08章IIIV族多元合物半导体汇总课件.ppt

半导体材料半导体材料第八章　第八章　III－－V族多元合物半导体族多元合物半导体8-1　异质结与晶格失配根据半导体单晶材料的导电类型根据半导体单晶材料的导电类型异质结异质结{反型异质结反型异质结：导电类型相反：导电类型相反同型异质结同型异质结：导电类型相同：导电类型相同反型反型：：p-nGe-GaAs 或或 (p)Ge-(n)GaAs, n-pGe-GaAs 或或 (n)Ge-(p)GaAs, p-nGe-Si, p-nSi-GaAs, p-nSi-ZnS, p-nGaAs-GaP, n-pGe-GaAs 等等异质结异质结：两种不同的半导体单晶材料组成的结：两种不同的半导体单晶材料组成的结同型同型：：n-nGe-GaAs 或或 (n)Ge-(n)GaAs, p-pGe-GaAs 或或 (p)Ge-(p)GaAs, n-nGe-Si, n-nSi-GaAs, p-pSi-GaP, p-pPbS-Ge 等等理理理理想想想想的的的的异异异异质质质质结结结结应应应应是是是是突突突突变变变变的的的的，，，，但但但但实实实实际际际际上上上上一一一一般般般般的的的的外外外外延延延延生生生生长长长长方方方方法法法法制制制制备备备备的的的的异异异异质质质质结结结结，，，，常常常常常常常常是是是是具具具具有有有有一一一一定定定定厚厚厚厚度度度度的的的的缓缓缓缓变变变变区区区区( (过渡区过渡区过渡区过渡区) )，会影响异质结的某些特性。

会影响异质结的某些特性会影响异质结的某些特性会影响异质结的某些特性利利利利用用用用MBEMBE，，，，MOVPEMOVPE，，，，ALEALE等等等等外外外外延延延延技技技技术术术术可可可可以以以以生生生生长长长长过过过过渡区很窄或突变的异质结渡区很窄或突变的异质结渡区很窄或突变的异质结渡区很窄或突变的异质结MOVPEMOVPE反反反反应应应应器器器器中中中中气气气气体体体体流流流流速速速速快快快快，，，，可可可可以以以以迅迅迅迅速速速速改改改改变变变变多多多多元元元元化化化化合合合合物物物物组组组组分分分分和和和和杂杂杂杂质质质质浓浓浓浓度，从而可以使杂质分布陡峭一些，过渡层薄度，从而可以使杂质分布陡峭一些，过渡层薄度，从而可以使杂质分布陡峭一些，过渡层薄度，从而可以使杂质分布陡峭一些，过渡层薄MBEMBE生生生生长长长长速速速速度度度度低低低低(0.1-1nm/s)(0.1-1nm/s)，，，，利利利利用用用用快快快快门门门门可可可可精精精精密密密密地地地地控控控控制制制制掺掺掺掺杂杂杂杂、、、、组组组组分分分分和和和和厚厚厚厚度，是一种原子级的生长技术，有利于生长多层异质结构度，是一种原子级的生长技术，有利于生长多层异质结构度，是一种原子级的生长技术，有利于生长多层异质结构度，是一种原子级的生长技术，有利于生长多层异质结构在器件，特别是光电器件的设计和制做中常利用异质结的以下特性：在器件，特别是光电器件的设计和制做中常利用异质结的以下特性：在器件，特别是光电器件的设计和制做中常利用异质结的以下特性：在器件，特别是光电器件的设计和制做中常利用异质结的以下特性：ØØ　　　　　　　　由低阻衬底和含有器件的有源区的外延层构成的同型异质结，衬由低阻衬底和含有器件的有源区的外延层构成的同型异质结，衬由低阻衬底和含有器件的有源区的外延层构成的同型异质结，衬由低阻衬底和含有器件的有源区的外延层构成的同型异质结，衬底与外延层的交界面在无源区，衬底只起到支撑外延层的作用。

底与外延层的交界面在无源区，衬底只起到支撑外延层的作用底与外延层的交界面在无源区，衬底只起到支撑外延层的作用底与外延层的交界面在无源区，衬底只起到支撑外延层的作用ØØ　　同型异质结在靠近有源区处能提供一个带隙较高的透明层，可消　　同型异质结在靠近有源区处能提供一个带隙较高的透明层，可消　　同型异质结在靠近有源区处能提供一个带隙较高的透明层，可消　　同型异质结在靠近有源区处能提供一个带隙较高的透明层，可消除复合速度很高的自由表面，而异质结界面则起到钝化作用除复合速度很高的自由表面，而异质结界面则起到钝化作用除复合速度很高的自由表面，而异质结界面则起到钝化作用除复合速度很高的自由表面，而异质结界面则起到钝化作用ØØ　　　　　　　　同型异质结也能形成限制载流子的势垒，可缩短载流子的扩散长同型异质结也能形成限制载流子的势垒，可缩短载流子的扩散长同型异质结也能形成限制载流子的势垒，可缩短载流子的扩散长同型异质结也能形成限制载流子的势垒，可缩短载流子的扩散长度，从而减少了复合区宽度度，从而减少了复合区宽度度，从而减少了复合区宽度度，从而减少了复合区宽度ØØ　　异型异质结可利用改变两侧禁带宽度的相对大小来提高电子或空　　异型异质结可利用改变两侧禁带宽度的相对大小来提高电子或空　　异型异质结可利用改变两侧禁带宽度的相对大小来提高电子或空　　异型异质结可利用改变两侧禁带宽度的相对大小来提高电子或空穴的注入效率。

穴的注入效率穴的注入效率穴的注入效率ØØ　　　　　　　　同型和异型异质结都能提供一个折射率阶跃，形成光波导的界面同型和异型异质结都能提供一个折射率阶跃，形成光波导的界面同型和异型异质结都能提供一个折射率阶跃，形成光波导的界面同型和异型异质结都能提供一个折射率阶跃，形成光波导的界面ØØ　　同型异质结还可以为形成金属化欧姆接触提供一个禁带宽度小　　同型异质结还可以为形成金属化欧姆接触提供一个禁带宽度小　　同型异质结还可以为形成金属化欧姆接触提供一个禁带宽度小　　同型异质结还可以为形成金属化欧姆接触提供一个禁带宽度小 的的的的称作称作称作称作“ “盖层盖层盖层盖层” ”的材料层的材料层的材料层的材料层异质的能带突变异质结的两边是不同的半导体材料，则禁带不同，从面在异质结的两边是不同的半导体材料，则禁带不同，从面在异质结的两边是不同的半导体材料，则禁带不同，从面在异质结的两边是不同的半导体材料，则禁带不同，从面在异质结处就存在导带的突变量异质结处就存在导带的突变量异质结处就存在导带的突变量异质结处就存在导带的突变量△△△△EcEc和价带的突变量和价带的突变量和价带的突变量和价带的突变量△△△△EvEv。

这些能带突变量是表征异质结的重要物理量对异质结处的这些能带突变量是表征异质结的重要物理量对异质结处的这些能带突变量是表征异质结的重要物理量对异质结处的这些能带突变量是表征异质结的重要物理量对异质结处的应用有很重要的影响应用有很重要的影响应用有很重要的影响应用有很重要的影响典型的能带突变形式典型的能带突变形式典型的能带突变形式典型的能带突变形式1 1、禁带交叉式、禁带交叉式、禁带交叉式、禁带交叉式2 2、禁带错开式、禁带错开式、禁带错开式、禁带错开式3 3、禁带不交接、禁带不交接、禁带不交接、禁带不交接能带突变的应用能带突变的应用是多方面的：能带突变的应用是多方面的：1 1、可以产生热电子、可以产生热电子2 2、可形成使电子反射的势垒、可形成使电子反射的势垒3 3、、提提供供一一定定厚厚度度和和高高度度的的势势垒垒，，当当势势垒垒很很薄薄时时，，电电子子可可以以隧隧穿穿，，势势垒垒较较厚厚时时，，只只有有那那些些能能量量比比势势垒高度大的电子才能越过垒高度大的电子才能越过4 4、、造造成成一一定定浓浓度度和和宽宽度度的的势势阱阱，，束束缚缚电电子子于于其其中中，，当当势势阱阱宽宽度度小小于于电电子子的的de de brogliebroglie波波长长时时，，阱阱中中的的电子将处于一系列量子化能级上（即量子势阱）电子将处于一系列量子化能级上（即量子势阱）晶格失配在异质外延层和衬底或相邻的两个外延层之间，在异质外延层和衬底或相邻的两个外延层之间，在异质外延层和衬底或相邻的两个外延层之间，在异质外延层和衬底或相邻的两个外延层之间，如果存在晶格常数的差异，称之为如果存在晶格常数的差异，称之为如果存在晶格常数的差异，称之为如果存在晶格常数的差异，称之为晶格失配晶格失配晶格失配晶格失配。

