9.半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)9.1半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)及其能帶圖9.2幾種重要的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用§9.1.1半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的能帶圖根據(jù)能帶位置和電荷轉(zhuǎn)移機(jī)制，異質(zhì)結(jié)可分為Ⅰ型異質(zhì)結(jié)（跨立型，straddlinggap）、Ⅱ型異質(zhì)結(jié)（staggeredgap）、Ⅲ型異質(zhì)結(jié)（brokengap）三種9.1.1.1半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)類型Ⅰ型異質(zhì)結(jié)Ⅱ型異質(zhì)結(jié)Ⅲ型異質(zhì)結(jié)完全包含相對錯開完全錯開接觸前接觸后§9.1.1半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的能帶圖分類：根據(jù)組成異質(zhì)結(jié)的兩種材料的導(dǎo)電類型，半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)也可以分為同型和反型兩種。同型異質(zhì)結(jié)指導(dǎo)電類型相同的兩種材料組成的異質(zhì)結(jié)，可以寫作nN結(jié)或者pP結(jié)。反型異質(zhì)結(jié)指導(dǎo)電類型相反的兩種材料組成的異質(zhì)結(jié)，可以寫作nP型或者Np型，其中大寫字母表示帶隙較大的材料。根據(jù)兩種半導(dǎo)體材料間過渡的距離又可分為突變型和緩變型，突變型異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)變化非常迅速，往往在幾個原子距離內(nèi)，而緩變型異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)在界面處逐漸變化。9.1.1.2同型/反型半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)§9.1.1半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的能帶圖前提與假設(shè)：1.忽略界面態(tài)的影響；2.每層材料的厚度大于空間電荷區(qū)寬度；3.接觸前后材料的電子親和勢保持不變；4.忽略材料的體電阻9.1.1.2同型/反型半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)接觸前接觸后§9.1.1半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的能帶圖接觸后兩邊的費(fèi)米能級要趨于一致，電子將從費(fèi)米能級位置較高的n型半導(dǎo)體向p型半導(dǎo)體流動，同時空穴則從p型半導(dǎo)體向n型半導(dǎo)體流動，直至兩塊半導(dǎo)體的費(fèi)米能級達(dá)到平衡。9.1.1.2同型/反型半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)接觸前接觸后

電荷流動引起的真空電子能級彎曲量：(9-1)§9.1.1半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的能帶圖9.1.1.2同型/反型半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)由于結(jié)兩邊材料不同，特別是兩邊材料介電常數(shù)的不同，導(dǎo)致在異質(zhì)結(jié)的界面處盡管電通量是連續(xù)的，但場強(qiáng)一般不連續(xù)，形成界面處電場和電勢的突變。由于電勢的不連續(xù)以及禁帶寬度的不一致，使得異質(zhì)結(jié)界面附近的能帶產(chǎn)生突變，即產(chǎn)生了與同質(zhì)結(jié)不同的“尖峰”、“凹口”(或下陷）情況。兩種半導(dǎo)體的導(dǎo)帶底在交界面處的突變：兩種半導(dǎo)體的導(dǎo)帶底在交界面處的突變：

§9.1.1半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的能帶圖9.1.1.2異質(zhì)結(jié)與同質(zhì)結(jié)對比能帶發(fā)生了彎曲，出現(xiàn)了“尖峰”或“凹口”。能帶在交界面處不連續(xù)，存在突變。§9.1.1半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的能帶圖9.1.1.2異質(zhì)結(jié)與同質(zhì)結(jié)對比尖峰的位置處于勢壘上的什么位置由兩邊材料的相對摻雜濃度決定在PN異質(zhì)結(jié)中，△Ec對P區(qū)電子向N區(qū)的運(yùn)動起勢壘作用，而△Ev則對N區(qū)空穴向P區(qū)運(yùn)動沒有明顯的影響，在此類器件中更關(guān)心少子的運(yùn)動?！?.1.1半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的能帶圖9.1.1.2突變同型異質(zhì)結(jié)兩種半導(dǎo)體材料緊密接觸形成突變同型異質(zhì)結(jié)時，B材料的費(fèi)米能級比A材料的高，因此電子從B流向A，在兩者的界面處A材料—邊形成了電子積累層，B材料一邊則形成了耗盡層（在反型異質(zhì)結(jié)中，界面兩邊形成的都是耗盡層）。

