué)腐蝕制成量子線、量子點(diǎn)。3.1 量子限制效應(yīng)(quantum confinement effect)3.2 共振隧穿效應(yīng)3.3 超晶格中的微帶3.4

9、 聲子限制效應(yīng)3.5 二維電子氣3 超晶格量子阱中的新現(xiàn)象3.1 量子限制效應(yīng)(quantum confinement effect) 量子阱寬度小于電子運(yùn)動(dòng)的bloch波長，電子在垂直異質(zhì)結(jié)結(jié)面的方向（z方向）的運(yùn)動(dòng)約束到一系列分裂的能級(jí)。 設(shè)勢能),(),()(2)(222222zyx ezyx zvmmzyx wzorzwzxv 0 0 0)(有效質(zhì)量方程分析（前提：勢能在空間緩變，即要求阱寬遠(yuǎn)大于晶體的晶格常數(shù)）（3-2）（3-1）x，y平面中的運(yùn)動(dòng)是有效質(zhì)量為m* 的自由電子運(yùn)動(dòng)，而z方向上的運(yùn)動(dòng)是在一維量子阱中的運(yùn)動(dòng)，通常具有量子化的束縛能。3.2 共振隧穿效應(yīng)當(dāng)外加電壓使量子阱中

10、能級(jí)與外電極費(fèi)米能級(jí)或鄰近阱中的電子態(tài)一致時(shí),電子可穿過勢壘到鄰近阱中所對應(yīng)的能級(jí),隧穿幾率幾乎為1。而與相近鄰阱中的能級(jí)不一致時(shí)隧穿幾率為零。一維雙勢壘超晶格結(jié)構(gòu)的隧穿特性實(shí)驗(yàn)測量的是隧穿電流與電極上外加電壓的關(guān)系。當(dāng)外加電壓變化到量子阱中的束縛態(tài)能級(jí)與發(fā)射極電子的費(fèi)米能級(jí)對齊時(shí)，電流達(dá)到極大，di/dv=0。實(shí)驗(yàn)測得的（di/dv)-v曲線上發(fā)現(xiàn)有兩個(gè)極值di/dv=0，說明量子阱中有兩個(gè)束縛能級(jí)。張 立 綱 等 首 先 在gaas/alxga1-xas雙勢壘結(jié)構(gòu)中觀察到共振隧穿現(xiàn)象。超晶格中的微帶形成3.3 超晶格中的微帶(miniband)和態(tài)密度布洛赫振蕩萬尼爾-斯塔克效應(yīng) 超晶格勢

11、壘區(qū)較薄時(shí)，阱中量子化的孤立能級(jí)相互耦合而成微帶結(jié)構(gòu)。微帶有載流子公有化運(yùn)動(dòng)。超晶格布里淵區(qū)小，帶寬小，呈現(xiàn)一系列新現(xiàn)象:類似于電子態(tài)，聲子態(tài)也有量子約束效應(yīng)。 聲學(xué)聲子，兩種材料的聲子譜相似，超晶格的聲學(xué)聲子是兩種體材料聲子譜的“折疊”。 光學(xué)聲子，兩種材料的譜不同，光學(xué)振動(dòng)模約束在各自材料中，聲子譜分裂成系列離散的聲子頻率，無色散關(guān)系。3.4 聲子限制效應(yīng) 目前, 二維電子氣主要以下面三個(gè)方式實(shí)現(xiàn)：（1）mosfet（2）超晶格（3）液he表面mosfet 示意圖3.5 二維電子氣mosfet 的電子能級(jí)結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體反型層三角形勢阱在極低溫度下,界面勢阱使電子失去了沿z方向運(yùn)動(dòng)的自由度，被凍

12、結(jié)在最低的量子化子能級(jí)e0上，電子波函數(shù)被局域在界面勢阱的范圍之內(nèi)。 在這種情況下，電子只能沿界面作自由運(yùn)動(dòng)，故可視作二維電子氣。gaas/algaas 異質(zhì)結(jié)的電子能級(jí)結(jié)構(gòu) 最接近理想的二維電子系統(tǒng) 由于gaas/ algaas 是晶體匹配的材料體系。利用現(xiàn)代分子束外延生長技術(shù)幾乎可以獲得原子級(jí)平整的界面，大大減少了界面缺陷和界面粗糙度對輸運(yùn)性質(zhì)的影響。 超高真空下分子束外延生長保證了gaas、algaas本征材料的純度可達(dá)到1013cm-3的水平。 更為重要的是，施主雜質(zhì)在離界面一定距離以外的algaas 一側(cè)，而電子被轉(zhuǎn)移到窄能隙的gaas 側(cè)界面勢阱內(nèi)，遠(yuǎn)離產(chǎn)生它的電離施主，使它們感受

