《微纳米技术》教学课件PPT
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超晶格及其在发光器件方面的应用袁野袁野花旭花旭马元马元 超晶格的提出超晶格的提出 1970年美国IBM实验室的江崎和朱兆祥提出了超晶格的概念他们设想如果用两种晶格匹配很好的材料交替地生长周期性结构,每层材料的厚度在100nm以下,则电子沿生长方向的运动将会产生振荡,可用于制造微波器件。他们的这个设想两年以后在一种分子束外延设备上得以实现。1972年,张立刚等人利用分子束外延技术生长出100多个周期的AlGaAs/GaAs的超晶格材料,并在外加电场超过2V时观察到与理论计算基本一致的负阻效应,从而证实了理论上的预言,江崎因此获得1973年的诺贝尔物理奖。所谓超晶格是指两种或两种以上几个原子或纳米厚度的所谓超晶格是指两种或两种以上几个原子或纳米厚度的不同物质的薄膜交替叠合在一起形成的多周期的结构。不同物质的薄膜交替叠合在一起形成的多周期的结构。超晶格材料由于在两种交替生长的方向上引入了一个远超晶格材料由于在两种交替生长的方向上引入了一个远大于原晶格常数的周期,而值又小于电子的德布罗意波的大于原晶格常数的周期,而值又小于电子的德布罗意波的波长,这样,在原来周期性晶格势场上再加上这样一个人波长,这样,在原来周期性晶格势场上再加上这样一个人为引进的一维周期势场,为引进的一维周期势场,使原来的能带结构分离为许多由使原来的能带结构分离为许多由能隙分开的狭窄的亚能带,使电子的共振隧穿发生了很大能隙分开的狭窄的亚能带,使电子的共振隧穿发生了很大的变化。在生长方向上原来边界为的布里渊区会分裂成边的变化。在生长方向上原来边界为的布里渊区会分裂成边界为许多微小布里渊区。超晶格材料具有量子阱结构。界为许多微小布里渊区。超晶格材料具有量子阱结构。超晶格结构 超晶格分类(1)组分调制超晶格(2)掺杂调制超晶格(3)应变超晶格(4)多维超晶格(5)非晶态半导体的超晶格(6)半磁超晶格(7)渐变能隙超晶格(锯齿状)是指在同一块单晶上生长的大量重复相间的薄层,通常是由两种不同材料在一个维度上层状排列的周期结构。其中,每层的厚度都很小,可和电子的德布罗意波长相比,因此其周期远小于电子非弹性散射的平均自由程。组分超晶格图图1(a)是是两两种种组组分分超超晶晶格格结结构构示示意意图图,构构成成超超晶晶格格的的两两种种材材料料有有不不同同的的禁禁带带宽宽度度,按按它它们们的的能能带带 差差 异异 分分 为为 图图1(b)所所示示的的I型型超超晶晶格格和和图图1(c)所示的所示的型超晶格。型超晶格。如如GaAs/AlxGa1-xAsGaAs/AlxGa1-xAs超晶格就属于超晶格就属于I I型超型超晶晶格,格,窄带组分窄带组分(GaAs(GaAs,带宽,带宽Egl)Egl)的导带底和价带顶均的导带底和价带顶均位于宽带组分位于宽带组分(AlxGa1-xAs(AlxGa1-xAs,Eg2)Eg2)的禁带中的禁带中。这这种结构的电子势阱和空穴势阱都位于窄带材料种结构的电子势阱和空穴势阱都位于窄带材料中。中。GaxIn1-xAs/GaAsxSb1-xGaxIn1-xAs/GaAsxSb1-x属于属于型超晶格,结构型超晶格,结构中形成的电子势阱和空穴势阱不在同一种材料中形成的电子势阱和空穴势阱不在同一种材料中,因而电子和空穴在空间上是分离的。中,因而电子和空穴在空间上是分离的。超晶格中势垒的厚度也很小,相邻势阱中的电超晶格中势垒的厚度也很小,相邻势阱中的电子可以互相藕合,因此原来在量子阱中分立的子可以互相藕合,因此原来在量子阱中分立的能量能量EnEn将扩展成能带,能带的宽度和位置与势将扩展成能带,能带的宽度和位置与势阱的深度、宽度及势垒的厚度有关。阱的深度、宽度及势垒的厚度有关。掺杂超晶格是用同一种材料不同的掺杂超晶格是用同一种材料不同的掺杂层构成的周期结构,如掺杂层构成的周期结构,如n n型和型和p p型型SiSi的层状周期排列结构和能带图。的层状周期排列结构和能带图。掺杂超晶格可视为大量掺杂超晶格可视为大量pnpn结的重复,结的重复,因其周期宽度比空间电荷区的宽度因其周期宽度比空间电荷区的宽度小得多,所以全部小得多,所以全部pnpn结都是耗尽的,结都是耗尽的,p p区和区和n n区的总电荷数达到平衡。区的总电荷数达到平衡。与组分超晶格不同,掺杂超晶格能与组分超晶格不同,掺杂超晶格能带的弯曲完全由势能引起,形成周带的弯曲完全由势能引起,形成周期变化的空间电荷势。期变化的空间电荷势。改变掺杂的程度和各层的厚度,可改变掺杂的程度和各层的厚度,可以调节超晶格的能带结构和其他性以调节超晶格的能带结构和其他性质。质。掺杂超晶格掺杂超晶格超晶格在发光器件方面的应用超晶格在发光器件方面的应用 超晶格光学性质的研究除了传统上的意义之外,超晶格的光吸收谱,荧光发射谱、激发谱、光反射谱、拉曼光谱等是研究超晶格电子结构的主要手段,特别是光谱研究所揭示的超晶格量子阱新颖的光学性质,为新器件原理提供了有效的实验依据。室温荧光特性由于量子限域作用:由于量子限域作用:电子电子-空穴的复合发光效率显著提高空穴的复合发光效率显著提高 电子电子-空穴易形成激子空穴易形成激子 发光蓝移发光蓝移应用:应用:可制备波长可调(尤其是蓝光或紫外波长)和高效发光可制备波长可调(尤其是蓝光或紫外波长)和高效发光的的LEDLED和和LDLD量子阱激光器具有量子阱结构的量子阱半导体激光器与双异质结半导体激光器(DH)相比,具有阈值电流密度低、量子效应好、温度特性好、输出功率大、动态特性好、寿命长、激射波长可以更短等等优点。目前,量子阱已成为人们公认的半导体激光器发展的根本动力。
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