nn異質(zhì)結(jié)的平衡能帶圖pp異質(zhì)結(jié)的平衡能帶圖§9.1.2半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)界面以III-V族半導(dǎo)體材料為例，無論是同質(zhì)外延還是異質(zhì)外延，常用的生長技術(shù)主要有氫化物氣相外延（HVPE）、金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉積（MOCVD）、分子束外延（MBE）等。9.1.2.1半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)外延MOCVDMBEHVPE§9.1.2半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)界面9.1.2.1半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)外延MOCVD外延生長過程示意圖設(shè)備組成：生長源輸運(yùn)系統(tǒng)反應(yīng)室系統(tǒng)尾氣處理系統(tǒng)安全保障系統(tǒng)計算機(jī)控制系統(tǒng)MOCVD外延生長過程：（1）生長源被載氣帶入反應(yīng)室；（2）生長源通過擴(kuò)散穿過邊界層到達(dá)襯底表面；（3）生長源分子在高溫的沉積區(qū)域發(fā)生裂解后吸附在襯底表面；（4）原子和分子在襯底表面進(jìn)行擴(kuò)散、化學(xué)反應(yīng)以及在臺階和扭折處并入晶格格點；（5）副產(chǎn)物在襯底表面解吸附；（6）副產(chǎn)物擴(kuò)散進(jìn)入氣相，并被排出反應(yīng)室。MOCVD生長易于控制，可以生長超薄外延層和陡峭的界面，適合于生長各種異質(zhì)結(jié)和超晶格材料?！?.1.2半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)界面9.1.2.1半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)外延MBE設(shè)備構(gòu)造設(shè)備組成：真空系統(tǒng)進(jìn)樣/預(yù)處理腔原位監(jiān)測系統(tǒng)生長腔室MBE是在超高真空條件下，通過原子或分子束流在加熱的襯底表面進(jìn)行沉積成單晶薄膜的方法。生長溫度低、生長速率慢、材料純度高、均勻性和重復(fù)性好，以及外延層厚度的精確控制MBE非常適合生長超薄層和復(fù)雜結(jié)構(gòu)，但其高運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用、設(shè)備復(fù)雜昂貴和生長速率慢等缺點限制了其在商業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用?！?.1.2半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)界面9.1.2.1半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)外延MBE設(shè)備構(gòu)造設(shè)備組成：真空系統(tǒng)進(jìn)樣/預(yù)處理腔原位監(jiān)測系統(tǒng)生長腔室HVPE具有生長速率快、純度高、便于摻雜控制等優(yōu)點，適合制備GaN的體晶材料作為同質(zhì)外延的襯底。然而，HVPE生長的GaN材料點缺陷密度較高，晶體質(zhì)量均勻性較差，難以生長大尺寸的GaN襯底。此外，HVPE反應(yīng)氣體具有腐蝕性，容易導(dǎo)致設(shè)備損壞。MBE非常適合生長超薄層和復(fù)雜結(jié)構(gòu)，但其高運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用、設(shè)備復(fù)雜昂貴和生長速率慢等缺點限制了其在商業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用?！?.1.2半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)界面9.1.2.1半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)外延HVPE簡要原理HVPE具有生長速率快、純度高、便于摻雜控制等優(yōu)點，適合制備GaN的體晶材料作為同質(zhì)外延的襯底。然而，HVPE生長的GaN材料點缺陷密度較高，晶體質(zhì)量均勻性較差，難以生長大尺寸的GaN襯底。此外，HVPE反應(yīng)氣體具有腐蝕性，容易導(dǎo)致設(shè)備損壞?！?.1.2半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)界面9.1.2.1半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)外延異質(zhì)外延的四種生長模式根據(jù)浸潤角度的不同，異質(zhì)外延的生長模式可分為四種情況，如下圖所示。浸潤角較小時當(dāng)浸潤角較大時中等浸潤角下非常小的浸潤角下當(dāng)浸潤角較小時，原子在襯底表面具有較好的擴(kuò)展性和移動性，容易均勻分布并逐層生長，形成平整的單層薄膜。這種層-層（Frank-vanderMerwe）生長模式通常發(fā)生在襯底和外延層之間晶格匹配良好或晶格失配度較小的情況下，適用于生長高質(zhì)量的單晶薄膜?！?.1.2半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)界面9.1.2.1半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)外延異質(zhì)外延的四種生長模式根據(jù)浸潤角度的不同，異質(zhì)外延的生長模式可分為四種情況，如下圖所示。