半导体超晶格及其应用.doc

半导体超晶格及其应用第l8卷第1期2011年2月东莞理工学院JOURNAL0FD0NGGUANUNIVERSITYOFTECHNOLOGYVo1.18No.1Feb.2011半导体超晶格及其应用范丽仙陈桂华罗诗裕(东莞理工学院电子工程学院,广东东莞523808)摘要:半导体超晶格是凝聚态物理的前沿领域之一.对半导体超晶格物理的历史,现状以及未来做了简单的回顾与展望,并介绍了它的若干应用.关键词:半导体;超晶格;量子阱;杂质_T-程;能隙工程中图分类号:O471文献标识码:A文章编号:10090312(2011)01006806超晶格的特殊几何结构引起了人们极大的兴趣,为人们寻找新材料和新光源开辟了全新领域.事实上,基于这一概念,半导体材料的光电性能得到了大大改善;基于这一概念,人们先后找到了光子晶体和声子晶体;也是基于这一概念,带电粒子同物质相互作用有了全新的研究方向.40年来,量子阱超晶格一直是凝聚态物理学中一个极其活跃的前沿和半导体科学技术史上一颗璀璨的明珠.超晶格概念的提出及其半导体超晶格,量子阱材料的研制成功,彻底改变了光电器件的设计思想,半导体器件的设计与制造从过去的杂质工程发展到能带工程,出现了以光电特性可剪裁的新时期,进入了以量子效应和低维结构为标志的新时代.1量子阱超晶格1970年IBM公司的江琦(L.Esaki)和朱兆祥(R.Tsu)等人首次提出了GaAs/AIGaAs超晶格概念;两年以后,人们利用分子束外延方法成功制备出了GaAs/AIGaAs超品格.随着薄膜技术的发展,超晶格的研制取得了迅速的发展l.以能带理论为基础,超晶格材料具有一般半导体不具备的许多特征.它的成功研制可以说是半个世纪以来,半导体物理学和材料科学的重大突破.一个突破是它把量子物理的研究对象从埃的量级扩大到纳米量级甚至更大.我们知道,20世纪初提出的量子论和20年代创立的量子力学,是以原子尺寸(0.1nln量级)为研究对象的;70年代发现的超晶格则在更大尺寸范围内(10nlTl量级)揭示了新的量子效应.由于量子尺寸的扩大,一系列新量子现象的产生,为后来的光电子技术发展打下了坚实的物理基础,也为量子物理的应用开辟了新的应用前景.第二个突破是在人类历史上第一次出现人工设计晶体的时代.我们知道晶体的特点是原子点阵的周期排列,正是这种周期结构,使电子运动出现了不寻常的量子特征.但传统的晶体都是以晶格常数为周期,而晶格常数却是恒定不变的;半导体超晶格则具有尺寸大,周期可调的特点,正是在这个意义上人们把它称为超晶格,并引起了人们的极大兴趣.超晶格量子阱概念的提出和成功研制是20世纪量子力学和凝聚态物理在半导体方面的伟大创举.量子力学是现代物理的基础学科之一,以量子力学为基础的固体能带理论,固体量子理论,成功地解释了固体低温比热容问题,解释了绝缘体,半导体和导体的差异.而能带理论的卓越贡献则是它成功地解释了半导体材料的导电机制,导致了20世纪50年代电子技术的迅速发展;也导致了20世纪末的计算机技术,信息技术和光电子技术的迅速发展.值得注意的是,超品格材料除了周期比较大外,重要的是它仍然具有量子性J,且可以做出近收稿日期:20101008基金项目:国家自然科学基金(10947140).作者简介:范丽仙(1976一),女,硕士,实验师,主要从事物理实验和计算机应用与开发研究.第1期范丽仙,等:半导体超晶格及其应用乎理想的二维电子系.对这种低维电子系的研究开辟了物理学研究的全新领域;以硅为代表的微电子技术和人工剪裁为特征的光电子技术己成为21世纪高技术产业的基础.2超晶格类型江崎等人把超晶格分为两类:组分超晶格和掺杂超晶格.组分超晶格的空问结构及能带分布如图1所示.所谓组分超晶格就是将两种晶格常数略微不同的材料交替生长而成的多层薄膜结构.比如,将材料GaAs和Ga一AlAs交替生长形成的多层结构就是典型的组分超晶格.图1给出了理想情况下组分超晶格及其量子阱示意图.