13、到的庫侖散射作用大大減弱，極大地提高了二維電子氣在低溫下的遷移率。為什么說gaas/algaas 異質(zhì)結(jié)是最接近理想的二維電子系統(tǒng)？ 這意味著gaas/algaas異質(zhì)結(jié)已將雜質(zhì)、缺陷等對二維電子系統(tǒng)的“干擾”降低到最低限度，這才使電子間的多體相互作用顯得更為重要起來。 因此，從某種意義上說，性質(zhì)優(yōu)異的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)為整數(shù)量子hall效應(yīng)和分?jǐn)?shù)量子hall效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)提供了必要條件。迄今為止, gaas/algaas調(diào)制摻雜異質(zhì)結(jié)能獲得的電子遷移率已高達(dá)1107cm2/ vs 。4 超晶格量子阱的光學(xué)性質(zhì)4.1 吸收光譜實(shí)驗(yàn)4.2 激子光譜4.3 激子的飽和吸收4.4 室溫?zé)晒馓匦猿Ц窆鈱W(xué)性質(zhì)的研

14、究除了傳統(tǒng)上的意義之外，超晶格的光吸收譜，熒光發(fā)射譜、激發(fā)譜、光反射譜、拉曼光譜等是研究超晶格電子結(jié)構(gòu)的主要手段，特別是光譜研究所揭示的超晶格量子阱新穎的光學(xué)性質(zhì)，為新器件原理提供了有效的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。4.1 吸收光譜實(shí)驗(yàn) 阱寬l = 400 nm，量子效應(yīng)消失，對應(yīng)于gaas的本征吸收光譜； 阱寬l = 21 nm和14nm，量子效應(yīng)顯示出來，這些峰為電子從價(jià)帶束縛態(tài)躍遷到導(dǎo)帶束縛態(tài)所對應(yīng)的吸收。dingle等研究了上述量子阱中電子從價(jià)帶束縛態(tài)躍遷到導(dǎo)帶束縛態(tài)時(shí)對應(yīng)的光吸收實(shí)驗(yàn)。重、輕空穴激子重、輕空穴激子gaas/al0.2ga0.8as量子阱中不同阱寬下激子吸收光譜。l表示gaas阱寬，t=

15、2k。隨阱寬的減少呈現(xiàn)臺(tái)階形的吸收譜，阱寬為400nm時(shí)階消失。4.2 激子光譜 和體材料相比，量子阱的激子光譜有明顯不同的特征：（1）在低溫下量子阱的光譜中自由激子的吸收和熒光占主導(dǎo)地位。（2）按照簡單的理論分析，輕重空穴各自形成獨(dú)立的子帶。（3）激子的束縛能和玻爾半徑將受阱寬lz、電子和空穴勢阱的深度（ec和ev）的影響。（4）室溫下在量子阱吸收光譜中也能看到很強(qiáng)的激子吸收峰。4.3 激子的飽和吸收 當(dāng)光強(qiáng)比較小的時(shí)候，一般物體的光吸收系數(shù)和光強(qiáng)無關(guān)，稱之為線性光學(xué)吸收。 當(dāng)光強(qiáng)較大的時(shí)候，吸收系數(shù)可能隨著光強(qiáng)的增加而減小，出現(xiàn)了光吸收的飽和現(xiàn)象，稱之為非線性吸收。gaas/algaas多

16、量子阱中的激子飽和吸收4.4 室溫?zé)晒馓匦杂捎诹孔酉抻蜃饔茫?電子-空穴的復(fù)合發(fā)光效率顯著提高 電子-空穴易形成激子 發(fā)光藍(lán)移應(yīng)用：利用mqw結(jié)構(gòu)，可制備波長可調(diào)（尤其是藍(lán)光或紫外波長）和高效發(fā)光的led和ldgaas/ga0.67al0.33as多量子阱室溫下的pl光譜gan多量子阱藍(lán)色發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)示意圖e-lhe-hh5 超晶格和量子阱器件5.1 量子阱激光器5.2 光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)器件5.3 量子阱超晶格光電接收器5.1 量子阱激光器具有量子阱結(jié)構(gòu)的量子阱半導(dǎo)體激光器與雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器(dh)相比，具有閾值電流密度低、量子效應(yīng)好、溫度特性好、輸出功率大、動(dòng)態(tài)特性好、壽命長、激射波長可以更

17、短等等優(yōu)點(diǎn)。 目前，量子阱已成為人們公認(rèn)的半導(dǎo)體激光器發(fā)展的根本動(dòng)力。 5.1.1 量子阱激光器發(fā)展歷程 5.1.2 直腔面發(fā)射ld5.1.3 新型的量子阱激光器 5.1.4 主要應(yīng)用與研究進(jìn)展 5.1.1 量子阱激光器發(fā)展歷程 1976年，人們用gainasp/inp實(shí)現(xiàn)了長波長激光器。對于激光腔結(jié)構(gòu)，kogelnik和shank提出了分布反饋結(jié)構(gòu)，它能以單片形式形成諧振腔。nakamura用實(shí)驗(yàn)證明了用光泵浦的gaas材料形成的分布反饋激光器(dbr)。suematsu提出了用于光通信的動(dòng)態(tài)單模激光概念，并用整體激光器驗(yàn)證了這種想法。1977年，人們提出了所謂的面發(fā)射激光器，并于1979年

