08章-III-V族多元合物半导体全解.ppt

(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和乘积。生长速率通常是由微米级外延层生长求得的，实验表明，这个生长速率也适用于极薄层的厚度控制。尽管有的实验结果显示出在连续生长一系列不同阱层厚度材料时，在生长每个阱的初期，生长速率有一个超过正常体材料生长速率3～4倍的速率极大值，然后才能稳定到正常值。但目前人们在实际生长中仍然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晶体成核机制、衬底质量及生长中断方式有关。衬底应高度平整、光洁，生长时应控制在层状生长，防止岛状生长并且采用合适中断生长工艺，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。 掺杂超晶格 在同一种半导体中，用交替地改变掺杂类型的方法做成的新型人造周期性半导体结构的材料。 优点: (1)任何一种半导体材料只要很好控制掺杂类型都可以做成超晶格。 (2)多层结构的完整性非常好，由于掺杂量一般较小，所以杂质引起的晶格畸变也较小。因此，掺杂超晶格中没有像组分超晶格那样明显的异质界面。 (3) 掺杂超晶格的有效能隙可以具有从零到未调制的基体材料能量隙之间的任何值，取决于对各分层厚度和掺杂浓度的选择。 掺杂超晶格 利用电离杂质中心产生的静电势在晶体中形成周期性变化的势，例如n-i-n-i结构超晶格。 多维超晶格 一维超晶格与体单晶比较具有许多不同的性质，这些特点来源于它把电子和空穴限制在二维平面内而产生量子力学效应。进一步发展这种思想，把载流子再限制在低维空间中，可能会出现更多的新的光电特性。用MBE法生长多量子阱结构或单量子阱结构，通过光刻技术和化学腐蚀制成量子线、量子点。 GaN和ZnO量子阱的应用 发光二极管（LED） 激光器（LD） ZnO量子阱的激光发射领域的研究进展 1998年，Tang等报道了生长在蓝宝石（0001）上的ZnO外延层室温下产生的激光发射，产生激光的阈值仅为24 kW/cm2。（图1） 2000年，Ohtomo等报道了生长在晶格匹配ScAlMgO4衬底上的ZnO/Zn1-xMgxO超晶格高于室温（373 K）的受激发射，所需的阈值泵浦能量极低（11 kW/cm2）。 2007年，Ryu等研制出ZnO/ZnBeO薄膜型激光二极管，首次报道了ZnO MQWs的紫外电注入激光发射。 最近，Sadofev等报道了ZnCdO/(Zn,Mg)O量子阱结构在光泵浦下的室温激光行为。（图2） 图1 图2 ZnO/ZnBeO量子阱LED Ryu等首次报道了采用混合束沉积（HBD）技术生长出以ZnO/ZnBeO MQW作为有源层的ZnO LED。 ZnO/ZnMgO 量子阱LED GaN性能与应用 应用 信号灯 汽车前照灯 固体光源 高容量存储器 激光打印 液晶显示屏等 GaN量子阱研究进展 1996年又成功研制了电注入条件下蓝宝石衬底的InGaN多量子阱结构蓝光LD，实现了直到当时为止最短波长的半导体。 两年后，该小组在GaN衬底上生长了寿命达到104小时以上，峰值波长为410nm，输出功率为smw的InGaN/GaN/AIGaN蓝紫光多量子阱LD。 1999年初，日亚公司宣布开始商用化生产输出功率为smw，峰值波长为400nm的蓝紫光LD，并在2001年开始批量生产以作为下一代DVD光盘的光源。 1995年，Nakamura带领日亚研究小组采用InGaN/AlGaN单量子结构，通过改变InGaN中In的组分含量实现了蓝紫光、蓝光、绿光和黄光LED。 最近，采用InAlGaN四元合金多量子阱，提高了GaN LED深紫外发光效率。结构右图所示。 初期研究超晶格材料时，除了A1xGa1-xAs／GaAs体系以外，对其他物质形成的超晶格的研究工作不多。 原因：晶格常数相差很大，会引起薄膜之间产生失配位错而得不到良好质量的超晶格材料。 解决方法：当多层薄膜的厚度十分薄时，在晶体生长时反而不容易产生位错。即，在弹性形变限度之内的超薄膜中，晶格本身发生应变而阻止缺陷的产生。因此，巧妙地利用这种性质，可制备出晶格常数相差较大的两种材料所形成的应变超晶格。 SiGe／Si是典型应变超晶格材料，随着能带结构的变化，载流子的有效质量可能变小，可提高载流子的迁移率，可做出比一般Si器件更高速工作的电子器件。 8-6 应变超晶格 由于应变超晶格中原组成材料晶格常数不同，在异质晶体生长时受应变的影响，所以应变超晶格中的晶格常数与原组成材料是不一样的，如图8．21所示。 在生长超晶格时形成与两种原材料界面垂直和平行的新晶格常数，其中对晶体特性起重要作用的是与界面平行的晶格常数，其值可由下式求得。 式中，ai，Gi，h