晶格失配率：晶格失配率：晶格失配率：晶格失配率：其中：其中：其中：其中：f f为为为为失配率失配率失配率失配率( (度度度度) )，，，，a a1 1和和和和a a2 2分别为外延层材料分别为外延层材料分别为外延层材料分别为外延层材料和衬底材料的晶格常数和衬底材料的晶格常数和衬底材料的晶格常数和衬底材料的晶格常数晶格失配的影响 晶格失配的存在，常给器件制做和性能带来不利的影响，因此在晶格失配的存在，常给器件制做和性能带来不利的影响，因此在晶格失配的存在，常给器件制做和性能带来不利的影响，因此在晶格失配的存在，常给器件制做和性能带来不利的影响，因此在外延时，外延时，外延时，外延时，一般都尽量限制和降低晶格失配的影响一般都尽量限制和降低晶格失配的影响一般都尽量限制和降低晶格失配的影响一般都尽量限制和降低晶格失配的影响 要想使两种晶格常数不同的材料在原子尺寸范围内达到相互近似匹要想使两种晶格常数不同的材料在原子尺寸范围内达到相互近似匹要想使两种晶格常数不同的材料在原子尺寸范围内达到相互近似匹要想使两种晶格常数不同的材料在原子尺寸范围内达到相互近似匹配，只有在晶格处于弹性应变状态，即在两种晶格交界面附件的每个配，只有在晶格处于弹性应变状态，即在两种晶格交界面附件的每个配，只有在晶格处于弹性应变状态，即在两种晶格交界面附件的每个配，只有在晶格处于弹性应变状态，即在两种晶格交界面附件的每个原子偏离其正常位置时才能实现。

原子偏离其正常位置时才能实现原子偏离其正常位置时才能实现原子偏离其正常位置时才能实现当这种应变较大时，即存储在晶体当这种应变较大时，即存储在晶体当这种应变较大时，即存储在晶体当这种应变较大时，即存储在晶体中的应变能量足够大时，将通过在界面处形成位错而释放，所形成的中的应变能量足够大时，将通过在界面处形成位错而释放，所形成的中的应变能量足够大时，将通过在界面处形成位错而释放，所形成的中的应变能量足够大时，将通过在界面处形成位错而释放，所形成的位错称为位错称为位错称为位错称为失配位错失配位错失配位错失配位错实验表明，在异质结外延层中，晶格失配引起的实验表明，在异质结外延层中，晶格失配引起的实验表明，在异质结外延层中，晶格失配引起的实验表明，在异质结外延层中，晶格失配引起的位错密度可达位错密度可达位错密度可达位错密度可达10107 7-10-108 8/cm/cm2 2，甚至达到，甚至达到，甚至达到，甚至达到10101010/cm/cm2 2如果发光器件的有源如果发光器件的有源如果发光器件的有源如果发光器件的有源区中有如此高密度的位错，其发光效率将大大降低区中有如此高密度的位错，其发光效率将大大降低。

区中有如此高密度的位错，其发光效率将大大降低区中有如此高密度的位错，其发光效率将大大降低减少办法：减少办法：减少办法：减少办法：(1) (1) 临界厚度法临界厚度法临界厚度法临界厚度法 (2)(2)界面缓变法界面缓变法界面缓变法界面缓变法 (3) (3) 组分突变法组分突变法组分突变法组分突变法(4) (4) 生长应变超晶格生长应变超晶格生长应变超晶格生长应变超晶格晶格失配不利影响的消除办法(1) )临界厚度法临界厚度法临界厚度法临界厚度法在在在在异异异异质质质质外外外外延延延延生生生生长长长长时时时时，，，，应应应应变变变变能能能能是是是是随随随随着着着着外外外外延延延延层层层层的的的的厚厚厚厚度度度度增增增增加加加加而而而而增增增增加加加加的的的的通通通通常常常常把把把把外外外外延延延延层层层层即即即即将将将将释释释释放放放放应应应应变变变变能能能能形形形形成成成成失失失失配配配配位位位位错错错错时时时时的的的的厚厚厚厚度度度度称称称称为为为为“ “临临临临界界界界厚厚厚厚度度度度” ”因因因因此此此此在在在在进进进进行行行行异异异异质质质质外外外外延延延延生生生生长长长长时时时时，，，，如如如如果果果果其其其其厚厚厚厚度度度度不不不不超超超超过过过过临临临临界界界界厚厚厚厚度度度度，，，，则则则则外外外外延延延延层层层层是是是是完完完完整整整整的的的的，，，，没没没没有有有有失失失失配配配配位位位位错。

错特点：特点：特点：特点：制备的外延层无位错，但外延层厚度较小制备的外延层无位错，但外延层厚度较小制备的外延层无位错，但外延层厚度较小制备的外延层无位错，但外延层厚度较小晶格失配不利影响的消除办法(2) (2) 缓变法缓变法缓变法缓变法 在在在在异异异异质质质质外外外外延延延延生生生生长长长长时时时时，，，，缓缓缓缓慢慢慢慢地地地地改改改改变变变变其其其其多多多多元元元元化化化化合合合合物物物物的的的的组组组组分分分分，，，，使使使使晶晶晶晶格格格格常常常常数数数数逐逐逐逐渐渐渐渐变变变变化化化化到到到到要要要要求求求求值值值值即即即即在在在在生生生生长长长长一一一一组组组组分分分分缓缓缓缓变变变变的的的的过过过过渡渡渡渡层层层层后后后后再再再再生生生生长长长长所所所所要要要要求求求求的的的的恒恒恒恒定定定定组组组组分分分分层层层层这这这这种种种种方方方方法法法法虽虽虽虽然然然然不不不不能能能能消消消消除除除除失失失失配配配配位位位位错错错错，，，，但但但但能能能能有有有有效效效效的的的的将将将将位位位位错错错错分分分分散散散散到到到到比比比比较较较较厚厚厚厚的的的的外外外外延延延延层层层层中中中中，，，，使使使使外外外外延延延延层层层层横横横横截截截截面面面面内内内内的的的的平平平平均均均均位位位位错错错错密密密密度度度度下下下下降降降降，，，，从从从从而而而而改改改改善善善善那那那那些些些些利利利利用外延层表面制作的器件的性能。

用外延层表面制作的器件的性能用外延层表面制作的器件的性能用外延层表面制作的器件的性能特点：特点：特点：特点：外延层厚，分散位错外延层厚，分散位错外延层厚，分散位错外延层厚，分散位错(3) (3) 组分突变法组分突变法组分突变法组分突变法　　　　　　　　　　　　在在在在液液液液相相相相外外外外延延延延生生生生长长长长时时时时发发发发现现现现，，，，如如如如果果果果是是是是晶晶晶晶格格格格失失失失配配配配材材材材料料料料生生生生长长长长时时时时，，，，外外外外延延延延层层层层中中中中的的的的位位位位错错错错密密密密度度度度通通通通常常常常只只只只是是是是衬衬衬衬底底底底1/3~1/101/3~1/10，，，，这这这这是是是是因因因因为为为为许许许许多多多多位位位位错错错错有拐弯有拐弯有拐弯有拐弯进入交界面进入交界面进入交界面进入交界面的倾向　　　　　　　　　　　　根根根根据据据据这这这这一一一一现现现现象象象象，，，，在在在在外外外外延延延延生生生生长长长长时时时时，，，，不不不不是是是是一一一一次次次次生生生生长长长长出出出出厚厚厚厚的的的的外外外外延延延延层层层层，，，，而而而而是是是是生生生生长长长长几几几几个个个个不不不不同同同同厚厚厚厚度度度度的的的的薄薄薄薄外外外外延延延延层层层层，，，，利利利利用用用用两两两两层层层层间间间间的的的的交交交交界界界界面面面面，，，，使部分位错拐弯，使部分位错拐弯，使部分位错拐弯，使部分位错拐弯，降低外延层表面的位错密度降低外延层表面的位错密度降低外延层表面的位错密度降低外延层表面的位错密度。

特特特特点点点点：：：：生生生生长长长长几几几几层层层层外外外外延延延延层层层层，，，，将将将将位位位位错错错错转转转转移移移移到到到到层层层层界界界界面面面面，，，，降降降降低低低低表表表表面面面面位位位位错错错错密度密度密度密度需需需需注注注注意意意意的的的的是是是是：：：：如如如如果果果果所所所所生生生生长长长长的的的的多多多多层层层层厚厚厚厚度度度度较较较较厚厚厚厚时时时时，，，，处处处处在在在在压压压压应应应应变变变变状状状状态态态态( (即即即即衬衬衬衬底底底底晶晶晶晶格格格格常常常常数数数数小小小小于于于于外外外外延延延延层层层层时时时时) )，，，，这这这这种种种种方方方方法法法法有有有有效效效效反反反反之之之之，，，，处处处处于于于于伸张状态伸张状态伸张状态伸张状态，不但位错密度不能降低，反而还会增加不但位错密度不能降低，反而还会增加不但位错密度不能降低，反而还会增加不但位错密度不能降低，反而还会增加 8-5 超晶格与量子阱半半半半导导导导体体体体超超超超晶晶晶晶格格格格------是是是是利利利利用用用用超超超超薄薄薄薄层层层层生生生生长长长长技技技技术术术术制制制制备备备备的的的的一一一一种种种种新新新新型型型型的的的的人人人人工工工工材料。

