超晶格量子阱研究的回顾与展望

第１５卷第３期２００８年６月

东莞理工学院学报

ＪｏＵＲＮＡＬＯＦＤｏＮＧＧＵＡＮＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹｏＦＴＥＣＨＮｏＬＯＧＹＶ０１．１５Ｎｏ．３

Ｊｕｎ．２００８

超晶格量子阱研究的回顾与展望李思琳罗诗裕（东莞理工学院电子系，广东东莞５２３８０８）

摘要：半导体超晶格物理是凝聚态物理学中一个极其活跃的前沿领域之一．它的确立、研究与发展，不仅对现代电子信息科技。而且对小尺寸效应、新型材料科学和纳米技术等的发展都产生了革命性的影响．对半导体超晶格物理的历史，现状以及未来走向做一简单的回顾与展望，对于把握凝聚态物理，特别是半导体物理在２１世纪的发展趋势具有重要意义．关键词：量子阱；超晶格；半导体；凝聚态中图分类号：０４７ｌ文献标识码：Ａ文章编号：ｌ００９一０３１２（２００８）０３一００ｌｌ—０５

０引言半导体物理是凝聚态物理领域中的一个活跃分支，也是半导体科学技术发展的重要基础。半个多世纪以来，半导体物理不仅在晶态半导体、非晶态半导体、半导体表面、半导体超晶格、纳米半导体和有机半导体等领域取得了令世人瞩目的重大进展，而且它还是一系列新材料、新结构、新效应、新器件和新工艺的源泉，极大地丰富了凝聚态物理的研究内容，有力地促进了半导体科学技术的发展”‘１＂。如果说上世纪５０～６０年代是以能带理论、品格动力学理论、金属一半导体接触理论、Ｐ．ｎ结理论和隧道效应等理论为主线，那么，７０～８０年代则是半导体超晶格物理、半导体表面物理和非晶态半导体物理三足鼎立的发展格局。９０年代以后，随着多孔硅、Ｃ。。以及碳纳米管、纳米团簇、量子线与量子点微结构的兴起，纳米半导体物理的研究开始崭露头角，且日益深化。进入２ｌ世纪的今天，以ＧａＮ为主的所谓第三代半导体、有机聚合物半导体、光子晶体、声子晶体以及自旋电子学的研究，又把半导体物理研究带入了一个新的发展时期。从上世纪７０年代开始，半导体超晶格和量子阱就一直是半导体物理学最重要的发展方向之一，至今也是半导体物理学最活跃的前沿领域之一。对半导体超晶格物理的历史、现状以及未来走向做一简单的回顾与展望，对于把握凝聚态物理，特别是半导体物理在２ｌ世纪的发展趋势具有重要意义。

１历史回顾与发展现状１９６９年，物理学家江崎和朱兆祥等人首次提出了。半导体超晶格”概念，由此揭开了低维半导体结构与介观物理研究的序幕。可以说，半导体超晶格与量子阱的研究，不仅在半导体物理领域中留下了浓墨重彩的一笔，也在半导体科学技术发展史上写下了光辉灿烂的一页。不久，分子束外延技术就在美国贝尔实验室和ＩＢＭ公司研发成功了。新思想和新技术的巧妙结合，首次研制成功了组分型Ａｌ。Ｇ籼．，Ａｓ，ＧａＡｓ超晶格，标志着半导体材料的发展开进入了人工设计的新时代。随着高质量半导体薄膜生长技术的发展，人们对薄膜单晶生长过程的控制已经可以精确到一个原子层，超晶格材料的组分和层厚均可以人为控制，得到了而且还将继续得到与体材料不同的光电特征。正如江崎指出的那样，人们可以。自己来实践量子力学，可自行设计材料的能隙和能带结构，并按照自己的意愿根据特殊用途来剪裁材料的输运性质和光学性质”．半导体超晶格不仅为半导体科学和技术开拓

收稿日期：２００８一０３—２４作者筒介：李思琳（１９８４一）．女．广东东莞人．２００８届电子工程系本科毕业生．

　万方数据１２东莞理工学院学报２００８年了新领域，而且还有力地推进了新一代高新技术的发展。１９７２年，江崎等人也利用分子束外延技术研制成功了Ａｌ。Ｇ矾．。Ａｓ／ＧａＡｓ组分型超晶格¨ｌ，并用它做实验观测到了这种结构所具有的负阻特性。１９７４年，人们又用Ａｌ。ＧａＩ．。Ａｓ／ＧａＡｓ双势垒结构，研究了垂直界面方向的电导性，并明显地观测到了低温下的共振隧穿现象．１９７８年，美国贝尔实验室的Ｄｉｎｇｌｅ等人首次在组分超晶格ＡＩｘＧａｌ．）认ｓ／ＧａＡｓ中发现了电子迁移率增强现象，立刻引起了各国科学家的广泛关注。两年后，日本富士通公司的Ｈｉｙ砌ｉｚｅ等人率先用这种结构研制成功了第一只超高速逻辑器件——高电子迁移率晶体管（眦ＭＴ）。同时，多势垒共振隧穿现象的研究也相继展开，并取得了有关隧穿机制研究方