从图1可以看出,当两种材料GaAs和GaAlAs交替生长时,由于两种材料的能隙不同,在GaAlAs和GaAlAs之间形成了一个个势阱,最简单的势阱就是如图1(b)或图2(a)所示的方形势阱.在超晶格量子阱中运动的带电粒子(比如电子),将不断受到势阱两侧势垒的作用,纵向运动受到阻碍.势阱的深度或高度决定于超晶格材料GaAs和Ga一AlAs的能隙差,势阱的宽度决定于夹层GaAs的厚度.重要的是,势阱深度和宽度均可以人为调节.(b)图1组分超晶格(a)和它的量子阱(b)示意图能量所谓掺杂超晶格是指在同一种衬底材料(比如GaAs)上交替掺入n一型和P一型杂质,形成niPiniPi一维阵列的周期结构.图2给出了在GaAs衬底上交替掺杂而形成的掺杂超晶格.由于交替掺杂,衬底材料的导带将受到周期调制形成一个个类正弦的量子阱,如图2(b)所示.图2将组分超晶格和掺杂超晶格量子阱进行了比较.值得注意的是,只要很好控制掺杂类型,任何一种半导体材料都可以做成超晶格;由于掺杂量一般比较小,杂质引起的晶格畸变也较小,多层结构的完整性很好,掺杂超晶格中没有像组分超晶格那样明显的异质界面;且势阱深度的调节比组分超晶格更加容易.GaAsGaAsGaAsGaAs生长方向(a)由GalxAlxAs和GaAs交替生长而成的组分超晶格量子阱(b)掺杂超晶格量子阱图2组分超晶格与掺杂超晶格量子阱比较除了上述的两种超晶格外,人们还发现一些新的超晶格,比如应变超晶格和非晶超晶格等.所谓应70东莞理工学院2011年变超晶格就是将两种晶格常数不同的材料交替生长而成的多层薄膜结构.如果两种材料的晶格常数相差不是太大,只在界面处产生弹性应(形)变而无缺陷,这种超晶格称为应变超晶格.由于应变超晶格的独特性质,器件的若干性能可以得到大大提高.所谓非晶超晶格是指具有多层结构的准周期材料,重复使它具有周期性,多层结构又使它具有非晶(非周期)特点.对于非晶超晶格,人们发现了光谱吸收峰位移,电荷转移效应,光电导响应增加和导电率提高等.可以预期,半导体超晶格材料的特殊性质将越来越引起人们的注意,随着晶体生长技术的进步和器件设计水平的不断提高,超晶格的种类将会越来越多.3超晶格制备量子阱超晶格的发展与材料科学的发展密切相关,最突出的例子就是量子阱超晶格的成功制备有赖于分子束外延技术的发展.40年来,分子束外延技术一直是薄膜技术与超晶格制备的最有力工具.当然,材料科学本身也面l临诸多问题,例如,在超晶格材料的生长过程中,如何掌握和控制不同晶面上的生长速度,如何尽快找到三维自组织生长的驱动机制.注意到完全平的界面是材料科学家追求的理想状态,因为这样的材料或器件具有更好的光电性质.而实际上,由于生长过程中的任何一种因素(比如操作程序,生长条件,材料组分及制备方法等)都可能使这种状态受到到破坏.于是寻找新的生长机制成了半导体科学和技术追求的目标之一.自从江崎和朱兆祥提出半导体超晶格概念40年来,这一领域的研究已取得了令世人瞩目的成绩.半导体超晶格概念将材料生长,晶体结构,物理效应与器件应用有机地结合起来,相互影响,相互促进,相互交叉和相互渗透,成为了当代高新技术,特别是半导体科学技术发展的一个典范.半导体超晶格材料正是基于先进的分子束外延生长技术和金属有机化合物气相沉积技术而发展起来的.3.1分子束外延技术(MBE)在超高真空条件下,将生长材料加热形成蒸气,经小孔准直后形成中性的分子束或原子束,直接喷射到具有一定温度的单晶基片上,同时控制分子束对衬底扫描,即可使分子或原子一层层地生长在基片上.该技术的特点是衬底温度低,生长速率慢,束流强度易于控制,薄膜组分和掺杂浓度容易调整.用这种技术可制备几个原子层甚至一个原子层厚的单晶薄膜和超晶格量子阱.3.2金属有机化合物气相沉积技术(MOCVD)该方法主要用于III,V族和II,VI族化合物半导体的生长.这是一种利用化学反应从气相进行晶体生长的方法.采用的原材料是金属元素有机化合物(如三甲基镓,三甲基铝等)和砷烷,磷烷等.