材料江江江江崎崎崎崎玲玲玲玲于于于于奈奈奈奈(Leo (Leo Esaki)Esaki)，，，，朱朱朱朱兆兆兆兆祥祥祥祥等等等等于于于于19691969年年年年提提提提出出出出半半半半导导导导体体体体超超超超晶晶晶晶格格格格的概念 江江江江崎崎崎崎从从从从实实实实验验验验中中中中发发发发现现现现半半半半导导导导体体体体的的的的隧隧隧隧道道道道现现现现象象象象，，，，并并并并提提提提出出出出超超超超晶晶晶晶格格格格的的的的概概概概念念念念，，，，与与与与约约约约瑟瑟瑟瑟夫夫夫夫森森森森一一一一起起起起分分分分享享享享了了了了19731973年年年年的的的的诺诺诺诺贝贝贝贝尔尔尔尔物物物物理理理理学学学学奖奖奖奖( (约约约约瑟瑟瑟瑟夫夫夫夫森森森森理理理理论论论论上预言了通过隧道阻挡层的超电流的性质上预言了通过隧道阻挡层的超电流的性质上预言了通过隧道阻挡层的超电流的性质上预言了通过隧道阻挡层的超电流的性质) )由由由由于于于于半半半半导导导导体体体体超超超超晶晶晶晶格格格格具具具具有有有有很很很很多多多多体体体体材材材材料料料料不不不不具具具具备备备备的的的的特特特特性性性性和和和和广广广广阔阔阔阔的的的的应应应应用用用用前前前前景景景景，，，，深深深深受受受受人人人人们们们们的的的的重重重重视视视视。

3030多多多多年年年年来来来来，，，，在在在在超超超超晶晶晶晶格格格格物物物物理理理理、、、、材材材材料料料料制制制制备备备备、、、、特特特特性性性性检检检检测测测测与与与与分分分分析析析析及及及及在在在在器器器器件件件件制制制制做做做做方方方方面面面面的的的的应应应应用用用用等等等等都都都都发发发发展展展展得得得得十十十十分分分分迅迅迅迅速速速速，，，，取得了惊人的成果，成为当今半导体科学最活跃的领域之一取得了惊人的成果，成为当今半导体科学最活跃的领域之一取得了惊人的成果，成为当今半导体科学最活跃的领域之一取得了惊人的成果，成为当今半导体科学最活跃的领域之一超晶格超超晶晶格格是是一一种种新新型型结结构构的的半半导导体体化化合合物物，，它它是是由由两两种种极极薄薄的的不不同同材材料料的的半半导导体体单单晶晶薄薄膜膜周周期期性性地地交交替替生生长长的的多多层层异异质质结结构构，，每层薄膜一般含几个以至几十个原子层每层薄膜一般含几个以至几十个原子层由由于于这这种种特特殊殊结结构构，，半半导导体体超超晶晶格格中中的的电电子子(或或空空穴穴)能能量量将将出出现现新新的的量量子子化化现现象象，，以以致产生许多新的物理性质。

致产生许多新的物理性质半导体超晶格与多量子阱半导体超晶格与多量子阱 相邻两层不同材料的厚度的和称为相邻两层不同材料的厚度的和称为相邻两层不同材料的厚度的和称为相邻两层不同材料的厚度的和称为超晶格的周期长度超晶格的周期长度超晶格的周期长度超晶格的周期长度，，，，一般来说这个周期长度比各层单晶的晶格常数大几倍或更一般来说这个周期长度比各层单晶的晶格常数大几倍或更一般来说这个周期长度比各层单晶的晶格常数大几倍或更一般来说这个周期长度比各层单晶的晶格常数大几倍或更长，因此这种结构获得了长，因此这种结构获得了长，因此这种结构获得了长，因此这种结构获得了“ “超晶格超晶格超晶格超晶格” ”的名称 由于这两种材料的禁带宽度不同，则其能带结构出现由于这两种材料的禁带宽度不同，则其能带结构出现由于这两种材料的禁带宽度不同，则其能带结构出现由于这两种材料的禁带宽度不同，则其能带结构出现了势阱和势垒称窄禁带材料厚度为了势阱和势垒称窄禁带材料厚度为了势阱和势垒称窄禁带材料厚度为了势阱和势垒称窄禁带材料厚度为阱宽阱宽阱宽阱宽L Lww，宽禁带材料，宽禁带材料，宽禁带材料，宽禁带材料厚度为厚度为厚度为厚度为垒宽垒宽垒宽垒宽L LB B，而，而，而，而L Lww+L+LB B就是周期长度。

当这两种薄层材就是周期长度当这两种薄层材就是周期长度当这两种薄层材就是周期长度当这两种薄层材料的厚度和周期长度小于电子平均自由程时，整个电子系料的厚度和周期长度小于电子平均自由程时，整个电子系料的厚度和周期长度小于电子平均自由程时，整个电子系料的厚度和周期长度小于电子平均自由程时，整个电子系统进入了量子领域，产生统进入了量子领域，产生统进入了量子领域，产生统进入了量子领域，产生量子尺寸效应量子尺寸效应量子尺寸效应量子尺寸效应这时夹在两个垒层间的阱就是这时夹在两个垒层间的阱就是这时夹在两个垒层间的阱就是这时夹在两个垒层间的阱就是量子阱量子阱量子阱量子阱 用用用用两两两两种种种种禁禁禁禁带带带带宽宽宽宽度度度度不不不不同同同同的的的的材材材材料料料料A A和和和和B B构构构构成成成成两两两两个个个个距距距距离离离离很很很很近近近近的的的的背背背背靠靠靠靠背背背背的的的的异异异异质质质质结结结结，，，，A/B/AA/B/A，，，，若若若若材材材材料料料料B B是是是是窄窄窄窄禁禁禁禁带带带带半半半半导导导导体体体体，，，，且且且且其其其其导导导导带带带带底底底底低低低低于于于于材材材材料料料料A A的的的的导导导导带带带带底底底底，，，，则则则则当当当当其其其其厚厚厚厚度度度度，，，，亦亦亦亦即即即即这这这这两两两两个个个个背背背背靠靠靠靠背背背背的的的的异异异异质质质质结结结结的的的的距距距距离离离离小小小小于于于于电电电电子子子子的的的的平平平平均均均均自自自自由由由由程程程程（（（（约约约约100nm100nm）））），，，，电电电电子子子子即即即即被被被被约约约约束束束束在在在在材材材材料料料料B B中中中中，，，，形形形形成成成成以以以以材材材材料料料料A A为为为为电电电电子子子子势势势势垒垒垒垒，，，，B B为为为为电电电电子势阱的子势阱的子势阱的子势阱的量子阱量子阱量子阱量子阱。

　　　　若若若若材材材材料料料料B B的的的的价价价价带带带带顶顶顶顶也也也也高高高高于于于于A A的的的的价价价价带带带带顶顶顶顶，，，，则则则则该该该该结结结结构构构构同同同同时时时时也也也也是是是是材料材料材料材料A A为空穴势垒，为空穴势垒，为空穴势垒，为空穴势垒，B B为空穴势阱的为空穴势阱的为空穴势阱的为空穴势阱的量子阱量子阱量子阱量子阱EgzEv1 Ev2 Ec2 Ec1图2　　由于两种材料的禁带宽度不　　由于两种材料的禁带宽度不同而引起的沿薄层交替生长方向同而引起的沿薄层交替生长方向（（z方向）的附加周期势分布中方向）的附加周期势分布中的势阱称为的势阱称为量子阱量子阱　　量子阱中电子与块状晶体中　　量子阱中电子与块状晶体中电子具有完全不同的性质，即表电子具有完全不同的性质，即表现出量子尺寸效应，量子阱阱壁现出量子尺寸效应，量子阱阱壁能起到有效的限制作用，使阱中能起到有效的限制作用，使阱中的载流子失去了垂直于阱壁方向的载流子失去了垂直于阱壁方向（（z方向）的自由度，只在平行方向）的自由度，只在平行于阱壁平面（于阱壁平面（xy面）内有两个面）内有两个自由度，故常称此量子系统为自由度，故常称此量子系统为二二维电子气维电子气。

