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7.8 半导体超晶格

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半导体光学7色散曲线

半导体光学7色散曲线
u2n ,0 u2n 2,0 AM , u2n 1,0 u2n 1,0 Am ..
将以上所设的方程的解代入运动方程，可
得以下方程组：
2D coskaAM 2D 2m Am 0. 2D 2M AM 2D coskaAm 0,
若 AM 0,Am 0 不存在,以上方程组的
动方程.因此,驻波不会沿z方向传播.群速
度为零,这表示驻波能量稳定！！！
●平移倒格矢 G
2l
a
l
取整),色散曲
线可以从第一布里渊区移到第一布里渊
区之外.但是，
k G
4D M
sin
k
G a
2
4D M
sin
k
2 a
2
l a
4D M
sin
ka
2l
2
4D M
sin
ka
2
k .
k k G 格波频率相同.
OP：GaAs,AlAs 不重叠，驻波.
满足 niai
m ,m
2
1,2,3 ;i
A,B .
kzm
2
2m 2niai
m
niai
,
m 1,2,3 ;i A,B .
AP：GaAs,AlAs 接近,为传播模.折叠效应
是界面处AP周期性多次反射相干叠加结果.
9.9 混晶中声子 1.混晶
2
D
1
m
1
M
D
1
m
1
M
,
12
D
1
m
1
M
D
1
m
1
M
2D
1
m
1
M
,光学支

半导体材料第10讲-超晶格

半导体材料第10讲-超晶格

量子阱的应用
量子阱红外探测器 阱材料的子带中有两个子能带，即基态E1和第一激发态E2 ，在 材料生长过程中利用掺杂型半导体．使子带阱中基态上具有一定的二 维电子密度， 当入射辐射光子能量为hω照射到器件接收面上时，E1 上的电子将被光子激发到E2态，并隧穿势阱壁形成热电子，以致形成 与入射光强度成正比的电信号。 这种新型、快速、灵敏的红外探测器具有灵活性大、响应速度快、 量子效率高、结构简明等优点。量子阱红外探测器还具有材料均匀性 好稳定性好，重复性好及质高价廉等优点，其发展速度特别快。这种 新型量子阱探测器的问世，大大促进了大规模集成、光学逻辑电路、 红外成像技术的发展量子阱红外探测器对红外物理、红外光电子学及 其应用领域带来了革命性的发展。
半导体材料
第八章 III－V族多元合物半导体
四探针法原理 请参考 陈治明，王建农，《半导体器件的材料 物理学基础》，科学出版社，1999年5月第 一版，p: 249-268
8-1 异质结
异质结：两种不同晶体接触处所形成的结。由两种半导体单晶联
结起来构成。可分为同型(NN+，PP +)和异型(PN)两种
超晶格量子阱的一些重要现象和性质即可用二维电子气的态密度 来描述。 通过对二维电子气的态密度的计算，发现二维电子气的态 密度与能级无关。正是这种特性，给超晶格带来了许多方面的应用。
可参考：阎明，”半导体超晶格及其量子阱的原理”，上海海运 学院学报，V0l_21 No．1 Mar．2000，p=102-107

度，从而减少了复合区宽度。

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。


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

超晶格材料superlattices_(graduate)

超晶格材料superlattices_(graduate)

表示。 两边同时乘以电子浓度n,同时乘以ab
abneveBabn
于是c有I：cBU H eUHebIbnBnR cHI
这里
RH
B ebnc
B
b G aA s I
AlGaAs a
称为霍耳电阻。 注意到 ns nb 为面电子浓度。
RH
霍RH耳电e阻nBsc与磁感应强度成线性关系。 0,0
成正比,与电子空穴复合所需要的
时间 成反比,即
VnI
这里 V 是结的体积.
与材料性质有关.
四. 半导体超晶格激光器 1.半导体激光的工作原理
空带
空带
h
h
2h
满带
受激吸收过程
满带
受激辐射过程
2. 超晶格激光器
AlGaGAasAAs lGaGAasAAs lGaGAasAAslGaAs GaAs
光子沿平行界面层的方向发射出来。GaA层s又起到 光波导的作用。
于是电流密度为
jvz
Jd
s
ineD tdU
电流强度为
It 应S理v解z 成S电 子Jd 的s迟i豫n e 时D t间d。U 当 这e里tDdS是U界2面面时积，，
电流开始变小。这就解释了为什么当电压超过某一值后
出现负阻的原因。用这种方法，我们还能确定电子迟豫
时间值。 负阻的出现是电子在垂直于界面的方向电子 运动受到超晶格周期场的调制所致。
对d动p量x 的2三Lx个d分nx量d表py达式2L两y边d微ny 分，d然pz后乘2L到z一d起nz
dx d py d pz p2 L x 2 L y 2 L z dx d ny d nzn
dxd nyn dzn L 2 xL yL 3 zdxd pyp dzp

超晶格结构与特性

超晶格结构与特性

超晶格结构与特性作者：张海瑞来源：《价值工程》2014年第28期摘要：本文简要论述了半导体超晶格的分类，结构特性，能带结构与应变超晶格，以及它们的发展与应用。

Abstract： This paper briefly discusses the classification， structural characteristics and the band structure of semiconductor superlattice， strained-layer superlattice， and their development and application.关键词：超晶格；结构；类型；特征Key words： superlattice；structure；types；characteristics中图分类号：O431.2 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2014）28-0318-021 超晶格的定义及结构超晶格是指周期性交替生长的两种或多种材料构成的人造晶体。

相邻两层不同材料的厚度合称为超晶格的周期长度，一般来说这个周期长度比各层单层的晶格常数大几倍或更长，因此，这种结构获得了“超晶格”的名称。

下面对半导体超晶格的结构进行简单的介绍。

Ga1-xAlxAs/GaAs半导体超晶格结构是在半绝缘的GaAs衬底上，外延生长GaAs薄层，再在上面交替的生长厚度为几埃甚至上百埃的Ga1-xAlxAs和GaAs薄层而构成的。

掺杂时的Ga1-xAlxAs/GaAs的能带图如图2所示，GaAs的禁带宽度Eg1为1.424eV，Ga1-xAlxAs的禁带宽度Eg2则随组分x而变，其关系为：Eg2=Eg1+1.247x。