这些源化合物在气相混合,并在680oC750下热解,在衬底上沉积.合金的组分和掺杂水平由各种气体源相对压力来控制,可用质量流计和精密阀门加以调节.用这种方法能生长出十分均匀的外延层,并已做出了高质量的InP/InGaAs激光器.现在超晶格材料的制备技术己达到误差在一个原子层以内的高精度水平.在超晶格生长过程中,如果两种材料的品格常数相同,或者失配很小(如小于0.5%),则材料的质量很好,材料中的内应力不会导致位错,如GaAs/A1GaAs体系,而寻找晶格匹配的两种材料却非常困难.但是,如果两种材料的晶格常数不匹配又会产生位错,使超晶格的性能退化.事实上,在超品格材料的生长过程中,由于晶格常数不匹配或外延条件不够理想,超晶格会出现分层或断裂,这直接同位错产生,运动,堆积和钉扎等因素有关,与系统的能量转移和释放有关.如何有效转移和释放位错能量,是保证系统稳定生长和工作的重要条件之一.对超晶格界面附近的位错动力学进行研究,可为超晶格制备提出更符合实际的物理要求,也可为进一步改善超晶格材料的性能(比如机械性能,光电性能等)提供新的思考.4我国超晶格材料的研究进展上世纪8O年代,分子束外延技术已从实验室进入工业使用阶段.各种新型超晶格量子阱器件(如量子阱激光器,激子型光学双稳器件等)相继问世.我国七五国家自然科学基金重大项目半导第1期范丽仙,等:半导体超晶格及其应用71体超晶格微结构研究在这方面取得了重大进展.我国的半导体超晶格国家重点实验室(TheStateKeyLaborat0ryforSuperlatticesandMicrostructures)也在1991年11月正式投入运行.实验室以半导体低维量子系统的物理研究为基础,以发现,研究低维量子体系中的新现象和新效应为主要目标,探索半导体低维量子功能结构在固态电子,光电子,光子器件和量子信息技术中的潜在应用,并在下列几个方面取得了重要进展:1)超晶格静压光谱研究;2)超晶格微带特性的光谱研究;3)量子线,量子点光学性质研究;4)超晶格,微结构的理论研究;5)量子阱和超晶格的拉曼散射和共振拉曼散射研究.5超晶格材料的应用超晶格的特点不仅引起了人们对相关物理现象的极大兴趣,而且还对它的可能应用更加关注.正是这种兴趣和价值驱使,使半导体电子器件,光电子器件和光子器件的研究进入了新的发展时期.5.1带隙工程根据量子尺寸效应,在量子阱或超晶格中,带隙是阱宽和势垒高度的函数,通过这两个参数可人为地改变带隙的宽度.此外,由于人工周期的引入,通过布里渊区的折叠效应,还可将间接带隙的超晶格材料变成直接带隙.这样就为半导体器件的设计以及新的光学材料的合成开辟了新的途径.5.2异质结激光器超晶格量子阱结构材料最重要的应用之一是制造多量子阱异质结激光器.量子阱激光器可分为单量子阱激光器(SQWLD)和多量子阱激光器(MQWLD).多量子阱激光器又称超晶格激光器,其有源层为GaAs和GaA1As,由两种不同材料周期生长而成(即超晶格结构),GaAs的禁带宽度=1.42eV,GaA1As的禁带宽度=2.667eV.因此在两种材料交界面上将出现能级突变,这种突变对载流子是一种势垒,能够有效地约束载流子的复合空间,加大复合几率.目前的量子阱激光器只在一个方向上限制了电子的运动,在另外两个方向上电子运动是自由的,这种系统又称为二维电子气;如果能在两个方向限制电子的运动,使之只有一个方向是自由的,称为量子线;如果电子在三个方向运动都受到限制,则称为量子点.这时电子在半导体材料中的行为,就与气体和固体类似了.这种量子阱既具有一般半导体激光器的低注入,小型化,能量转换率高的特点,又具有气体和固体激光器的能级跃迁发光的特点,可成为单色性好,温度影响小的高质量激光器件.5.3应变超晶格激光器近年来,应变超晶格激光器的研制已取得很大进展,突出特点是它的阈值电流大大降低.用掺铒(Er)的光纤放大器作为光纤通讯的中继站具有很大的优越性,因为它不需要光电转换,可直接将光信号放大,且具有高增益,低噪声,带宽,高饱和输出功率等优点.5.4光电探测器光纤通讯除需要与之相匹配的长波长激光器外,还需要有红外光电探测器.