浸潤角較小時當(dāng)浸潤角較大時中等浸潤角下非常小的浸潤角下中等浸潤角下，外延層先以層狀模式生長，達(dá)到一定臨界厚度后轉(zhuǎn)變?yōu)槿S島狀生長，形成層-島（Stranski-Krastanov）生長模式。這種模式結(jié)合了層-層和島狀生長模式的特點，適用于需要形成量子阱和量子點結(jié)構(gòu)的外延生長中?！?.1.2半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)界面9.1.2.1半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)外延異質(zhì)外延的四種生長模式根據(jù)浸潤角度的不同，異質(zhì)外延的生長模式可分為四種情況，如下圖所示。浸潤角較小時當(dāng)浸潤角較大時中等浸潤角下非常小的浸潤角下當(dāng)浸潤角較大時，原子在襯底表面難以擴(kuò)展，傾向于聚集成三維小島，形成島狀（Volmer-Weber）生長模式。隨著生長繼續(xù)，這些小島長大并匯聚成連續(xù)膜，但表面較粗糙，含有高密度的缺陷和位錯。這種模式一般不利于高質(zhì)量薄膜的生長，但在某些情況下，如量子點的生長，可以利用這種模式?！?.1.2半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)界面9.1.2.1半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)外延異質(zhì)外延的四種生長模式根據(jù)浸潤角度的不同，異質(zhì)外延的生長模式可分為四種情況，如下圖所示。非常小的浸潤角下，原子在臺階上吸附并擴(kuò)散，沿著臺階邊緣前進(jìn)，形成連續(xù)的層，表現(xiàn)為臺階流（Step-flow）生長模式。這種模式需要精確控制生長條件，適用于高質(zhì)量、平整外延層的生長，常用于半導(dǎo)體和光電子器件中。浸潤角較小時當(dāng)浸潤角較大時中等浸潤角下非常小的浸潤角下浸潤角的大小受兩種半導(dǎo)體材料的晶格失配度、原子吸附能與原子間結(jié)合能的比值、以及原子擴(kuò)散勢壘的影響，通過調(diào)控這些參數(shù)，可以優(yōu)化薄膜外延的生長模式，獲得高質(zhì)量的外延層，從而提升半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)質(zhì)量。§9.1.2半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)界面對于異質(zhì)外延，外延層和襯底是兩種不同的半導(dǎo)體，外延層必須以一種理想化的界面結(jié)構(gòu)生長。這意味著跨界面的原子鍵必須連續(xù)不斷。因此，外延層要么具有和襯底相同的面內(nèi)晶格常數(shù)，要么發(fā)生彈性變形以匹配襯底的晶格常數(shù)。這兩種情況被稱為晶格匹配外延和應(yīng)變層外延。9.1.2.2半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)應(yīng)變與晶格失配晶格匹配外延存在應(yīng)力無應(yīng)力§9.1.2半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)界面晶格匹配外延：襯底和薄膜具有相同的晶格常數(shù)。對于砷化鎵/鋁砷化鎵（GaAs/AlGaAs）異質(zhì)結(jié)，GaAs和AlAs的晶格常數(shù)差異小，構(gòu)成的異質(zhì)結(jié)界面晶格失配小于0.14％,可視為晶格匹配外延。9.1.2.2半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)應(yīng)變與晶格失配晶格匹配外延存在應(yīng)力無應(yīng)力§9.1.2半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)界面如果外延層具有較大的晶格常數(shù)且具有彈性，它將在生長平面內(nèi)被壓縮以匹配襯底的晶格常數(shù)，同時由于單個晶格體積恒定，彈性力迫使其在垂直于界面的方向上的晶格常數(shù)被拉伸，外延層處于贗晶狀態(tài)，這種結(jié)構(gòu)類型稱為應(yīng)變異質(zhì)結(jié)。GaN基異質(zhì)結(jié)晶格常數(shù)差異較大就屬于該種情況，GaN/AlN的晶格失配度小于約為-2.42%，GaN/InN的晶格常數(shù)失配度則更大，為11.13%。9.1.2.2半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)應(yīng)變與晶格失配晶格匹配外延存在應(yīng)力無應(yīng)力§9.1.2半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)界面如果外延層具有較小的晶格常數(shù)，它將在生長平面內(nèi)發(fā)生張應(yīng)變而被拉伸，并在垂直于界面的方向上發(fā)生壓應(yīng)變被壓縮。在上述應(yīng)變層外延中，隨著應(yīng)變層厚度的增加，受應(yīng)變的原子總數(shù)或扭曲的原子鍵增加，某一點上會產(chǎn)生失配位錯以釋放均勻的失配應(yīng)變能。這個厚度被稱為系統(tǒng)的臨界層厚度，圖c顯示了界面處存在位錯的情況，再進(jìn)一步生長的外延層發(fā)生弛豫轉(zhuǎn)變?yōu)榉菓?yīng)變層，其晶格常數(shù)為體相值。9.1.2.2半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)應(yīng)變與晶格失配晶格匹配外延存在應(yīng)力無應(yīng)力§9.1.2半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)界面9.1.2.2半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)應(yīng)變與晶格失配上面的曲線是GexSi(1-x)層在硅襯底上的應(yīng)變層外延，下面的曲線是Ga(1-x)InxAs層在GaAs襯底上的應(yīng)變層外延。