面的大量成果。输运现象的研究对共振隧穿量子效应器件的设计与研制具有十分重要的意义。同样值得注意的是，在超品格与量子阱中，声子态的量子约束效应也是一个重要的研究方向。Ｓｏｏｄ等人首先用拉曼光谱在短周期超晶格ＡｌＡｓ／ＧａＡｓ中观测到了约束光声子模，Ｍｅｒｌｉｎ等人也在实验上观察到了一类静电界面模。此外，随着超高迁移率性质的调制掺杂异质结的研制成功，为人们的进一步研究，特别是在低温和强磁场下的量子输运性质的研究提供了极大方便。１９８２年，崔琦等人首次利用这种结构测量了量子霍耳效应，使精细结构常数ｈ／ｅ２的测量精度达到１０１。接着，他们又在质量更好的样品、更强的磁场和更低的温度下发现了分数量子霍耳效应，这是低维半导体结构研究所取得的一个重大进展，荣获了１９９８年诺贝尔物理学奖。值得注意的是，１９８０年，Ⅺｉｔｚｉｌｌｇ在Ｓｉ—ＭＯＳ系统中发现的整数量子霍耳效应，于１９８５年也曾荣获过诺贝尔物理学奖。量子霍耳效应的研究曾两次获诺贝尔奖，这是诺贝尔物理学奖中不曾有过的。近年来，关于量子霍耳效应研究又取得了新的进展。Ｌｌ砌等人实验研究了量子霍耳效应中局域化的微观本质。他们利用一个扫描单电子晶体管探

测了单个的局域态，发现该局域态的属性与早期由单粒子理论预期的结果有显著不同，认为这些局域态主要由库仑相互作用所决定，而且仅当动能的量子化限制了电子的屏蔽能力时才会出现。量子限制效应的产生是半导体量子阱所具有的一个重要光学性质。在量子阱结构中，由于电子沿量子阱生长方向的运动受到约束，会形成一系列离散化的量子能级，同时由于不同量子能级所形成的子能带贡献，态密度呈现出了与能量无关的台阶形状，这些明显不同于三维体材料的电子状态，将直接影响到材料的光学性质，其中光吸收、激子发光以及光学非线性等就是几个典型实例。量子约束效应是Ｄｉｎ百ｅ等人于１９８４年首先在Ａｌ。Ｇ函．。Ａｓ／ＧａＡｓ单量子阱的光吸收谱实验中发现的。同时，他们还在吸收谱的台阶边缘观测到了一个很强的尖锐峰，而且在室温条件下也能观察到，这就是所谓的激子效应。二维激子效应的存在加上态密度的台阶特性，决定了半导体量子阱材料在量子阱激光器与其它光电子器件中有着重要应用。量子约束光学斯塔克效应是量子阱在外加电场下的光吸收特性。它所描述的物理事实是：在垂直于异质结界面方向的电场作用下，激子吸收峰向低能方向移动，而激子峰形状却保持不变。该效应的发现为人们设计和制作光调制器与自电光效应器件开辟了新的方向。半导体量子阱和超晶格的许多独特性质都是通过光学实验发现的；同时，一些光学实验发现了许多新现象还需要我们作出正确解释。例如，背景散射如何引起准粒子的聚束，Ｚｅｎｅｒ隧穿的反常性质等问题。Ｈｅｉｂｌｕｍ等人发现，背景散射会引起聚束效率减弱，在高度稀疏的束流背景中聚束作用将停止。只有在非常低的温度下，背景散射才能重新引起准粒子的聚束。因为，在足够低的温度（２０ｍＫ）下，准粒子之间的相互作用变得很强，显示出一维的类Ｌｕｎｊｎｇｅｒ行为。而最近，Ｒｏｓ锄等人在一系列光学实验中研究了Ｚｅｎｅｒ隧穿，第一次证明了能级展宽与Ｚｅｎｅｒ的原始方程符合得很好，确定了Ｚｅｎｅｒ隧穿的动力学行为，并研究了在Ｚｅｎｅｒ隧穿条件下的Ｂｌｏｃｈ振荡。