GaAs和和AlAs交替叠合而成的半导体超晶格交替叠合而成的半导体超晶格多量子阱和超晶格的区别多量子阱和超晶格的区别多量子阱和超晶格都是连续周期排列的异质结构材料，区别多量子阱和超晶格都是连续周期排列的异质结构材料，区别多量子阱和超晶格都是连续周期排列的异质结构材料，区别多量子阱和超晶格都是连续周期排列的异质结构材料，区别在于势垒在于势垒在于势垒在于势垒的厚度和高度的厚度和高度的厚度和高度的厚度和高度不同：不同：不同：不同：当当当当势垒厚度（宽带隙材料的厚度）势垒厚度（宽带隙材料的厚度）势垒厚度（宽带隙材料的厚度）势垒厚度（宽带隙材料的厚度）>20nm>20nm和势垒高度大于和势垒高度大于和势垒高度大于和势垒高度大于0.5eV0.5eV时，时，时，时，那么多个阱中的电子行为如同单个阱中电子行为的总和，这种结构材那么多个阱中的电子行为如同单个阱中电子行为的总和，这种结构材那么多个阱中的电子行为如同单个阱中电子行为的总和，这种结构材那么多个阱中的电子行为如同单个阱中电子行为的总和，这种结构材料称为料称为料称为料称为多量子阱多量子阱多量子阱多量子阱，它适合制做低阈值，锐谱线的发光器件它适合制做低阈值，锐谱线的发光器件。

它适合制做低阈值，锐谱线的发光器件它适合制做低阈值，锐谱线的发光器件如果如果如果如果势垒比较薄或高度比较低势垒比较薄或高度比较低势垒比较薄或高度比较低势垒比较薄或高度比较低，由于隧道效应，使阱中电子隧穿势垒，由于隧道效应，使阱中电子隧穿势垒，由于隧道效应，使阱中电子隧穿势垒，由于隧道效应，使阱中电子隧穿势垒的几率变得很大，势阱中分立的子能级就形成了具有一定宽度的子能的几率变得很大，势阱中分立的子能级就形成了具有一定宽度的子能的几率变得很大，势阱中分立的子能级就形成了具有一定宽度的子能的几率变得很大，势阱中分立的子能级就形成了具有一定宽度的子能带，这种材料称为带，这种材料称为带，这种材料称为带，这种材料称为超晶格超晶格超晶格超晶格，它适于制备大功率的发光器件它适于制备大功率的发光器件它适于制备大功率的发光器件它适于制备大功率的发光器件量子阱的应用量子阱红外探测器量子阱红外探测器　　　　阱阱材材料料的的子子带带中中有有两两个个子子能能带带，，即即基基态态E1和和第第一一激激发发态态E2 ，，在在材材料料生生长长过过程程中中利利用用掺掺杂杂型型半半导导体体．．使使子子带带阱阱中中基基态态上上具具有有一一定定的的二二维维电电子子密密度度，， 当当入入射射辐辐射射光光子子能能量量为为hω照照射射到到器器件件接接收收面面上上时时，，E1上上的的电电子子将将被被光光子子激激发发到到E2态态，，并并隧隧穿穿势势阱阱壁壁形形成成热热电电子子，，以以致致形形成成与入射光强度成正比的电信号。

与入射光强度成正比的电信号　　　　这这种种新新型型、、快快速速、、灵灵敏敏的的红红外外探探测测器器具具有有灵灵活活性性大大、、响响应应速速度度快快、、量量子子效效率率高高、、结结构构简简明明等等优优点点量量子子阱阱红红外外探探测测器器还还具具有有材材料料均均匀匀性性好好稳稳定定性性好好，，重重复复性性好好及及质质高高价价廉廉等等优优点点，，其其发发展展速速度度特特别别快快这这种种新新型型量量子子阱阱探探测测器器的的问问世世，，大大大大促促进进了了大大规规模模集集成成、、光光学学逻逻辑辑电电路路、、红红外外成成像像技技术术的的发发展展量量子子阱阱红红外外探探测测器器对对红红外外物物理理、、红红外外光光电电子子学学及及其应用领域带来了革命性的发展其应用领域带来了革命性的发展组分超晶格目目目目前前前前已已已已设设设设计计计计制制制制备备备备出出出出多多多多种种种种超超超超晶晶晶晶格格格格结结结结构构构构，，，，主主主主要要要要有有有有组组组组分分分分超超超超晶晶晶晶格格格格、、、、掺掺掺掺杂杂杂杂超晶格、多维超晶格，应变超晶格超晶格、多维超晶格，应变超晶格超晶格、多维超晶格，应变超晶格超晶格、多维超晶格，应变超晶格。

如如如如果果果果超超超超晶晶晶晶格格格格材材材材料料料料的的的的一一一一个个个个重重重重复复复复单单单单元元元元是是是是由由由由两两两两种种种种不不不不同同同同材材材材料料料料的的的的薄薄薄薄层层层层构构构构成，则称为成，则称为成，则称为成，则称为组分超晶格组分超晶格组分超晶格组分超晶格 在在在在组组组组分分分分超超超超晶晶晶晶格格格格中中中中，，，，由由由由于于于于组组组组成成成成的的的的材材材材料料料料具具具具有有有有不不不不同同同同的的的的电电电电子子子子亲亲亲亲和和和和势势势势和和和和禁禁禁禁带带带带宽宽宽宽度度度度，，，，在在在在异异异异质质质质界界界界面面面面处处处处发发发发生生生生能能能能带带带带不不不不连连连连续续续续，，，，根根根根据据据据不不不不同同同同材材材材料料料料的的的的电电电电子子子子亲亲亲亲和和和和势势势势的的的的差差差差可可可可以以以以确确确确定定定定导导导导带带带带的的的的不不不不连连连连续续续续能能能能量量量量值值值值△ △ △ △E Ec c，，，，再再再再考考考考虑虑虑虑禁禁禁禁带带带带宽宽宽宽度度度度，，，，就就就就可可可可以以以以确确确确定定定定价价价价带带带带不不不不连连连连续续续续值值值值△ △ △ △E Ev v，，，，。

这这这这样样样样超超超超晶晶晶晶格格格格从从从从能能能能带带带带结构上来划分可分为三种类型结构上来划分可分为三种类型结构上来划分可分为三种类型结构上来划分可分为三种类型 按按异异质质结结中中两两种种材材料料导导带带和和价价带带的的对对准准情情况况，，江江崎崎把把异异质质结分为结分为三类三类：： ⅠⅠ型型异异质质结结: : 窄窄带带材材料料的的禁禁带带完完全全落落在在宽宽带带材材料料的的禁禁带带中中，，ΔEcΔEc和和ΔEvΔEv的的符符号号相相反反不不论论对对电电子子还还是是空空穴穴，，窄窄带带材材料料都都是是势势阱阱，，宽宽带带材材料料都都是是势势垒垒，，即即电电子子和和空空穴穴被被约约束束在在同同一一材材料料中中载流子复合发生在窄带材料一侧载流子复合发生在窄带材料一侧GaAlAs/GaAsGaAlAs/GaAs和和InGaAsP/InPInGaAsP/InP都属于这一种都属于这一种ⅡⅡ型异质结型异质结（（ΔEcΔEc和和ΔEvΔEv的符号相同），的符号相同），分两种：分两种：* *ⅡAⅡA类类超超晶晶格格：：材材料料1 1的的导导带带和和价价带带都都比比材材料料2 2的的低低，，禁禁带带是是错错开开的的。

材材料料1 1是是电电子子的的势势阱阱，，材材料料2 2是是空空穴穴的的势势阱阱电电子子和和空空穴穴分分别别约约束束在在两两材材料料中中超超晶晶格格具具有有间间接接带带隙隙的的特特点点，，跃跃迁几率小，如迁几率小，如GaAs/AlAsGaAs/AlAs超晶格ⅡBⅡB类类超超晶晶格格：：禁禁带带错错开开更更大大, ,窄窄带带材材料料的的导导带带底底和和价价带带顶顶都都位位于于宽宽带带材材料料的的价价带带中中，，有有金金属属化化现现象象，，如如InAs/GaSb InAs/GaSb 超晶格ⅢⅢ类类超超晶晶格格：：其其中中一一种种材材料料具具有有零零带带隙隙组组成成超超晶晶格格后后，，由由于它的电子有效质量为负，将形成界面态于它的电子有效质量为负，将形成界面态典型的例子是典型的例子是HgTe/CdTeHgTe/CdTe超晶格 一、组分超晶格的制备一、组分超晶格的制备一、组分超晶格的制备一、组分超晶格的制备 制备组分超晶格时应满足如下的要求：制备组分超晶格时应满足如下的要求：制备组分超晶格时应满足如下的要求：制备组分超晶格时应满足如下的要求： (1)(1)组组组组分分分分超超超超晶晶晶晶格格格格是是是是超超超超薄薄薄薄层层层层异异异异质质质质周周周周期期期期排排排排列列列列结结结结构构构构，，，，因因因因此此此此制制制制备备备备时时时时生生生生长长长长速速速速率率率率应应应应能精确地控制，以保证各层厚度的重复性；能精确地控制，以保证各层厚度的重复性；能精确地控制，以保证各层厚度的重复性；能精确地控制，以保证各层厚度的重复性； (2)(2)异异异异质质质质界界界界面面面面应应应应该该该该平平平平坦坦坦坦，，，，粗粗粗粗糙糙糙糙度度度度低低低低，，，，组组组组分分分分变变变变化化化化陡陡陡陡峭峭峭峭。

