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此类异质结为缓变结 .
上述概念都是针对界面而言的 .我们通常把含
有异质结的二层以上的结构称之为异质结构 .异质 结构理论是研究异质结如何构成 、能带如何变化 、电
场 、光场如何分布等的一门物理学分支 .
2.2 异质结材料
两种半导体材料组成异质结时 , 由于它们的晶 格常数 a1 和 a2 的差别 , 在异质结界面处会出现悬 键 , 悬键的存在会引起界面态 .为了减少界面态 , 要
禁带宽度不同的两种单晶材料一起构成的晶体
界面 称 为 异 质 结 , 例 如 G aAs/A l xG a1-x A s , InP/ InxG a1 -xA s1-yP y 异质结 .若异质结两边材 料的导 电类型相同 , 则称为同型异质结 , 如 n -GaAs/ N A l xG a1-xA s , p -GaA s/ P -A l xGa1-x A s .若两种 材 料的导电类型不同 , 则为异型异质结 , 如 n -GaAs/ P -Al xG a1 -xA s , p -G aAs/N -A lxG a1 -x As .在 这些 表达中 , 我们通常以小写的 n , p 表示窄带隙材料 , 以 大写的 N , P 表示宽带隙材料 .
2 异质结构
2.1 异质结构概念 在本系列讲座中 , 如果没有特别指出 , 我们提及
物理
的材料均为单晶材料 , 非晶 、多晶的半导体材料将不 在讨论之列 .由禁带宽度相同 、导电类型不同或虽导
电类型相同但掺杂浓度不同的单晶材料组成的晶体
界面称为同质结 , 例如 n 型 GaAs 同 p 型 GaAs 的界 面为 n -GaAs/ p -GaAs 同质结 .
Δa a
半导体量子器件是建立在两大技术进展的基础 上的 :一是纳米量级的超薄层外延生长 , 另一是纳米 量级的超微细加工 , 包括纳米量级的电子束曝光 、干 法刻蚀以及原子级的显微观测等等 .图 1 示出了半
＊ 国 家 自 然 科 学 基 金 (批 准 号 :69896260 - 06 , 69990540 , 69746001 , 69787004)资助项目 , 国家“ 八六 三” 高技 术计划(批 准号 :863 -307 -06 -05)资助项目 2000 -01 -19 收到初稿 , 2000 -08 -11 修回
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学 、光学 、光电子学功能 . 从材料的角度看 , 60 和 70 年代 , 人们利用 Si 只
能制作电学器件 .随着加工精度由 0.1μm ※10nm ※ 1nm 的推进 , Si 集成电路依次出现了 VLST(甚大规 模集成电路)※U LSI(超大规模集成电路)※XLSL (极大规 模集成电路).在这一发展过程中 , Si 基器 件已不再只限于电子器件了 , 1990 年前后 , 多孔硅 发光的 出现把 Si 基 材料 与器 件推 向了 光 电子 领 域[ 5] , Si 基发 光二极管 、探测器 、光 波导回器 、光波 导开关 、复用/ 解复用器等 研制成功 , 因此 , Si 和化 合物半导体发生了交叉 .
在异质结界面附近 , 如果两种材料的组分 、掺杂
浓度都发生突变 , 其厚度仅为若干原子间距 , 有明显
的空间电荷边界 , 则这类异质结为突变结 .相反 , 如
果异质结附近的组分 、掺杂发生渐变 , 有一组分或掺
杂浓度的过渡层 , 其厚度为几倍电子的扩散长度或 空穴的扩散长度 , 其空间电荷也逐渐向体内变化 , 则
求两种材料的晶格常数尽量地接近 , 以便能够晶格
匹配 .晶格失配度为两种材料的晶格常数之差同它
们的平均晶格常数之比 :
晶格失配
=
Δa a
=
2
|a 1 -a2 a1 +a 2
|.
(1)
为了减少界面态 , 降低在这些缺陷的陷阱或非 辐射复合中心的不利作用 , 实验和理论分析都表明 ,
晶格失配应当满足
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导体量子器件的发展趋势 .可以看出 , 量子器件的发 展是随着外延生长和微细加工的精度的进展而逐渐 推进的 .1960 年前后 , 最早由 H .K roemer[ 1] 和 Zh .I . Alferou 等提出异质结构的概念 , 直到 20 世纪 60 年 代后 期 才 采 用 液 相 外 延 的 方 法 生 长 出 GaAs/ AlGaAs异质结 , 1969 年制成了第一支室温下连续工 作的双异质结(DH)激光器[ 2] .70 年代 , 人们可以外 延或 刻 蚀 的 精 度 为 0.1μm 量 级 异 质 结 构 , 至 1980 年前后 , 已经研制出多种电子 、光电子器件 , 诸 如分 布 反 馈 (DF B)激 光 器 、异 质 结 双 极 晶 体 管 (HBT )等等 .