例如，對于Ge0.3Si0.7在硅上的外延，最大外延厚度約為70納米。對于更厚的薄膜，將會出現(xiàn)位錯。兩個材料系統(tǒng)的臨界層厚度§9.1.2半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)界面9.1.2.2半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)應(yīng)變與晶格失配應(yīng)變異質(zhì)結(jié)應(yīng)變異質(zhì)結(jié)可通過引入和調(diào)控應(yīng)變，顯著優(yōu)化半導(dǎo)體材料的物理性質(zhì)和器件性能。超晶格結(jié)構(gòu)作為應(yīng)變異質(zhì)結(jié)的重要應(yīng)用，是由兩種或多種不同的半導(dǎo)體材料在納米尺度上交替排列形成的周期性層狀結(jié)構(gòu)，其異質(zhì)結(jié)晶格常數(shù)a1>b>a2。當(dāng)外延層足夠薄，小于臨界厚度，界面處不會產(chǎn)生失配位錯，晶格失配通過層中的均勻應(yīng)變來弛豫，因此可以獲得高質(zhì)量的晶體材料?！?.1.2半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)界面9.1.2.2半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)應(yīng)變與晶格失配應(yīng)變異質(zhì)結(jié)通過對超晶格結(jié)構(gòu)進(jìn)行量子限制效應(yīng)、帶隙工程和應(yīng)變調(diào)控，可以精確調(diào)整材料的電子和光學(xué)性質(zhì)，從而在量子阱激光器、高電子遷移率晶體管（HEMTs）和紅外探測器等器件中顯著提升性能。此外，應(yīng)變工程在CMOS技術(shù)、光電器件和太陽能電池中也發(fā)揮了重要作用，推動了現(xiàn)代半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展。通過不斷優(yōu)化應(yīng)變異質(zhì)結(jié)和應(yīng)變工程，可以進(jìn)一步提升半導(dǎo)體器件的性能和應(yīng)用范圍?！?.2.1半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)量子阱在半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)中，二維電子氣常常形成在兩種不同類型的半導(dǎo)體材料之間的界面上。例如，當(dāng)n型摻雜的GaAs與p型摻雜的AlGaAs形成異質(zhì)結(jié)時，由于兩種材料的能隙差異，形成了一個勢壘，導(dǎo)致電子在垂直于界面的方向上被限制在一個很薄的區(qū)域內(nèi)。這就形成了一個二維電子氣。所謂的二維電子氣，即指電子在一個空間方向（垂直于表面的方向）存在量子化的能級，同時可以在其他兩個空間方向上自由移動。9.2.1.1半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面量子阱熱平衡下nN異質(zhì)結(jié)的理想能帶圖§9.2.1半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)量子阱在這種異質(zhì)結(jié)中，AlGaAs被適度重?fù)诫s以形成n型，而GaAs則是輕摻的。正如前文所述，為了實現(xiàn)熱平衡，電子會從具有較大能隙的AlGaAs材料流向GaAs，這在接近表面的勢阱區(qū)域形成了電子的積聚。之前討論過的一個重要的量子力學(xué)觀點是，電子在勢阱內(nèi)的能量呈現(xiàn)量子化特性。9.2.1.1半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面量子阱(a)N-AIGaAs、n-GaAs異質(zhì)結(jié)處的導(dǎo)帶邊緣;(b)具有離散電子能的三角阱近似?！?.2.1半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)量子阱平行于表面的電流取決于電子濃度和電子遷移率。由于GaAs輕度摻雜或是本征半導(dǎo)體，因此在二維電子氣所處的低雜質(zhì)濃度區(qū)域，雜質(zhì)散射效應(yīng)被最小化。在相同的區(qū)域內(nèi)，電子的遷移率遠(yuǎn)高于電離空穴的遷移率。電子在平行于表面的運(yùn)動依然會受到AlGaAs中電離雜質(zhì)的庫倫引力的影響。然而，當(dāng)采用Al組分漸變的AlGaAs-GaAs異質(zhì)結(jié)時，這種作用將會大大減弱。在Al組分漸變的AlxGa1-xAs層中，鋁的摩爾分?jǐn)?shù)x隨著距離的變化而變化。在這種情況下，本征的組分漸變AlGaAs層夾在N型AlGaAs和本征GaAs層之間。9.2.1.1半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面量子阱三角勢阱中的電子密度§9.2.1半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)量子阱在勢阱中，電子遠(yuǎn)離已電離的雜質(zhì)，因此電子遷移率會比在突變異質(zhì)結(jié)中要高得多。在低溫下，二維電子氣表現(xiàn)出許多重要的物理性質(zhì)。其中最著名的是量子霍爾效應(yīng)。量子霍爾效應(yīng)是一種僅在極低溫和高磁場條件下才會出現(xiàn)的現(xiàn)象，其中電導(dǎo)率表現(xiàn)為嚴(yán)格的量子化。