这这这这就就就就要要要要求求求求生生生生长长长长时时时时源源源源的的的的变变变变化化化化要要要要快快快快，，，，且且且且在在在在保保保保证证证证晶晶晶晶体体体体质质质质量量量量的的的的条条条条件件件件下下下下，，，，生生生生长长长长温温温温度度度度尽尽尽尽可可可可能能能能的的的的低低低低，，，，以防止层间组分的互扩散；以防止层间组分的互扩散；以防止层间组分的互扩散；以防止层间组分的互扩散； (3)(3)晶格完整性要好，失配度小，失配位错少，表面形貌要好；晶格完整性要好，失配度小，失配位错少，表面形貌要好；晶格完整性要好，失配度小，失配位错少，表面形貌要好；晶格完整性要好，失配度小，失配位错少，表面形貌要好； (4)(4)各层化合物组分控制要精确，特别是多元化合物的组分还应均匀；各层化合物组分控制要精确，特别是多元化合物的组分还应均匀；各层化合物组分控制要精确，特别是多元化合物的组分还应均匀；各层化合物组分控制要精确，特别是多元化合物的组分还应均匀； (5)(5)如果需要掺杂，掺杂量及其均匀分布也应精确控制如果需要掺杂，掺杂量及其均匀分布也应精确控制。

如果需要掺杂，掺杂量及其均匀分布也应精确控制如果需要掺杂，掺杂量及其均匀分布也应精确控制 从从从从上上上上述述述述的的的的要要要要求求求求来来来来看看看看，，，，目目目目前前前前可可可可用用用用来来来来制制制制备备备备超超超超晶晶晶晶格格格格的的的的方方方方法法法法主主主主要要要要是是是是MBEMBE、、、、MOVPEMOVPE、、、、CBECBE和和和和ALEALE等1. 分子束外延技术分子束外延技术MBEMolecular beam epitaxy2. 金属有机化合物汽相沉积技术（金属有机化合物汽相沉积技术（MOCVD)Matal organic compound chemical vapor deposition生长GaInAs／InP超晶格的程序 (1)(1)装入衬底后系统抽真空，通装入衬底后系统抽真空，通装入衬底后系统抽真空，通装入衬底后系统抽真空，通H H2 2并恒压在并恒压在并恒压在并恒压在1×101×104 4PaPa，，，， (2)(2)升温至升温至升温至升温至300300℃℃℃℃，通，通，通，通PHPH3 3保护保护保护保护InPInP衬底不分解。

衬底不分解衬底不分解衬底不分解 (3)(3)继续升温至继续升温至继续升温至继续升温至650 650 ℃℃℃℃ ，在继续通，在继续通，在继续通，在继续通PHPH3 3的条件下，处理的条件下，处理的条件下，处理的条件下，处理InPInP衬底约衬底约衬底约衬底约10min10min (4)(4)降降降降温温温温至至至至625625～～～～630 630 ℃℃℃℃ ，，，，通通通通TMInTMIn并并并并调调调调整整整整PHPH3 3流流流流量量量量，，，，在在在在InPInP衬衬衬衬底底底底上上上上生生生生长长长长一一一一层层层层InPInP缓缓缓缓冲层 (5) (5) 按按按按预预预预先先先先试试试试验验验验获获获获得得得得条条条条件件件件交交交交替替替替生生生生长长长长GalnAsGalnAs层层层层和和和和InPInP层层层层，，，，在在在在两两两两层层层层交交交交换换换换生生生生长长长长时时时时，，，，可可可可以采用中断生长工艺，直到生长到预计的阱层、垒层数为止以采用中断生长工艺，直到生长到预计的阱层、垒层数为止以采用中断生长工艺，直到生长到预计的阱层、垒层数为止。

以采用中断生长工艺，直到生长到预计的阱层、垒层数为止 (6)(6)最后一般生长一层约最后一般生长一层约最后一般生长一层约最后一般生长一层约0 0．．．．2μm2μm的的的的InPInP盖层 (7)(7)在在在在继继继继续续续续通通通通PHPH3 3的的的的条条条条件件件件降降降降温温温温至至至至300300℃℃℃℃，，，，停停停停止止止止通通通通PHPH3 3，，，，直直直直到到到到降降降降至至至至室室室室温温温温，，，，停停停停止止止止通通通通H H2 2，通高纯，通高纯，通高纯，通高纯N N2 2并调整反应室气压为常压，开炉取片并调整反应室气压为常压，开炉取片并调整反应室气压为常压，开炉取片并调整反应室气压为常压，开炉取片GalnAsGalnAs／／／／InPInP量子阱结构的组分、层厚及界面的控制量子阱结构的组分、层厚及界面的控制量子阱结构的组分、层厚及界面的控制量子阱结构的组分、层厚及界面的控制生生生生长长长长超超超超晶晶晶晶格格格格的的的的关关关关键键键键在在在在于于于于严严严严格格格格控控控控制制制制阱阱阱阱和和和和垒垒垒垒层层层层的的的的厚厚厚厚度度度度、、、、组组组组分分分分及及及及界界界界面面面面的的的的陡陡陡陡度度度度，，，，下面介绍在生长工艺上所采取的措施。

下面介绍在生长工艺上所采取的措施下面介绍在生长工艺上所采取的措施下面介绍在生长工艺上所采取的措施 (1)(1)中中中中断断断断生生生生长长长长，，，，从从从从上上上上面面面面叙叙叙叙述述述述的的的的生生生生长长长长GalnAsGalnAs／／／／InPInP超超超超晶晶晶晶格格格格程程程程序序序序可可可可知知知知，，，，阱阱阱阱层层层层GaInAsGaInAs两两两两侧侧侧侧都都都都终终终终止止止止于于于于AsAs原原原原子子子子面面面面，，，，在在在在实实实实际际际际生生生生长长长长中中中中，，，，很很很很难难难难从从从从生生生生长长长长InPInP的的的的气气气气氛氛氛氛突突突突变变变变到到到到生生生生长长长长GaInAsGaInAs组组组组分分分分，，，，反反反反之之之之也也也也是是是是如如如如此此此此，，，，结结结结果果果果造造造造成成成成界界界界面面面面的的的的GalnAsGalnAs层层层层中中中中有有有有P P，，，，在在在在InPInP中中中中有有有有AsAs，，，，用用用用通通通通常常常常连连连连续续续续生生生生长长长长的的的的GaInAsGaInAs／／／／InPInP超超超超晶晶晶晶格格格格结结结结构构构构，，，，用用用用TEMTEM可可可可以以以以观观观观察察察察到到到到界界界界面面面面处处处处的的的的过过过过渡渡渡渡区区区区，，，，尤尤尤尤其其其其是是是是由由由由GalnAsGalnAs到到到到InPInP的的的的界界界界面面面面的的的的过过过过渡渡渡渡区区区区较较较较大大大大，，，，PLPL谱谱谱谱( (光光光光荧荧荧荧光光光光谱谱谱谱) )谱谱谱谱线线线线峰峰峰峰的的的的半半半半高高高高度度度度较较较较宽宽宽宽，，，，且且且且峰峰峰峰值值值值能能能能量量量量移移移移动动动动比比比比预预预预期期期期的的的的大大大大。

为为为为了了了了改改改改善善善善这这这这种种种种情情情情况况况况，，，，采采采采用用用用了了了了中中中中断断断断生生生生长长长长的的的的方方方方法 中中中中断断断断生生生生长长长长指指指指的的的的是是是是，，，，在在在在生生生生长长长长异异异异质质质质界界界界面面面面时时时时，，，，切切切切断断断断ⅢⅢⅢⅢ族族族族源源源源，，，，停停停停止止止止一一一一段段段段生生生生长长长长时时时时间间间间后后后后，，，，再再再再输输输输入入入入ⅢⅢⅢⅢ族族族族源源源源开开开开始始始始后后后后续续续续外外外外延延延延层层层层生生生生长长长长在在在在中中中中断断断断生生生生长长长长时时时时，，，，既既既既可可可可以以以以不不不不通通通通V V族族族族源源源源( (只只只只通通通通H2)H2)，，，，也也也也可可可可以以以以根根根根据据据据需需需需要要要要分分分分别别别别通通通通入入入入不不不不同同同同的的的的V V族族族族源源源源人人人人们们们们进进进进行行行行过过过过很很很很多多多多实实实实验验验验研研研研究究究究工工工工作作作作，，，，结结结结论论论论是是是是，，，，为为为为了了了了生生生生长长长长界界界界面面面面质质质质量量量量较较较较好好好好的的的的超超超超晶晶晶晶格格格格结构，选择合适的短时间的中断方式是必要的。