两种材料的禁带宽度之差ΔEg为：ΔEg=Eg2-Eg1=1.247x，可见，ΔEg也随Al组分x而变化。

从图2中可以看到，在Ga1-xAlxAs和GaAs的交界处，能带是不连续的，二者的导带底能量差为ΔEc，价带顶能量差为ΔEν，而且ΔEc+ΔEν=ΔEg。

半导体研究所获奖情况

半导体研究所获奖情况

半导体研究所获奖情况2001年国家自然科学二等奖：“自组织生长量子点激光材料和器件研究”王占国、封松林、徐仲英、梁基本、徐波等北京市科技进步一等奖：半导体神经网络技术及其应用王守觉、鲁华祥、石林初、石寅、王向东等国家最高科技奖黄昆先生2000年半导体所获奖情况：院自然科学一等奖：“自组织生长量子点激光材料和器件研究”王占国、封松林、徐仲英、梁基本、徐波等院自然科学二等奖：“非晶硅的光致退化机理及消除途径”孔光临、张殿林、廖显伯、赵奕平、岳国珍院科技进步二等奖：“高功率激光二极管列阵”肖建伟、马骁宇、方高瞻、刘宗顺、刘素平等国家科技进步二等奖“670nm半导体量子阱激光器批量生产”郭良马骁宇陈良惠王树堂李玉璋王丽明茅冬升谭满清杨亚丽张洪琴曹青何广平潘贵生1999年1. 670nm半导体量子阱激光器批量生产院科技进步一等奖郭良马骁宇陈良惠王树堂李玉璋王丽明茅冬升谭满清杨亚丽张洪琴曹青何广平潘贵生2．新型医药用水装置院科技进步二等奖闻瑞梅沈英立沈英魁杜国栋刘素英栗广勇谢浩波柳光元任民峰半导体所、北京先路水处理新技术公司3．铌酸锂光波导调制器和微波共面传输线的理论研究院自然科学三等奖祝宁华潘裕斌钟宝璇王仁明吴正德半导体所、中山大学、香港城市大学、深圳大学、电子科技大学1998年1. LPE法制备的高效GaAs太阳电池院科技进步二等奖向贤碧汪乐王加宽常秀兰励翠云杜文会葫雨生高俊华王振英上海冶金所、半导体所2．半导体微结构的电子态及有关的物理性质研究院自然科学一等奖夏建白3．InAs/GaAs量子点和量子阱的静压光谱研究院自然科学二等奖李国华韩和相汪兆平刘振先郑宝真4．大功率半导体量子阱激光器国家科技进步三等奖肖建伟陈良惠杨国文徐遵图徐俊英1997年1.大功率半导体量子阱激光器院科技进步一等奖肖建伟陈良惠杨国文徐遵图徐俊英张敬明刘宗顺庄芳捷胡长虹吕卉李秉臣毕可奎刘素平何晓曦李世祖2.砷化镓材料、器件与电路院科技进步二等奖姚林生王占国夏冠群李爱珍孔梅影刘训春郑东范恒何宏家吴德馨杨玉芬徐鸿达杜立新冯先根邹世昌上海冶金所、半导体所、微电子中心3. 1.48 微米掺铒光纤放大器泵浦院科技进步三等奖彭怀德刘德钧阎莉马骁宇王仲明4. 电子工业用气体--硅烷 GB/T 15909--1995 化学工业部科技进步三等奖余京松何道善佘中玉姚奎鸿化工部西南化工研究院、浙江大学、半导体所5.过渡金属和稀土金属硅化物研究院自然科学二等奖许振嘉陈维德丁孙安何杰王佑祥6.III-V族化合物半导体超晶格的喇曼散射研究院自然科学三等奖汪兆平韩和相李国华江德生丁锟7.二次离子质谱分析的应用基础研究院自然科学三等奖王佑祥查良镇姜志雄陈春华8. 长波长分布反馈激光器国家科技进步二等奖王圩张静媛朱洪亮张济志汪孝杰周帆天慧良李力马朝华1996年1.1.55微米应变层量子阱分布反馈（DFB）激光器院科技进步一等奖王圩张静媛朱洪亮张济志汪孝杰周帆天慧良李力马朝华毕可奎胡雄伟边静祝亚芹王白霞王志杰2.ф2”和ф3”非掺Si-GaAs单晶（片）研究院科技进步二等奖林兰英曹福年白玉珂惠峰卜俊鹏刘明焦吴让元何宏家3.DYL多元逻辑八位高速视频D/A转换器院科技进步二等奖王守觉樊崇德石寅王怀荣朱荣华齐荔陆剑侠陶淑艳半导体所、电子部47所4.减压薄层硅外延片的研制院科技进步三等奖梁骏吾郭钟光邓礼生刘素英郑红军5.轨距及轨向检测装置铁道部科技进步二等奖邓兆阳（第五）许善兴（第六）半导体所为第四完成单位6.Recursion 方法及其在复杂杂质问题中的应用院自然科学三等奖王永良7.环境中砷的治理和检测新方法、新设备国家科技进步三等奖闻瑞梅梁骏吾周淑君赵振环刘任重8.一种电路新结构新原理多元逻辑（DYL）及其实用化国家发明三等奖王守觉石寅鲁华祥尹元茂李远境宋振华1995年1.低阈值1.3um InGaAs/InP 双区共腔双稳激光器院科技进步一等奖张权生吴荣汉林世鸣王启明高洪海高文智吕卉王丽明马朝华刘文旭韩勤段海龙张洪琴卢秀玲杜云2.高质量GaAs/AlGaAs二维电子气材料研制及其器件应用院科技进步二等奖梁基本朱战萍徐波廖奇为孔梅影林兰英王占国杨斌李伟3.“31”工程用一期（首批、二批）抗辐射院科技进步三等奖加固CMOS/SOS集成电路研制刘忠立和致经郁元桓于芳杨钦英4.半导体超晶格量子阱喇曼散射微观理论院自然科学二等奖朱邦芬黄昆汤蕙5.俄歇电子能谱定量分析及有关效应的研究院自然科学二等奖陈维德崔玉德6.半导体应变超晶格的会电子束衍射研究院自然科学二等奖半导体所为第三完成单位注：无档案材料无法确定名单7.稀土－铁－硼及稀土－铁－氮永磁材料的理论研究院自然科学三等奖顾宗权赖武彦8.低阈值和高速超短光脉冲量子阱激光器国家科技进步三等奖陈良惠徐俊英肖建伟张敬明孔梅影1994年1.MOCVD GaAlAs/GaAs超晶格量子阱材料的研制及应用院科技进步二等奖杨辉梁骏吾邓礼生郑联喜胡雄伟张霞李建中葛璜李秉臣2.环境中砷的治理和检测的新方法、新设备院科技进步二等奖闻瑞梅彭永清邓礼生刘任重陈朗星刘成海注：无报奖材料，名单仅供参考3.非晶硅图像传感器线型阵列的研制院科技进步三等奖郑怀德廖显伯孔光临刁宏伟周帆4.氢离子敏场效应器件（与微电子中心合作）院科技进步三等奖李东研崔成烈李志强黄晓兰洪重光5. 电子束掺杂研究院科技进步三等奖王培大（排名第二）半导体所为第二完成单位注：无报奖材料，名单仅供参考6.低维半导体量子输运院自然科学一等奖郑厚植周海平邵华李月霞杨富华7.半绝缘砷化镓中氧缺陷振动光谱及其光敏行为研究院自然科学三等奖宋春英江德生钟学富葛帷锟 B.Pajot1993年1.超晶格量子阱自电光效应器件院科技进步一等奖吴荣汉林世鸣张权生段海龙王启明曾一平孔梅影孙殿照高洪海高文智韩勤吕卉王丽明芦秀玲杜云2.GaAs/AlGaAs量子阱红外探测器单管及四元线列院科技进步一等奖钟战天（排名第四）李承芳（排名第八）王森（排名第十二）物理所、半导体所注：无报奖材料，名单仅供参考3.计算机测试程序开发及IC测试与应用开发系统院科技进步二等奖林雨肖钢朱文珍李长海胡升陆文兰姜爱华郗志凤4.非晶硅中的亚稳缺陷及界面问题的研究院自然科学二等奖孔光临廖显伯秦国刚钟战天孙国胜5.硅表面性质的晶向关系院自然科学三等奖邢益荣 W.Rankle6.金属有机源MOMBE分子束外延设备和MBE－IV型国家科技进步二等奖分子束外延设备孔梅影（第二）孙殿照（第五）梁基本（第九）中科院沈阳科学仪器研制中心、半导体所、物理所注：无报奖材料，名单仅供参考7.半导体超晶格的电子态与声子模理论国家自然科学二等奖黄昆朱邦芬夏建白1992年1.低阈值和高速超短光脉冲量子阱激光器院科技进步一等奖陈良惠徐俊英肖建伟张敬明孔梅影曾一平周小川马朝华徐遵图王丽明毕可奎杨国文李立康蒋建瞿伟2.MBE-IV型分子束外延和金属有机源分子束外延设备院科技进步一等奖孔梅影孙殿照梁基本韩汝水朱世荣沈阳科仪研制中心、半导体所注：无报奖材料，名单仅供参考3.微机控制光加热外延炉的研制和硅外延技术研究院科技进步二等奖梁骏吾杨辉郭钟光邓礼生郑红军张隽吕旭如黄大定汪光川4.多元逻辑高速数码乘法器电路院科技进步二等奖石寅朱荣华王守觉侯静媛赵泉沐曹秀兰5.小面积高效率非晶硅电池的研究院科技进步三等奖廖显伯孔光临郑怀德李海峰刁宏伟6. 2”直径的半绝缘磷化铟单晶院科技进步三等奖刘巽琅叶式中赵建群焦景华曹惠梅7.分子束外延GaAs/AlGaAs高速器件与光电子器件用料院科技进步三等奖孔梅影孙殿照曾一平梁基本郑海群8.长波长InGaAs.APD光接收组件院科技进步三等奖王树堂胡春阳曾靖夏彩虹何军9.半导体超晶格的静电光谱研究院自然科学三等奖李国华江德生韩和相汪兆平赵学恕10.长波1.3 和1.5um无致冷单模激光器研究国家科技进步二等奖彭怀德马骁宇马朝华陈剑余金中张盛廉吕卉武淑珍赵建和11.硅材料原生缺陷图谱、硅材料诱生缺陷图谱国家科技进步三等奖张一心（排名第四）半导体所为第四完成单位12.