這種現(xiàn)象不僅在科學(xué)研究中具有重要意義，而且在制造高靈敏度的傳感器和準(zhǔn)確的電阻標(biāo)準(zhǔn)等方面也有廣泛的應(yīng)用。除此之外還有電子的高遷移率以及在納米尺度下的量子限域效應(yīng)等。這些性質(zhì)使得二維電子氣在納米電子學(xué)、量子計算和量子信息領(lǐng)域等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。9.2.1.1半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面量子阱漸變異質(zhì)結(jié)的導(dǎo)帶邊緣§9.2.1半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)量子阱量子阱是一種類似三明治的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。它通常由三層組成：中間的阱層具有較窄的帶隙和較薄的厚度，而兩側(cè)的壘層則具有較寬的帶隙和較厚的厚度。窄帶隙材料形成勢阱，限制載流子的波函數(shù)在一維方向上的局域化；而寬帶隙材料形成勢壘，阻止載流子的逃逸。量子阱的寬度需足夠小以限制載流子的空間范圍，而勢壘層則需足夠厚以降低相鄰勢阱之間的波函數(shù)耦合，確保量子阱的分離性。以氮化鎵基藍(lán)綠光LED為例，量子阱層通常由InGaN構(gòu)成，而壘材料則為GaN。這些InGaN/GaN交替堆垛的多量子阱形成LED的發(fā)光區(qū)域，注入到其中的電子和空穴被束縛在量子阱中，經(jīng)輻射復(fù)合而發(fā)光，從而顯著提升LED的電光轉(zhuǎn)換效率。9.2.1.2雙異質(zhì)結(jié)的量子阱結(jié)構(gòu)§9.2.1半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)量子阱與塊材料不同，量子阱結(jié)構(gòu)由于其二維限制效應(yīng)，使得態(tài)密度隨能量呈現(xiàn)出離散的分布規(guī)律。在簡化條件下，二維量子阱中的能級可以通過解薛定諤方程，并且應(yīng)用適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件來得出。量子阱的主要作用是通過限制載流子的自由運(yùn)動來增強(qiáng)載流子的復(fù)合概率。圖9.19展示了量子阱結(jié)構(gòu)的能帶示意圖。由于阱層較薄且?guī)遁^窄，自由電子和空穴被限制在阱層之中，導(dǎo)致它們的波函數(shù)交疊增加。在理想情況下，能量被轉(zhuǎn)化為光子并以光的形式釋放出來，由于波函數(shù)的交疊和能級對準(zhǔn)，量子阱中的電子和空穴有更高的幾率通過輻射復(fù)合釋放光子，顯著提高了自由載流子在阱層內(nèi)的復(fù)合概率。實際上會有不可避免的非輻射復(fù)合，這種復(fù)合方式導(dǎo)致能量以非輻射的形式損失，通常轉(zhuǎn)化為熱能或者與晶格振動（聲子）相互作用。量子阱的設(shè)計旨在最大程度地減少這種非輻射復(fù)合的概率。通過控制量子阱的厚度、材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以優(yōu)化載流子的復(fù)合過程，從而提高發(fā)光效率。此外，量子限制效應(yīng)也會導(dǎo)致一些其他影響。例如，由于載流子在阱層中的限制，導(dǎo)致輻射能量增加，即大于阱層材料的禁帶寬度。9.2.1.2雙異質(zhì)結(jié)的量子阱結(jié)構(gòu)§9.2.1半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)量子阱當(dāng)然，量子阱中載流子的復(fù)合發(fā)光過程針對不同材料體系也有所不同。以III族氮化物半導(dǎo)體量子阱為例，通常量子阱主要是InGaN/GaN異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。氮化鎵材料的晶面通常是極性面，這種極性面會產(chǎn)生極化效應(yīng)，導(dǎo)致量子阱中能帶傾斜，出現(xiàn)量子限制斯塔克效應(yīng)（QCSE），如圖9.20所示。在這種情況下，電子和空穴波函數(shù)會在空間上分離，導(dǎo)致波函數(shù)交疊減少，載流子輻射復(fù)合效率降低。因此，如何調(diào)控量子阱中的極化效應(yīng)是前沿研究中的一個重要課題。9.2.1.2雙異質(zhì)結(jié)的量子阱結(jié)構(gòu)§9.2.1半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)量子阱普通隧穿（非共振隧穿）發(fā)生在經(jīng)典的單一勢壘或勢壘結(jié)構(gòu)中。當(dāng)電子具有足夠的能量以克服勢壘高度時，可以以隧穿的方式穿越勢壘。這種效應(yīng)是量子力學(xué)的基本現(xiàn)象，其中電子利用波函數(shù)的尾部延展到勢壘外部的概率來實現(xiàn)穿越。隧穿的條件主要由勢壘的高度和寬度決定。電子的能量必須高于勢壘的高度，以及波長必須短于勢壘的寬度，才能產(chǎn)生顯著的隧穿電流。共振隧穿發(fā)生在特殊的量子結(jié)構(gòu)中，如雙勢壘量子阱（DBQW）或者諧振隧穿二極管（RTD）中。在這些結(jié)構(gòu)中，量子化的能級和量子干涉效應(yīng)導(dǎo)致了一種特殊的隧穿現(xiàn)象。當(dāng)電子的能量與量子阱中的某個能級能量對準(zhǔn)時，將發(fā)生共振隧穿，這時隧穿電流顯著增強(qiáng)。共振隧穿的發(fā)生要求電子的能級與量子阱中的量子化能級共振。這意味著電子的能量必須與量子阱中某個特定的能級非常接近，以至于可以通過量子隧穿的方式穿越勢壘。因此，共振隧穿的發(fā)生條件比普通隧穿更為嚴(yán)格，需要更精確的能量匹配。9.2.1.3異質(zhì)結(jié)量子阱的共振隧穿效應(yīng)§9.2.1半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)量子阱

