半导体超晶格与多量子阱

• 生长 InGaAs/InP 超晶格通常使用含有 In 、 Ga 的 金属有机物做为Ⅲ族源，PH3和AsH3为Ⅴ族源。 • InxGa1-xAs与衬底InP在x=0.53时两者晶格匹配，偏 离这一点将产生失配。偏离越大，失配越大。 x>0.53时产生压缩应变，x<0.53时产生伸张应变。 为 了 生 长 无 失 配 的 InGaAs/InP 界 面 ， 必 须 严 格 控 制 x=0.53。 • 生长速率是由反应物输入总量决定 ，一般生长 InP 和 InGaAs 分别控制在 0.1~0.3nm/s 和 0.2~0.5nm/s 为宜。
HgTe Ec1 Ev1 Λ
CdTe Ev2
EF Γ B
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：
（1）组分超晶格是超薄层异质周期排列结构，因此制备 时生长速率应能精确地控制，以保证各层厚度的重复性；
（2）异质界面应该平坦，粗糙度低，组分变化陡峭。这 就要求生长时源的变化要快，且在保证晶体质量的条件 下，生长温度尽可能的低，以防层间组分的互扩散；
半导体超晶格与多量子阱
半导体超晶格是由两种或两种以上性质不同的超薄层材料 交替生长而成的多层结构晶体。相邻两层不同材料的厚度 的和称为超晶格的周期长度。 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 长，因此这种结构获得了“超晶格”的名称。 各超薄层的厚度要与电子的de Brog1ie波长相当。设半导体 中电子的有效质量m*约为自由电子质量的l／10，能量E约 为0.1eV，则电子的de Broglie波长大致为
生长时应控制在层状生长，防止岛状生长并且采取合适 中断生长工艺，以防止界面处组分的互掺等。
界面的特性可利用PL谱和X射线双晶衍射技术来研究。
三、 超晶格结构的观察与评价 晶体的电学和光学性质显示的是晶体的宏观性质，它们 不能完全反映出超晶格的周期、层厚、界面的突变性等 微观性质。
一般来说，组成超晶格的阱层厚度在 10nm以下，要求 用来分析和观察的仪器的分辨率必须在 10nm 以下，才 能达到分析和观察的目的。
多维超晶格 一维超晶格与体材料比较具有很多不同的性质，不论 是在物理学上，还是在应用方面都有很多令人感兴趣 的特性。 这些特性来源于它把电子和空穴限制在二维平面内产 生的量子力学效应，进一步发展这种思想，把载流子 限制在低维空间中，可以出现更多新的光电特性。 一、二 和三维超晶格结构及其电子的状态密度图。
低温PL谱还能提供有关激子特性的信息等。
光 吸 收 谱 可 提 供 高 能 量 跃 迁 En （n=1，2，3…；）的信息。
Ehhn 与 En Elhn
透射电子显微镜（TEM）可以提供超晶格结构各层 厚度和界面情况，包括过渡层、台阶及位错等缺陷 的信息，但制备测试样品比较困难。 近年来原子力显微镜（AFM）和扫描隧道电子显微 镜（STM）也被用来研究超晶格结构。 在评价超晶格时，用一种方法往往很难得到令人确 信的结果，所以常用几种方法来评价，互相参考以 取得比较可靠的结果。 目前超晶格的评价方法尚处于完善和发展之中。
A
B
A
B
A Δ Ec
Ec
Ev LB LW
Δ Ev
超晶格结构能带不连续ΔEc、ΔEv及势阱宽LW、势垒宽LB
多量子阱和超晶格都是连续周期排列的异质结构材料。
当势垒厚度20nm和高度大于0.5eV时，多个阱中的 电子行为如同单个阱中的电子行为的总和，这种结构材 料称多量子阱，它适合制做低阈值、锐谱线的发光器件。
绍超晶格的生长。
• InGaAs/InP 超晶格可用常压、低压 MOVPE 两 种方法生长， • 为了获得陡峭的异质结界面要求生长室内保持气流 为无涡流的层状，输入的反应物要精确地控制流量和 快速变换，绝大多数使用带有压力平衡无死区的排空 -生长（Run-Vent）开关系统。
• 采用低压系统有利于消除反应室内的热对流，降低 生长温度，提高气流速度，实现快速切换和减少寄生 反应等。 • 生长超晶格、量子阱结构多使用LP-MOVPE系统。 为了保证切换时源流量的平稳，还采用多管路系统， 即采用二条管路输运同一种源进入生长室。
利用光刻、腐蚀及超薄层生长技术等的结合，可制 备量子线或量子点。 方法：先生长多维超晶格或量子阱，然后用激光蚀 刻将量子阱或超晶格蚀刻成量子线或量子点。 图为利用MBE生长量子阱后，再利用光刻、化学腐 蚀制做出三角形断面台阶型结构，然后再用MBE在 其上生长禁带宽度Eg大的Al0.31Ga0.69As覆盖层， 可显示出二维限制载流子的量子效应。
目前用于超晶格分析、评价的方法有很多，如： （1）反射高能电子衍射（RHEED）； （2）俄歇电子能谱（AES）； （3）二次离子质量分析（SIMS）； （4）X射线光电子谱（XPS）等。 但最常用的是① X 射线双晶衍射回摆曲线；②光荧光谱； ③吸收光谱；④透射电子显微镜。
X射线双晶衍射回摆曲线可提供超晶格结构与化学组分 的信息。 从超晶格衬底的（400）衍射峰与超晶格的零级峰之间 的角间距可以求出超晶格的平均失配度。 超晶格的周期d可以从卫星峰的角间距依下式求得：
