半導(dǎo)體量子器件物理講座 第一講異質(zhì)結(jié)構(gòu)和量子結(jié)構(gòu)_圖文

1、 講座就是針對(duì)這一需要而開設(shè)的 , 希望這一講座有 助于讀者對(duì)量子器件有較深的理解 . 進(jìn)入 70 年代之后 ,人們能夠成功地生長(zhǎng)各種不 同的異質(zhì)結(jié) , 特別是 MB E ( 分子束外延 、 MOCVD ( 金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積 、 U HV/ CVD ( 超高真空 化學(xué)氣相沉積 等生長(zhǎng)方法的進(jìn)展 , 使得我們能在 GaAs, InP , Si 等 襯 底 上 外 延 生 長(zhǎng) 出 高 質(zhì) 量 的 Al x Ga1 - x As , In x Ga1 - x As1 - y P y , Si1 x- y Ge x C y 等 各種合金材料 . 由于帶隙 Eg 是組分 x , y 的函數(shù) ,因

2、而通過改變 x , y 值可以獲得不同的 Eg 值 . 也就是 說 ,多了一份組分的選取 ,人們就在能帶工程中多了 一份自由度 . 在材料結(jié)構(gòu)上 ,深入研究表明 ,能帶結(jié)構(gòu)的態(tài)密 度分布是隨著量子限制作用的增加而由能帶變?yōu)榉?立的能級(jí)的 ,甚至可以通過能帶折疊效應(yīng)可以將間 接帶變?yōu)橹苯訋?. 人們?cè)谀軒Чこ萄芯可嫌肢@得了 另一自由度 . 通過材料結(jié)構(gòu)線度大小的精確控制 ,可 以人為地實(shí)現(xiàn)所需的能帶 、 能級(jí) ,這些都為半導(dǎo)體量 子器件的工作提供了非常好的物質(zhì)基礎(chǔ)和理論基 礎(chǔ). 如果讀者想對(duì)異質(zhì)結(jié)材料 、 能帶模型和異質(zhì)結(jié) 圖5 周期 L = 5 a 0 的超晶格引起的類 Si 能帶結(jié)構(gòu) 的電學(xué)

3、和光電子學(xué)特性作更深 、 更全面的了解 ,可以 11 參閱相關(guān)文獻(xiàn) . 致謝 半導(dǎo)體量子器件物理講座是在夏建白研究員 的鼓勵(lì) 、 支持和幫助下開設(shè)和撰稿的 ,特此致謝 . 參 考 文 獻(xiàn) 1 2 3 4 5 Kroemer H. Proc. IEEE ,1962 ,51 :1782 Hayashi I , Panish M B , Foy P W et al . Appl. Phys. Lett . , 1970 ,17 :109 Kukdo K , Yamaguchi M. Proceedings ECIO 99. Torino2Italy , April 13 16 ,1999 ,17 2

4、2 Kuso K , Ishizaka M , Sasaki T et al . IEEE Photon. Technol. Lett . ,1998 ,10 :929 Hirsschman K D , Tsybeskou L ,Duttagupda S P et al . Integra2 tion of Silicon electroluminescent devices with Silicon microelec2 tronics. New York :OSA ,1997. 452 6 7 8 Asada M et al . IEEE Quantum Electron. ,1984 ,

5、Q E220 :745 Weisbuch C. Quantum Semiconductor Structures. New York : Academic Press ,1991. 189 Asada M. IEEE J . Quantum Electron. ,1986 ,Q E222 :1915 Froyen S et al . Phys. Rev. B ,1987 ,36 :4547 Presting H et al . Semicon. Sci. Technol. 1992 ,7 :1127 Casey J r H C , Panish M B. Heterostructure Las

6、ers , Part A. New York :Academic Press ,1978. 187 255 9 10 11 式中 a0 為該材料的晶格常數(shù) . 元素半導(dǎo)體 Si 是間 接帶隙材料 , 其價(jià)帶的極大值會(huì)在 k = 0 處 , 而其導(dǎo) 帶的極小值卻會(huì)在 / a0 ( 0 , 0 , 018 處 . 圖 5 示出了 類 Si 的 超 晶 格 能 帶 結(jié) 構(gòu) 10 . 對(duì) 于 Si 來(lái) 說 , a0 = 015431nm. 如果超晶格周期長(zhǎng)度 L = 5 a0 ( 即 20 層 單原子層的厚度 , 則體材料 Si 原來(lái)位于 / a0 ( 0 , 0 , 018 處的導(dǎo)帶極小值折疊到布里淵區(qū)的中心區(qū) . 這個(gè)二度簡(jiǎn)并的 極小值就完全折疊到 點(diǎn) , 也即 k = 0 處 , 因此形成了直接帶隙 . 雖然尚無(wú)實(shí)驗(yàn)完全 證實(shí)這一理論結(jié)果 , 但已有一些明顯的效應(yīng)被觀測(cè) 到 , 證明能帶折疊效應(yīng)確實(shí)存在 . 對(duì)于諸如 Si 這樣 的間接帶隙材料來(lái)說 , 能帶折疊效應(yīng)能夠改變其能 帶性質(zhì) . 只有直接帶隙才能獲得高的復(fù)合效率 , 對(duì)于 高速電子器件和光電器件來(lái)說 , 能帶折疊效應(yīng)能變 間接帶為直接帶 , 這無(wú)疑是一福音 . 4 結(jié)語(yǔ) 21 世紀(jì)是信息時(shí)代 , 信息時(shí)代需要高速電子和 光電子器件