以往的光电探测器都是将Ge(或者InGaAs/InP)和Si集成电路做在各自的芯片上.而现在的探测器和si集成电路可同时集成在同一个芯片上,这样既简化了工艺,又可利用非常成熟的si工艺技术.5.5光学双稳态器件超晶格在光学器件的另一应用是制造光学双稳态器件(例如吸收性双稳态光开关等).这类光学非线性元件有可能成为光逻辑计算机中的关键元件.半导体光学双稳态器件的发展目标是小型化达微米量级,快速达皮秒量级,低功率达微瓦量级和室温条件下工作,而目前已经部分实现或正在实现.超晶格和量子阱的光学双稳元件主要是利用量子阱中激子的饱和吸收原理,其特点是响应时间快,可在室温下工作.5.6高速场效应器件72东莞理工学院2011年这是利用超晶格调制掺杂原理而制成的器件.在这种器件中,势垒区由宽能隙的掺杂材料构成,势阱区则由窄能隙的未掺杂材料构成.势阱中的输运电子和提供电子的杂质原子在空间上是分离的,因而杂质散射大大减小,电子的迁移率大大提高.5.7雪崩二极管在光通讯系统中,作为探测器的雪崩二极管(Avalanchephotodiode-APD)的重要参数之一是它的信噪比SNR.改进SNR的重要手段是使电子和空穴有不同的电离率.正好在量子阱或超晶格中,由于电子和空穴有不同的势垒高度,它们的雪崩电离率很不相同,因此,这种雪崩二极管的信噪比SNR可大大提高.5.8量子点光存储器件注意到在半导体中,如何利用电荷分离来实现信息存储的思想早就有了,最典型的例子就是光电二极管,它是利用电场将电子和空穴进行分离的.遗憾的是,利用这种方法将丢失入射光子的某些信息,比如相位,能量,和光子数等;如果利用量子点具有分立能级的特点,可以保证在信号吸收一存储一发射一读出循环过程中的能量不变和光子数守恒等.123171819202122232425参考文献MatthewsJw.DefectsinepitaxialmultilayersJ3.JCrystGrowth,1974(27):】18125.BastardG.SuperlatticebandstructureintheenvelopefunctionapproximationJ.PhysRev,1981,24(10):56935697.BastardG.TheoreticalinvestigationsofsuperlatticebandstructureintheenvelopfunctionapproximationJ.PhysRev,1982(25):75847597.OsbournGC.StrainedlayersuperlatticefromlatticemisimatchedmaterialsJ.JApplPhys,1982,53(3):15801584.YamamotoH.ResonancetunningwithmassvariationinreetangularnfoldbarrierstructuresJ.PhysStatSol,1992(169):1721.BrozakG.TunningcyclotronresonanceandtherenomalizedeffectivemassinsemiconductorbarriersJ.PhysRevLett,1990(64):471474.PeopleR.ModulationdopinginGexSilxSiStrainedlayerhetrostructureJ.JApplPhysLett,1984,45(11):12311236.BellaniV.ExperimentalevidenceofdelocalizedstatesinrandomdimersuperlatticesJ.PhysRevLett,1999,82(10):21592162.KuhlU.ExperimentalobservationofthemobilityedgeinawaveguidewithcorrelateddisorderJJ.ApplPhysLett,2000,77(5):633638.1zrailevFM,KrokhinAA,UlloaSE.MobilityEdgeinAperiodicKronigPenneyPotentialsWithCor2relatedDisorderPerlurbativeApproachJ.PhysRevB,2001(63):041102.