二、 InGaAs/InP/InP 量子阱结构的组分、层 厚及界面的控制
生长超晶格的关键在于严格控制阱和垒层的厚度、组 分及界面的陡度，在生长工艺上所采取的措施：
（1）中断生长。中断生长指的是，在生长异质界面 时，切断Ⅲ族源，停止一段生长时间后，再输入Ⅲ族 源开始后续外延层生长。在中断生长时，既可以不通 Ⅴ族源（只通H2），也可以根据研究工作而定。 虽然结果不尽相同，但总的结论是，为了生长界面质 量较好的超晶格结构，选择合适的短时间的中断方式 是必要的。
（2）组分的控制。由于阱层很薄，直接进行组分分析 比较困难，关于超晶格的组分控制的数据主要是从研究 微米级厚度外延层的数据外推得来的。 如：在生长InGaAs时，通常认为固相中Ga/In与气相 中的有机源的分压相关，即
pTMG / pTMIn
x (1 x) c
式 中 比 例 常 数 c=1/3 ， 是 由 测 量 晶 格 匹 配 的 InGaAs/InP材料的X射线衍射图中零级峰和衬底峰之 间的角间距求出的。
掺杂超晶格的一个优点是，任何一种双极性半导体材料， 只要能很好地控制掺杂类型，都可以作为基体材料制做这 种超晶格。 目前研究最多的是用MBE制备Si、GaAs掺杂超晶格。 这种超晶格的另一个特点是，多层结构晶体完整性非常好。 由于掺杂量一般较少（通常为1017~1019cm-3），所以 杂质引起的晶格畸变也较小，它没有组分超晶格的明显的 异质界面。 掺杂超晶格的有效能隙通过掺杂浓度和各层厚度的选择， 在零到基体材料能隙间调制。 目前这种超晶格处在进一步研究之中，还没有做出实用化 的器件。
• 生长InGaAs/InP超晶格的程序为： （1) 装入衬底后系统抽真空，通H2并恒压在1104Pa；
（2）升温至300℃，通PH3保护InP衬底不分解；
（3）升温至650℃，在通PH3的条件下，处理InP衬底 约10min； （ 4）降温至625~630℃，在InP衬底上生长一层InP 缓冲层；
（3）阱层厚度的控制。在一定生长条件下，外延层的 厚度等于生长速率与时间的乘积。 生长速率通常是由微米级外延层生长求得的。 实验表明，此生长速率也适用于极薄层的厚度控制。 目前人们在实际生长中采用在固定生长条件下，严格 控制生长时间的方法，来控制厚度。
（4）超晶格结构的界面应该是平直光滑的，界面平直 光滑与否和生长时成核机制、衬底质量及生长中断方式 有关。 衬底应高度平整、光洁。
h / p h / 2m * E 12.3nm
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（见图）。 称窄禁带材料厚度为阱宽 LW ，宽禁带材料厚度为垒 宽LB，LW+LB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，整个电子系统进入量子领域，产生量子尺寸 效应，这时夹在两个垒层间的阱就是量子阱。
（3）晶格完整性要好，失配度小，失配位错少，表面形 貌要好；
（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； （5）如果需要掺杂，掺杂量及其均匀分布也应精 确控制。 目 前 可 用 来 制 备 超 晶 格 的 方 法 主 要 是 MBE 、 MOVPE、CBE等。
MOVPE法生长InGaAs/InP组分超晶格为例介
ห้องสมุดไป่ตู้
Δ Ec Ec1 GaAs Ev1 Δ Ev Δ Ec
Ec2
电子 N EF
第Ⅰ类型
Ga1-xAlxAs s Ev2
Ec2 Ev2 Ec2
N
P 空穴
P EF
第Ⅱ类型
错开
电子
Ec1 Ev1
Δ Ev GaSb
空穴
第Ⅱ类型
倒转
Δ Ec
电子
EF 空穴
Ec1
Ev1
InAs
Es
Ev2 Δ Ev Ec2
第Ⅲ类型
P
d LW LB / 2 cos B
式中 λ 为 X 射线波长； θB 为布拉格角； Δθ 为两相邻卫星 峰的角间距；LW和LB分别为阱层和垒层厚度。
光荧光谱（ PL）是研究超晶格最常用的方法。它的 优点在于是非破坏性的，不需要专门制备样品。 PL谱能给出子带E1和重空穴带之间的跃迁能。 低温 PL谱，能清楚地显示出由于量子尺寸效应引起 的不同阱宽的能量移动。 PL谱线峰的宽度也与界面的粗糙程度有关。
如果势垒比较薄或高度比较低，由于隧道效应，使阱中 电子遂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带，这种材料称超晶格，它 适于制备大功率的发光器件。
组分超晶格
目前已设计和制备出多种超晶格结构，如组分超晶格、 掺杂超晶格、多维超晶格，应变超晶格。
组分超晶格：如果超晶格材料的一个重复单元是由两种 不同材料的薄层构成，则称为组分超晶格。 在组分超晶格中，由于组成的材料具有不同的电子亲和 势和禁带宽度，在异质界面处发生能带不连续，根据不 同材料的电子亲和势的差可以确定导带的不连续能量值 ΔEC；考虑禁带宽度，就可以确定价带不连续ΔEV。