18、做出了第一個(gè)器件。 目前，垂直腔面發(fā)射激光器(vecsel)已用于千兆位以太網(wǎng)的高速網(wǎng)絡(luò)。 自從nakamura實(shí)現(xiàn)了gainn/gan藍(lán)光激光器，可見光半導(dǎo)體激光器在光盤系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。 1994年，一種具有全新機(jī)理的波長可變、可調(diào)諧的量子級(jí)聯(lián)激光器研制成功，且最近，在此又基礎(chǔ)上提出了微帶超晶格紅外激光器。 5.1.2 直腔面發(fā)射ld（vecsel-vertical cavity surface emitting laser）：量子阱結(jié)構(gòu)出現(xiàn)以后才成為可能。 根據(jù)光輸出方向與結(jié)平面的關(guān)系，ld可分為： （1）邊發(fā)射ld（edge emitting ld）：光平行與異質(zhì)結(jié)界面輸出。普通l

19、d都屬于這一類型。 （2）垂直腔面發(fā)射ld（vecsel-vertical cavity surface emitting laser）:光垂直于結(jié)平面的方向輸出。vecsel由東京工業(yè)大學(xué)iga教授提出，但只有在量子阱結(jié)構(gòu)出現(xiàn)以后才成為可能。 （1）邊發(fā)射ld 光反饋由材料解理面形成的反射鏡提供，光在有源層長度方向得到放大，平行與異質(zhì)結(jié)界面輸出。端面發(fā)射的常規(guī)半導(dǎo)體激光器 （2）垂直腔面發(fā)射ld（vecsel） 由于vecsel的特殊結(jié)構(gòu)，使得它與邊發(fā)射激光器相比有很多優(yōu)點(diǎn)： 諧振腔是通過單片生長多層介質(zhì)膜形成從而避免了邊發(fā)射激光器解理腔由于解理本身的機(jī)械損傷、表面氧化和玷污等引起激光器性能

20、退化。因?yàn)橹C振腔是由多層介質(zhì)膜組成，可望有高的光損傷閾值； 可以做成二維面陣，能夠大規(guī)模集成，適宜于信息處理； 因?yàn)関ecsel的腔長很短，所以縱膜間距很大，以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)單縱模工作； 可以實(shí)現(xiàn)極底閾值電流工作。5.1.3 新型的量子阱激光器 （1）低維超晶格量子線、量子點(diǎn)激光器： 量子阱結(jié)構(gòu)中，電子只受到一維的限制，在結(jié)平面內(nèi)仍維持二維的自由運(yùn)動(dòng)。如果對電子進(jìn)行二維或三維的限制，就得到一維量子線和零維量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)。 （2）量子級(jí)聯(lián)激光器（quantum cascade laser）： 由數(shù)組量子阱結(jié)構(gòu)串聯(lián)在一起構(gòu)成的新型量子阱激光器。 （3）微帶超晶格紅外激光器： 摻雜的超晶格有源區(qū)和摻雜的載流子

21、注入?yún)^(qū)交替構(gòu)成級(jí)聯(lián)，在超晶格的第一激發(fā)態(tài)之能帶和基態(tài)子能帶之間產(chǎn)生受激輻射，即光躍遷發(fā)生在強(qiáng)烈耦合的超晶格的微能帶之間。 （1）低維超晶格量子線、量子點(diǎn)激光器（e）eee（e）（e）這種更窄的態(tài)密度分布帶來更高的微分增益，將使得半導(dǎo)體激光器的特性進(jìn)一步提高，如閾值電流降低，光譜線寬、調(diào)制速率、溫度特性等可以進(jìn)一步改善。 態(tài)密度分布（量子阱、量子線、量子點(diǎn)）（2）量子級(jí)聯(lián)激光器從電子躍遷的方式上可分為斜躍遷和垂直躍遷兩種 。 斜躍遷量子阱級(jí)聯(lián)激光器能帶結(jié)構(gòu)示意圖及p-i特性垂直躍遷量子阱級(jí)聯(lián)激光器部分導(dǎo)帶圖5.1.4 主要應(yīng)用與研究進(jìn)展 （1）vecsel （2）可見光半導(dǎo)體激光器：紅光半導(dǎo)體激

22、光器和藍(lán)綠光激光器 （3）光纖通訊中半導(dǎo)體激光器及大功率半導(dǎo)體激光器（1）vecsel vecsel能夠大面積集成為線性或二位列陣（左圖），因此可以用于并行數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，被認(rèn)為是fiber to home裝置的合適光源。 可見光vecsel激光器可用于光信號(hào)存貯系統(tǒng),以提高存貯密度。hudgings j a (美國,加利弗尼亞大學(xué))演示了一種采用帶有內(nèi)腔量子阱吸收器的vecsel的新型集成光盤讀出頭。（右圖） 另外vecsel在未來的光互連領(lǐng)域有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?（2）可見光半導(dǎo)體激光器 紅光半導(dǎo)體激光器主要應(yīng)用在光信息存儲(chǔ)、條形碼識(shí)別、激光打印、醫(yī)學(xué)方面，而藍(lán)綠激光在海洋探測中發(fā)揮作用。 藍(lán)光激光器材料