中国科学院文献资源合理布局国家科技进步三等奖孟广钧许鸿英谢淑莲高焕宝陈光楹中科院文献情报中心、中科院兰州文献情报中心、中科院成都文献情报中心、中科院上海文献情报中心、半导体所注：无报奖材料，名单仅供参考1991年1.SSPW小型系列高纯水器北京市星火科技一等奖闻瑞梅注：缺档案无法确定名单2.长寿命卫星用SOS－CMOS集成电路五种电路研制院科技进步二等奖刘忠立和致经郁元桓刘荣寰郭安张桂亭昝育德张永刚李国花于芳茅冬升倪秀珍杨钦英3.长波1.3 和1.5μm无致冷单模激光器研究院科技进步二等奖彭怀德马骁宇马朝华陈剑余金中张盛廉吕卉武淑珍赵建和潘贵生赵玲娟王丽明张洪琴王树堂周汝生4.1.5μm分布反馈激光器院科技进步二等奖王圩张静媛汪孝杰田惠良缪育博王宝军张济志马朝华王丽明吕卉张洪琴5.中科院文献资源合理布局院科技进步二等奖梁荫喜注：无报奖材料，名单仅供参考6.全平面结构8mm小功率开关保护器院科技进步三等奖郑东王良臣方浦明王莉邹立寿药建国周春7.集成电路用半绝缘砷化镓热稳定性和均匀性研究院科技进步三等奖林兰英何宏家刘巽琅曹福年白玉珂惠峰吴让元张金福曹惠梅孙文荣徐寿定赵健群费雪英卜俊鹏8.半导体致冷材料与器件院科技进步三等奖陈廷杰彭少近张韵琴唐代维郑秉茹李瑞云9.砷化镓量子阱微结构的光反射调制谱研究院自然科学三等奖江德生庄蔚华王炳心韩志勇注：无报奖材料，名单仅供参考10.长波长InGaAs/InP雪崩光电二极管国家科技进步二等奖王树堂曾靖李锋胡春阳夏彩虹孙捷樊爱香11.电子级气体N2、H2、O2、Ar、He、HCl、国家科技进步三等奖 CO2、NH3 28种杂质分析技术及质量监控闻瑞梅李希云王铁龄王桂英1990年1.八种气体中28种杂质全分析技术及质量监控院科技进步一等奖闻瑞梅李希云王铁龄王桂英注：无报奖材料，名单仅供参考2.半导体制冷技术和设备天津市科技合作一等奖陈廷杰彭少近张韵秦唐代维郑秉茹李瑞云(半导体所)庄如颜王兆乾(计算站)天津市制冷器厂、半导体所注：无报奖材料，名单仅供参考3.长波长InGaAs/InP雪崩光电二极管院科技进步二等奖王树堂曾靖李锋胡春阳夏彩虹4.8mm脉冲雪崩管振荡器院科技进步二等奖杨玉芬张黄河王保强侯梦会刘衍芳吴晓东彭斌5.硅材料原生缺陷图谱、硅材料诱生缺陷图谱机电部科技进步二等奖张一心菜田海高维滨6.（HRIMG）高分辨电子显微像模拟计算机软件院科技进步三等奖褚一鸣段小峰何良王凤莲刘学锋都安彦向南玲7.集成光电转换器 (模样) 院科技进步三等奖李远境赵雅珠虞嘉峰姜文甫赵淑兰宋振华胡景香杨亚丽李大虹朱秀珍注：无报奖材料，名单仅供参考8.低位错、元位错掺Te锑化镓单晶研究院科技进步三等奖焦景华佘辉叶式中林汝淦曹惠梅孙文荣鄢秋明金盾9.半导体AlGaAs/GaAs脉冲功率激光器院科技进步三等奖洪坚王仲明龙泽民马国荣肖丽华赵建社孙晓山10.等电子杂质In在GaAs中行为的研究院科技进步三等奖王占国林兰英杨保华徐寿定万寿科杨锡权何宏家曹福年白玉珂钱家骏范缇文孙虹11.PCVD-310型等电子体非晶硅太阳能电池设备院科技进步三等奖廖显伯半导体所为第二完成单位注：无报奖材料，名单仅供参考12.半导体超晶格和量子阱的光学声子模和弗洛里希作用势院自然科学二等奖黄昆朱邦芬13.GaAs/AlAs超晶格中光学声子的拉曼散射研究院自然科学二等奖汪兆平韩和相李国华江德生14.微重力条件下从溶体生长GaAs单晶及性质研究国家科技进步三等奖林兰英周伯骏钟兴儒王占国石志文蒋四南范缇文李成基曹福年15.分子束外延GaAs-AlGaAs材料国家科技进步三等奖孔梅影李爱珍黄绮孙殿照梁基本黄运衡陈宗圭杨中兴邱建华1989年1.微重力条件下从溶体生长GaAs单晶及性质研究院科技进步一等奖林兰英周伯骏钟兴儒王占国石志文蒋四南范缇文李成基曹福年注：无报奖材料，名单仅供参考2.LPE GaInAsSb/InP异质材料的生长和性质研究院科技进步二等奖龚秀英王占国高风升韩文蔷赵海洋卢文宏注：无报奖材料，名单仅供参考3.电子级气体SJ2794~2797-87电子级气体中机电部科技进步二等奖颗粒和痕量杂质测定方法SJ2798~2804.1-87SJ2805~2807-87尹恩华注：无报奖材料，名单仅供参考4.双束合成低能离子束外延实验机院科技进步三等奖秦复光王向明杨光荣刘大白刘志凯彭少近姚振钰任治璋注：无报奖材料，名单仅供参考5.超晶格电子态理论院自然科学一等奖夏建白黄昆朱邦芬汤惠6.砷化镓中杂质缺陷的红外研究院自然科学二等奖江德生宋春英葛惟锟钟学富许振嘉1988年1.掺氮中子擅变区熔硅单晶的制备院科技进步一等奖梁骏吾邓礼生郑红军黄大定栾洪发2.DMF－1型大幅度矩形纳秒脉冲发生器院科技进步二等奖周旋鲍秉乾李强贾洪盛3.离子色谱在半导体工业中的应用院科技进步三等奖闻瑞梅李希云付仲华刘秀庆4.单层金属工艺条件下高密度布线设计院科技进步三等奖庄文军高春华程可行牛征虎刘新平1987年1.LSIS－II自动布图设计系统院科技进步一等奖庄文君程可行牛征虎高春华马佐成薄建国王怀伦易涪兰刘新华2.共腔双区（CCTS）DH双稳激光器研究院科技进步二等奖王启明王守武林世鸣李建蒙杜宝勋3.分子束外延高质量GaAs-GaAlAs材料研究院科技进步二等奖孔梅影孙殿照梁基本黄运衡曾一平陈宗圭4.抗辐照SOS－CMOS集成电路院科技进步二等奖刘忠立和致经郁元桓昝育德茅冬生5. 硅单晶次缺陷图集北京市科技进步二等奖张一心蔡田海高维滨6.GaAs/GaAlAs负阻激光器电学、光学特性综合研究院科技进步三等奖王守武张权生吴荣汉李照银7.匀相位半导体激光器及相位测试设备院科技进步三等奖庄婉如石志文杨培生潘贵生马朝华何军马国华孙富荣8.GaAs/GaAlAs量子阱光学性质研究院科技进步三等奖徐仲英李玉璋葛惟锟许继宗郑宝真徐俊英庄蔚华9.二、三、四毫米波段硅肖特基势垒二极管国家科技进步二等奖王森卫薇柳吉林方浦明陈克铭郑东陈微10.1.3微米基横模、低阈值、长寿命激光器国家科技进步二等奖王圩彭怀德张盛廉汪孝杰张静媛11.长波长光探测器件及光发射器件国家科技进步二等奖王圩彭怀德注：无报奖材料，名单仅供参考1986年1.二、三、四毫米硅肖特基势垒二极管检测器院科技进步一等奖王森卫薇柳吉林方浦明陈克铭陈薇郑东2.GaP中N和N和Ni对束缚激子压力行为的研究院科技进步一等奖杨桂林王炳森赵学恕李国华3.1.3μm单模低阈值、长寿命激光器的研制院科技进步二等奖王启明王圩彭怀德张盛廉周汝生4.水平法低位错GaAs的单晶院科技进步二等奖褚一鸣何宏家周伯骏曹福年白玉珂注：无报奖材料，名单仅供参考5.提高高纯水质量的研究院科技进步二等奖闻瑞梅薛继周陶帝先佟静亭龚义元6.短微波半导体器件系统及有关元件质量的研究院科技进步二等奖注：缺档案材料、名单无法确定7.兼容宏单元多元胞模式自动布局和四边通道布线算法院科技进步三等奖程可行庄文君8.多元电路万能函数发生器院科技进步三等奖王守觉王宏道李秀贤注：无报奖材料，名单仅供参考9.高压液封法生长热稳定不掺杂半绝缘GaAs 院科技进步三等奖林兰英叶式中何宏家方兆强曹福年刘巽琅白玉珂焦景华费雪英10.GaAs表面和介面性质对毫米波器件性质的影响院科技进步三等奖陈克铭王森仇兰华陈维德王良臣11.二、三毫米硅雪崩振荡器院科技进步三等奖杨玉芬刘衍芳张黄河侯梦会蔡田海12.N+NP+型InGaAs/InP异质结构PIN光电探测器院科技进步三等奖王树堂曾靖潘荣浚陈良惠马朝华注：无报奖材料，名单仅供参考13.分子束外延GaAs-GaAlAs多量子阱超晶格院科技进步三等奖材料制备的特性孙殿照徐仲英陈宗圭梁基本庄蔚华许继宗黄运衡王玉田王佑祥注：无报奖材料，名单仅供参考14.高速双向负阻晶体管院科技进步三等奖周旋李凤银曹体伦李锦林鲍秉乾15.砷化镓霍尔器件院科技进步三等奖郑一阳张进昌刘衍芳注：无报奖材料，名单仅供参考16.固体化高压毫微秒脉冲电源院科技进步三等奖周旋李锦林鲍秉乾张建成陈子荣注：无报奖材料，名单仅供参考1985年1.分子束外延技术的研究国家科技进步二等奖孔梅影孙殿照注：无报奖材料，名单仅供参考2.提高砷化镓材料质量的研究国家科技进步二等奖林兰英彭瑞伍林耀望莫培根方兆强3.光纤通信用短波长发射器件和探测器件国家科技进步二等奖王启明庄婉如王树堂注：无报奖材料，名单仅供参考4.可控电参数的低位错磷化铟单晶制备国家科技进步三等奖叶式中刘巽琅刘思林孙同年焦景华注：无报奖材料，名单仅供参考。

