半导体超晶格和多量子阱

第九章半导体超晶格和多量子阱概述10.1超晶格和多量子阱10.2超晶格的能带10.3垂直于超晶格的电子输运10.4超晶格的光谱特性10.5超晶格和量子阱器件的最新发展10.6量子阱和超晶格，1，10.1超晶格和多量子阱概述，超晶格：Esaki和Tsu (Kawasaki和Zhu)在1969年提出了超晶格的概念假设具有不同组成或不同掺杂的两个半导体超薄层A和B交替叠加并生长在衬底上，从而在外延生长方向上形成额外的晶格周期性。当垂直衬底表面方向(垂直方向)作为Z轴时，超晶格中的电子沿Z方向的移动将受到超晶格添加的周期性势场的影响，而xy平面中的移动将不受影响。电子的动能在xy平面上是连续的。z方向上的附加周期性势场将电子的能量分成一系列子带。2，10.1超晶格和多量子阱的概述，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区别在于势垒的宽度：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，这是多量子阱的情况；当势垒足够薄以允许电子从一个量子阱隧穿到相邻的量子阱时，即量子阱彼此耦合时，最初在多个量子阱中的离散能量En扩展到能带，这是超晶格的情况。3，10.1超晶格和多量子阱的一般描述，(1)成分调制超晶格在超晶格结构中，如果超晶格的重复单元是通过堆叠不同半导体材料的薄膜而形成的，它们被称为成分超晶格。在组分超晶格中，因为构成超晶格的材料具有不同的禁带宽度，所以能带不连续性将发生在异质界面处。4，10.1超晶格和多量子阱的一般描述。根据异质结中两种材料的导带和价带的排列，异质结可分为两种类型：型异质结的：窄带材料的禁带完全落入宽带材料的禁带，Ec和Ev的符号相反。无论是电子还是空穴，窄带材料是势阱，宽带材料是势垒，即电子和空穴被限制在同一种材料中。载流子复合发生在窄带材料的一侧。砷化镓/GaAs和铟镓砷/铟磷属于这一类。5，10.1超晶格和多量子阱的一般描述，类型ii异质结(Ec和Ev具有相同的符号)，分为两种类型：*类型ii a超晶格：材料1具有比材料2更低的导带和价带，并且禁带是交错的。材料1是电子势阱，材料2是空穴势阱。电子和空穴被限制在两种材料中，例如GaAs/阿拉斯超晶格。6，10.1超晶格和多量子阱概述，B类超晶格：窄带材料的带隙交错变大，导带底部和价带顶部都位于宽带材料的价带中，有金属化现象，如InAs/GaSb模式B模式晶格。7，10.1超晶格和多量子阱的一般描述，(2)通过在同一半导体中交替掺杂类型制造的新型人工周期半导体结构的掺杂调制超晶格材料。8，10.2超晶格、10.2.1GaAs-AlxGa1-xAs超晶格、10 . 2 . 2 NaS-GaSb型超晶格、10.2.3HgTe-CdTe超晶格、10.2.5掺杂超晶格、9，10.2.1GaAs-AlxGa1-xAs超晶格以及界面具有突变异质结的GaAs-AlxGa1-xAs超晶格的导带和价带是一系列方形陷阱。假设势垒和势阱的宽度相同，两者都是D。当势垒宽度D逐渐减小时，能级从高到低扩展到能带。这种情况类似于原子形成晶体的过程。10，10.2.1GaAs-AlxGa1-xAs supe这种逐渐的变化表明，垂直于结方向的电子能量不再是一个离散的能级，而是扩展成一个能带。12，10 . 2 . 2 NaS-GaSb型晶格，II型超晶格，如图10.12所示。GaSb价带中的电子可以进入InAs的导带，在边界形成带弯曲。积聚在界面两侧的电子和空穴将在界面上形成一个强偶极层(图10.12)。13，10 . 2 . 2 NaS-GaSb模式晶格，Sai-Halas 3360等人计算了InAs-GaSb模式晶格的子带结构，如图10.13所示。在图中，E1和E2是电子的子带，HH1-HH4是重空穴的子带，LH1和LH2是轻空穴的子带。14、硅和锗的价带顶部位于布里渊区的中心K=0，价带是简并的(如果一个能级对应于一个以上的能级，则称之为简并能级，属于同一能级的不同态的数目称为能级的简并)。由于能带简并，硅和锗有两种有效质量不同的空穴，有效质量较高的称为重空穴，有效质量较低的称为轻空穴。重空穴和轻空穴在硅和锗的性质中起着重要的作用。计算表明，超晶格的子带结构与超晶格的周期有很大的关系。如图10.14所示，当周期增加时，超晶格的禁带逐渐减小，当周期达到170时，超晶格从半导体性质变为半金属性质。16，10 . 2 . 2 InAs-GaSb-模式B-模式晶格，由于InAs的导带和GaSb的价带相互交错，InAs-GaSb异质结本来应该具有半金属特性。然而，由于周期的减少，在形成超晶格之后，电子的子带的能量远离导带的底部上升，并且空穴的子带的能量也远离价带的顶部并且不再相互交错。因此，一旦系统变成半金属，由于GaSb价带中的电子转移到InAs导带，将发生强的能带弯曲。17，10 . 2 . 3碲镉汞超晶格中，碲镉汞的禁带宽度接近于0，而碲镉汞和碲镉汞的能带位置使e 0。图10.15是通过有效质量近似方法计算的CdTe-HgTe超晶格4K中当k/=0时电子和轻空穴和重空穴子带的能量与CdTe层厚度d2之间的关系。