9.2.1.3異質(zhì)結(jié)量子阱的共振隧穿效應(yīng)§9.2.1半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)量子阱在單勢壘結(jié)構(gòu)中，隨著電子能量增加，透射系數(shù)會逐漸增大。這是因為電子具有足夠的能量可以克服勢壘的高度，發(fā)生經(jīng)典的隧穿效應(yīng)。然而，即使在最大值處，透射系數(shù)也無法達(dá)到1，這是因為存在一定的隧穿概率，即使是高能量的電子也有可能反射或被吸收。在DBQW結(jié)構(gòu)中，透射系數(shù)隨著電子能量的增加呈現(xiàn)出一系列的共振峰。這些共振峰對應(yīng)于量子阱中的分立能級。當(dāng)入射電子的能量與量子阱中某個分立能級的能量對準(zhǔn)時，發(fā)生共振隧穿效應(yīng)，此時透射系數(shù)可以接近1，甚至理論上可以達(dá)到1，具備高透射率。反之，如果電子能量偏離量子阱中的能級，透射系數(shù)會迅速衰減，電子通過勢壘結(jié)構(gòu)的可能性降低。9.2.1.3異質(zhì)結(jié)量子阱的共振隧穿效應(yīng)§9.2.1半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)量子阱在零偏壓下，DBQW結(jié)構(gòu)的導(dǎo)帶剖面保持水平。量子阱中的第一分立能級E1位于發(fā)射極一側(cè)的費(fèi)米能級之上。幾乎沒有電子能夠通過共振隧穿效應(yīng)從發(fā)射極到達(dá)集電極，沒有顯著的電流流動。隨著外加電壓的增加，導(dǎo)帶剖面開始傾斜。這導(dǎo)致發(fā)射極一側(cè)的導(dǎo)帶底與量子阱中的E1能級之間的能量間隔逐漸縮小。當(dāng)電壓增加到使得費(fèi)米能級與量子阱中E1能級對準(zhǔn)時（透射系數(shù)達(dá)到最大值1），大量電子發(fā)生共振隧穿效應(yīng)，從而形成電流的峰值。這對應(yīng)了RTD器件的I-V曲線的電流峰值。9.2.1.3異質(zhì)結(jié)量子阱的共振隧穿效應(yīng)不同偏置下的能帶結(jié)構(gòu)與負(fù)微分特性曲線零偏壓外加電壓增加§9.2.1半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)量子阱隨著進(jìn)一步增加電壓，如左圖(d),發(fā)射極一側(cè)的導(dǎo)帶底可能會高于量子阱中的E1能級，這意味著一些電子無法滿足共振條件，電流逐漸降低。當(dāng)電壓使得發(fā)射極一側(cè)費(fèi)米能級與E1能級完全錯開時，如左圖(e)，共振隧穿效應(yīng)減弱，導(dǎo)致峰值電流迅速降低。此時，RTD輸出電流中的共振隧穿電流減少至零，而總電流主要由非彈性隧穿電流和熱發(fā)射電流組成的過剩電流主導(dǎo)。左圖（f）中顯示，隨著電壓增加，RTD器件的輸出電流主要由過剩電流決定，其中熱發(fā)射電流隨電壓的增加呈指數(shù)正相關(guān)關(guān)系，成為主要的電流成分。這就是RTD器件負(fù)微分電阻特性的形成機(jī)制。9.2.1.3異質(zhì)結(jié)量子阱的共振隧穿效應(yīng)不同偏置下的能帶結(jié)構(gòu)與負(fù)微分特性曲線§9.2.2半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)超晶格所謂的超晶格是指由兩種（或兩種以上）組分（或?qū)щ婎愋停┎煌?、厚度d極小的薄層材料交替生長在一起而得到的一種多周期結(jié)構(gòu)材料。由于人們可以任意改變超晶格材料中不同薄膜層的厚度，因此人們可以控制它的周期長度。薄層厚度d遠(yuǎn)大于材料的晶格常數(shù)a，但接近或小于電子的平均自由程（或其德布洛意波長）。由于這種復(fù)合材料的周期長度比各薄膜單晶的晶格常數(shù)大幾倍或更長，因此取得“超晶格”的名稱。以周期性勢阱結(jié)構(gòu)為例。當(dāng)勢壘寬度減少到載流子的平均自由程時,相鄰勢阱內(nèi)電子波函數(shù)就能發(fā)生重疊,電子運(yùn)動就有一定的整體性,如同晶格場中價電子的共有化運(yùn)動一樣,但其周期要比晶格周期大得多,這時的周期性結(jié)構(gòu)就叫做超晶格(Superlattice);9.2.2.1組分超晶格§9.2.2半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)超晶格當(dāng)勢壘寬度增大到相鄰勢阱中電子波函數(shù)不能相互耦合時,電子行為就是單個勢阱中電子行為的簡單相加,這時的周期性結(jié)構(gòu)稱為多量子阱(MQW),如圖9.24(b)所示。超晶格和多量子阱都是周期性排列的薄層結(jié)構(gòu),有些場合可以籠統(tǒng)地稱它們?yōu)槌Ц?但討論具體問題時,必須區(qū)分清楚二者的概念。超晶格主要分為以下幾種類型：（1）組分超晶格（I,II,III型超晶格）、（2）摻雜超晶格、（3）應(yīng)變超晶格、（4）其他類型超晶格。9.2.2.1組分超晶格§9.2.2半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)超晶格組分超晶格是由兩種或多種不同半導(dǎo)體材料交替排列而成的周期性結(jié)構(gòu)。每種材料在超晶格中的厚度通常在幾個納米到幾十納米之間，這種結(jié)構(gòu)的厚度通常遠(yuǎn)小于光波長，因此表現(xiàn)出特定的光電性質(zhì)。例如，GaAs/AlAs超晶格是一種經(jīng)典的III-V族半導(dǎo)體超晶格，其中GaAs和AlAs交替排列，是III-V族半導(dǎo)體光電子器件的常用結(jié)構(gòu)。