半导体超晶格材料及其应用

半导体超晶格材料及其应用

半导体超晶格材料及其应用引言：半导体超晶格材料是一种由多个不同材料交替堆叠而成的晶格结构，具有独特的物理和化学性质。

它们在电子学、光电子学和能源领域等多个应用中具有巨大的潜力。

本文将介绍半导体超晶格材料的基本概念和制备方法，并重点探讨其在光电子器件和能源转换领域的应用。

一、半导体超晶格材料的基本概念半导体超晶格材料是由两种或更多种不同晶格常数的半导体材料交替堆叠而成的复合材料。

由于晶格常数的不匹配，材料界面形成了一系列的晶格失调和应变区域。

这些晶格失调和应变区域对电子结构和输运性质产生了显著影响，从而使半导体超晶格材料具有特殊的性质。

二、半导体超晶格材料的制备方法主要有两种方法用于制备半导体超晶格材料：一是分子束外延（MBE）方法，二是金属有机化学气相沉积（MOCVD）方法。

这些方法可以通过精确控制材料的堆叠顺序和厚度来实现半导体超晶格材料的制备。

三、半导体超晶格材料在光电子器件中的应用1. 光电二极管：半导体超晶格材料的能带结构和电子输运性质可通过调控晶格常数和材料组分来实现。

这使得半导体超晶格材料在光电二极管中具有优异的性能，如高效率和高速度。

因此，半导体超晶格材料被广泛应用于高速光通信和激光器等领域。

2. 太阳能电池：半导体超晶格材料的晶格失调和应变区域对电子结构和光吸收特性的调控具有重要意义。

通过合理设计半导体超晶格材料的结构和组分，可以实现更高的光电转换效率和更宽的光谱响应范围，从而提高太阳能电池的性能。

3. 光电导体：半导体超晶格材料的能带对称性和输运性质的调控使其成为优秀的光电导体。

半导体超晶格材料在光电导体领域的应用包括光电传感器、光电调制器和光电晶体管等。

四、半导体超晶格材料在能源转换中的应用1. 热电材料：半导体超晶格材料的晶格失调和应变区域对热电性能的调控具有重要意义。

通过设计合适的结构和组分，可以实现更高的热电转换效率，从而将热能转化为电能。

2. 催化剂：半导体超晶格材料的界面和晶格缺陷可提供更多的活性位点，从而提高催化剂的活性和稳定性。

专注低维材料_奏响科研新歌——中国科学院半导体研究所半导体超晶格国家重点实验室研究员吴江滨

专注低维材料_奏响科研新歌——中国科学院半导体研究所半导体超晶格国家重点实验室研究员吴江滨

65专注低维材料 奏响科研新歌——中国科学院半导体研究所半导体超晶格国家重点实验室研究员吴江滨　唐慧乔 陈 旭 自人类诞生以来，如何凭借有限的空间和能源延续自身文明并实现可持续发展，一直是人类命运共同体所面临的首要挑战，以解放和发展生产力为目的的技术革新无疑为破解这一难题提供了强劲的动力。