徐光宪.物质结构M.北京:人民教育出版社,1978:237346.方俊鑫,陆栋.固体物理学M.上海:上海科技出版社,1981:135147.吴晓薇,郭子政.半导体多重直角势垒结构中的电子共振隧穿J.内蒙古师大,1994(4):3541.彭英才,ZhaoXW,傅广生.半导体物理研究的回顾与展望J.自然杂志,2005,26(6):531535.孙连亮,李树深,张荣,等.半导体物理研究新进展J.半导体,2003,24(10):13121316.RobinN,HeilandW,JensenJ,et.a1.Channelingeffectsobservedinenergyl0ssspectraofNitrogenionsscatteredoffaPt(110)sufaccJ.PhysRev2001,A,64:052901.KorolA,SolovyovAV,GreinerW.CoherentradiationofanultrarelativisticchargedparticlechannelledinaperiodicallybentcrystalJ.JPhysG.1998(24):4550.KorolA.SolovyovAV,GreinerW.PhatonemissionbyanuhrarelativistieparticlechannellinginperiodicallybentcrystalJj.IntJModPhys,1999(8):4957.徐叙珞,苏勉曾发光学与发光材料M.北京:科学出版社,2004:196199.KorolAV,SolovyovAV,GreinerW.PhotonemissionincrystallineUndulatorJ.Nuc1.1nst.andMethodsinPhysicsResearch,2008,B,266(8):11731176.KubankinAS.NasonovNN.OnthepossibilityofusingparametricXrayradiationtostadyanisotropyofacrystalmosacstructureJ.Journalofsurfaceinvestigation:Xray,SynchrotronandNeutronTechniques,2008,2(2):317320.TabriziM,KorolAV,SolovyovAV,eta1.FeasibilityofanelectronbasedcrystallineUndulatorJ.PhysRevLett,2007,98:164801164808.KomlAV,SolovyovAV,GreinerW.Channelingofpositronsthroughperiodicallybentcrystals:onFeasibilityofcrystallineUndulatorandGammaLaserJ.IntJModPhys,2004(13):867916.郭永,李有成,魏成文,等.半导体超晶格结构中的量子磁隧穿J.河北师范大学,1994(3):2831.王占国.半导体材料研究的新进展J.半导体技术,2002,27(3):213215.m第1期范丽仙,等:半导体超晶格及其应用7326戴瑛,刘东红,范一平.半导体应变超晶格及其应用J.山东师大,1995,10(4):7781.27潘炜,张晓霞.超晶