结构，选择合适的短时间的中断方式是必要的结构，选择合适的短时间的中断方式是必要的结构，选择合适的短时间的中断方式是必要的 (2)(2)组组组组分分分分的的的的控控控控制制制制由由由由于于于于阱阱阱阱层层层层很很很很薄薄薄薄，，，，直直直直接接接接进进进进行行行行组组组组分分分分分分分分析析析析比比比比较较较较困困困困难难难难，，，，因因因因此此此此关关关关于于于于超超超超晶晶晶晶格格格格的的的的组组组组分分分分控控控控制制制制的的的的数数数数据据据据主主主主要要要要是是是是从从从从研研研研究究究究一一一一般般般般微微微微米米米米级级级级厚厚厚厚度度度度外外外外延延延延层层层层的的的的数数数数据据据据外外外外推推推推得得得得来来来来的的的的如如如如在在在在生生生生长长长长GalnAsGalnAs时时时时，，，，通通通通常常常常认认认认为为为为固固固固相相相相中中中中GaGa／／／／InIn与与与与气气气气相中的相中的相中的相中的p pTMGTMG／／／／p pTMInTMIn相关，即相关，即相关，即相关，即 p pTMGTMG／／／／p pTMIn TMIn = x(1-x)/c= x(1-x)/c式式式式中中中中比比比比例例例例常常常常数数数数c=1c=1／／／／3 3，，，，它它它它是是是是由由由由测测测测量量量量晶晶晶晶格格格格匹匹匹匹配配配配的的的的GalnAsGalnAs／／／／InPInP材材材材料料料料的的的的X X射射射射线线线线衍衍衍衍射射射射图图图图中中中中零零零零级级级级卫卫卫卫星星星星峰峰峰峰和和和和衬衬衬衬底底底底峰峰峰峰之之之之间间间间的的的的角角角角间间间间距距距距求求求求出出出出的的的的。

当当当当然然然然也也也也可可可可以以以以用用用用位位位位置置置置灵灵灵灵敏敏敏敏的的的的原原原原子子子子探探探探针针针针或或或或飞飞飞飞行行行行时时时时间间间间质质质质谱谱谱谱仪仪仪仪等等等等特特特特殊殊殊殊的的的的微微微微区区区区分分分分析析析析仪仪仪仪进进进进行行行行组组组组分分分分分分分分析析析析，，，，然然然然后后后后在在在在工工工工艺艺艺艺上上上上采采采采取取取取措措措措施施施施控控控控制制制制组组组组分分分分如如如如调调调调整整整整IIIIII／／／／IllIll比比比比，，，，可可可可调调调调整整整整x x值值值值；；；；加加加加大大大大气气气气流流流流流流流流速速速速，，，，采采采采用用用用低低低低压压压压生生生生长长长长，，，，设设设设计计计计合合合合适适适适的的的的反反反反应应应应室室室室等等等等来来来来改改改改进进进进组组组组分分分分的均匀性等的均匀性等的均匀性等的均匀性等(3)(3)阱阱阱阱层层层层厚厚厚厚度度度度的的的的控控控控制制制制在在在在一一一一定定定定生生生生长长长长条条条条件件件件下下下下，，，，外外外外延延延延层层层层的的的的厚厚厚厚度度度度等等等等于于于于生生生生长长长长速速速速率率率率与与与与时时时时间间间间和和和和乘乘乘乘积积积积。

生生生生长长长长速速速速率率率率通通通通常常常常是是是是由由由由微微微微米米米米级级级级外外外外延延延延层层层层生生生生长长长长求求求求得得得得的的的的，，，，实实实实验验验验表表表表明明明明，，，，这这这这个个个个生生生生长长长长速速速速率率率率也也也也适适适适用用用用于于于于极极极极薄薄薄薄层层层层的的的的厚厚厚厚度度度度控控控控制制制制尽尽尽尽管管管管有有有有的的的的实实实实验验验验结结结结果果果果显显显显示示示示出出出出在在在在连连连连续续续续生生生生长长长长一一一一系系系系列列列列不不不不同同同同阱阱阱阱层层层层厚厚厚厚度度度度材材材材料料料料时时时时，，，，在在在在生生生生长长长长每每每每个个个个阱阱阱阱的的的的初初初初期期期期，，，，生生生生长长长长速速速速率率率率有有有有一一一一个个个个超超超超过过过过正正正正常常常常体体体体材材材材料料料料生生生生长长长长速速速速率率率率3 3～～～～4 4倍倍倍倍的的的的速速速速率率率率极极极极大大大大值值值值，，，，然然然然后后后后才才才才能能能能稳稳稳稳定定定定到到到到正正正正常常常常值值值值但但但但目目目目前前前前人人人人们们们们在在在在实实实实际际际际生生生生长长长长中中中中仍仍仍仍然然然然采采采采用用用用在在在在固固固固定定定定生生生生长长长长条条条条件下，严格控制生长时间的方法，来控制厚度。

件下，严格控制生长时间的方法，来控制厚度件下，严格控制生长时间的方法，来控制厚度件下，严格控制生长时间的方法，来控制厚度 (4)(4)超超超超晶晶晶晶格格格格结结结结构构构构的的的的界界界界面面面面应应应应该该该该是是是是平平平平直直直直光光光光滑滑滑滑的的的的，，，，界界界界面面面面平平平平直直直直光光光光滑滑滑滑与与与与否否否否和和和和生生生生长长长长时时时时晶晶晶晶体体体体成成成成核核核核机机机机制制制制、、、、衬衬衬衬底底底底质质质质量量量量及及及及生生生生长长长长中中中中断断断断方方方方式式式式有有有有关关关关衬衬衬衬底底底底应应应应高高高高度度度度平平平平整整整整、、、、光光光光洁洁洁洁，，，，生生生生长长长长时时时时应应应应控控控控制制制制在在在在层层层层状状状状生生生生长长长长，，，，防防防防止止止止岛岛岛岛状状状状生生生生长长长长并并并并且且且且采采采采用用用用合合合合适适适适中中中中断断断断生生生生长长长长工工工工艺艺艺艺，，，，以以以以防防防防止止止止界界界界面面面面处处处处组组组组分分分分的的的的互互互互掺掺掺掺等等等等界界界界面面面面的的的的特特特特性性性性可可可可利利利利用用用用PLPL谱谱谱谱和和和和X X射射射射线双晶衍射技术来研究。

线双晶衍射技术来研究线双晶衍射技术来研究线双晶衍射技术来研究掺杂超晶格掺杂超晶格 在在同同一一种种半半导导体体中中，，用用交交替替地地改改变变掺掺杂杂类类型型的的方方法法做做成成的的新型人造周期性半导体结构的材料新型人造周期性半导体结构的材料优点优点: :(1)(1)任任何何一一种种半半导导体体材材料料只只要要很很好好控制掺杂类型都可以做成超晶格控制掺杂类型都可以做成超晶格2)(2)多多层层结结构构的的完完整整性性非非常常好好，，由由于于掺掺杂杂量量一一般般较较小小，，所所以以杂杂质质引引起起的的晶晶格格畸畸变变也也较较小小因因此此，，掺掺杂杂超超晶晶格格中中没没有有像像组组分分超超晶晶格格那那样明显的异质界面样明显的异质界面3) (3) 掺掺杂杂超超晶晶格格的的有有效效能能隙隙可可以以具具有有从从零零到到未未调调制制的的基基体体材材料料能能量量隙隙之之间间的的任任何何值值，，取取决决于于对对各各分层厚度和掺杂浓度的选择分层厚度和掺杂浓度的选择掺杂超晶格掺杂超晶格利利用用电电离离杂杂质质中中心心产产生生的的静静电电势势在在晶晶体体中中形形成成周周期期性性变变化化的势，例如的势，例如n-i-n-in-i-n-i结构超晶格。

结构超晶格多维超晶格多维超晶格 一一维维超超晶晶格格与与体体单单晶晶比比较较具具有有许许多多不不同同的的性性质质，，这这些些特特点点来来源源于于它它把把电电子子和和空空穴穴限限制制在在二二维维平平面面内内而而产产生生量量子子力力学学效效应应进进一一步步发发展展这这种种思思想想，，把把载载流流子子再再限限制制在在低低维维空空间间中中，，可可能能会会出出现现更更多多的的新新的的光光电电特特性性用用MBEMBE法法生生长长多多量量子子阱阱结结构构或或单单量量子阱结构，通过光刻技术和化学腐蚀制成量子线、量子点子阱结构，通过光刻技术和化学腐蚀制成量子线、量子点GaNGaN和和ZnOZnO量子阱的应用量子阱的应用发光二极管（发光二极管（LEDLED））激光器（激光器（LDLD））ZnOZnO量子阱的激光发射领域的研究进展量子阱的激光发射领域的研究进展19981998年，年，TangTang等报道了生长在蓝宝石（等报道了生长在蓝宝石（00010001）上的）上的ZnOZnO外延层室温下产生的激光外延层室温下产生的激光发射，产生激光的阈值仅为发射，产生激光的阈值仅为24 kW/cm224 kW/cm2。