特别是人类进入工业时代以来，以蒸汽机为代表的第一次工业革命、以电力为代表的第二次工业革命和以信息技术为代表的第三次工业革命，都将重点投射于对物质更深层次、更精妙的理解上，而几乎与第三次工业革命同时兴起的半导体相关研究，也依照这样的规律，以“更小、更快、更节能”的方式进行迭代，不断地为人类带来新的可能和机遇。

时至今日，半导体技术的应用已经渗透到各个领域。

与此同时，随着器件小型化的不断发展和集成度的不断提高，传统的硅基半导体器件已经逼近极限尺寸，一系列由于器件工作原理和工艺技术本身的物理限制而产生的难题，将成为相关研究及行业发展难以突破的上限。

就在此时，随着实验制备工艺和合成技术的发展，面向更低维度、更小尺度特质的低维材料应运而生，并以其独特结构和优异性质，使人类借助它研发更高效器件和更新功能成为可能。

有关低维半导体材料的研究吸引了越来越多相关科研工作者的关注，而中国科学院半导体研究所半导体超晶格国家重点实验室研究员吴江滨就是其中之一。

点亮专注科研的星火2008年，出身于福建农村、抱着“走出家乡看一看”想法的吴江滨，头一次听说了华中科技大学的名字。

彼时的他，对这所远方的学校知之甚少，对自己即将进入的光学与电子信息学院几乎是“一无所知”。

“这个专业到底是学什么的？又能做什么？”怀揣这样的问题，吴江滨甫一入校，就展现出旺盛的求知欲，与老师同学交流心得、启发灵感更成了他经常做的事。

这份勤勉与执着，抚平了他曾经因“无知”而产生的迷茫情绪，也让他在大一下学期时即获得了进入江建军教授和缪灵教授所主持的计算材料与测试模拟中心（CCMS）实验室参与科研工作的机会。

超晶格第四章半导体超晶格

超晶格第四章半导体超晶格
�测量得到的带阶与异质结两层的生长顺序有关。
3�电学方法�C-V法�
当有外加电压Va存在时�势垒的宽度和高度的关系为�
( x0
−
x1 )
=
[
2ε1ε 2N D
qN A (ε1N A + ε 2N D
)
(VD
− Va
)]1/ 2
( x2
−
x0 )
=
[
2ε1ε 2N A
qN D (ε1N A + ε 2N D )
?异质结不同能隙材料形成的结如族族族等?主要特点能隙宽度介电常数及电子亲和势均不同?不仅是超晶格的基本组成部份其材料与结构的不同也为器件设计带来许多自由度及独特的性质21理想突变异质结能带图理想突变异质结的模型是两种材料一直到边界都保持其体内的特性在边界上才突变成另一种材料
第四章 半导体超晶格
§1 引言 §2 异质结 §3 超晶格量子阱中的新现象 §4 超晶格电子态理论 §5 超晶格晶格振动 §6 超晶格量子阱的光学性质 §7 超晶格量子阱的垂直输运性质 §8 超晶格量子阱应用例举 §9 量子Hall效应 *§10 低维超晶格和微结构
3�应变超晶格
一般认为�晶格常数的失配度<0.5%为晶格匹配� 失配度>0.5%为晶格失配。在晶格常数失配度<7% 的范围内�其中的一种或两种材料内存在应变�以 补偿晶格常数的失配�界面不产生位错与缺陷。
如�Si/Ge, GaP/InP
§2
异质结 - 超晶格的基本单元
“半导体异质结物理”, 虞丽生,科学出版社.
当势阱的宽度和载流子的有效质量已知时�可用和 实验数据相拟合的办法求出相应势阱的深度�即导 带带阶和价带带阶。
电子的跃迁满足选择定则 Δn = 0�即位于第n个重 �或轻�空图穴5 量能子级阱只中的能量跃子能迁级到和第光跃n迁个电子能级。

超晶格、光子晶体及声子

超晶格、光子晶体及声子

8
超晶格材料——量子阱 二、超晶格材料——量子阱 3
半导体超晶格主要分为组分超晶格 和 半导体超晶格主要分为 组分超晶格和 掺 组分超晶格 杂超晶格两大类 两大类。 杂超晶格两大类。图1是它们的结构和能 是它们的结构和能 带的示意图。图中Eg1和 Eg2分别是窄禁 带的示意图 。 图中 和 分别是窄禁 带和宽禁带组分的禁带宽度，Ege是超晶 带和宽禁带组分的禁带宽度， 是超晶 格结构的有效禁带宽度。 格结构的有效禁带宽度。
15
但在小区边界上能量 不连续， 并出现禁带。 不连续 ， 并出现禁带 。 这样， 这样 ， 原来半导体的 每个导带就变成由许 多 亚 带组 成 ， 见 图 2 。 折叠， 这种现象称为折叠 这种现象称为 折叠 ， 其小区的数量为d/a。 其小区的数量为 。 图2超晶格布里渊区和亚带 超晶格布里渊区和亚带
16
超晶格材料——量子阱 二、超晶格材料——量子阱 10
• 量子阱的分离能级
图3 GaAs-Al0.3Ga0.7As超晶格结构中的分立能级 超晶格结构中的分立能级
17
• 量子阱的结构
图4 AlGaAs/GaAs量子阱结构 量子阱结构
18
超晶格材料——量子阱 二、超晶格材料——量子阱 12
• 负阻效应 中曲线BC 图 5中曲线 中曲线 显示负阻效应， 显示负阻效应 ， 即遂穿电流随 电压的升高而 降低。 共振遂穿三极管的I-U曲线 图5 共振遂穿三极管的 曲线
14
超晶格材料——量子阱 二、超晶格材料——量子阱 8
• 超晶格的布里渊区和亚带结构
用周期为a的晶体生长成周期为 的超晶格结构 由于d 用周期为 的晶体生长成周期为d的超晶格结构，由于 的晶体生长成周期为 的超晶格结构， 大很多， 比a大很多，所以在倒易空间中，超晶格的周期比晶体 大很多 所以在倒易空间中， 的周期小很多。一维晶体的第一布里渊区(-π/a，π/a)， 的周期小很多。一维晶体的第一布里渊区 ， ， 由于d>a，所以将使超晶格结构原布里渊区分割成许多 ， 由于 小区，其第一子区的范围是 小区，其第一子区的范围是(-π/d，π/d)。由于超晶格中 ， 。 势垒区很薄，相邻量子阱间有弱耦 势垒区很薄，相邻量子阱间有弱耦合，使其量子能级 扩展为窄能带，称为亚带 或子带 或子带)， 扩展为窄能带，称为亚带(或子带 ，带内能量几乎是连 续的。 续的。