２基本原理与基本概念注意到组分超晶格是由交替生长的多层薄膜组成，而薄膜一般包含两种或三种晶格常数（略微）不同的半导体材料，薄膜导电类型和厚度等可根据需要人为控制，而薄膜厚度一般为几十埃到几百埃，在“宏观”上呈现出了周期性。由于这种材料的。宏观”周期比晶格周期（一般只有几埃）大，故将这种材料称为超晶格忙¨引。但自然界中两种晶格常数相近的材料不多．幸好实验发现，利用分子束外延也能生长品格不匹配的量子阱和超品格。当然，由于晶格失配，在界面处会产生应力，应力集中又会进一步导致位错和晶格形变，形成所谓应变超晶格。应变超晶格的的电子态

　万方数据第３期李思琳等：超晶格量子阱研究的回顾与展望１３

是一类特殊的电子态。因而，这类材料具有特殊的光电特征。以ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ为例，对半导体超晶格的结构作一简单介绍。ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ半导体超晶格，是在半绝缘ＧａＡｓ衬底上沿【ｏｏｌ】方向外延生长５００ｎｍ左右的ＧａＡｓ薄层；接着，再依秩交替生长厚度为几埃至几百埃的ＡｌＡｓ和ＧａＡｓ薄层而构成的多层薄膜结构。ＧａＡｓ的晶格常数为Ｏ．５６３５ｌ砌，ＡｌＡｓ的

晶格常数为０．５６６２２衄，两种材料之间的品格失配很小。图１为理想超晶格结构的示意图。注意到，不掺杂时，ＧａＡｓ的禁带宽度为１．４２４ｅＶ，ＡｌＡｓ的禁带宽度为２．６７１ｅＶ，因此，在ＧａＡｓ和ＡｌＡｓ的交界处，能带是不连续的，如图ｌ所示。由于ＡｌＡｓ的禁带宽度比ＧａＡｓ的大，ＡｌＡｓ层中的电子和空穴将进入两边的ＧａＡｓ层，“落入”ＧａＡｓ材料的导带底，只要ＧａＡｓ层不是太薄，电子将被约束在导带底部，且被阱壁不断反射。换句话说，由于ＧａＡｓ的禁带宽度小于ＡｌＡｓ的禁带宽度，只要ＧａＡｓ层厚度小到量子尺度，则ＧａＡｓ层对于载流子来说如同一口阱，处在其中的载流子无论向ＧａＡｓ层两侧的任一侧运动，都必须越过一个势垒。因ＧａＡｓ层厚度为量子尺度，这种势阱又称为量子阱。在这种系统中，载流子的运动在平行于阱壁的二维方向上是自由的，称为二维电子气；又因在垂直方向上运动受到势垒限制，载流子运动表现出了量子受限行为。如果将量子阱平面加以限制，使其尺寸也缩小到量子尺度，则势阱成为线状，载流子在其中只能在一个方向上自由运动，而在与之垂直的另两个方向上都受到势垒的限制，这样的体系称为量子线。如果再将量子线的尺度缩小至量子尺度，则成为一个量子点。量子点是准零维体系，载流子在其中的任何一个方向上都不能自由运动，表现更多的量子受限行为。

圈１理想超昌格结构示意圈广］圭曰厂Ⅲ卜—Ｔ—Ｉ山＾．＾Ｉ＾．

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田２ＧａＡｓ，ＡＩＡ８能带示意图

图２给出了，当ＧａＡｓ和ＡｌＡｓ沿ｚ方向交替生长时，由于两种材料的禁带宽度不同所形成的超晶格多层薄膜结构与相应的的周期势场，其中口表示ＡｌＡｓ薄层厚度（势垒宽度），６表示ＧａＡｓ薄层厚度（势阱宽度）。结构周期，可表示为：，＝口＋６其中的势阱即称为量子阱。超晶格则是这种结构在ｚ方向的周期重复。如果势垒的宽度较大，使得两个相邻势阱中的电子波函数互不重叠，量子阱是彼此独立的，这就是所谓多量子阱Ｂ“３¨。正是由于这个原因，各多量子阱的光学性质与单量子阱的情况相同，而强度则是单量子阱的线性迭加。如果量子阱与量子阱间距离很近，两个相邻阱中电子态将发生耦合，能级将分裂成带，并称之为子能带。子能带与子能带之间又存在能隙，称为子能隙。这些子能隙的宽度与子能带的宽度都可以根据需要人为控制，使得这种半导体微结构的宏观性质表现出丰富多彩的变化。将其中一个量子阱抽出来进一步讨论也许更有意义。注意到能够约束动物的是笼子；能够约束光子的是折射率；能够约束声子的是弹性系数；能够约束带电粒子的则只有电磁场。因此，带电粒子同物质相互作用，实际上就是带电粒子同势场相互作用，而电子或空穴在超晶格（材料）中的运动实际上就是在周期势场运动。在图２所示的“夹层结构一中，Ａ１Ａｓ材料的能隙宽度大于ＧａＡｓ的能