图图1 1））20002000年，年，OhtomoOhtomo等报道了生长在晶格匹配等报道了生长在晶格匹配ScAlMgO4ScAlMgO4衬底上的衬底上的ZnO/Zn1-xMgxOZnO/Zn1-xMgxO超晶格超晶格高于室温（高于室温（373 K373 K）的受激发射，所需的阈值泵浦能量极低（）的受激发射，所需的阈值泵浦能量极低（11 kW/cm211 kW/cm2）20072007年，年，RyuRyu等研制出等研制出ZnO/ZnBeOZnO/ZnBeO薄膜型激光二极管，薄膜型激光二极管，首次报道了首次报道了ZnO MQWsZnO MQWs的紫外电的紫外电注入激光发射注入激光发射最近，最近，SadofevSadofev等报道了等报道了ZnCdO/(Zn,Mg)OZnCdO/(Zn,Mg)O量子阱结构量子阱结构在光泵浦下的室温激光行为在光泵浦下的室温激光行为图（图2 2））图图1图图2ZnO/ZnBeOZnO/ZnBeO量子阱量子阱LEDLEDRyuRyu等首次报道了采用混合束沉积等首次报道了采用混合束沉积（（HBDHBD）技术生长出以）技术生长出以ZnO/ZnBeO ZnO/ZnBeO MQWMQW作为有源层的作为有源层的ZnO LEDZnO LED。

ZnO/ZnMgO ZnO/ZnMgO 量子阱量子阱LEDLEDGaNGaN性能与应用性能与应用应用应用• •信号灯信号灯 • •汽车前照灯汽车前照灯• •固体光源固体光源• •高容量存储器高容量存储器• •激光打印激光打印• •液晶显示屏等液晶显示屏等GaNGaN量子阱研究进展量子阱研究进展19961996年又成功研制了电注入条件下蓝宝石衬底的年又成功研制了电注入条件下蓝宝石衬底的InGaNInGaN多量子阱结构多量子阱结构蓝光蓝光LDLD，实现了直到当时为止最短波长的半导体实现了直到当时为止最短波长的半导体两年后，该小组在两年后，该小组在GaNGaN衬底上生长了寿命达衬底上生长了寿命达到到10104 4小时以上，峰值波长为小时以上，峰值波长为410nm410nm，输出功，输出功率为率为smwsmw的的InGaN/GaN/AIGaNInGaN/GaN/AIGaN蓝紫光多量子阱蓝紫光多量子阱LDLD19991999年初，日亚公司宣布开始商用化生产年初，日亚公司宣布开始商用化生产输出功率为输出功率为smwsmw，峰值波长为，峰值波长为400nm400nm的蓝紫的蓝紫光光LDLD，并在，并在20012001年开始批量生产以作为下年开始批量生产以作为下一代一代DVDDVD光盘的光源。

光盘的光源19951995年，年，NakamuraNakamura带领日亚研究小组采用带领日亚研究小组采用InGaN/AlGaNInGaN/AlGaN单量子结构单量子结构，通过改，通过改变变InGaNInGaN中中InIn的组分含量实现了蓝紫光、蓝光、绿光和黄光的组分含量实现了蓝紫光、蓝光、绿光和黄光LEDLED最近，采用最近，采用InAlGaNInAlGaN四元合金多量子阱四元合金多量子阱，，提高了提高了GaN LEDGaN LED深紫外发光效率结构右深紫外发光效率结构右图所示 初初期期研研究究超超晶晶格格材材料料时时，，除除了了A1A1x xGaGa1-x1-xAsAs／／GaAsGaAs体体系系以以外，对其他物质形成的超晶格的研究工作不多外，对其他物质形成的超晶格的研究工作不多原原因因：：晶晶格格常常数数相相差差很很大大，，会会引引起起薄薄膜膜之之间间产产生生失失配配位位错错而而得不到良好质量的超晶格材料得不到良好质量的超晶格材料解解决决方方法法：：当当多多层层薄薄膜膜的的厚厚度度十十分分薄薄时时，，在在晶晶体体生生长长时时反反而而不不容容易易产产生生位位错错即即，，在在弹弹性性形形变变限限度度之之内内的的超超薄薄膜膜中中，，晶晶格格本本身身发发生生应应变变而而阻阻止止缺缺陷陷的的产产生生。

因因此此，，巧巧妙妙地地利利用用这这种种性性质质，，可可制制备备出出晶晶格格常常数数相相差差较较大大的的两两种种材材料料所所形形成成的的应应变变超晶格SiGeSiGe／／SiSi是是典典型型应应变变超超晶晶格格材材料料，，随随着着能能带带结结构构的的变变化化，，载载流流子子的的有有效效质质量量可可能能变变小小，，可可提提高高载载流流子子的的迁迁移移率率，，可可做做出出比一般比一般SiSi器件更高速工作的电子器件器件更高速工作的电子器件8-6 应变超晶格应变超晶格由由由由于于于于应应应应变变变变超超超超晶晶晶晶格格格格中中中中原原原原组组组组成成成成材材材材料料料料晶晶晶晶格格格格常常常常数数数数不不不不同同同同，，，，在在在在异异异异质质质质晶晶晶晶体体体体生生生生长长长长时时时时受受受受应应应应变变变变的的的的影影影影响响响响，，，，所所所所以以以以应应应应变变变变超超超超晶晶晶晶格格格格中中中中的的的的晶晶晶晶格格格格常常常常数数数数与与与与原组成材料是不一样的，如图原组成材料是不一样的，如图原组成材料是不一样的，如图原组成材料是不一样的，如图8 8．．．．2121所示在在在在生生生生长长长长超超超超晶晶晶晶格格格格时时时时形形形形成成成成与与与与两两两两种种种种原原原原材材材材料料料料界界界界面面面面垂垂垂垂直直直直和和和和平平平平行行行行的的的的新新新新晶晶晶晶格格格格常常常常数数数数，，，，其其其其中中中中对对对对晶晶晶晶体体体体特特特特性性性性起起起起重重重重要要要要作作作作用用用用的的的的是是是是与与与与界界界界面面面面平平平平行行行行的的的的晶晶晶晶格格格格常常常常数数数数，，，，其其其其值值值值可可可可由下式求得。

由下式求得由下式求得由下式求得 式式中中，，ai，，Gi，，hi分分别别为为原原材材料料的的晶晶格格常常数数、、刚刚性性系系数数、、薄薄层层厚厚度度；；f为为晶晶格格失失配配度度，，由由f值值的的正正、、负负可可知知应应变变超超晶晶格格属属于于压压缩缩应应变变和和伸伸张张应应变变超超晶晶格格例例如如，，对对InxGa1-xAs／／InP来来说说，，这这两两种种材材料料间间有有一一个个晶晶格格匹匹配配点点，，x=0.53当当z>0.53时时f>0产产生生压压缩缩应应变变；；x<0.53时时f<0为为伸伸张张应应变变，，所所以以，，利利用用InxGa1-xAs／／InP体系，可以生长伸张应变、压缩应变和补偿应变超晶格体系，可以生长伸张应变、压缩应变和补偿应变超晶格8-7 能带工程　　　　超超晶晶格格量量子子阱阱结结构构的的主主要要特特征征是是，，载载流流子子(电电子子或或空空穴穴)的的运运动动在在生生长长方方向向上上受受到到限限制制因因此此，，量量子子阱阱的的光光电电性质不同于体材料而呈现出许多新特点性质不同于体材料而呈现出许多新特点　　　　利利用用不不同同材材料料，，可可以以使使带带隙隙发发生生变变化化(比比如如变变大大、、变变小小，，甚甚至至为为零零)，，有有效效质质量量的的各各向向异异性性也也可可以以差差几几个个量量级级，，子子能能带带的的带带隙隙也也可可以以随随意意调调节节，，这这就就孕孕育育着着一一系系列列新新器器件件的的产产生生由由于于人人工工材材料料的的特特点点可可以以人人为为控控制制，，设设计计新新型型半半导导体超晶格结构又称为体超晶格结构又称为“人工能带工程人工能带工程”。