HETEROSTRUCTURES AND QUANTUM STRUCTURES
Байду номын сангаас
YU Jin-Zhong WANG Xing-Hua
(Institute of S emiconductor s , Chinese Academy of S ciences , Beijing 100083 , China)
AlGaAs, InGaAsP , InGaAlP , InGaAsN 等 多 种 Ⅲ -Ⅴ族以及 T iSnHg 等 Ⅱ -Ⅵ 族化学物半导体 , 既是很好的电子器件材料 , 更是光电子器件的主角 . 它们的异质结双极晶体管(HBT)、激 光器 、探 测器 等可以说是五光十色了 , 其精度越来越高 , 其组分越 来越精细 , 其性能越来越好 .不但它们自身可制成各 种光电器件 , 而且在 Si 衬底上可外延生长 AlGaAs , GaP , SiGe , SiGeC , Z nS 等各 种异质材料 , 于是取 长 补短 、相辅相成 , 出现了 Ⅵ 族 、Ⅲ -Ⅴ族 、Ⅱ -Ⅵ 族相 互渗透的新局面 .如果它们的工艺进一步完善 , 必将 出现性能更好的第四代光电集成电路 .
进入 90 年代之后 , 外延生长已可达 1nm 量级 , 人们甚至实现了单原子层外延(ALE), 生长的结构 可以更精细更复杂了 .至于超微细加工 , 电子束曝光 的精度可达到 0.01nm 以下 , 日本 NEC 公司近期报 道的电子束 步长精度已 高达 0.0012nm[ 3] , 真是 超 过了 10 多年前人们的想象 .随着工艺技术的这种进 步 , 量子霍尔器件 、单电子器件 、多波长阵列激光器 等一一研制成功 .例如 在同一芯片上 , 同时制 作出 40 支波长 不同的单模分 布反馈激光器 , 波长覆 盖 1.527 至 1.593μm[ 4] , 相 临 器 件 的波 长 间 隔 约 为 1.6nm , 可谓十分精确了 .因此可以认为 , 第 三代光 电集成电路已成功问世 , 它们具有更 多 、更好 的电
图 1 半导体量子器件的发展趋势
伴随着这些器件的研制成功 , 第一代光电集成 电路出现了 , 例如在同一芯片上将光电探测器(P D) 同场效应晶体管(F ET)集成在一起 .80 年代末 , 外 延和微细加工的精度又提高了一个数量级, 达 10nm , 因此量子阱(QW)激光器等新型量子器件登 场了 , 其工作电流仅为毫安 、甚至亚毫安量级 , 这同 一支小小的晶体管的工作电流相差无几了 .于是 , 第 二代光电集成电路(OEIC)应运而生 , 它集成了多波 长激光器 、光波导回路 、探测器 、场效应晶体管 、光放 大器等等 , 具有更多的光电功能 .
Abstract With the advances in ultra-thin film epitaxial growth and micro-fab rication , many semiconductor quantum devices have been developed .Based on quantum theory , the new field of quantum electronics and quantum optoelect ronics h as evolved , devoted to studies of the principle , st ructure and applications of semiconductor quantum devices .The time is now ripe to introduce a series of lectu res on “ The Physics of Semiconductor Quantum Devices” .As the first lecture , semiconductor heterost ructures and quantum structures , including their energy band st ructures and state density p rofiles , will be presented . Key words quantum devices , heterostructu res , quantum structu res
讲 座
半导体量子器件物理讲座 第一讲 异质结构和量子结构 ＊
余金中 王杏华
(中国科学院半导体研究所 北京 100083)
摘 要 随着半导体材料超薄层外延生长和 微细加 工技术 的进展 , 人们 已研制 成功多 种多样的 半导体 量子器 件 . 以量 子理论为基础 , 以半导体量子器件为研究对象 , 形成了一门 新的学科 ——— 半 导体量子电 子学和量 子光电子学 .文 章着重介绍半导体异质结构和量子结构 , 包括其 能带结构 、态密度分布等性质 . 关键词 量子器件 , 异质结构 , 量子结构
我们撰写的“半导体量子器件物理” 系列讲座 , 由基础知识 、量子结构的电子器件和量子结构的光 电子器件三部分组成 .第一部分即本讲 , 介绍量子器 件的由来 、异质结构和量子结构 ;第二部分着重介绍 异质结晶体管等电子器件 , 说明量子结构带来的高 增益 、高频率等特性 ;第三部分着重介绍半导体激光 器等光电器件的进展 , 包括分布反馈激光器 、量子阱 激光器等器件的结构与特性 , 并对光电子学发展趋 势作些说明 .