基于二维半导体的图像传感器

基于二维半导体的图像传感器

基于二维半导体的图像传感器
于雅俐;麦梓锋;刘力源;魏钟鸣;慈鹏弘
【期刊名称】《集成电路与嵌入式系统》
【年(卷),期】2024(24)5
【摘要】图像传感器作为获取视觉信息的重要器件,可将感知到的光信号转换为电信号进行输出。

目前,基于互补型金属氧化物半导体构建的图像传感器制造技术已相当成熟。

然而,在某些特定的应用场景下,对微型化和多功能的图像传感器的需求仍待解决。

面对此挑战,结合二维半导体丰富的材料体系及优异的光电特性,以及器件向微型化和多功能化发展的趋势,基于二维半导体的图像传感器在微型化和高集成度方面显示出巨大潜力,为图像传感器领域的发展带来了新机遇。

本文首先介绍了二维半导体的带隙特性及其对应的光谱响应波段范围,展示了基于二维半导体的单像素成像技术;接着,阐述了如何利用二维半导体原子排布呈面内各向异性的特征,成功构筑了偏振敏感的图像传感器;最后,探讨了随着大面积二维半导体材料生长技术的不断成熟,如何进一步实现基于二维半导体像素阵列图像传感器的构筑。

【总页数】9页(P26-34)
【作者】于雅俐;麦梓锋;刘力源;魏钟鸣;慈鹏弘
【作者单位】中国科学院半导体研究所半导体超晶格国家重点实验室;深圳大学高等研究院
【正文语种】中文
【中图分类】TP872
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第三章半导体超晶格

第三章半导体超晶格

第3章 半导体超晶格3.1 半导体超晶格基本结构3.2 超晶格的应用举例3.1 半导体超晶格基本结构所谓的超晶格，是由几种成分不同或掺杂不同的超薄层周期性地堆叠起来而构成地一种特殊晶体。

超薄层堆叠地周期（称为超晶格地周期）要小于电子的平均自由程，各超薄层的宽度要与电子的德布罗意波长相当。

其特点为在晶体原来的周期性势场之上又附加了一个可以人为控制的超晶格周期势场，是一种新型的人造晶体。

超晶格的分类（一）复合超晶格利用异质结构，重复单元是由组分不同的半导体薄膜形成的超晶格称为复合超晶格，又称为组分超晶格。

按照能带不连续结构的特点可将这个类型超晶格分为四类：第Ⅰ类超晶格、第Ⅱ类错开超晶格、第Ⅱ类倒转型超晶格和第Ⅲ类超晶格。

（1） 第Ⅰ类超晶格(GaAs/AlGaAs)GaAs 材料的见地完全包含在AlGaAs 的能隙之中，电子和空穴都位于窄带隙材料的势阱中v c g E E E ∆+∆=∆x 247.1E g ＝∆，与Al 的组分x 成正比。

（2） 第Ⅱ类 —— 错开型超晶格（GaSbAs/InGaAs ）两个带隙互相错开，一个价带底在另一个价带底的下面。

电子和空穴分别处于两个不同的材料中形成了真实空间的间接带隙半导体（3） 第Ⅱ类 —— 倒转型超晶格（InAs/GaSb ）一个导带底下降到另一个价带底之下。

电子和空穴可能并存于同一个能区中，形成电子－空穴系统Ec1与Ec2能量相差一个Es ，前者的导带与后者的价带部分重叠，从而可能发生从半导体到金属的转变（4） 第Ⅲ类超晶格(HgTe/CdTe)宽带隙半导体CdTe 和零带隙半导体HgTe 构成的超晶格。

只有当超晶格的周期小于某一定值时才具有半导体特性，否则具有半金属特性。

超晶格能隙差由最低导带子能带和价带子能带的间距决定，价带能量不连续值近似为零，导带能量不连续值近似等于两种材料能隙之差。

（二）掺杂超晶格利用超薄层材料外延技术（MBE 或MOCVD ）生长具有量子尺寸效应的同一种半导体材料时，交替地改变掺杂类型的方法（即一层掺入N 型杂质，一层掺入P 型杂质），即可得到掺杂超晶格，又称为调制惨杂超晶格。

半导体超晶格和多量子阱

半导体超晶格和多量子阱
图10. 23是隧穿概率和电子 能量旳关系。
24
10.3 垂直于超晶格方向旳电子输运
如图10. 25所示，在两端有两个高掺杂GaAs层作电极，其 中电子旳费米能级为EF。
25
10.3 垂直于超晶格方向旳电子输运
对于双势垒和三个势垒系 统旳计算成果如图10. 26所示 。伏安特征上是一系列旳峰值 ，第一种峰值旳位置相当于电 极上旳费米能级和第一种子带 底对齐旳情形。
9
10.2.1 GaAs-AlxGa1-xAs超晶格
对界面是突变异质结旳GaAs-AlxGa1-xAs超晶格旳导带和价 带都是一系列旳方形势阱。假设势垒和势阱旳宽度相同，均为 d。当势垒宽度d逐渐变小时，能级从高到低依次扩展成能带。 这种情形和原子构成晶体旳过程相同。
10
10.2.1 GaAs-AlxGa1-xAs超晶格
31
负阻振荡器
负阻振荡器：利用负阻器件抵消回路中旳正阻损耗， 产生自激振荡旳振荡器。因为负阻器件与回路仅有两端 连接，故负阻振荡器又称为“二端振荡器”。 正功率表 达能量旳消耗，负功率表达能量旳产生，即负阻器件在 一定条件下，不但不消耗交流能量，反而向外部电路提 供交流能量，当然该交流能量并不存在于负阻器件内部， 而是利用其能量变换特征，从确保电路工作旳直流能量 中取得。所以负阻振荡器一样是一种能量变换器。
18
10.2.3 HgTe-CdTe超晶格
图10.16是取d1 =2d2 , d2和d2/2时旳计算成果，纵坐标用超 晶格旳禁带宽度Eg=E1-HHl表达看得更为清楚。这两个图阐明 ，只有当超晶格旳周期不不小于某个一定旳数值时，CdTeHgTe超晶格才具有半导体特征， 当周期不小于这个数值时 超晶格将具有半金属特征。
27

8半导体量子阱与超晶格

8半导体量子阱与超晶格

其他主要发光材料
• 阴极射线荧光粉 蓝光粉(约440nm) ： ZnS:Ag 绿光粉(约520nm) ： ZnS:Cu,Al;ZnS:Au,Cu 红光粉(约610nm) ： Y2O2S:Eu3+,Y2O3:Eu3+ ,YVO4:Eu3+ • 荧光灯荧光粉(Hg:254nm) 蓝光粉(450nm) ： BaMgAl10O17: Eu 2+ 绿光粉(543nm) ： Y2SiO5:Ce3+,Tb3+; (Ce, Tb)MgAl11O19 红光粉(610nm) ：Y2O3:Eu3+
E02 E0 10kV , E x E ax, xm a E0 10kV , x bE0n
2 0
B f i V V0 , n 1
n
• 等离子体显示荧光粉 (Xe:147nm) 蓝光粉(约450nm) ： BaMgAl10O17 : Eu 2+ 绿光粉(约520nm) ： ZnSiO4:Mn2+; BaAl12O19:Mn 红光粉(约610nm) ： (Y,Gd)Bo3:Eu3+, Y2O3:Eu3+
振荡频率为： h ，称为布洛赫振子。
量子阱ห้องสมุดไป่ตู้超晶格
量子阱与超晶格
• 量子阱：窄带半导体层被夹在厚的宽带隙半导体之间。 • 类似于一维无限势阱：电子运动量子化，产生分立能级。 分立能级依赖于势阱的宽度与深度。 • 量子阱的分立能级（子带）结构基本保持不变。
量子阱的光学特性
• 电子只在Z方向的运动是量子化的。 • 电子和空穴的吸收与发射需满足 Δn=0的选择定则（跃迁几率）。 • 吸收强度与态密度成比例，吸收 峰（激子）稍低于台阶处。 • 吸收光谱是研究量子阱与超晶格 的最有效手段之一。