能带工程半导体光电子器件的发展和性能的提高与半导体材料的几何空间和能量空间(K空间)的设计和制备是分不开的，通常把这种设计称为“能带工程”其基本内容大体上可分为带隙工程、带结构工程和带偏移工程带隙工程 带带带带隙隙隙隙工工工工程程程程亦亦亦亦称称称称为为为为量量量量子子子子尺尺尺尺寸寸寸寸工工工工程程程程或或或或能能能能带带带带裁裁裁裁剪剪剪剪工工工工程程程程，，，，指指指指将将将将不不不不同同同同带带带带隙隙隙隙材材材材料料料料在量子尺寸内人工进行异质、匹配，有序生长成新结构材料在量子尺寸内人工进行异质、匹配，有序生长成新结构材料在量子尺寸内人工进行异质、匹配，有序生长成新结构材料在量子尺寸内人工进行异质、匹配，有序生长成新结构材料　　　　这这这这种种种种新新新新材材材材料料料料中中中中具具具具有有有有许许许许多多多多对对对对光光光光电电电电子子子子器器器器件件件件和和和和光光光光子子子子集集集集成成成成回回回回路路路路有有有有益益益益的的的的特特特特性性性性如如如如量量量量子子子子阱阱阱阱结结结结构构构构的的的的量量量量子子子子尺尺尺尺寸寸寸寸效效效效应应应应，，，，使使使使量量量量子子子子阱阱阱阱结结结结构构构构材材材材料料料料的的的的状状状状态态态态密密密密度度度度由由由由体体体体材材材材料料料料的的的的抛抛抛抛物物物物线线线线形形形形变变变变为为为为台台台台阶阶阶阶状状状状。

这这这这种种种种改改改改变变变变使使使使半半半半导导导导体体体体量量量量子子子子阱阱阱阱结结结结构构构构激激激激光光光光器器器器的的的的性性性性能与一般结构半导体激光器相比有很大的改善：能与一般结构半导体激光器相比有很大的改善：能与一般结构半导体激光器相比有很大的改善：能与一般结构半导体激光器相比有很大的改善： ①①①①使量子阱结构激光器有较低的阈值电流密度和阈值电流使量子阱结构激光器有较低的阈值电流密度和阈值电流使量子阱结构激光器有较低的阈值电流密度和阈值电流使量子阱结构激光器有较低的阈值电流密度和阈值电流 ②②②②状状状状态态态态密密密密度度度度台台台台阶阶阶阶状状状状分分分分布布布布，，，，使使使使量量量量子子子子阱阱阱阱激激激激光光光光器器器器比比比比普普普普通通通通结结结结构构构构激激激激光光光光器器器器有有有有更更更更窄窄窄窄的增益谱，高的调制速率，窄的线宽的增益谱，高的调制速率，窄的线宽的增益谱，高的调制速率，窄的线宽的增益谱，高的调制速率，窄的线宽 ③③③③在在在在量量量量子子子子阱阱阱阱激激激激光光光光器器器器的的的的有有有有源源源源区区区区中中中中，，，，电电电电子子子子( (空空空空穴穴穴穴) )状状状状态态态态密密密密度度度度台台台台阶阶阶阶状状状状，，，，限限限限制制制制了注入载流子热扩散效应，因此，量子阱激光器的温度特性好。

了注入载流子热扩散效应，因此，量子阱激光器的温度特性好了注入载流子热扩散效应，因此，量子阱激光器的温度特性好了注入载流子热扩散效应，因此，量子阱激光器的温度特性好带结构工程 带隙工程的基本点是带隙工程的基本点是带隙工程的基本点是带隙工程的基本点是通过超薄层匹配外延生长通过超薄层匹配外延生长通过超薄层匹配外延生长通过超薄层匹配外延生长技术在实空间实现带隙的人工裁剪技术在实空间实现带隙的人工裁剪技术在实空间实现带隙的人工裁剪技术在实空间实现带隙的人工裁剪在整体上获在整体上获在整体上获在整体上获得优良特性但它没有涉及能带结构的人工改变得优良特性但它没有涉及能带结构的人工改变得优良特性但它没有涉及能带结构的人工改变得优良特性但它没有涉及能带结构的人工改变　　　　能带结构工程能带结构工程能带结构工程能带结构工程则是通过量子阱超晶格材料的设则是通过量子阱超晶格材料的设则是通过量子阱超晶格材料的设则是通过量子阱超晶格材料的设计和生长，实现能带的人工改性计和生长，实现能带的人工改性计和生长，实现能带的人工改性计和生长，实现能带的人工改性应变超晶格应变超晶格应变超晶格应变超晶格是是是是其重要代表。

在应变超晶格中，应力能引起能带其重要代表在应变超晶格中，应力能引起能带其重要代表在应变超晶格中，应力能引起能带其重要代表在应变超晶格中，应力能引起能带结构的变化，特别是对价带的影响更大结构的变化，特别是对价带的影响更大结构的变化，特别是对价带的影响更大结构的变化，特别是对价带的影响更大 　　　　　　　　带带带带结结结结构构构构工工工工程程程程也也也也给给给给材材材材料料料料带带带带来来来来很很很很多多多多有有有有用用用用的的的的特特特特性性性性，，，，例例例例如如如如，，，，由由由由于于于于应应应应变变变变的的的的引引引引入入入入，，，，使使使使通通通通常常常常的的的的量量量量子子子子阱阱阱阱结结结结构构构构激激激激光光光光器器器器的的的的能能能能带带带带结结结结构构构构发发发发生生生生变变变变化化化化，，，，更更更更加加加加接接接接近近近近理理理理想想想想的的的的半半半半导导导导体体体体激激激激光光光光器器器器的的的的能能能能带带带带结结结结构构构构，，，，使使使使应应应应变变变变量量量量子子子子阱阱阱阱结结结结构构构构半半半半导导导导体体体体激光器的性能比一般量子阱结构的性能又有提高激光器的性能比一般量子阱结构的性能又有提高激光器的性能比一般量子阱结构的性能又有提高激光器的性能比一般量子阱结构的性能又有提高。

　　　　　　　　特特特特别别别别是是是是利利利利用用用用张张张张应应应应变变变变和和和和应应应应变变变变补补补补偿偿偿偿量量量量子子子子阱阱阱阱结结结结构构构构可可可可以制作出偏振不灵敏的激光放大器以制作出偏振不灵敏的激光放大器以制作出偏振不灵敏的激光放大器以制作出偏振不灵敏的激光放大器带偏移工程　　　　由由两两种种材材料料组组成成的的量量子子阱阱，，超超晶晶格格的的导导带带和和价价带带具具有有不不连连续续的的特特性性也也称称带带偏偏移移特特性性其其大大小小是是由组成它的两种材料的电子亲和势决定由组成它的两种材料的电子亲和势决定的材材料料的的电电子子亲亲和和势势指指的的是是使使材材料料中中的的自自由由电电子子逸逸出出该该材材料料时时应应赋赋予予的的能能量量ⅢⅢ-V族族化化合合物物半半导导体体材材料料组组成成元元素素的的电电子子亲亲和和势势相相差差较较大大，，所所以以它它们们的电子亲和势的差异也较大的电子亲和势的差异也较大例例如如GaAIAs的的电电子子亲亲和和势势比比GaAs的的大大，，它它们们形形成异质结后，导带偏移：成异质结后，导带偏移：　　　　△△Ec = XGa0.7AI0.3As — XGaAs = 0.243 eV 价带的偏移可由下式得到：价带的偏移可由下式得到： △△Ev = △ △Eg一一△△Ec = 0.131 eV 式中，式中，Eg为构成异质结的两种材料的带隙差。

为构成异质结的两种材料的带隙差 导导带带和和价价带带的的带带偏偏移移是是形形成成量量子子阱阱必必备备的的条条件件之之一一，，但但是是有有些些半半导导体体材材料料，，它它们们的的电电子子亲亲和和势势相相差差不不大大，，有有些些宽宽带带隙隙材材料料的的电电子子亲亲和和势势比比窄窄带带隙隙材材料料的的亲亲和和势势小小在在这这种种结结构构材材料料中中，，量量子子阱阱只只对对价价带带中中空空穴穴有有作作用用而而对对注注入入导导带带的的电电子子，，则则几几乎乎没没有有阱阱的的束束缚缚作作用用，，因因此此不不能能充充分分发发挥挥量量子阱作用子阱作用 运运用用带带偏偏移移工工程程j可可指指导导我我们们选选择择制制作作量量子子阱阱的的材材料料，，调调制制量量子子阱阱的的阱阱深深(垒垒高高)，，实实现现人人工工结结构构的的改改性性≯ ≯优优化化量量子子阱器件结构，改善器件特性阱器件结构，改善器件特性 能能带带工工程程的的内内容容非非常常丰丰富富，，，，它它的的建建立立运运甩甩和和完完善善为为光光电器件特别是光集成和光电集成回路发展奠定了基础电器件特别是光集成和光电集成回路发展奠定了基础什么是同质结？什么是同质结？ 异质结？异质结的分类有异质结？异质结的分类有哪些？哪些？什么是超晶格？势阱？势垒？量子阱？什么是超晶格？势阱？势垒？量子阱？。