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量子阱和超晶格 2015年11月28日 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 2006 1引言 1970年IBM公司江崎 Esaki 朱兆祥 Tsu SuperlatticeandNegativeDeferentialConductivityinSemiconductors 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 12thLowTemp Phys Kyoto JapanP 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 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 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 D D为超晶格周期 A B 2超晶格和量子阱的一般描述 超晶格多量子阱能带结构示意图 多量子阱能带图 超晶格能带图 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 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 超晶格能带结构来源于两种材料禁带的变化 存在内界面 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 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 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 B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 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 2 掺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 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 3 应变超晶格初期研究超晶格材料时 除了A1xGa1 xAs GaAs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 SiGe Si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 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 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 3 1量子限制效应 quantumconfinementeffect 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 3 1量子限制效应 quantumconfinementeffect 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方向 的运动约束到一系列分裂的能级 设势能 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 x 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 3 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隧穿特性 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 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 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 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 MOSFET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 GaAs AlGaAs异质结的电子能级结构 最接近理想的二维电子系统 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 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 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1 107cm2 V s 4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 4 1吸收光谱实验 阱宽l 400nm 量子效应消失 对应于GaAs的本征吸收光谱 阱宽l 21nm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 重 轻空穴激子 GaAs Al0 2Ga0 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 4 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 4 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 4 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LD GaAs 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 5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 5 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 5 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 Nakamura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 5 1 2直腔面发射LD VECSEL verticalcavitysurfaceemittinglaser 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 EdgeEmittingLD 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 verticalcavitysurfaceemittinglaser 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 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 端面发射的常规半导体激光器 2 垂直腔面发射LD VECSEL 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 5 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 QuantumCascadeLaser 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 1 低维超晶格 量子线 量子点激光器 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 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 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 5 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 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fibertohome装置的合适光源 可见光VECSEL激光器可用于光信号存贮系统 以提高存贮密度 HudgingsJA 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 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 S