9.2.2.1組分超晶格§9.2.2半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)超晶格通常情況下，超晶格結(jié)構(gòu)具有一個重復(fù)的結(jié)構(gòu)單元，類似于異質(zhì)結(jié)的帶隙分類，超晶格結(jié)構(gòu)單元（這里以異質(zhì)結(jié)為例）按其帶隙的相對位置可分為4種類型:嵌隙型、錯隙型、離隙型和零隙型,。左圖中左側(cè)為兩種材料能帶的相對位置,中間為能帶彎曲和對載流子的限制,右側(cè)為超晶格的能帶圖,用斜線表示帶隙區(qū)域。9.2.2.1組分超晶格§9.2.2半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)超晶格組分超晶格具有以下特點：①帶隙工程：通過改變組成材料和層厚，可以精確調(diào)控電子能帶結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)對材料電子性能的定制，如調(diào)整帶隙大小。②界面效應(yīng)：不同材料間的界面可以產(chǎn)生新的物理現(xiàn)象，如電荷重組、應(yīng)力和應(yīng)變效應(yīng)，從而影響材料的電學(xué)和光學(xué)性能。③異質(zhì)結(jié)構(gòu)的協(xié)同效應(yīng)：組分超晶格中不同層的相互作用可能導(dǎo)致一些非常規(guī)的物理性能，如超導(dǎo)性、磁阻效應(yīng)等。④熱和力學(xué)性能的調(diào)控：通過設(shè)計超晶格的組分和周期性，可以實現(xiàn)對熱導(dǎo)率和機(jī)械強(qiáng)度的調(diào)控。9.2.2.1組分超晶格§9.2.2半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)超晶格由此可見，組分超晶格因其獨(dú)特的物理和化學(xué)性質(zhì)，在光電子器件、太陽能電池等多個領(lǐng)域得到應(yīng)用，如激光器、發(fā)光二極管、光探測器和高效率光電轉(zhuǎn)換設(shè)備等。通過帶隙工程，可以設(shè)計吸收光譜更寬的太陽能電池、提高太陽能轉(zhuǎn)換效率。此外，超晶格結(jié)構(gòu)可以用來設(shè)計低熱導(dǎo)率而高電導(dǎo)率的材料，適合熱電轉(zhuǎn)換應(yīng)用；特定的超晶格結(jié)構(gòu)可用于量子點和其他量子信息技術(shù)中，利用其量子限域能級進(jìn)行信息編碼和處理。總之，組分超晶格是一種通過材料設(shè)計實現(xiàn)多功能集成的先進(jìn)材料平臺，其應(yīng)用前景廣泛，從基礎(chǔ)科學(xué)研究到高端技術(shù)應(yīng)用都有巨大潛力。9.2.2.1組分超晶格§9.2.2半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)超晶格摻雜超晶格是在同一種半導(dǎo)體材料中生長具有量子尺寸效應(yīng)的薄層時,用交替地改變摻雜類型的方法制成的周期性結(jié)構(gòu),其能帶結(jié)構(gòu)如下所示。半導(dǎo)體摻雜超晶格是在超晶格中加入了摻雜元素，以調(diào)節(jié)材料的電學(xué)性質(zhì)。通過在不同的半導(dǎo)體層中引入不同類型的摻雜，可以實現(xiàn)帶隙工程、改變電子和空穴濃度等。例如，在GaAs/AlGaAs超晶格中，通過在GaAs層中摻入硅（Si）或鍺（Ge），可以調(diào)節(jié)電子和空穴的濃度，從而改變材料的導(dǎo)電性能。9.2.2.2半導(dǎo)體摻雜超晶格§9.2.2半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)超晶格在摻雜超晶格中，當(dāng)n型摻雜層中的施主雜質(zhì)（濃度為ND）完全電離后帶正電荷，p型摻雜層中的受主雜質(zhì)（濃度為NA）完全電離后帶負(fù)電荷。這種空間電荷分布導(dǎo)致在導(dǎo)帶和價帶中分別形成一系列拋物線形狀的電子勢阱和空穴勢阱，如下圖所示。9.2.2.2半導(dǎo)體摻雜超晶格§9.2.2半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)超晶格摻雜超晶格的勢能來源于層序列方向上周期性改變的電離雜質(zhì)的正負(fù)空間電荷。這與組分超晶格有顯著的不同。在摻雜超晶格中，電離雜質(zhì)的空間電荷場在層序列方向上發(fā)生變化，導(dǎo)致能帶邊的周期性調(diào)制。這種調(diào)制使得電子和空穴分別處于不同的空間區(qū)域，形成一種典型的空間間接能隙半導(dǎo)體。通過適當(dāng)選擇層厚和摻雜濃度，可以實現(xiàn)電子和空穴的完全分離。這種空間調(diào)制效應(yīng)決定了這類超晶格具有特殊的電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)。相較于組分超晶格，摻雜超晶格的優(yōu)勢在于可以制備任何一種雙極性半導(dǎo)體，并且多層結(jié)構(gòu)的完整性很高，沒有明顯的異質(zhì)界面。此外，摻雜超晶格的禁帶寬度可以通過設(shè)計層厚和摻雜濃度在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。9.2.2.2半導(dǎo)體摻雜超晶格§9.2.2半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)超晶格摻雜超晶格具有一系列特殊的性能：①在摻雜超晶格中，導(dǎo)帶的最低能態(tài)和價帶的最高能態(tài)位置相差半個超晶格周期。當(dāng)這種超晶格受到光照或注入電流時，非平衡電子和非平衡空穴在空間上被有效地分離，因此它們的復(fù)合壽命顯著延長，通常高出相應(yīng)體材料幾個數(shù)量級。