当d2逐渐增大时，电子的最低子带E1和空穴的最高子带HH1相交于d250。18，10 . 2 . 3碲镉汞超晶格。图10.16显示了d1=2d2、d2和d2/2时的计算结果。纵坐标由超晶格的禁带宽度Eg=E1-赫勒更清楚地表示。这两幅图表明，只有当超晶格的周期小于一定值时，CdTe-HgTe超晶格才具有半导体特性，当周期大于该值时，超晶格将具有半金属特性。19，10.2.4应变层超晶格，如果异质对的晶格匹配不好，界面上会出现位错，这将严重影响量子阱的性能。然而，如果超晶格的每一层的厚度足够薄，尽管存在一定程度的晶格失配，只要失配不超过7%9%，界面上的应力可以将两侧的晶格扭曲在一起而不产生缺陷。这个超晶格被称为应变层超晶格。由于应力的影响，平行于超晶格两层材料界面方向的晶格常数将发生变化，并趋于一个共同的晶格常数a/。/将由以下公式确定：20，10.2.4应变层超晶格。图10.19是通过有效质量近似方法计算的GaAsxP1-x-GaP应变层超晶格的禁带宽度、GaP层厚度和GaAsxP1-x三元合金的晶格常数之间的关系(晶格常数与组成成比例)。改变各组分下GaP层的厚度可以改变超晶格的禁带宽度。21，10.2.5掺杂超晶格，掺杂超晶格不是异质结超晶格，它是通过掺杂具有周期性变化的相同材料而形成的。在N型层中具有ND浓度的供体带正电，而在P型层中具有NA浓度的受体带负电，形成势阱23，10.3垂直于超晶格的电子输运。在一维双势垒量子阱结构中，电子几乎可以在没有反射的情况下隧穿到势垒的左侧和左侧，而其他能量的电子将被反射回来并且不能通过。这种现象被称为共振隧穿效应。图10.23是隧穿概率和电子能量之间的关系。24，10.3垂直于超晶格方向的电子传输，如图10.25所示，在两端有两个高度掺杂的GaAs层作为电极，其中电子的费米能级为EF。垂直于超晶格方向的25，10.3电子输运。双屏障和三屏障系统的计算结果如图10.26所示。伏安特性是一系列峰。第一峰值的位置对应于电极上费米能级与第一子带底部的对准。垂直于超晶格方向的电子输运。在图10.27的双势垒结构中，势垒的左侧和右侧分别相对于量子阱VEB和VCB偏置。图10.27显示了电流和VEB之间的关系，其中VCB是参数。所有上述计算表明，在超晶格结构的伏安特性曲线上存在负电阻区，势垒的高度和厚度越大，负电阻越大。这种结构可以用作振荡器。27、负阻振荡器、和、和、和、和、和、和、和、和、和、和、和、和、和、和、和、和、和、和此外，美国政府将继续加强与伊朗在核武器领域的合作，包括核武器、核武器和核武器。此外，美国政府将继续加强与美国在核武器领域的合作。对于负载：对于电源：可见，电源相当于回路中的负电阻，其值等于回路中的负载电阻。物理本质是负载消耗的功率等于电源提供的功率。或者具有负电阻特性的电路可以提供负载消耗的功率。电源为，r，v-，I、I，v，o、1/r、-1/r、31、负阻振荡器、由于负阻器件只连接到环路的两端，负阻振荡器也被称为“双端振荡器”。正功率意味着能量消耗，负功率意味着能量产生。在某些条件下，负阻器件不仅不消耗交流能量，还向外部电路提供交流能量。当然，交流能量不存在于负阻器件中，而是从DC能量中获得，该能量通过利用其能量转换特性来确保电路工作。因此，负阻振荡器也是一种能量转换器。在上述伏安特性计算中，垂直于超晶格方向的32，10.3电子输运忽略了GaAs和铝镓砷之间有效电子质量的差异。事实上，这种差异对势阱中子带底部的位置有明显的影响。考虑到GaAs和AlxGa1-xAs电子之间的m差异，对于外加电压下势垒形状的变化，假设了两种模型，一种是倾斜势垒模型，如图10.30所示。另一个模型是平底模型，如图10.32所示。在外加电压下，两侧的势垒高度不相等，但势阱底部是平的。垂直于超晶格方向的33，10.3电子传输和垂直于超晶格方向的34，10.3电子传输。从这些图中可以看出，当施加的电压增加时，35，10.4超晶格的光谱特性，10.4.1吸收光谱实验10.4.2激子光谱10.4.3激子的饱和吸收10.4.4室温荧光特性10.4.5其他光谱特性，36，10.4超晶格的光谱特性，光谱特性是研究半导体材料(包括块体材料和量子阱材料)中电子能带结构的有力工具。吸收光谱通过改变入射光的波长来测量样品的透射率，并从吸收峰的位置和强度来检测电子能级的位置和相对密度。荧光光谱是用较高能量的固定波长的光(hEg)照射样品，并测量发射的荧光光谱。稳定荧光光谱反映了能带边缘或杂质能级的分布，时间分辨荧光光谱也能反映载流子的弛豫过程。激发光谱用于改变激发光的波长，并测量固定波长的荧光强度。37，10.4.1吸收光谱实验，丁格尔早在1975年就用光吸收实验证明了从多量子阱到超晶格的转变过程。图10.39(a)是8个单量子阱结构的吸收光谱。吸收光谱中1.615和1.637eV处的两个峰分别与量子阱中n=1的重空穴和轻空穴子带到n=1的电子子带的跃迁完全相等。在图底部标记的黑白矩形条是理论计算的峰值位置，黑色代表重空穴，白色代表轻空穴。38，10.4.1吸收光谱实验，图10.39(b)是具有六个周期的双量子阱的GaAs-铝0.19镓0.81砷结构的吸收光谱。从图中可以清楚地看到两个势阱之间电子能级的耦合。n=1的电子和空穴能级被分裂，在吸收光谱中