量子阱和超晶格

量子阱和超晶格
超晶格是一种由交替生长不同半导体 材料形成的周期性结构，其周期长度 在几十纳米量级，可以产生新的量子 效应和物理性质。
量子阱和超晶格的重要性
量子阱和超晶格是现代半导体技术中的重要组成部分，对于 发展新型电子器件、光电器件和量子器件具有重要意义。
通过量子阱和超晶格的设计和制备，可以实现对电子的量子 行为和材料的物理性质的精确调控，从而优化电子器件的性 能，提高光电器件的光电转换效率，以及实现量子信息处理 和量子计算等前沿技术。
新型应用场景不断涌现
随着量子计算和超晶格技术的不断发展，将会有越来越多的新型应用场景涌现，包括量子 模拟、量子优化、量子机器学习等。
需要解决的技术挑战和伦理问题
随着量子计算和超晶格技术的不断发展，需要解决的技术挑战和伦理问题也将不断增加， 需要加强国际合作和政策引导。
THANK YOU
超晶格
超晶格主要应用于电子器件和集 成电路等领域，如高速晶体管、 集成电路、微电子器件等。
05
量子阱和超晶格的发展趋势
量子计算的发展趋势
量子计算技术不断进步
随着量子计算技术的不断发展，量子计算机的性能和稳定 性不断提升，量子算法和应用场景也在不断拓展。
硬件平台多样化
随着量子计算技术的不断发展，量子计算机的硬件平台也 在不断多样化，包括超导、离子阱、光学等多种技术路线。
热稳定性
超晶格具有较好的热稳定性，能 够在较高温度下保持稳定的性能。
超晶格的应用
电子器件
能源领域
超晶格可用于制造高速、低功耗的电 子器件。
超晶格可用于太阳能电池和热电转换 等领域，提高能源利用效率。
光电器件
超晶格在光电器件领域有广泛应用， 如激光器、探测器等。
04

超晶格材料superlattices_(graduate)

超晶格材料superlattices_(graduate)

dPz dt
Fz
(1).
U
这里 Pz kz 为电子的动量， 电场强度 U , D是总的厚度。
D
.
2 3 4 U (V )
GaAs
AlGaAs GaAs AlGaAs GaAs
I
z
y
x
dkz e
(2).
dt
得到
kz
e
t
（3）
注意到
dkz dt
dkz dE
dE dt
dkz dE
Fz v z
h
空带
n
Pn
h
满带
p
半导体中电子和空穴的复合从而释放出光子来. 电源可以将电子从p型半导体经电源拉到n 型半导体, 增大了电子空穴复合的机会,也. 就增大了发射出的光子数.
h
Pn
单位时间内发射的光子数 与单位时间内注入的电子空穴对数 n
成正比,与电子空穴复合所需要的
时间 成反比,即
Vn I
1 dE
Fz v z
与（1）式比较，得到：
dkz
vz
1
dE dkz
(4)
对电子能量表达式
求导，得到：
E
J0
2 2m
(k
2 x
k
2 y
)
J
cos(kzd )
vz
Jd sin(kzd )
J d sin eUtd D.
(5) .
于是电流密度为
j
vz
Jd
sin etdU D
电流强度为
I
.
四. 主要应用 （1）场效应管, (2) 激光器工作物质，（3）传感器 （4）光波导, （5）自旋电子器件.
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图7.8.5 横向超晶格器件
7.8.4 二维电子气的能态密度与量子霍尔效应 １. 二维电子气能态密度 如前所述，超晶格半导体附加的周期性引 起电子能谱的附加量子化，即在 z 方向形成一 系列量子能级 E1 ( z), E2 ( z), ，由式（7.8.1）可知， 由于[ 2 /(2m* )](k x2 k y2 ) 形成准连续谱，则相应 z 方 向的每一个能级 E ( z) ，电子的二维运动形成一 个子能带。子能带的态密度可由第4章的方法 求得，只不过这里是二维问题。由在 k// (kx , ky ) 空 间Ｋ标度下单位体积的态密度为1/(2π)2 可知， 以 k k k 为半径的 k// 空间圆内所包含的允许 的 k// 的数目为 :
图 7.8.3 超晶格中E-k 关系
图 7.8.4 在周期性晶体场中外加直流 电场以后电子的行为
由此可见，由于在超晶格晶体中引入了附加的一维 周期势场，其中电子的能量将呈现新的量子化现象， 原来晶格周期势场中的能带分裂成一系列子能带。
7.8.3 超晶格的负阻效应及其应用
这种附加量子化效应使得超晶格晶体产生了许许 多多新的物理现象和物理性质，如量子霍尔效应、 负阻效应等。下面简单介绍负阻效应极其应用。 研究表明，当在不同的温度下测量超晶格晶体的 电阻时，将会发现样品的电阻随外加电压变化而变 化。当外加电压增加到某一阀值时，微分电阻的数 值将会发生突变，在某些温度下会出现负阻现象。 过了突变值以后，随着外加电压的增加，电阻的数 值会出现忽大忽小的变化。电阻的这种异常变化是 块状 GaAs、AlAs 的单晶样品所没有的。关于超晶格 晶体的负阻效应可作如下的定性讨论。 图７.８.４给出了电子在直流电场中受到加速作 用以后运动的情况。假定无外电场时，电子处于Ａ
E (k ) E (k z ) 2m
*
(k x k y )
（7.8.1）
式（7.8.1）表明，在 xy 平面内，电子的动能仍 是准连续的，而在垂直于界面的 z 方向，电 子的能量取决于附加的一维周期势。
我们知道，如果原来晶体的晶格常数为 a ，则 其周期性势场可表示为:
V ( z ) V ( z na)
与此相对应的，电子能量在Ｋ空间也具有周期 性，即有 2π
E (k z ) E k z n a
类似地，在超晶格晶体中，由于合金成分的周 期性变化所引起的周期性势场为
V ( z) V ( z nd )
/a 因而，电子能量Ｅ在Ｋ空间内除去周期性 2π外， 2，即 π/d 还应具有周期性
2π E (k z ) E k z n d
由于 d a ，因此能量 E(k z ) 所具有的周期 2π / d 要比 2π / a 小得多。换句话说，在原有的布里渊 区内又可分成许多小区，这些小区的宽度比原 有的布里渊区要小得多。在每个小区的边界产 生能量的突变，如图(７.８.３)所示。与原先的能 带相比，超晶格能带的宽度要窄得多。允许带 和禁止带的宽度以及具体的Ｅ－Ｋ关系取决于 势的变化情况及超晶格常数。通过适当选择组 成超晶格的材料和改变层的厚度，便可改变 k z 方向的Ｅ－Ｋ关系
（7.8.7）
如果电子刚好填满到第 i 个郎道能级,那么电 子数为 n ieB / h ,代入式（7.8.5）中得霍尔电阻为
H
h （i为正整数） ie 2
（7.8.8）
由此可知 H与B 无关，即出现霍尔电阻平台， 且平台值是量子化。显然，平台本身相当于填 满的郎道能级。国际计量委员会已经决定，从 1990年元月起用量子霍尔电阻标准替代原来的 标准电阻的实物基准。
图７.８.５示出了超晶格器件的一个例子——横向超晶格 器件。在这种超晶格结构中，电子是互相平行地通过超晶格晶 体的。开始，电子存在于高迁移率的导带的底部，由于电场加 速作用，电子能量不断增大，于是进入的导带。但在中电子迁 移率较之在中要低。这样，从高电子迁移到低电子迁移率的突 变，将预示着可能存在负阻特性。
图7.8.2 半导体超晶格中的势分布
7.8.2 量子阱和附加量子化
若将垂直于界面的方向取作z轴，从图7.8.2 可以看到在z方向出现周期为 d 的势阱阵列， 称之为多重量子阱。超晶格中的电子（空穴） 将被势阱束缚。但在平行于x,y平面内的运动 并不受影响。于是对于导带中的电子，其能量 可表示为 2 2 2
i
// 2 x 2 y
2 k 1 2 // N π k // 2 (2π) 4π
（7.8.2）
若改用能量标度:
2 1 2m* 2 k// m* N ( // ) 2 * 2 // 4π 2m 2π
则能态密度
N m* g ( ) 2 2 π
（7.8.3）
２. 量子霍尔效应
(a)
（b）
图7.8.1 通常化合物半导体晶体结构和超晶格结构实例