由于這種分離效應(yīng)，即使在非平衡載流子濃度大幅偏離平衡狀態(tài)的情況下，載流子仍然可以處于亞穩(wěn)態(tài)。這一性質(zhì)使得摻雜超晶格中的載流子濃度可以在很大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。9.2.2.2半導(dǎo)體摻雜超晶格§9.2.2半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)超晶格摻雜超晶格具有一系列特殊的性能：②過剩載流子的存在會減少原本的空間電荷密度，因此隨著非平衡載流子濃度增加，摻雜超晶格中空間電荷勢場的振幅減小，同時有效帶隙增加。這種有效帶隙的可調(diào)性使得由于隧道穿透和熱復(fù)合勢壘變化引起的載流子復(fù)合壽命也具有可調(diào)性。摻雜超晶格中的載流子濃度、帶隙和載流子壽命的可調(diào)性，影響了電子和空穴的電導(dǎo)率、受激發(fā)射、光吸收譜和折射率等物理性質(zhì)。因此，通過外部光照或電注入控制非平衡載流子濃度，可以很容易調(diào)節(jié)這些物理特性。此外，電子和雜質(zhì)離子在摻雜超晶格中的空間分離減弱了離子對電子的散射效應(yīng)，因此可以實現(xiàn)較高的電子遷移率。這些特性為研究新的物理現(xiàn)象和開發(fā)新型光電子器件提供了廣闊的前景。由于摻雜超晶格不存在晶格常數(shù)匹配問題，特別適合于光電子器件的單片集成。9.2.2.2半導(dǎo)體摻雜超晶格§9.2.2半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)超晶格1.量子阱器件：半導(dǎo)體超晶格可以形成量子阱結(jié)構(gòu)，其中電子和空穴在垂直方向被量子約束，從而在能帶中形成禁帶。這種結(jié)構(gòu)在激光器、光電探測器和量子點激光等器件中得到廣泛應(yīng)用。2.光電探測器：由于超晶格中的能帶結(jié)構(gòu)和電荷分布可調(diào)，使得其在光電探測器和光子檢測器中表現(xiàn)出色敏特性和高量子效率。3.電子器件：超晶格中的帶隙工程和電子輸運(yùn)特性使其在高速電子器件、場效應(yīng)晶體管（FET）和太陽能電池中有潛在應(yīng)用。4.磁電效應(yīng)和自旋電子學(xué)：某些特殊的半導(dǎo)體超晶格結(jié)構(gòu)，如過渡金屬氧化物的異質(zhì)結(jié)超晶格，展示出磁電效應(yīng)和自旋電子學(xué)性質(zhì)，這些性質(zhì)對于新型存儲器件和量子計算機(jī)有重要意義。總體來說，半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)超晶格通過精確控制材料的結(jié)構(gòu)和摻雜，以及利用量子效應(yīng)和能帶工程，開拓了廣泛的應(yīng)用前景，涵蓋了光電子學(xué)、電子學(xué)、磁電學(xué)等多個領(lǐng)域。9.2.2.2半導(dǎo)體超晶格應(yīng)用VacuumSystemGenerateaUHVenvironment(<10-9Torr)Cryopumps,turbomolecularpumps,ionpumpsandTitaniumSublimationpumpsetc.2.GrowthChamberGrowthSystemIn-situMonitoringSystemOthers(WaterCooling,Cryopanelsandetc.)BufferChamber

SubstratePretreatmentandStorageSurfaceAnalysis4.Loading/UnloadingChamberSubstratePretreatmentWaferLoadingBasicConfigurationsofMBEFig.1ExampleofconfigurationofRiberCompact21FlowChartofMBEFilmDepositionDryPumpTurboPumpLoadingChamberVBufferChamberVVVIonPumpTitaniumSublimationPumpVGrowthChamberVVIonPumpTitaniumSublimationPumpCryopumpWaferCleaningWaferLoading,pumpto~10-8TorrLowTDegassing4.HighTDegassing5.Cooling6.BeamFluxControl,PlasmaGenerationandHeat7.ShutterOpen,GrowthHowdoesitwork?EvaporatematerialsfromcellsasmolecularbeamsinUHVwithexquisitecontrolofthickness,composition,dopingandsharpinterfaces.GrowthSystemEffusionCellsRFSourceSubstrateManipulatorIn-situMonitoringSystemRHEEDBeamFluxMonitorCrystalThicknessMonitorResidualGasAnalyzerCryopanels:TrapevaporatedmaterialsanddissipateheatFundamentalsofMBEFig.2Schematicdiagramofmolecularbeamepitaxy(MBE)growthchamberGrowthMechanismLayerbyLayerIslandGrowthLayerplusIslandFig.4Threedifferentgrowthmodes.Fig.3SurfacereactionsinfilmdepositionprocessEffusionCellsKnudsenCellResistorHeaterUsedformaterialswithlowmeltingpointsandhighvaporpressureE-BeamEvaporatorElectronBea