超晶格

超晶格（superlattice），两种或两种以上组分不同或导电类型不同的极薄的薄膜交替地叠合在一起而形成的多周期结构。这种周期结构的势阱区厚度小于电子平均自由程，势垒区足够窄，以致相邻势阱中的电子波函数能够互相耦合。^[1]

1969年，江崎和朱兆祥提出由两种不同带隙的超薄层构成的一维周期性结构，即人工半导体超晶格。^[2]20世纪80年代，由于摆脱了以往难以制作高质量的纳米尺度样品的限制，金属超晶格成为研究前沿。^[3]

超晶格的特殊性能是在外界条件作用下（如光照或电注入），有效能隙、载流子浓度和复合寿命可在较大范围内调制，从而导致材料的电导率，吸收系数、折射率、发光光谱和增益等都随光照或外场改变。适宜于制作新型光探测器，可调光源、光放大、调制和双稳等器件。^[1]

所谓的超晶格就是指由两种（或两种以上）组分（或导电类型）不同、厚度d极小的薄层材料交替生长在一起而得到的一种多周期结构材料。由于这种复合材料的周期长度比各薄膜单晶的晶格常数大几倍或更长，因此有了“超晶格”的名称。^[3]

1969年，江崎和朱兆祥提出由两种不同带隙的超薄层构成的一维周期性结构，即人工半导体超晶格，并设想了两种不同类型的结构：掺杂超晶格和组分超晶格。半导体超晶格概念促进了刚刚出现的MBE和MOCVD薄膜生长新技术的不断改进和提高，这也是自p-n结、晶体管发明以来，半导体科学的一次重大突破。^[2]

20世纪80年代，由于摆脱了以往难以制作高质量的纳米尺度样品的限制，金属超晶格成为研究前沿，凝聚态物理工作者对这类人工材料的磁有序、层间耦合、电子输运等进行了广泛的基础方面的研究。德国物理学家彼得·格伦贝格尔和巴黎物理学家阿尔贝·费尔分别发现铁一铭超晶格（或称为周期性多层膜）出现巨磁电阻效应。^[3]

超晶格的特殊性能是在外界条件作用下（如光照或电注入），有效能隙、载流子浓度和复合寿命可在较大范围内调制，从而导致材料的电导率，吸收系数、折射率、发光光谱和增益等都随光照或外场改变。^[1]

从超晶格诞生以来，随着理论和制备技术的发展，已提出和制备了很多种超晶格。^[2]

在超晶格结构中，如果超晶格的重复单元是由不同半导体材料的薄膜堆垛而成，则称为组分超晶格。在组分超晶格中，由于构成超晶格的材料具有不同的禁带宽度，在异质界面处将发生能带的不连续。^[2]

掺杂超晶格是在同一种半导体中，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。掺杂超晶格的一个优点是，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。第二个优点是，多层结构的完整性非常好，由于掺杂量一般较小（107-1019/cm3），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。第三个优点，掺杂超晶格的有效能量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。^[2]

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。^[2]

初期研究超晶格材料时，除了AIGaAs/GaAs体系以外，对其他物质形成的超晶格的研究工作不多。原因是它们之间的晶格常数相差很大，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。但如果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。也就是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，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。^[2]

超晶格材料按形成其异质结类型分为第一类、第二类和第三类超晶格。第一类超晶格的导带和价带由同一层的半导体材料形成。第二类超晶格的导带和价带在不同层中形成，因此，电子和空穴被束缚在不同半导体材料层中。第三类超晶格涉及半金属材料。尽管导带底和价带顶在相同的半导体层中产生，与第一类超晶格相似，但其带隙可从半导体到零带隙到半金属负带隙之间连续调整。^[4]

主要是分子束外延技术，金属有机物化学气相沉积技术也可用于制备超晶格材料，但材料的生长温度相对要高一点，这会对超晶格材料的界面产生一定的影响。由于不同薄层中的电子发生了相互作用，超晶格材料改变了原材料中电子和空穴在材料中的输运、产生和复合等性能，进而可获得不同于原材料性能的新材料。超晶格材料的设计和制备亦被称为能带工程，它为获得特定功能的新型材料提供了一条新的途径，大大拓展了半导体材料的种类和性能。例如砷化镓（GaAs）和砷化镓铝（GaAlAs）都是宽禁带的半导体材料，但在它们构成的超晶格材料中，利用阱中子能级上电子向势垒的跃迁可实现对红外光的探测。超晶格材料的性能可通过调节材料的掺杂、超晶格层的厚度以及周期性的结构加以改变，这使得超晶格材料在制造工艺和应用中具有较好的适应能力。^[5]

超晶格适宜于制作新型光探测器，可调光源、光放大、调制和双稳等器件。^[1]

两种或两种以上不同的超薄材料交替堆叠可以形成多个周期的超薄多层结构。例如，高带隙的半导体材料GaAlAs将低带隙的半导体材料夹在中间，从而形成势垒。如果势垒层的厚度足够大（大于德布罗意波的波长），势阱的厚度小于德布罗意波的波长，势阱中的电子的能级状态变化为阶梯状态，则这种结构被称为量子阱（超级晶格）。按照有源区的量子阱数量不同，量子阱结构可以分为单量子阱结构和多量子阱结构。单量子阱结构特点是有源区只有一个由超薄膜层窄带隙材料（GaAs）形成的量子阱（势阱），两侧边界是由宽带隙材料（GaAlAs和GaAlAs）形成的势垒。多量子阱的结构特点是，超薄膜层宽带隙材料和超薄膜层窄带隙材料交替生长，多量子阱中各个相邻的势阱宽度非常窄，一个势阱的电子会穿过势阱，隧穿进入另一个势阱。两个势阱中的电子相互作用，产生量子化能级劈裂的能带特性。^[6]