一般来说，组成超晶格的两种材料具有相 同类型的能带结构.由于两种材料的导带边和 价带边的能量不相同,故在两种材料的交界处, 带边发生不连续的变化.图7.8.2为 GaAs - AlAs 超晶格在垂直两种材料界面方向上的导带和价 Eg1、Eg2 分别为 AlAs、GaAs 带势场分布的示意图。 的能隙宽度。 由图可见，超晶格晶体中除原有的两种材 料的晶体周期场外，还在垂直于两种材料界面 的方向叠加了一个附加的一维周期势场。
7.8 半导体超晶格
半导体超晶格由于其独特性质而引人注目， 从1973年以来，已经成为半导体新理论和新 应用的生长点。
7.8.1 半导体超晶格 超晶格是相对晶态固体材料中原来的晶格 周期而言的，它是指晶态固体材料中的原胞要 比构成超晶格材料的原胞小得多。因此该材料 在实空间以原周期的若干倍形成新的周期结构。 半导体超晶格不存在于自然界中，它是一种人 工制造的结可能应用 主要分支 超高频器件 超低功耗器件 光双稳态器件 实例 超高速传真，超高速数据通信，超高速图象 传输，超高速多路电话系统 非线性变换器，高效率能量变换器，隧道晶 体管，高温超导器件 光逻辑集成电路
超高密度存储器 大容量光存储器，大容量磁存磁器 高效率发光器件 高输出可见光激光器，高效率多色发光器件 控制器件 传感器 紫外线控制器，Ｘ射线控制器 高灵敏度磁传感器，高带域光传感器，高性 能音响设备，高灵敏度超声波器件
点。当加上直流电场以后，电子被外电场加速 并沿 AB 移动到了转折点Ｂ后，电子的速度就慢 慢地减下来，于是晶体进入负阻区域。 然而尽管理论上可以预计在直流电场的作 用下晶体可以出现负阻现象，但在通常的半导 体晶体中实现，实际上是不可能的。因为此时 必须把电子的能量加速到很高，但由于电子被 加速过程中受到的散射作用，电子要想得到很 高的能量事实上是相当困难的。 但是，在超晶格晶体中，由于附加的周期 势的周期 d 要比母晶体中的晶格常数 a 大得多， 因此在Ｋ空间每个子能带所占据的宽度比原有 布里渊区的宽度要小得多。由于小区中的能量 和准动量都很小，所以在外电场作用下，

采用分子束外延、金属有机物气相沉淀 （MOCVD）和化学束外延（CBE）等生长技 术，可使半导体超晶格得以实现。半导体超晶 格不是一种均匀的单一合金成分晶体，而是由 两种极薄的不同合金成分的、半导体单晶薄膜 周期性地交替生长的多层异质结构。每层薄膜 的厚度一般为几十到一百。图7.8.1(b)给出了这 种结构的示意图，它是由 GaAs和AlAs 交替叠合 AlAs 而成的。在每周期内 GaAs 的厚度为 451010 m， 的厚度为 40 1010 m 。每个周期共含有50个晶格 周期。为了比较，图7.8.1(a)还给出了GaAs 化合 物的晶格结构示意图。
普通物理中介绍过，霍尔电压与外磁场、电 流强度的关系为（已设霍尔片的厚度为１）
VH RH IB
VH B H RH B I ne
（7.8.4）
式中,RH 1/(ne) 为霍尔系数。类似欧姆定律，把
（7.8.5）
称为霍尔电阻，显然，若保持导体中的电子数 密度 n 不变，则 H 与Ｂ成线性关系。 所谓量子霍尔效应是指在超晶格半导体中， H 并非总是与 Ｂ成正比关系。当改变磁场，测量 霍尔电阻时，发现在某些围的Ｂ值
i c
的能态密度式（7.8.3），得到郎道能级的简并度 为 m* eB 2 Be
g ( E ) c
2
m
*

π
（7.8.6）
图 7.8.6 霍尔电阻与磁场B的关系，出现平台 区，在平台区上，当磁场改变时，霍尔电阻 不变
如果考虑到电子自旋在磁场中的分裂，郎 道能级的简并度为 1 Be
2 g ( E ) c π
电子有可能被加速到越过Ｅ－Ｋ曲线中的Ｂ点， d E 此时， 变号，电子从正有效质量变成负有效 dk 质量，从而可以获得负阻效应。 超晶格半导体材料诞生后不久，便由于其 独特的物理性质而在技术上显示出它的重要性。 用超晶格材料研制的一些微电子和光电子器件 具有常规材料所不具备的许多优异性能，并使 电子器件的设计思想发生了革命性的变化。使 半导体器件的设计和制造由原先的所谓“杂质 工程”发展到“能带工程”，并可对其物理特 性进行有效控制。综合超晶格器件的应用前景 可以列成表(７.８.１)
H 并不增加，如 出现平台，即随着Ｂ的增大， 图7.8.6所示，而且平台值是量子化的，精确地 i 等于 h / e 2 的1 / i 倍，是正整数。 量子霍尔效应是超晶格附加量子化的宏观 表现。当在 z 方向加上磁场Ｂ后，原在平面内 自由运动的准连续能谱，将量子化为５.３节 讲述过的郎道能级 1 E ( z ) (i ) 为正整数 i 2 * eB / m 式中，c 为回旋共振频率。 与５.３节类似，每一个郎道能级包含的量 子态数目等于原来连续谱中能量间隔 c 内的 态数目。这样就可由原来二维自由电子气